Schollensmeermiddel

Water is niet alleen aan het aardoppervlak onmisbaar. Platentektoniek zou niet bestaan zonder onderaards water.

Michiel van Nieuwstadt

Structuur van peridotiet, een gesteente dat bij vulkaanuitbarstingen aan het aardoppervlak komt. De grote groenige kristallen links zijn olivijn. Het grijsbruine kristal rechtsboven is orthopyroxeen. Illustratie Minoru Sasaki Sasaki, Minoru

Volgens de theorie van de platentektoniek bestaat de buitenkant van de aarde uit zo’n twintig rigide schollen en scholletjes die langs en over elkaar schuiven over een vervormbare onderlaag. Deze grenslaag begint op een diepte van circa 60 kilometer. Maar hoe ziet hij er eigenlijk uit? En hoe komt het dat hij meegeeft? Na meer dan 40 jaar discussie geven Katrin Mierdel van de Universiteit van Tübingen en haar collega’s een deel van het antwoord op deze vragen (Science, 20 januari).

De glijdende grenslaag ontstaat doordat een mineraal dat in principe één procent van zijn massa als water kan opnemen (orthopyroxeen) op deze diepte veel water uitstoot. Dit water verlaagt de smelttemperatuur van omliggende, andere mineralen waardoor volgens de onderzoekers een soepele waterhoudende massa ontstaat (magma).

Informatie over het inwendige van de aarde wordt vooral geput uit metingen van de snelheid en richting waarmee seismische golven erdoorheen reizen – elke aardbeving is een bron van informatie. In de jaren twintig van de afgelopen eeuw ontdekte de Duitse seismoloog Beno Gutenberg een onderaardse dip in de voortplantingssnelheid van seismische golven. Onder oceanen begint deze lagesnelheidszone (zie illustratie rechts) op een diepte van 60 à 80 kilometer en loopt zij door tot op 220 kilometer. Onder continenten begint de zone op een kilometer of 150.

peridotiet

Dankzij vulkanen hebben geologen wel enig idee van het gesteente op grote diepte. Bij uitbarstingen komt soms peridotiet aan het aardoppervlak, een gesteente dat rijk is aan het mineraal olivijn en de mineralengroep pyroxeen.

Volgens de geologische tekstboeken ontstaat de lagesnelheidszone die Gutenberg ontdekte doordat een deel van het peridotiet smelt. Er zou zich een vloeibaar laagje vormen tussen de mineralen waaruit dit gesteente bestaat. Dit mechanisme verklaarde tot voor kort het ontstaan van de asthenosfeer, de laag ‘met weinig kracht’, waar de rigide schollen of platen overheen glijden die samen de lithosfeer vormen.

In een bespreking van het stuk van Mierdel legt Nathalie Bolfan-Casanova van het Laboratoire Magmas et Volcans in Clermont-Ferrand uit waarom deze verklaring niet meer voldoet. In het laboratorium zijn geen aanwijzingen gevonden dat zich in peridotiet tussen de kristallen een soort smeermiddel vormt onder hoge druk en temperatuur. Er lijkt iets anders aan de hand. Sinds de jaren ’90 raken geologen ervan doordrongen dat de aardmantel grote hoeveelheden water bevat. Desgevraagd schat Mierdels mede-auteur Hans Keppler de watermassa in de aarde op 50 procent van de massa in de oceanen. Volgens theoretisch geofysicus Arie van den Berg (Universiteit Utrecht) is dat een wilde schatting. „Er zou in theorie nog tien keer zoveel water in de aardmantel kunnen zitten”, zegt hij.

Het water is diep in de aarde niet vloeibaar aanwezig, het wordt opgenomen in het kristalrooster van mineralen. En het zet alles op zijn kop. Het verandert de geleiding, het smeltpunt en de mate waarin je gesteenten kunt vervormen.

Om te zien hoe dat werkt stelde Mierdel capsules met water en verschillende mineralen bloot aan een druk van 15 tot 35 kilobar en temperaturen van 800 tot 1100°C. Zo ontdekte ze dat orthopyroxeen (MgSiO3) met aluminium in het kristalrooster verrassend veel water vast kan houden: tot één procent van de totale massa. Dat is meer dan honderd keer zo veel als olivijn (Mg2SiO4), het meest voorkomende mineraal in het bovenste deel van de aardmantel.

Verrassend was ook dat de pyroxenen steeds minder water vast konden houden naarmate druk en temperatuur verder werden opgevoerd. Bij olivijn werkt dat andersom. De wateropslag in het orthopyroxeen bereikt een minimum bij een druk en temperatuur die passen bij een diepte vanaf 60 kilometer onder oceanen en 150 kilometer onder continenten. Dat sluit mooi aan op het begin van de asthenosfeer.

Mierdel concludeert dat de aardmantel op deze diepten met water oververzadigd raakt. Het orthopyroxeen stoot het water uit en daardoor verandert de rest van het peridotiet in een magma dat de asthenosfeer ‘versoepelt’.

Van den Berg noemt het stuk ‘belangwekkend’. Hij vraagt zich wel af hoe voldoende waterhoudend orthopyroxeen kan worden aangevoerd naar de asthenosfeer. “Dat vereist misschien ingewikkelde mechanismen met materiaal dat van onderaf uit de mantel wordt aangevoerd.”