839-tm846-ZS-DMap-NIK-versch-uitsn-1500-x-220--definitief.jpg

College van de maand: Het ontstaan van een subductie zone

In een eerder college van de maand heb ik verteld over subductie zones . (Volg de link voor het eerdere artikel) Van het huidige aardoppervlakte weten we waar subductie zones momenteel actief zijn en hoe lang ze al bezig zijn, afb 1.
Afb 1. Wereldkaart met actieve subductie zones. Subductie zones zijn verdeeld in segmenten van ~200 km. Kleur correspondeert met zwaarste aardbevingen gemeten tussen 1900 en juni 2012. Bron: Schellart & Rawlinson (2013).


Ook weten we een aantal plekken waar vroeger subductie zones gezeten hebben en waarom er vaak op die plekken nu een gebergte ligt in plaats van oceaanbodem.
De locatie van een subductie zone is logisch te verklaren, maar hoe heeft een subductie zone kunnen ontstaan?
Helaas bestaat er geen plek die “het schoolvoorbeeld” van het ontstaan van een subductie zone laat zien, dus moeten we het zelf maken. De wetenschap maakt voor bewegende processen graag gebruik van modellen. Natuurlijke processen zijn zeer moeilijk na te bootsen in modellen en er moeten dus keuzes gemaakt worden om een model te simplificeren. Hierdoor worden vaak aspecten apart bekeken terwijl andere aspecten worden genegeerd. Ik bespreek kort een tweetal computermodellen.

Subductie is wanneer een oceanische korst en lithosfeer duikt onder een lichtere en drijvende korst en lithosfeer, die oceanisch of continentaal kan zijn. In de modellen gaat men uit van twee variaties van subductie initiatie.

  1. Er kan spontane subductie optreden. Hierbij zorgt het afkoelen van de oceanische lithosfeer voor een negatief drijfvermogen, de lithosfeer wordt zwaarder en zal uiteindelijk gaan zinken. Als dit negatieve drijfvermogen groot genoeg is, kan het de aardplaat breken en kan het eerste deel de mantel inzinken. Subductie is begonnen.
  2. De andere variant is geforceerde subductie. Hierbij gaat men ervan uit dat alleen het (groter wordende) negatieve drijfvermogen van de oceanische lithosfeer niet sterk genoeg is om de aardplaat te breken. Horizontaal compressie krachten zijn nodig om de aardplaat te breken opdat deze gaat beginnen met subduceren. De aardplaat wordt de mantel ingeduwd door externe krachten.
Afb 2. De ontwikkeling van het ontstaan van een spontane subductie zone. Het donkerblauwe rechts stelt de oceanische lithosfeer voor, het lichtblauw links representeert de continentale lithosfeer. Bron: Nikolaeva et al (2010).
Afb 3. Breuken parallel aan een oude spreiding rug worden gereactiveerd door laterale krachten. Dit resulteert in het ontstaan van een subductie zone parallel aan de spreiding rug. Bron: Maffione et al (2015).

Een computermodel over spontane subductie is van Nikolaeva, K., T. V. Gerya, and F. O. Marques genaamd Subduction initiation at passive margins: Numerical modeling, uit 2010, zie afb 2. In dit wetenschappelijk artikel onderzoeken de auteurs of een subductie zone kan ontstaan bij een passieve marge (zie tekst in kader), waar oceanische korst overgaat in continentale korst zonder plaatgrens. De voornaamste redenen zijn de verschillen in chemie tussen continentale lithosfeer en oceanische lithosfeer. De continentale lithosfeer is sterker en lichter terwijl de oceanische juist zwaarder en zwakker is. Omdat twee verschillende lithosferen zo dicht naast elkaar liggen, beïnvloeden ze elkaar en kan hun evenwicht uiteindelijk verstoord worden. De oceanische lithosfeer zinkt weg onder de continentale lithosfeer. Subductie is begonnen.


