Mantelconvectie

In de herziene eindtermen vwo van het examenprogramma staat dat eigenlijk alle plaatbeweging te verklaren is door ridge push en slab pull. Mantelconvectie heeft als verklaring afgedaan (zie ook Geografie maart en april 2021). Waarom staat mantelconvectie (als ‘convectiestromen’) dan toch óók genoemd?

Als je naar de ‘traditionele’ illustraties in veel lesmethoden kijkt, lijken convectiestromen in de aardmantel zo’n beetje de drijvende kracht achter plaatbeweging. Het ziet er ook plausibel uit. Er gaan tenslotte platen opzij (weg van divergente plaatgrenzen) en naar beneden (bij subductiezones). Dan is het niet zo gek om aan te nemen dat de mantel onder die platen wel zal meebewegen. Toch staat er in de eindtermen (bijvoorbeeld Syllabus vwo 2023 5a.1): ‘Plaatbewegingen zijn het resultaat van een duwkracht vanuit de (mid)oceanische rug (ridge push) en een trekkracht als gevolg van het wegduiken van de oceanische korst bij een subductiezone (slab pull).’

Dat laat eigenlijk geen enkele rol open voor convectiestromen, de vroegere verklaring. Toch ontbreken in diezelfde eindtermen ridge push en slab pull in het rijtje belangrijke begrippen en staat daar wel ‘convectiestromen’. Hoe zit dat? Daarvoor moeten we een paar zaken op een rijtje zetten: (1) waarom zijn convectiestromen geen plausibele oorzaak van plaatbeweging en (2) welk bewijs is er dan toch voor het optreden van convectiestromen en hoe passen die in het complexe geheel?

Geen oorzaak

Om met het eerste te beginnen, mantelconvectie als drijvende kracht achter plaatbeweging ziet er eigenlijk alleen plausibel uit in een stilstaande tweedimensionale dwarsdoorsnede (figuur). ‘De mantel’ beweegt en sleurt de lithosfeer die erop ligt mee (basal drag).

Zodra je de aarde als driedimensionale bol beschouwt, die constant in beweging is, stuit je op allerlei problemen. Zoals:

• Afrika is aan verschillende kanten omgeven door spreidingsruggen (waar platen uit elkaar bewegen), dus minstens één van die ruggen moeten zelf in beweging zijn (en dan zou een hele convectiezone moeten verplaatsen);
• platen bewegen niet bij alle wijkende plaatgrenzen even snel uit elkaar (wat zou betekenen dat ook de mantel op verschillende plekken met heel verschillende snelheden convecteert); en
• de convectiecellen zouden soms heel asymmetrisch moeten zijn, waarbij de cel aan één kant veel langgerekter is en een veel langere omlooptijd zou hebben dan aan de andere; denk aan de Grote Oceaan, waar de mid-oceanische rug aan de oostkant ligt.

Er zijn nog meer problemen te noemen. Waar het op neerkomt is: geologen hebben nooit veel gehad aan convectiestromen als verklaring voor de beweging van platen. De stromen zijn eigenlijk niet waarneembaar en je kunt geen toetsbare voorspellingen doen op basis van het concept. In de wetenschap betekent dit dat je het idee moet afschrijven.

Een wél goed vast te stellen fenomeen, namelijk de aanwezigheid van subductiezones en de ouderdom van de lithosfeer die daar de mantel in zakt, blijkt sterke invloed te hebben op de snelheid van plaatbeweging. Zo gaat de spreiding van platen, en de beweging, sneller in de Grote Oceaan dan in de Atlantische. Dat is grotendeels te verklaren doordat de Grote Oceaan aan bijna alle kanten omringd wordt door subductiezones (waar de lithosfeer de mantel in zakt en de rest van de plaat achter zich aantrekt). Langs de randen van de Atlantische Oceaan ontbreken die subductiezones bijna geheel.

Ze bestaan wél, als gevolg

Hoe zit het dan met convectiestromen, kunnen we die helemaal vergeten? Vooropgesteld: het staat wel zo’n beetje vast dat er sprake is van bepaalde vormen van convectie in de mantel. Als er ergens iets naar beneden gaat, móet er ergens anders wel iets naar boven komen, aangezien de aarde niet van volume of vorm verandert. En dát er materiaal vanaf dicht bij het aardoppervlak tot honderden kilometers diep de mantel indringt, is zeer aannemelijk op basis van onderzoeksresultaten gevisualiseerd in de Hades Underworld Explorer. Relatief koud materiaal (met een iets hogere dichtheid, en iets hogere snelheid van seismische golven) kunnen we vanaf bekende subductiezones traceren tot dieptes van honderden kilometers. En dat er bij divergente plaatgrenzen materiaal naar boven komt, is ook indirect geobserveerd. Dat de mantel, toch een laag vast gesteente (geen magma) van 2900 kilometer dik, überhaupt kan convecteren, al is het langzaam, is een opmerkelijk gegeven en ook van groot belang voor bijvoorbeeld de werking van de waterkringloop en koolstofkringloop op geologische tijdschalen. Diamanten, gevormd uit koolstof onder extreme druk, zijn bijvoorbeeld een gevolg van ‘convectie’, waarbij koolstof van het oppervlak naar grote diepte in de mantel is gebracht.

BRONNEN

• Andeweg, B. (2021). Nieuw concept in de plaattektoniek? Geografie maart 2021.
• Hades Underworld Explorer.
• Van Hinsbergen, L., & Van Hinsbergen, D. (2021). Plaattektoniek in het onderwijs. Geografie april 2021.