Hemin Koyi, professor in geodynamics och tekctonics

He recreates structures which are millions of years old in a few days

As a teacher, Hemin Koyi wants to create an environment where the students feel totally comfortable: - ‘Teaching is an ability one achieves by learning from those one is teaching’ is my motto. Photo: Mikael Wallerstedt

At the Department of Earth Sciences in Uppsala is one of the world’s foremost tectonic laboratories. Here, millions of years of geological processes such as volcanoes, faults, landslides and mountain formation are examined.
‘Using realistic models, we can simulate the development of geological structures in a few days, or in some cases a few hours,’ says professor Hemin Koyi, structural geologist and director of the Hans Ramberg Tectonic Laboratory, HRTL.

Guest researchers from all around the world have visited the laboratory over the years in order to take advantage of its equipment and expertise. The KoF 2011 international evaluation called HRTL one of the world’s leading laboratories for experimental structural geology. ‘Some of the instruments are unique,’ says Hemin Koyi.

‘For example, we have two high-capacity centrifuges for simulating plastic deformation in the earth’s lower crust and mantle under strong gravitation. Some labs around the world have acquired centrifuges after their researchers have used those in Uppsala. We also have a couple of custom-made pressure rigs, a high-resolution scanner, a viscometer and a number of other instruments to measure the properties of the materials used in the models.’

Researchers at the tectonic laboratories use both geological and geophysical data to simulate various tectonic processes, from the formation of faults and landslides to the creation of mountain ranges when the continental plates collide.

‘But since we don’t work with hard rock, we can shorten the time for these processes from several million years to a few days, sometimes hours,’ says Hemin Koyi. ‘We also don’t need enormously powerful forces to deform our models. We quite simply match the properties of the materials to the forces deforming them to make the models mimicking nature as closely as possible.’

Materials such as loose sand, modelling clay and silicone are combined into physical models. After this, depending upon the tectonic environment to be simulated, the models are pulled apart, pressed together or slid past each other in blocks, so called shearing, in order to simulate deformation found in nature. These experiments are performed with or without changing the temperature while researchers monitor changes in movement, speed, direction and shape. A high-resolution laser scanner is used to takes three-dimensional images.

‘We can simulate different geological processes and monitor how structures are created under such conditions. In this way, we learn about the origin of the structures we see in the nature.’

These days, researchers supplement physical models with numerical data models in order to carry out advanced calculations. Such calculations played a decisive role some years ago when Hemin Koyi exposed the instability of a proposed site for storing nuclear waste in Germany. His investigation was a major reason for the plans being shelved.

‘It turned out that the bedrock contained large blocks of another high-density rock type. According to the model results, these blocks would sink down and deform the planned storage site. If this happened, it would jeopardise the stability of both the storage site and the waste. Model results showed that many parameters have to be considered when deciding whether a certain structure or site is suitable for hazardous waste.’

As a structural geologist, Hemin Koyi thinks he is in a good position. Research on geological structures is important in many areas and often involves collaboration with other experts, including geophysicists, hydrologists, petrologists and engineers.

‘If you work on folded structures which were formed when continental plates collided and pressed against each other, the results can be used by oil companies surveying oilfields, or mining companies looking into how ores are affected by the structures which have formed. In this way, you can obtain a picture of movement and earthquake patterns in a mountain range. Understanding structures created under brittle deformation, faults for example, and how they were formed may be applied to various subject areas and may benefit both industry and society.’

Hemin Koyi’s interest in structural geology was awakened by a university teacher back home in Sulaimany in the Iraqi part of Kurdistan.

‘Professor Rao was a senior gentleman from India who had previously spent many years working for an American oil company but then started teaching structural geology. I remember him as an exceptionally good teacher, very relaxed in the classroom,’ says Hemin Koyi.

He takes the same attitude with his own students. For a number of years now, Hemin Koyi has taught the courses Structural Geology and Ground Stability, Tectonics, and Presentation and Publication. Students taking the first mentioned usually award an average grade of 4.8 or 4.9 out of 5 in their course evaluations.