Een passieve marge is een locatie waar oceanische korst en continentale korst naast elkaar liggen zonder dat er een plaatgrens tussen ligt. Denk hierbij aan zowel de Oost kant als West kant van de Atlantische oceaan. Het ontstaat tijdens het rift proces van een ontzettend grote landmassa en is een onderdeel van de Wilson cycli.


Een computermodel over geforceerde subductie is van Maffione, M., C. Thieulot, D. J. J. van Hinsbergen, A. Morris, O. Plumper, and W. Spakman genaamd Dynamics of intraoceanic subduction initiation: 1. Oceanic detachment fault inversion and the formation of supra-subduction zone ophiolites uit 2015, zie afb 3. Zij willen aantonen dat een subductie zone kan ontstaan nabij (oude) spreidingsruggen. Het idee ontstond naar aanleiding van al eerder in het veld gevonden data van subductie zones parallel aan spreidingsruggen. Breuken parallel aan de spreiding rug ontstaan tijdens het vormen van oceaanbodem. Wanneer krachtvelden veranderen en er lateraal geduwd word van een kant, kunnen deze breuken weer actief worden. Het net wat oudere stuk oceaanbodem wordt door de breuk onder het iets wat jongere stuk oceaan bodem geduwd. Dit kan volgens het model resulteren in een subductie zone parallel aan de spreiding rug.

Omdat er op veel verschillende plekken allerlei verschillende soorten subductie zones ontstaan, zal er dus nooit een theorie zijn die alle processen volledig beschrijft. Dit is niet erg, want juist door naar verschillende situaties te kijken, leren we meer. Welke aspecten zijn op welke situatie meer van toepassing, chemische verschillen of toch juist laterale krachten? Waarom deze voorkeur? En wanneer er meer kennis is, kan deze weer toegepast worden en oude kennis herzien worden.

Afb 4. A) en B) geven de tektonische evolutie weer van het gebied sinds het Mioceen. C) geeft een scenario weer waarbij de Gibraltar subductie zone het Atlantische domein in migreert. D) Schets het scenario waarbij de Gibraltar subductie zone op zijn plek blijft of stopt terwijl de marge voor de kust van Iberia zich ontwikkelt tot een nieuwe subductie zone. E) combineert de eerdere twee scenario’s.
Bron: Duarte et al (2013).

Met nieuwe kennis kunnen we kijken naar een subductiezone die nu aan het ontstaan is.
Onder Gibraltar ligt zo’n nieuwe subductiezone. In het Mioceen is deze actief geweest en vandaag de dag mogelijk nog steeds. Deze subductie zone kan volgens onderzoekers doorgroeien tot een subductiezone in de Atlantische oceaan, zie afb 4. Voor de kust van Iberia ligt een passieve marge in de oceaan. Breuken in de marge worden gelinkt aan de subductie zone onder Gibraltar. Als de subductie zone van Gibraltar niet zelf uitbreid, dan zal deze marge zich mogelijkerwijs ontwikkelen tot subductiezone.

Bronvermelding:
  • Schellart, W. P., & Rawlinson, N. (2013). Global correlations between maximum magnitudes of subduction zone interface thrust earthquakes and physical parameters of subduction zones. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 225, 41-67.
  • Nikolaeva, K., T. V. Gerya, and F. O. Marques (2010), Subduction initiation at passive margins: Numerical modeling, J. Geophys. Res., 115, B03406, doi:10.1029/2009JB006549.
  • Maffione, M., C. Thieulot, D. J. J. van Hinsbergen, A. Morris, O. Plumper, and W. Spakman (2015), € Dynamics of intraoceanic subduction initiation: 1. Oceanic detachment fault inversion and the formation of supra-subduction zone ophiolites, Geochem. Geophys. Geosyst., 16, 1753– 1770, doi:10.1002/2015GC005746.
  • Duarte, J. C., Rosas, F. M., Terrinha, P., Schellart, W. P., Boutelier, D., Gutscher, M. A., & Ribeiro, A. (2013). Are subduction zones invading the Atlantic? Evidence from the southwest Iberia margin. Geology, 41(8), 839-842.