Onder de oceaan, massieve tektonische platen botsen en schuren tegen elkaar, die onder elkaar rijdt. Deze krachtige botsing, subductie genoemd, is verantwoordelijk voor het vormen van vulkanische bogen 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 wetenschappelijke vooruitgang verandert ons begrip van hoe vulkanische booglava's worden gevormd, en kan implicaties hebben voor de studie van aardbevingen en de risico's van vulkaanuitbarsting.

Onderzoekers onder leiding van de Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) hebben een voorheen onbekend proces ontdekt waarbij intens gemengde metamorfe gesteenten - bekend als melange-gesteenten - worden gesmolten door hoge spanning tijdens subductie aan de plaat-mantelgrens.

Tot nu, lang werd gedacht dat lavavorming begon met een combinatie van vloeistoffen van een ondergedompelde tektonische plaat, of plaat, en gesmolten sedimenten die dan in de mantel zouden sijpelen. Eenmaal in de mantel, ze zouden zich vermengen en meer smelten veroorzaken, en uiteindelijk uitbarsten aan de oppervlakte.

"Onze studie toont duidelijk aan dat het heersende vloeistof-/sedimentsmeltmodel niet correct kan zijn, " zegt Sune Nielsen, een WHOI-geoloog en hoofdauteur van het artikel. "Dit is belangrijk omdat bijna alle interpretaties van geochemische en geofysische gegevens over subductiezones van de afgelopen twee decennia op dat model zijn gebaseerd."

In plaats daarvan, wat Nielsen en zijn collega ontdekten was dat mélange eigenlijk al aanwezig is aan de bovenkant van de mat voordat vermenging met de mantel plaatsvindt.

"Deze studie toont voor het eerst aan dat het smelten van melanges de belangrijkste oorzaak is van hoe de plaat en de mantel op elkaar inwerken, ' zegt Nielsen.

Dit is een belangrijk onderscheid omdat wetenschappers metingen van isotoop en sporenelementen gebruiken om de samenstelling van booglava's te bepalen en dit kritieke gebied van subductiezones beter te begrijpen. Wanneer en waar het mengen, smeltend, en herverdeling van sporenelementen optreedt, genereert enorm verschillende isotopensignatuurverhoudingen.

De studie bouwt voort op een eerder artikel van Nielsens collega en co-auteur Horst Marschall van de Goethe-universiteit in Frankfurt, Duitsland. Gebaseerd op veldwaarnemingen van melange ontsluitingen, Marschall merkte op dat klodders gemêleerd materiaal met een lage dichtheid, diapiren genoemd, zou langzaam van het oppervlak van de subducterende plaat kunnen opstijgen en de goed gemengde materialen in de mantel onder boogvulkanen kunnen dragen.

"Het melange-diapir-model is geïnspireerd op computermodellen en op gedetailleerd veldwerk in verschillende delen van de wereld waar rotsen die afkomstig zijn van de diepe plaat-mantel-interface 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 melange-gesteenten geen rol speelden bij het genereren van magma's. Ze deden het model af als 'geo-fantasie'."

In hun nieuwe werk Nielsen en Marschall vergeleken mengverhoudingen van beide modellen met chemische en isotopengegevens van gepubliceerde studies van acht wereldwijd representatieve vulkanische bogen:Marianen, Tonga, Kleine Antillen, Aleoeten, Ryukyu, Schotland, Koerilen, en Sunda.

"Onze grootschalige analyse laat zien dat het melange-mengmodel bijna perfect past bij de literatuurgegevens in elke boog wereldwijd, terwijl de heersende menglijnen voor sedimentsmelt/vloeistof ver afwijken van de werkelijke gegevens, ' zegt Nielsen.

Het begrijpen van de processen die plaatsvinden in subductiezones is om vele redenen belangrijk. Vaak aangeduid als de motor van de planeet, subductiezones zijn de belangrijkste gebieden waar water en koolstofdioxide in de oude zeebodem worden teruggevoerd naar de diepe aarde, een cruciale rol spelen 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 in maanden tot honderden miljoenen jaren, maar kan catastrofale aardbevingen en dodelijke tsunami's veroorzaken die in seconden kunnen plaatsvinden.

"Een groot deel van de vulkanische en aardbevingsrisico's van de aarde zijn geassocieerd met subductiezones, en sommige van die zones bevinden zich in de buurt van waar honderden miljoenen mensen wonen, zoals in Indonesië, " zegt Nielsen. "De redenen begrijpen waarom en waar aardbevingen plaatsvinden, hangt af van weten of begrijpen wat voor soort materiaal daar werkelijk aanwezig is en welke processen plaatsvinden."

Het onderzoeksteam zegt dat de bevindingen van het onderzoek vragen om een ​​herevaluatie van eerder gepubliceerde gegevens en een herziening van concepten met betrekking tot subductiezoneprocessen. Omdat melange rotsen grotendeels zijn genegeerd, er is bijna niets bekend over hun fysieke eigenschappen of het bereik van temperaturen en drukken waarbij ze smelten. Toekomstige studies om deze parameters te kwantificeren zullen nog meer inzicht geven in de rol van mélange in subductiezones en de controle die het uitoefent op het genereren van aardbevingen en subductiezonevulkanisme.