Volcanes I: El origen

El diez de abril de 2020, el Krakatoa junior, uno de mis monstruos de magma favoritos, entró de nuevo en erupción. Ese día decidí que era el momento perfecto para abordar uno de los temas a los que más ganas tenía de meter mano: los volcanes. El ser humano siempre ha tenido una relación complicada con ellos. En muchas mitologías, han sido la personificación de dioses, espíritus y demonios con muy variada naturaleza. El dios romano Vulcano tenía su fragua bajo el monte Etna y su trabajo era el causante de sus erupciones; en cambio, para los nativos de Hawaii, las erupciones del Kilauea eran causadas por la ira de la voluble diosa Pele, y para los guanches era el malvado dios Guayota quien hacía erupcionar al Teide. Tanto para las civilizaciones antiguas como para la nuestra, los volcanes son algo a temer, a veces a odiar, pero también algo que reverenciar y apreciar. Causan innumerables destrozos, materiales y humanos, pero también han creado tierra firme donde poder vivir y producen suelos excelentes para cultivar. Por eso no huimos de ellos, sino que aprendemos a convivir con ellos.

En un mundo como la Tierra, los volcanes son la manifestación del motor que mueve el mundo: la tectónica de placas. Y este motor es fundamental para que la vida en este planeta sea tal y como la conocemos. Así que, si queréis construir un mundo habitable para los humanos, añadir zonas con actividad volcánica es un buen punto de realismo. Las preguntas a las que debéis enfrentaros a la hora de construir esas zonas en vuestro mundo son: ¿dónde están los volcanes?, ¿cómo son?, ¿cómo son sus erupciones? y, ¿cuándo van a entrar en erupción?

Para responder correctamente a esas preguntas, en esta serie de entradas os desmenuzaré los secretos de las entrañas candentes de nuestro pedrusco flotante favorito. Poneos cómodos e hidratáos bien.

¿Qué es el magma?

Decir simplemente que es roca fundida del interior de la Tierra es contar la mitad de la historia. Un magma, en efecto se origina cuando las rocas, bien del interior de la corteza o del manto superior terrestre se funden, pero esto rara vez ocurre de forma congruente. No todos los minerales funden a la misma temperatura, por lo que a medida que esta aumenta iremos pasando de tener una roca 100% sólida a tener una mezcla de magma y roca en una etapa de fusión parcial hasta que todos los minerales se funden y por fin volvemos a tener una fase, esta vez sólo de roca fundida. La línea de presión versus temperatura que divide la fase de roca sólida de la de fusión parcial se llama "sólidus" y la que divide la fusión parcial de la completa "líquidus". De igual forma, si partimos de un magma, la solidificación se producirá de forma parcial hasta cruzar de nuevo la curva de sólidus y volver a tener una roca sólida.

Esto tiene una implicación muy importante y es que los magmas van cambiando su composición a medida que se solidifican, bien cuando aumenta la presión o disminuye la temperatura. Esto se traduce en que, a medida en que un cuerpo magmático asciende desde el manto terrestre hacia la superficie se va ir empobreciendo en determinados elementos, que han cristalizado en minerales con alto punto de fusión, como puede ser el hierro y el magnesio en los olivinos y piroxenos y el calcio en las plagioclasas (proceso conocido como serie de Bowen). Y, por otro lado, se va a enriquecer en otros elementos. El más importante para nosotros ahora es el silicio, que se va a unir con cuatro oxígenos formando lo que conocemos como tetraedros de sílice. A medida que disminuye la temperatura, estos tetraedros van a tender a unirse unos a otros formando una red. A este proceso lo llamamos "polimerización". Estos polímeros siguen estando en estado líquido, pero al tener una pseudoestructura la viscosidad de este va a aumentar. Cuanta más sílice contenga nuestro magma, más viscoso se va a volver. Estos magmas más silíceos se conocen como magmas diferenciados porque su composición ha evolucionado respecto a la del magma primigenio del cual se originaron. También se les denomina magmas "ácidos" por su contenido en sílice y su roca volcánica insignia es la riolita, mientras que a los magmas empobrecidos en sílice se les denomina "básicos" o "máficos", siendo su roca característica el basalto. Entre uno y otro hay todo un espectro de rocas intermedias, siendo la andesita la más común. La característica que más salta a la vista es que a medida que la diferenciación avanza las rocas son de color más claro. Esto se debe a que los minerales más abundantes son de color blanco (feldespato) o incoloro (cuarzo), mientras que los minerales más abundantes en las rocas máficas son coloreados y oscuros (olivino, piroxeno).

Fuente imágenes: Wikipedia

Debido a este proceso de diferenciación, la naturaleza del magma que vaya a salir por el cráter del volcán depende en gran medida del tiempo que haya tardado en ascender desde el interior de la tierra y por lo tanto también de la profundidad a la que se haya formado, estando esta entre prácticamente 0 y aproximadamente 200 km. En términos generales, cuanto más rápido sea, menor diferenciación habrá. Dicho esto, también hay que distinguir entre los magmas que se originan en el manto terrestre y los que se originan en las cortezas oceánica y continental, pues la corteza continental está mucho más enriquecida en sílice que la corteza oceánica, que a su vez está más enriquecida que el manto. Asimismo, la corteza continental puede contaminar cualquier magma que intente atravesarla.

