Aardbevingen genereren verschillende type golven, waaronder P- en S-golven. Wanneer er ergens een aardbeving plaatsvindt verplaatsen deze golven zich door de aarde. Voordat er bekend was dat er een binnen- en een buitenkern was verbaasden seismologen zich erover dat de golven niet overal geregistreerd werden. Er bestonden zogenaamde ‘P-wave shadow zones’ waar P-golven niet aan kwamen. Het antwoord op dit raadsel lag in het breken van de aardbevingsgolven. De P-golven breken op de kern-mantel grens en krijgen een andere richting, op de binnenkern-buitenkern grens gebeurt dit nogmaals met als resultaat de P-golf vrije zones. S-golven hebben naast de eigenschap dat ze breken ook de eigenschap dat ze niet door vloeistoffen kunnen reizen. S-golven kunnen wel door de mantel reizen. De mantel is namelijk niet vloeibaar, slechts 'taai-vloeibaar'. Dit betekent dat de mantel zich op geologische tijdschaal als een vloeistof gedraagt. Het heeft echter geen effect op de aardbevingsgolven die er doorheen reizen. Het feit dat er in seismische stations aan de andere kant van de wereld geen S-golven worden gemeten en wel P-golven betekent dus dat er een vloeibare buitenkern moet zijn.
De aarde doorlicht
Hoe ziet de aarde er van binnen uit? De buitenkant van onze planeet hebben we inmiddels behoorlijk goed in kaart gebracht. We weten waar de continenten, zeeën en bergen zich bevinden. Zelfs de diepste trog op aarde is al op film gezet. Van de binnenkant weten we echter nog maar weinig. De diepste boring heeft een diepte bereikt van 12 kilometer waarmee de buitenste 0,2 procent van de aardbol doorboord is. Gewoon kijken is dus geen optie. Met seismische tomografie kom je erachter hoe de aarde er vanbinnen uitziet.
Met behulp van tomografie kunnen we de geschiedenis van de aarde achterhalen. Naast mooie documentaires levert dit ook veel informatie op voor evolutiebiologen die opeens weten waar hun geliefde beestjes leefden of sedimentologen die erachter komen waar ze op zoek kunnen gaan naar met olie gevulde bekkens. Meer informatie zal in de toekomst nog meer gedetailleerde afbeeldingen opleveren en wie weet kennen we onze planeet nog eens net zo goed als onszelf.
Aardbevingen
De data die gebruikt worden bij seismische tomografie komen van aardbevingen. Aardbevingen kunnen namelijk gebruikt worden gebruikt als scanners van de aarde. Wanneer een aardbeving in Indonesië plaatsvindt kan hij in seismische stations over de hele wereld gemeten worden. De tijd die een aardbevingsgolf erover doet om bij een seismometer te komen vertelt veel over de gesteenten waar de golf doorheen gegaan is. Aardbevingsgolven breken wanneer ze op een grensvlak komen, vergelijkbaar met het breken van licht in een glas water. Op deze manier is het bestaan van een binnen- en buitenkern achterhaald.
De snelheid waarmee een aardbevingsgolf reist is temperatuur- en drukafhankelijk. Wanneer een golf door relatief warm gesteente reist gaat deze langzamer dan wanneer een golf door relatief koud gesteente reist. Met behulp van deze kleine snelheidsverschillen kunnen fijne structuren gevonden worden zoals subducerende platen en hotspots. Daarnaast reizen golven sneller door gesteentes die onder hogere druk staan, omdat golven sneller reizen door gesteenten met een hogere dichtheid.
Seismische tomografie
Seismische tomografie is vergelijkbaar met een CT-scan. In plaats van röntgenstraling worden de aardbevingsstralen gebruikt. Er wordt bij tomografie uitgegaan van een achtergrondmodel. Op basis van dit model worden afwijkingen berekend en afgebeeld. Het achtergrondmodel wat voor de aarde veel gebruikt wordt is een model waarbij snelheid toeneemt met diepte. Dit is een logisch achtergrondmodel want golven reizen sneller op diepte door de toenemende druk.
Bijgevoegd een schematisch model ter vergelijking.
Afbeelding 1 is gemaakt met behulp van afbeeldingen uit twee papers van Wim Spakman.
Wanneer een aardbeving plaatsvindt wordt een verwachte aankomsttijd berekend aan de hand van dit achtergrondmodel. Wanneer de aardbeving op een ander moment aankomt dan de verwachte aankomsttijd dan weet je dat het model niet klopt. Het verschil in aankomsttijd wordt dan gegeven door een heel kleine afwijking over de hele afstand die de golf heeft afgelegd, of een heel grote afwijking van het model over kortere afstand. Door meerdere aardbevingsgolven te bekijken kun je steeds preciezer zeggen waar de afwijkingen zitten en hoe groot de afwijkingen zijn.
Deze afwijkingen worden uiteindelijk weergegeven in de tomografische afbeeldingen. Met behulp van deze afbeeldingen kan er dan aan de slag gegaan worden om de geschiedenis van de aarde te achterhalen. Met behulp van deze geschiedenis kunnen we processen die nu spelen beter gaan begrijpen.
Doordat de drukafhankelijkheid al is opgenomen in het achtergrondmodel komen alle afwijkingen door verschillen in temperatuur. Dit komt goed uit want de temperatuur van een gesteente zegt veel over zijn afkomst. Subducerende platen zijn koel, ze hebben immers miljoenen jaren aan het oppervlak de tijd gehad om af te koelen. In afbeelding 1 kun je duidelijk zien dat er een plaat dieper de aarde in zakt. Ook hotspots zijn te herkennen, dit zijn, zoals de naam als suggereert, warme structuren die volgens recent onderzoek hun oorsprong vinden op de kern-mantel grens.
Gemaakt door Timo Millenaar
BRONNEN
- http://news.nationalgeographic.com/news/2012/03/120325-james-cameron-mariana-trench-challenger-deepest-returns-science-sub/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Kola_Superdeep_Borehole
- French, S.W., Romanowicz, B., 2015 Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots, Nature, 525 (7567), pp. 95-99.
- Spakman, W., & Hall, R. (2010). Surface deformation and slab–mantle interaction during Banda arc subduction rollback. Nature Geoscience, 3(8), 562-566.
- Bijwaard, H., & Spakman, W. (1999). Tomographic evidence for a narrow whole mantle plume below Iceland. Earth and Planetary Science Letters, 166(3), 121-126.