ii. de aarde in beweging

Universiteit Derde Leeftijd Leuven
VAN OERKNAL TOT MENS
PLANEET AARDE, EEN UNIEK KOSMISCH EXPERIMENT
KATHOLIEKE
UNIVERSITEIT
LEUVEN
II. DE AARDE IN BEWEGING
“Plate tectonics is, inherently, a simple beautiful concept, but its
smaller-scale results are bewilderingly complicated.”
John F. Dewey, een van de grondleggers van het paradigma
(in Plate Tectonics. An Insider’s History of the Modern Theory of the Earth, N. Oreskes, 2001)
In de twintigste eeuw ondergaat de aardwetenschappen een paradigmaverschuiving, van een ‘fixistisch’
wereldbeeld – vervat in theorieën zoals de permanentietheorie of de geosynclinetheorie – naar een
‘mobiel’ wereldbeeld, uiteindelijk vervat in het paradigma van de platentektoniek met concepten als
zeevloerspreiding, continentendrift en subductie. Het tot stand komen van dit nieuwe paradigma is een
moeizaam wetenschappelijk proces geweest dat meer dan een halve eeuw heeft geduurd. Uiteindelijk
heeft dit dynamische wereldbeeld de geesten ook gerijpt om de volgende stap te zetten in het
aardwetenschappelijke denken, waarbij de ‘vaste Aarde’ (geosfeer) geïntegreerd wordt in het globale
concept van ‘Systeem Aarde’.
Continenten op drift
Bij de aanvang van de twintigste eeuw wordt de discussie tussen geofysici gedomineerd door het
concept isostasie. Dit concept steunt op het principe van Archimedes, dat stelt dat “de opwaartse
kracht die een lichaam in een vloeistof ondervindt, even groot is als het gewicht van de verplaatste
vloeistof”. Uit uitgebreid geodetisch onderzoek groeide immers het idee dat isostasie van toepassing
zou kunnen zijn op de continenten. Zo werd bijvoorbeeld de opheffing van Scandinavië verklaard door
een isostatische compensatie ten gevolge van het verdwijnen van de ijskap zo’n 10.000 jaar geleden.
Het ‘feit’ van isostasie had echter een implicatie waarmee de aardwetenschappers geen blijf wisten: de
continenten ‘drijven’ op een ‘vloeibaar substraat’.
De laat-paleozoïsche (~300 miljoen jaar geleden) fossiele fauna en flora blijkt opmerkelijke
gelijkenissen te vertonen op de zuidelijke continenten (Afrika, Zuid-Amerika, India, Australië,
Antarctica). Deze biogeografische provincie kreeg de naam Gondwana. Het bestaan van landbruggen
die later wegzonken, is echter in tegenspraak met het geofysische concept van isostasie. De
aardwetenschappers zaten dan ook met een probleem: wat met Gondwana?
Alfred Wegener verenigde – voor het eerst in 1912 – het geofysische feit isostasie met het
biogeografische feit Gondwana in één globale theorie, de continentendrift. Zijn redenering was
eenvoudig: als continenten ‘permanente’ structuren zijn en ‘drijven’ op een ‘vloeibaar substraat’, maar
ooit verbonden zijn geweest (Gondwana), dan is dit enkel mogelijk door horizontale verschuivingen –
Verschiebungen. Met wat gepuzzel bracht Wegener alle continenten bijeen in het supercontinent
Pangaea, wat ‘alle land’ betekent.
PROF. MANUEL SINTUBIN, PHD FGS
28 December 2012
Universiteit Derde Leeftijd Leuven
PLANEET AARDE, EEN UNIEK KOSMISCH EXPERIMENT
II. DE AARDE IN BEWEGING
Het ‘mobilistische’ Europa ontving de theorie van continentendrift met open armen. ‘Fixistisch’ Amerika
bleef heel sceptisch en deed de theorie af als ‘bad science’.
Spreidende zeevloer
Wegener’s theorie van de continentendrift steunde hoofdzakelijk op geologisch onderzoek op de
continenten. Voor een echte doorbraak was het wachten tot de oceanen hun geheimen vrijgaven.
Daarvoor was het wachten tot na de tweede wereldoorlog. Voornamelijk uit militaire overwegingen
injecteerde de Amerikaanse overheid in de beginjaren van de Koude Oorlog enorme budgetten in
oceanografisch en seismologisch onderzoek. Men kan dan ook gerust stellen dat platentektoniek een
‘kind van de Koude Oorlog’ is.
