Vlakke subductie

Je zou denken dat vlakke subductie, waarbij oceanische korst vlak onder het continent doorschuurt, zoals in Zuid-Amerika, te maken heeft met dichtheid en dus ouderdom van de oceanische lithosfeer. Maar Nederlandse geologen vermoeden dat vlakke subductie samenhangt met de vorm en ouderdom van de subductiezone zelf. 

Van Jurgen Bogers (Luzac Lyceum Den Bosch) komt de vraag: ‘Als je kijkt naar de ouderdom van de oceanische korst die subduceert bij Zuid-Amerika en je vergelijkt dat met waar er vlakke subductie optreedt, zie je niet echt een verband. Hoe zit dat?’ 

Heel algemeen geldt: als de lithosfeer – de aardkorst plus het lithosferische deel van de mantel dat eraan vastzit – een grotere dichtheid heeft dan de onderliggende asthenosfeer, is het mogelijk dat de lithosfeer in de mantel zinkt. Dat noemen we subductie. Pas-gevormde oceaankorst, die simpel gezegd bestaat uit basalt, heeft een lagere dichtheid dan de onderliggende mantel van peridotiet (zie Geografie 2024-3). Naarmate er door afkoeling meer lithosferische mantel aangroeit onder de korst, gaat de lithosfeer geleidelijk voor een groter deel uit peridotiet bestaan. Mettertijd kan de dichtheid van de lithosfeer als geheel op die manier groter worden dan die van de onderliggende asthenosferische mantel. En dan is subductie mogelijk. 

Omdat afkoelen tijd kost, zou je verwachten dat oude oceaankorst in de regel makkelijker subduceert en jonge minder makkelijk. Als de oceaankorst erg jong is, verwacht je misschien wel vlakke subductie. Want die jonge korst kan wel onder een continent duiken, maar zal er dan misschien eerst onderlangs schuren (en een eind verderop pas definitief naar beneden duiken).

Ouderdom lithosfeer

Zo simpel is het verband niet als je naar de ouderdommen kijkt. De EduGIS-kaart platentektoniek (figuur 1) laat mooi zien dat langs de westrand van Zuid-Amerika de oudste oceaankorst subduceert in de knik van de plaatgrens op de grens van Peru en Chili. Daar is ook volop vulkanisme en dat vertelt je dat er normale subductie plaatsvindt: de plaat gaat schuin omlaag, waardoor er water uit kan vrijkomen en smelt kan optreden in het deel van de mantel tussen de subducerende Nazca-plaat en het Zuid-Amerikaanse continent (de mantelwig) (zie Geografie 2023-5). 

Kijk je meer naar het noorden en het zuiden, dan zie je zones zonder actief vulkanisme, eentje ten noorden van Santiago en eentje rondom Lima. Dit zijn de plekken met vlakke subductie. De oceanische lithosfeer blijft hier enkele honderden kilometers lang onder het continent doorschuren voordat deze naar beneden de mantel in duikt. Er is hier dus ook geen vulkanisme. De oceaankorst is op deze beide plekken rond de 30 miljoen jaar oud. Niet piepjong, maar nog verder naar het noorden en zuiden subduceert nog jongere korst. In het zuiden van Chili subduceert zelfs een actieve spreidingsrug, waar de lithosfeer dus 0 jaar oud is (afgerond). Blijkbaar is er niet echt een verband met de ouderdom. Ook is uit onderzoek bekend dat vlakke subductie in het verleden op meer plaatsen is opgetreden, zoals onder de Boliviaanse Altiplano. Wat is er dan wel aan de hand?

Aseismische ruggen

Voor het ontstaan van de twee vlakke-subductiesegmenten is een aantal verklaringen voorgesteld. Ze zijn bijvoorbeeld in verband gebracht met de subductie van ‘aseismische ruggen’. Dit zijn langgerekte dikkere delen van de oceaankorst zonder aardbevingen (aseismisch dus) die kunnen ontstaan als spoor van een hotspot of als ‘dode’ midoceanische rug. Toevallig subduceren zulke ruggen inderdaad (ongeveer) bij de vlakke segmenten (je kunt ze zien op de satellietweergave van Google Maps, vooral die bij Lima). Het idee is dat een dik stuk basaltische oceaankorst wel moet betekenen dat dit stuk oceanische lithosfeer een wat lagere dichtheid heeft (want de dichtheid van basalt is ongeveer 10% lager dan die van peridotiet) en dus minder geneigd is te subduceren. 

