Stel je voor dat je een steen op een stuk hangend karton plaatst. Als het karton sterk en stevig is, als de omslag van een boek met harde kaft, de rots kan daar lang blijven liggen en het board zal nauwelijks buigen door het gewicht van de rots. Maar als het karton dun is, meer als aanplakbord, het zal beginnen te bezwijken onder het gewicht van de rots, vervormend in vorm en structuur.

Aardwetenschapper Donna Shillington bestudeert een soortgelijk concept wanneer ze het gewicht van verhardende lava bestudeert, of magma, op het aardoppervlak. Als vulkanen uitbarsten, vuur spuwen, de lava koelt na verloop van tijd en verbindingen, het toevoegen van gewicht en stress waardoor de zwakkere tektonische platen van de aarde kunnen buigen en barsten, die aardbevingen kunnen veroorzaken, en in sommige gevallen, tsunami's.

Shillington wil precies weten hoeveel magma verhard is onder een keten van vulkanen op de Pacifische plaat, die onder de Stille Oceaan ligt. Ze onderzoekt ook hoe sterk de plaat is, en of het zich meer zal gedragen als het karton of het posterboard onder het gewicht van de rots - of in dit geval, magma.

Het strekt zich 40 miljoen vierkante mijl uit over het aardoppervlak, de Pacifische plaat zweeft boven een hotspot, waar zeer heet materiaal van diep in de aarde naar boven pluimt. Terwijl de plaat de afgelopen tientallen miljoenen jaren over deze hotspot is gekropen, de ontsnapte warmte die in wisselwerking stond met de plaat veroorzaakte vulkaanuitbarstingen en creëerde de Hawaiiaanse keizerlijke zeebergketen, een bergketen die zich uitstrekt over 3, 900 mijl van de Aleutian Trench in het noordwesten van de Stille Oceaan tot de Lo'ihi-zeeberg op slechts 22 mijl ten zuidoosten van het eiland Hawaï. Het grootste deel van de keten bevindt zich onder water - er zijn minstens 80 onderwatervulkanen geïdentificeerd - en de Hawaiiaanse eilanden zijn de enige blootgestelde pieken in het systeem.

Zoals bij elk bergsysteem, wetenschappers willen weten waaruit het bestaat, hoe het gevormd is, en hoe het in de loop van de tijd is veranderd. Maar, omdat de jongere vulkanen in deze keten kunnen uitbarsten en aardbevingen of tsunami's kunnen veroorzaken, wetenschappers willen ook weten hoe de belasting die de ketting heeft toegevoegd aan de Pacific Plate, natuurrampen kan beïnvloeden. Belangrijker, ze willen weten hoe sterk de plaat is door te bestuderen hoe deze reageert op de belasting van de gigantische vulkanen.

Helaas, de gemakkelijk te bemonsteren Hawaiiaanse eilanden boven de zeespiegel zijn slechts een klein deel van de uitgestrekte keten en slechts een deel van het verhaal. Om de antwoorden te krijgen die ze nodig hebben, Shillington en haar collega's moeten veel gaan, veel dieper - onder de oceaanbodem.

Tijdens het academiejaar 2018-19, toen Shillington een Lamont Research Professor was aan de Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University, ze leidde twee onderzoekscruises naar de Hawaiian-Emperor Seamount-keten:een naar het jonge Hawaiiaanse deel van de keten, en de andere naar de oudere noordelijke helft, waar vulkanen tot 80 miljoen jaar oud zijn. Ze wilde zoveel mogelijk leren over de onderwatervulkanen - en de aarde eronder - om te begrijpen hoe de Pacifische plaat standhoudt onder het gewicht van magma, en ook, waar dat magma precies is.

"Het kennen van de eigenschappen van die plaat is belangrijk om te begrijpen hoe deze zal reageren, " zei Shillington, die nu universitair hoofddocent is aan de Northern Arizona University. "De kracht van een plaat is het fundamentele dat bepaalt hoe het zich gedraagt. Bijvoorbeeld, de sterkte van de oceanische plaat zal bepalen hoe deze buigt en onder de continenten wordt geduwd in subductiezones - een plaats die aardbevingen veroorzaakt."

Tijdens de expeditie reisden twee andere Lamont-Doherty-wetenschappers met Shillington mee:Brian Boston, een postdoctoraal onderzoeker en Will Fortin, een aspirant-onderzoeker. Het team van hoofdonderzoekers omvatte ook een wetenschapper van de Universiteit van Oxford, Tony Watts; drie wetenschappers van de Universiteit van Hawaï - Robert Dunn, Garrett Ito, Paul Wessel; twee wetenschappers van de US Geological Survey - Uri ten Brink en Nathan Miller; en een wetenschapper van GEOMAR - Ingo Grevemeyer. Via een competitief sollicitatieproces, het team nodigde ook afgestudeerde studenten uit het hele land uit om deel te nemen aan de cruises, en de studenten blogden over de ervaring.

