De hele aardbol beweegt

Plaattektoniek is het bewegen van platen op onze aarde. Bij de aardplaatgrenzen wordt nieuw aardkorst gevormd, duiken aardplaten de diepte in of schuiven ze langs elkaar heen. Dit bewegen wordt veroorzaakt door convectie in de aardmantel en het bewegen van de aardplaten zelf. Dit alles om warmte uit het binnenste van de aarde kwijt te raken.

11 juli 2008

IJsland breekt. Er is al een kloof in het zuidwesten van IJsland en deze zal alleen maar groter worden in de toekomst. Langzaam maar zeker splitst IJsland zich op met een snelheid van centimeters per jaar. Dit alles is het gevolg van bewegende aardplaten samengevat in de term plaattektoniek.

Brug over de Alfagja kloof in zuidwest IJsland. De kloof is de grens tussen de Eurazische en Noord-Amerikaanse plaat. Bron: Creative Commons

Aardplaten

De hele aarde is bedekt met bewegende aardplaten. Dit bewegen gaat langzaam, maar wel snel genoeg om over tientallen miljoenen jaren grote veranderingen te zien. Satellietmetingen tonen aan dat de snelheid ligt tussen de 0-10 cm per jaar. Hoe meer continent er op de aardplaat ligt, des te langzamer de aardplaat beweegt. Er zijn nu zeven grote aardplaten: de Noord-Amerikaanse, de Zuid-Amerikaanse, de Pacifische (grootste), de Afrikaanse, de Eurazische, de Australische en de Antarctische aardplaat. Daarnaast zijn er diverse kleinere platen.

Deze platen hebben allemaal een verschillende dikte. De dikte van deze lithosfeer (‘steenschaal’) is tot 100 km dik in de oceanen en kan wel 200 km dik worden op het continent. Aardplaten bestaan zowel uit oceanische als continentale lithosfeer, waarbij de eerste maximaal 180 miljoen jaar oud is en de laatste 4 miljard jaar. Oceanische lithosfeer verdwijnt eerder naar grote diepte binnenin de aarde, de aardmantel.

De aardplaten en hun bewegingsrichting aangegeven met rode pijlen.

Oceanen ontstaan

Toch is er nog zeer veel oceanische lithosfeer te vinden, er zijn immers verschillende grote oceanen. Kijken we naar het zuidelijk deel van de Atlantische Oceaan, dan lijken de kustlijnen van Zuid-Amerika en Afrika goed in elkaar passen. Dit lijkt niet alleen zo, maar is ook zo geweest is het verre verleden. De Noord-Amerikaanse en de Eurazische aardplaat zijn hier namelijk uiteen bewogen, er is sprake van een divergente plaatgrens. Nu ligt deze plaatgrens in het midden van de Atlantische Oceaan. Deze Mid-Atlantische Rug van 65.000 km lang is een onderzees gebergte. Het al eerder genoemde IJsland ligt op deze plaatgrens en komt wel boven de zeespiegel uit.

Bij divergentie komt magma naar boven vanuit de diepe aarde. De magma koelt af en komt vaak via kussenlava’s naar buiten en vormt zo nieuwe lithosfeer. Na stolling van lava neemt de dichtheid toe en zal de oceanische lithosfeer steeds dieper komen te liggen in het oceaanbekken, de berg af tot 5500 m diep.

Ten westen van Afrika ligt de Mid-Atlantische Rug, maar in het oosten van Afrika vindt een dergelijk iets plaats. Hier scheurt Afrika langzaam maar zeker. Er zijn al meren ontstaan die bij verder uiteengaan tot een oceaan zullen uitgroeien. Dit is een beginnende divergente plaatgrens. Eerst bolt het landschap op, de lithosfeer wordt dunner en het aantal vulkanen en aardbevingen neemt toe. Zo ontstaat een laaggelegen riftgebied, dat uiteindelijk onderloopt en oceanische lithosfeer aanmaakt.

De jonge oceaanlithosfeer is rood, de oude blauw (maximaal 180 miljoen jaar). Bron: NOAA

Bergen

Het tegenovergestelde gebeurt bij de vorming van bergen. Een voorbeeld is de botsing van het continent India tegen Azie: continent-continent convergentie. Hierdoor ontstond het hoogste gebergte op aarde, de Himilaya’s. Ook nu nog wordt het gebergte hoger. De gebergtevorming is vooral ontstaan door stukken aardkorst die over elkaar zijn bewogen (de ‘dekplaten’). De bijkomende druk zorgt voor plooien in de aardkorst.

Echter, voor de botsing was er nog oceaan tussen India en Azië. De twee platen botsten toen niet, want de oceanischlithosfeer dook namelijk onder het Eurazische continent. De oceaanlithosfeer heeft namelijk een veel grotere dichtheid dan continentlithosfeer. De plaat duikt de diepe aarde in (‘subductie’) en vormt een diepe trog tot 12 km diep en een accretiewig, bestaande uit losgeschraapte bodem van de oceaanlithosfeer. Op 100-150 km diepte wordt het water in de kristalroosters zo verhit dat het stijgt, het smeltpunt van gesteente verlaagt en aanzet tot magmavorming. Het lichtere magma stijgt en veroorzaakt vulkanisme aan het aardoppervlak. Water werkt hier dus als katalysator voor de vorming van een vulkanisch gebergte zoals ook de Andes.

Dit type van naar elkaar bewegende platen heet oceaan-continent convergentie. Toen het Indische continent uiteindelijk tegen Azië botste brak waarschijnlijk de oceanische lithosfeer af, zakte weg in de aardmantel en zorgde voor de vorming van de Tibetaanse Hoogvlakte door het opveren van de aarde.

