Caltech-onderzoekers gebruikten geavanceerde beeldvormingstechnieken om de toegenomen seismische activiteit in de Long Valley Crater in Californië, een slapende supervulkaan, te onderzoeken. Hun resultaten suggereren dat de regio niet op de rand van een grote uitbarsting staat, maar seismische activiteit ervaart als gevolg van afkoelingsprocessen.
Sinds de jaren tachtig hebben onderzoekers verschillende perioden van instabiliteit waargenomen in een gebied ten oosten van de Sierra Nevada Mountains in Californië, gekenmerkt door zwermen aardbevingen en perioden waarin de grond opzwol en met bijna een halve centimeter per jaar steeg. De activiteit is zorgwekkend omdat het gebied, bekend als de Long Valley Caldera, bovenop een enorme slapende vulkaan ligt. De Long Valley Crater werd 760.000 jaar geleden gevormd tijdens een gewelddadige uitbarsting die 650 kubieke kilometer as in de lucht spuwde – genoeg as om het hele gebied rond Los Angeles te bedekken met een laag sediment van 1 kilometer dik.
Baanbrekende beeldvorming onthult het innerlijke verhaal
Vulkanische activiteit is de afgelopen decennia steeds frequenter geworden. Wat is de reden hierachter? Zou het kunnen dat het gebied zich voorbereidt op een nieuwe uitbraak? Of is de toegenomen activiteit juist een teken dat de kans op een grote uitbarsting afneemt?
Om deze vragen te beantwoorden hebben Caltech-onderzoekers het meest gedetailleerde beeld tot nu toe gemaakt van de ondergrond van de Changgu-krater, die tot wel 10 kilometer diep in de aardkorst reikt. Deze beelden met hoge resolutie onthullen de structuur van de aarde onder de krater en suggereren dat de recente seismische activiteit wordt veroorzaakt door vloeistoffen en gassen die vrijkomen als het gebied afkoelt en zakt.
De Changgu Caldera is de locatie van een grootschalige supervulkaanuitbarsting 760.000 jaar geleden. Wat gebeurde er onder het oppervlak van de Changgu Caldera? Uit een nieuw onderzoek waarbij gebruik wordt gemaakt van seismische golven om de ondergrondse omgeving van de regio in beeld te brengen, is gebleken dat de magmakamer aan het afkoelen is. Toch kunnen gassen en vloeistoffen die vrijkomen wanneer magma kristalliseert, aardbevingen veroorzaken. Bron: E.Biondi
Dit onderzoek werd uitgevoerd in het laboratorium van hoogleraar geofysica Zhongwen Zhan (Ph.D. ’14). Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, werd op 18 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
"We denken niet dat het gebied zich voorbereidt op een nieuwe uitbarsting van een supervulkaan, maar door het afkoelingsproces kunnen voldoende gassen en vloeistoffen vrijkomen om aardbevingen en kleine uitbarstingen te veroorzaken. In mei 1980 vonden er bijvoorbeeld vier aardbevingen met een kracht van 6 plaats in het gebied", zei Zhan Zhongwen.
Afbeeldingen met hoge resolutie laten zien dat de magmakamer van de vulkaan bedekt is door een harde kap van kristallijn gesteente, die ontstaat wanneer vloeibaar magma afkoelt en stolt.
Innovatieve beeldtechnologie
Om beelden van de ondergrond te maken, leiden onderzoekers af hoe de ondergrondse omgeving eruit ziet door seismische golven te meten die door aardbevingen worden geproduceerd. Aardbevingen veroorzaken twee soorten seismische golven: primaire golven (P-golven) en secundaire golven (S-golven). De twee soorten seismische golven reizen met verschillende snelheden in verschillende materialen - seismische golven reizen langzaam in elastische materialen zoals vloeistoffen, maar zeer snel in stijve materialen zoals rotsen. Door seismometers op verschillende locaties te gebruiken is het mogelijk om de tijdsverschillen van de golven te meten en de eigenschappen te bepalen van het materiaal waar ze doorheen gaan: hoe elastisch of stijf het is. Op deze manier kunnen onderzoekers een beeld krijgen van de ondergrondse omgeving.
aardbeving bron
Er zijn tientallen seismometers verspreid over het Dongshan-gebied, maar de technologie die door de onderzoekers wordt gebruikt, maakt gebruik van glasvezelkabels (zoals die voor internet) om seismische metingen uit te voeren, een proces dat gedistribueerde akoestische detectie (DAS) wordt genoemd. De 100 kilometer kabel die wordt gebruikt om de Changgu-caldera in beeld te brengen, komt overeen met 10.000 seismometers met één component. Ruim anderhalf jaar gebruikte het team de kabel om meer dan 2.000 seismische gebeurtenissen te meten, waarvan de meeste te klein waren om door mensen gevoeld te worden. Machine learning-algoritmen verwerken deze metingen en genereren beelden.
Deze studie is de eerste waarbij DAS wordt gebruikt om zulke diepgaande beelden met hoge resolutie te produceren. Eerdere lokale tomografiestudiebeelden waren ofwel beperkt tot ondiepe ondergrondse omgevingen van ongeveer 5 kilometer diep, ofwel bestreken grotere gebieden met lagere resoluties.
"Dit is de eerste demonstratie van hoe DAS ons begrip van de dynamiek van de aardkorst kan veranderen", zegt Ettore Biondi, DAS-wetenschapper bij Caltech en eerste auteur van het artikel. "We zijn enthousiast om soortgelijke technieken toe te passen op andere gebieden waar we nieuwsgierig zijn naar ondergrondse omgevingen."
Vervolgens is het team van plan een 200 kilometer lange kabel te gebruiken om dieper in de aardkorst te kijken, misschien wel 15 tot 20 kilometer diep, waar de magmakamer van de krater – het ‘kloppend hart’ – aan het afkoelen is.