Lessen voor de XXIe eeuw

Lessen voor de 21ste Eeuw – De aarde in beweging
Lessen voor de 21ste Eeuw
DE AARDE IN BEWEGING
MANUEL SINTUBIN
Geodynamics & Geofluids Research Group, Katholieke Universiteit Leuven, Celestijnenlaan 200E, B-3001 Leuven
[email protected], geo.kuleuven.be/G&G/
VRAAGSTELLING
Is de aarde een unieke planeet? En wat maakt de aarde een unieke planeet?
1. TEKTONIEK IN DE 19E EEUW
Het uitgangspunt is een tektonisch wereldbeeld uit de 19e eeuw dat gedomineerd wordt door de vraag naar het ontstaan
van gebergten, op zoek naar het hoe en waarom van plooien en breuken, dikke sedimentpakketten en mariene fossielen
hoog in de gebergten, ... . Het antwoord lag vervat in het model van een krimpende aarde ten gevolge van de gestage
afkoeling sinds zijn ontstaan (E. Suess 1883). Oceanen en continenten waren permanente structuren (permanentietheorie
– J. D. Dana 1847). Verticale bewegingen in de aardkorst vertaalden zich in de geosynclinetheorie (J. Hall 1857).
De aardwetenschappelijke discussie kristalliseerde zich rond een tweespalt tussen Amerikaanse fixisten en Europese
mobilisten, tussen respectievelijk verticale en horizontale bewegingen in de aardkorst, tussen permanente en
omwisselbare oceanen en continenten.
2. CONTINENTEN OP DRIFT
Bij de aanvang van de 20ste eeuw draait de aardwetenschappelijke discussie rond twee ‘feiten’. Voor de geofysici was
isostasie (C. Dutton 1870) een ‘feit’. De continenten blijken te drijven op een ‘vloeibaar substraat’ volgens het ‘principe
van Archimedes’. Voor geologen en paleontologen was het bestaan van Gondwana (E. Suess 1883) als biogeografische
samenhang van alle zuidelijke continenten een te verklaren ‘feit’. Alleen sluit isostasie elk bestaan van verzonken
continenten of landbruggen uit.
A. Wegener (1915) bracht het geofysische feit ‘isostasie’ en het geologische feit ‘Gondwana’ samen in één globale theorie,
de continentendrift. Als continenten permanente structuren zijn en drijven op een vloeibaar substraat, maar ooit
verbonden moeten geweest zijn zonder een beroep te doen op landbruggen, dan kan dit enkel doordat continenten
horizontale verschuivingen hebben ondergaan. Hij paste de continentale legpuzzel in elkaar en noemde het resulterende
supercontinent Pangaea. Deze horizontale verschuivingen werden verklaard door een convectie in het vloeibare
substraat (A. Holmes 1926). Tot ver in de 20ste eeuw zal deze uitermate mobilistische theorie worden aangevochten.
3. VAN CONTINENTENDRIFT TOT PLATENTEKTONIEK
De theorie van de continentendrift steunt hoofdzakelijk op geologisch onderzoek op de continenten, slechts 30% van het
totale aardoppervlak. Wanneer de oceanen uiteindelijk hun geheimen prijsgeven, zal een ware revolutie zich voltrekken
in het aardwetenschappelijke denken.
Centraal in de oceanen wordt het landschap van de zeevloer gekenmerkt door oceaanruggen, langgerekte bergketens,
doorsneden door grote breukzones en centrale slenken. Zij vertonen een hoge warmteflux en ondiepe aardbevingen.
Langs heel wat continentranden komen dan weer diepzeetroggen voor. Zij vallen samen met een belangrijke negatieve
anomalie in de zwaartekracht (F. Vening-Meinesz ‘30) en diepe aardbevingen op een hellend vlak (K. Wadati 1928, H.
Benioff ’40). Dit alles bracht A. Hess (1961) en R. Dietz (1961) tot het idee van zeevloerspreiding ten gevolge van een
convectie in het vloeibare substraat.
Uit paleomagnetisch onderzoek op de continenten blijkt dat de noord- en zuidpool schijnbaar rondzwerven over het
aardoppervlak. Deze zwervende poolcurves, verschillend voor de verschillende continenten, vormen het ultieme bewijs
voor continentendrift (M. Blackett, , E. Irving & S. Runcorn 1956). Magnetisch onderzoek van de zeevloer legt een
opmerkelijk geband magnetisch patroon bloot, het zogenaamde zebrapatroon (A. Raff & R. Mason 1961). Bovendien
blijkt het dynamische karakter van het aardmagnetische veld geregeld ompolingen (B. Brunhes 1909, M. Matuyama 1928) te
veroorzaken. De combinatie van de zebrapatronen en de magnetische ompolingen vormt uiteindelijk het ultieme bewijs
voor zeevloerspreiding (F. Vine & D. Matthews 1963, L. Morley 1963).
