I en ny studie, publicerad i tidningen Natur , ett internationellt team av forskare tillhandahåller det första avgörande beviset som direkt kopplar djup jordens vattencykel och dess uttryck till magmatisk produktivitet och jordbävningsaktivitet.

Vatten (H ₂ O) och andra flyktiga ämnen (t.ex. CO ₂ och svavel) som cyklas genom den djupa jorden har spelat en nyckelroll i utvecklingen av vår planet, inklusive i bildandet av kontinenter, livets början, koncentrationen av mineraltillgångar, och fördelningen av vulkaner och jordbävningar.

Subduktionszoner, där tektoniska plattor konvergerar och en platta sjunker under en annan, är de viktigaste delarna av cykeln - med stora mängder vatten som kommer in och kommer ut, främst genom vulkanutbrott. Än, hur (och hur mycket) vatten transporteras via subduktion, och dess effekt på naturliga risker och bildandet av naturresurser, har historiskt varit dåligt förstådd.

Studiens huvudförfattare, Dr George Cooper, Honorär forskare vid University of Bristols School of Earth Sciences, sade:"När plattorna färdas från där de först tillverkas vid åsar i mitten av havet till subduktionszoner, havsvatten kommer in i klipporna genom sprickor, fel och genom bindning till mineraler. När du når en subduktionszon, den sjunkande plattan värms upp och kläms, vilket leder till gradvis utsläpp av en del eller allt av dess vatten. När vatten släpps sänker det smältpunkten för de omgivande stenarna och genererar magma. Denna magma är flytande och rör sig uppåt, som slutligen leder till utbrott i den överliggande vulkanbågen. Dessa utbrott är potentiellt explosiva på grund av flyktiga ämnen i smältan. Samma process kan utlösa jordbävningar och kan påverka viktiga egenskaper som deras storlek och om de utlöser tsunamier eller inte. "

Exakt var och hur flyktiga ämnen frigörs och hur de modifierar värdberget är fortfarande ett område med intensiv forskning.

De flesta studier har fokuserat på subduktion längs Pacific Ring of Fire. Dock, denna forskning fokuserade på Atlantplattan, och mer specifikt, vulkanbågen på Lilla Antillerna, ligger vid Karibiska havets östra kant.

"Detta är en av bara två zoner som för närvarande subducerar plattor som bildas genom långsam spridning. Vi förväntar oss att detta hydratiseras mer genomträngande och heterogent än den snabbspridande Stillahavsplattan, och för att uttryck av vattenutsläpp ska bli mer uttalat, "sa professor Saskia Goes, Imperial College London.

Projektet Volatile Recycling in the Lesser Antilles (VoiLA) samlar ett stort tvärvetenskapligt team av forskare, inklusive geofysiker, geokemister och geodynamiker från Durham University, Imperial College London, University of Southampton, University of Bristol, Liverpool University, Karlsruhe Institute of Technology, universitetet i Leeds, Naturhistoriska museet, Institute de Physique du Globe i Paris, och universitetet i Västindien.

"Vi samlade in data om två marina vetenskapliga kryssningar på RRS James Cook, tillfälliga utplaceringar av seismiska stationer som registrerade jordbävningar under öarna, geologiskt fältarbete, kemiska och mineraliska analyser av bergprover, och numerisk modellering, sa Dr. Cooper.

För att spåra påverkan av vatten längs subduktionszonens längd, forskarna studerade borkompositioner och isotoper av smältinneslutningar (små fickor av instängd magma i vulkaniska kristaller). Borfingeravtryck avslöjade att det vattenrika mineralet serpentin, som finns i den sjunkande plattan, är en dominerande leverantör av vatten till den centrala regionen i Lilla Antillerbågen.

"Genom att studera dessa mätningar i mikronskala är det möjligt att bättre förstå storskaliga processer. Våra kombinerade geokemiska och geofysiska data ger den tydligaste indikationen hittills att strukturen och mängden vatten på den sjunkande plattan är direkt kopplad till den vulkaniska utvecklingen av bågen och dess tillhörande faror, "sade professor Colin Macpherson, Durham University

"De blötaste delarna av den nedåtgående plattan är där det finns stora sprickor (eller sprickzoner). Genom att göra en numerisk modell av historien om frakturzonens subduktion under öarna, vi hittade en direkt länk till platserna för de högsta andelen små jordbävningar och låga skjuvvågshastigheter (som indikerar vätskor) i underjorden, "sa professor Saskia Goes.

Historien om subduktion av vattenrika sprickzoner kan också förklara varför bågens centrala öar är de största och varför, över geologisk historia, de har producerat mest magma.

"Vår studie ger avgörande bevis som direkt kopplar ihop vatten-in och ut-vatten-delar av cykeln och dess uttryck när det gäller magmatisk produktivitet och jordbävningsaktivitet. Detta kan uppmuntra studier vid andra subduktionszoner för att hitta sådana vattenbärande felstrukturer på den subdukterande plattan för att förstå mönster i vulkaniska och jordbävningsrisker, sa Dr. Cooper.

"I denna forskning fann vi att variationer i vatten korrelerar med fördelningen av mindre jordbävningar, men vi skulle verkligen vilja veta hur detta vattenmönster kan påverka potentialen - och fungera som ett varningssystem - för större jordbävningar och eventuell tsunami, "sade professor Colin Macpherson.