Vulkanen barsten uit wanneer magma opstijgt door scheuren in de aardkorst, maar de exacte processen die leiden tot het smelten van gesteenten in de aardmantel beneden zijn moeilijk te bestuderen.

In onze krant, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , laten we zien hoe het mogelijk is om satellietmetingen van bewegingen van het aardoppervlak te gebruiken om het smeltproces diep onder het centrale Noordereiland van Nieuw-Zeeland te observeren, een van 's werelds meest actieve vulkanische gebieden.

Riften in de vulkanische zone van Taupo

De vaste buitenste laag van de aarde staat bekend als de korst, en dit ligt over de aardmantel. Maar deze lagen zijn niet vast. Ze zijn opgedeeld in tektonische platen die langzaam ten opzichte van elkaar bewegen.

Het is langs de grenzen van de tektonische platen dat de meeste geologische actie aan het aardoppervlak plaatsvindt, zoals aardbevingen, vulkanische activiteit en bergbouw. Dit maakt Nieuw-Zeeland tot een bijzonder dynamische plek, geologisch gesproken, omdat het zich uitstrekt over de grens tussen de Australische en de Pacifische platen.

De centrale regio van het Noordereiland staat bekend als de vulkanische zone Taupo, of TVZ. Het is vernoemd naar Lake Taupo, de ondergelopen krater van de grootste vulkaan van de regio, en het is al twee miljoen jaar actief. Verschillende vulkanen blijven regelmatig uitbarsten.

De TVZ is de zuidpunt van een uitbreidingszone, of scheuren, in de aardkorst die zich duizenden kilometers buiten de kust uitstrekt, helemaal naar het noorden in de Stille Oceaan naar Tonga. Offshore, dit gebeurt via zeebodemspreiding in de Havre Trog, het creëren van zowel nieuwe oceanische korst als een smalle strook van een plaat langs de rand van de Australische tektonische plaat. Verrassend genoeg, deze verspreiding vindt plaats op hetzelfde moment dat de aangrenzende tektonische plaat in de Stille Oceaan onder de Australische plaat schuift in een subductiezone, veroorzaakten enkele van de grote aardbevingen in de regio.

Verspreiding van de zeebodem resulteert in het smelten van de aardmantel, maar het is erg moeilijk om dit proces direct in de diepe oceaan waar te nemen. Echter, verspreiding van de zeebodem in de Havre Trog gaat abrupt aan land over in de vulkanische activiteit in de TVZ. Dit biedt de mogelijkheid om het smelten in de aardmantel op het land te observeren.

In het algemeen, vulkanische activiteit vindt plaats wanneer er op diepte gesmolten gesteente is, en daarom duidt het vulkanisme op het Noordereiland op enorme hoeveelheden gesmolten gesteente onder het oppervlak. Echter, het was een lastig probleem om precies te begrijpen wat het smelten in de eerste plaats veroorzaakt, omdat de onderliggende rotsen zijn begraven door dikke lagen vulkanisch materiaal.

We hebben dit probleem aangepakt met behulp van gegevens van GPS-sensoren (Global Positioning System), sommige maken deel uit van het GeoNet-netwerk van Nieuw-Zeeland en sommige worden sinds 1995 gebruikt in meetcampagnes. De sensoren meten horizontale en verticale verschuivingen in het aardoppervlak tot op de millimeter nauwkeurig, en ons onderzoek is gebaseerd op gegevens die de afgelopen twee decennia zijn verzameld.

Buigen van het aardoppervlak

De GPS-metingen in de vulkanische zone van Taupo laten zien dat deze zich van oost naar west verbreedt met een snelheid van 6-15 millimeter per jaar - met andere woorden, de regio, algemeen, breidt zich uit, zoals we verwachtten op basis van ons eerdere geologische begrip. Maar het was verrassend om te ontdekken dat, in ieder geval de afgelopen 15 jaar, een stuk van ongeveer 70 kilometer ondergaat een sterke horizontale samentrekking en neemt ook snel af, precies het tegenovergestelde van wat men zou verwachten.

