Bewijzen en historie plaattektoniektheorie

De Duitser Alfred Wegener publiceerde in 1915 zijn theorie over bewegende continenten. Hij kwam met harde bewijzen uit de paleontologie, van gebergteketens, van ijstijdafzettingen en de pasvorm van continenten aan weerszijden van de Atlantische Oceaan. Zijn mechanisme voor het bewegen van de continenten, de getijden, was echter niet correct. De theorie van de plaattektoniek werd pas in 1968 aanvaard toen harde bewijzen uit het paleomagnetisme het mechanisme verklaarden: mantelconvectie zorgt voor de beweging van aardplaten.

15 juli 2008

Het idee van bewegende aardplaten is relatief jong. De Duitse meteoroloog en geofysicus Alfred Wegener (1880-1930) schreef in 1915 het boek ‘Het ontstaan van continenten en oceanen’ (vertaald uit het Duits) waarin hij zijn ideeën over bewegende continenten (continentale drift) publiceerde. Ook suggereerde hij het bestaan van het supercontinent ‘Pangea’, dat 200 miljoen jaar geleden uiteen zou zijn gebroken. De stukken van het supercontinent dreven vervolgens naar hun huidige positie. Voor die tijd was het een radicaal idee dat inging tegen de toen heersende paradigma’s (breed geaccepteerde theorieën).

Alfred Wegener op ongeveer 45-jarige leeftijd.

Vóór Wegener

Tot het begin van de 20^e eeuw dachten de meeste wetenschappers dat de continenten op een vaste positie lagen. Ze verklaarden dat bergen gevormd waren door verticale bewegingen van de aardkorst. Volgens de Duitser Buch zouden ze veroorzaakt zijn door het inkrimpen van de aarde door afkoeling. Een rimpelende appel dus.

Een opvolgende theorie van de Amerikanen Dana en Hall vertelde dat gebergten waren ontstaan volgens de ‘geosynclinetheorie’. Deze theorie stelt dat de oceaankorst langzaam naar beneden zakt waardoor zich breuken langs de oceaanranden naast gebergteketens vormen, die nog steeds waren ontstaan door inkrimping van de aardbol. Om de dikte van de gesteentepakketten te verklaren bedachten de Amerikanen dat er neerwaartse beweging langs de randen van de oceaan had plaatsgevonden. Zo ontstond ruimte voor afzetting van dikke gesteentepakketten, die later vervormd en opgeheven werden. Magma zou zich hebben gevormd langs de randen van de oceanen. De theorie hield stand tot in de jaren 60.

Wegeners bewijzen

Toch kon deze theorie niet alle gebergtes verklaren. Wegener voerde diverse argumenten aan voor zijn continentale drift theorie, nadat ook al anderen zoals Mantovani en Taylor dachten dat continenten konden bewegen. Wegener zag ook net als anderen voor hem dat de kustlijnen van aan weerszijden van de Atlantische Oceaan prima aan elkaar pasten.

In 1858 tekende de Amerikaan Anotonio Snider-Pellegrini de eerste reconstructie waarbij de Atlantische Oceaan werd weggelaten.

Ook fossielen boden Wegener een prachtargument. Alexander von Humboldt (1769-1859) vond al vergelijkbare fossielen aan weerszijden van de Atlantische Oceaan. Volgens andere paleontologen leken de fossielen zo op elkaar dat organismen wel contact met elkaar moesten hebben gehad via een landbrug. Wegener zocht toen naar literatuur over fossiele organismen die onmogelijk de huidige Atlantische Oceaan konden overbruggen. Zo kwam het zwemmende reptiel Mesosaurus kwam slechts in Zuid-Amerika en Afrika voor. Dit is vreemd want als ze echt de brede Atlantische Oceaan konden oversteken zouden ze een veel groter verspreidingsgebied moeten hebben. Ook de fossiele landdieren Lystrosaurus en Cynognatus en de fossiele varen Glossopteris bleken een verspreiding op meerdere continenten te hebben. Wegener keek ook naar de verspreiding van recente Australische en Amerikaanse buideldieren. Hij kwam tot de conclusie dat de huidige klimaatszones te verschillend zijn voor het ontstaan van vergelijkbare organismen.

