In een nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , een internationaal team van wetenschappers levert het eerste overtuigende bewijs dat de diepe watercyclus van de aarde en zijn uitdrukkingen rechtstreeks in verband brengt met magmatische productiviteit en aardbevingsactiviteit.

Water (H ₂ O) en andere vluchtige stoffen (bijv. CO ₂ en zwavel) die door de diepe aarde worden gefietst, hebben een sleutelrol gespeeld in de evolutie van onze planeet, onder meer bij de vorming van continenten, het begin van het leven, de concentratie van minerale hulpbronnen, en de verspreiding van vulkanen en aardbevingen.

Subductiezones, waar tektonische platen samenkomen en de ene plaat onder de andere wegzakt, zijn de belangrijkste onderdelen van de cyclus - met grote hoeveelheden water die in en uit gaan, voornamelijk door vulkaanuitbarstingen. Nog, hoe (en hoeveel) water wordt getransporteerd via subductie, en het effect ervan op natuurlijke gevaren en de vorming van natuurlijke hulpbronnen, historisch slecht begrepen.

Hoofdauteur van de studie, Dr. George Cooper, Honorary Research Fellow aan de School of Earth Sciences van de Universiteit van Bristol, zei:"Terwijl platen reizen van waar ze voor het eerst zijn gemaakt op mid-oceanische ruggen naar subductiezones, zeewater komt via scheuren in de rotsen, fouten en door binding aan mineralen. Bij het bereiken van een subductiezone, de zinkende plaat warmt op en wordt samengedrukt, resulterend in de geleidelijke afgifte van een deel van of al het water. Als water vrijkomt, verlaagt het het smeltpunt van de omringende rotsen en genereert het magma. Dit magma drijft en beweegt naar boven, uiteindelijk leidend tot uitbarstingen in de bovenliggende vulkanische boog. Deze uitbarstingen zijn potentieel explosief vanwege de vluchtige stoffen in de smelt. Hetzelfde proces kan aardbevingen veroorzaken en kan belangrijke eigenschappen beïnvloeden, zoals hun omvang en of ze tsunami's veroorzaken of niet."

Waar en hoe vluchtige stoffen precies worden vrijgegeven en hoe ze het gastgesteente wijzigen, blijft een gebied van intensief onderzoek.

De meeste studies hebben zich gericht op subductie langs de Pacifische Ring van Vuur. Echter, dit onderzoek richtte zich op de Atlantische plaat, en meer specifiek, de vulkanische boog van de Kleine Antillen, gelegen aan de oostelijke rand van de Caribische Zee.

"Dit is een van de slechts twee zones die momenteel platen subducteren die zijn gevormd door langzame verspreiding. We verwachten dat dit meer doordringend en heterogeen zal zijn dan de snel verspreidende Pacifische plaat, en om uitdrukkingen van waterafgifte meer uitgesproken te maken, " zei prof. Saskia Goes, Imperial College Londen.

Het project Volatile Recycling in the Lesser Antilles (VoiLA) brengt een groot multidisciplinair team van onderzoekers samen, waaronder geofysici, geochemici en geodynamica van Durham University, Imperial College Londen, Universiteit van Southampton, Universiteit van Bristol, Universiteit van Liverpool, Karlsruhe Instituut voor Technologie, de Universiteit van Leeds, Het natuurhistorisch museum, Het Institute de Physique du Globe in Parijs, en de Universiteit van West-Indië.

"We hebben gegevens verzameld over twee wetenschappelijke zeecruises op de RRS James Cook, tijdelijke inzet van seismische stations die aardbevingen onder de eilanden registreerden, geologisch veldwerk, chemische en minerale analyses van gesteentemonsters, en numerieke modellering, " zei dr. Cooper.

Om de invloed van water langs de lengte van de subductiezone te traceren, de wetenschappers bestudeerden boorsamenstellingen en isotopen van smeltinsluitingen (kleine zakjes opgesloten magma in vulkanische kristallen). Boriumvingerafdrukken onthulden dat het waterrijke mineraal serpentijn, in de zinkende plaat, is een dominante leverancier van water aan de centrale regio van de Kleine Antillen boog.

"Door deze metingen op microschaal te bestuderen, is het mogelijk om grootschalige processen beter te begrijpen. Onze gecombineerde geochemische en geofysische gegevens geven de duidelijkste indicatie tot nu toe dat de structuur en hoeveelheid water van de zinkende plaat rechtstreeks verband houdt met de vulkanische evolutie van de boog en de bijbehorende gevaren, " zei prof. Colin Macpherson, Universiteit van Durham

"De natste delen van de neergaande plaat zijn waar grote scheuren (of breukzones) zijn. Door een numeriek model te maken van de geschiedenis van de subductie van de breukzone onder de eilanden, we vonden een directe link naar de locaties van de hoogste frequenties van kleine aardbevingen en lage afschuifgolfsnelheden (die wijzen op vloeistoffen) in de ondergrond, " zei prof. Saskia Goes.

De geschiedenis van subductie van waterrijke breukzones kan ook verklaren waarom de centrale eilanden van de boog de grootste zijn en waarom, over de geologische geschiedenis, ze hebben het meeste magma geproduceerd.

"Onze studie levert overtuigend bewijs dat de water-in en water-uit delen van de cyclus en zijn uitdrukkingen in termen van magmatische productiviteit en aardbevingsactiviteit direct met elkaar verbindt. Dit kan studies in andere subductiezones aanmoedigen om dergelijke watervoerende breukstructuren te vinden op de subductieplaat om patronen in vulkanische en aardbevingsgevaren te helpen begrijpen, " zei dr. Cooper.

"In dit onderzoek ontdekten we dat variaties in water correleren met de verdeling van kleinere aardbevingen, maar we zouden heel graag willen weten hoe dit patroon van waterafgifte het potentieel kan beïnvloeden - en fungeren als een waarschuwingssysteem - voor grotere aardbevingen en mogelijke tsunami, " zei prof. Colin Macpherson.