Zinkende aardplaten in een nieuwe atlas

Geologie

Waar aardplaten botsen en onder elkaar schuiven, zinken stukken plaat de aardmantel in. Dat is nu wereldwijd in kaart gebracht.

Een van de beelden uit de Atlas van de onderwereld, in dit geval van de in de aardmantel afgezonken Cocos-plaat Foto The Atlas of the Underworld

Zeventien jaar hebben ze er aan gewerkt, met zijn drieën. Nu is-ie klaar: de Atlas van de Onderwereld. Samengesteld door geofysici Douwe van der Meer en Wim Spakman, en geoloog Douwe van Hinsbergen. De atlas (hier in te zien) bevat seismische beelden van 94 stukken aardplaat die in de mantel zijn afgezonken. Dat zinken is het gevolg van platentektoniek, het continue, dynamische proces waarbij de gemiddeld zo’n 60 kilometer dikke platen (opgebouwd uit korst en bovenste aardmantel) traag langs het aardoppervlak schuiven. Waar platen bij elkaar komen, schuift de ene onder de ander – de subductiezone – en verdwijnt langzaam de diepte in.

„Deze atlas markeert een mijlpaal”, reageert Guust Nolet, emeritus hoogleraar Geofysica aan de universiteiten van Princeton en Nice. „Het is de eerste systematische kartering van zinkende aardplaten in de mantel.”

Avonduren en weekenden

Het 337 pagina’s tellende artikel over de atlas verschijnt binnenkort in het tijdschrift Tectonophysics (online is het al beschikbaar). Douwe van der Meer, die in Londen bij de Canadese olie- en gasmaatschappij Nexen werkt, promoveerde vorige week aan de Universiteit Utrecht cum laude op zijn onderzoek aan de zinkende platen. „Ik heb veel in de avonduren en de weekenden aan de atlas gewerkt. En ik heb op m’n werk eens in de twee weken een vrijdag vrij”, zegt Van der Meer.

De atlas koppelt de 94 stukken zinkende aardplaat aan het oppervlakkig stuk aarde waar ze ooit deel van uitmaakten. Het trio kon tot 250 miljoen jaar terug in de tijd gaan. In sommige gevallen zat de plaat nog vast aan de aardkorst, en was de reconstructie relatief eenvoudig. Lastiger was het voor lang geleden afgebroken en diep weggezonken stukken. Soms is er op de seismische beelden alleen nog een soort blob te zien, op een diepte van 2.500 kilometer, bijna aan de grens met de aardkern. Zulke diep weggezonken stukken liggen al lang niet meer recht onder de subductiezone. Want door tektoniek zijn de drijvende platen aan het aardoppervlak waar ze ooit deel van uitmaakten inmiddels ver verschoven. Ze bewegen met een gemiddelde snelheid van 5 à 6 centimeter per jaar, ofwel 50 tot 60 kilometer per miljoen jaar.

Dekbladen

Voor Douwe van Hinsbergen, universitair hoofddocent Geologie aan de Universiteit Utrecht, begon het werk aan de atlas in 2000, met zijn promotie-onderzoek aan dekbladen op het westelijk vasteland van Griekenland. Dekbladen zijn kilometers dikke plakken gesteente opgebouwd uit lagen sediment die in de loop van miljoenen jaren zijn afgezet op continentale en oceanische korst. Van Hinsbergen trof stukken dekblad aan die schuin op elkaar lagen gestapeld, en waarvan de onderkorst ontbrak. „Ik realiseerde me dat de bladen de bovenste restanten zijn van een weggezonken plaat.” Hij doelt op de botsing van de Afrikaanse Plaat met de Euraziatische Plaat, waarbij de eerste onder de laatste dook. De voorkant van de Afrikaanse Plaat bestond destijds uit een oceanisch bekken. Oceanische korst is weliswaar dunner dan continentale korst, maar door zijn andere samenstelling ook zwaarder.

Schrapen

Daardoor duikt oceanische korst bij een platenbotsing doorgaans onder continentale korst. Maar de Afrikaanse Plaat bevatte ook stukken continentale korst. „En die duiken alleen onder als de bovenste, lichte korstlaag eraf wordt geschraapt”, zegt Van Hinsbergen. „Zoals dat ook bij de botsing tussen India en Azië is gebeurd.” De afgeschraapte stukken leggen zich over elkaar als plakjes boterhamworst in een snijmachine, en vormen zo een gebergte. Zoals de Himalaya in Azië, of de Helleniden in het westen van Griekenland.

Door de lengtes van alle over elkaar gevouwen dekbladen op te tellen berekende Van Hinsbrgen hoe lang de afgezonken plaat – in het Engels: een slab – moest zijn: tenminste 1.400 kilometer. Dat vergeleek hij met gegevens uit de seismische tomografie, een techniek die de diepe aarde in beeld brengt. Dat bleek overeen te komen. „We toonden daarmee aan dat je slabs kunt dateren op basis van geologie”, zegt Van Hinsbergen. Hij publiceerde dit onderzoek in 2005, in Geology. Daarna herhaalde hij dit voor andere stukken plaat in de bovenmantel, de bovenste 660 kilometer van de mantel.

Vulkanisme

Douwe van der Meer pakte het anders aan. Hij richtte zich juist op de ondermantel, de onderste 2.240 kilometer. Hij gebruikte vooral wereldwijde gegevens van vulkanisch gesteente. Van der Meer: „Je weet dat een paar miljoen jaar na het begin van een subductie er op die plek vulkanisme begint. En dat stopt als de subductie is geëindigd.” Op basis van datering van vulkanisch gesteente rekende Van der Meer uit hoe lang ergens vulkanisme was geweest, en hoe lang dus het afzinken van de plaat doorging. Dat combineerde hij met een computermodel dat de beweging van alle platen aan het aardoppervlak simuleert. „Ervan uitgaande dat zinkende slabs min of meer recht naar beneden bewegen, en niet horizontaal, konden we die slabs goed aan oppervlakkige platen koppelen.” Over de eerste 28 afgezonken plaatstukken publiceerden Van der Meer, Spakman en Van Hinsbergen in 2010 in Nature Geoscience. Inmiddels zijn het er 94. En het moeten er nog veel meer worden. „Want in de aardmantel zit nog van alles”, zegt Van der Meer.

De afgeschraapte stukken leggen zich over elkaar als plakjes boterhamworst in een snijmachine

Mermaids

Maar vooral onder de huidige oceanen zijn stukken afgezonken aardplaat niet altijd even duidelijk in beeld te krijgen. Het is nog een beperking van de seismische tomografie, zegt ook Guust Nolet. „Seismometers staan hoofdzakelijk aan land.” Hij ontwikkelt betaalbare robots, mermaids genaamd, die op zee seismische gegevens verzamelen.

De atlas geeft meer inzicht in de opbouw van de mantel, zegt Nolet. Uit de gecombineerde reconstructies blijkt dat de platen in de bovenmantel zakken met een snelheid van gemiddeld 60 millimeter per jaar. Op 660 kilometer diepte vertraagt dat tot tussen de 10 en 25 millimeter per jaar. Daarna, op zo’n 1.000 kilometer diepte, gaat het nog langzamer, 4 à 8 mm per jaar. Maar vanaf zo’n 2.000 kilometer gaat het weer sneller, met 12 à 15 mm per jaar. Vooral die vertraging op 1.000 meter diepte, intrigeert Nolet. „Er zit daar iets van weerstand. Slabs blijven hangen. We willen graag weten waarom.”