De geologie van het aanrechtblad

Een beetje scheikunde om uit te leggen waarom de oceanische plaat zwaarder is dan de continentale. En om en passant de samenstelling van een granieten aanrechtblad te duiden.

Een vraag van Thomas Budie (Alberdink Thijm College, Hilversum): De oceanische plaat heeft een hogere dichtheid dan de continentale. Heeft dat te maken met het gehalte aan ijzer en magnesium? En waarom zit er meer ijzer in het magma bij divergente plaatgrenzen?

Iets wat in de aardrijkskundeboeken niet zo veel aandacht krijgt, is waaruit stenen eigenlijk bestaan. Begrijpelijk, want het wordt dan direct erg scheikundig. Maar zonder die kennis is zoiets moeilijk uit te leggen. Daarom een crash course petrologie en mineralogie. 

Elementen

Stenen zijn aggregaten van kristallen. Dat zijn weer stukken vaste materie die volgens een bepaald driedimensionaal patroon zijn opgebouwd uit atomen van bepaalde elementen. Zo’n specifieke samenstelling en ruimtelijke opbouw noemen we een mineraal. Vergelijk het met dieren: kristal verhoudt zich tot mineraal zoals dier tot diersoort. Een mineraal met een simpele samenstelling is bijvoorbeeld kwarts: SiO2. Zoals de aanduiding aangeeft, bestaat het uit eenheden van steeds één silicium-atoom en twee zuurstofatomen. 

Het meest voorkomende element, als je kijkt naar de aantallen atomen en naar het volume dat het element inneemt in/op aarde, is zuurstof. Qua volume bestaan zowat de hele korst en mantel uit zuurstof. Dat je daar geen erg in hebt, komt omdat de zuurstof gebonden is aan metalen, zoals silicium en ijzer. De aardkorst en de mantel, c.q. gesteenten, bestaan uit geoxideerde metalen. Vandaar dat geologen de samenstelling meestal weergeven als percentages oxiden: zoveel SiO2, zoveel MgO, zoveel Na2O enzovoort.

Dichtheid gesteente

Verschillen in dichtheid tussen gesteenten ontstaan op een paar manieren. Er kunnen poriën in het gesteente zitten als dat aan de oppervlakte is ontstaan (zoals puimsteen en zandsteen) en dat maakt het gesteente lichter. Op meer dan een paar kilometer diepte heeft gesteente geen poriën (de druk is te groot om ruimtes open te laten). Daar heeft dichtheid vooral te maken met hoe de atomen in een kristal op elkaar gepakt zitten, en met hun atoommassa. Een atoom met een grotere atoommassa weegt meer, maar het bijzondere is: het zegt niets over de grootte van het atoom. Dat is omdat vrijwel alle massa van een atoom in de atoomkern zit, en die kern neemt maar een minieme fractie in van het volume van een atoom; het overgrote deel is een bijna massaloze elektronenwolk. Logischerwijs geldt dan: hoe groter de gemiddelde atoommassa van de elementen in een mineraal, des te groter de dichtheid van het mineraal. 

Oceaankorst

De oceaankorst bestaat simpel gezegd uit basalt (en het dieptegesteente gabbro, met dezelfde chemische en mineralogische samenstelling). Basalt bestaat gemiddeld uit een mengsel van vooral veel silica (Si), met ook veel aluminium (Al) en calcium (Ca) en daarna ijzer (Fe) en magnesium (Mg) (figuur). Waaróm basalt deze samenstelling heeft, voert hier te ver; het gaat erom dat dit goedje ontstaat wanneer mantelgesteente (peridotiet) partieel (ongeveer 20%) smelt, bijvoorbeeld doordat onder een mid-oceanische rug of in een mantelpluim heet mantelgesteente omhoogkomt, waardoor de druk afneemt en de temperatuur waarop smelt optreedt, zakt. Als dit vloeibare silicaatmengsel weer stolt – als nieuwe oceanische korst (op een mid-oceanische rug) of als een vulkaan (op een hotspot zoals Hawaii) – gaan de atomen bij elkaar zitten in kristallen zoals olivijn en pyroxeen, en veldspaat. Olivijn en pyroxeen bevatten veel ijzer en magnesium en worden daarom mafisch genoemd (van magnesisch-ferrisch). Omdat basalt veel van zulke mafische kristallen bevat, noemen we het een mafisch gesteente. Mid-oceanische rug-basalt (MORB) heeft ongeveer een dichtheid van 3 g/cm3 (de gemiddelde dichtheid van de mineralen waaruit het bestaat).

