Plaatjes van de diepe aarde: van levensbelang

Steeds meer mensen doen onderzoek naar de evolutie van de aarde en de beweging van haar continenten door de tijd heen. Mara Arts schreef in De aarde doorlicht al over seismische tomografie, een vrij nieuwe techniek om de aarde te onderzoeken. Waarom is de geschiedenis van de aarde zo belangrijk?

Veel mensen zullen misschien wel de CT-scan (computer tomografie) kennen en sommigen van u hebben er zelfs ooit wel eens een ondergaan. Bij een CT-scan worden door middel van röntgenstraling een driedimensionaal beeld gemaakt van bijvoorbeeld de hersenen. Door dit beeld vervolgens in verschillende ‘plakjes’ te snijden, kunnen specifieke plekken in de hersenen bekeken en onderzocht worden. Een minder bekende vorm van ditzelfde proces wordt gebruikt om de aarde tot duizenden kilometers onder onze voeten in kaart te brengen. Deze vorm wordt seismische tomografie genoemd. Bij deze vorm van tomografie wordt er geen gebruik gemaakt van röntgenstralen, zoals bij een CT-scan, maar van golven die ontstaan bij aardbevingen.

Duikende aardplaten

Een recent voorbeeld van het in beeld brengen van de aarde is de Atlas van de Onderwereld. Hiervoor maakten wetenschappers aan de Universiteit Utrecht een volledig driedimensionaal model van de aarde en lichtten zij een aantal specifieke plekken uit. Er wordt met name aandacht besteed aan zogeheten subductiezones. De bovenste laag van de aarde is opgebroken in verschillende aardplaten die heel langzaam over de onderliggende aarde bewegen. Op plekken waar twee aardplaten aan elkaar grenzen, kunnen zich verschillende processen voordoen. Eén van de mogelijkheden is dat de twee platen naar elkaar toe bewegen, waarbij de een onder de ander duikt en dieper de mantel in zinkt. Deze locaties zijn subductiezones. Omdat de temperatuur hoger wordt wanneer je dieper de aarde in gaat, kunnen de relatief koude, zinkende aardplaten in beeld worden gebracht door middel van seismische tomografie. Terwijl de platen zinken, warmen ze zo langzaam op dat ze nog een stuk kouder zijn dan hun omgeving. Deze verschillen in temperatuur kunnen grafisch weergegeven worden om zo de huidige locatie van de ‘slabs’ (zo worden de zinkende delen van aardplaten vaak genoemd) weer te geven.

Reconstructies van het verleden

Wanneer de slabs diep in de mantel zijn gezonken, kunnen ze afbreken van de rest van de aardplaat en verdwijnen in de diepte. Deze afgebroken stukken worden het laatste decennium steeds meer gebruikt om huidige reconstructies van de beweging van aardplaten te verbeteren. Door middel van steeds betere modellen kunnen afgebroken slabs, die zich nog steeds ergens diep in de mantel bevinden, steeds beter in kaart gebracht worden. Vervolgens kan er een schatting worden gemaakt van de ouderdom van de slabs. Met andere woorden, er kan achterhaald worden hoe lang geleden de slab is begonnen met zinken. Wanneer de slab afbreekt, zinkt deze vervolgens verticaal naar beneden. De huidige locatie van de gezonken slab kan op die manier iets zeggen over de locatie op het moment van afbreken. Wanneer dit gecombineerd wordt met de ouderdomsbepaling van de slab, kan er iets gezegd worden over de locatie van een aardplaat op een bepaald tijdstip in de geschiedenis.  

In april 2018 maakte Douwe van Hinsbergen samen met een aantal collega’s onder andere gebruik van deze techniek om een nieuwe reconstructie te maken van de botsing tussen India en de rest van Azië, waarbij het Himalayagebergte uit de grond rees. Hiermee denken zij nu een beter beeld te kunnen schetsen van onder andere de positie van India in het verleden. Deze en vele andere inzichten verkregen door middel van vergelijkbaar onderzoek helpen ons de processen te begrijpen die de veranderingen op onze prachtige planeet aandrijven. De processen die zich in het binnenste van de aarde afspelen staan aan de basis van alles om ons heen. Van het ontstaan van grondstoffen tot de toegang tot drinkwater en van evolutie tot zeespiegelstijging. Het begrijpen van deze kernideeën is daarmee de basis voor al het andere.

Levensreddend

Het onderzoek dat wordt gedaan naar de processen die zich onder onze voeten afspelen is niet alleen relevant voor het reconstrueren van de geschiedenis. Over veel processen, waaronder het gedrag van slabs, is nog relatief weinig bekend. Door het verzamelen en verklaren van nieuwe data komt hier echter verandering in. Nieuw vergaarde kennis kan toegepast worden op de huidige positionering van continenten, de verspreiding van vulkanen en het voorkomen van aardbevingen. Met een beetje geluk, iets meer tijd en de hulp van seismische tomografie kunnen we in de toekomst vulkaanuitbarstingen en aardbevingen beter voorspellen en op die manier mensenlevens redden.

BRONNEN

• Bezada, M. J., Humphreys, E. D., Toomey, D. R., Harnafi, M., Dávila, J. M., & Gallart, J. (2013). Evidence for slab rollback in westernmost Mediterranean from improved upper mantle imaging. Earth and Planetary Science Letters, 368, 51-60.
• Bijwaard, H., & Spakman, W. (2000). Non-linear global P-wave tomography by iterated linearized inversion. Geophysical Journal International, 141(1), 71-82.
• van Hinsbergen, D.J., Lippert, P.C., Li, S., Huang, W., Advokaat, E.L. & Spakman, W. (2018). Reconstructing Greater India: Paleogeographic, kinematic, and geodynamic perspectives. Tectonophysics.
• Piromallo, C., & Morelli, A. (2003). P wave tomography of the mantle under the Alpine‐Mediterranean area. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 108(B2).