Nieuwe geoanimatie: de structuur van de mantel

Uit de rubriek ‘Vraag het de geoloog’ blijkt wel dat plaattektoniek een pittig onderwerp is om te behandelen in de klas. Bernd Andeweg schreef er regelmatig over in Geografie. En Douwe en Lars van Hinsbergen legden in april 2021 uit dat lesmethoden en examensyllabi nog niet in de pas lopen met de huidige wetenschappelijke kennis erover. Er is nu een geoanimatie die de structuur en processen in de mantel helder verbeeldt volgens de moderne inzichten.    



Wat krijg je te zien? In eerste instantie een paar bekende elementen: de continentale korst, van zo’n 35-40 km dikte, en de oceanische korst tot zo’n 10 km. Rechts zie je een mid-oceanische rug en een rijtje vulkanen op oceanische korst, een zogeheten hotspot trail. Links een subductiezone inclusief trog, en een sliert oceanische korst die de mantel in duikt en daar uit elkaar valt. De mantel is afgebeeld als een homogene, 2900 km dikke laag tussen de korst en de kern.

Met de optie ‘toon teksten’ worden de belangrijkste elementen van tekst voorzien (figuur 1). Goed om op te letten (en leerlingen daarop te wijzen): de diktes van de korst en de oceaan zijn sterk overdreven ten opzichte van die van de mantel. Anders zou er nauwelijks korst te zien zijn, laat staan details zoals troggen en ruggen.

Het algemene beeld van de opbouw van korst en mantel is aan te vullen met meer gedetailleerde informatie. Gewoon een kwestie van aanvinken. Alles kan tegelijk aan, maar dan wordt de animatie erg druk en is het voor leerlingen moeilijk focussen op een onderdeel. Het is handig te beginnen met de optie ‘toon teksten’, maar deze uit te schakelen als je andere onderdelen aanvinkt. De ‘structuur van de mantel’ kan getoond blijven in combinatie met andere onderdelen. De overige drie – midoceanische rug, subductiezone en hotspot – kun je het best een voor een oproepen.

De animatie laat natuurlijk een heel abstract beeld zien. Wat gebeurt er nou echt in al die settings? We lopen de onderdelen langs.

Structuur van de mantel

Als je deze optie aanvinkt (figuur 2), zie je dat er direct onder de korst een stuk mantel zit, de lithosferische mantel, die in wezen één geheel vormt met de korst. Korst en lithosferische mantel samen heten de lithosfeer. Goed om te weten: we onderscheiden een continentale en oceanische lithosfeer. De continentale lithosfeer is doorgaans dikker, ook het manteldeel ervan. De oceanische lithosfeer is dunner, vooral bij de midoceanische ruggen (waar de lithosferische mantel geheel ontbreekt) en bij hotspots. Dat komt omdat de lithosferische mantel geleidelijk ontstaat, door afkoeling van de mantel, die warmte afgeeft via de oceaankorst aan de oceaan. Hoe langer de oceanische korst bestaat (oftewel verder van de midoceanische rug ligt), des te langer die heeft kunnen afkoelen en des te dikker de lithosfeer wordt. En hoe dikker de oceanische lithosfeer, des te groter de dichtheid ervan en des te sterker de neiging weg te zakken in de onderliggende mantel.

Niet expliciet in de animatie getoond, maar wel belangrijk om te benoemen: het deel mantel direct onder de lithosfeer is de asthenosfeer. Dat is het ‘stroperige’, soms deels gesmolten deel van de mantel waar de lithosfeer overheen glibbert. Plaatbeweging is dus mogelijk dankzij de stroperigheid van de asthenosfeer, maar die beweegt zelf niet mee. Wel in beeld: de discontinuïteit in de mantel op grofweg 660 km diepte. Dit is een overgang waar door de enorme druk andere mineralen ontstaan met een hogere dichtheid, ook al is de chemische samenstelling van het mantelgesteente boven en onder die discontinuïteit ongeveer hetzelfde. Het is dus een vrij plotseling verschil in dichtheid. Met als gevolg dat bijvoorbeeld een stuk oceanische lithosfeer dat naar beneden zakt door de asthenosfeer, toch weer een te lage dichtheid heeft om (meteen) door de discontinuïteit te zakken. Er kunnen dus stukken gesubduceerde plaat op de overgang blijven hangen, in elk geval een tijdje. Maar ze kunnen er ook doorheen zakken en dieper de mantel in verdwijnen, bijvoorbeeld als ze een net iets hogere dichtheid hebben.

