Is het jou ook weleens opgevallen dat er door sommige eiland- en vulkaanketens op de kaart een duidelijke gebogen lijn of curve kan worden getrokken? Binnen de geologie noemen we een dergelijk verschijnsel eilandbogen of vulkaanbogen. In het vervolg van dit artikel neem ik je mee in het ontstaan van dergelijke eiland- of vulkaanbogen die ontspringen door een combinatie van subductievulkanisme en de geometrie van een bolvormig lichaam. Aan dit bijzondere fenomeen – dat zowel betrekking heeft op vulkanische eilandketens als op vulkaanketens op continenten – ligt een duidelijk geometrische oorzaak ten grondslag.
De voornaamste voorwaarde voor het ontstaan van vulkaanbogen is uiteraard het optreden van vulkanisme. Voor het merendeel treedt vulkanisme op daar waar er sprake is van mantelpluimen (hotspots) of subductie. Hotspots kunnen in uitzonderlijke gevallen leiden tot iets dat oppervlakkig bezien lijkt op een vulkaanboog. Dit is echter slechts toevalligerwijs het geval als de beweging of locatie van de tektonische aardplaat respectievelijk hotspot in de loop van de geologische geschiedenis substantieel is veranderd. Een voorbeeld hiervan vormt de Hawaï-Emperorketen.
Dergelijke uitzonderlijke vulkaanbogen hebben dus niets te maken met vulkaanbogen op grond van subductievulkanisme en de geometrie van een bolvormig lichaam. Slechts subductievulkanisme kan leiden tot de karakteristieke eiland- of vulkaanbogen waar dit artikel dieper op in gaat.
Daar waar oceanische lithosfeer subduceert onder oceanische of continentale lithosfeer ontstaat er op de tegenoverliggende lithosfeer onherroepelijk vulkanisme. Dit vulkanisme ontstaat doorgaans op afstanden in de ordegrootte van 100 tot 300 kilometer vanaf de oceanische trog. De exacte afstand houdt verband met de hoek waaronder de oceanische lithosfeer onderduikt.
Het opstijgen van een partiële smelt van gesmolten materiaal van de onderduikende lithosfeer en omliggend mantelmateriaal is hoofdzakelijk afhankelijk van de temperatuur van de bovenmantel. Hierbij zorgen zowel tijdens de subductie meegevoerd water als door de opwarming uit gesteenten vrijkomend gehydrateerd water voor een substantiële smeltpuntsverlaging. De desbetreffende temperatuur neemt progressief toe met de diepte van de bovenmantel. Op welke afstand van een oceanische trog een bepaalde diepte en temperatuur wordt bereikt, is dus afhankelijk van de hoek waaronder de oceanische lithosfeer subduceert.
In principe geldt dat hoe steiler de subducerende lithosfeer de bovenmantel induikt, hoe eerder de mantelzone wordt bereikt waar er partiële smelt optreedt en hoe dichter het vulkanisme op de tegenoverliggende plaat zich bij de oceanische trog bevindt. Andersom geldt dat hoe vlakker de subducerende lithosfeer de bovenmantel induikt, hoe langer het duurt voor de mantelzone wordt bereikt waar er partiële smelt optreedt en hoe verder het vulkanisme op de tegenoverliggende plaat van de oceanische trog is verwijderd.
Wanneer een verbonden uitsnede van een bolvormige oppervlakte zich onder datzelfde oppervlak beweegt, dan zou mathematisch gezien de ideale oppervlakte van deze verbonden uitsnede met het kwadraat van zijn straal moeten afnemen. Omdat de oppervlakte van de verbonden uitsnede echter een vast gegeven is, schiet er in mathematische zin dus oppervlakte over. Dit leidt tot enorme tektonische spanningen in de onderduikende oceanische lithosfeer. Deze spanningen doen zich deels gelden als aardbevingen en deels als een concave spanning binnen de oceanische lithosfeer.
Vulkaanbogen worden gekenmerkt door de convexe gebogen lijnen of curves van vulkanen gezien vanuit het perspectief van de oceanische trog. Sec geometrisch beredeneerd zou dit twee hypothetische oorzaken kunnen hebben. De cijfers 1 & 2 hieronder verwijzen naar de overeenkomstige mechanica van een ping-pong bal verderop in dit artikel.
