Vi undersøgte Santorinis -vulkanen med lyd for at lære, hvad der foregår under overfladen

Øen Santorini i Middelhavet har tiltrukket mennesker i årtusinder. I dag, det føles magisk at se solen gå ned fra klipper over den dybe bugt, omgivet af koboltblå kirker og hvidkalkede huse. Dette mystiske sted tiltrækker omkring 2 millioner turister om året, hvilket gør det til en af ​​de bedste destinationer i Grækenland.

Ikke alle disse besøgende erkender, at Santorini er en aktiv vulkan. I 1630 f.Kr. vulkanen eksploderede og kollapsede og efterlod et næsten cirkulært hul. Dette er kalderaen - synlig i dag som en bugt fyldt med havvand og beklædt med klipper. Den store eksplosion dækkede en bronzealderby, begrave bygninger i vulkansk aske to etager dybt.

De seneste lavastrømme brød ud i 1950 og udvidede de øer, der er vokset i centrum af kalderaen. For nylig, i 2011-2012, vulkanen gennemgik en periode med uro. Jorden bulede op og ud, og der opstod mange små jordskælv. Forskere konkluderede, at en lille mængde magma blev injiceret cirka 4 kilometer under den nordlige del af kalderaen.

Det, der tiltrak mig til dette ikoniske sted, er, at det meste af vulkanen er nedsænket under vand. Jeg er en geofysiker interesseret i, hvordan magma bevæger sig dybt i jorden. I løbet af det sidste årti, Jeg har brugt avanceret teknologi til at forbedre, hvordan vi "ser" magmas ellers skjulte veje under vulkaner rundt om i verden.

Brug lyd til at se, hvad der er under overfladen

I 1780'erne, Den franske videnskabsmand Ferdinand Fouquet rejste til Santorini for at se et igangværende udbrud. Han var den første til at indse, hvordan den vulkanske overfladesænkning kendt som en caldera blev dannet. Da magma tømmede ud af sit underjordiske reservoir under udbruddet, taget af sten, der havde dækket det, faldt sammen. Flankerne af vulkanen, der blev tilbage, danner ringen af ​​øer, der er synlige over vandet i dag.

Mit forskningsprojekt havde til formål at dykke dybere, bogstaveligt talt, end hvad vi kan se fra overfladen for at finde ud af, hvad der foregår inden for denne stadig aktive vulkan. Et tæppe vand over alt undtagen toppen af ​​Santorini-vulkanen betød, at jeg kunne bruge dybt gennemtrængende marine lydkilder til at "belyse" undergrundens strukturer. Mine internationale samarbejdspartnere og jeg ville finde det sted og den dybde, hvor magma samledes, og hvor meget magma der er lige nu.

Vi udførte vores arbejde fra R/V Marcus Langseth, et amerikansk seismisk skib. Det er det eneste akademiske skib med en lydkilde, der er i stand til at forestille sig en dyb inderside af en vulkan. Denne teknologi er kontroversiel på grund af den potentielle indvirkning af høje lyde på marine dyreliv og dens intensive brug af olieefterforskningsselskaber.

Vi brugte måneder på at lave miljømæssige tilladelser og finde det optimale design til eksperimentet. Skibet transporterede et team af erfarne biologiske observatører, der undersøgte havet både over og under vandet for lydfølsomme eller truede arter. Hvis der blev observeret nogen på afstand, vi skulle følge et foreskrevet sæt handlinger for at sikre, at de ikke blev forstyrret. Efter alt dette forberedelse, selvom, vi så næsten intet dyreliv under ekspeditionen.

Vores metode med "aktiv kilde seismisk billeddannelse" er som at lave et CAT-scanningsbillede af Jordens inderside. I stedet for at bygge et billede ved hjælp af røntgenstråler, selvom, vi bruger lydbølger genereret af 36 tunge, metalbeholdere - kaldet luftvåben - der bugseres dybt i vandet bag skibet. Når luftvåbnene åbner, trykluft skubber på havvandet, skaber en lydbølge, der bevæger sig gennem jorden.

