College van de Maand: het raadsel van de vulkaan

Zodra de zomermaanden naderen, wordt het altijd opvallend rustig op de geologische faculteit van de VU. Het veldwerkseizoen is namelijk begonnen, wat betekent dat de meeste aardwetenschappers naar landen als Spanje, Frankrijk, Zuid-Afrika of Hawaï 'vluchten'. Ik mocht dit jaar mee op veldexcursie naar Sorbas, Zuid Spanje. Twee weken lang hebben wij hier onderwijs gekregen over de tektonische setting van verschillende bekken en Sierra's langs de kust (figuur laat de geografische setting zien). Een van de laatste onderwerpen was het nog niet nader verklaarde vulkanisme rond Cabo de Gata. Dit onderwerp sprak mij zo aan, dat ik het graag in dit College van de maand met jullie wil delen!


Samen met mijn medestudenten en een aantal docenten maakte ik tijdens de excursie een leerzame wandeltocht langs verschillende, kenmerkende vulkanische fenomenen. De eerste stop bevindt zich in het dal waar we een van de eerste verschijnselen uitgelegd krijgen. Vlak na een vulkaanuitbarsting kan tephra (pyroclastisch materiaal wat uit de vulkaan gespuwd wordt) op twee manieren worden afgezet: in de vorm van ash flows en ash falls. Ash flows zijn snel stromende suspensies van pyroklastisch materiaal dat van een helling afstroomt. Dit kan in combinatie met lucht, maar ook opgelost in water. Beide gevallen vormen een verwoestende, krachtige stroom met zeer hoge turbulentie. Ash fall afzettingen daarentegen, worden gevormd door het 'uitregenen' van fijner pyroklastisch materiaal. De korrelgrootte van deze afzettingen zal afnemen naarmate de afstand tot de eruptie groter wordt en het totale sedimentpakket zal als een deken van uniforme dikte over een groot gebied neerstrijken. Beide vormen van sedimentatie zijn in het beginpunt van de wandeling onderin het dal afwisselend terug te vinden. De twee soorten afzettingen zijn makkelijk in de wanden van elkaar te onderscheiden aan de hand van de sortering van de korrelgrootte. Sommige delen van de wanden laten een zeer slechte sortering zien. Grover laplillifragmenten en fijner tuf zijn samen gekit tot één grote brei. Af en toe is er op kleine schaal zeer slecht ontwikkelde sedimentaire gelaagdheid te zien, maar vaak ontbreekt deze. Dit is kenmerkend voor een ash flow deposit. Door de hoge energie en snelheid is al het pyroklastisch materiaal min of meer in een keer gesedimenteerd zonder dat er eerst sortering van korrelgrootte heeft kunnen plaatsvinden.

In tegenstelling tot de 'rommelige' structuren gevormd door de ash flows, zijn er in de wanden ook homogenere, fijnere afzettingen te zien. Deze laten een goede sortering van korrelgrootte zien en sedimentaire structuren ontbreken geheel. De dikte van deze lagen is overal min of meer even dik, ongeacht de topografie. Deze eigenschappen zijn kenmerkend voor een ash fall deposit. In afbeelding 2 zijn de afzettingen samen in een wand te zien.

Vulkanische bommen

Wanneer we de wandeling verder voortzetten, komen we al snel langs de volgende karakteristieke vulkanische structuur. In de hoge wand langs het pad steken namelijk een paar opvallende, massieve brokstukken uit; vulkanische bommen. Deze hoekige, tot bijna wel een meter grote brokken pyroklastisch puin zijn tijdens de eruptie met grote kracht uit de krater gespuwd en later op grote afstanden neergekomen met een plaatselijk impact tot gevolg. Dit is te zien aan de ombuigende lagen rond de brokstukken. "De meeste vulkanische bommen", vertelt de docent ondertussen, "laten een karakteristiek breukpatroon zien, namelijk een nog intacte kern omgeven door een opgebroken rand. Dit is een zogenaamde broodkost structuur". Deze structuur ontstaat doordat de binnenkant van de vulkanische bom nog vloeibaar is, terwijl de buitenkant al is gestold. Bij de inslag breekt deze buitenkant vervolgens als een soort broodkorst om de homogene, nog intacte kern heen. Met behulp van schetsen op een tekenblok probeert de docent ons het proces uit te leggen.

