In elk opzicht geeft de volgende alternatieve titel (…) ‘De scheiding van gesteenten naar dichtheid drijft de belangrijkste geologische processen op aarde aan!’ (…) veel duidelijker de oorzaak-en-gevolgrelatie met betrekking tot de bovenstaande titel weer.
De meeste mensen kunnen zich wel voorstellen dat onze planeet van binnen naar buiten is opgebouwd overeenkomstig een aflopend dichtheidsprofiel. Met van binnen naar buiten een nikkelijzeren vaste binnenkern, een nikkelijzeren vloeibare buitenkern, een vaste ondermantel van silicaatarmere gesteenten, een vaste bovenmantel van silicaatrijkere gesteenten en ‘last but not least’ onze geliefde aardkorst.
De laatste zijnde een oceanische of een continentale aardkorst. De bovenste laag van stijve lithosferische bovenmantel grenzend aan de aardkorst – tevens deel uitmakend van de tektonische aardplaten – en de aardkorst zelf worden de lithosfeer genoemd. De bredere zachtere en plastische bovenmantel hieronder wordt de asthenosfeer genoemd.
Hoewel de aardmantel wordt beschouwd als vast, is er met name in de plastische asthenosfeer op een geologische tijdschaal wel degelijk sprake van mantelconvectie of stromingen van vast gesteente. Vanaf de binnenkern tot de lithosfeer neemt de dichtheid van de betrokken gesteenten dus gestaag af. Dit is een logisch gevolg van de zwaartekracht.
Wat mensen zich daarentegen een stuk moeilijker kunnen voorstellen, is dat tot op de dag van vandaag de voortdurende scheiding van gesteenten naar dichtheid binnen lithosfeer en asthenosfeer verantwoordelijk is voor enerzijds de vorming van oceanische en continentale lithosfeer en anderzijds voor de totstandkoming van platentektoniek.
Het is namelijk deze voortdurende scheiding van gesteenten naar dichtheid binnen lithosfeer en asthenosfeer die de belangrijkste geologische processen op onze planeet aandrijft. Of, anders geformuleerd, hoe de zwaartekracht zijn expliciete uitwerking heeft op processen in de lithosfeer en asthenosfeer.
Het populaire klassieke beeld dat mantelconvectie op zichzelf de platentektoniek aandrijft, is onjuist. Het is de vorming van oceanische lithosfeer aan de ene kant en dan met name subductie van oceanische lithosfeer aan de andere kant dat verantwoordelijk is voor een groot gedeelte van deze mantelconvectie. De resterende thermische mantelconvectie op zichzelf zou nooit in staat kunnen zijn geweest om platentektoniek te entameren. Het misverstand is waarschijnlijk ooit ontstaan vanuit het gegeven dat platentektoniek en mantelconvectie hand in hand gaan.
Enerzijds ontstaat de scheiding van gesteenten naar dichtheid deels binnen de lithosfeer doormiddel van het mechanisme van het partieel smelten van vast gesteente (tegenwoordig) of het partieel stollen van vloeibaar gesteente (voorheen). Anderzijds ontstaat de scheiding van gesteenten naar dichtheid deels binnen de asthenosfeer als gevolg van subductie en het onderduiken van oceanische lithosfeer.
Uitmondend in een tweetal verschillende mantelconvectieve loopbanden van gesteenten die zich scheiden naar dichtheid. Enerzijds met betrekking tot de huidige oceanische lithosfeer, anderzijds met betrekking tot vooral de vroege continentale lithosfeer. Dit artikel gaat dieper in op beide mechanismen en beschrijft hoe de voortdurende scheiding van gesteenten naar dichtheid de belangrijkste geologische verschijnselen op aarde verklaart.
‘In den beginne’ was onze proto-aarde voornamelijk een kolkende bol van vloeibare magma. Vloeibare magma is een mengsel van veel verschillende mineralen dat zich als gevolg van convectie en de onderlinge uitwisselbaarheid van verschillende mineralencombinaties op lokale schaal niet verder scheidt naar dichtheid. In de stollingsfase naar vast mantelgesteente kan er weliswaar een nadere scheiding naar dichtheid plaatsvinden op grond van het principe van partiële smelt resp. partiële stolling. Naderhand na afkoeling tot vast mantelgesteente is dit vervolgens te stijf geworden om zich nog nader te kunnen scheiden naar dichtheid.
