利用声音来研究海底火山

- 编辑:大众自然网 -

利用声音来研究海底火山

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想象一下,把一块石头放在一块悬挂的硬纸板上。如果硬纸板很结实结实,就像精装书的封面一样,那么这块石头可能会在那里呆很长时间,而且由于石头的重量,纸板几乎不会弯曲。但如果硬纸板很脆弱,更像是海报板,它就会在石头的重压下开始变形,形状和结构也会变形。

地球科学家Donna Shillington在研究地球表面硬化熔岩的重量时也研究了类似的概念。当火山喷发,喷出火焰时,熔岩随着时间的推移冷却并混合,增加了重量和压力,导致地球脆弱的构造板块弯曲和破裂,这可能会引发地震,在某些情况下,还可能引发海啸。

西灵顿想知道太平洋板块下的一连串火山到底有多少岩浆变硬了。她也在研究这个板块的强度,以及它是否会在岩石的重量下表现得更像硬纸板或海报板——在这个例子中是岩浆。

太平洋板块横跨地球表面,面积达4000万平方英里,盘旋在热点上方,在那里,地球深处的高温物质向上喷涌而出。随着板爬在这个热点过去几千万年,逃出来的热量与板交互引起火山爆发和创造了Hawaiian-Emperor海底山链,从阿留申山脉延伸3900英里在西北太平洋海沟的Lo 'ihi海底山只是22英里夏威夷岛的东南部。大部分火山链都在水下——至少80座水下火山已被确认——夏威夷群岛是该系统中唯一暴露在外的山峰。

与任何山脉系统一样,科学家们想知道它是由什么组成的,它是如何形成的,以及它是如何随着时间而变化的。但是,由于这条链中较年轻的火山有可能爆发并产生地震或海啸,科学家们还想知道这条链增加到太平洋板块的负荷可能如何影响自然灾害。更重要的是,他们想通过研究板块对巨大火山负荷的反应来了解板块的强度。

不幸的是,海拔在海平面上的夏威夷群岛只是广阔群岛的一小部分,而且只是故事的一部分。为了得到他们需要的答案,Shillington和她的同事们不得不深入到更深的地方——海底。

2018 - 19学年期间,当Shillington拉蒙特研究教授,哥伦比亚大学的拉蒙特-多尔蒂地球观测站,她领导的两个研究邮轮Hawaiian-Emperor海底山链:一个年轻的夏威夷链的一部分,和其他年长的北半部,火山在8000万年的历史。她想尽可能多地了解海底火山及其下的地球,以便了解太平洋板块如何承受岩浆的重量,以及岩浆的确切位置。

“了解那个板块的特性对于理解它将如何反应非常重要,”现为北亚利桑那大学副教授的Shillington说。“一个板块的强度是控制其行为的基本因素。例如,大洋板块的强度决定了它如何弯曲,如何在俯冲带被推到大陆下面——这是一个会引发地震的地方。”

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与希灵顿同行的还有另外两位拉蒙-多尔蒂的科学家——博士后研究科学家布莱恩·波士顿和副研究科学家威尔·福丁。主要研究小组还包括一位来自牛津大学的科学家托尼·瓦茨;三位来自夏威夷大学的科学家——罗伯特·邓恩,加勒特·伊藤,保罗·韦塞尔;两位来自美国地质调查局的科学家——uri ten Brink和Nathan Miller;还有一位来自GEOMAR-Ingo Grevemeyer的科学家。通过竞争激烈的申请程序,该团队还邀请了来自全国各地的研究生参加这次巡游,学生们在博客上记录了这次经历。

2018年10月和2019年4月,科考队乘坐R/V Marcus G. Langseth号起航,这艘船归美国国家科学基金会所有,由Lamont-Doherty地球天文台运营。这艘船的特殊之处在于,它搭载的技术使科学家能够绘制出海底几英里以下的地球结构的二维和三维地图。

福丁说,从夏威夷群岛出发,他们花了九天时间才到达位于太平洋帝王海山链上的取样地点。用最简单的话来说,那是一个荒无人烟的地方。从右舷看过去,典型的景象就是雾。

然而,团队不是去看或摸的,而是去听的。利用船上的地震测绘技术,他们可以通过向水中发送声波并测量回声来绘制水下地形,这种技术被称为地震成像。

福丁说:“地震学本质上是站在峡谷里,大声喊‘回声’,然后听到‘回声’传回来,但要复杂得多,也安静得多。”他说:“当你听到‘回声’传回来的时候,如果你把它的波形录下来并非常仔细地注意,你就能知道它反弹的是哪一种岩石,因为反射回来的回声会根据它撞击的物体而变化。无论你是在砂岩峡谷还是在花岗岩巨石上,你都可以从回声的声音中获得信息——声音有多大,扭曲程度如何。”

为了测量回声,研究小组将桶大小的地震仪扔到海里,这些地震仪下沉了3英里,停在海底,收集压力和地面运动的测量数据。他们还拖了一条9英里长的缆绳,上面装有压力传感器。

然后,他们冲着峡谷大喊。他们利用机载空气压缩枪向水中喷射气泡。他们实时收听并录音。

除了船上的飘带在水柱中感应到的回声外,“当我们产生地震波时,海底的地震仪记录了地震波是如何通过地壳传播的,”波士顿说。

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Fortin也在研究山脉在海水循环和混合中的作用。了解食物链的地形和物质构成将有助于他找到答案,就像仔细观察回声如何穿过水柱一样。

Fortin说,记录和分析水中的回声,特别是冷水中的回声,是相当乏味的。页岩和砂岩反射了大约20%的原始声音,只有0.05%的原始声音的能量在不同的水层之间反射。

“水柱内的倒影变得低沉而安静,就像从枕头而不是峡谷壁返回的回声,”Fortin说。也就是说,除非你有专门的设备,比如地震船或蝙蝠耳,否则你不会听到枕头的回声。这些回声很安静,需要一些技巧。为了得到它,我正在调整我的一些计算方法。”

最后,研究小组还想知道有多少新的岩浆在火山下面硬化。

“一些岩浆到达地表,在那里以熔岩流的形式喷发,”希灵顿说。“然而,有些岩浆无法到达地表——相反,它们冷却下来并在地表下结晶成岩石。”

研究小组利用声波来确定岩浆的厚度、成分和空间分布,这些岩浆在深处结晶并变成岩石,但从未到达地表。

一年后,这些数据仍在被分析,以创建一个完整的图片,隐藏在下面,以及它如何随着时间的推移而改变。

“我们很幸运能够收集到这么多的数据,而这只是我们希望在这些数据集中发现的一切的开始,”Shillington说。由于位置偏远,“没有人会去我们工作多年的地方收集数据。”

本文转载自哥伦比亚大学地球研究所http://blogs.ei.columbia.edu。


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