Uitgebreid onderzoek van het reliëf van de oceaanbodem (bathymetrie) legde een zeer merkwaardig
landschap van de ocaanvloer bloot. In de oceanen lopen langgerekte bergketens, die 2.000 à 3.000 m
boven de abyssale vlakten uitsteken. Deze oceaanruggen blijken uiteindelijk een continu netwerk te
vormen doorheen alle oceanen. Ter hoogte van deze oceaanruggen is bovendien de Aardse
warmteflux abnormaal hoog. Langs verschillende continentranden komen dan weer diepzeetroggen
voor met dieptes tot meer dan 10 km diep. Deze diepzeetroggen vallen bovendien samen met
belangrijke negatieve afwijkingen in de zwaartekracht. Ook blijken de aardbevingshaarden ter hoogte
van deze diepzeetroggen opvallend voor te komen volgens een van de diepzeetrog wegduikend vlak,
wat we vandaag de Wadati-Benioffzone noemen. In 1960 suggereerde Harry Hess – in zijn opmerkelijk
“essay in geopoetry” – op basis van de specifieke bathymetrie van de oceaanvloer dat de
oceaanruggen de plaats is waar de oceaanvloer uiteen drijft boven de opwellende tak van een
convectiecel in het ‘vloeibare substraat’. Het concept van zeevloerspreiding was geboren.
Magnetisch onderzoek van de oceaanbodem gaf aanleiding tot de ontdekking van een van de meest
enigmatische patronen uit de geologie, de ‘zebrapatronen’. Deze opmerkelijke magnetische patronen
– die enkel in de oceaanvloer voorkomen – bestaan uit een opeenvolging van banden met versterkt
magnetisch veld afgewisseld met banden met verzwakt magnetisch veld. In 1963 zien Vine en
Matthews een verband tussen het theoretische concept van zeevloerspreiding, de enigmatische
magnetische ‘zebrapatronen’, en de magnetische ompolingen. De zebrapatronen blijken immers het
ultieme bewijs voor zeevloerspreiding. De oceaanvloer kan beschouwd worden als een soort
bandrecorder. Telkens wanneer ter hoogte van de oceaanrug nieuwe oceaankorst wordt gevormd door
magmatische intrusies, leggen de uitkristalliserende mineralen het heersende magnetische veld vast.
Bij een normale polariteit (een magnetisch veld zoals het huidige magnetische veld) zal de remanente
magnetisatie van het basaltische gesteente het huidige magnetische veld versterken; bij een inverse
polariteit (ten gevolge van een magnetische ompoling) zal de remanente magnetisatie het huidige
magnetische veld verzwakken. Dit resulteert in het ‘zebrapatroon’ dat volledig symmetrisch is ten
opzichte van de spreidingsas, centraal in de oceaanruggen.
Bewegende aardplaten
Paleomagnetisch onderzoek op de continenten legde zich toe op de evolutie van de
gesteentemagnetisatie doorheen de geologische tijd. Men ontdekte dat de polen doorheen de tijd
ronddwaalden over het aardoppervlak. Maar tot verbazing van de onderzoekers bleek dat deze
dwaalcurves verschillend waren voor elk van de continenten. Dit is, gezien de eigenheid van het
aardmagnetisch dipoolveld, onmogelijk. Er kan uiteindelijk maar één magnetische Noordpool en één
PROF. MANUEL SINTUBIN, PHD FGS
28 December 2012
2
Universiteit Derde Leeftijd Leuven
PLANEET AARDE, EEN UNIEK KOSMISCH EXPERIMENT
II. DE AARDE IN BEWEGING
magnetische Zuidpool zijn. Het zijn dan ook schijnbare dwaalcurves. Het zijn immers niet de polen die
ronddwalen over het aardoppervlak, maar de continenten ten opzichte van vastliggende polen. Deze
dwaalcurves vormen dan ook het ontegensprekelijke bewijs voor continentendrift.
Ook het bestaan van opmerkelijk opgelijnde vulkanische archipels, zoals de Hawaïaanse archipel,
diende verder als bewijs voor bewegende aardplaten. Deze archipels zijn immers het resultaat van een
aardplaat die over een zogenaamd gloeipunt schuift. Dit gloeipunt is een stabiele magmabron onder
de aardplaat, die mogelijk het resultaat is van diepe mantelpluimen.
Een nieuw paradigma
Midden de jaren ’60 was de puzzel nu bijna volledig. Omdat de Aarde nu eenmaal niet uitzet, moest er
naast zeevloerspreiding ook een proces zijn dat korstmateriaal terug recycleert. Inderdaad, ter hoogte
van de diepzeetroggen duikt de oceanische lithosfeer terug weg in de mantel. Dit proces noemt men
subductie. Verder bleken de breukzones die de oceaanruggen doorsnijden heel bijzonder te zijn. Dit
zijn de transformbreuken.