Oxidesamenstelling van vier gesteenten, uitgedrukt in massaprocenten; droog, dus zonder water meegerekend. Alles bij benadering, de individuele percentages zijn afgerond. MORB = basalt van mid-oceanische rug

Continentale korst

Continentale korst is veel heterogener dan oceaankorst, en de onderkorst is nog nooit direct waargenomen of onderzocht. Maar op grond van onder andere seismisch onderzoek en de vondst van xenolieten van de onderkorst die door magma naar de oppervlakte zijn gebracht, is de huidige consensus dat de samenstelling van de korst als geheel ongeveer overeenkomt met die van het vulkanische gesteente andesiet. Hoe andesiet precies tot stand komt, is nog steeds niet helemaal doorgrond. In elk geval komen daar bijdragen aan te pas van de mantel, de onderkorst en meegevoerd water en misschien sediment in de subductiezone. Het resultaat is een substantie die in vergelijking met basalt (oceaankorst) minder ijzer en magnesium en calcium (Ca) bevat en meer silica en kalium (Ka). 

Partiële smelt

Het laatste element, kalium, is belangrijk in dit verhaal, want dit is een atoom met een naar verhouding grote omvang en kleine massa. De grote omvang betekent dat het niet makkelijk in de meeste kristallen ‘past’. Als kristallen in een gesteente beginnen te smelten, gaan kalium-atomen (en andere atomen met dezelfde eigenschappen, zoals rubidium) daarom relatief makkelijk in de (vloeibare) smelt zitten. Atomen die qua omvang beter in een kristal passen (zoals ijzer en magnesium), hebben minder de neiging om deel van de vloeistof te worden, dus die blijven relatief meer achter in het vaste residu. Als een mantelgesteente voor 20% smelt, zit er dus in de vloeistof naar verhouding meer kalium dan in de 80% resterende vaste stof. Omdat de smelt makkelijk gescheiden raakt van het vaste residu, kunnen zo twee chemisch verschillende gesteentes ontstaan. Als er vaker partieel smelten optreedt, kan dit ertoe leiden dat moeilijk passende elementen (oftewel incompatibel; de elementen die wel passen heten compatibel) steeds prominenter voorkomen in de smeltproducten. Kijk maar naar de samenstelling van graniet, ongeveer het eindpunt in dit ontwikkelingsproces. Graniet bestaat chemisch bijna helemaal uit silica, aluminium, kalium en natrium. Kalium, aluminium en silica vormen samen de roze kaliveldspaat, die graniet een kenmerkende kleur kan geven. De kleine beetjes ijzer en magnesium worden met aluminium en silica opgeborgen in zwarte, platige biotiet, en de overtollige silica vormt kleurloze kwarts. Ziedaar het aanrechtblad in de keuken. 

Omdat er in graniet relatief veel grote atomen zitten, met dus in verhouding tot hun volume een kleine massa, is de dichtheid van het gesteente niet zo hoog: ongeveer 2,7 g/cm3. Dat lijkt een klein verschil met de 3 g/cm3 van basalt, maar dit verschil van 10% is net zo groot als dat tussen ijs (0,9) en water (1,0) en dat is genoeg om ervoor te zorgen dat ijs altijd op het water drijft en nooit andersom. Dit werkt dus ook zo voor blokken steen (lees: platen). Een continent bestaand uit gesteente met een relatief lage dichtheid zal nooit wegzinken in de mantel. Oceanische lithosfeer (oceaankorst plus de onderliggende lithosferische mantel) heeft een hogere dichtheid waardoor deze op den duur wél kan afzinken in de mantel.