Föreställ dig att placera en sten på en bit hängande kartong. Om kartongen är stark och rejäl, som omslaget till en inbunden bok, stenen kan sitta där länge och brädan kommer knappt att böjas på grund av stenens vikt. Men om kartongen är tunn, mer som affischtavla, det kommer att börja ge under tyngden av stenen, förvrängande i form och struktur.

Jordforskaren Donna Shillington studerar ett liknande koncept när hon studerar vikten av hårdnande lava, eller magma, på jordens yta. När vulkaner får utbrott, sprutande eld, lavan svalnar med tiden och förenas, lägga till vikt och stress som kan få jordens tunna tektoniska plattor att böjas och spricka, som kan skapa jordbävningar, och i vissa fall, tsunamis.

Shillington vill veta exakt hur mycket magma som härdas under en kedja av vulkaner på Stillahavsplattan, som ligger under Stilla havet. Hon undersöker också hur stark tallriken är, och om den kommer att bete sig mer som kartongen eller affischbrädan under tyngden av stenen – eller i det här fallet, magma.

Sträcker sig 40 miljoner kvadratkilometer över jordens yta, Stillahavsplattan svävar över en hotspot, där mycket varmt material från djupet av jorden plymar uppåt. När plattan har smugit sig över denna hotspot under de senaste tiotals miljoner åren, den försvunna värmen som interagerar med plattan orsakade vulkanutbrott och skapade havsbergskedjan Hawaii-kejsaren, en bergskedja som sträcker sig 3, 900 miles från Aleutian Trench i nordvästra Stilla havet till Lo'ihi seamount bara 32 miles sydost om ön Hawaii. Det mesta av kedjan är under vattnet - minst 80 undervattensvulkaner har identifierats - och Hawaiiöarna är de enda exponerade topparna i systemet.

Som med alla bergssystem, forskare vill veta vad den består av, hur det bildades, och hur det har förändrats över tiden. Men, eftersom de yngre vulkanerna i denna kedja kan bryta ut och producera jordbävningar eller tsunamier, forskare vill också veta hur belastningen som kedjan har lagt till Stillahavsplattan kan påverka naturkatastrofer. Mer viktigt, de vill veta hur stark plattan är genom att studera hur den reagerar på belastningen från de gigantiska vulkanerna.

Tyvärr, Hawaiiöarna som är lätta att prova ovanför havsnivån är bara en liten del av den expansiva kedjan och bara en del av historien. För att få svaren de behöver, Shillington och hennes kollegor måste gå mycket, mycket djupare — under havsbotten.

Under läsåret 2018-19 när Shillington var forskningsprofessor i Lamont vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, hon ledde två forskningskryssningar till Hawaiian-Emperor seamount kedjan:En till den unga Hawaiian delen av kedjan, och den andra till den äldre norra halvan, där vulkaner är upp till 80 miljoner år gamla. Hon ville lära sig så mycket hon kunde om undervattensvulkanerna – och jorden under dem – för att förstå hur Stillahavsplattan håller sig under vikten av magma, och även, var den magman är exakt.

"Att känna till egenskaperna hos den plattan är viktigt för att förstå hur den kommer att reagera, sa Shillington, som nu är docent vid Northern Arizona University. "En plattas styrka är det grundläggande som kommer att styra hur den beter sig. Till exempel, styrkan på den oceaniska plattan kommer att diktera hur den böjer sig och trycks ner under kontinenterna vid subduktionszoner - en plats som skapar jordbävningar."

Reste med Shillington på expeditionen var två andra Lamont-Doherty forskare—Brian Boston, en postdoktorand forskare och Will Fortin, en biträdande forskare. Teamet av huvudutredare inkluderade också en vetenskapsman från Oxford University, Tony Watts; tre forskare från University of Hawaii — Robert Dunn, Garrett Ito, Paul Wessel; två forskare från US Geological Survey – Uri ten Brink och Nathan Miller; och en forskare från GEOMAR — Ingo Grevemeyer. Genom en konkurrenskraftig ansökningsprocess, teamet bjöd också in doktorander från hela landet att gå med på kryssningarna, och eleverna bloggade om upplevelsen.