Het klinkt logisch, maar als je in figuur 1 naar het noordelijke eind van de subductiezone kijkt, bij Colombia en Panama, subduceert daar de Cocosrug blijkbaar probleemloos, of althans niet vlak. En de actieve Chilirug in het zuiden, met ouderdom 0, subduceert ook niet vlak. Dit is dus een verklaring zonder veel voorspellende waarde. 

De vraag wat er dan wel precies aan de hand is, is nog niet beantwoord en dat zal ook niet in dit stukje gebeuren. Maar er zijn wel wat recente inzichten. 

Vorm en ouderdom subductiezone

Wouter Schellart (VU) wees er in 2020 op dat vlakke subductie weliswaar niet samenhangt met de ouderdom van de lithosfeer maar wel met die van de subductiezone zelf. Het fenomeen komt namelijk alleen voor bij subductiezones die al heel lang actief zijn én die erg breed zijn (dus een lange plaatgrens). Zuid-Amerika voldoet aan beide eisen, de subductiezone hier is al bijna 200 miljoen jaar actief en is ruim 7000 km lang. Het idee is ongeveer als volgt: wanneer een plaat subduceert, is er eigenlijk altijd de neiging tot roll-back: het scharnierpunt van de subductie beweegt naar achteren, dat wil zeggen tegengesteld aan richting waarin de subducerende plaat zelf beweegt. Roll-back kan echter alleen als het mantelgesteente onder de subducerende plaat naar boven die plaat kan bewegen. Dat gaat het makkelijkst bij een smalle subductiezone of aan de randen van een brede subductiezone. Is die erg breed en al erg lang actief, dan kan het midden nogal achterblijven bij de rest en zelfs zo veel moeite hebben om mantelgesteente te verplaatsen dat het niet meer lukt. Dan treedt vlakke subductie op (figuur 2). 

Een verklaring in ongeveer dezelfde lijn komt van Schepers en collega’s van (vooral) de Universiteit Utrecht in 2017. Ze ontwikkelden een model waarin de oceanische trog zich naar achteren (in westelijke richting) beweegt (door roll-back) en het continent Zuid-Amerika zich in dezelfde westelijke richting beweegt onder invloed van ridge push vanaf de mid-Atlantische rug. Al die tijd beweegt de Nazcaplaat naar het oosten onder invloed van slab pull (en een beetje ridge push vanaf de Nazca-rug). En dan hangt het er helemaal vanaf hoe dingen lokaal verlopen. Als ergens het continent iets sneller westwaarts gaat dan de trog, wordt de subductiezone in feite overrompeld en krijg je daar vlakke subductie. Na verloop van tijd zal zo’n vlak segment (dat zelf constant westwaarts schuift) mogelijk losscheuren van de delen ten noorden en zuiden ervan die wel normaal subduceren. Daarmee kan het mantelgesteente dat eronder gevangen zat, ontsnappen en dat herstelt de normale situatie. Totdat de vlakke subductie ergens anders ook weer optreedt. Dit model biedt in elk geval een verklaring voor de cyclische aard van het proces. Het laatste woord is er vast nog niet over gezegd, maar het zijn wel alvast mooie voorbeelden van vierdimensionaal denken!

BRONNEN

• EduGIS. Platentektoniek.
• Schellart, W.P. (2020). Control of Subduction Zone Age and Size on Flat Slab Subduction.  Frontiers in Earth Science, 19 February 2020, Sec. Solid Earth Geophysics, 8. 
• Schepers, G., Van Hinsbergen, D.J.J., Spakman, W., Kosters, M.E., Boschman, L.M., & McQuarrie, N. (2017). South-American plate advance and forced Andean trench retreat as drivers for transient flat subduction episodes. Nature Communications 8, 15249. DOI: 10.1038/ncomms15249.