Når lava hærder, en åbenbaring bobler op

Dengang han arbejdede på sin ph.d. i geofysik ved University of Chicago i 1980'erne, Dork Sahagian tog en dag en pause fra at studere lavastrømme for at deltage i et foredrag om, hvordan regndråber dannes i skyer.

Det, han lærte, gav ham et nyt perspektiv på lava og inspirerede ham til at udvikle en ny metode til at estimere den historiske højde af Jordens landoverflader.

"Ved foredraget " siger Sahagian, som nu er professor i jord- og miljøvidenskab ved Lehigh, "en atmosfærisk fysiker viste, hvordan større regndråber falder hurtigere, fordi de har et større volumen-til-overflade-arealforhold og dermed en højere terminalhastighed end mindre regndråber.

"På grund af dette, de større dråber indhenter de mindre dråber og smelter sammen med dem. Så vokser regndråberne i størrelse, får størrelsesfordelingen til at blive større."

På det tidspunkt, Sahagian studerede vesiklerne, eller luftbobler, som bliver suspenderet i de hærdede strømme af basaltisk lava, en meget flydende form af smeltet sten udslynget af vulkaner. Vesiklerne dannes og er fanget i lavastrømmens øverste og nederste lag; det midterste lag, den sidste til at stivne, forbliver boblefri.

Fysikerens foredrag førte til et Eureka-øjeblik for Sahagian.

"Jeg vendte himlen på hovedet, så at sige, " husker han. "Jeg forestillede mig de større lavabobler strømme opad, som boblerne i champagne eller sodavand, og indhente de mindre bobler og derefter samles og stiger hurtigere."

Lavaens øverste og nederste lag, Sahagian antog, bør indeholde nogenlunde samme størrelser af bobler og samme fordeling af boblestørrelser. Han lavede nogle matematiske beregninger og skrev en model, der beskrev stigningen, vækst og sammensmeltning af bobler i en lavastrøm.

"Men så en dag indså jeg, at størrelsesfordelingen af ​​boblerne i toppen af ​​strømmen burde adskille sig fra fordelingen i bunden, selvom lavaen kommer fra den samme vulkanske magma, " sagde han. "Det er fordi på toppen, boblerne udsættes kun for atmosfærisk tryk, mens i bunden, de udsættes for atmosfærisk tryk såvel som for det hydrostatiske tryk fra vægten af ​​lavaen ovenfor."

Dermed, Sahagian ræsonnerede, ved at beregne forholdet mellem modal boblestørrelse i lavaens øverste og nederste lag, og relaterer dette til lavastrømmens tykkelse og alder, han kunne bestemme det atmosfæriske tryk, der herskede, da lavaen anbragte sig, eller hærdet til sin endelige position. (Den modale størrelse er størrelsesområdet med den største population af bobler.)

"Med andre ord, forholdet mellem boblernes rumfang skal være det samme som forholdet mellem trykkene. Hvis vi kan måle boblevolumen og lavaens tykkelse, vi kan løse for atmosfærisk tryk."

Og i betragtning af at det atmosfæriske tryk falder som en funktion af stigende højde, Sahagian udledte endvidere, at det burde være muligt at bestemme, i hvilken højde lavaen placerede sig.

Flere år senere, Sahagian, på dette tidspunkt et fakultetsmedlem ved Ohio State University, tog til Hawaii for at teste formlen i basaltiske lavastrømme, der var hærdet under udbruddet af Mauna Loa-vulkanen i 1959.

"Når I tvivl, " han siger, "gå til Hawaii."

Sahagian og hans elev, Joe Maus, målte boblestørrelser og fordeling i prøver taget fra bunden af ​​Mauna Loa ved havoverfladen og fra topmødet kl. 12, 000 fods højde. For at undgå skæve resultater, de prøvede kun ganske enkelt placeret, velbevarede og udsatte lavastrømme, der ikke var blevet ændret - gennem oppustning eller dræning - efter at den øvre og nedre del af strømmene var størknet.

"Vi spejdede meget, før vi fandt den rigtige slags flows, "Sahagian sagde. "Vi ønskede at sikre, at vesikulæriteten, vi målte, virkelig var en funktion af stratigrafisk position i strømmen."

Forskerne beregnede forholdet mellem gennemsnitlig boblestørrelse i lavaens øverste og nederste lag ved bunden af ​​Mauna Loa og bestemte derefter det samme forhold for lavaen ved vulkanens topmøde. Forskellen mellem de to forhold var signifikant, og det svarede nogenlunde til forskellen i atmosfærisk tryk mellem toppen og bunden af ​​Mauna Loa. Sahagian og Maus rapporterede deres resultater i Nature magazine i 1994 i en artikel med titlen "Basalt Vesicularity as a Measure of Atmospheric Pressure and Paleoelevation."

"Hvis atmosfærisk havniveautryk er kendt (eller antaget), " skrev de, "Vesikelstørrelsesfordelinger i basaltstrømme kan således bruges som en indikator for paleoelevation af emplacement. Analyse af vesikelstørrelsesfordelingen af ​​basaltprøver indsamlet fra toppen og bunden af ​​Mauna Loa-vulkanen på Hawaii [viser], at teknikken giver estimater for omgivende tryk, der gav skøn over højde med en opløsning på omkring 400 meter."