Resumiendo: en la naturaleza de los magmas influye, sobretodo, la viscosidad que está influenciada por la composición (aka: contenido en sílice), que a su vez depende de el grado de diferenciación magmática y su origen (continental, oceánica o manto), además de posibles contaminaciones.

¿Esto es todo? No, nos falta una cosa mas: los gases. Todos los magmas van a tener más o menos gases en su interior (fundamentalmente: vapor de agua, CO2, SOx), siendo los más viscosos los que mayor concentración de gases van a presentar y además los que mejor lo vayan a retener.

Para que no os hagáis un lío he resumido todo lo que he explicado hasta ahora en la siguiente tabla:

Tipo de magma	Grado de diferenciación	Temperatura de extrusión	Tipo de roca	Viscosidad	Concentración de gases	Retención de gases
ÁCIDO	Alto	Alta (1100-1200ºC)	Riolita	Alta	Muy alta	Sí
INTERMEDIO	Medio	Media  (1000-1100ºC)	Andesita	Media	Alta	Variable
BÁSICO	Bajo	Baja (700-900ºC)	Basalto	Baja	Baja	Poco

¿Dónde están los volcanes?

Hace tiempo publiqué una entrada en la que explicaba por qué la mayor concentración de volcanes del mundo se encuentra en el llamado Anillo de Fuego del Pacífico. Id a echarle un ojo antes de continuar. 

Los magmas necesitan calor para poder formarse, pero su origen difiere dependiendo del contexto geológico. Por eso podemos encontrarnos tipologías de volcanes tan diversas y en tantos lugares diferentes. La siguiente imagen muestra los volcanes activos que existen actualmente y aquellos que tuvieron actividad en el Holoceno, el último período geológico que aproximadamente cubre los últimos 11700 años.

En la imagen se puede observar que, en efecto la mayor parte del vulcanismo tiene lugar en los límites de placa convergentes y divergentes, pero hay algunas honrosas excepciones, por ejemplo, Hawaii, que se encuentra en el interior de la Placa del Pacífico. Del mismo modo, en el este de África existe una gran concentración de volcanes que tampoco se encuentra en un límite de placa. Para entender lo que ocurre hay que ver en qué contexto se están formando esos volcanes.

Contexto extensional

Rift continental

Las rocas del manto no son una masa homogénea, ni están todas a la misma temperatura, sino que están sujetas a una serie de células de convección que transmiten el calor del núcleo hacia el exterior. Cuando ascienden, las rocas del manto se descomprimen más rápido de lo que se enfrían, causando su fusión muy cerca de la superficie y un aumento de volumen. Esto hace que allá donde afloran la corteza se extienda y se abulte y el magma acabe extruyendo. Esto es lo que ocurre en el Valle del Rift al este de África. Las zonas en las que hay magmatismo en la actualidad, son aquellas que debajo tienen una pluma del manto activa ascendiendo. Esto es lo que está causando la ruptura del continente africano y la formación de una nueva placa tectónica. De hecho, en el Mar Rojo, que separa África de la Península Arábiga, ya hay dos pequeñas dorsales oceánicas activas. Fijáos que las dorsales del Mar Rojo y el Valle del Rift forman una Y y están unidos en un punto triple. Esto es característico de las uniones entre placas tectónicas, que siempre forman puntos triples.

Dorsal oceánica

Fuente: Wikipedia

Si la corteza continental del Valle del Rift sigue rompiéndose y separándose, va a llegar un punto en el que sea completamente reemplazada con rocas originadas a partir de la lava que está extruyendo. Estas rocas forman la corteza oceánica y el lugar donde se origina se llama dorsal oceánica. Una dorsal es una montaña submarina, una cicatriz en medio del océano que además escupe lava. Esta lava es lo que causa la expansión de los océanos, por ejemplo del Océano Atlántico. En ocasiones, estas montañas pueden elevarse por encima del nivel del mar, originando islas volcánicas como Islandia (aunque el vulcanismo de Islandia es un poco más complicado). También originan fumarolas sumbarinas por el flujo de aguas hidrotermales. Una teoría sobre el origen de la vida en la Tierra propone que estas fumarolas proporcionarían la energía y nutrientes necesarios para que las primeras formas de vida, las arqueobacterias, pudieran desarrollarse.

Topografía de las dorsales oceánicas (Wikipedia)

Contexto compresivo

Arco de islas de Ryukyu, Japón

Arco de Islas

Un arco de islas se forma cuando dos placas tectónicas formadas por corteza oceánica convergen y una se introduce bajo la otra dando lugar a una zona de subducción. La fricción entre las dos capas y la presencia de agua, que baja el punto de fusión de las rocas, originan magmas a partir tanto de las rocas que se habían originado en la dorsal oceánica como de los sedimentos marinos, más ricos en sílice, que se fueron acumulando con el paso del tiempo sobre ellas.