De weg naar een nieuw paradigma lag open. Ter hoogte van de oceaanruggen wordt oceaankorst aangemaakt in het
proces van zeevloerspreiding. Ter hoogte van de diepzeetroggen wordt de oceaankorst gerecycleerd door subductie (D.
Roeder 1969). De sluitsteen van de puzzel vormen de transformbreuken (J. Wilson 1965), de grote breukzones die de
oceaanruggen doorsnijden. De verbreiding van alle aardbevingshaarden (M. Barazangi & J. Dorman ’60) tonen een
concentratie langsheen spreidingsruggen, subductie- en collisiezones en transformbreuken. Het concept van ‘stijve’
platen (J. Morgan 1967, X. Le Pichon 1968) is geboren. De onderlinge beweging van deze ‘stijve’ platen gelegen op een
sfeer beantwoordt aan het Eulertheorema. In 1969 wordt het nieuwe paradigma van de platentektoniek boven de
doopvont gehouden.
4. CONCEPTEN VAN DE PLATENTEKTONIEK
Platentektoniek kan met een aantal kernbegrippen worden samengevat:
(1) het bestaan van ‘stijve’ lithosferische platen. De buitenste zone van de aarde kan opgedeeld worden op basis van
samenstelling (korst versus mantel) of op basis van vervormingsgedrag (reologie), waarbij een onderscheid wordt
gemaakt tussen een ‘stijve’ buitenlaag, de lithosfeer, en een ‘vloeibaar’ substraat, de asthenosfeer. De lithosfeer bestaat
Lessen voor de 21ste Eeuw – De aarde in beweging
uit, continentale en oceanische, korst en het bovendeel van de mantel, en is opgedeeld in een aantal ‘stijve’ schollen of
platen, de lithosferische platen.
(2) het bestaan van drie typen plaatgrens. Plaatgrenzen zijn ofwel constructief (spreidingsruggen), destructief
(subductie- en collisiezones), of conservatief (transformbreuken). De onderlinge beweging van de platen, en dus ook de
oriëntatie van de plaatgrenzen, is geometrisch bepaald door het Eulertheorema.
(3) het model van zeevloerspreiding. De plaattektonische bewegingen worden aangedreven door een asthenosferische
convectie. De lithosferische platen worden passief meegesleurd op de asthenosferische transportband.
(4) de Wilsoncyclus als uitdrukking van het cyclisch verloop van de plaattektonische activiteit, gematerialiseerd door
het cyclisch openen en sluiten van oceanen op grosso modo steeds dezelfde plaats.
5. TERUG NAAR DE CONTINENTEN
De confrontatie van het nieuwe paradigma met de continentale realiteit noopt tot verfijning van de theorie. Al tekent
platentektoniek de krijtlijnen uit waarbinnen continentale tektoniek zich afspeelt, continentaal korstmateriaal zal een
belangrijke rol toebedeeld krijgen in het plaattektonische verhaal, voornamelijk omwille van twee karakteristieken, zijn
relatieve ‘zwakte’ en zijn lage dichtheid. ‘Zwak’ continentaal korstmateriaal gedraagt zich niet ‘stijf’. Continentale
plaatgrenzen zijn dan ook heel diffuus. Bovendien zal tektonische activiteit zich concentreren langsheen de continentale
randen, wat aanleiding geeft tot een uitermate grote mobiliteit van continentale fragmenten. Dit vormt de basis van de
accretietektoniek. ‘Licht’ continentaal korstmateriaal kan bovendien niet gerecycleerd worden. Als continentaal
materiaal in een subductiezone terecht komt, leidt dit onvermijdelijk tot veranderingen in de plaattektonische
configuratie.
Uit continentale tektoniek volgt een uitermate grote tektonische mobiliteit die onverenigbaar is met het asthenosferische
convectiemodel als motor achter plaattektonische bewegingen. Uiteindelijk leidt dit tot het concept van
subductietektoniek, een model waarbij de zwaartekracht de mobiliteit in de lithosfeer in belangrijke mate aandrijft.
Continentale tektoniek maakt ook duidelijk dat de aarde reeds 2 miljard jaar plaattektonische activiteit kent. Deze
activiteit is georganiseerd in 400 à 500 miljoen jaar durende supercontinentcycli.