Vier fossielen die op meerdere continenten gevonden zijn. Bewerkte bron: USGS

Ook bergen leverden bewijs. Als Amerika echt aan Eurazië en Afrika vastzat, dan moet dat ook te zien zijn aan de bergen aan de randen van deze continenten. Ze moeten dezelfde structuren en dezelfde leeftijd hebben. Toen de Appalachen langs de oostkust van Noord-Amerika, de bergen van Ierland en noordelijk Groot-Brittannië en het Caledonisch gebergte van Scandinavië bestudeerd werden, bleek dat inderdaad het geval te zijn. De gebergten ontstonden 300 miljoen jaar geleden tijdens het ontstaan van Pangea toen continenten tegen elkaar botsten. Het derde bewijs van Wegener…

Alsof bovenstaande bewijzen nog niet voldoende waren, zocht Wegener verder en niet zonder succes. Hij vond sporen van vroegere ijskappen met een ouderdom tussen de 220 en 300 miljoen jaar in Afrika, Zuid-Amerika, India en zelfs in Australië. Deze sporen zijn glaciale afzettingen (‘till’), stuwwallen en gletsjerkrassen op het onderliggende gesteente. Tegenwoordig liggen veel van deze continenten in de tropische regio. Zou de hele aarde dan onder een ijskap hebben gelegen? Nee, want in dezelfde periode kwamen elders grote tropische moerassen voor, die later grote steenkoollagen zouden vormen. Het struikgewas had grote bladeren en de bomen bezaten geen groeiringen, kenmerkend voor een tropische vegetatie. Wegener geloofde dan ook dat de genoemde continenten voor het uiteengaan nabij de Zuidpool lagen. De moerassen waren ontstaan in gebieden die nu noordelijker liggen, maar toen rond de evenaar lagen.

Fout mechanisme

Aanvankelijk kreeg Wegeners ‘continentale drift-theorie’ weinig aandacht want het was alleen in het Duits verschenen. Toen het boek in 1924 in het Engels, Spaans, Frans en Russisch verscheen kwam er zware kritiek. Dit bleef zo tot na Wegeners dood in 1930 toen hij omkwam tijdens een wetenschappelijke expeditie op Groenland. Eén van de grote punten van kritiek was dat Wegener een fout mechanisme gaf, namelijk dat getijde de continenten zoals Groenland westwaarts had doen bewegen. Ook zouden continenten zelf door de oceaankorst breken. De oceaankorst was echter niet opgebroken en vervormd…

Ook de Nederlandse hoogleraar Vening Meinesz (1887-1966) was niet overtuigd door Wegener en voerde overal op aarde zwaartekrachtmetingen uit: de aardkorst bleek overal in evenwicht te zijn met de onderliggende aardmantel, zelfs bij de dunne aardkorst en hoge gebergten. Geen grond voor beweging concludeerde hij.

Een ander idee kwam van de Brit Dirac die het scheuren van Pangea verklaarde door het opzwellen van de aardbol. Hij vermoedde namelijk dat de gravitatieconstante in de loop van de tijd afneemt, waardoor alle deeltjes verder van elkaar komen te liggen. Dus ook de aarbol zou zwellen.

Op 1 november 1930 is op Groenland de laatste foto van Alfred Wegener (links) gemaakt. Het was ook zijn laatste verjaardag. Bron: Alfred-Wegener Institute for Polar and Marine Research, http://www.awi.de

Toch kreeg Wegener steun van enkele collega-wetenschappers zoals de Zuid-Afrikaan Alexander du Toit en de Brit Arthur Holmes. Du Toit opperde in 1937 het vroegere bestaan twee supercontinenten: een noordelijk/equatoriaal Laurazië (Noord-Amerika, Groenland, Europa en Azië) en een zuidelijk Gondwanaland (Zuid-Amerika, Afrika, India, Australië en Antarctica), gescheiden door de Tethys oceaan. En in 1944 schreef Holmes in zijn boek Principles of Physical Geography dat convectiestromen in de aardmantel zorgden voor het verschuiven van de continenten.

Paleomagnetische bewijzen

In begin van de jaren 50 keerde het tij met de ontdekking van paleomagnetisme als bewijs dat voor continentale drift. In het aardse verleden is het aardmagnetisch veld meerdere keren omgedraaid. De huidige magnetische Noordpool ligt nu nabij de geografische Noordpool. Vroeger was het ook andersom: een huidig kompas zou het zuiden aanwijzen als de magnetische Noordpool. Het aardmagnetisch veld wordt vastgelegd in stollinggesteenten, waarvan het ijzer (vooral het mineraal magnetiet) zich richt volgens het dan heersende magnetische veld. Daarvoor moet de temperatuur van het lava eerst onder de 580°C komen (het Curie punt). Is de lava eenmaal gestold, dan verandert de richting van het vastgelegde magnetische veld niet meer, tenzij het weer wordt verhit tot boven het Curie punt. Naast het bepalen van deze polariteit, is ook het bepalen van de breedtegraad van afkoelen van het stollingsgesteente mogelijk.