Mid-oceanische ruggen

Vink ‘mid-oceanische rug’ aan (figuur 3) en er verschijnen teksten en pijlen bij de mid-oceanische rug en in de stukken korst aan weerskanten ervan. De pijlen laten zien dat er volop beweging is. Er komt bij zulke ruggen blijkbaar mantelgesteente omhoog. Dat is heet (want het komt van dieper in de mantel, waar de temperatuur hoger is) en het is vast (want vrijwel de hele mantel bestaat uit vast gesteente). Die opwellende mantel beweegt ook opzij, om plaats te maken te maken voor nieuw materiaal uit de diepte, maar de animatie laat in het midden hoe ver opzij. Het is niet waarschijnlijk dat dit mantelgesteente erg ver meebeweegt met de lithosfeer, simpelweg omdat er eigenlijk geen aanwijzingen zijn dat dit gebeurt. Wat de animatie niet laat zien, maar wel goed is om te vertellen: het omhoogkomende mantelgesteente smelt voor een deel. Dit partieel smelten, zo’n 10-20% van het volume, treedt op door de drukverlaging (bij een lagere druk ligt het smeltpunt bij een lagere temperatuur). Smelten door drukverlaging (decompressiesmelten) gebeurt ook bij hotspots (zie verderop), maar niet in subductiezones. Het magma dat zo ontstaat, is basaltisch van samenstelling, beweegt naar boven vanwege de relatief lage dichtheid en vormt een tot 10 km dikke oceanische korst.

Omdat er bij de mid-oceanische rug alleen een dun korstje is en geen lithosferische mantel (zie Structuur van de mantel), heeft de plaat hier een lage gemiddelde dichtheid. De plaat drijft daarom hoog op de onderliggende mantel (vergelijk een houten plank in water). Naarmate de korst er langer ligt (en dus verder van de rug is gedreven) groeit de lithosferische mantel eronder aan. Die heeft een hogere dichtheid, waardoor het geheel steeds dieper komt te liggen in de mantel. Zo ontstaat er een hellend stuk plaat, dat onder invloed van de zwaartekracht eigenlijk van de helling af wil glijden. Dat kan niet, want onderaan de helling ligt nog meer plaat, maar het heeft wel een duwende kracht. Die kracht heet ridge push en speelt een belangrijke (maar niet de grootste) rol bij het in gang zetten en houden van plaatbeweging.

Subductiezones

Oceanische lithosfeer die voldoende is afgekoeld, kan zo’n grote dichtheid krijgen dat die in de asthenosferische mantel wegzakt: subductie (figuur 4). De animatie toont een klassieke, Andes-achtige subductiezone. De oceanische lithosfeer duikt weg en ondergaat op weg naar beneden, door de toenemende druk, een overgang waarbij er andere mineralen ontstaan (vooral granaat en pyroxeen) en het water dat in de oceanische korst zat eruit wordt ‘geperst’. Dat water komt in de bovenliggende mantelwig terecht, die veel warmer is dan de subducerende plaat, en water zorgt in gesteente voor een verlaging van het smeltpunt. Hier ontstaat dus magma door de toevoeging van water (hydratatiesmelten). Verder gaat het hier net als bij een mid-oceanische rug om partieel smelten, en ontstaan er magma’s met een basaltachtige samenstelling. Die zijn wel veel rijker aan water dan de magma’s bij een mid-oceanische rug. Die waterrijke magma’s maken dat het vulkanisme bij dit soort convergente plaatgrenzen erg explosief is (aspluimpje in de animatie), vergeleken met vulkanisme in andere settings.

