Satellitter afslører smeltning af sten under vulkansk zone, dybt i Jordens kappe

Vulkaner bryder ud, når magma stiger gennem revner i jordskorpen, men de nøjagtige processer, der fører til smeltning af sten i Jordens kappe nedenfor, er svære at studere.

I vores papir, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , vi viser, hvordan det er muligt at bruge satellitmålinger af bevægelser af Jordens overflade til at observere smelteprocessen dybt under New Zealands centrale Nordø, en af ​​verdens mest aktive vulkanske regioner.

Rifting i Taupo vulkanske zone

Jordens solide ydre lag er kendt som skorpen, og dette ligger til grund for Jordens kappe. Men disse lag er ikke faste. De er brudt op i tektoniske plader, der langsomt bevæger sig i forhold til hinanden.

Det er langs grænserne for de tektoniske plader, at det meste af den geologiske virkning på jordens overflade sker, såsom jordskælv, vulkansk aktivitet og bjergbygning. Dette gør New Zealand til et særligt dynamisk sted, geologisk set, fordi den strækker sig over grænsen mellem de australske og stillehavsplader.

Den centrale region på Nordøen er kendt som den vulkanske zone Taupo, eller TVZ. Det er opkaldt efter Lake Taupo, det oversvømmede krater i regionens største vulkan, og den har været aktiv i to millioner år. Flere vulkaner fortsætter med at bryde ud regelmæssigt.

TVZ er den sydlige spids af en ekspansionszone, eller rifting, i jordskorpen, der strækker sig offshore i tusinder af kilometer, helt nord i Stillehavet til Tonga. Offshore, dette finder sted gennem havbundspredning i Havre -trug, skaber både ny oceanisk skorpe og en smal skive af en tallerken lige langs kanten af ​​den australske tektoniske plade. Overraskende, denne spredning foregår på samme tid som den tilstødende stillehavs tektoniske plade glider under den australske plade i en subduktionszone, udløser nogle af de store jordskælv i regionen.

Spredning af havbunden resulterer i smeltning af Jordens kappe, men det er meget svært at observere denne proces direkte i det dybe hav. Imidlertid, havbunden breder sig i Havre Trough -overgangene brat på land til den vulkanske aktivitet i TVZ. Dette giver mulighed for at observere smeltningen i Jordens kappe på land.

Generelt, vulkansk aktivitet sker, når der er smeltet sten på dybden, og derfor indikerer vulkanismen på Nordøen store mængder smeltet sten under overfladen. Imidlertid, det har været et vanskeligt problem at forstå præcis, hvad der forårsager smeltningen i første omgang, fordi de underliggende klipper er begravet af tykke lag af vulkansk materiale.

Vi har løst dette problem ved hjælp af data fra Global Positioning System (GPS) sensorer, hvoraf nogle er en del af New Zealands GeoNet -netværk og nogle, der har været brugt i målekampagner siden 1995. Sensorerne måler vandrette og lodrette forskydninger i Jordens overflade til millimeterpræcision, og vores forskning er baseret på data indsamlet i løbet af de sidste to årtier.

Bøjning af jordens overflade

GPS-målingerne i Taupo vulkanske zone afslører, at den udvider øst-vest med en hastighed på 6-15 millimeter om året-med andre ord, regionen, samlet set, udvider sig, som vi forventede ud fra vores tidligere geologiske forståelse. Men det var overraskende at opdage, at i hvert fald de sidste 15 år, en strækning på cirka 70 kilometer undergår stærk vandret sammentrækning og aftager også hurtigt, tværtimod hvad man kunne forvente.

Også uventet, kontraherende zone er omgivet af regioner, der ekspanderer, men også opløftende. Forsøg på at give mening om disse observationer viste sig at være nøglen til vores nye indsigt i smelteprocessen under TVZ.

Vi fandt ud af, at mønsteret for sammentrækning og nedsynkning, sammen med ekspansion og løft, i forbindelse med den samlede rifting af TVZ, kunne forklares ved en simpel model, der involverer bøjning og kurvning af en elastisk øvre skorpe, trukket nedad eller skubbet opad af en underliggende lodret drivkraft. Størrelsen på den region, der opfører sig sådan, strækker sig omkring 100 kilometer i bredden og 200 kilometer i længden, kræver, at denne kraft stammer næsten 20 kilometer under jorden, i Jordens kappe.

Smeltning af kappen

Når tektoniske plader glider fra hinanden på havbunden, den underliggende kappe stiger op for at fylde hullet. Denne opvækst udløser smeltning, og årsagen til dette er så varm, men solid, kappe sten undergår en reduktion i trykket, når de bevæger sig opad og tættere på jordens overflade. Dette trykfald, frem for en temperaturændring, begynder smeltningen af ​​kappen.

Men der er en anden egenskab ved denne upwelling mantel flow, fordi det også skaber en sugekraft, der trækker den overliggende skorpe ned. Denne kraft opstår, fordi som en del af strømmen, klipperne skal effektivt "dreje et hjørne" nær overfladen fra en overvejende lodret strøm til en overvejende vandret.

Det viser sig, at styrken af ​​denne kraft afhænger af, hvor stive eller klæbrige mantelstenene er, målt i viskositet (det er svært at drive strømmen af ​​stærkt viskøse eller klæbrige væsker, men let i løbende).

Eksperimentelle undersøgelser har vist, at viskositeten af ​​sten dybt i jorden er meget følsom over for, hvor meget smeltet materiale de indeholder, og vi foreslår, at ændringer i mængden af ​​smelte giver en kraftfuld mekanisme til at ændre viskositeten af ​​den opvoksende kappe. Hvis kappe ikke indeholder meget smelte, de vil være meget klæbrigere, forårsager, at den overliggende skorpe trækkes hurtigt ned. Hvis stenene lige er smeltet, så gør dette strømmen af ​​klipperne løbende, så den overliggende skorpe kan springe op igen.

Vi ved også, at de bevægelser, vi observerer på overfladen med GPS, skal være relativt korte, geologisk set, varer højst et par hundrede eller få tusinde år. Ellers ville de resultere i dybtgående ændringer i landskabet, og vi har ingen beviser for det.

Ved hjælp af GPS, vi kan ikke kun måle sugekraftens styrke, men vi kan "se" hvor, hvor lang tid, og hvor meget den underliggende kappe smelter. Denne smelte vil til sidst stige op gennem skorpen for at fodre de overliggende vulkaner.

Denne forskning hjælper os med at forstå, hvordan vulkanske systemer fungerer på forskellige tidsskalaer, fra menneske til geologisk. Faktisk, det kan være, at de GPS -målinger, der er foretaget i løbet af de sidste to årtier, har fanget en ændring i mængden af ​​kappesmeltning i dybden, som kunne indvarsle begyndelsen på øget vulkansk aktivitet og tilhørende risiko i fremtiden. Men vi har ikke målinger over en lang nok periode endnu til at lave fortrolige forudsigelser.

Det centrale punkt her er, alligevel, at vi er gået ind i en ny æra, hvor satellitmålinger kan bruges til at sonde aktivitet 20 kilometer under jordens overflade.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.