Eén hypothetisch verklarend mechanisme is dat de hoek waaronder de oceanische lithosfeer onderduikt aanvankelijk steiler is in het midden van de subductiezone dan aan de uiteinden. Enerzijds, omdat de subducerende oppervlakte aan de uiteinden vast zit aan de oorspronkelijke aardoppervlakte. Anderzijds, omdat de tektonische spanningen zich deels doen gelden als een concave spanning binnen de oceanische lithosfeer (1). Hetgeen uiteindelijk zou betekenen dat het vulkanisme in het midden van de subductiezone dichter bij de oceanische trog optreedt dan aan de uiteinden, doordat steiler onderduikende lithosfeer eerder de mantelzone bereikt waar er partiële smelt plaatsvindt.
Een ander hypothetisch verklarend mechanisme is dat een oceanische trog na verloop van tijd op zichzelf een eendere convex gebogen lijn of curve vertegenwoordigt, overeenkomstig de tegenoverliggende vulkaanboog aan de oppervlakte (2). Hetgeen uiteindelijk zou betekenen dat het vulkanisme zowel in het midden van de subductiezone als aan de uiteinden even ver van de oceanische trog plaatsvindt.
Op grond van de geometrie van een bolvormig lichaam en de wijze waarop subductie werkt, lijken echter beide verklarende mechanismen juist te zijn. Waarbij de eerste situatie op den duur vanzelf leidt tot de tweede situatie. Met andere woorden, de eerste situatie vormt de drijvende kracht achter de tweede situatie. Dit staat wel bekend als het principe van ‘slab rollback’ waarbij een oceanische trog zich naar achteren verplaatst, indien oceanische lithosfeer sneller en steiler subduceert dan dat het wordt aangevoerd.
Voor zowel de overschietende oppervlakte als de aanvankelijk steilere subductie in het midden van de oceanische trog wordt deels gecompenseerd door het ontstaan van een concave spanning in de onderduikende oppervlakte. Hiermee wordt de rand van de oceanische trog op grond van een cirkelvormig equivalerende druk en het principe van ‘slab rollback’ deels naar achteren gedwongen tot een eendere convex gebogen lijn of curve als de latere vulkaanboog op de tegenoverliggende lithosfeer.
Het is overigens zeer waarschijnlijk dat beide betrokken mechanismen vrijwel gelijktijdig en overeenkomstig een dynamisch evenwicht optreden en dat hierdoor lang voordat er vanuit nieuw geboren subductiezones partiële smelt wordt gerealiseerd er reeds sprake is van convexe subductiezones overeenkomstig de latere convexe vulkaanbogen. Daarmee vormen twee hypothetische geometrische verklaringen één daadwerkelijke integrale verklaring.
Zie de illustratieve afbeelding van figuur 1 met verschillende praktijkvoorbeelden. In het vervolg van die pagina vind je overigens een meer accurate, maar uiterst complexe, kwantitatieve analyse van vulkaanbogen. Ik heb echter bewust ingezet op een meer begrijpelijke kwalitatieve analyse op grond van een zekere intuïtieve mechanica.
Bovenstaande is het beste voor te stellen door een ping-pong bal aanvankelijk in te snijden en daarna in te drukken. Aanvankelijk kan met name het midden van de insnede zich dieper onder de oppervlakte van de bal bewegen, omdat de insnede aan de uiteinden immers vast zit aan de oorspronkelijke bolvormige oppervlakte. Vervolgens ontstaat er ter compensatie, van zowel de overschietende oppervlakte als het aanvankelijke steilere onderduiken in het midden van de insnede, een concave instulping in de bolvormige oppervlakte van de ping-pong bal (1).
Langs de rand van een dergelijke concave instulping ontstaat er hierdoor een cirkelvormig equivalerende druk die de rand in een convex gebogen lijn of curve gedeeltelijk naar achteren dwingt, vergelijkbaar met ‘slab rollback’. Een dergelijke uiteindelijk meer of minder convex gebogen lijn of curve illustreert in principe alle subductiezones op aarde (2).
Omdat de mate van stijfheid van oceanische lithosfeer afhankelijk is van zijn leeftijd en dichtheid kan de mate van convex zijn van subductiezones in de praktijk flink variëren. Qua analogie zal een erg slappe ping-pong bal namelijk eerder rimpelingen aan het oppervlak vertonen (relatief rechte subductiezones) dan perfect concave instulpingen (relatief convexe subductiezones).
Met betrekking tot het ontstaan van vulkaanbogen zijn er mij geen begrijpelijke kwalitatieve mechanistische procesbeschrijvingen bekend. Op grond van mijn kennis over subductie en de geometrische aard van een bolvormig lichaam heb ik een dergelijke kwalitatieve mechanistische procesbeschrijving hierboven zelf uitgewerkt!