6. SYSTEEM AARDE
Platentektoniek blijkt uiteindelijk zelfs maar een klein onderdeel te zijn van een complex, zelfregulerend systeem,
Systeem Aarde, waarin verschillende sferen – reservoirs van energie en materie – permanent met elkaar interageren. De
geosfeer bestaat uit de ‘vaste aarde’. Cruciale elementen zijn de concentrische opbouw, de aanwezigheid van een
magnetisch veld en platentektoniek. De atmosfeer is eigenlijk niets meer dat de buitenste, gasvormige schil van de
concentrisch opgebouwde aarde. De atmosfeer staat in voor het broeikaseffect en zorgt voor een beschermende
ozonlaag. In de hydrosfeer draait het allemaal rond de zo goed als permanente aanwezigheid van vloeibaar water op
aarde sinds zijn ontstaan. Uiteindelijk is er de biosfeer, dat een cruciale rol toebedeeld krijgt in het Systeem Aarde.
Dit systeem wordt aangedreven door een dubbele energiebron. De interne primaire warmte van de aarde wordt afgegeven
door grootschalige convectie in de mantel. In de buitenste zone van de aarde vormt platentektoniek een uniek
afkoelingsysteem waarbij die warmte wordt omgezet in beweging. De zonne-energie stuurt dan weer voornamelijk de
processen aan het aardoppervlak, in de atmosfeer, hydrosfeer en biosfeer.
De vier sferen staan in permanente interactie met elkaar. Veranderingen in één sfeer leiden onvermijdelijk tot positieve
en negatieve terugkoppelingen in de andere sferen. Het ganse systeem is dan ook in een toestand van permanente
verandering (‘global change’). Deze veranderingen kunnen onomkeerbaar zijn. Deze unidirectionele veranderingen zijn het
ontstaan van de concentrische opbouw van de aarde, de gestage afkoeling van de aarde, de aangroei van continentale
massa, de ontwikkeling van een secundaire atmosfeer, de evolutie van het leven en de gestage toename in zonneenergietoevoer (‘zwakke-zonparadox’). De meeste veranderingen zijn echter cyclisch en liggen aan de basis van het
complexe spel van positieve en negatieve terugkoppelingen. Zo zijn er zowel fysische cycli (bv. supercontinentcyclus) als
biogeochemische cycli (bv. koolstofcyclus).
7. DE AARDE, EEN UNIEKE PLANEET
Vrij snel in de aardse geschiedenis is dit zelfregulerende systeem met zijn vier actoren tot stand gekomen. ‘Global change’
heeft ervoor gezorgd dat de veranderingen die zich hebben voorgedaan gedurende de 4,5 miljard jaar aardse
geschiedenis relatief binnen de perken zijn gebleven, niettegenstaande de gestage toename van de zonneenergietoevoer. Systeem Aarde is een natuurlijke thermostaat gebleken, waarbij drie kernbegrippen het succesverhaal
samenvatten: platentektoniek, leven en vloeibaar water. Niet alleen in dit opzicht is de aarde een unieke planeet. De
aarde blijkt ook in vele van zijn karakteristieken ‘just right’ te zijn om hogere levensvormen toe te laten.
Wat begonnen is met een schijnbaar eenvoudige vraag naar het ontstaan van gebergten heeft meer dan 100 jaar later
geleid tot een allesomvattende visie op onze unieke planeet. Door een – al of niet toevallige – samenloop van
omstandigheden heeft zich een zelfregulerend systeem ontwikkeld, waar leven, water en platentektoniek een hoofdrol
in spelen. 4,5 miljard jaar ‘global change’ heeft er uiteindelijk toe geleid dat hogere levensvormen, waaronder de mens,
deze ‘levende planeet’ bewonen.
Vragen
1.
2.
3.
4.
Bespreek de belangrijkste elementen waarin platentektoniek zich onderscheidt van continentendrift.
Bespreek hoe het onderzoek van het aardmagnetisme een cruciale rol heeft gespeeld in het tot stand komen van het
plaattektonische paradigma.
Is er een tegenstrijdigheid in het feit dat de gesteenten in de asthenosfeer kunnen ‘vloeien’ maar terzelfdertijd
aardbevingsgolven kunnen voortplanten? Bespreek het basisprincipe van de reologie.
Systeem Aarde is een natuurlijke thermostaat die in staat is geweest om de ‘zwakke-zonparadox’ op te vangen.
Bespreek hierin de rol van platentektoniek, vloeibaar waten en het leven.