Vulkaner bryter ut när magma stiger genom sprickor i jordskorpan, men de exakta processer som leder till smältning av stenar i jordens mantel nedan är svåra att studera.

I vårt papper, publiceras idag i tidningen Natur , vi visar hur det är möjligt att använda satellitmätningar av rörelser på jordens yta för att observera smältprocessen djupt under Nya Zeelands centrala norra ö, en av världens mest aktiva vulkanregioner.

Rifting i vulkanzonen Taupo

Jordens fasta yttre skikt är känt som jordskorpan, och detta ligger över jordens mantel. Men dessa lager är inte fixade. De bryts upp i tektoniska plattor som långsamt rör sig i förhållande till varandra.

Det är längs gränserna för de tektoniska plattorna som det mesta av den geologiska verkan på jordytan sker, som jordbävningar, vulkanaktivitet och bergsbyggnad. Detta gör Nya Zeeland till en särskilt dynamisk plats, geologiskt sett, eftersom den sträcker sig över gränsen mellan de australiska och Stillahavsplattorna.

Den centrala regionen på norra ön är känd som vulkanzonen Taupo, eller TVZ. Det är uppkallat efter sjön Taupo, den översvämmade kratern i regionens största vulkan, och den har varit aktiv i två miljoner år. Flera vulkaner fortsätter att bryta ut regelbundet.

TVZ är södra spetsen av en expansionszon, eller rifting, i jordskorpan som sträcker sig offshore i tusentals kilometer, ända norrut i Stilla havet till Tonga. Offshore, detta sker genom spridning av havsbotten i Havre Trough, skapar både ny oceanisk skorpa och en smal skiva av en tallrik precis längs kanten av den australiska tektoniska plattan. Förvånande, denna spridning pågår samtidigt som den intilliggande Stilla tektoniska plattan glider under den australiska plattan i en subduktionszon, utlöser några av de största jordbävningarna i regionen.

Spridning av havsbotten resulterar i smältning av jordens mantel, men det är mycket svårt att observera denna process direkt i djuphavet. Dock, havsbotten sprider sig i Havre Trough -övergångarna plötsligt på land till den vulkaniska aktiviteten i TVZ. Detta ger en möjlighet att observera smältningen i jordens mantel på land.

I allmänhet, vulkanisk aktivitet sker när det finns smält sten på djupet, och därför indikerar vulkanismen på Nordön stora mängder smält sten under ytan. Dock, det har varit ett knepigt problem att förstå exakt vad som orsakar smältningen i första hand, eftersom de underliggande stenarna är begravda av tjocka lager av vulkaniskt material.

Vi har löst detta problem med hjälp av data från Global Positioning System (GPS) sensorer, varav några ingår i Nya Zeelands GeoNet -nätverk och några som har använts i mätkampanjer sedan 1995. Sensorerna mäter horisontella och vertikala förskjutningar i jordens yta till millimeterprecision, och vår forskning bygger på data som samlats in under de senaste två decennierna.

Böjning av jordens yta

GPS-mätningarna i Taupo vulkaniska zonen avslöjar att det breddar öst-väst med en hastighet av 6-15 millimeter per år-med andra ord, regionen, övergripande, expanderar, som vi förväntade oss från vår tidigare geologiska förståelse. Men det var förvånande att upptäcka att åtminstone de senaste 15 åren, en ungefär 70 kilometer lång sträcka genomgår stark horisontell sammandragning och avtar också snabbt, tvärtom mot vad man kan förutse.

Också oväntat, kontraherande zonen är omgiven av regioner som expanderar, men också upplyftande. Att försöka förstå dessa observationer visade sig vara nyckeln till vår nya insikt i smältprocessen under TVZ.

Vi fann att mönstret för sammandragning och sänkning, tillsammans med expansion och lyft, i samband med den övergripande sprickningen av TVZ, kan förklaras med en enkel modell som innebär att en elastisk övre skorpa böjs och böjs, dras nedåt eller skjuts uppåt av en underliggande vertikal drivkraft. Storleken på regionen som beter sig så här, sträcker sig cirka 100 kilometer i bredd och 200 kilometer i längd, kräver att denna kraft kommer från nästan 20 kilometer under jorden, i jordens mantel.

Smälter manteln

När tektoniska plattor glider isär på havsbotten, den underliggande manteln stiger upp för att fylla luckan. Denna uppväxt utlöser smältning, och anledningen till detta är så het, men fast, mantelstenar genomgår en minskning av trycket när de rör sig uppåt och närmare jordens yta. Detta tryckfall, snarare än en temperaturförändring, börjar smälta av manteln.

Men det finns en annan egenskap hos detta uppvärmande mantelflöde, eftersom det också skapar en sugkraft som drar ner den överliggande skorpan. Denna kraft uppstår eftersom som en del av flödet, klipporna måste effektivt "vända ett hörn" nära ytan från ett övervägande vertikalt flöde till ett övervägande horisontellt.

Det visar sig att styrkan hos denna kraft beror på hur styva eller klibbiga mantelstenarna är, mätt i termer av viskositet (det är svårt att driva flödet av mycket viskösa eller klibbiga vätskor, men lätt i rinnande).

Experimentella studier har visat att viskositeten hos stenar djupt i jorden är mycket känslig för hur mycket smält material de innehåller, och vi föreslår att förändringar i smältmängden ger en kraftfull mekanism för att ändra viskositeten hos den uppväxande manteln. Om mantelstenar inte innehåller mycket smält, de kommer att bli mycket klibbigare, orsakar att den överliggande skorpen dras ner snabbt. Om klipporna bara har smält, då gör detta stenarnas flöde löpare, så att den överliggande skorpen kan springa upp igen.

Vi vet också att de rörelser som vi observerar på ytan med GPS måste vara relativt kortlivade, geologiskt sett, varar inte mer än några hundra eller några tusen år. Annars skulle de resultera i stora förändringar av landskapet och vi har inga bevis för det.

Med GPS, vi kan inte bara mäta sugkraftens styrka, men vi kan "se" var, hur länge, och hur mycket den underliggande manteln smälter. Denna smälta kommer så småningom att stiga upp genom skorpan för att mata de överliggande vulkanerna.

Denna forskning hjälper oss att förstå hur vulkaniska system fungerar på olika tidsskalor, från mänskligt till geologiskt. Faktiskt, det kan vara så att de GPS -mätningar som gjorts under de senaste två decennierna har fångat en förändring i mängden mantelsmältning på djupet, vilket skulle kunna inleda början på ökad vulkanaktivitet och tillhörande risk i framtiden. Men vi har inte mätningar under en tillräckligt lång tidsperiod för att kunna göra några säkra förutsägelser.

Nyckelpunkten här är, ändå, att vi har gått in i en ny era där satellitmätningar kan användas för att söka aktivitet 20 kilometer under jordens yta.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.