Je leest:

Beweging diep in de aarde en invloed op het aardoppervlak

Beweging diep in de aarde en invloed op het aardoppervlak

Auteur: | 17 oktober 2009

In de aardmantel circuleert vast gesteente op een vergelijkbare tijd- en ruimteschaal als waarmee korstplaten over het aardoppervlak schuiven. Deze circulatie bepaalt mede onze leefomgeving aan het aardoppervlak.

De aarde is een unieke planeet in ons zonnestelsel. Alleen hier ontwikkelde zich een rijke variatie aan flora en fauna, op het land en in de oceanen. Leven en klimaat worden mede bepaald door de geologie van de aardkorst waarop we leven. Op de meeste plaatsen is deze stevige, relatief koude schil niet dikker dan enkele tientallen kilometers. Daarmee beslaat de korst slechts een fractie van de totale aarde –gemiddeld 6370 kilometer tot aan het middelpunt. De ‘levende’ aarde is dan ook niet los te zien van wat er zich afspeelt diep onder onze voeten.

De diepe aarde in beweging

Vier-en-een-half miljard jaar geleden ontstond de aarde uit stofdeeltjes in de jonge zonnenevel. Die klonterden samen tot steeds grotere brokken gesteente, proto-planeten en uiteindelijk planeten zoals de aarde. De maan is waarschijnlijk ontstaan uit een enorme inslag van een planeetachtig object op de proto-aarde.

Tijdens of vroeg na de vorming van de aarde zakten zware materialen naar beneden. Rond het middelpunt vormde er zo een ijzerrijke kern. Hierbij kwam zoveel warmte vrij dat de gehele planeet vroeger gesmolten moet zijn geweest. Inmiddels is de kern zover afgekoeld dat het binnenste deel is gestold tot een bal van vast ijzer: de binnenkern (van ongeveer 5100 tot 6370 km diep). De buitenkern (2900 tot 5100 km diep) is nog altijd gesmolten. Snelle, chaotische stromingen van ijzerrijk materiaal wekken hier het aardmagneetveld op: de zogenoemde ‘geodynamo’.

De opbouw van de aarde. De aardkorst waarop wij leven is onderdeel van de lithosfeer –de sterke, relatief koude, buitenste schil. Tussen de korst en kern bevindt zich de aardmantel. Vast mantelgesteente kan traag circuleren op een lengteschaal van duizenden kilometers en een tijdschaal van vele miljoenen jaren.

Het grootste deel van onze planeet, tussen de korst en de kern, wordt echter gevormd door de ‘aardmantel’. De mantel bestaat uit vast gesteente zoals aan het oppervlak. Slechts een kleine fractie is gesmolten (‘magma’) en dit kan het oppervlak bereiken tijdens vulkaanuitbarstingen (dan heet het lava). Het vaste mantelgesteente kan langzaam vervormen: denk hierbij aan een kaars die kan breken, maar ombuigt als je hem een dag lang over de rand van een tafel legt.

Het mantelgesteente beweegt erg traag met typische snelheden van enkele centimeters per jaar. Hierbij wordt van convectiestroming gesproken, omdat het vaste gesteente zich als een vloeistof gedraagt op een tijdschaal van vele miljoenen jaren. De convectiestroming is een manier om warmte uit de hete, diepe aarde kwijt te raken. Zoals een pan soep op het vuur, maar dan trager en op een schaal van duizenden kilometers.

Schematische weergave van gesteentecirculatie in de mantel. Nieuwe oceaankorst wordt gevormd bij spreidingsruggen (‘Ridge’) waar gesmolten mantelgesteente de oppervlakte bereikt. De aardkorst duikt terug de mantel in bij zogenaamde subductie-zones die diepe oceaantroggen vormen (‘Trench’). Het trage schuiven van oceanische en continentale platen over het aardoppervlak veroorzaakt aardbevingen, vulkanisme en gebergtevorming. De grootschalige circulatie van gesteentes in de diepe mantel beïnvloedt de richting en snelheid van de aardplaten.
Creative Commons

Invloed op het aardoppervlak

De gesteentecirculatie in de mantel bepaalt in sterke mate de richting en snelheid waarmee continentale en oceanische platen over het aardoppervlak schuiven (plaattektoniek). Door het botsen en opbreken van aardplaten zijn in het verleden hele ecosystemen samengevoegd of juist gescheiden. Ook kunnen continenten en oceanen naar andere klimaatzones bewegen. Zo lag het huidige Nederland 300 miljoen jaar geleden dicht bij de evenaar, aan de rand van het zich vormende supercontinent Pangea. Het klimaat was tropisch, met koraalriffen in de zeeën en amfibieën en reptielen op het land. In de laaglandmoerassen werd veen gevormd, waaruit later steenkool en aardgas ontstond.