Verder bleek dat de verspreiding van aardbevingshaarden niet uniform is over het aardoppervlak. Er is
een duidelijke concentratie van aardbevingshaarden ter hoogte van oceaanruggen, subductiezones en
gebergteketens. Het idee kreeg gestalte van ‘stijve’ aardplaten. De seismische activiteit concentreert
zich langs de plaatranden. Maar als ‘stijve’ aardplaten bewegen op een sfeer, dan beantwoorden deze
bewegingen aan strikte geometrische regels, gekend als het Eulertheorema.
In 1968 stelt Xavier Le Pichon de eerste plaattektonische kaart voor. In 1969 wordt het nieuwe
paradigma van de platentektoniek boven de doopvont gehouden op de Geological Society of America
Penrose Conference in Asilomar (Californië). Vijftig jaar na Wegener is de cirkel rond. Continentendrift
is een feit. En het is zeevloerspreiding en subductie dat continentendrift mogelijk maakt.
Platentektoniek in een notendop
Het paradigma van de platentektoniek kan met een aantal kernconcepten worden samengevat:
(1) het bestaan van een lithosfeer en asthenosfeer
De buitenste zone van de Aarde, bestaande uit de – oceanische en continentale – korst en het
buitenste deel van de mantel, kan worden opgedeeld op basis van de reologische
eigenschappen in een lithosfeer en asthenosfeer. De lithosfeer vormt de buitenste ‘stijve’ schil
van de Aarde. Het gesteente in de lithosfeer gedraagt zich voornamelijk elastisch. Onder de
lithosfeer bevindt zich de asthenosfeer, waarin het gesteente zich voornamelijk plastisch
gedraagt. De grens tussen lithosfeer en asthenosfeer is een thermische grens (1280°C) en
bevindt zich in het buitenste deel van de mantel.
(2) het bestaan van ‘stijve’ lithosferische platen
Het concept van ‘stijve’ lithosferische platen die ‘drijven’ op de asthenosfeer – het ‘vloeibaar
substraat’ – is de sleutel geweest in de ontwikkeling van het plaattektonisch concept. Wegener
beschouwde enkel de continenten. Maar de lithosferische platen omvatten zowel continentale
als oceanische korst, en vormen zo een aaneengesloten puzzel van ‘stijve’ schollen op een
sfeer. Continentendrift is uiteindelijk maar een ‘neveneffect’ van platentektoniek.
PROF. MANUEL SINTUBIN, PHD FGS
28 December 2012
3
Universiteit Derde Leeftijd Leuven
PLANEET AARDE, EEN UNIEK KOSMISCH EXPERIMENT
II. DE AARDE IN BEWEGING
(3) het bestaan van drie typen plaatgrens en de geometrische randvoorwaarden van
plaatbewegingen
De onderlinge bewegingen van de lithosferische platen zijn onderworpen aan strikte
geometrische regels, vervat in het Eulertheorema. Hieruit volgt dat slechts drie typen plaatgrens
mogelijk zijn: (1) divergente of constructieve plaatgrenzen: dit zijn de spreidingsassen waar
zeevloerspreiding plaatsvindt en dus twee platen uiteendrijven; (2) convergente of
destructieve plaatgrenzen: dit zijn de plaatsen waar twee platen onder elkaar doorschuiven; is
er oceanische lithosfeer betrokken, dan krijgen we subductie; als twee stukken continentale
lithosfeer betrokken zijn, dan krijgen we collisie en de vorming van gebergteketens; (3)
conservatieve plaatgrenzen of transformbreuken: dit zijn de plaatsen waar twee platen langs
elkaar heen schuiven.
Plaatbewegingen doen zich voor met gemiddelde snelheden van enkele mm per jaar. Maar
die geleidelijkheid van plaatbewegingen is maar schijn. In realiteit gebeurt dit immers met
‘horten en stoten’; plaatbewegingen zijn immers het resultaat van de aaneenschakeling van een
veelheid van aardbevingen. Plaatbewegingen gebeuren loodrecht op divergente en
convergente plaatgrenzen, en evenwijdig aan conservatieve plaatgrenzen.
(4) het model van zeevloerspreiding, subductie en asthenosferische convectie
Oorspronkelijk werd asthenosferische convectie in de mantel gezien als motor achter
platentektoniek. Ter hoogte van de opwellende tak van een convectiecel bevinden zich de
spreidingsassen, ter hoogte van de wegduikende tak van een convectiecel de subductiezones.
Door mantelsleurkracht worden de lithosferische platen passief meegesleurd bovenop de
asthenosferische transportband. Er was dus sprake van actieve convectie. Het model van
asthenosferische convectie vertoont echter heel wat tekortkomingen.