‘When I go into a lecture theatre, I try to create an environment where the students feel totally comfortable. ‘Teaching is an ability one achieves by learning from those one is teaching’ is my motto. This is why I ask very basic questions so that the students participate in classroom discussions instead of just sitting listening to me. In this way, I carry on a dialogue with the students and get their attention so that we make a connection.’

He also tries to make sure that he knows the names of all his students.

‘At the start of some terms, I say to them: ‘If I’ve got all of your names by, say, the day after tomorrow then you will remember everything I’ve told you in the course so far.’ They usually agree to this,’ says Hemin Koyi with a laugh.

‘The students like to be seen as individuals rather than a group.’

His course in tectonic modelling has attracted many overseas students over the years. Until recently, Uppsala University was the only one in the world to offer such a course as part of their degree programme. The directors of many of the world’s tectonics programmes have visited HRTL and been inspired to set up their own laboratories back home.

‘At an EGU (European Geosciences Union) conference in Vienna last spring, I met two researchers from Italy who had visited Uppsala two years in a row. After doing so, they went back home and built their own tectonics lab. One of them told me: ‘We are now copying Uppsala again. We offer a course in tectonic modelling as well.’ Being told such things and knowing that many labs have been set up by researchers who have visited and worked at the Hans Ramberg Tectonic Laboratory seems to indicate that our international influence has been quite widespread.’

Anneli Björkman

Han återskapar miljoner år gamla strukturer på några dagar

Som lärare vill Hemin Koyi skapa en miljö där studenterna känner sig helt bekväma: - "Att kunna undervisa är en egenskap som man får när man också lär från dem man lär ut till”, är mitt motto. Foto: Mikael Wallerstedt

Vid institutionen för geovetenskaper i Uppsala ligger ett av världens främsta tektoniska laboratorium. Här kartläggs miljoner år av geologiska processer såsom jordbävningar, vulkaner, sprickbildningar, jordskred och bergskedjor.
– Med hjälp av naturtrogna modeller kan vi simulera geologiska strukturers utveckling på ett par dagar, i vissa fall några timmar, säger professor Hemin Koyi, strukturgeolog och föreståndare för Hans Ramberg Tektoniklaboratorium, HRTL.

Gästforskare från hela världen har genom åren besökt laboratoriet för att få tillgång till dess utrustning och expertis. I den internationella utvärderingen KoF 2011 ansågs HRTL vara ett av världens ledande laboratorier inom experimentell strukturgeologi. Flera av instrumenten är unika, berättar Hemin Koyi.

– Vi har till exempel två högkapacitetscentrifuger för simulering av plastisk deformation i jordens nedre skorpa och mantel under hög gravitationskraft. Några labbar i världen har skaffat sig centrifuger efter att deras forskare använt sådana i Uppsala. Dessutom har vi ett par skräddarsydda tryckapparaturer, en skanner för högupplösning, en viskometer, och flera instrument för att mäta egenskaperna i det material som används i modellerna.

Forskarna vid tektoniklaboratoriet använder såväl geologiska som geofysiska data för att imitera olika tektoniska processer, alltifrån formation av förkastningar och jordskred till bildandet av bergskedjor i samband med att kontinentalplattor kolliderat.

– Fast eftersom vi arbetar med andra material än hårda berg kan vi förkorta tiden för de här processerna från ett par miljoner år till ett par dagar, ibland timmar, säger Hemin Koyi. Då behöver vi heller inte gigantiskt stora spänningar för att forma om våra modeller. Vi parar helt enkelt ihop materialegenskaper med rådande spänningar som omformar de här materialen för att göra modellerna så lika naturen som möjligt.

Material som lös sand, plasticin och silikonmassa sätts samman i fysiska modeller. Därefter, beroende på vilken tektonisk miljö som simuleras, dras modellerna isär eller trycks ihop, eller glider blockvis längs med varandra i så kallad skjuvning för att efterlikna deformationen som sker i naturen. Detta sker med eller utan temperaturändringar medan forskarna noterar förändringar i modellernas rörelser, hastighet, riktning och form. En laserskanner för högupplösning tar även bilder i tre dimensioner.