De spectaculaire route van de Indische naar de Eurazische plaat. Bron: USGS

Toch kunnen niet alle gebergtes nog op deze manier verklaard worden. Middenin zee komen soms langgerekte bogen van eilanden voor zoals de Mariana eilanden in de westelijke Stille Oceaan. Deze eiland zijn eigenlijk het topje van grote bergpieken onderwater. In de buurt van deze eilanden duikt de oceaanplaat met de hoogste dichtheid (vaak de oudste) onder de andere oceaanplaat. Net als bij oceaan-continent convergentie is water ook hier katalysator voor vulkanische bergen, hier de eilanden. Bij deze oceaan-oceaan convergentie worden de eilanden op zo’n 200-300 km afstand van de plaatgrens gevormd en wel op de plaat die niet subduceert.

Drie types van convergentie: links oceaan-continent, midden continent-continent en rechts oceaan-oceaan convergentie. Klik op de afbeelding voor een grotere versie. Bron: USGS

Uiteindelijk zal de onderduikende oceaanplaat zinken tot maximaal de mantel-kern grens op 2900 km diepte. De hoek van de wegduikende plaat is afhankelijk van zijn dichtheid: hoe jonger, des te lager de hoek van wegduiken. Een lagere hoek betekent echter wel meer en zwaardere aardbevingen. En zo’n aardbeving kan een heftige tsunami veroorzaken zoals die van tweede kerstdag in 2004…

De aardbeving die dé tsunami veroorzaakte, ontstond vlakbij de grens tussen de Indisch-Australische de Eurazische plaat. De Indisch-Australische duikt hier onder Eurazische plaat. Bron: NOAA

Géén bergen en oceanen

Reizen we nu naar de westkust van de Verenigde Staten, dan is er wel beweging van de lithosfeer, maar er verdwijnt niets en er komt niets bij. Bij de San Andreas transformbreuk beweegt de Noord-Amerikaanse plaat naar het zuiden en de Pacifische plaat naar het noorden. Juist deze beweging bij deze transforme plaatgrens zorgt voor enorme aardbevingen. De meeste van deze plaatgrenzen verbinden divergente rugsegmenten van de (mid-oceanische) spreidingsruggen, vaak om de 100 km.

De San Andreas transformbreuk in Californië. Bron: USGS

Hoe dan?

Convergentie, divergentie en transforme plaatgrenzen. Allemaal beweging maar waar komt dat door? Dit komt door de ongelijke verdeling van warmte in de aardmantel naast de stroom van warmte vanuit de kern naar de koele buitenkant. Deze warmte is afkomstig van het ontstaan van de aarde (oerwarmte), van huidige radioactiviteit en van de langzame kristallisatie van de aardkern.

De Britse geoloog Arthur Holmes stelde al in 1944 dat de aardmantel grote convectiecellen bevatte. De cellen brengen hierbij gesteente met een lage dichtheid naar het aardoppervlak (bij divergente plaatgrenzen) en kouder gesteente met een hogere dichtheid wordt naar de vaste aardmantel wordt getransporteerd via de subductiezones. Andere wetenschappers stelden dat er twee grote convectiecellen in de hele mantel zouden zijn of dat er zelfs twee cellen op elkaar zouden zijn.

Ook de lithosfeer zelf helpt bij de convectie. De oceaanplaten worden na verloop van tijd zo zwaar en dik dat ze de astenosfeer in zinken en de hele plaat meetrekken. Aan de andere kant van de plaat zijn de spreidingsruggen zo dik en zwaar zijn dat ze vanzelf wegglijden van de plaatgrens. Het eerstgenoemde oefent echter de sterkste kracht uit. Zwaartekracht is in beide gevallen de drijvende factor. De lithosfeer is dus een actief onderdeel in het proces van convectie.

De convectiecellen in de aardmantel en het bewegen van de lithosfeer. Bron: Creative Commons

Opvallend detail is dat er op het noordelijk halfrond meer subductiezones liggen, terwijl op het zuidelijk halfrond juist meer spreidingszones aanwezig zijn. Dit betekent dat er een stroming van noord naar zuid moet zijn. Een ander gevolg is dat er een steeds groter oppervlak aan continenten op het noordelijk halfrond komt. Klonteren de landmassa’s in de toekomst weer samen net zoals in het verleden?

Dat is helemaal afhankelijk van hoeveel warmte de aarde nog kwijt gaat raken. De hoeveelheid warmte wordt bepaald door de snelheid van radioactief verval en de totale hoeveelheid radioactief materiaal. Ook de samenstelling van de planeet is bepalend: hoe vloeibaarder, des te makkelijker convectie ontstaat. Deze factoren, maar ook de afstand tot de zon en de stabilisatie door de maan blijken op de aarde ideaal op elkaar te zijn afgesteld.

Voorlopig is de aarde nog lang niet afgekoeld, maar uiteindelijk zal de aarde zoveel hitte hebben verloren dat er geen energie meer genoeg is om de plaattektoniek te voeden. Zal onze planeet dan uiteindelijk net zo dood en levenloos worden als Mars en de Maan, hemellichamen waar mogelijk ook plaattektoniek was?

Referenties:

Tarbuck & Lutgens, 1999. Plate tectonics. In: Earth: 469-509.
Beunk & De Vries. 2000. Plaattektoniek: motor van het systeem aarde. GEA 2000 (2): 35-47.