Doormiddel van het mechanisme van het partieel smelten van vaste gesteenten of het partieel stollen van vloeibare gesteenten kunnen gesteenten zich effectief scheiden naar dichtheid. Terwijl de aarde langzamerhand afkoelde, ontstond op deze manier uiteindelijk de eerste aardkorst en lithosfeer. Deze was in grote lijnen vergelijkbaar met de huidige oceanische lithosfeer, hoewel er aanvankelijk natuurlijk nog geen oceanen bestonden. Daarvoor was het nog te warm op onze proto-aarde. Niettemin werd de oorspronkelijke lithosfeer volgens min of meer dezelfde principes gevormd als tegenwoordig de oceanische lithosfeer vanuit mid-oceanische spreidingsruggen.
Daar waar oceanische lithosfeer uit elkaar wordt getrokken, zal de vaste bovenmantel partieel smelten (tegenwoordig). Enerzijds als gevolg van de drukverlaging, anderzijds als gevolg van het water dat zijn intrede in de bovenmantel doet. Daar waar oorspronkelijk gesmolten bovenmantel in contact komt met een koelere atmosfeer zullen eerst de zwaardere bestanddelen partieel stollen en wegzinken. Vervolgens zullen de lichtere bestanddelen blijven drijven, stollen en uiteindelijk de lithosfeer vormen (voorheen).
Water zorgt voor smeltpuntsverlaging van gesteenten, omdat watermoleculen de efficiëntie van de kristalroosters verstoren. Drukverlaging heeft een soortgelijk effect op de efficiëntie van de kristalroosters. Partieel smelten of stollen betekent dat de bestanddelen met een van oorsprong lagere smelttemperatuur en dichtheid eerder smelten of later stollen. Nader versterkt door een verdere differentiatie in smeltpuntsverlaging als gevolg van de kristalroosterverstoring.
Als gevolg van het partieel smelten of stollen en uiteindelijk stollen van de lichtste fractie van de bovenmantel vormt er zich dus nieuwe aardkorst met een dichtheid die substantieel lager is dan die van de vaste bovenmantel. Hierdoor blijft deze nieuwe oceanische aardkorst/lithosfeer drijven op de lithosfeer/asthenosfeer. Op onze aarde ontstond/ontstaat alle nieuwe lithosfeer (i.c. aardkorst) dus met een lagere dichtheid dan de bovenmantel volgens het mechanisme van het partieel smelten of stollen van diezelfde bovenmantel. Van enig onderscheid tussen oceanische en continentale lithosfeer was in de eerste miljoenen jaren nog geen sprake. Ook platentektoniek bestond destijds nog niet.
Het belangrijkste kenmerk van continentale lithosfeer is dat het qua dichtheid een stuk lichter is dan oceanische lithosfeer. Het is daarnaast ook substantieel dikker dan oceanische lithosfeer. Continentale lithosfeer vormde zich lang voordat de eerste tektonische aardplaten en platentektoniek ontstonden. Doordat continentale lithosfeer lichter en dikker is dan oceanische lithosfeer kon het uiteindelijk blijven voortbestaan, ook nadat platentektoniek een aanvang had genomen.
Continentale lithosfeer kan echter niet zomaar als dikkere oceanische lithosfeer ontstaan. De dichtheid zou in dat geval niet onderdoen voor oceanische lithosfeer en mogelijk zelfs hoger zijn vanwege de steeds hogere druk en temperatuur waaronder de partiële smelt of stolling uit een steeds diepere bovenmantel wordt gevormd.
Kratons worden gezien als de oeroude kernen van continentale lithosfeer waaromheen zich in de loop van de tijd steeds meer continentale lithosfeer heeft opgebouwd. Ze zijn vrijwel binnen elk continent te vinden en worden beschouwd als de oorsprong van vroeg gevormde continentale lithosfeer volgens een principe dat door sommigen ook wel verticale tektoniek wordt genoemd. Er is namelijk sprake van het ontstaan van een vorm van mantelconvectie – net zoals dat het geval is bij horizontale platentektoniek – als gevolg van de scheiding van continentale lithosfeer naar dichtheid.
