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 como se ve desde arriba. Los arcos volcánicos generalmente son paralelos a una fosa oceánica , con el arco ubicado más lejos de la placa en subducción que 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, se somete a una presión y temperatura crecientes con el aumento de la profundidad. El calor y la presión descomponen los minerales hidratados en 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 profundidad debajo de la placa superior. El magma asciende para formar un arco de volcanes paralelo a la zona de subducción.
Los arcos volcánicos son distintos de las cadenas volcánicas formadas sobre puntos calientes en el medio de una placa tectónica. Los volcanes suelen formarse uno tras otro a medida que la placa se desplaza sobre el punto caliente, y así los volcanes progresan en edad de un extremo de la cadena al otro. Las islas hawaianas forman una cadena típica de puntos calientes, con las islas más antiguas al noroeste y la propia isla de Hawai, que tiene solo 400.000 años de antigüedad, en el extremo sureste de la cadena sobre el punto caliente. Los arcos volcánicos no suelen presentar un patrón de edad tan simple.
Hay dos tipos de arcos volcánicos:
En algunas situaciones, una misma zona de subducción puede mostrar ambos aspectos a lo largo de su longitud, ya que una parte de una placa se subduce debajo de un continente y otra debajo de la corteza oceánica adyacente. Las islas Aleutianas y la península de Alaska adyacente son un ejemplo de este tipo de zona de subducción.
El frente activo de un arco volcánico es la zona donde se desarrolla el vulcanismo en un momento determinado. Los frentes activos pueden desplazarse a lo largo del tiempo (millones de años), modificando su distancia respecto de la fosa oceánica , así como su anchura.
Un arco volcánico es parte de un complejo arco-fosa , que es la parte de una zona de subducción que es visible en la superficie de la Tierra. Una zona de subducción es donde una placa tectónica compuesta de litosfera oceánica relativamente delgada y densa se hunde en el manto de la Tierra debajo de una placa superior menos densa. La placa superior puede ser otra placa oceánica o una placa continental. La placa o placa en subducción se hunde en el manto en un ángulo, de modo que hay una cuña de manto entre la placa y la placa superior. [1] : 5
El límite entre la placa en subducción y la placa superior coincide con una fosa oceánica profunda y estrecha . Esta fosa se crea por la atracción gravitatoria de la placa en subducción relativamente densa que tira del borde delantero de la placa hacia abajo. [3] : 44–45 Se producen múltiples terremotos dentro de la placa en subducción con los hipocentros sísmicos ubicados a profundidad creciente debajo del arco de islas: estos terremotos definen las zonas de Wadati-Benioff . [3] : 33 El arco volcánico se forma en la placa superior sobre el punto donde la placa en subducción alcanza una profundidad de aproximadamente 120 kilómetros (75 mi) [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 es típicamente convexa hacia la placa en subducción. Esto es una consecuencia de la geometría esférica de la Tierra. La placa en subducción se comporta como una cáscara esférica delgada y flexible, y dicha cáscara puede doblarse hacia abajo en un ángulo de θ, sin desgarrarse ni arrugarse, solo en un círculo cuyo radio es θ/2. Esto significa que los arcos donde la placa en subducción desciende en un ángulo menor serán más curvados. Los arcos prominentes cuyas placas 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 superior es continental (arcos de tipo andino) y aquellos en los que la placa superior es oceánica (arcos intraoceánicos o primitivos). La corteza debajo del arco es hasta dos veces más gruesa que la corteza continental u oceánica promedio: la corteza debajo de los arcos de tipo andino tiene hasta 80 kilómetros (50 millas) de espesor, mientras que la corteza debajo de los arcos intraoceánicos tiene entre 20 y 35 kilómetros (12 a 22 millas) de espesor. Tanto el acortamiento de la corteza como la subcapa magmática contribuyen al engrosamiento de la corteza. [1] : 6
Los arcos volcánicos se caracterizan por la erupción explosiva de magma calcoalcalino , aunque los arcos jóvenes a veces expulsan magma toleítico [7] y algunos arcos expulsan magma alcalino . [8] El magma calcoalcalino 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 se presenta en regiones de extensión de la corteza. [11]