Vanwege het schuiven van aardplaten veranderen continenten langzaam van positie. Het huidige Nederland lag 300 miljoen jaar geleden dicht bij de evenaar aan de oostkant van het vormende Pangea-continent en schoof langzaam naar het noorden (bovenste figuur). In deze periode was het klimaat vochtig en beklemmend heet. Nederland was grotendeels bedekt met tropisch laaglandmoeras.
www.geologievannederland.nl, onderste figuur: Erik-Jan Bosch, Naturalis

Ook op andere manieren geeft transport van mantelgesteente vorm aan onze leefomgeving. Op- of neerwaartse bewegingen in de mantel zorgen voor opstuwing of daling van continenten en oceaanbodems, en dit draagt bij tot fluctuaties in de zeespiegel. Als aardplaten met elkaar botsen ontstaan gebergteketens. De invloed op het klimaat is bijvoorbeeld merkbaar in India: daar is het relatief warm omdat het Himalaya-gebergte koude valwinden blokkeert uit Centraal-Azië. Op afgelegen eilanden, gevormd door vulkanische activiteit, hebben zich unieke ecosystemen ontwikkeld, zoals op de Galapagos-eilanden of Hawaii. Grote, langdurige vulkaanuitbarstingen stoten enorme hoeveelheden vulkanische as en stof uit. Dit kan tijdelijk de zon verduisteren, de temperatuur doen dalen, en blijvend de evolutie van leven veranderen. Verhoogde vulkanische activiteit veroorzaakte in het verleden waarschijnlijk massa-extincties. Tijdens deze periodes stierven er veel levensvormen uit en kregen nieuwe soorten de kans zich te ontwikkelen.

Onderzoek naar de diepe aarde

Voor het begrijpen van onze leefomgeving is het dus van belang ook de diepe aarde te kennen. Helaas is de mantel ontoegankelijk vanwege temperaturen van duizenden graden Celsius en de enorme druk. Directe waarnemingen zijn daardoor beperkt tot boringen van zo’n 13 kilometer diep.

Gelukkig is de diepe aarde op andere manieren te onderzoeken. Bijvoorbeeld door het bestuderen van de energiegolven die vrijkomen bij aardbevingen. De golven reizen door de diepe aarde en zijn gevoelig voor de temperatuur en samenstelling van gesteentes. Seismologen reconstrueren hiermee een soort röntgenfoto van de mantel. Zo’n afbeelding van seismische golfsnelheden kan worden ‘vertaald’ in variaties in de temperatuur en samenstelling van mantelgesteentes. Tenminste, als bekend is hoe gesteente zich gedraagt onder extreme mantelcondities. Hieraan wordt gewerkt in laboratoria waarin gesteentefragmenten worden verhit tot duizenden graden Celsius en samengeperst tot meer dan een miljoen keer de atmosferische druk.

Na een aardbeving reizen energiegolven door de diepe aarde waar ze worden beïnvloed door de samenstelling en temperatuur van het gesteente. Met seismologische meetgegevens is zo een scan te maken van de mantelstructuur. De rode en blauwe gebieden stellen zones voor waar de aardbevingsgolven relatief langzaam en snel reizen. Daar heeft het gesteente een afwijkende temperatuur of samenstelling. Dit geeft inzicht in de grootschalige convectiestroming in de aardmantel die is aangegeven met de peilen.

Uit de variaties in manteltemperatuur en -samenstelling is uiteindelijk te bepalen hoe gesteente circuleert in de diepe mantel. Warm gesteente zet bijvoorbeeld uit, wordt lichter en wil omhoog bewegen, terwijl koud, zwaar gesteente naar beneden zakt. Ook andere meetgegevens bevatten informatie over de werking van de mantel. Voorbeelden zijn het zwaartekrachtsveld, de topografie van het aardoppervlak en de warmtestroom uit de ondergrond.

Net als bij weersvoorspellingen zijn er kunstmatige gegevens te berekenen voor de mantel met behulp van computersimulaties en laboratoriumexperimenten. Voor een succesvolle theorie van de mantel moeten de berekende gegevens gelijk zijn aan de verschillende meetgegevens. Zo zijn verschillende theorieën te testen en krijgen we een steeds beter beeld van de diepe aarde.

