Seismiska våghastigheter har avslöjat en del av en gammal vulkanisk "superplum" under Nya Zeeland, belyser kopplingar mellan jordens djupa inre och ytan vi lever på.

Forskning av Te Herenga Waka–Victoria University of Wellington geofysiker professor Tim Stern och docent Simon Lamb, tillsammans med kollegor, indikerar att Nordön ligger på en del av det "största vulkanutflödet" på jorden, skapad av en uppströmning i jordens djupa inre.

Den händelsen inträffade för cirka 120 miljoner år sedan när en gigantisk plym av het sten lossnade från gränsen mellan kärnan och manteln, cirka 3000 km under jordens yta, och steg snabbt till ytan som en superplym.

En artikel om resultaten av professor Stern och docent Lamb, båda från Geografihögskolan, Miljö och geovetenskaper, har publicerats i dag i den ledande amerikanska tidskriften Vetenskapens framsteg .

Professor Stern säger att den uråldriga superplumen förband jordens djupa inre med planetens yta.

"På 1970-talet geofysiker föreslog att jordens mantel genomgick en snurrande rörelse, snarare som en lavalampa, och varma klumpar av flytande sten reste sig som plymer från så långt som jordens kärna.

"Smältning av denna sten nära ytan kan då vara orsaken till produktiv vulkanism, som det som observerats på Island eller Hawaii.

"Ännu större vulkanutgjutningar har hänt i det geologiska förflutna, varav den största kända inträffade i sydvästra Stilla havet under kritaperioden under dinosauriernas tid, bildar en vulkanisk undervattensplatå i storleken på en kontinent.

"Senare, rörelsen av de tektoniska plattorna bröt upp denna platå, och ett fragment – ​​som idag bildar Hikurangi-platån – drev iväg söderut, och ligger nu bakom Nordön och även det grunda havet utanför kusten."

Professor Stern och kollegor studerade hastigheten för seismiska vågor (vibrationer) genom dessa bergskikt för att fastställa deras ursprung och egenskaper.

"Nyckelobservationen i den nya studien är att seismiska tryck "P"-vågor - effektivt ljudvågor - utlösta av antingen jordbävningar eller konstgjorda explosioner färdas genom mantelklipporna under Hikurangi-platån mycket snabbare än vad som observeras under större delen av havsbotten, når hastigheter på 9 kilometer i sekunden, " han säger.

"En speciell egenskap hos dessa höga hastigheter är att de är lika höga för seismiska vibrationer som rör sig i alla horisontella riktningar, men mycket lägre för de vibrationer som rör sig vertikalt uppåt."

Den skillnaden mellan vertikal och horisontell hastighet gjorde det möjligt för professor Stern och docent Lamb att matcha klipporna på Hikurangi-platån med dem på Manihiki-platån norr om Samoa och Ontong-Java-platån norr om Salomonöarna, som har samma hastighetsegenskaper.

Det visade att de alla var en del av samma superplume.

"Det extraordinära är att alla dessa platåer en gång var sammankopplade, utgör det största vulkanutflödet på planeten i en region över 2000 km tvärs över."

Docent Lamb säger att det kom som en överraskning att "flödet som förutspåddes för ett jättelikt svampformat superplumhuvud skulle ge exakt dessa mycket höga hastigheter och denna speciella hastighetsfördelning i mantelstenar".

"Den associerade vulkaniska aktiviteten kan ha spelat en viktig roll i jordens historia, påverka planetens klimat och även livets utveckling genom att utlösa massutrotningar.

"Det är en spännande tanke att Nya Zeeland nu sitter ovanpå det som en gång var en så mäktig kraft på jorden."

Professor Stern säger att det geologiska samhället hade varit nära att förkasta idén om plymer helt och hållet.

"Direkta bevis för deras existens har varit svårfångade. Men, med denna studie, vi har nu både hårda bevis för att sådan plymaktivitet verkligen inträffade och även en fingeravtrycksmetod för att upptäcka fragment av de största plymerna av alla – superplumer – som stiger upp från nära jordens kärna."