Arco andino

La corteza oceánica que, recordemos, está formada a partir de materiales del manto, es más densa que la continental. Por eso cuando colisionan, la placa formada por corteza oceánica subduce bajo la continental, provocando la aparición de arcos de cordilleras tipo Andino, caracterizadas por estar muy próximas a la costa, siguiendo su silueta. También en este contexto se originan magmas a partir tanto de la corteza oceánica que subduce como de la corteza continental.

Ejemplo de zona de subducción tipo andina (traducida del original de K. D. Schroeder)

Colisión continental

(USGS)

Cuando dos placas tectónicas formadas por corteza continental chocan entre sí se produce una cordillera de colisión como los Pirineos, los Alpes o el Himalaya. Aquí los magmas van a tener un origen casi siempre continental. Sin embargo, durante la colisión la corteza se engrosa, de unos 40 km a 60 o incluso 70 km de espesor. Los magmas se enfrían y solidifican antes de llegar a la superficie, por eso el vulcanismo en estas zonas es limitado, aunque no completamente inexistente, mientras la colisión permanezca activa.

Puntos calientes

Islas de Hawaii (Google Maps)

Los puntos calientes o "hot spots" son un "hot topic" para muchos geólogos hoy en día y causa de muchos desvelos y apuñalamientos por la espalda (académicos, por supuesto). Y es que aún a día de hoy no damos con una teoría que explique todos los que hay. Básicamente el problema está en que hay volcanes que no podemos asociar a ningún tipo de borde de placa. Por ejemplo, el arco de islas de Hawaii. Este vulcanismo de intraplaca es tan geológicamente estable que permanece en un mismo punto mientras las placas se mueven por encima. Por eso forman cadenas de volcanes que marcan la dirección en la que esa placa se está moviendo. La primera teoría que se propuso para explicar esto consiste en que existen zonas del manto anómalamente calientes que se relacionan con la interacción entre el núcleo externo líquido y el manto interno sólido en una capa muy finita llamada D''. En esta capa se generarían plumas del manto, o corrientes de roca muy caliente que ascienden a la superficie (ojo, no confundir con las corrientes de convección que he mencionado antes. Esto es otra cosa). Como están anómalamente calientes, su fusión se produce en un nivel más profundo del manto, concretamente en la división entre la astenosfera y la mesosfera, a unos 350 km de profundidad y después llegan a la superficie en forma de volcanes, que pueden estar tanto en la corteza oceánica, como Hawaii, o Islandia o la corteza continental, como la caldera de Yellowstone. Recientemente, en 2015, se han podido detectar la primera evidencia física, mediante tomografía sísmica, 28 de estas plumas.

Islandia, además de dorsal emergida,
¡está en un punto caliente!

El problema con esta teoría es que hay puntos calientes que no se ajustan a ese modelo, ni el magmatismo es anómalamente caliente, ni están siempre lejos del borde de placas etc. La teoría alternativa propone que realmente lo que ocurre sí que está relacionado con la tectónica de placas. El movimiento de arrastre de las placas afectaría no sólo a la parte superficial del manto, sino también a zonas más profundas y en algunas de estas zonas se producirían movimientos de extensionales que facilitarían el ascenso de roca caliente más profunda que daría origen a estos magmas. Por ejemplo, Islandia además de estar en una dorsal oceánica, presenta vulcanismo asociado a un punto caliente, lo cual parece apoyar la teoría del contexto extensional.

Con esto os quiero decir que la geología, aunque estudia procesos antiguos, sigue siendo una ciencia en construcción y continuo cambio y que hay muchas cosas de las que no tenemos ni put...ñetera idea.

Y ahora viene el momento de la tabla resumen:

Contexto		Origen del magma	Diferenciación?	Contaminación por sílice?
EXTENSIONAL	Rift Continental	Manto	No	Sí
	Dorsal Oceánica	Manto	No	No
COMPRESIVO	Arco de Islas	Corteza oceánica	Sí	Sí (sedimentos)
	Arco Andino	Corteza oceánica/continental	Sí	Sí
	Colisión continental	Corteza continental	Sí	Sí
PUNTO CALIENTE	Oceánico	Manto profundo	Sí	No
	Continental	Manto profundo	Sí	Sí

Con esto ya podéis empezar a entender por qué algunos volcanes explotan de forma espectacular y otros se limitan a soltar un poco de humo, lava y ya está. En el próximo episodio vincularemos todo lo que he explicado hoy a los tipos de cono volcánico y sus características eruptivas.

AGRADECIMIENTOS

Querría agradecer a mi profesor de petrología ígnea, y ex-Decano de la Facultad de Geología de la Universidad de Oviedo, Lope Calleja y a Ofelia Suárez por sus excelentes apuntes y sus tablas resumen, de los cuales saqué la mayor parte de la información para esta entrada.