Toen hij aan zijn Ph.D. in geofysica aan de Universiteit van Chicago in de jaren 80, Dork Sahagian nam op een dag een pauze van het bestuderen van lavastromen om een ​​lezing bij te wonen over hoe regendruppels zich in wolken vormen.

Wat hij leerde, gaf hem een ​​nieuw perspectief op lava en inspireerde hem tot het ontwikkelen van een nieuwe methode om de historische hoogte van het aardoppervlak te schatten.

"Tijdens de lezing " zegt Sahagian, die nu hoogleraar aard- en milieuwetenschappen is aan Lehigh, "Een atmosferische fysicus liet zien hoe grotere regendruppels sneller vallen omdat ze een grotere verhouding tussen volume en oppervlakte hebben en dus een hogere eindsnelheid dan kleinere regendruppels.

"Daarom, de grotere druppels halen de kleinere druppels in en versmelten ermee. De regendruppels worden dan groter, waardoor de maatverdeling groter wordt."

Destijds, Sahagian bestudeerde de blaasjes, of luchtbellen, die worden gesuspendeerd in de verharde stromen van basaltlava, een zeer vloeibare vorm van gesmolten gesteente uitgespuwd door vulkanen. De blaasjes vormen en worden gevangen in de bovenste en onderste lagen van de lavastroom; de middelste laag, de laatste om te stollen, blijft bubbelvrij.

De lezing van de natuurkundige leidde tot een Eureka-moment voor Sahagian.

"Ik keerde de hemel ondersteboven, bij wijze van spreken, " herinnert hij zich. "Ik stelde me de grotere lavabellen voor die naar boven stroomden, zoals de bubbels in champagne of frisdrank, en de kleinere bubbels inhalen en dan samenvloeien en nog sneller stijgen."

De bovenste en onderste lagen van de lava, Sahagian veronderstelde, moet ongeveer dezelfde bellengrootte en dezelfde verdeling van bellengroottes bevatten. Hij deed wat wiskundige berekeningen en schreef een model dat de stijging beschrijft, groei en samensmelting van bellen in een lavastroom.

"Maar op een dag realiseerde ik me dat de grootteverdeling van de bellen aan de bovenkant van de stroom zou moeten verschillen van de verdeling aan de onderkant, ook al komt de lava uit hetzelfde vulkanische magma, "zei hij. "Dat komt omdat aan de top, de bellen worden alleen onderworpen aan atmosferische druk, terwijl aan de onderkant, ze worden zowel onderworpen aan atmosferische druk als aan de hydrostatische druk van het gewicht van de lava erboven."

Dus, Sahagias beredeneerd, door de verhouding tussen de modale belgrootte in de bovenste en onderste lagen van de lava te berekenen, en dit te relateren aan de dikte en de leeftijd van de lavastroom, hij kon de atmosferische druk bepalen die heerste toen de lava zich opstelde, of verhard tot zijn definitieve positie. (De modale grootte is het groottebereik met de grootste populatie bellen.)

"Met andere woorden, de verhoudingen van de volumes van de bellen moeten hetzelfde zijn als de verhouding van de drukken. Als we de bellenvolumes en de dikte van de lava kunnen meten, we kunnen oplossen voor atmosferische druk."

En aangezien de atmosferische druk afneemt als een functie van toenemende hoogte, Sahagian leidde verder af dat het mogelijk zou moeten zijn om te bepalen op welke hoogte de lava zich bevond.

Enkele jaren later, Sahagiaans, tegen die tijd een faculteitslid aan de Ohio State University, ging naar Hawaï om de formule te testen in basaltlavastromen die waren verhard tijdens de uitbarsting van de Mauna Loa-vulkaan in 1959.

"Bij twijfel, " hij zegt, "ga naar Hawaï."

Sahagian en zijn leerling, Joe Maus, gemeten bellengroottes en distributie in monsters genomen vanaf de basis van Mauna Loa op zeeniveau en vanaf de top op 12, 000 voet hoogte. Om scheve resultaten te voorkomen, ze bemonsterden alleen eenvoudig geplaatst, goed bewaarde en blootgestelde lavastromen die niet waren veranderd - door inflatie of drainage - nadat de bovenste en onderste delen van de stromen waren gestold.

"We hebben veel gescout voordat we de juiste soort stromen vonden, " zei Sahagian. "We wilden er zeker van zijn dat de vesiculariteit die we hebben gemeten echt een functie was van de stratigrafische positie in de stroom."

De onderzoekers berekenden de verhouding tussen de gemiddelde bellengrootte in de bovenste en onderste lagen van de lava aan de voet van Mauna Loa en bepaalden vervolgens dezelfde verhouding voor de lava op de top van de vulkaan. Het verschil tussen de twee verhoudingen was significant, en het kwam ruwweg overeen met het verschil in atmosferische druk tussen de top en de basis van Mauna Loa. Sahagian en Maus rapporteerden hun resultaten in het tijdschrift Nature in 1994 in een artikel met de titel "Basaltvesiculariteit als maatstaf voor atmosferische druk en paleo-elevatie."

"Als de atmosferische druk op zeeniveau bekend is (of wordt aangenomen), " Zij schreven, "Verdelingen van de grootte van blaasjes in basaltstromen kunnen dus worden gebruikt als een indicator van de paleoelevatie van emplacement. Analyse van de verdeling van de grootte van de blaasjes van basaltmonsters verzameld vanaf de top en basis van de Mauna Loa-vulkaan in Hawaï [laat zien] dat de techniek schattingen geeft van omgevingsdruk die schattingen van hoogte opleverde met een resolutie van ongeveer 400 meter."