Gesteentecirculatie in de mantel

Veel is er op deze manier al bekend geworden over de aardmantel en haar invloed op het oppervlak. Belangrijk is bijvoorbeeld de manteltransitiezone, tussen ongeveer 400 en 660 kilometer diepte. Door de toenemende druk transformeren gesteentes hier van de ene mineraal-fase in de andere, zoals koolstof over kan gaan in diamant. Atomen herschikken zich, waardoor een compactere kristalstructuur ontstaat. Hierdoor neemt de dichtheid sterk toe met de diepte. Ook zijn gesteentes in de ondermantel waarschijnlijk sterker dan in de bovenmantel, wat de circulatie bemoeilijkt.

De effecten van de transitiezone zijn waarneembaar in afbeeldingen van snelheden van aardbevingsgolven. Daarop is korstmateriaal te volgen dat de mantel inschuift in zogenaamde ‘subductiezones’. Bij het bereiken van de transitiezone lijken sommige plakken oude korst af te buigen en in de bovenmantel te blijven (tot ongeveer 660 km), terwijl andere direct verder zinken in de ondermantel (660-2900 km). De transitiezone lijkt daarmee als een filter te werken voor materiaaltransport in de mantel. Dit beperkt de uitwisseling van gesteente tussen de onder- en bovenmantel en vertraagt de langzame afkoeling van de aarde.

Ook zijn er sterke aanwijzingen voor het bestaan van afzonderlijke stapels met een gesteentesamenstelling die afwijkt van de rest van de mantel. De stapels kunnen zich honderden kilometers hoog opeenhopen bovenop de aardkern, bijvoorbeeld onder Afrika en de Pacifische oceaan. De afwijkende dichtheid en temperatuur van zulke diepe reservoirs kunnen de mantelcirculatie sterk beïnvloeden.

Over de vorming van afwijkende reservoirs in de mantel bestaan verschillende ideeën. Een voor de hand liggende mogelijkheid is dat zwaar korstmateriaal tot in de ondermantel zinkt en opeenhoopt in de diepe mantel. Een andere mogelijkheid is dat de verschillende reservoirs al vormden tijdens het stollen van de gesmolten mantel, kort na het ontstaan van de aarde.

Voorbeeld van een computerberekening van gesteentecirculatie in de aardmantel. In deze berekening beweegt het mantelgesteente langs de dunne zwarte lijnen. De circulatie is het gevolg van variaties in de temperatuur (boven) en samenstelling van mantelgesteentes (midden). Mantelgesteente met een afwijkende samenstelling bevindt zich voornamelijk in de diepste mantelregio’s (rood weergegeven in de middelste figuur). Ook de grens tussen boven- en ondermantel (dikke zwarte lijn) beïnvloedt de circulatie. De onderste figuur toont berekende variaties in de snelheden van aardbevingsgolven. In de roodgekleurde gebieden reizen aardbevingsgolven relatief langzaam door de mantel, in de blauwe gebieden juist extra snel.
Joost van Summeren

Wat brengt de toekomst

De toekomst geeft ongetwijfeld een nog beter beeld van de grootschalige circulatie van mantelgesteentes. Bijvoorbeeld wat de precieze invloed is van de manteltransitiezone of variaties in gesteentesamenstelling.

Seismische afbeeldingen van de diepe mantel worden steeds scherper vanwege de wereldwijde toename van seismische stations. Met meer en nauwkeurigere metingen verbetert de bepaling van gesteente-eigenschappen onder diepe mantelcondities, het zwaartekrachtsveld, en de samenstelling van oppervlaktegesteentes. Krachtige supercomputers simuleren mantelcirculatie in steeds meer detail.

Door deze vooruitgang begrijpen we de diepe mantel steeds beter. Daarmee wordt ook steeds duidelijker hoe mantelcirculatie vorm geeft aan het aardoppervlak, bijvoorbeeld via tektonische plaatbeweging, vulkanisme en gebergtevorming. De oppervlakteprocessen zijn onlosmakelijk verbonden met de evolutie van leven, het smelten van poolkappen en zeespiegelstijging. Kennis van de diepe aarde verbetert daarmee ook ons inzicht in hoeverre leven en klimaat op aarde veranderen als gevolg van ‘natuurlijke’ fluctuaties of menselijke activiteiten.

Dit artikel is een publicatie van Kennislink (correspondentennetwerk).
© Kennislink (correspondentennetwerk), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 17 oktober 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink Agenda

NEMO Kennislink vertoont op deze plaats normaal gesproken wetenschappelijke activiteiten uit heel Nederland. Door de maatregelen tegen het nieuwe coronavirus zal daarvan een groot gedeelte worden afgelast. Omdat we geen achterhaalde informatie willen verspreiden, laten we voorlopig geen activiteiten zien.
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.