Nederlandse onderzoekers helpen de oude vertrouwde Bosatlas aan een broertje: de Atlas van de Onderwereld.

Afbeelding: S / Bartux (via Wikimedia Commons).

De Grote Bosatlas: iedereen die aardrijkskunde op school heeft gevolgd, heeft er wel eens een kijkje in genomen. In een atlas wordt er door middel van kaarten allerlei informatie over het aardoppervlak gevisualiseerd. Van de gemiddelde jaarlijkse regenval in Europa en het landgebruik in Zuid-Amerika tot ligging en bevolkingsdichtheid van de megasteden in Azië: alles staat erin. Van het aardoppervlak weten we ondertussen dus best wel veel, maar hoe zit het dan met wat er binnen in de aarde zit, de onderwereld? Vroeger werd de onderwereld veelal geassocieerd met de dood. Zo was in de Griekse mythologie de onderwereld het dodenrijk van de god Hades, schreef de Italiaanse dichter Dante over zijn afdaling door de zeven ringen van de hel en beschouwden ook de Maya’s de wereld onder hun voeten als het hiernamaals. Tegenwoordig hebben aardwetenschappers de binnenkant van de aarde onder weten te verdelen in de korst, mantel en kern (zie de afbeelding hiernaast). Toch weten wij nog altijd bijzonder weinig over het binnenste van onze eigen planeet. Daarom besloot aardwetenschapper Douwe van der Meer om een deel van die binnenkant, de aardmantel, volledig in kaart te brengen, en maakte daarom samen met collega-aardwetenschappers Douwe van Hinsbergen en Wim Spakman van de Universiteit Utrecht de eerste ‘Atlas van de Onderwereld’. In totaal werden de locaties en geschiedenis beschreven van 100 platen die over de afgelopen honderden miljoenen jaren in de aardmantel zijn gezonken.

Allereerst: wat is plaattektoniek en subductie?
Op één van de pagina’s van de Bosatlas staat een wereldkaart waarop de aarde wordt onderverdeeld in tektonische platen (zie de afbeelding hieronder). Dit zijn stukken aardkorst die als het ware op de onderliggende aardmantel ‘drijven’. Er zijn twee soorten aardkorst: ‘zware’ oceanische korst en ‘lichte’ continentale korst. Deze tektonische platen bewegen continu ten opzicht van elkaar, in een proces genaamd plaattektoniek. Dit gebeurt heel langzaam. “Een goede vuistregel is: platen bewegen met dezelfde snelheid als je nagels groeien.” aldus Van Hinsbergen. Op korte termijn zie je er daarom niet zoveel van terug, maar op lange termijn leggen continenten enorme afstanden af. Als je goed in je atlas kijkt, kun je zien dat de kustlijnen van bijvoorbeeld Zuid- en Noord-Amerika en Afrika als puzzelstukjes aan elkaar passen. Dat komt omdat deze continenten 200 miljoen jaar geleden, toen de eerste dinosauriërs ontstonden, nog aan elkaar vast zaten.

Afbeelding: USGS (via Wikimedia Commons).

Door deze onderlinge bewegingen kunnen platen regelmatig onder elkaar schuiven. Daarbij komt het vaak voor dat de zware korst van een oceanische plaat onder een lichte continentale of een andere oceanische plaat duikt (zie de afbeelding hieronder). Dit wordt ‘subductie’ genoemd. Wanneer de ene plaat onder de andere duikt, begint de subducerende oceaankorst dan aan een lange reis van vele miljoenen jaren recht naar beneden door de mantel naar de buitengrens van de aardkern. Subductie blijft meestal doorgaan totdat er een stuk continentale korst aankomt bij de subductiezone. Deze korst is te licht om te zinken en in plaats van in de mantel te verdwijnen, botsen de twee stukken korst met elkaar. Zo is 55 miljoen jaar geleden subductie van een oude oceaan tussen India en Azië opgehouden en botsten twee continenten met elkaar, wat het ontstaan van de Himalaya tot gevolg had. Boven op de plek waar een oceanische plaat de mantel in duikt, ontstaan langs de subductiezone zogenaamde vulkaanbogen. Het meest bekende voorbeeld hiervan is de zogenoemde ‘Ring van Vuur’, die rondom de Grote Oceaan ligt. Aan de randen hiervan duiken er stukken oceanische korst onder de lichtere continentale platen van Azië en Noord- en Zuid-Amerika, en dit zorgt ervoor dat er aan de randen van de Grote Oceaan veel vulkaanbogen liggen, zoals in Mexico en Indonesië. Naast het ontstaan van vulkanen vinden er in subductiezones ook ontzettend krachtige aardbevingen plaats, zoals in 2004 voor de kust van Indonesië en Thailand, in 2011 bij Japan, en recentelijk nog in Mexico.