Vandaag wordt dan ook algemeen aangenomen dat de zwaartekracht de belangrijkste
aandrijfkracht is van plaattektonische bewegingen. Ter hoogte van subductiezones zinkt koude,
zware oceanische lithosfeer weg in de asthenosfeer en trekt deze met zijn volle gewicht de
volledige plaat met zich mee. Dit is subductietrekkracht. De veroorzaakte convectie is de
mantel is dan ook eerder het gevolg dan de oorzaak van plaatbewegingen. We spreken van
passieve convectie.
(5) het cyclisch verloop van plaattektonische processen
Geïnspireerd op het Atlantische model, zien we een cyclisch plaattektonisch proces van
openen en sluiten van oceanen, de Wilsoncyclus. Naast deze kleinschalige cyclus kent
platentektoniek nog een globale cyclus. Op geregelde tijden in de geologische geschiedenis
smelten alle continenten samen tot één groot supercontinent. Deze ongeveer 400 miljoen jaar
durende supercontinentcyclus blijkt mogelijk geassocieerd met grootschalige,
mantelomvattende convectie. Uiteindelijk zal blijken dat deze supercontinentcyclus de
belangrijkste eerste-orde cyclus is van ‘Systeem Aarde’.
(6) de specifieke rol van continentale korst in plaattektonische processen
In de context van platentektoniek heeft continentaal materiaal twee bjizondere eigenschappen.
Continentale korst is ‘zwak’, zwakker dan de uiterst sterke oceanische korst. De sterke
oceanische korst is dan ook grotendeels verantwoordelijkheid voor de ‘stijfheid’ van de
PROF. MANUEL SINTUBIN, PHD FGS
28 December 2012
4
Universiteit Derde Leeftijd Leuven
PLANEET AARDE, EEN UNIEK KOSMISCH EXPERIMENT
II. DE AARDE IN BEWEGING
tektonische platen. Belangrijke vervormingen concentreren zich daarentegen in de randzones
van de continenten, waar men dan ook de bergketens vindt. Dit betekent ook dat continentale
fragmenten gemakkelijk afscheuren uit deze randzones. Continentale korst is ook ‘licht’. Het
kan niet gerecycleerd worden in subductiezones. Dit betekent enerzijds dat de continentale
massa altijd toeneemt. Anderzijds, als continentaal materiaal in een subductiezone terechtkomt,
dan blokkeert de plaatbeweging en ondergaat de plaattektonische configuratie ‘plotse’
veranderingen.
Aardwetenschappen in beweging
Platentektoniek heeft vele ‘vaders’. Platentektoniek kent geen Newton, Darwin of Einstein, al wordt
Wegener wel eens beschouwd als de ‘vader van de platentektoniek’. Het nieuwe paradigma kon echter
enkel tot stand komen door een synthese vanuit diverse wetenschapsdisciplines en vanuit verschillende
gebieden op Aarde, een onmogelijke opdracht voor één enkele wetenschapper. De ontwikkeling van
het nieuwe paradigma werd ook mogelijk gemaakt door een ongeziene financiële injectie – gedreven
door militaire overwegingen – in wetenschappelijk onderzoek en technologische ontwikkelingen. Maar
het is ook het verhaal van een aantal visionaire ‘Jonge Turken’ die door de ‘ruis’ van de enorme
gegevensbestanden patronen herkenden die de fundamenten van het nieuwe paradigma zouden
vormen. En het is het verhaal van ‘gevestigde waarden’, waaronder enkele notoire ‘fixisten’, die zich
laten overtuigen door het overweldigende bewijsmateriaal. Alle hoofdrolspelers in het verhaal zijn het er
tenslotte over eens dat zij toen ongedwongen en vrij aan onderzoek konden doen. Kortom, ‘science
was fun!’.
De belangrijkste revolutie die de platentektoniek tot stand heeft gebracht, situeert zich binnen de
aardwetenschappen zelf. Van een zuiver ‘historische’ wetenschap, gedreven door het verzamelen en
classificeren van fossielen, mineralen en gesteenten, zijn de aardwetenschappen uitgegroeid tot een
globale wetenschap, die de verschillende wetenschapsdisciplines overstijgt en die gedreven is door
kwantitatieve onderzoeksmethoden. Met het geïntegreerde systeemdenken van de ‘Earth System
Science’ nemen de aardwetenschappen uiteindelijk een voortrekkersrol in bij het uitstippelen van de
toekomst van de natuurwetenschappen.
PROF. MANUEL SINTUBIN, PHD FGS
28 December 2012
5