"Vi var spændte på det her, " siger Sahagian. "Der var ikke rigtig nogen gode geologiske palæo-altimetre til at fortælle dig, hvor højt et landområde var, medmindre det var ved havoverfladen. Vi kunne måle vanddybden bedre, end vi kunne måle højden.

"Men nu havde jeg lavet en paleoaltimeter ud af en triviel matematisk formel, og det virkede."

Sahagian tog derefter sin nye teknik til Colorado Plateau, som dækker store dele af Utah, Colorado, Arizona og New Mexico. Forskere, der brugte forskellige metoder til at måle plateauets geologiske seneste stigning i højden, var nået frem til tilsyneladende modstridende konklusioner om, hvornår - og dermed hvorfor - stigningen fandt sted.

"Vi forsøgte at bilægge en tvist mellem dem, der sagde, at dette var en nylig opløftning, og dem, der sagde, at det var gammelt. Det viste sig, at begge grupper havde ret. Plateauet har været opløftende i mindst 30 millioner år, men det har været opløftende hurtigere i de sidste fem til ti millioner år, end det var før."

Seneste, Sahagian er rejst til Hangay-bjergene i det centrale Mongoliet for at tage et andet geologisk puslespil:Hvordan gjorde en relativt høj region - Hangay er et plateau med toppe, der når 13, 000 fod i højden - forekommer i et kontinentalt indre, hvor højderne normalt er lave? Også, Hangayerne er placeret i nærheden af ​​store sprækkezoner, der strækker sig, og som kan forventes at have en udjævnende effekt på topografien.

Sahagian og hans samarbejdspartner, Alex Proussevitch fra University of New Hampshire og tidligere fra Siberian Academy of Sciences i Novosibirsk, Rusland, er en del af et tværfagligt team på to dusin forskere, der har brugt syv år på at studere Hangay med en bevilling fra National Science Foundation. Holdet inkluderer Lehigh-fakultetets medlemmer Peter Zeitler, en geokronolog, Anne Meltzer, en seismolog, og Bruce Idleman, seniorforsker. Forskerne håber at kunne kaste lys over Jordens geologiske historie og på forbindelserne, der forbinder kontinental deformation, udviklingen af ​​topografi og globalt klima.

I Mongoliet, den første ordre for Sahagian og Proussevitch og deres kolleger var at søge efter prøver af godt eksponerede, uændret lava, hvis tykkelse kunne måles nøjagtigt. Da Hangay-bjergene er en region med barsk topografi med få veje og lidt om nogen infrastruktur, gruppen anså sig for heldig at finde en russisktalende chauffør med en terrængående varevogn.

"Vi spejdede meget rundt og indsamlede prøver, " siger Sahagian. "Vi forsøgte at sikre, at disse lavasteder havde god eksponering, og at vi kunne se toppen og bunden af ​​en lavastrøm. Vi gik over hele Hangay-plateauet og de omkringliggende områder, inklusive Gobi-ørkenen, hvor der også var lavastrømme."

Gruppen indsamlede prøver, der borede kerner med en diameter på 1 tomme. Prøverne blev dateret af Zeitler og hans elever i Lehigh's Geochronology Lab og viste sig at variere i alder fra 100, 000 år til 3-4 millioner år til 9,5 millioner år.

"Vi var heldige at få en god aldersfordeling, " siger Sahagian.

Forskerne brugte derefter højopløsnings computer-røntgentomografiscanning til at måle boblestørrelser og -fordelinger i de øverste og nederste lag af hver lavaprøve. De bestemte derefter forholdet mellem gennemsnitlige vesikelstørrelser mellem lagene og, efterfølgende, det atmosfæriske tryk på anbringelsestidspunktet.

Gruppen rapporterede sine resultater sidste år i en artikel i Tidsskrift for Geologi med titlen "Hævning af Central Mongola optaget i vesikulære basalter." Dens hovedkonklusion:Hangay-bjergene er steget i højde med cirka 1 kilometer, plus eller minus et par hundrede meter, i de sidste 10 millioner år. Da dette løft fandt sted, og om det skete på én gang, gradvist eller i anfald og starter, er endnu ikke fastlagt.

Sahagian siger, at der mangler meget arbejde i Hangay-bjergene.

"Dette er et af vores første resultater. Mange forskellige hypoteser er blevet foreslået om, hvorfor Hangay-regionen er høj, og hvorfor den er opløftende. Vi håber på at teste disse og udvikle vores egen hypotese. Vi venter på resultater af seismisk arbejde, der vil fortælle os mere om den dybe struktur af kappen og øvre og nedre litosfære.

"Men hvad angår vores basaltiske vesikulære arbejde, vores resultat er robust. En kilometer på 10 millioner år er ikke en unormal stigningshastighed. Det er meget i overensstemmelse med, hvad andre finder. Hvordan tolker vi det resultat? Det er det større billede, og det skal stadig løses."