Geologie; Diepe roerselen der aarde

N.J. VLAAR (1933) is hoogleraar geofysica aan het Instituut voor Aardwetenschappen van de Rijksuniversiteit Utrecht

De aarde is geen dode, starre massa, maar een levend, dynamisch systeem. Dat blijkt uit het optreden van aardbevingen en vulkanisme, maar ook uit rustiger processen als continentverschuiving en gebergtevorming. Al deze verschijnselen kunnen thans worden samengevat in de theorie van de platentektoniek. Volgens deze theorie bestaat de aardkorst uit een aantal schollen of platen, enkele tot vele tientallen kilometers dik, die ontstaan uit, drijven op en weer verdwijnen in de stroperige aardmantel. Al deze processen hangen weer samen met langzame stromingen in de aardmantel, waarbij warmte van binnen naar buiten wordt getransporteerd.

Prof. dr. N.J. Vlaar: "De aarde doet zich voor als een tamelijk chaotisch geheel, waar langzamerhand meer structuur in wordt gevonden. Toen ik studeerde was die aarde nog zoiets als het onderbewuste in de dieptepsychologie van Freud, waaruit van alles opborrelt. De laatste veertig jaar is de kennis van die aarde echter enorm toegenomen, onder andere door verfijndere waarnemingstechnieken, experimenten aan gesteenten in het laboratorium en theoretisch onderzoek met behulp van computermodellen.

"Een enorme sprong voorwaarts werd veroorzaakt door de theorie van de platentektoniek. Met die theorie konden opeens ontzettend veel dingen worden verklaard en begrepen die voorheen niets met elkaar te maken leken te hebben, zoals breuken, diepe aardbevingen en de aangroei van continenten met "vreemde' stukken. Maar daarna kwamen er allerlei dingen die niet verklaard konden worden en daar kijken we nu tegenaan.

"We hebben bijvoorbeeld goede wiskundige beschrijvingen van wat er met de oceaanbodems gebeurt, maar zelfs bij dit betrekkelijk eenvoudige proces blijken er meer uitzonderingen dan overeenkomsten met de theorie te bestaan. Bij oceaanbodems blijkt de wetmatigheid van ouderdom versus grotere diepte niet altijd op te gaan. Ook voor de aanwezigheid van rijen vulkanen boven hot spots in de mantel, zoals we dat bijvoorbeeld zien bij de Hawaï-archipel, hebben we nog geen goede verklaring.

"Ik heb de stellige indruk dat er door het grote succes van de platentektoniek een zekere verstarring bij de geodynamici is opgetreden. En daardoor zitten degenen die van de input van geodynamici gebruik behoren te maken, de geologen, ook aan zo'n verstarring vast.

"Een belangrijke vooruitgang is in de komende tien jaar te verwachten van de seismische tomografie, het onderzoeken van het inwendige van de aarde met behulp van de seismische golven van aardbevingen. Zo'n vijf à tien jaar geleden wisten we dat de aarde nabij het oppervlak complex is, met continenten versus oceanen en dat hij daaronder een vrij aardig gelaagde structuur heeft. Zo zat het referentiemodel van de aarde in elkaar. De seismische tomografie heeft laten zien dat het inwendige van de aarde echter ook lateraal (in horizontale richting) variabel is. Je kon dit toen wel vermoeden, maar men wist absoluut niet wat voor beeld men kon verwachten.

"De ontwikkeling van de seismische tomografie is eigenlijk nog maar pas begonnen, maar er komen al zeer verrassende dingen uit. Zo was al lange tijd bekend dat er ook in Spanje op grote diepte aardbevingen plaatsvinden, maar er was - en is - nergens een spoor te vinden van een hiermee samenhangende subductiezone, een gebied waar een stuk aardschol onder een andere aardschol duikt. Uit tomografisch onderzoek blijkt nu dat er wel zo'n zone is geweest.

"Een ander stuk technologie waar ik in de komende jaren behoorlijk veel van verwacht is de ruimtegeodesie. Met behulp van de baanbeweging van kunstmanen hebben we nu al een aardig gedetailleerd beeld gekregen van het zwaartekrachtsveld van de aarde. Dat veld is een uitdrukking van de massaverdeling of dichtheidsverschillen in de aarde.

"Het interpreteren van die zwaartekrachtsgegevens staat nog slechts in de kinderschoenen. De interpretatie is niet eenvoudig omdat we niet eenduidig de diepte kunnen aangeven van het gesteente dat een bepaalde afwijking veroorzaakt. Het kan net zo goed iets heel dieps zijn met een grote afwijking als iets minder dieps met een kleine afwijking. Maar ik denk dat we in de nabije toekomst met nieuwe computerprogramma's en in combinatie met gegevens uit de oppervlaktegeologie meer over de samenhang tussen tomografische en zwaartekrachtsgegevens te weten kunnen komen.'

"Een ander onderzoekgebied dat vrij spectaculair aan het worden is, is het meten van afstanden aan het aardoppervlak met behulp van kunstmanen en kosmische radiobronnen. Met behulp van die technieken kan de platentektoniek nu direct worden waargenomen: men ziet de zaken verschuiven en behoeft die verschuivingen niet meer af te leiden uit geologische gegevens. Hieruit blijkt dat men de aarde al op een tijdschaal van jaren een dynamisch systeem mag noemen.