Men veronderstelt dat de eerste stukken continentale lithosfeer, de zgn. kratons, zijn ontstaan als gevolg van lokaal optredende mantelpluimen binnen de asthenosfeer die lagen van basalt uitstortten over delen van de aardkorst of lithosfeer. Als gevolg van het gewicht van deze opstapelende basaltlagen zakte de lithosfeer ter plekke steeds dieper weg. Tot op een gegeven moment de steeds dieper liggende basis, wortel of root onder het kraton weer opwarmde en partieel begon te smelten.
Deze partiële smelt, die lichter was dan het oorspronkelijke basaltgesteente, steeg vervolgens op en voegde zich bovenop de opstapelende basaltlagen. De rest van het gesteente van de wortel of root zal dieper in de bovenmantel uiteindelijk ook zijn gesmolten, maar zich als gevolg van zijn hogere dichtheid niet bij de opstijgende stroom van lichtere magma hebben gevoegd. Naar gelang dat dit proces zich langdurig herhaalde daalde de dichtheid van het kraton als gevolg van de voortdurende toevoegingen van lichtere partiële smelt volgens een proces dat kan worden beschreven als fractioneren. De beschikbaarheid van water in de continentale partiële smelt maakte deze bovendien in toenemende mate lichter en felsischer.
Elke partiële smelt van vast gesteente of partiële stolling van vloeibaar gesteente is feitelijk een vorm van fractioneren, maar op het moment dat gesteenten steeds opnieuw worden gesmolten, krijgt fractionering steeds explicieter gestalte. Lichtere mineralen worden als gevolg hiervan steeds nadrukkelijker van zwaardere mineralen gescheiden. Onder invloed van de aanwezigheid van water in de partiële smelt of stolling, dat zorgt voor een verdere differentiatie in smeltpuntsverlaging, verloopt dit proces nog een stuk efficiënter. Eenmalig leidt dit tot oceanische lithosfeer lichter dan de bovenmantel, herhaaldelijk partieel smelten kan uiteindelijk leiden tot continentale lithosfeer lichter dan oceanische lithosfeer.
Vanaf het moment dat de platentektoniek uiteindelijk zijn intrede deed, ontstonden er feitelijk nog een tweetal (nieuwe) mechanismen voor de vorming van lichtere continentale lithosfeer. Deze nieuwe continentale lithosfeer verzamelde zich hierbij vrijwel exclusief rondom bestaande kratons, omdat kratons als gevolg van hun dichtheid vrijwel consequent de bovenliggende continentale lithosfeer vertegenwoordigden in situaties van subductie. Beide mechanismen danken namelijk hun werking aan subductie van onderduikende oceanische lithosfeer onder de bovenliggende continentale lithosfeer.
Het eerste mechanisme draait om het ontstaan van een partiële smelt als gevolg van de onderduikende oceanische lithosfeer. Gedeelten van de oceanische lithosfeer en de omliggende mantelgesteenten smelten enerzijds als gevolg van de opwarming in de asthenosfeer en anderzijds als gevolg van de introductie van water in de asthenosfeer dat zorgt voor een gedifferentieerde smeltpuntsverlaging. Deze partiële smelt heeft een lager smeltpunt en een lagere dichtheid dan de oorspronkelijke gesteenten. Dit leidt tot het opstijgen van deze partiële smelt dwars door de bovenliggende continentale lithosfeer en vervolgens het ontstaan van een vulkaanboog op de bovenliggende continentale lithosfeer. Uitbarstingen van deze vulkanen zorgen voor de toevoeging van relatief lichte gesteenten aan de bestaande continentale lithosfeer.
Het tweede mechanisme draait om het gedeeltelijk afschrapen van lichtere sedimentgesteenten en eerder ontstane vulkaanbogen van onderduikende oceanische aardkorst. Dit afschrapen draagt bij aan de toevoeging van relatief lichte gesteenten aan de continentale lithosfeer in de vorm van een accretiewig op het raakvlak van de oceanische en de continentale lithosfeer.
In de loop van de geologische geschiedenis heeft zich als gevolg van dit tweetal aanvullende mechanismen rondom de oorspronkelijke kratons alsmaar meer continentale lithosfeer verzameld. Volgens sommige schattingen kan tot 70 procent van de continentale lithosfeer zijn ontstaan vóórdat en 30 procent nádat platentektoniek zijn intrede heeft gedaan.