Ook onverwacht, de krimpzone wordt omringd door regio's die zich uitbreiden, maar ook opbeurend. Het proberen te begrijpen van deze waarnemingen bleek de sleutel tot ons nieuwe inzicht in het proces van smelten onder de TVZ.

We ontdekten dat het patroon van contractie en verzakking, samen met uitbreiding en verheffing, in het kader van de algehele scheuring van de TVZ, kan worden verklaard door een eenvoudig model dat het buigen en buigen van een elastische bovenkorst omvat, naar beneden getrokken of omhoog geduwd door een onderliggende verticale drijvende kracht. De grootte van de regio die zich zo gedraagt, zich uitstrekkend over ongeveer 100 kilometer breed en 200 kilometer lang, vereist dat deze kracht bijna 20 kilometer onder de grond ontstaat, in de aardmantel.

De mantel smelten

Wanneer tektonische platen uit elkaar drijven op de zeebodem, de onderliggende mantel stijgt op om de leemte op te vullen. Deze opwelling veroorzaakt smelten, en de reden hiervoor is dat het zo heet is, maar solide, mantelgesteenten ondergaan een vermindering van de druk als ze naar boven en dichter bij het aardoppervlak bewegen. Deze drukval, in plaats van een verandering in temperatuur, begint het smelten van de mantel.

Maar er is nog een eigenschap van deze opwellende mantelstroom, omdat het ook een zuigkracht creëert die de bovenliggende korst naar beneden trekt. Deze kracht ontstaat omdat, als onderdeel van de stroom, de rotsen moeten effectief "een hoek omslaan" nabij het oppervlak van een overwegend verticale stroming naar een overwegend horizontale.

Het blijkt dat de sterkte van deze kracht afhangt van hoe stijf of plakkerig de mantelgesteenten zijn, gemeten in termen van viscositeit (het is moeilijk om de stroom van zeer viskeuze of kleverige vloeistoffen aan te drijven, maar gemakkelijk in loopneus).

Experimentele studies hebben aangetoond dat de viscositeit van gesteenten diep in de aarde erg gevoelig is voor de hoeveelheid gesmolten materiaal die ze bevatten. en we stellen voor dat veranderingen in de hoeveelheid smelt een krachtig mechanisme vormen om de viscositeit van de opwellende mantel te veranderen. Als mantelgesteenten niet veel smelt bevatten, ze zullen veel plakkeriger zijn, waardoor de bovenliggende korst snel naar beneden wordt getrokken. Als de rotsen net zijn gesmolten, dan maakt dit de stroom van de rotsen vloeibaarder, zodat de bovenliggende korst weer omhoog kan springen.

We weten ook dat de bewegingen die we aan de oppervlakte met GPS waarnemen relatief kort moeten duren, geologisch gesproken, niet langer dan een paar honderd of een paar duizend jaar. Anders zouden ze leiden tot ingrijpende veranderingen in het landschap en daar hebben we geen bewijs voor.

GPS gebruiken, we kunnen niet alleen de sterkte van de zuigkracht meten, maar we kunnen "zien" waar, voor hoelang, en door hoeveel de onderliggende mantel smelt. Deze smelt zal uiteindelijk door de korst omhoog komen om de bovenliggende vulkanen te voeden.

Dit onderzoek helpt ons te begrijpen hoe vulkanische systemen werken op verschillende tijdschalen, van mens tot geologisch. In feite, het kan zijn dat de GPS-metingen van de afgelopen twee decennia een verandering in de hoeveelheid mantelsmelt op diepte hebben vastgelegd, die het begin van verhoogde vulkanische activiteit en het bijbehorende risico in de toekomst zou kunnen inluiden. Maar we hebben nog geen metingen over een periode die lang genoeg is om betrouwbare voorspellingen te doen.

Het belangrijkste punt hier is, hoe dan ook, dat we een nieuw tijdperk zijn binnengetreden waarin satellietmetingen kunnen worden gebruikt om activiteit 20 kilometer onder het aardoppervlak te onderzoeken.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.