Un arco volcánico (también conocido como arco magmático [1] : 6.2 ) es un cinturón de volcanes formado sobre una placa tectónica oceánica en subducción , [2] con el cinturón dispuesto en forma de arco visto desde arriba. Los arcos volcánicos suelen ser paralelos a una fosa oceánica , con el arco ubicado más lejos de la placa en subducción que de la fosa. La placa oceánica está saturada de agua, principalmente en forma de minerales hidratados como micas , anfíboles y serpentinas . A medida que la placa oceánica se subduce, está sujeta a un aumento de presión y temperatura a medida que aumenta la profundidad. El calor y la presión descomponen los minerales hidratados de la placa, liberando agua en el manto suprayacente. Los volátiles como el agua reducen drásticamente el punto de fusión del manto , lo que hace que parte del manto se derrita y forme magma en las profundidades debajo de la placa superior. El magma asciende hasta formar un arco de volcanes paralelo a la zona de subducción.
Los arcos volcánicos se diferencian de las cadenas volcánicas formadas sobre puntos calientes en medio de una placa tectónica. Los volcanes a menudo se forman uno tras otro a medida que la placa se mueve sobre el punto caliente, por lo que los volcanes progresan en edad de un extremo de la cadena al otro. Las islas hawaianas forman una típica cadena de puntos críticos, con las islas más antiguas al noroeste y la propia isla de Hawái, que tiene sólo 400.000 años, en el extremo sureste de la cadena sobre el punto crítico. Los arcos volcánicos generalmente no muestran un patrón de edad tan simple.
Hay dos tipos de arcos volcánicos:
En algunas situaciones, una sola zona de subducción puede mostrar ambos aspectos a lo largo de su longitud, ya que parte de una placa se subduce debajo de un continente y parte debajo de la corteza oceánica adyacente. Las islas Aleutianas y la península de Alaska son un ejemplo de dicha zona de subducción.
El frente activo de un arco volcánico es el cinturón donde se desarrolla el vulcanismo en un momento determinado. Los frentes activos pueden moverse con el tiempo (millones de años), cambiando su distancia de la fosa oceánica así como su ancho.
Un arco volcánico es parte de un complejo arco-zanja , que es la parte de una zona de subducción que es visible en la superficie terrestre. Una zona de subducción es donde una placa tectónica compuesta de litosfera oceánica densa y relativamente delgada se hunde en el manto de la Tierra debajo de una placa superior menos densa. La placa predominante puede ser otra placa oceánica o una placa continental. La placa subductora, o losa , se hunde en el manto en ángulo, de modo que hay una cuña de manto entre la losa y la placa superior. [ 15
El límite entre la placa subductora y la placa suprayacente coincide con una profunda y estrecha fosa oceánica . Esta zanja se crea por la atracción gravitacional de la placa subductora relativamente densa que tira del borde anterior de la placa hacia abajo. [3] : 44–45 Se producen múltiples terremotos dentro de la losa en subducción con los hipocentros sísmicos ubicados a una profundidad cada vez mayor debajo del arco de la isla: estos terremotos definen las zonas Wadati-Benioff . [3] : 33 El arco volcánico se forma en la placa suprayacente sobre el punto donde la placa subductora alcanza una profundidad de aproximadamente 120 kilómetros (75 millas) [4] y es una zona de actividad volcánica entre 50 y 200 kilómetros (31 y 124 mi) de ancho. [5]
La forma de un arco volcánico suele ser convexa hacia la placa en subducción. Esto es una consecuencia de la geometría esférica de la Tierra. La placa subductora se comporta como una capa esférica delgada y flexible, y dicha capa se puede doblar hacia abajo en un ángulo de θ, sin rasgarse ni arrugarse, solo en un círculo cuyo radio sea θ/2. Esto significa que los arcos en los que la losa subductora desciende en un ángulo menor tendrán una curvatura más estrecha. Los arcos prominentes cuyas losas se subducen a unos 45 grados, como las islas Kuriles , las islas Aleutianas y el arco de la Sonda , tienen un radio de unos 20 a 22 grados. [6]
Los arcos volcánicos se dividen en aquellos en los que la placa suprayacente es continental (arcos de tipo andino) y aquellos en los que la placa suprayacente es oceánica (arcos intraoceánicos o primitivos). La corteza debajo del arco tiene hasta el doble de espesor que la corteza continental u oceánica promedio: la corteza bajo los arcos de tipo andino tiene hasta 80 kilómetros (50 millas) de espesor, mientras que la corteza bajo los arcos intraoceánicos tiene de 20 a 35 kilómetros (12 a 22 mi) de espesor. Tanto el acortamiento de la corteza como la capa inferior magmática contribuyen al engrosamiento de la corteza. [ dieciséis
Los arcos volcánicos se caracterizan por una erupción explosiva de magma calco-alcalino , aunque los arcos jóvenes a veces hacen erupción de magma toleítico [7] y algunos arcos hacen erupción de magma alcalino . [8] El magma calco-alcalino se puede distinguir del magma toleítico, típico de las dorsales oceánicas , por su mayor contenido de aluminio y menor contenido de hierro [9] : 143-146 y por su alto contenido de elementos litófilos de iones grandes , como potasio , rubidio , cesio , estroncio o bario , en relación con elementos de alta intensidad de campo, como circonio , niobio , hafnio , elementos de tierras raras (REE), torio , uranio o tantalio . [10] La andesita es particularmente característica de los arcos volcánicos, aunque a veces también ocurre en regiones de extensión de la corteza terrestre. [11]
