Bewegende hotspots; MANTELPLUIMEN ONDER DE STILLE OCEAAN AAN DE WANDEL

Niet alle hotspots, hete plekken diep in de aardmantel, zijn gefixeerd. Onder de Stille Oceaan verplaats- en zij zich met enkele centimeters per jaar.

VULKANISCHE eilanden zoals de Hawaii-archipel zijn voortgekomen uit hete plekken die duizenden kilometers diep in de aardmantel liggen. Uit deze hotspots stijgen periodiek dunne pluimen heet mantelmateriaal op, die op de langzaam voortschuivende oceanische platen rijen van vulkanen doen ontstaan. Geologen van de Vrije Universiteit in Amsterdam hebben nu gevonden dat de mantelpluimen onder de bodem van de Stille Oceaan zich in de afgelopen 140 miljoen jaar met snelheden van enkele centimeters per jaar hebben verplaatst: de theorie van de gefixeerde hotspots moet op de helling.

Anthony Koppers, afgelopen dinsdag gepromoveerd aan de VU, rolt op een grote tafel een kleurrijke kaart uit van de bodem van de Stille Oceaan. De kaart is gemaakt met behulp van de uit twee satellieten (Geosat en ERS-1) extreem nauwkeurig gemeten afstanden naar het zeeoppervlak. “Onderzeese bergen trekken door hun extra massa water aan en veroorzaken zo een soort bulten in de zeespiegel”, legt Koppers uit. “Deze bulten zijn terug te vinden in de afstandsmetingen van de satellieten en geven precies aan waar zich op de zeebodem een vulkaanberg bevindt.” Onder het oppervlak van de Stille Oceaan heeft men zo meer dan tienduizend dode vulkanen kunnen traceren, vele met een door erosie afgeplatte vorm (guyot).

Al bij een eerste blik blijken vele vulkaanbergen keurig op een rij te liggen, soms op een rij waar een knik in zit. Al in 1963 suggereerde de Canadese geofysicus Tuzo Wilson dat zulke rijen ontstaan door het schuiven van de aardkorst over een gebied in de aardmantel waarin magma omhoog beweegt, een hotspot. Koppers: “Daardoor zijn de vulkanen boven zo'n hete plek gerangschikt in een rij van oud naar jong en wordt de richting van de rij bepaald door de richting waarin de oceanische plaat beweegt.”

Dit eenvoudige principe is jarenlang gebruikt voor het afleiden van de bewegingen van aardschollen. Men meet de onderlinge afstand tussen twee vulkaanbergen, waarvan met behulp van bodemmonsters de ouderdom wordt bepaald. Deling levert dan de snelheid van verplaatsing op. Zit er een knik in de rij vulkanen, dan is blijkbaar ook de richting waarin de plaat beweegt veranderd. Koppers: “Maar dit alles natuurlijk onder de stilzwijgende aanname dat een mantelpluim ook werkelijk een gefixeerd punt in de aardmantel is.”

In de afgelopen jaren zijn sommige onderzoekers hieraan gaan twijfelen. Zo blijkt de vroegere geografische breedte van oude vulkanen, bepaald aan de hand van het fossiele magnetisme in de vulkanische gesteenten, niet altijd overeen te stemmen met de huidige ligging van hun hotspots. Verder kan de verandering in de beweging van de Pacifische aardschol rond 43 miljoen jaar geleden niet ondubbelzinnig worden afgeleid uit de data van vulkaanrijen op de bodem van de Atlantische en Indische Oceaan. Deze discrepanties zouden kunnen wijzen op een beweging van de hotspots zelf, maar helaas blijkt ook dàt iets wat heel moeilijk kan worden aangetoond.

Koppers heeft in het kader van dit actuele probleem een groep vulkaanrijen bestudeerd in de zogeheten West Pacific Seamount Province, het oudste, westelijk deel van de Pacifische plaat. Deze vulkaanrijen zijn ontstaan boven hotspots onder de Polynesische eilanden, vele duizenden kilometers naar het zuidoosten. Koppers bepaalde met behulp van de argon-dateringsmethode de ouderdom van de vulkanen (70 tot 140 miljoen jaar) en berekende bij alle rijen op welke manier de onderliggende plaat zich over de hotspots zou hebben moeten verplaatsen. Aangezien alle vulkaanrijen zich op dezelfde, starre plaat bevinden, zou er er een duidelijk resultaat uit de bus moeten komen, maar dat bleek niet het geval.

Koppers: “Ik ben toen nagegaan welke bewegingen de hotspots zouden moeten maken om de zaak wèl kloppend te krijgen. Omdat het voor de hand ligt dat zo'n beweging zal samenhangen met onderlinge stromingen in de mantel, ben ik ervan uitgegaan dat de richting ongeveer parallel zal zijn aan die van de plaatbeweging.” Hij vond toen dat de discrepanties het beste kunnen worden verklaard wanneer men aanneemt dat de hotspots per jaar één tot zes centimeter ten opzichte van elkaar bewegen.

De resultaten van dit onderzoek, waarop Koppers deze week promoveerde, laten zien dat men het idee van de gefixeerde positie van mantelpluimen moet laten varen. “Die paar centimeter per jaar lijken niet veel, maar zij verstoren de bepalingen van de plaatbewegingen”, zegt Koppers. Onderzoekers willen namelijk heel precies weten hoe de plaatbewegingen verlopen, om nauwkeurig te kunnen afleiden wanneer een plaat op een bepaald punt op aarde heeft gelegen en hoeveel materiaal er van een oceanische plaat naar de mantel is verdwenen.

Koppers: “Men neemt tegenwoordig geen genoegen meer met een nauwkeurigheid van 5 tot 10 millimeter per jaar. De nauwkeurigheid moet onder de 5 mm zakken, omdat anders de modellen van de mondiale mantelstromingen fouten gaan vertonen. Computers kunnen steeds sneller rekenen, waardoor de modellen steeds gedetailleerder worden en er ook steeds meer gegevens in die modellen moeten worden gestopt. Dan wordt ook de nauwkeurigheid van die gegevens steeds belangrijker.” Koppers hoopt dat zijn onderzoek zal bijdragen tot een beter inzicht in de manier waarop mantelconvectie is gekoppeld aan plaattectoniek.

Hij wijst er ten slotte nog op dat nu niet automatisch mag worden aangenomen dat iedere hotspot c.q. mantelpluim in de aarde aan de wandel is. De Pacifische plaat is de grootste aardplaat, die opmerkelijk dun is en de meeste hotspots bevat. Misschien bevindt zich onder deze plaat een soort superpluim. “Er is wel eens gesuggereerd dat deze plaat en de onderliggende mantelconvectie één systeem vormen, een soort aparte wereld die min of meer los opereert van mantelbewegingen elders”, aldus Koppers.