Waarom niet overal vulkanisme?

Als onderduikende platen diep in de aardmantel smelten, dan moet er op die diepte toch overál gesmolten gesteente zijn en magma opstijgen? Waarom zijn er dan niet overal op aarde vulkanen? 

Lucy Groeneveld (Erasmus, Almelo) schrijft: ‘Bij de vraag waarom er vulkanen ontstaan bij subductie leg ik in 5 havo uit, dat de zwaardere oceanische korst onder de lichtere continentale korst duikt. Als de oceanische korst diep genoeg ondergedoken is, smelt deze en ontstaan er magmabellen die zich een weg omhoog door de aardkorst heen branden. En zo ontstaan vulkanen. Een leerling vroeg waarom er dan niet overal vulkanen ontstaan. Op een zekere diepte in de aardmantel is er immers overal gesmolten gesteente. Waarom krijg je dan niet overal opstijgend magma?’

Uitleg uit de boekjes

Dat is een uitstekende vraag van die leerling. Om die te beantwoorden kijken we eerst naar de uitleg hierboven. Die komt wel ‘uit de boekjes’ maar klopt op twee punten niet.

Misvatting 1. ‘Als de oceanische korst diep genoeg ondergedoken is, smelt deze.’ Dit staat tot op de dag van vandaag in de lesmethoden, ook die voor 5 havo – maar het klopt niet. Het smelten van de subducerende plaat is uiterst zeldzaam om een simpele reden: deze is veel kouder dan de omringende mantel. De duikende plaat komt immers van hogerop, en daar is het kouder dan in de aarde. De plaat warmt wel op naarmate die langer en dieper in de mantel komt, maar dat gaat heel erg langzaam (ook op geologische tijdschaal), omdat gesteente vrij slecht warmte doorgeeft. En zelfs als de plaat zou opwarmen tot het niveau van de omringende mantel, smelt die niet zo gauw. Ziedaar misverstand 2:

 ‘Op een zekere diepte in de aardmantel is er immers overal gesmolten gesteente.’ Ook dit staat met zo veel woorden in de methodeboeken, bijvoorbeeld dat ‘het gesteente in de aardmantel grotendeels taai-vloeibaar is’. Maar da’s onjuist. De mantel bestaat nagenoeg volledig uit vast gesteente. We weten dit bijvoorbeeld doordat de mantel niet alleen P-golven doorlaat, maar ook S-golven, die zich niet door een vloeistof kunnen bewegen. De mantel bestaat uit vast gesteente, met hooguit lokaal gesmolten gesteente (‘smelt’). Zo bestaat er bewijs dat er in de astenosfeer (figuur) op veel plaatsen kleine hoeveelheden smelt voorkomen. Hoe klein is klein? In de orde van 1%, wat dus betekent dat ook in de astenosfeer 99% van het gesteente vast is! Een andere aanwijzing dat er toch wat smelt moet zijn in de mantel, is dat er lokaal magma uit de mantel omhoog komt. Maar zoals de leerling terecht opmerkt, is dat een nogal plaatselijk fenomeen. Hotspots even daargelaten zijn er globaal maar twee situaties dat je vulkanisme aantreft: bij divergente plaatgrenzen en bij convergente – dat moeten dus de plekken zijn waar magma ontstaat uit het voor de rest vaste mantelgesteente.

Smeltpunt

Hoe dat kan, heeft Bernd Andeweg in 2021 uit de doeken gedaan in Geografie. Het eerste sleutelconcept is dat de aarde op elke diepte een bepaalde druk en een bepaalde temperatuur heeft, en dat het smeltpunt van gesteente verschillend is bij verschillende druk. Normaal geldt: hoe hoger de druk, des te hoger het smeltpunt. En ook normaal gesproken: de temperatuur van gesteente is bijna overal, bijna altijd, lager dan het smeltpunt – dan is het gesteente dus vast. Deze verdeling van druk en temperatuur heet de geotherm (figuur). Het tweede sleutelconcept is dat gesteente makkelijker smelt als het water bevat. Dat is misschien tegen-intuïtief, bijvoorbeeld omdat we water associëren met afkoeling en het blussen van vuur. Misschien helpt het als je bedenkt dat mengsels in het algemeen bij een lagere temperatuur vloeibaar zijn. Bij ijzel wordt bijvoorbeeld zout gestrooid op de weg. Daar wordt het ijs niet warmer van, maar het mengsel van water en zout is vloeibaar bij een temperatuur van een paar graden onder nul, waar zoet regenwater bevroren zou zijn.

Wat in een subductiezone gebeurt laat zich als volgt samenvatten. Op een mid-oceanische rug ontstaat om te beginnen nieuwe basaltische korst, onder water. Daarbij circuleert heet oceaanwater door de afkoelende korst (denk aan onderzeese schoorstenen, black smokers) en een deel van het water wordt vastgelegd in het gesteente, gebonden aan kristallen (een vorm van metamorfose, serpentinisatie). Miljoenen jaren later duikt deze korst omlaag de mantel in, met nog steeds dat kristallijne water erin. De toenemende druk brengt een nieuwe metamorfose op gang, waarbij eerst blauwschist ontstaat (met vezelige mineralen, waarin plaats is voor water) en uiteindelijk eclogiet. Eclogiet is een roodgroen gesteente van vooral de mineralen pyroxeen en granaat, waarin geen plaats is voor kristallijn water. Eclogiet ontstaat op een diepte van tientallen kilometers en daarbij komt dus water vrij uit de subducerende oceaankorst. Dat water verplaatst zich omhoog en komt zo in het deel van de mantel boven de subducerende plaat. Dat mantelgesteente is veel heter dan de subducerende oceaankorst, en door het water kan het smeltpunt (de solidus) zakken naar een lagere temperatuur. ‘Ineens’ is de temperatuur van het mantelgesteente (die niet veranderd is) hoger dan de temperatuur waarbij het gesteente smelt (die is lager geworden), en begint het gesteente te smelten.

Dát is hoe magma in de regel ontstaat in een subductiezone. Dit is natuurlijk een erg beknopte uitleg. En er zijn wel uitzonderingen denkbaar, zoek maar eens op ‘adakiet’. Het zal in elk geval duidelijk zijn dat er heel wat moet gebeuren om wat vloeibaar magma uit het vaste mantelgesteente te persen.

BRONNEN

• Andeweg, B. (2021). Nee, de mantel is niet vloeibaar. Geografie, september.
• Andeweg, B., & Booden, M. (2021). Geldingadalir en Soufrière, geografie.nl, 26 april.
• Hua, J., Fischer, K.M., Becker, T.W. et al. (2023). Asthenospheric low-velocity zone consistent with globally prevalent partial melting. Nature Geoscience 2023/16, 175-181