Nee, de mantel is niet vloeibaar

In deze rubriek kraakt Bernd Andeweg sleetse concepten in de aardrijkskundeles die aardwetenschappers al tijden niet meer gebruiken.

‘De platen drijven op de vloeibare mantel’ hoor je veel als uitleg van de plaattektoniek. Een verregaande simplificatie van het proces, een óversimplificatie, als je het mij vraagt. Kan misschien nog nét in de brugklas, maar in de bovenbouw valt dit niet meer te verkopen. ‘Maar meneer de geoloog, daarmee wordt het allemaal zo moeilijk.’ Nee, het wordt juist beter te begrijpen en (geo)logischer als je dit verhaal goed doorneemt. En zodra je dingen snapt, hoef je ze niet meer uit het hoofd te leren.

Chemische samenstelling

De gesteenteschil van de aarde is op twee manieren in te delen. Enerzijds is er het verschil in chemie tussen de korst en de mantel. Bij de continentale korst is dat heel duidelijk: die bestaat vooral uit lichtere elementen die zijn komen bovendrijven in de baby-jaren van de aarde. Silicium, zuurstof, dat soort werk. Dieper hangen zwaardere elementen rond, nog wel wat silicium en zuurstof, maar veel meer metalen zoals ijzer, aluminium, kalium en magnesium. De grens tussen beide is vrij scherp en al in 1909 ontdekt door Mohorovic, een Kroatisch seismoloog. Hij nam waar dat aardbevingsgolven flink in snelheid verschillen bij deze overgang in materiaal: de Mohorovic-discontinuïteit, roepnaam Moho voor vrienden en bekenden. De Moho is op de aarde goed te volgen en laat zien dat de korst van continenten op zeeniveau ongeveer 30 kilometer dik is en onder gebergten met hun bovenkant een flink stuk dikker (tot zo’n 75 km). Oceanische korst is maar zo’n 5 kilometer dik. Onder Nederland is het dus een uur stevig doorfietsen (naar beneden, dat moet lukken) tot je de mantel aantikt.

Natuurkundig gedrag

Voor plaattektoniek is het chemische verschil tussen de lagen eigenlijk niet direct van belang, maar wel het natuurkundige gedrag. Kan die laag breken of ‘vloeien’? We weten waaruit de korst en mantel bestaan en op welke diepte overgangen zitten (zie hiervoor). Ook weten we hoe de druk en temperatuur toenemen met de diepte in de aarde. Dat kunnen we combineren in laboratoriumexperimenten: daar laten we de omstandigheden die op bijvoorbeeld 180 km diepte heersen, los op een synthetisch stukje mantel. Gewoon de goede verhoudingen in een potje doen, laten smelten, goed doorroeren en weer laten stollen, klaar. En dan heel veel druk erop zetten! Uit dit soort proeven volgt dat als de druk toeneemt, ook de temperatuur die nodig is om mantel te laten smelten, toeneemt. Zie de grens tussen grijs en geel (solidus) in figuur 1. Links daarvan is de aarde dus nog solid, vast, rechts (deels) gesmolten.

De temperatuur in de aarde loopt echter niet zó vlot op met diepte dat de geotherm (die dit verloop aangeeft) op een bepaalde diepte de solidus haalt. Daaruit blijkt meteen dat de korst of mantel onder onze voeten niet zomaar ‘vloeibaar’ is in de bovenste honderden kilometers. Er is wel een punt waar de solidus en de geotherm dicht bij elkaar in de buurt komen. Dat punt ligt bij ongeveer 1300 graden Celsius.

We weten uit de experimenten dat het hoofdbestanddeel van de mantel, olivijn, bij die temperatuur vele malen zwakker wordt. Dit is dan ook de overgang van de lithosfeer naar de asthenosfeer. Die verdeling staat aan de rechterkant van figuur 2. De lithosfeer is het deel dat bestaat uit (vaste) platen die bewegen ten opzichte van elkaar, de asthenosfeer ‘vloeit’.
De bovenste laag van de mantel maakt dus deel uit van de lithosfeer en de grens tussen lithosfeer en asthenosfeer ligt in de mantel. Hij bevindt zich niet op een bepaalde vaste diepte, maar is dus thermisch bepaald en gekoppeld aan die 1300-graden isotherm (lijn die punten met gelijke temperatuur met elkaar verbindt).

