Brug af lyd til at studere undervandsvulkaner

Forestil dig at placere en sten på et stykke ophængt pap. Hvis pappet er stærkt og solidt, som omslaget på en hardback bog, stenen kan sidde der i lang tid, og brættet vil knap nok bøje på grund af stenens vægt. Men hvis pappet er spinkelt, mere som plakatplade, det vil begynde at give sig under klippens vægt, forvrængning i form og struktur.

Jordforsker Donna Shillington studerer et lignende koncept, når hun studerer vægten af ​​hærdende lava, eller magma, på jordens overflade. Når vulkaner bryder ud, sprudlende ild, lavaen afkøles med tiden og sammensættes, tilføjer vægt og stress, der kan få Jordens tyndere tektoniske plader til at bøje og revne, som kan skabe jordskælv, og i nogle tilfælde, tsunamier.

Shillington vil vide præcis, hvor meget magma der er hærdet under en kæde af vulkaner på Stillehavspladen, som ligger under Stillehavet. Hun er også ved at undersøge, hvor stærk pladen er, og om det vil opføre sig mere som pap- eller plakatbrættet under vægten af ​​klippen - eller i dette tilfælde, magma.

Strækker sig 40 millioner kvadratkilometer over jordens overflade, Stillehavspladen svæver over et hotspot, hvor meget varmt materiale fra dybt inde i Jorden plymer opad. Da pladen har sneget sig hen over dette hotspot i løbet af de sidste titusinder af år, den undslupne varme, der interagerer med pladen, forårsagede vulkanudbrud og skabte Hawaii-kejserens havbjergkæde, en bjergkæde, der strækker sig 3, 900 miles fra Aleutian Trench i det nordvestlige Stillehav til Lo'ihi havbjerget kun 32 miles sydøst for øen Hawaii. Det meste af kæden er under vandet - mindst 80 undervandsvulkaner er blevet identificeret - og Hawaii-øerne er de eneste udsatte toppe i systemet.

Som med ethvert bjergsystem, videnskabsmænd vil vide, hvad det består af, hvordan det er dannet, og hvordan det har ændret sig over tid. Men, fordi de yngre vulkaner i denne kæde er i stand til at bryde ud og producere jordskælv eller tsunamier, forskere vil også gerne vide, hvordan den belastning, som kæden har tilføjet til Stillehavspladen, kan påvirke naturkatastrofer. Vigtigere, de vil vide, hvor stærk pladen er ved at studere, hvordan den reagerer på belastningen fra de gigantiske vulkaner.

Desværre, Hawaii-øerne over havets overflade, der er nemme at prøve, er blot en lille del af den ekspansive kæde og kun en del af historien. For at få de svar, de har brug for, Shillington og hendes kolleger skal gå meget, meget dybere - under havbunden.

I løbet af det akademiske år 2018-19 da Shillington var Lamont forskningsprofessor ved Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, hun ledede to forskningskrydstogter til Hawaii-kejserens havbjergkæde:Et til den unge hawaiianske del af kæden, og den anden til den ældre nordlige halvdel, hvor vulkaner er op til 80 millioner år gamle. Hun ønskede at lære så meget som muligt om undervandsvulkanerne – og jorden under dem – for at forstå, hvordan Stillehavspladen holder sig under vægten af ​​magma, og også, hvor den magma er præcis.

"At kende egenskaberne af den plade er vigtig for at forstå, hvordan den vil reagere, " sagde Shillington, som nu er lektor ved Northern Arizona University. "En tallerkens styrke er den grundlæggende ting, der vil styre, hvordan den opfører sig. F.eks. styrken af ​​den oceaniske plade vil diktere, hvordan den bøjer og bliver skubbet ned under kontinenterne ved subduktionszoner - et sted, der skaber jordskælv."

Rejste med Shillington på ekspeditionen var to andre Lamont-Doherty-videnskabsmænd - Brian Boston, en postdoc forsker og Will Fortin, en associeret forsker. Holdet af hovedefterforskere omfattede også en videnskabsmand fra Oxford University, Tony Watts; tre videnskabsmænd fra University of Hawaii — Robert Dunn, Garrett Ito, Paul Wessel; to videnskabsmænd fra US Geological Survey - Uri ten Brink og Nathan Miller; og en videnskabsmand fra GEOMAR — Ingo Grevemeyer. Gennem en konkurrencedygtig ansøgningsproces, holdet inviterede også kandidatstuderende fra hele landet til at deltage i krydstogterne, og eleverne bloggede om oplevelsen.