I dette tilfælde, lyden bevæger sig gennem klipperne under vulkanen. Derefter optager seismiske sensorer på havbunden på den anden side af vulkanen, når lyden når dem. Holdet installerede 65 af disse stationer på land, på tværs af Santorini og de nærliggende øer, og faldt yderligere 90 stationer til havbunden.

Vi er nødt til at bruge meget præcis timing til at måle, hvor lang tid det tager lydenergi at gå gennem vulkanens forskellige dele. Energien fra lydkilden vil bevæge sig langsommere gennem sten, der er brudt, eller som er varme og indeholder magma. Når vi undersøger strukturen fra mange forskellige retninger og på mange forskellige dybder, vi kan gendanne et detaljeret billede af Jordens indre.

For at få dataene tilbage fra havbunden, vi sender et specielt lydsignal til sensoren - som et fugleopkald - der beordrer instrumentet til at tabe sit anker. Derefter scanner alle havet på udkig efter instrumentet. I løbet af dagen søger vi efter et muntert orange flag, om natten gør et stroboskoplys denne opgave lettere. Vores skib manøvrerer sammen med instrumentet, og et besætningsmedlem læner sig over siden, hooker instrumentet på en lang stang og trækker det tilbage om bord. Dataene er i hånden.

Udfyldning af billedet under overfladen

Analyse af de seismiske data er en enorm opgave. Det krævede erfaren inspektion af ph.d. studerende Ben Heath og kandidatstuderende Brennah McVey. Vi brugte derefter seismisk tomografi til at lave de første detaljerede "fotografier" af Santorinis overfladestruktur. Udtrykket tomografi kommer fra de græske ord "tomos" for skive og "graphos" for tegning. Grundlæggende sofistikeret computerkode laver en tredimensionel digital model af objektet af interesse baseret på hastigheden, lydbølger rejste gennem det.

Overraskende, fandt vi en smal zone med kollapset sten, der gemte sig inden for den brede kaldera ved Santorini. Geologiske undersøgelser af udbrudene på Santorini havde ikke fået os til at forvente, at der ville være et begrænset volumen af ​​klipper i den nordlige del af kalderaen, som lyden rejste langsommere igennem. Vi troede snarere, at hele calderaen ville være fyldt med denne type brudt sten på lavvandede dybder. Vores fund betød, at den kollapsede del af kalderaen var meget smallere og dybere, end den ser ud fra overfladen.

Denne søjle med forstyrret sten er mindre end 3 km på tværs-lille i forhold til størrelsen på den 10 km brede (10 km) kaldera. Strukturen går ned i jorden 3 km under bunden af ​​bugten. Disse sten skal indeholde masser af vandfyldte huller for at have tilstrækkeligt bremset den seismiske energi, vi registrerede.

For at finde ud af, hvordan dette unikke volumen af ​​forstyrret sten dannede sig, vi trak på eksisterende viden om Santorinis seneste store eksplosion, sen bronzealders udbrud i 1630 f.Kr. Da magma brød ud fra undergrunden, det fik de overliggende klipper til at bryde op. På samme tid, underjordiske eksplosioner sprængte klipperne, da magma og vand kom i kontakt. Derefter, over denne kollapsende kolonne, havbundens fordybning fyldt med porøse vulkanske aflejringer fra selve udbruddet. Endelig, hele bugten faldt ned og hurtige oversvømmelser dannede en tsunamibølge.

Det, der er særligt interessant ved vores fund, er, at magma fortsætter med at akkumulere direkte under søjlen med forstyrret sten - tusinder af år efter den eksplosion, der oprindeligt skabte kalderaen. Mine kolleger og jeg tror, ​​at den stigende magma standser under den reducerede vægt af den ødelagte sten i den kollapsede søjle.

Vores forskning hjælper med at forklare, hvordan magmasystemer nulstilles og regrow efter større vulkanske episoder.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.