April 7, 2017
Onder de oceaan komen massieve tektonische platen samen en schuren tegen elkaar, waardoor de een onder de ander wordt gedreven. Deze krachtige botsing, subductie genoemd, is verantwoordelijk voor het vormen van vulkaanbogen die de thuisbasis zijn van enkele van de meest dramatische geologische gebeurtenissen op aarde, zoals explosieve vulkaanuitbarstingen en mega-aardbevingen.
Een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances verandert ons begrip van hoe vulkaanbooglava’s worden gevormd, en kan implicaties hebben voor de studie van aardbevingen en de risico’s van vulkaanuitbarstingen.
Onderzoekers onder leiding van het Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) hebben een tot nu toe onbekend proces ontdekt waarbij intensief gemengde metamorfe gesteenten – bekend als mélange gesteenten – smelten als gevolg van hoge spanningen tijdens subductie op de grens tussen de plaat en de mantel.
Tot nu toe werd lang gedacht dat de vorming van lava begon met een combinatie van vloeistoffen van een ondergedompelde tektonische plaat, of plaat, en gesmolten sedimenten die dan in de mantel zouden doorsijpelen. Eenmaal in de mantel, vermengen ze zich en veroorzaken meer smelt, en uiteindelijk uitbarsting aan de oppervlakte.
“Onze studie laat duidelijk zien dat het heersende vloeistof/sediment smelt model niet correct kan zijn,” zegt Sune Nielsen, een geoloog bij WHOI en hoofdauteur van het artikel. “Dit is belangrijk omdat bijna alle interpretaties van geochemische en geofysische gegevens over subductiezones in de afgelopen twee decennia op dat model zijn gebaseerd.”
In plaats daarvan ontdekten Nielsen en zijn collega dat er in feite al mélange aanwezig is aan de bovenkant van de plaat voordat er menging met de mantel plaatsvindt.
“Deze studie toont – voor het eerst – aan dat het smelten van mélange de belangrijkste motor is van de wisselwerking tussen de plaat en de mantel,” zegt Nielsen.
Dit is een belangrijk onderscheid omdat wetenschappers metingen van isotopen en sporenelementen gebruiken om de samenstelling van booglava’s te bepalen en dit kritische gebied van subductiezones beter te begrijpen. Wanneer en waar de menging, het smelten, en de herverdeling van sporenelementen plaatsvindt, genereert enorm verschillende isotopische handtekening verhoudingen.
De studie bouwt voort op een eerdere paper van Nielsen’s collega en co-auteur Horst Marschall van de Goethe Universiteit in Frankfurt, Duitsland. Gebaseerd op veldwaarnemingen van mélange-ontsluitingen, stelde Marschall vast dat blobs van mélange-materiaal met lage dichtheid, diapirs genaamd, langzaam zouden kunnen opstijgen vanaf het oppervlak van de subducterende plaat en de goed gemengde materialen meevoeren naar de mantel onder boogvulkanen.
“Het mélange-diapir model is geïnspireerd door computermodellen en door gedetailleerd veldwerk in verschillende delen van de wereld waar gesteenten die afkomstig zijn van het diepe grensvlak tussen plaat en mantel door tektonische krachten naar de oppervlakte zijn gebracht,” zegt Marschall. “We discussiëren nu al minstens vijf jaar over het model, maar veel wetenschappers dachten dat de mélangegesteenten geen rol speelden bij het ontstaan van magma. Zij deden het model af als ‘geo-fantasie’.”
In hun nieuwe werk vergeleken Nielsen en Marschall mengverhoudingen van beide modellen met chemische en isotopische gegevens van gepubliceerde studies van acht wereldwijd representatieve vulkanische bogen: Marianas, Tonga, Kleine Antillen, Aleoeten, Ryukyu, Scotia, Kurile, en Sunda.
“Onze grootschalige analyse laat zien dat het mélange mixing model bijna perfect past bij de literatuurgegevens in elke arc wereldwijd, terwijl de heersende sediment smelt/vloeistof mixing lijnen ver van de werkelijke gegevens plotten,” zegt Nielsen.
Inzicht in de processen die plaatsvinden bij subductiezones is om vele redenen belangrijk. Subductiezones, ook wel de motor van de planeet genoemd, zijn de belangrijkste gebieden waar water en kooldioxide in oude zeebodems worden teruggevoerd naar de diepe aarde, en spelen een cruciale rol bij de beheersing van het klimaat op lange termijn en de evolutie van het warmtebudget van de planeet.
Deze complexe processen vinden plaats op schalen van tientallen tot duizenden kilometers over een periode van maanden tot honderden miljoenen jaren, maar kunnen catastrofale aardbevingen en dodelijke tsunami’s veroorzaken die in luttele seconden kunnen plaatsvinden.
“Een groot deel van de vulkanische en aardbevingsgevaren op aarde wordt geassocieerd met subductiezones, en sommige van die zones bevinden zich in de buurt van waar honderden miljoenen mensen wonen, zoals in Indonesië,” zegt Nielsen. “Het begrijpen van de redenen waarom en waar aardbevingen optreden, hangt af van het weten of begrijpen welk type materiaal daar beneden daadwerkelijk aanwezig is en welke processen er plaatsvinden.”
Het onderzoeksteam zegt dat de bevindingen van de studie vragen om een herbeoordeling van eerder gepubliceerde gegevens en een herziening van concepten met betrekking tot processen in subductiezones. Omdat mélange-gesteenten grotendeels zijn genegeerd, is er bijna niets bekend over hun fysische eigenschappen of over het bereik van temperaturen en drukken waarbij ze smelten. Toekomstige studies om deze parameters te kwantificeren kunnen nog meer inzicht verschaffen in de rol van mélange in subductiezones en de controle die het uitoefent op het ontstaan van aardbevingen en subductiezone-vulkanisme.
Dit werk werd gefinancierd door een subsidie van de National Science Foundation Division of Earth Sciences.
Het Woods Hole Oceanographic Institution is een particuliere organisatie zonder winstoogmerk op Cape Cod, Mass., gewijd aan marien onderzoek, techniek en hoger onderwijs. Het instituut werd in 1930 opgericht op aanbeveling van de National Academy of Sciences en heeft als belangrijkste missie het begrijpen van de oceaan en de interactie daarvan met de aarde als geheel, en het overbrengen van een basisbegrip van de rol van de oceaan in het veranderende mondiale milieu. Voor meer informatie kunt u terecht op www.whoi.edu.