Uit studies in de jaren 50 van de Brit Runcorn en collega-wetenschappers bleek dat de positie van de Noordpool niet constant was op basis van stollingsgesteentes uit meerdere geologische periodes. Dit kon twee dingen betekenen: het verplaatsen van de polen over de aardbol of het verplaatsen van het continent. Het verplaatsen van polen is beperkt en dus verplaatsen de continenten zich. Toen ook nog eens bleek dat het traject van de Noordpool op basis van Europese en Noord-Amerikaanse stollingsgesteenten een andere baan volgde, was het bewijs onomstotelijk. Het bestaan van meerdere Noordpolen is onmogelijk, dus was dit het bewijs voor het openen van de Atlantische Oceaan. Toch werd de theorie van de bewegende continenten nog niet in de armen gesloten.

Ontdekkingen stapelen zich op

In 1947 werd door de Amerikaan Ewing en collega’s de langgerekte Mid-Atlantische Rug ontdekt, die de vorm van kust van de continenten aan weerszijden had. Ze ontdekten ook dat oceanische korst dunner was dan continentale en bestond uit ander gesteente.

Later werd een riftsysteem gepaard met vulkanisme in de rug ontdekt en nabij diepzeetroggen bleken veel aardbevingen op grote diepte voor te komen. Daarnaast bleek de oceaanlithosfeer slechts 160 miljoen jaar oud te zijn, geologisch erg jong. In de vroege jaren 60 deed Brit Edward Bullard de ontdekking dat het continentale plat van Noord- en Zuid-Amerika, Afrika, Eurazië veel beter in elkaar paste dan de kustlijnen zelf. Het continentale plat is het gedeelte van het continent dat onder water staat.

‘B’ stelt het continentale plat voor. Bron: US Federal Government

Dé sleutel is toch paleomagnetisme

Ook in de oceanen lagen enorme aanwijzingen. In begin van de jaren 60 ontdekte de Amerikaan Harry Hess de spreiding van de oceaanbodem. Hess kwam in 1962 met het idee dat stijgend en warm mantelgesteente vlak onder de oceaanruggen moest liggen. Hieruit ontstaat nieuwe lithosfeer, dat vervolgens van de rug af beweegt naar een trog toe. Via de trog duikt de oceaanlithosfeer de mantel weer in. Door het constant consumeren kon de oceaanlithosfeer dus nooit heel oud worden! Ook zijn landgenoot Robert Dietz had vergelijkbare ideeën rond dezelfde tijd.

In 1963 koppelden de Britten Matthews en Vine de ontdekkingen van magnetische omkeringen in de oceaangesteenten, die parallel bleken te lopen aan de oceanische ruggen, aan de theorie van Hess. De oceaanrug bleek zo de symmetrieas te zijn waarlangs oceaankorst zich van de rug af bewoog. Toen de magnetische omkeringen gedateerd waren, kon een snelheid van spreiding bepaald worden. Vervolgens publiceerden de Amerikaan Morgan en de Fransman Le Pichon over onafhankelijk bewegende aardplaten in 1967.

Omkeringen in het aardmagneetveld zijn goed te zien vanaf mid-oceanische ruggen. Bron: USGS

Paleomagnetisme is het belangrijke puzzelstukje in de theorievorming geweest, waardoor in 1968 een aangepaste versie van Wegener’s continentale drift theorie algemeen werd aanvaard: de plaattektoniek. Het paradigma verschoof van een gerimpelde appel via de geosynclinettheorie naar continentale drift en uiteindelijk naar plaattektoniek. Een theorie die tot stand kwam door onderzoekers uit alle hoeken van de aardwetenschappen: structureel geologen, geomagnetici, paleontologen, paleoklimatologen, seismologen, geofysici en vulkanologen. Mede daarom staat de plaattektoniektheorie nog stevig overeind.

Twee spreidingsruggen bij de westkust van de Verenigde Staten. Vanaf de spreidingsruggen worden de gesteentes steeds ouder. Bron: USGS