Een subductiezone. Hier duikt een oceanische plaat onder de veel lichtere continentale plaat. Afbeelding: USGS.

Dit proces van subductie is al bijna 4 miljard jaar bezig, maar niet altijd op dezelfde plek. Doordat de continenten ten opzichte van elkaar bewegen, verandert de locatie van subductiezones door de tijd heen, en verdwijnen subductiezones – bijvoorbeeld na continentale botsingen – na verloop van tijd weer. Wanneer een subductiezone ‘uitsterft’ worden de bijbehorende vulkanen inactief, maar de gestolde lava die deze vulkanen tijdens hun activiteit uitgespuwd hebben, blijft liggen. Geologen als Van Hinsbergen sporen deze oude vulkanische gesteenten op om de oude ligging van vulkaanbogen te bepalen. Zo bestaat het westen van het Noord-Amerikaanse continent grotendeels uit oude vulkaanbogen die door de tijd heen aan de rest van het continent zijn vastgeplakt. Daarnaast zijn geologen ook op zoek naar andere bewijzen van subductie, in de vorm van stukken oceaankorst die op het land zijn geduwd tijdens subductie, de zogeheten ‘ofiolieten’. Tenslotte meten ze ook de magnetische signalen van gesteente, waaruit men de beweging van een plaat over de aardbol kan reconstrueren. Tegelijkertijd maken geofysici als Spakman plaatjes van de binnenkant van de aarde met behulp van een techniek genaamd ‘seismische tomografie’. Dat klinkt als een ruimteschip uit de nieuwe Star Wars, maar is eigenlijk heel goed vergelijkbaar met een MRI-scan zoals men die maakt in het ziekenhuis. Met behulp van trillingen, veroorzaakt door aardbevingen (vandaar ‘seismisch’), kunnen geofysici plaatjes maken van de binnenkant van de aarde. Door op deze manier als het ware de hele mantel door de MRI-scanner te halen, kunnen we dus een beeld van het inwendige van onze planeet krijgen. Het resultaat van de scan laat zien dat seismische golven niet overal even snel door de mantel bewegen: op bepaalde plekken is de seismische snelheid van het gesteente hoger dan op andere plekken, en dat komt vooral door verschillen in temperatuur. De plekken met een hogere seismische snelheid hebben een hogere dichtheid en lagere temperatuur, en zijn oude stukken aardkorst die in de mantel zijn gedoken tijdens subductie en op dit moment als een soort van klomp olie in een lavalamp langzaam door de mantel zinken.

Tomografische modellen van de mantel onder het gebied rond de Egeïsche zee (Griekenland en Turkije). Op alle afbeeldingen staat rood voor een hoge seismische snelheid (hoge temperatuur) en blauw voor een lage seismische snelheid (lage temperatuur). Op deze afbeeldingen worden de resultaten van twee tomografische modellen weergegeven (UU-P07 boven en SL2013+S40RTS onder). Op afbeeldingen A en B wordt de situatie in de mantel weergegeven die door de modellen berekend is op een diepte van 850 km. Op beide afbeeldingen is een duidelijke blauwe vlek te zien: dit is een de Afrikaanse plaat die onder Eurazië subduceert. Op afbeelding D wordt de lijn weergegeven van het stuk van de aardmantel waar een doorsnede van is gemaakt. Afbeeldingen E en F geven beiden de structuur van de mantel onder de Egeïsche zee die uit de twee tomografische modellen komt. Echter is opnieuw op beide afbeeldingen een duidelijke dikke blauwe streep te zien die vanaf rechtsboven de mantel in duikt. Dit is wederom de subducerende Afrikaanse plaat.

Op het moment dat een aardplaat bij de grens van de kern en de mantel aankomt, begint hij langzaam op te lossen, om uiteindelijk helemaal te verdwijnen. De oudste platen die nog zichtbaar zijn, zijn ongeveer 300 miljoen jaar oud, slechts een fractie van de 4,6 miljard jaar durende geschiedenis van de aarde. Dat betekent dat oudere gesubduceerde platen weer helemaal zijn gerecycled in de mantel. Het is dan ook niet mogelijk om deze te gebruiken om de ligging van de continenten gedurende de eerste 4,3 miljard jaar van de geschiedenis van onze planeet.