Het is vrij eenvoudig invoelbaar dat de vorming van continentale lithosfeer doormiddel van subductie een vrij traag en inefficiënt proces betreft. In aanmerking genomen dat mantelpluimen binnen een voorheen veel hetere mantel veelvuldig moeten zijn voorgekomen, is de verhouding tot 70 procent continentale lithosfeer vóórdat en 30 procent nádat platentektoniek zijn intrede heeft gedaan vrij goed voorstelbaar.
De eerder beschreven fractionering van continentale lithosfeer als gevolg van mantelpluimen en daarmee het ontstaan van kratons lijkt in de loop van de geologische geschiedenis overigens grotendeels tot stilstand gekomen. De ontstane continenten lijken door compressie en verdikking als gevolg van het herhaaldelijk botsen inmiddels qua opwaartse kracht te groot en te robuust geworden om nog doormiddel van partieel smelten van een steeds dieper liggende basis, wortel of root verder te kunnen fractioneren.
Daarentegen kan IJsland mogelijk worden beschouwd als een moderne variant van een kraton en continent in wording als gevolg van de daar optredende lokale mantelpluim.
Het populaire klassieke beeld dat mantelconvectie op zichzelf de platentektoniek aandrijft, is onjuist. Het is de vorming van oceanische lithosfeer aan de ene kant en dan met name subductie van oceanische lithosfeer aan de andere kant dat verantwoordelijk is voor een groot gedeelte van deze mantelconvectie. De resterende thermische mantelconvectie op zichzelf zou nooit in staat kunnen zijn geweest om platentektoniek te entameren. Het misverstand is waarschijnlijk ooit ontstaan vanuit het gegeven dat platentektoniek en mantelconvectie hand in hand gaan.
Voordat er sprake was van platentektoniek vormde de aardkorst en de stijve lithosferische bovenmantel – tezamen de lithosfeer – naar alle waarschijnlijkheid een ononderbroken schil rondom de plastische bovenmantel (asthenosfeer) van de aarde. Het ontstaan van platentektoniek blijkt, overeenkomstig de vorming van oceanische en continentale lithosfeer, volledig te kunnen worden toegeschreven aan de voortdurende scheiding van gesteenten naar dichtheid, in dit geval deels binnen de lithosfeer en deels binnen de asthenosfeer.
Platentektoniek lijkt hoofdzakelijk te worden aangedreven als gevolg van oceanische lithosfeer dat in de loop van miljoenen jaren substantieel in dichtheid toeneemt. De toename in dichtheid van oceanische lithosfeer is enerzijds het gevolg van het op termijn afkoelen en hierdoor verdichten en anderzijds van het afkoelen en hierdoor dikker worden van de stijve lithosferische bovenmantel met relatief hoge dichtheid. Algemeen wordt aangenomen dat de dichtheid van moderne oceanische lithosfeer na ongeveer 30 miljoen jaar die van de onderliggende asthenosfeer overschrijdt.
Omdat de oceanische lithosfeer echter deel uitmaakt van de stijve aardkorst kon deze aanvankelijk niet zomaar wegbreken en wegzinken in de asthenosfeer. Echter, omdat de dichtheid van oceanische lithosfeer ook na 30 miljoen jaar gestaag blijft toenemen, kon er zich op enig moment in de geologische geschiedenis toch een situatie voordoen dat de oceanische lithosfeer uiteindelijk wegbrak en vervolgens in de asthenosfeer wegzonk. Dit zal waarschijnlijk zijn gebeurd ter hoogte van een incidentele structurele verzwakking van de oceanische lithosfeer.
Dat dit pas later in de geologische geschiedenis heeft plaatsgevonden, is waarschijnlijk te wijten aan het in de loop van de geologische geschiedenis substantieel afkoelen van de bovenmantel in zijn geheel. Met het substantieel afkoelen van de bovenmantel in zijn geheel is de stijve lithosferische bovenmantel met relatief hoge dichtheid – die samen met de oceanische aardkorst met relatief lage dichtheid onderdeel uitmaakt van de oceanische lithosfeer – aanzienlijk dikker geworden en de oceanische aardkorst juist aanzienlijk dunner. Dit heeft ervoor gezorgd dat de gemiddelde dichtheid van de oceanische lithosfeer in de loop van de geologische geschiedenis juist aanzienlijk is toegenomen.
