Explosief vulkanisme

Waarom ontstaan er ook stratovulkanen als de ene oceanische plaat onder een andere duikt? Daar is het magma toch niet zo stroperig als onder een continentale plaat?



Jacco van Golde (MBO Rijnland, Zoetermeer) schrijft: ‘Het magma dat ontstaat als gevolg van de subductie van oceanische lithosfeer wordt nog wat stroperiger als deze door continentale lithosfeer heen moet. Waarom ontstaan er dan ook stratovulkanen als oceanische lithosfeer onder andere oceanische lithosfeer subduceert?’

Het klopt helemaal dat stratovulkanen in beide situaties – oceanisch-oceanische en oceanisch-continentale subductie – kunnen voorkomen. Zo’n beetje de krachtigste explosieve eruptie die we gemeten hebben, die van Hunga Tonga-Hunga Ha’apai in de Stille Oceaan in januari 2022, was in een oceanischoceanische setting. Dat was strikt genomen wel uit een onderzeese caldera. Laten we het daarom hier hebben over ‘explosief vulkanisme’ en niet over de specifieke vorm van een vulkaan. Immers: als een stratovulkaan een keer te zwaar uitbarst, kan het zomaar een caldera worden, zonder dat er iets wezenlijk verandert aan het onderliggende magmatische systeem. Het gaat om de vraag: waarom en in welke settings zijn er stroperige magma’s, die explosief kunnen uitbarsten?

Soort lithosfeer

In eerste instantie kun je uit het voorgaande al concluderen dat het uitgangspunt van de vraag niet helemaal kan kloppen. Als er in beide settings (oceanische en continentale lithosfeer) explosief vulkanisme kan optreden, maakt het soort lithosfeer misschien niet zo veel uit. Het ligt dan meer voor de hand de oorzaak van de hoge viscositeit van de magma’s te zoeken in de voornaamste overeenkomst: de ontstaanswijze van het magma in een subductiezone. Heel in het kort: bij subductie komt door de druk water uit de oceaankorst vrij dat in het veel hetere mantelgesteente boven de subducerende plaat belandt. Door dit water komt het smeltpunt van het mantelgesteente lager te liggen en begint dit gesteente – terwijl de temperatuur ervan gelijk blijft – ‘ineens’ te smelten tot magma. Welke kenmerken van zo’n magma zijn van invloed op de mate van stroperigheid (viscositeit) en de kans op explosieve uitbarstingen? En doet het soort lithosfeer in een bepaalde setting er dan nog toe?

Viscositeit

Magma is een complex goedje met meestal de volgende bestanddelen: een silicaatvloeistof (‘smelt’) bestaande uit vloeibare oxiden van veel voorkomende metalen (vooral siliciumdioxide); vaste kristallen die in de smelt drijven, zoals pyroxeen en veldspaat; en opgeloste vluchtige stoffen, zoals water en kooldioxide, die als de druk laag genoeg wordt, bubbels kunnen gaan vormen.

Nu geldt ten eerste: hoe meer siliciumdioxide (SiO2), des te groter de viscositeit. SiO2 kan namelijk lange en vertakte ketens vormen die niet zomaar te verbreken zijn. Een basaltisch magma (rond de 50% SiO2) is daarom van zichzelf veel minder stroperig dan een granitisch magma (>70% SiO2).

Ten tweede geldt: hoe meer kristallen, des te groter de viscositeit. De kristallen zelf zijn vast en dus niet geneigd tot vloeien, en als het er erg veel zijn, gaan ze in elkaar grijpen en de beweging van de smelt hinderen. Bij een té grote hoeveelheid kristallen is er helemaal geen beweging meer in het magma te krijgen, ook al is het nog deels vloeibaar. De grens is empirisch bepaald op zo’n 55% (naar volume) kristallen. Bij een hoger percentage kristallen barst het magma helemaal niet meer uit.  Het zal dan mettertijd stollen tot een dieptegesteente, dat uit 100% kristallen bestaat.

Hieruit volgt een derde belangrijk kenmerk: hoe lager de temperatuur, des te groter de viscositeit. Op zich is dat logisch: als de temperatuur te laag is (beneden het smeltpunt), is het gesteente vast en de viscositeit ‘oneindig’. Houd daarbij wel in gedachten dat ‘smelten’ voor gesteente een geleidelijk proces is. Het begint te smelten bij een bepaalde temperatuur (de solidus) en is pas helemaal gesmolten bij een andere temperatuur (de liquidus). Binnen dat bereik varieert de viscositeit. Dichter bij de solidus is er minder gesteente gesmolten en zijn er dus meer kristallen, en bewegen de langgerekte SiO2-ketens minder, waardoor ze ook moeilijker breken. Oftewel, dichter bij de solidus en bij lagere temperatuur en bij meer SiO2 is de viscositeit groter.

Subductiezones

Terug naar de vraag waarom er bij subductiezones zo veel explosief vulkanisme optreedt in vergelijking met de andere settings voor vulkanisme (divergente plaatgrenzen en hotspots). Er zijn eigenlijk twee simpele voorwaarden waaronder explosief vulkanisme optreedt: magma mag niet te veel kristallen bevatten én de juiste hoeveelheid water, tussen de 3,5 en 5,5%. Dat laatste maakt het verschil. Denk weer aan de uitleg hierboven over vulkanisme bij subductiezones. Dit treedt op als water uit de subducerende plaat in het mantelgesteente erboven dringt en het smeltpunt van dat gesteente lokaal verlaagt, waardoor het vloeibaar wordt en magma ontstaat. Het magma dat in subductiezones uit de mantel omhoogkomt, is dus per definitie waterrijk. Dat maakt het uniek op aarde. Ter vergelijking: bij divergente plaatgrenzen ontstaat magma omdat heet mantelgesteente van grotere diepte omhoogkomt, en smelt door de lagere druk. Dat magma is dus heter en bevat veel minder water. Wat er vervolgens in de lithosfeer en specifiek de korst gebeurt met het magma dat in een subductiezone is ontstaan, is een tweede. De geschiedenissen van magma’s kunnen ontzettend complex zijn. Maar feit blijft dat er bij subductie doorgaans veel meer water in de magma’s zit dan in andere settings. En als magma met de juiste hoeveelheid water (liefst 4-5%) dicht bij de oppervlakte komt, gaat dat water bellen vormen en het magma uit elkaar duwen. Als het magma daarbij ook nog visceus is (door de silicaatketens bijvoorbeeld) kunnen de bellen er niet uit, bouwt er druk op en kan het magma ontploffen – een explosieve eruptie. De primaire reden waarom stratovulkanen (opgebouwd door explosieve erupties en taaie magma’s) bij subductiezones voorkomen, is dat de magma’s daar bij relatief lage temperatuur ontstaan en veel water bevatten. Dat maakt blijkbaar veel meer verschil dan of het magma door een 10 kilometer dikke oceanische korst of door 30-40 km continentale korst heen moet.

BRONNEN:

• Andeweg, B., & Booden, M. (2021). Geldingadalir en Soufrière, Geografie april 2021.

• Booden, M. (2021). Vulkaanuitbarsting: explosief of effusief? Geografie oktober 2021.

• Booden, M. (2023). Waarom niet overal vulkanisme? Geografie mei 2023.