Columnar jointing

Ondertussen is er een flink harde wind komen opzetten. De docent is amper meer te verstaan, meerdere veldboeken zijn uit elkaar gewaaid, en toch laten we ons niet weg jagen en zetten we onze wandeling voort naar het volgende fenomeen wat karakteristiek is voor het vulkanisme in Cabo de Gata. Aan de rechter kant van het pad bevindt zich een indrukwekkende hoge wand van zogenaamde columnar basalt joints: bijna perfect gevormde, hexagonale structuren gevormd door het afkoelen van de lava. Ondanks de wind verschijnt wederom het A3 tekenblok en binnen enkele minuten is het gehele proces met een schets uitgelegd: de hexagonale structuur vormt zich door het langzaam afkoelen van de onderkant van de basaltzuilen. Hier verandert de temperatuurgradiënt namelijk alleen als gevolg van warmte uitwisseling met de bodem als gevolg van conductie. Dit is een langzaam proces waardoor de zuilen hun perfecte, eigenaardige hexagonale vorm kunnen aannemen. Wanneer lava in contact komt met lucht zal de afkoeling veel sneller gaan als gevolg van luchtverversing. Hier verandert de temperatuur als gevolg van conductie en convectie. Deze processen in combinatie met de aanvoer van verse, koelere lucht zorgt voor een snellere afkoeling. Hierdoor zal de hexagonale vorm vaak niet bereikt worden en zal een pentagonale vorm eerder overheersen. Aan deze wand is dus duidelijk te zien dat deze columnar joints aan de onderkant van de lavaflow gestold zijn. Afbeelding 3 en 4 laten de joints zien.

Hydrothermale alteratie

Het laatste fenomeen wat karakteristiek is voor het vulkanisme in Cabo de Gata bevindt zich aan het einde van de wandeling, wanneer we beneden bij het strand aangekomen zijn. Vlak naast de wereldberoemde Indiana Jones rots (zie afbeelding 6) bevindt zich een ongeveer 3 meter hoge inkeping in de klif wand. Op het eerste gezicht ziet het eruit als een zwarte, rommelige wand, maar wanneer we dichterbij komen, vallen er toch een paar interessante dingen op. De wand bestaat namelijk uit een samenkitting van zeer hoekige fragmenten met zogenaamde radial cracks (te zien in afbeelding 5): scheuren die vanuit het midden in een radiaalvorm naar de buitenkant lopen. Gelukkig worden we niet lang in onwetendheid gehouden, want al snel komt onze docent er weer aan met een groot tekenblok en een paar stiften om het ons uit te leggen.

Aangezien de meeste vulkanen in het Cabo de Gata gebied ondiepe onderwatervulkanen waren, is er tijdens en vlak na de eruptie veel contact geweest tussen het zeewater en de warme lava. De oorzaak hiervan is de zeer hoge viscositeit van de uitvloeiende lava. Normaal gesproken wordt de lava van het koude water gescheiden door een dun stoomlaagje wat de lava enigszins isoleert. Deze viskeuze lavas bevatten echter veel gassen die de isolerende stoomlaag instabiel maakten. Hierdoor kwam de lava vrijwel direct in contact met het koude zeewater wat voor krachtige explosies van het gesteente zorgde. Zo werden de zeer hoekige fragmenten in de hoge, zwarte wand gevormd.


Hier komt de excursie dag tot zijn einde. Ter ontspanning is er nu tijd voor een duik in de zee of fotosessie voor de Indiana Jones rots. Kortom, genoeg manieren om de lessen van vandaag te laten bezinken. Ondanks dat er dus erg veel bekend is over de karakteristieken van het vulkanisme van Cabo de Gata, zijn wetenschappers het nog steeds niet eens over de manier van ontstaan. De plek van het vulkanisme, de ouderdom en de reden van uitbarsting zijn tot nu toe nog niet verklaard met modellen en er wordt nog doorlopend onderzoek gedaan. Zo blijft het vulkanisme van de Cabo de Gata tot op de dag van vandaag een mysterie...

Voor wie er meer wil weten over de geologische setting en de achtergrond van het vulkanisme in Cabo de Gata volgt hieronder een korte uitleg: tijdens het Paleoceen begon Afrika zich richting Europa te verplaatsen, wat zorgde voor contact tussen de Alboran plaat en de Iberische plaat. Dit contact verliep niet altijd even soepel en grote krachten kwamen hierbij kijken. Globaal gezien is de botsingsfase in 3 tektonische settings in te delen. Allereerst de fase van compressie waarbij de Sierra's omhoog kwamen. Paleozoïsche en Mesozoïsche sedimenten werden diep in de aardkorts gemetamorfoseerd onder hoge temperatuur en druk. Hierna volgde een extensiefase (midden Mioceen) als gevolg van het vormen van back-arc bekkens. Stukken continent werden als gevolg van de terugrollende slab van de Iberische plaat uitgerekt en vormden bekkens in het landschap die vervolgens met sediment en afbraakmateriaal uit de Sierra's opgevuld werden. Ook zorgde deze extensie voor uplift van de metamorfe complexen die tijdens de compressiefase gevormd zijn, waardoor deze aan het oppervlak kwamen.

De laatste fase is de fase van strike-slip bewegingen veroorzaakt door doorgaande convergentie van de Alboran en Iberische plaat. In deze fase overheerst de NNO-ZZW-lopende Carboneras breuk die door een groot deel van Spanje loopt. De strike-slip tektoniek lijkt tot nu toe de meest voor de hand liggende oplossing voor het vulkanisme in Cabo de Gata, echter ontbreekt het nog steeds aan voldoende bewijs...