Dubbelt, i oktober 2018 och igen i april 2019, laget seglade på R/V Marcus G. Langseth, ett fartyg som ägs av National Science Foundation och drivs av Lamont-Doherty Earth Observatory. Fartyget är speciellt eftersom det har teknologi ombord som gör det möjligt för forskare att skapa två- och tredimensionella kartor över jordens struktur mil under havsbotten.

Det tog nio dagars segling från Hawaiiöarna för att nå sin provtagningsplats på Emperor Seamount Chain i Stilla havet, sa Fortin. Det var, i enklaste termer, i mitten av ingenstans. Den typiska utsikten från styrbord var helt enkelt dimma.

Dock, laget var inte där för att titta eller röra, men att lyssna. Med hjälp av fartygets seismiska kartläggningsteknik ombord, de skulle kartlägga undervattenstopografin genom att skicka ljudvågor i vattnet och mäta hur de ekade, en teknik som kallas seismisk avbildning.

"Seismologi är i huvudsak att stå i en kanjon och ropa "eko" och sedan höra "eko" komma tillbaka till dig, men mycket mer komplicerat och mycket tystare, " sa Fortin. "När du hör 'eko' komma tillbaka till dig, om du spelar in vågformen och är mycket uppmärksam, du kan se vilken typ av sten den studsar av eftersom ekot som kommer tillbaka ändras baserat på vad den träffar. Oavsett om du är på en plats med en sandstenskanjon eller om det finns ett stenblock i granit, du kan få den informationen från hur ekot låter – hur högt det är, och hur det är förvrängt."

För att mäta ekot, laget tappade seismometrar av fatstorlek överbord, där de sjönk över tre mil ner för att vila på havsbotten och fånga upp mätningar av tryck och markrörelse. De bogserade också en nio mil lång kabel försedd med trycksensorer bakom fartyget.

Sedan, ropade de in i kanjonen. Med hjälp av en arsenal av luftkompressorpistoler ombord, de sköt luftbubblor i vattnet. De lyssnade – i realtid – och spelade in.

Förutom de ekon som avkänns i vattenpelaren av båtstreamers, "när vi producerade de seismiska vågorna, Seismometrarna på havsbotten registrerade hur vågor fortplantar sig genom jordskorpan, sa Boston.

Fortin studerar också vilken roll bergskedjan spelar för att cirkulera och blanda havsvatten. Att förstå topografin av kedjan och dess materialsammansättning kommer att hjälpa honom att ta reda på, som kommer att ta en närmare titt på hur ekona rör sig genom vattenpelaren.

Att spela in och analysera ekon i vatten – och särskilt kallt vatten – kan vara ganska tråkigt, sa Fortin. Medan skiffer och sandsten reflekterar cirka 20 procent av det ursprungliga ljudet, endast cirka 0,05 procent av energin i det ursprungliga ljudet reflekteras mellan olika vattenlager.

"Reflexioner i vattenpelaren är dämpade och tystare, som ett eko tillbaka från en kudde snarare än en kanjonvägg, sade Fortin. Det vill säga, om du inte hade specialutrustning som ett seismiskt skepp eller fladdermusöron, du skulle inte höra ett eko från din kudde. Dessa ekon är så tysta och det kräver lite finess. Jag justerar några av mina beräkningsmetoder för att få till det."

Slutligen, teamet vill också veta hur mycket ny magma som härdar under vulkanerna.

"Något magma kommer upp till ytan, där det bryter ut när lava strömmar, " sade Shillington. "Men, en del av magman når inte upp till ytan – istället, de kyls ner och kristalliseras till stenar under jordens yta."

Teamet använder ljudvågor för att bestämma tjockleken, sammansättning och rumslig fördelning av magman som kristalliserade och förvandlades till stenar på djupet och aldrig nådde ytan.

Ett år senare, data analyseras fortfarande för att skapa en komplett bild av vad som ligger under, och hur det kan ha förändrats över tiden.

"Vi hade turen att kunna samla in så mycket data, och detta är bara början på allt som vi hoppas kunna upptäcka i dessa datamängder, " sa Shillington. På grund av den avlägsna platsen, "ingen kommer att gå tillbaka och samla in data där vi jobbat i många år."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.