To gange, i oktober 2018 og igen i april 2019, holdet sejlede på R/V Marcus G. Langseth, et skib, der ejes af National Science Foundation og drives af Lamont-Doherty Earth Observatory. Fartøjet er specielt, fordi det har teknologi ombord, der gør det muligt for forskere at skabe to- og tredimensionelle kort over jordens struktur miles under havbunden.

Det tog ni dages sejlads fra Hawaii-øerne at nå deres prøveudtagningssted på Emperor Seamount Chain i Stillehavet, sagde Fortin. Det var, i enkleste vendinger, midt i ingenting. Den typiske udsigt fra styrbord var simpelthen tåge.

Imidlertid, holdet var der ikke til at se eller røre ved, men at lytte. Ved at bruge skibets indbyggede seismiske kortlægningsteknologi, de ville kortlægge undervandstopografien ved at sende lydbølger ind i vandet og måle, hvordan de ekko, en teknik kaldet seismisk billeddannelse.

"Seismologi er i bund og grund at stå i en kløft og råbe 'ekko' og så høre 'ekko' komme tilbage til dig, men meget mere kompliceret og meget mere stille, " sagde Fortin. "Når du hører 'ekko' komme tilbage til dig, hvis du optager bølgeformen og er meget opmærksom, du kan se, hvilken type sten den hopper af, fordi det ekko, der kommer tilbage, ændrer sig baseret på, hvad det rammer. Uanset om du er et sted med en sandstenskløft, eller der er en granitsten, du kan få den information fra hvordan ekkoet lyder – hvor højt det er, og hvordan det er forvrænget."

For at måle ekkoet, holdet tabte tøndestore seismometre overbord, hvor de sank over tre miles ned for at hvile på havbunden og opfange målinger af tryk og jordens bevægelse. De slæbte også et ni kilometer langt kabel forsynet med tryksensorer bag skibet.

Derefter, råbte de ind i kløften. Ved at bruge et arsenal af indbyggede luftkompressorpistoler, de affyrede luftbobler i vandet. De lyttede – i realtid – og optog.

Ud over de ekkoer, der registreres i vandsøjlen af ​​bådstreamerne, "Da vi producerede de seismiske bølger, seismometrene på havbunden registrerede, hvordan bølger forplanter sig gennem jordskorpen, " sagde Boston.

Fortin studerer også den rolle, som bjergkæden spiller i at cirkulere og blande havvand. At forstå topografien af ​​kæden og dens materialesammensætning vil hjælpe ham med at finde ud af, som vil tage et nærmere kig på, hvordan ekkoerne bevæger sig gennem vandsøjlen.

Optagelse og analyse af ekkoer i vand – og især koldt vand – kan være ret kedeligt, sagde Fortin. Mens skifer og sandsten afspejler omkring 20 procent af den originale lyd, kun omkring 0,05 procent af den originale lyds energi reflekteres mellem forskellige vandlag.

"Refleksioner i vandsøjlen er dæmpede og mere stille, som et ekko vendt tilbage fra en pude i stedet for en kløftvæg, sagde Fortin. Det vil sige, medmindre du havde specialudstyr som et seismisk skib eller flagermusører, du ville ikke høre et ekko fra din pude. Disse ekkoer er så stille, og det kræver noget finesse. Jeg tilpasser nogle af mine beregningsmetoder for at komme til det."

Til sidst, holdet vil også gerne vide, hvor meget ny magma, der hærder under vulkanerne.

"Noget magma kommer op til overfladen, hvor det bryder ud, når lavaen strømmer, " sagde Shillington. "Men, nogle af magmaerne når ikke op til overfladen - i stedet, de køler ned og krystalliserer til klipper under Jordens overflade."

Holdet bruger lydbølger til at bestemme tykkelsen, sammensætning og rumlig fordeling af de magmaer, der krystalliserede og blev til klipper i dybden og aldrig nåede op til overfladen.

Et år senere, dataene bliver stadig analyseret for at skabe et komplet billede af, hvad der ligger under, og hvordan det kan have ændret sig over tid.

"Vi var heldige at kunne indsamle så meget data, og dette er kun begyndelsen på alt det, vi håber at opdage i disse datasæt, " sagde Shillington. På grund af den afsides beliggenhed, "ingen vil gå tilbage og indsamle data, hvor vi har arbejdet i mange år."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.