En el registro de rocas, los arcos volcánicos se pueden reconocer por sus gruesas secuencias de roca volcánica (formada por vulcanismo explosivo) intercaladas con grauvacas y lutitas y por su composición calco-alcalina. En rocas más antiguas que han experimentado metamorfismo y alteración de su composición ( metasomatismo ), las rocas calco-alcalinas se pueden distinguir por su contenido en oligoelementos poco afectados por la alteración, como el cromo o el titanio , cuyo contenido es bajo en el arco volcánico. rocas. [7] Debido a que la roca volcánica se erosiona y erosiona fácilmente , los arcos volcánicos más antiguos se consideran rocas plutónicas , las rocas que se formaron debajo del arco (por ejemplo, el batolito de Sierra Nevada ), [12] o en el registro sedimentario como areniscas líticas . [13] Los cinturones metamórficos emparejados , en los que un cinturón de metamorfismo de alta temperatura y baja presión se encuentra paralelo a un cinturón de metamorfismo de baja temperatura y alta presión, conservan un antiguo complejo de arco-zanja en el que las zonas de alta temperatura, El cinturón de baja presión corresponde al arco volcánico. [7]
En una zona de subducción , la pérdida de agua de la losa subducida induce la fusión parcial del manto superior y genera magma calco-alcalino de baja densidad que se eleva flotantemente para intruir y extruir a través de la litosfera de la placa superior. La mayor parte del agua transportada hacia abajo por la losa está contenida en minerales hidratados (que contienen agua), como minerales de mica , anfíbol o serpentinita . La placa subducida pierde agua cuando la temperatura y la presión son suficientes para descomponer estos minerales y liberar su contenido de agua. El agua sube hacia la cuña de manto que recubre la losa y reduce el punto de fusión de la roca del manto hasta el punto donde se genera magma. [1] : 5.3
Si bien existe un amplio acuerdo sobre el mecanismo general, la investigación continúa sobre la explicación del vulcanismo concentrado a lo largo de un arco estrecho a cierta distancia de la fosa. [1] : 4.2 [14] La distancia desde la fosa al arco volcánico es mayor para las losas que se subducen en un ángulo menor, y esto sugiere que la generación de magma tiene lugar cuando la losa alcanzó una profundidad crítica para la descomposición de un mineral abundantemente hidratado. . Esto produciría una "cortina acuosa" ascendente que explica el vulcanismo concentrado a lo largo del arco volcánico. Sin embargo, algunos modelos sugieren que el agua se libera continuamente de la losa desde profundidades poco profundas hasta 70 a 300 kilómetros (43 a 186 millas), y gran parte del agua liberada a poca profundidad produce serpentinización de la cuña del manto suprayacente. [1] : 4.2.42 Según un modelo, sólo alrededor del 18 al 37 por ciento del contenido de agua se libera a una profundidad suficiente para producir magmatismo de arco. El arco volcánico se interpreta entonces como la profundidad a la que el grado de fusión se vuelve lo suficientemente grande como para permitir que el magma se separe de su roca fuente. [5]
Ahora se sabe que la losa en subducción puede estar ubicada entre 60 y 173 kilómetros (37 a 107 millas) por debajo del arco volcánico, en lugar de una única profundidad característica de alrededor de 120 kilómetros (75 millas), lo que requiere modelos de arco más elaborados. magmatismo. Por ejemplo, el agua liberada de la losa a profundidades moderadas podría reaccionar con minerales anfíboles en la parte inferior de la cuña del manto para producir clorita rica en agua . Esta roca del manto rica en clorito es luego arrastrada hacia abajo por la losa en subducción y eventualmente se descompone para convertirse en la fuente del magmatismo de arco. [4] La ubicación del arco depende del ángulo y la tasa de subducción, que determinan dónde se descomponen los minerales hidratados y dónde el agua liberada reduce el punto de fusión de la cuña del manto suprayacente lo suficiente como para fundirse. [15]
La ubicación del arco volcánico puede estar determinada por la presencia de una esquina fría y poco profunda en la punta de la cuña del manto, donde la roca del manto se enfría tanto por la placa suprayacente como por la losa. La esquina fría y poco profunda no sólo suprime el derretimiento, sino que su alta rigidez dificulta el ascenso de cualquier magma que se forme. El vulcanismo de arco tiene lugar cuando la losa desciende desde debajo de la esquina fría y poco profunda, lo que permite que se genere magma y se eleve a través de una roca del manto más cálida y menos rígida. [14]
El magma puede generarse en un área amplia pero concentrarse en un arco volcánico estrecho mediante una barrera de permeabilidad en la base de la placa superior. Las simulaciones numéricas sugieren que la cristalización del magma ascendente crea esta barrera, haciendo que el magma restante se acumule en una banda estrecha en el vértice de la barrera. Esta estrecha banda corresponde al arco volcánico suprayacente. [dieciséis]
Dos ejemplos clásicos de arcos insulares oceánicos son las Islas Marianas en el Océano Pacífico occidental y las Antillas Menores en el Océano Atlántico occidental. El Arco Volcánico en Cascada en el oeste de América del Norte y los Andes a lo largo del borde occidental de América del Sur son ejemplos de arcos volcánicos continentales. Los mejores ejemplos de arcos volcánicos con ambos conjuntos de características se encuentran en el Pacífico Norte, con el Arco de las Aleutianas formado por las Islas Aleutianas y su extensión, la Cordillera de las Aleutianas en la Península de Alaska , y el Arco de Kuril-Kamchatka que comprende las Islas Kuriles y el sur de Kamchatka. Península .