– Då kan vi efterlikna den aktuella geologiska processen och följa hur strukturer bildats under de här förhållandena. På så sätt lär vi oss om grunden för de strukturer vi ser i naturen.

Idag kompletterar forskarna de fysiska modellerna med numeriska datamodeller för att kunna göra mer avancerade beräkningar. Sådana var avgörande då Hemin Koyi för några år sedan avslöjade instabiliteten hos ett tilltänkt slutförvar för kärnavfall i Tyskland. Hans studie bidrog i hög grad till beslutet att skrinlägga planerna.

– Berggrunden visade sig innehålla stora block av en annan bergart med hög densitet, som enligt modellresultaten skulle sjunka in i och deformera den tilltänkta förvaringsplatsen. Ett sådant scenario skulle inte gynna stabiliteten av varken förvar eller avfall. Våra modeller visade att många parametrar måste tas med i beräkningen för att kunna avgöra om en viss struktur eller plats är lämplig för farligt avfall.

Som strukturgeolog är Hemin Koyi i en bra position tycker han, då forskning på strukturer har betydelse för många områden och leder till samarbeten med bland annat geofysiker, hydrologer, petrologer och ingenjörer.

– Jobbar man med veckstrukturer som uppstått när kontinentalbottenplattor krockat och pressats mot varandra kan resultatet tillämpas av oljebolag som kartlägger oljefält. Eller malmbolag som tittar på hur malm är styrt av vilka strukturer som har bildats. På så sätt får man en bild av rörelse- och jordbävningsmönster i en bergskedja. Att förstå strukturer som bildas under spröd deformation, exempelvis sprickor, och hur dessa i sin tur bildas, har tillämpning inom olika ämnesområden och gynnar både samhället och industrin.

Intresset för strukturgeologi väcktes av en universitetslärare hemma i Sulaimany i den irakiska delen av Kurdistan.

– Professor Rao var en äldre herre från Indien som hade jobbat för ett amerikanskt oljebolag en längre period men sen börjat undervisa i strukturgeologi. Jag minns honom som en väldigt bra lärare, väldigt avslappnad i klassrummet, säger Hemin Koyi.

Den inställningen tillämpar han även med sina egna studenter. Sedan flera år tillbaka undervisar han kurserna Strukturgeologi och markstabilitet, Tektonik, och Presentation och publicering. Den förstnämnda får oftast snittbetyget 4.8 eller 4.9 av totalt 5 i studenternas utvärderingar.

– När jag går in i en föreläsningssal försöker jag skapa en miljö för studenterna där de känner sig helt bekväma. ”Att kunna undervisa är en egenskap som man får när man också lär från dem man lär ut till” är mitt motto. Därför ställer jag mest basala frågor i början för att få studenterna att delta i diskussioner i klassrummet istället för att bara sitta och lyssna på mig. På det sättet för jag en dialog med studenterna och får deras uppmärksamhet, och då hittar vi varandra.

Till hans ambitioner hör också att lära sig vad alla studenter heter.

– Vid vissa terminsstarter säger jag till dem: ”Om jag kommer ihåg era namn kanske i övermorgon, då ska ni komma ihåg allt som jag har berättat i kursen”, och det går de med på, skrattar Hemin Koyi.

– Studenterna uppskattar att ses som individer snarare än en grupp.

Hans kurs i tektonisk modellering har genom åren lockat många utländska studenter. Tills nyligen var Uppsala universitet det enda i världen att ge en sådan delkurs. Föreståndare för många av världens tektonikprogram har besökt HRTL och inspirerats att starta egna laboratorium på hemmaplan.

– När jag var på konferens med European Geosciences Union, EGU, i Wien i våras mötte jag två forskare från Italien som besökt Uppsala ett par år i rad. Efter det hade de åkt hem och byggt ett eget tektoniskt labb. En av dem sa till mig: ”Nu har vi följt Uppsala igen, vi ger en kurs i tektonisk modellering också.” Att höra sådant och veta att många labb byggts av forskare som besökt och jobbat i Hans Ramberg Tektoniklaboratorium verkar tyda på att vi haft en bredare internationell påverkan.

Anneli Björkman