"Van deze techniek verwacht ik, als hij zich zo blijft ontwikkelen, veel. Je kunt dan namelijk allerlei dingen gaan meten die niet mooi in het beeld van die starre, in zijn geheel verschuivende platen passen. De grote vraag is natuurlijk hoe ver men kan komen met de meetnauwkeurigheid. Het is eigenlijk niet voor te stellen: de afstand tussen een punt in New York en in Amsterdam kan nu tot op één centimeter worden bepaald.

"Vooruitgang kan niet alleen worden verwacht bij het meten van bewegingen in horizontale richting, maar ook bij die in verticale richting, iets waar men tot nu toe nog helemaal niet naar gekeken heeft. De beperkende factor is hier de invloed van de atmosfeer. Uit de eerste metingen komt heel duidelijk naar voren dat de meeste delen van de continenten rijzen en dat er maar heel weinig van de continenten daalt. Dat is in andere tijden anders geweest: in het geologische verleden zijn immers grote stukken van de continenten onder water komen te staan.'

"Veel moeilijker te beantwoorden is de vraag: wat drijft de platen van de aardkorst nu aan? In alle boeken hierover werd tot voor kort gezegd dat de langzame convectiestromen in de aardmantel de platen doen bewegen. De mantelstromingen, die warmte uit de aarde naar buiten transporteren, zouden dan het bewijs zijn voor de platentektoniek. Die gedachte heb ik echter nooit zo aangehangen en daar heb ik me ook niet zo populair mee gemaakt. Ik denk dat de boodschap in de platen zelf zit.

"Momenteel wint steeds meer de gedachte veld dat de platen zelf, door het afglijden, zorgen dat er materiaal uit de mantel wordt aangetrokken. Als er iets in de mantel zakt, moet er iets anders worden weggeduwd en daardoor komt er materiaal in beweging. Zo ontstaat er een materiaalstroom die steeds aangezuiverd wordt. Hoe dat nu precies in zijn werk gaat, dat zouden we graag willen weten. En ook wat er met de korst gebeurt die in de mantel zakt. Gaat het plaatmateriaal door naar de ondermantel - door de grens op zo'n 670 km diepte - of blijft het in de bovenmantel? Wordt de korst gerecycled?

"Belangrijk in dit verband is ook de vraag hoe het warmtegeleidingsvermogen van het mantelmateriaal onder hoge druk en temperatuur verandert. Dat is iets wat men volgens mij tot nu toe niet heeft willen onderzoeken. Wanneer daar zou uitkomen dat dat geleidingsvermogen heel groot is, wat ik vermoed, dan zou je namelijk in de binnenmantel geen convectiestromingen meer nodig hebben. De ondermantel van de aarde zou dan gewoon door geleiding zijn warmte naar boven kunnen transporteren. Aan dat onderzoek zou je eens een goede fysicus moeten zetten.

"De resultaten van tomografie, zwaartekrachts- en afstandsmetingen geven ons een snapshot van de aarde zoals we die nu kennen. Ik denk dat we in de komende tien à twintig jaar een aardig inzicht zullen krijgen in het inwendige van die aarde. Mijn idee is dat we uit dat onderzoek een aarde zien komen waarvan de ondermantel nogal "dood' is, zijn warmte goed geleidt, en een bovenmantel waarin van alles gebeurt. En misschien zal er nog een heel klein beetje uitwisseling aan de grens blijken op te treden.'

"Hoe verder we terugkijken naar het verleden, des te berookter wordt natuurlijk onze bril. Met behulp van geologische gegevens kunnen we de platentektoniek, en dus de dynamica van de aarde, tot ongeveer 500 miljoen jaar in het verleden traceren. Daarvóór hebben we ook dat waarnemingsgegeven niet meer en mogen we de vraag gaan stellen of er toen wel platentektoniek bestond. Daar heb je dan verschillende scholen in. Volgens die van het uniformitarianisme (of actualisme) is het vroeger altijd zo geweest als nu. Alle geologen van die school zitten hun modelletjes in te passen in het mechanisme van de huidige platentektoniek.

"Anderen, waaronder ikzelf, die een kleine minderheid vormen, zeggen dat de platentektoniek er toen niet was. We hebben namelijk harde bewijzen dat de bovenmantel van de aarde in het Archacum, de oudste geologische periode (2,5 tot 3,8 miljard jaar geleden) heter was dan nu. Vulkanische gesteenten ontstonden toen uit magma's die ongeveer 300 graden heter waren dan de huidige magma's. Door die hogere temperaturen zat de aarde volgens ons anders in elkaar dan nu en was er ook geen platentektoniek.

"Wat er nooit met zekerheid bekend zal worden, denk ik, is de situatie in de periode vóór het Archacum. Deze periode (3,8 tot 4,5 miljard jaar geleden) is het echte terra incognita. Hier kunnen de geleerden ten eeuwige dage over blijven kibbelen. Men weet gewoon niet wat er toen op aarde gebeurde. Er zijn inslagen geweest van planetesimalen, maar er is niets uit die periode overgebleven wat ons enig houvast zou kunnen geven. Het is het "zwarte gat' in de geschiedenis van de aarde.'