De animatie laat ook zien dat in zo’n convergente setting het gesteente in elkaar gedrukt kan worden, met als gevolg plooiing en verdikking van de korst. Niet getoond is een andere mogelijkheid: namelijk dat de korst juist wordt uitgerekt. Dat kan gebeuren als de oceanische lithosfeer erg oud en koud is, dus een hoge dichtheid heeft en sterk geneigd is om in de mantel te zinken, en daarbij als het ware de overliggende plaat met zich mee trekt. Rollback heet die verplaatsing van de subductiezone, en in de overliggende plaat kan dan juist een bekken ontstaan in plaats van een gebergte. Je ziet dit bijvoorbeeld veel in de westelijke Grote Oceaan, waar de subducerende lithosfeer erg oud is, want ver verwijderd van de ‘mid’-oceanische rug die eigenlijk in het oosten van de Grote Oceaan ligt. Zo ontstaan bijvoorbeeld (op hoofdlijnen) de Japanse Zee en het bekken ten zuiden van Fiji.

De lithosfeer die subduceert, zit nog vast aan de lithosfeer die aan het oppervlak ligt, en oefent daarop een trekkracht uit, de slab pull. Deze kracht speelt de grootste rol bij de horizontale beweging van platen. Dat kunnen we afleiden uit het verband tussen de snelheid van de  plaatbeweging (in de Grote Oceaan bewegen de platen sneller dan in de Atlantische) en de aanwezigheid van subductiezones (rondom bijna de hele Grote Oceaan zijn subductiezones, rondom de Atlantische Oceaan bijna nergens).

Hotspots

Hotspots zijn een geval apart in het plaattektonische verhaal. Het zijn punten aan het oppervlak waar gedurende langere tijd heet mantelgesteente van grote diepte omhoog komt en door decompressiesmelten leidt tot vulkanisme. Het moderne inzicht is dat de hotspots op aarde samenhangen met enorme volumes in de diepe mantel, boven de aardkern en tot misschien wel 1000 km dikte, van afwijkend gesteente. Die volumes worden large low shear velocity provinces (LLSVP) genoemd, oftewel grote gebieden van de mantel waarbinnen zogenoemde S-golven zich relatief langzaam voortbewegen. Om wat voor gebieden het precies gaat, is onduidelijk, maar er zijn twee grote, eentje onder de Grote Oceaan en eentje onder Afrika. In de animatie (figuur 5) is zo’n LLSVP weergegeven als een onbestemde zone aan de basis van de mantel, van waaruit een mantelpluim opstijgt.

Een ander modern inzicht is trouwens dat mantelpluimen niet altijd stabiel op hun plek hoeven te blijven. Zo lijkt het erop dat de pluim die momenteel het vulkanisme van Hawaii veroorzaakt, zich in het verleden zuidwaarts verplaatst heeft naar de huidige breedtegraad. Dat zou dan de bocht in de Hawaii-Emperor-keten van onderzeese, dode vulkanen verklaren. De combinatie van plaatbeweging en pluimbeweging tezamen leidt dan tot de vorming van een hotspot trail, zoals in de animatie is weergegeven.

BRONNEN:

• Andeweg, B. (2021). Nieuw concept in plaattektoniek, Geografie maart 2021.
• Hamill, A. (2023). Time for a seismic shift in teaching of plate tectonics. Teaching Geography Summer 2023.
• Hawley, D., & Lyon, J. (2017). Plate update: refreshing ideas for teaching plate tectonics. Teaching Geography Spring 2017.
• Van Hinsbergen, D., & Van Hinsbergen, L. (2021). Platentektoniek in het onderwijs. Geografie april 2921.