Tijd terugspoelen
In zijn onderzoek heeft Van der Meer samen met Van Hinsbergen en Spakman de huidige locatie van de oude vulkaanbogen vergeleken met de huidige locatie van de gesubduceerde platen in de mantel. Het resultaat is de ‘Atlas van de Onderwereld’. Hierin worden de locatie en diepte van in het verleden gesubduceerde platen weergegeven. Door alle gesubduceerde platen van ondiep naar steeds dieper te koppelen aan actieve en oude vulkaanbogen en gebergten hebben Van der Meer en zijn collega’s bepaald waar de oude subductiezones hebben gelegen op het aardoppervlak, en geschat hoe lang geleden de plaat subduceerde. Daaruit volgt, hoe dieper de plaat, hoe ouder de subductie. Daarnaast zijn nu 100 van deze platen gekoppeld aan de geologische vondsten aan het aardoppervlak om zo hun herkomst te vinden. De mantel ‘herinnert’ zich dus de subductiezones van vroeger, en Van der Meer schat dat het geheugen van de mantel tot wel 300 miljoen jaar geleden terug gaat. In de Atlas is zo te zien dat op dit moment veel van deze oude stukken aardkorst niet recht onder huidige subductiezones liggen. Dit betekent dat de platen waarop de oude vulkaanbogen uit het verre verleden liggen, tijdens de subductieperiode waarin ze actief waren op een andere plek hebben moeten gelegen. Op deze manier kunnen geologen bepalen waar de continenten op een bepaald moment in tijd moeten hebben gelegen ten opzichte van de aardmantel, en kunnen ze dus ook bepalen hoe de platen bewogen moeten hebben. Op deze manier kunnen wetenschappers te weten komen waar de hoge bergketens en uitgestrekte oceanen van vroeger lagen. Door stapje voor stapje dieper de mantel in te kijken, is het mogelijk het vroegere aardoppervlak te reconstrueren. De ‘Atlas van de Onderwereld’ slaat dus twee vliegen in één klap: hij laat niet alleen zien hoe de onderwereld er nu uitziet, maar ook hoe het aardoppervlak er vroeger uit heeft gezien.

“Door de Atlas krijgen klimaatwetenschappers meer inzicht in de factoren die het klimaat, het aardoppervlak, en de processen daaronder beïnvloeden”

Voor welk onderzoek is de atlas nog meer van groot belang?
Ook voor andere disciplines binnen de aardwetenschappen is de Atlas van groot belang. Als er namelijk veel stukken aardkorst op dezelfde diepte liggen, betekent dat dat er op dat moment in de geologische tijd veel subductie plaatsvond. Omdat er op subductiezones vrijwel altijd vulkanen ontstaan, vindt er in periodes met veel subductie ook veel vulkanische activiteit plaats. Hierdoor komen er veel broeikasgassen vrij, die het klimaat kunnen opwarmen. In de tijdperk van de dinosauriërs, tijdens het Jura en het Krijt, was er bijvoorbeeld twee keer zoveel subductie en mid-oceanische spreiding als tegenwoordig. Hierdoor kwamen er grotere hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer en dit leidde tot een warmer klimaat en een hogere zeespiegel. Uiteindelijk vertaalt dit zich naar het ontstaan van veel ondiepe, tropische binnenzeeën, waarin onder andere de angstaanjagende Mosasaurus uit Zuid-Limburg heeft geleefd. Daarnaast heeft de ligging van de continenten grote invloed op zeestromen en het klimaat in het geologische verleden. Van Hinsbergen en Spakman zijn zelfs bezig om te zien of grote ertsvoorkomens van goud en koper op te sporen zijn door gebruik te maken van de lessen uit de Atlas. Kortom, door de Atlas krijgen klimaatwetenschappers meer inzicht in de factoren die het klimaat, het aardoppervlak, en de processen daaronder beïnvloeden en kunnen ze veranderingen in de geologie die van belang zijn voor de samenleving van zowel miljoenen jaren geleden als tegenwoordig beter begrijpen.

Wat is de volgende
Met het maken van de ‘Atlas van de Onderwereld’ heeft Van der Meer niet alleen bekende uitgewerkte vulkaanbogen aan oude oceanen gekoppeld, maar heeft hij ook nieuwe platen gevonden in de mantel. Zo zitten er diep onder Oceanië stukken oceanische korst waarvan niet bekend is onder welke tektonische plaat die ooit gedoken zijn. In de toekomst zullen geologen zich daarom veel bezig houden met het zoeken naar onontdekte vulkaanbogen en ofiolieten. Van der Meer: “Ik denk dat deze atlas, net als iedere andere atlas, door de tijd heen steeds verder verbeterd zal worden.”

Benieuwd geworden naar hoe de onderwereld er nou uitziet? De Atlas van de Onderwereld is sinds vandaag op www.atlas-of-the-underworld.org voor iedereen toegankelijk.

Thomas Schouten is bachelorstudent Aardwetenschappen aan de Universiteit Utrecht. In zijn studie bestudeert hij zowel de geologische als de geofysische aspecten van plaattektoniek. Naast zijn studie is hij geïnteresseerd in geschiedenis, politiek en geografie en was hij hoofdredacteur van het blad van zijn studieverenging, de PanGeo.