Tweemaal, in oktober 2018 en opnieuw in april 2019, het team zeilde op de R/V Marcus G. Langseth, een schip dat eigendom is van de National Science Foundation en wordt geëxploiteerd door Lamont-Doherty Earth Observatory. Het schip is speciaal omdat het technologie aan boord heeft waarmee wetenschappers twee- en driedimensionale kaarten kunnen maken van de structuur van de aarde mijlen onder de zeebodem.

Het kostte negen dagen zeilen vanaf de Hawaiiaanse eilanden om hun monsterlocatie op de Emperor Seamount Chain in de Stille Oceaan te bereiken, zei Fortin. Het was, in de eenvoudigste bewoordingen, in het midden van niets. Het typische uitzicht vanaf stuurboord was gewoon mist.

Echter, het team was er niet om te kijken of aan te raken, maar om te luisteren. Met behulp van de seismische kaarttechnologie aan boord van het schip, ze zouden de onderwatertopografie in kaart brengen door geluidsgolven het water in te sturen en te meten hoe ze echoden, een techniek die seismische beeldvorming wordt genoemd.

"Seismologie is in wezen in een kloof staan ​​en 'echo' roepen en dan 'echo' horen terugkomen, maar een stuk ingewikkelder en een stuk stiller, "zei Fortin. "Als je 'echo' hoort terugkomen, als je de golfvorm opneemt en heel goed oplet, je kunt zien van welk type steen het afkaatst, omdat de echo die terugkomt verandert op basis van wat het raakt. Of je nu op een plek bent met een zandstenen kloof of een granieten rotsblok, je kunt die informatie krijgen van hoe de echo klinkt - hoe hard het is, en hoe het is vervormd."

Om de echo te meten, liet het team seismometers ter grootte van een ton overboord vallen, waar ze meer dan drie mijl naar beneden zonken om op de oceaanbodem te rusten en metingen van druk en grondbeweging op te nemen. Ze sleepten ook een negen mijl lange kabel met druksensoren achter het schip.

Vervolgens, riepen ze de canyon in. Met behulp van een arsenaal aan boordluchtcompressorpistolen, ze schoten luchtbellen in het water. Ze luisterden - in realtime - en namen op.

Naast de echo's die door de bootstreamers in de waterkolom worden waargenomen, "toen we de seismische golven produceerden, de seismometers op de oceaanbodem registreerden hoe golven zich door de aardkorst voortplanten, ' zei Boston.

Fortin bestudeert ook de rol die de bergketen speelt bij het circuleren en mengen van zeewater. Als hij de topografie van de ketting en zijn materiële samenstelling begrijpt, kan hij erachter komen, net als goed kijken naar hoe de echo's door de waterkolom bewegen.

Het opnemen en analyseren van echo's in water - en vooral koud water - kan behoorlijk vervelend zijn, zei Fortin. Terwijl leisteen en zandsteen ongeveer 20 procent van het oorspronkelijke geluid reflecteren, slechts ongeveer 0,05 procent van de energie van het oorspronkelijke geluid wordt gereflecteerd tussen verschillende waterlagen.

"Reflecties in de waterkolom zijn gedempt en stiller, als een echo die terugkeert van een kussen in plaats van een kloofwand, "zei Fortin. "Dat wil zeggen, tenzij je gespecialiseerde apparatuur had zoals een seismisch schip of vleermuisoren, je zou geen echo van je kussen horen. Deze echo's zijn zo stil en er is wat finesse voor nodig. Ik ben een aantal van mijn computationele methoden aan het aanpassen om er bij te komen."

als laatste, het team wil ook weten hoeveel nieuw magma onder de vulkanen verhardt.

"Sommige magma komt naar de oppervlakte, waar het uitbarst als lava stroomt, "zei Shillington. "Echter, sommige magma's komen niet aan de oppervlakte - in plaats daarvan, ze koelen af ​​en kristalliseren tot rotsen onder het aardoppervlak."

Het team gebruikt geluidsgolven om de dikte te bepalen, samenstelling en ruimtelijke verdeling van de magma's die kristalliseerden en op diepte in rotsen veranderden en nooit aan de oppervlakte kwamen.

Een jaar later, de gegevens worden nog steeds geanalyseerd om een ​​volledig beeld te krijgen van wat eronder ligt, en hoe het in de loop van de tijd kan zijn veranderd.

"We hadden het geluk dat we zoveel gegevens konden verzamelen, en dit is nog maar het begin van alles wat we hopen te ontdekken in deze datasets, " zei Shillington. Vanwege de afgelegen locatie, "Niemand zal teruggaan om gegevens te verzamelen waar we vele jaren hebben gewerkt."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.