De dikte van de lithosfeer hangt sterk samen met de laatste keer dat er warmte in een gebied omhoog kwam. Onder stabiele, oude schilden die al lang geen tektoniek hebben meegemaakt, is de buitenkant van de aarde flink afgekoeld: de lithosfeer kan hier honderden kilometers dik zijn. Maar in een riftzone is de lithosfeer flink verdund. En bij een mid-oceanische rug komt de asthenosfeer zo ongeveer aan het aardoppervlak.

‘Vloeibaar’

In figuur 1 valt ook op dat de toename van temperatuur met diepte vanaf ongeveer 150 kilometer ineens tegenvalt. Dat wijst erop dat de lithosfeer als een bakstenen muur isoleert. Warmte kan er alleen doorheen door middel van conductie (warmtegeleiding dóór vaste stof). Daaronder bevindt zich de asthenosfeer, die ‘rondstroomt’ en waarin convectie (warmtestroming door verplaatsing van materiaal) het belangrijkste proces is in de (her)verdeling van warmte. In de boekjes staat wel vaak ‘vloeibaar’, maar je moet dat ‘vloeien’ van de asthenosfeer dus niet al te letterlijk nemen. Ja, op geologische tijdschalen, zoals de snelheid waarmee je vingernagels aangroeien. Denk aan een heel trage gletsjer die naar beneden stroomt. Is die vloeibaar? Of pindakaas? Ligt misschien aan het merk. Zonder reclame te willen maken: de bio-pindakaas is alleen vloeibaar als je de olie er goed doorheen roert. De pindakaas waarmee iedereen groot is geworden (én schaatsers), ziet er al minder vloeibaar uit. Doe maar eens een stevige dot op een (flink) schuine plank en kijk de volgende dag even. De asthenosfeer is nog vele ordes van grootte minder goed smeerbaar!

Smelt

‘Maar bij vulkanen komt toch magma voor? Dan is er toch gesmolten gesteente onder onze voeten?’ Ja, zoals je sinds maart weer kunt zien in IJsland: er zijn zeker gesmolten gesteenten. Dus moeten er manieren zijn om dat mantelmateriaal te laten smelten. Kijk weer even naar figuur 1; er zijn twee opties.

1. Je verbuigt de geotherm (‘1’ en rode pijl in figuur 3). Oftewel: je brengt het mantelmateriaal snel omhoog. Het heeft dan niet genoeg tijd om af te koelen terwijl de druk wél snel afneemt. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij een mid-oceanische rug, waar materiaal op weg is naar het oppervlak. Op enkele tientallen kilometers diepte zijn de omstandigheden dan zo dat mantel écht vloeibaar kan worden.

2. Je brengt de solidus naar links (‘2’ en blauwe pijl in figuur 3) door water toe te voegen. Dat gebeurt bijvoorbeeld bij een subductiezone, waar oceaankorst de diepte in duikt en water en sediment meeneemt. Water verlaagt de temperatuur die nodig is om het mantelgesteente te smelten, waardoor de solidus wat opschuift naar links en de geotherm kan raken. Dat water komt ook deels omdat op ongeveer 120-150 km diepte het mantelgesteente zélf de ingebouwde OH-verbindingen (zuurstof en waterstof) slecht kan vasthouden (lichtblauwe zone in figuur 3). Dat komt vrij, vormt water en maakt daarmee de weg vrij voor deels smelten. Een mooi staaltje terugkoppeling.

Kortom: als het nog een keer gaat over de mantel die vloeibaar is… hoor je eigenlijk twee fouten in één zin. Veranderen jullie dit even in jullie uitleg? En kan iemand dit meteen ook aanpassen in alle AK-boeken?