Koude superpluimen

Stromingen in de aardmantel verlopen veel complexer dan tot nu toe gedacht, aldus seismoloog Jeannot Trampert. `Onderin liggen zeer zware structuren die nauwelijks bewegen.'

GEOLOGEN maken nogal eens de vergelijking tussen een pan soep op het fornuis en de aardmantel: de bijna drieduizend kilometer dikke laag gesteente tussen de aardkorst en de buitengrens van de aardkern. Onder invloed van de hete kern warmen de diepste lagen van de aardmantel op, als de onderste soep in een pan. Het warme gesteente stijgt op, koelt langzaam af en begint als gevolg daarvan weer te dalen. Bergketens en oceanen ontstaan doordat de aardkorst meebeweegt op deze zogeheten convectiestromen.

Maar volgens Jeannot Trampert, hoogleraar seismologie aan de Universiteit Utrecht, klopt dit beeld niet meer. Op basis van een model dat drie maanden lang heeft gedraaid op een supercomputer in Minnesota, heeft de Luxemburger aangetoond dat de stromingen in de aardmantel veel ingewikkelder zijn dan tot nu toe is aangenomen (Science, 29 okt). Naast de opwarming speelt volgens hem ook de chemische samenstelling van gesteente een rol: licht gesteente (met een relatief lage dichtheid) stijgt op, het hoeft niet altijd warm te zijn. De mantel is bovendien geen homogene massa, en zelfs de metafoor van een pan erwtensoep met grote brokken gaat mank. In werkelijkheid, meent Trampert, zijn grote delen van de aardmantel te zwaar om überhaupt in beweging te komen. Dat geldt voor de onderste laag, vlakbij de aardkern, en misschien ook wel één of meerdere lagen hogerop in de mantel.

Volgens Rob van der Hilst van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge (VS) sluit het model van Trampert aan bij recente publicaties over de aardmantel. Zo was het al langer duidelijk dat slabs (stukken oceaanbodem die in een zogeheten subductiezone onder een ander deel van de aardkorst schuiven en afbreken) niet allemaal het onderste deel van de aardmantel bereiken. Dat zou kunnen betekenen dat de diepste delen van de mantel lang onaangeroerd blijven. ``Trampert is de eerste die concrete bewijzen levert voor de deugdelijkheid van een model dat kan dienen als alternatief voor het klassieke model'', zegt hij in een telefonische toelichting vanuit Cambridge.

Maar hoe zit de mantel er dan uit? Jeannot Trampert heeft niet zo maar een alternatief paraat voor de soepmetafoor: ``Ik vind het moeilijk om in mijn hoofd een voorstelling te maken van wat er in de mantel gebeurt. Duidelijk is in elk geval dat onderaan de mantel zeer zware structuren liggen die nauwelijks bewegen.''

Geologen die zich een beeld willen vormen van het binnenste van de aarde kampen met een structureel probleem. De diepste mijnen en boringen leveren slechts gegevens van de buitenste 0,03 procent van de aarde en vulkanen brengen maar sporadisch gesteente van veel grotere diepte omhoog. De belangrijkste informatie komt van de analyse van de aardebevingsgolven die zich door de aardmantel verplaatsen. Een netwerk van seismografen over de hele wereld registreert hoe aardbevingsgolven zich vanaf het epicentrum naar het aardoppervlak bewegen. Trampert: ``Als je de golven van een aardbeving aan de andere kant van de wereld kunt ontvangen en je weet welk pad ze door de aardbol hebben hebben afgelegd, dan kun je de snelheid van die golven bepalen.'' De snelheid van longitudinale golven (drukgolven) en tranversale golven (vergelijkbaar met het op- en neer bewegen van een springtouw) geeft informatie over de elastische eigenschappen van het materiaal waar ze doorheen zijn gegaan. Trampert: ``Daar komt nog bij dat de aarde bij hele zware aardbevingen in zijn geheel begint te vibreren; als een kerkklok. De frequenties van die vibraties kun je meten en ook die generen een driedimensionaal beeld van de aarde.''

