Dichtheid

Wanneer de oceanische plaat onder de continentale plaat duikt, speelt niet zozeer de zwaarte maar de dichtheid van gesteenten een rol. Bij afkoeling neemt de dichtheid nog toe en sleurt de groeiende lithosferische laag de (minder dichte) oceaankorst mee de diepte in. 

Van Joost Joosten (roc Tilburg) komen twee vragen die met elkaar te maken hebben. 
Bij subductie duikt de oceanische plaat onder de continentale, omdat basalt zwaarder is. Oké, basalt is iets zwaarder, maar de continentale korst is zo veel dikker, dat die in totaal zwaarder moet zijn dan de oceanische korst. Dus hoe zit dat?

Zwaar en licht

Goed om te weten: basalt is niet zwaarder of lichter dan graniet. Zoals in de vraag al staat: het ligt er maar net aan hoeveel ervan is. De termen zwaar en licht worden in spreektaal vaak gebruikt als we eigenlijk bedoelen: hoge en lage dichtheid. Zoals hier. 

Basalt is een silicaatgesteente met relatief veel magnesium en ijzer. Mafisch dus, van magnesisch-ferrisch. Graniet is ook een silicaatgesteente, maar niet zo mafisch. In vergelijking met basalt zit er meer silica en kalium in (naast wat andere verschillen). De chemische samenstelling van een gesteente bepaalt welke kristallen erin kunnen voorkomen en dat is zeer bepalend voor de dichtheid. Basalt bevat bijvoorbeeld te weinig silica om bij de stolling kwarts te kunnen vormen (dichtheid ongeveer 2,65 g/cm3), maar is mafisch genoeg voor de vorming van olivijn en pyroxeen (dichtheid > 3 g/cm3). Het omgekeerde geldt voor graniet en dat verklaart in hoge mate het dichtheidsverschil tussen die gesteenten (die voor de rest vooral uit vergelijkbare veldspaten bestaan). Basalt en graniet hebben een dichtheid van ongeveer 3 g/cm3 en 2,7 g/cm3. Een verschil van 10%. Het lijkt misschien klein, maar is relatief even groot als het verschil tussen ijs (lichter) en water. En het is nog nooit voorgekomen dat een ijsblokje spontaan naar de bodem van een glas zonk. Dus zo’n verschil betekent wel wat: als het een kwestie is van erop of eronder, zal de gesteentemassa met de hoogste dichtheid meestal onderop terechtkomen. Het helpt daarbij dat de oceaankorst (door de hogere dichtheid en geringere dikte) sowieso al 5 of 6 km lager ligt dan de continentale korst. Het loopt ook weleens anders, er zijn best gevallen bekend van stukken oceaankorst die op een continent terechtkomen, zoals in Oman en Cyprus. In dat geval zijn er dan toch delen van de oceaankorst afgeschraapt van de rest van de lithosfeer en deel van de continentkorst geworden. 

Afkoeling

Bij subductie duikt de lithosferische korst ook mee. Is dat beetje basalt van de oceanische korst zo veel zwaarder dan de lithosferische plaat? Wordt de lithosfeer meegezogen, omdat de oceanische korst zwaarder is dan de continentale korst?

De oceanische korst bestaat uit basalt (of ander gesteente met ongeveer die samenstelling, zie hierna) en heeft dus een dichtheid van ongeveer 3 g/cm3. Dat is een lagere dichtheid dan peridotiet, waaruit de onderliggende mantel bestaat, van ongeveer 3,3 g/cm3. Ook weer een verschil van 10%, dus basalt drijft net zo goed op (of beter gezegd: in) de mantel als een ijsberg in zee. Anders gezegd, oceanische korst is helemaal niet geneigd te subduceren. Dat dit toch gebeurt, komt omdat de oceanische korst qua beweging één geheel vormt met de mantel direct eronder. Dit starre blok dat als één geheel beweegt noemen we de lithosfeer. De onderkant van de lithosfeer is een zone waar het gedrag van het gesteente verandert. Binnen de lithosfeer zijn de druk en temperatuur zodanig dat het gesteente een bepaalde weerstand tegen vervorming heeft. Het breekt of plooit niet zomaar en kan zich als één geheel gedragen. Dat contrasteert met de asthenosfeer eronder. Daar zijn de druk en temperatuur zodanig dat het gesteente (dat verder in wezen precies hetzelfde spul is als in de lithosferische mantel: peridotiet) bij de minste druk al vervormt. Het is niet vloeibaar, maar op een geologische tijdsschaal kan het dus wel vloeien en dat doet het ook. Dit is de laag waar de starre lithosfeer overheen glibbert. 

Wat er ongeveer gebeurt na de vorming bij een mid-oceanische rug, is dat de oceanische  lithosfeer geleidelijk afkoelt. Die ligt immers onder een oceaan met een temperatuur van net boven nul. Eerst is er alleen het laagje basalt, de oceanische korst van 10 kilometer dik. Naarmate de lithosfeer verder afkoelt, groeit het deel van de mantel dat tot de lithosfeer behoort (het starre deel) ten koste van de asthenosfeer. Koud gesteente heeft een wat hogere dichtheid dan warm gesteente. Omdat de lithosfeer bestaat uit een laagje basalt (met een wat lagere dichtheid) en peridotiet (met een iets hogere dichtheid), houdt die wel een tijdje drijfvermogen. Maar naarmate er aan de onderkant meer lithosferische mantel aangroeit, neemt het drijfvermogen ten opzichte van de asthenosfeer eronder af. Uiteindelijk kan het neutraal of zelfs negatief worden. En dan zal er (in principe) subductie optreden. Dat afkoelen gaat wel alsmaar langzamer, want de lithosfeer vormt zelf een isolerende laag op de onderliggende mantel. In de praktijk groeit de oceanische lithosfeer na ongeveer 70 miljoen jaar nauwelijks nog aan en is dan iets meer dan 100 kilometer dik. De oudste oceaankorst die we kennen (in de Middellandse Zee en de Arctische Oceaan) is ongeveer 200 miljoen jaar oud, dus je kunt vaststellen dat dat zo’n beetje de uiterste houdbaarheidsdatum is van oceanische lithosfeer. Als subductie optreedt, ‘wil’ de basaltische oceaankorst eigenlijk nog steeds niet mee naar beneden (want relatief lage dichtheid), maar zit nu eenmaal vast aan de eronder aangegroeide lithosferische mantel. Het is dus niet zozeer de lithosferische mantel die wordt meegezogen door de korst, maar andersom: de oceanische korst wordt mee de diepte in getrokken door de lithosferische mantel.