“Hier waren we enthousiast over, ", zegt Sahagian. "Er waren niet echt goede geologische paleohoogtemeters om je te vertellen hoe hoog een landelement was, tenzij het zich op zeeniveau bevond. We konden de waterdiepte beter meten dan de hoogte.

"Maar nu had ik een paleohoogtemeter gemaakt van een triviale wiskundige formule, en het werkte."

Sahagian nam vervolgens zijn nieuwe techniek mee naar het Colorado-plateau, die grote delen van Utah beslaat, Colorado, Arizona en Nieuw-Mexico. Wetenschappers die verschillende methoden gebruikten om de geologisch recente stijging van de hoogte van het plateau te meten, waren tot schijnbaar tegenstrijdige conclusies gekomen over wanneer - en dus waarom - de stijging plaatsvond.

"We hebben geprobeerd een geschil op te lossen tussen degenen die zeiden dat dit een recente opleving was en degenen die zeiden dat het oud was. Het bleek dat beide groepen gelijk hadden. de laatste vijf tot tien miljoen jaar dan voorheen."

Meest recent, Sahagian is naar het Hangay-gebergte in Centraal-Mongolië gereisd om een ​​andere geologische puzzel aan te gaan:hoe is een relatief hoog gebied ontstaan ​​- de Hangay is een plateau met toppen die 13 bereiken, 000 voet in hoogte - voorkomen in een continentaal binnenland waar de verhogingen meestal laag zijn? Ook, de Hangay bevinden zich in de buurt van grote kloofzones die zich uitstrekken en waarvan kan worden verwacht dat ze een afvlakkend effect hebben op de topografie.

Sahagian en zijn medewerker, Alex Proussevitch van de Universiteit van New Hampshire en voorheen van de Siberische Academie van Wetenschappen in Novosibirsk, Rusland, maken deel uit van een interdisciplinair team van twee dozijn onderzoekers dat zeven jaar lang de Hangay heeft bestudeerd met een beurs van de National Science Foundation. Het team bestaat uit Lehigh faculteitsleden Peter Zeitler, een geochronoloog, Anne Melzer, een seismoloog, en Bruce Idleman, een senior onderzoeker. De onderzoekers hopen licht te werpen op de geologische geschiedenis van de aarde en op de verbindingen die continentale vervorming met elkaar verbinden, de ontwikkeling van de topografie en het mondiale klimaat.

In Mongolië, de eerste opdracht voor Sahagian en Proussevitch en hun collega's was het zoeken naar monsters van goed belichte, ongewijzigde lava waarvan de dikte nauwkeurig kon worden gemeten. Aangezien het Hangay-gebergte een regio is met een ruige topografie met weinig wegen en weinig of geen infrastructuur, de groep prijsde zich gelukkig met het vinden van een Russisch sprekende chauffeur met een terreinwagen.

"We hebben veel gescout en monsters verzameld, ", zegt Sahagian. "We hebben geprobeerd ervoor te zorgen dat deze lavasites goed belicht waren en dat we de boven- en onderkant van een lavastroom konden zien. We gingen over het Hangay-plateau en de omliggende gebieden, inclusief de Gobi-woestijn, waar ook lavastromen waren."

De groep verzamelde monsters door kernen met een diameter van 1 inch te boren. De exemplaren werden gedateerd door Zeitler en zijn studenten in Lehigh's Geochronology Lab en bleken in leeftijd te variëren van 100, 000 jaar tot 3-4 miljoen jaar tot 9,5 miljoen jaar.

"We hadden het geluk een goede verdeling van leeftijden te krijgen, ' zegt Sahagiaans.

De onderzoekers gebruikten vervolgens computergestuurde röntgentomografie-scanning met hoge resolutie om belgroottes en -verdelingen in de bovenste en onderste lagen van elk lava-exemplaar te meten. Vervolgens bepaalden ze de verhouding van de gemiddelde blaasjesgrootte tussen de lagen en, vervolgens, de atmosferische druk op het moment van plaatsing.

De groep rapporteerde zijn resultaten vorig jaar in een artikel in de Tijdschrift voor geologie getiteld "Verheffing van Centraal-Mongolië opgenomen in vesiculaire basalt." De belangrijkste conclusie:het Hangay-gebergte is ongeveer 1 kilometer gestegen, plus of min een paar honderd meter, in de afgelopen 10 miljoen jaar. Toen deze verhoging plaatsvond, en of het allemaal tegelijk gebeurde, geleidelijk of met horten en stoten, moet nog worden bepaald.

Sahagian zegt dat er nog veel werk moet worden verzet in de Hangay Mountains.

"Dit is een van onze eerste resultaten. Er zijn veel verschillende hypothesen gesuggereerd over waarom de Hangay-regio hoog is en waarom het opbeurend is. We hopen deze te testen en een eigen hypothese te ontwikkelen. We wachten op de resultaten van seismisch werk dat ons meer zal vertellen over de diepe structuur van de mantel en de bovenste en onderste lithosfeer.

"Maar wat ons basaltische blaasjeswerk betreft, ons resultaat is robuust. Een kilometer in 10 miljoen jaar is geen abnormale stijging. Het is zeer consistent met wat anderen vinden. Hoe interpreteren we dat resultaat? Dat is het grotere plaatje, en het moet nog worden opgelost."