En el registro de rocas, los arcos volcánicos se pueden reconocer por sus gruesas secuencias de roca volcaniclástica (formada por vulcanismo explosivo) intercaladas con grauvacas y lutitas y por su composición calcoalcalina. En rocas más antiguas que han experimentado metamorfismo y alteración de su composición ( metasomatismo ), las rocas calcoalcalinas se pueden distinguir por su contenido de oligoelementos que se ven poco afectados por la alteración, como el cromo o el titanio , cuyo contenido es bajo en las rocas de arco volcánico. [7] Debido a que la roca volcánica se meteoriza y erosiona fácilmente , los arcos volcánicos más antiguos se ven como 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 pareados , en los que un cinturón de metamorfismo de alta temperatura y baja presión se ubica paralelo a un cinturón de metamorfismo de baja temperatura y alta presión, preservan un antiguo complejo de arco-zanja en el que el cinturón de alta temperatura y baja presión corresponde al arco volcánico. [7]
En una zona de subducción , la pérdida de agua de la placa subducida induce la fusión parcial del manto superior y genera magma calcoalcalino de baja densidad que asciende con fuerza para introducirse y extruirse a través de la litosfera de la placa superior. La mayor parte del agua que desciende por la placa está contenida en minerales hidratados (que contienen agua), como la mica , los anfíboles o los minerales de serpentina . El agua se pierde de la placa subducida cuando la temperatura y la presión se vuelven suficientes para descomponer estos minerales y liberar su contenido de agua. El agua asciende hacia la cuña del manto que recubre la placa y reduce el punto de fusión de la roca del manto hasta el punto en el que se genera el magma. [1] : 5.3
Aunque hay un amplio acuerdo sobre el mecanismo general, la investigación continúa sobre la explicación del vulcanismo enfocado a lo largo de un arco estrecho a cierta distancia de la fosa. [1] : 4.2 [14] La distancia desde la fosa hasta el arco volcánico es mayor para las losas que 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 hidratado abundante. Esto produciría una "cortina hidratada" ascendente que explica el vulcanismo enfocado 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 mi), y gran parte del agua liberada a profundidades poco profundas produce serpentinización de la cuña del manto suprayacente. [1] : 4.2.42 Según un modelo, solo 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 cual el grado de fusión se vuelve lo suficientemente grande como para permitir que el magma se separe de su roca madre. [5]
Ahora se sabe que la placa en subducción puede estar ubicada en cualquier lugar 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 más elaborados de magmatismo de arco. Por ejemplo, el agua liberada de la placa 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 clorita luego es arrastrada hacia abajo por la placa en subducción y finalmente 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 que se derrita. [15]
La ubicación del arco volcánico puede determinarse por la presencia de un rincón frío y poco profundo en la punta de la cuña del manto, donde la roca del manto se enfría tanto por la placa suprayacente como por la placa. El rincón frío y poco profundo no sólo suprime la fusión, sino que su alta rigidez impide el ascenso de cualquier magma que se forme. El vulcanismo de arco se produce cuando la placa desciende desde debajo del rincón frío y poco profundo, lo que permite que el magma se genere y suba a través de una roca del manto más cálida y menos rígida. [14]
El magma puede generarse en una amplia zona, pero puede concentrarse en un arco volcánico estrecho debido a una barrera de permeabilidad en la base de la placa superior. Las simulaciones numéricas sugieren que la cristalización del magma ascendente crea esta barrera, lo que hace que el magma restante se acumule en una banda estrecha en el vértice de la barrera. Esta banda estrecha corresponde al arco volcánico suprayacente. [16]
Dos ejemplos clásicos de arcos de islas oceánicas son las Islas Marianas en el Océano Pacífico occidental y las Antillas Menores en el Océano Atlántico occidental. El Arco Volcánico de las Cascadas 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 que consiste en las Islas Aleutianas y su extensión, la Cordillera de las Aleutianas en la Península de Alaska , y el Arco Kuril-Kamchatka que comprende las Islas Kuriles y el sur de la Península de Kamchatka .