Daardoor is op enig moment in de geologische geschiedenis de navolgende situatie ontstaan. Met de oplopende dichtheid en toenemende ouderdom van de oceanische lithosfeer werd het gezamenlijke gewicht van de oceanische aardkorst en de stijve lithosferische bovenmantel ter plaatse niet langer voldoende opwaarts ondersteund door de lichtere asthenosfeer. Hierdoor werd de draagkracht van diezelfde oceanische lithosfeer uiteindelijk overschreden. Als gevolg hiervan is de oceanische lithosfeer lokaal weggebroken en ter plaatse als oceanische slab in de asthenosfeer weggezonken.
De omslag van een ononderbroken schil rondom de bovenmantel naar de platentektoniek zoals wij die vandaag de dag kennen, heeft echter niet van het ene op het andere moment plaatsgevonden. Er zal aanvankelijk telkenmale incidenteel subductie zijn ontstaan om vervolgens weer even snel uit te doven als gevolg van het voortijdig afbreken van door opwarming in de asthenosfeer verzwakte onderduikende oceanische slabs. Pas na een substantiële verdere afkoeling van de bovenmantel konden de onderduikende oceanische slabs hun structurele integriteit bewaren zonder voortijdig af te breken.
Het voortijdig afbreken van onderduikende oceanische slabs in de asthenosfeer was namelijk hoofdzakelijk het gevolg van de nog altijd relatief hete bovenmantel. Pas na verdere afkoeling van de bovenmantel kon het mechanisme van platentektoniek zich uiteindelijk definitief wereldwijd vestigen. Als gevolg van de herhaaldelijke botsingen van continentale lithosfeer onderling is de continentale lithosfeer uiteindelijk zodanig gecomprimeerd en verdikt dat subductie van continentale lithosfeer uiterst zeldzaam is geworden. De compressie van onderling botsende continentale lithosfeer speelt daarbij een onderscheidende rol.
De zich in de loop van de aardgeschiedenis substantieel verdichtende oceanische lithosfeer blijkt uiteindelijk hoofdverantwoordelijk voor het ontstaan van de platentektoniek. In de loop van de geologische geschiedenis heeft het proces van subducerende oceanische lithosfeer zich vervolgens als een infectie over onze hele planeet verspreid. Door een cascade van schuivende en botsende aardplaten hebben zich namelijk talloze verzwakkingen (breuken) in de oceanische lithosfeer voorgedaan. Als gevolg daarvan is de aardkorst alsmaar verder opgebroken in tektonische aardplaten.
Relatief steil omlaag duikende thermische mantelconvectie onder de basis, wortel of root van continentale korst heeft mogelijk bijgedragen aan het aanvankelijk strekken en lokaal verzwakken van de oceanische lithosfeer op de typische grensvlakken van oceanische en continentale lithosfeer. Thermische mantelconvectie op zichzelf zou echter nooit in staat kunnen zijn geweest om platentektoniek te entameren. Daarnaast worden mantelpluimen aangewezen als oorzaak voor het aanvankelijk strekken en lokaal verzwakken van de oceanische lithosfeer.
Naarmate een oceanische slab dieper in de asthenosfeer wegzinkt, verdicht de oorspronkelijke oceanische lithosfeer zich steeds verder als gevolg van het onttrekken van water en de metamorfose van mineralen onder de toenemende druk. Daarmee trekt de wegzinkende plaat alsmaar harder aan de achterblijvende oceanische lithosfeer aan de oppervlakte. Als gevolg hiervan opent zich in de oceanische lithosfeer uiteindelijk een mid-oceanische spreidingsrug en is er sprake van voldongen platentektoniek.
Het ontstaan van oceanische lithosfeer aan de ene kant en het onderduiken van oceanische lithosfeer aan de andere kant maakt dus deel uit van een enorme mantelconvectieve loopband van gesteenten die zich scheiden naar dichtheid.
Wil je dit nou nog eens allemaal uit de eerste hand nalezen, dan kun je hier terecht!
[Fotocredits © Adobe Stock]
