I vulcani eruttano quando il magma sale attraverso le crepe nella crosta terrestre, ma i processi esatti che portano alla fusione delle rocce nel mantello terrestre sottostante sono difficili da studiare.

Nel nostro giornale, pubblicato oggi sulla rivista Natura , mostriamo come è possibile utilizzare le misurazioni satellitari dei movimenti della superficie terrestre per osservare il processo di fusione in profondità al di sotto dell'Isola del Nord centrale della Nuova Zelanda, una delle regioni vulcaniche più attive del mondo.

Rifting nella zona vulcanica di Taupo

Lo strato solido esterno della Terra è noto come crosta, e questo ricopre il mantello terrestre. Ma questi livelli non sono fissi. Sono suddivisi in placche tettoniche che si muovono lentamente l'una rispetto all'altra.

È lungo i confini delle placche tettoniche che si verifica la maggior parte dell'azione geologica sulla superficie terrestre, come terremoti, attività vulcanica e costruzione di montagne. Questo rende la Nuova Zelanda un luogo particolarmente dinamico, geologicamente parlando, perché si trova a cavallo del confine tra la placca australiana e quella del Pacifico.

La regione centrale dell'Isola del Nord è conosciuta come la zona vulcanica di Taupo, o TVZ. Prende il nome dal Lago Taupo, il cratere allagato del vulcano più grande della regione, ed è attivo da due milioni di anni. Diversi vulcani continuano a eruttare regolarmente.

La TVZ è la punta meridionale di una zona di espansione, o rifting, nella crosta terrestre che si estende al largo per migliaia di chilometri, fino a nord nell'Oceano Pacifico fino a Tonga. Al largo, questo avviene attraverso la diffusione del fondale marino nel Havre Trough, creando sia nuova crosta oceanica che uno stretto frammento di placca proprio lungo il bordo della placca tettonica australiana. Sorprendentemente, questa diffusione avviene nello stesso momento in cui l'adiacente placca tettonica del Pacifico sta scivolando sotto la placca australiana in una zona di subduzione, innescando alcuni dei maggiori terremoti nella regione.

La diffusione del fondo marino provoca lo scioglimento del mantello terrestre, ma è molto difficile osservare questo processo direttamente nell'oceano profondo. Però, il fondale marino che si estende nell'Havre Trough passa bruscamente a terra nell'attività vulcanica nella TVZ. Ciò offre l'opportunità di osservare lo scioglimento del mantello terrestre a terra.

Generalmente, l'attività vulcanica si verifica ogni volta che c'è roccia fusa in profondità, e quindi il vulcanismo nell'Isola del Nord indica vasti volumi di roccia fusa sotto la superficie. Però, è stato un problema difficile capire esattamente cosa sta causando la fusione in primo luogo, perché le rocce sottostanti sono sepolte da spessi strati di materiale vulcanico.

Abbiamo affrontato questo problema utilizzando i dati dei sensori del Global Positioning System (GPS), alcuni dei quali fanno parte della rete GeoNet della Nuova Zelanda e alcuni sono stati utilizzati nelle campagne di misurazione dal 1995. I sensori misurano gli spostamenti orizzontali e verticali della superficie terrestre con una precisione millimetrica, e la nostra ricerca si basa sui dati raccolti negli ultimi due decenni.

Flessione della superficie terrestre

Le misurazioni GPS nella zona vulcanica di Taupo rivelano che si sta allargando da est a ovest a una velocità di 6-15 millimetri all'anno - in altre parole, la Regione, globale, si sta espandendo, come abbiamo anticipato dalla nostra precedente comprensione geologica. Ma è stato sorprendente scoprire che, almeno negli ultimi 15 anni, un tratto di circa 70 chilometri è in forte contrazione orizzontale ed è anch'esso in rapido cedimento, tutto il contrario di quanto ci si potrebbe aspettare.

Anche inaspettatamente, la zona contraente è circondata da regioni in espansione, ma anche edificante. Cercare di dare un senso a queste osservazioni si è rivelato essere la chiave per la nostra nuova visione del processo di fusione sotto la TVZ.

Abbiamo scoperto che il modello di contrazione e subsidenza, insieme all'espansione e al sollevamento, nel contesto della frattura generale della TVZ, potrebbe essere spiegato da un semplice modello che prevede la flessione e la curvatura di una crosta superiore elastica, tirato verso il basso o spinto verso l'alto da una forza motrice verticale sottostante. La dimensione della regione che si comporta così, estendendosi per circa 100 chilometri di larghezza e 200 chilometri di lunghezza, richiede che questa forza abbia origine a quasi 20 chilometri sottoterra, nel mantello terrestre.

Sciogliere il mantello

Quando le placche tettoniche si allontanano sul fondo del mare, il mantello sottostante si solleva a colmare il vuoto. Questa risalita innesca la fusione, e la ragione di questo è che caldo, ma solido, le rocce del mantello subiscono una riduzione della pressione mentre si spostano verso l'alto e si avvicinano alla superficie terrestre. Questo calo di pressione, piuttosto che un cambiamento di temperatura, inizia lo scioglimento del mantello.

Ma c'è un'altra proprietà di questo flusso ascendente del mantello, perché crea anche una forza di aspirazione che abbatte la crosta sovrastante. Questa forza si verifica perché come parte del flusso, le rocce devono effettivamente "voltare un angolo" vicino alla superficie da un flusso prevalentemente verticale ad uno prevalentemente orizzontale.

Si scopre che la forza di questa forza dipende da quanto sono rigide o appiccicose le rocce del mantello, misurata in termini di viscosità (è difficile guidare il flusso di fluidi altamente viscosi o collosi, ma facile in quelli che cola).

Studi sperimentali hanno dimostrato che la viscosità delle rocce nelle profondità della Terra è molto sensibile a quanto materiale fuso contengono, e proponiamo che i cambiamenti nella quantità di fusione forniscano un potente meccanismo per modificare la viscosità del mantello che risale. Se le rocce del mantello non contengono molto scioglimento, saranno molto più appiccicosi, provocando un rapido abbattimento della crosta sovrastante. Se le rocce si sono appena sciolte, poi questo rende più fluido il flusso delle rocce, permettendo alla crosta sovrastante di risorgere.

Sappiamo anche che i movimenti che osserviamo in superficie con il GPS devono essere di durata relativamente breve, geologicamente parlando, durata non superiore a poche centinaia o poche migliaia di anni. Altrimenti comporterebbe profondi cambiamenti al paesaggio e non abbiamo prove per questo.

Utilizzando il GPS, non possiamo solo misurare la forza della forza di aspirazione, ma possiamo "vedere" dove, Per quanto, e di quanto si scioglie il mantello sottostante. Questo scioglimento alla fine si alzerà attraverso la crosta per alimentare i vulcani sovrastanti.

Questa ricerca ci aiuta a capire come funzionano i sistemi vulcanici su una varietà di scale temporali, da umano a geologico. Infatti, può essere che le misurazioni GPS effettuate solo negli ultimi due decenni abbiano catturato un cambiamento nella quantità di fusione del mantello in profondità, che potrebbe preannunciare l'inizio di una maggiore attività vulcanica e del rischio associato in futuro. Ma non abbiamo ancora misurazioni su un periodo di tempo sufficientemente lungo per fare previsioni sicure.

Il punto chiave qui è, tuttavia, che siamo entrati in una nuova era in cui le misurazioni satellitari possono essere utilizzate per sondare l'attività a 20 chilometri sotto la superficie terrestre.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.