Het beeld dat deze techniek (seismische tomografie) oplevert is te vergelijken met beelden die medici verkrijgen met behulp van ultrasound (bijvoorbeeld van een baby in de baarmoeder) of de zogeheten CT-scans (computer tomography). In plaats van botten of zachte weefsels brengt de seismische tomografie structuren in de aarde in beeld. De kleinste structuren die Trampert kan `zien' met zijn model hebben een diameter van zo'n 1.000 kilometer.

Voor zijn computermodel gebruikte Trampert seismologische gegevens van Iris, een datacentrum waar sinds begin jaren tachtig registraties van aardbevingen worden bewaard. Daarnaast maakte hij gebruik van gegevens over subtiele variaties in het aardse zwaartekrachtsveld (die informatie geven over de dichtheid van de aarde) en van gegevens van fysici die met experimenten hebben bepaald hoe verschillende mineralen zich gedragen onder zeer hoge druk. In het model van Trampert vormen de verschillen in de chemische samenstelling van deze mineralen in de mantel een belangrijke verklaring voor variaties in de snelheid van seismische golven.

vloeistof

Van der Hilst: ``De snelheid van de seismische golven wordt bepaald door verschillende variabelen. De temperatuur speelt een rol; in warm materiaal bewegen golven zich langzamer voort. Tranversale golven kunnen zich in vloeistof zelfs helemaal niet voortplanten. In modellen van de diepe aarde zijn geologen er lang vanuit gegaan dat materiaal waar golven zich traag doorheen bewegen relatief warm is, maar dat blijkt een te simpele interpretatie. Variaties in chemische samenstelling spelen een belangrijke rol. In relatief licht materiaal zoals zandsteen bewegen golven zich sneller voort dan in het dichte gesteente dat zich diep onder het aardoppervlak vormt. In modellen voor de samenstelling van aardkorst is het effect van die variaties in samenstelling en compositie al langer bekend, Trampert levert dat beeld nu voor het eerst ook voor de diepe aarde.''

Trampert concludeert uit zijn modelberekening onder meer dat op een diepte van 2.000 tot 2.900 kilometer onder het aardoppervlak het ijzergehalte varieert tussen 8 en 12 procent. Relatief hoog is het gehalte aan ijzer in een gebied onder het midden van de Stille Oceaan en in een deel van de mantel onder Afrika. Het betreft hier volgens Trampert zogeheten superpluimen. Veel geologen gingen er tot op heden vanuit dat deze superpluimen warm zijn en als gevolg daarvan opstijgen. Volgens Trampert zijn de vermeende superpluimen juist koud en zwaar. Niet de hoge temperatuur, maar de chemische samenstelling verklaart in zijn model de lage snelheid van de aardgolven in deze regionen van de mantel.

Warme superpluimen onder de Stille Oceaan en Afrika werden in verband gebracht met respectievelijk de vorming van de Hawaii-archipel en de Riftvallei in Afrika. Het vulkanisme op deze plaatsen (en het langzaam opensplijten van de aardkorst in Afrika) zou te verklaren zijn doordat een kolom van warm materiaal (een zogeheten mantelpluim) vanaf het onderste gedeelte van de mantel omhoog komt, maar dat scenario is ondenkbaar als het gesteente op deze plaatsen zwaar is in plaats van warm. Ik denk dat we de verklaring voor de Riftvallei en de vulkanen van Hawaii moeten zoeken in processen die zich in de aardmantel op een relatief beperkte diepte afspelen.

Trampert wijst op een belangrijk onderscheid tussen de enorme superpluimen die hij met zijn methode in kaart heeft gebracht en de veel kleinere mantelpluimen of hotspots onder een eilandgroep als die van Hawaii: ``Ik ben ervan overtuigd dat superpluimen en deze hotspots gerelateerd zijn, maar ik kan de hotspots met een diameter van 100 à 150 kilometer met mijn methode niet registreren. Wel moet je je realiseren dat de uitzetting door verhitting snel terugloopt naarmate je dieper de aarde ingaat. Als materiaal omhoog moet komen vanaf de grens tussen de mantel en de aardkern, zoals in de theorie van deze hotspots, dan heb je daar gebiedjes nodig met een temperatuur van meer dan duizend graden. Dat lijkt mij niet realistisch.''