Hoe vormt zich de continentale korst van de aarde? A New Bottom-Up Theory
De McMillan Spires in de staat Washington bevatten metamorf gesteente dat bekend staat als granulieten en dat is geëquilibreerd bij een druk en temperatuur die kenmerkend zijn voor de continentale lagere korst. Foto: John Scurlock/Jagged Ridge Imaging
diep onder de Aleutian Islands van Alaska, daar waar de druk en de temperatuur zo hoog zijn geworden dat gesteente begint te vloeien, wordt nieuwe continentale korst geboren.
Wetenschappers hebben lang geloofd dat continentale korst zich vormt in vulkanische bogen – ze weten dat het magma dat in de vulkanen van de bogen naar boven komt, geochemisch sterk lijkt op continentale korst. De vraag is alleen hoe dat precies gebeurt. Terwijl het magma dat de oppervlakte bereikt vergelijkbaar is met continentale korst, verschilt de onderste korst onder vulkaanbogen nogal van de onderste helft van continentale korst.
Een nieuwe studie, die deze week in Nature Geoscience is verschenen, roept vragen op over een populaire theorie en geeft nieuwe steun voor een andere theorie, volgens welke booglava van het oppervlak en ondiepe “plutons” – magma dat is gestold zonder uitbarsting – bij subductiezones naar beneden in de aarde worden getrokken en dan omhoog komen om zich op te hopen aan de onderkant van de boogkorst, zoals stoom op een keukenplafond. Wetenschappers hebben overtuigend bewijs gevonden dat dit het overgrote deel van de lagere continentale korst in de geschiedenis van de aarde kan hebben gevormd.
Relaminatie van gesubducteerd sediment.
Het proces, dat relaminatie wordt genoemd, begint aan de rand van een continentale plaat, waar een oceanische plaat onder de continentale plaat duikt en magma opstijgt om een vulkanische boog te vormen. Terwijl de oceanische plaat duikt, sleept hij sediment, lava en plutonisch gesteente van de rand van de boog mee naar beneden. Terwijl het materiaal van de boog daalt, worden de mineralen onstabiel door de stijgende druk en hitte, en ondergaan ze chemische veranderingen. Nieuwe mineralen worden gevormd, en brokken van het gesteente en sediment kunnen afbreken. Wanneer deze brokken dichter zijn dan het mantelgesteente eromheen, blijven ze zinken. Maar als ze minder dicht zijn, zoals de brokken die silicarijke granulieten vormen, worden ze drijfvermogen en drijven ze omhoog tot ze de bodem van de boogkorst bereiken en zich daar ophopen.
“Sedimenten zijn echt goed vertegenwoordigd in de continentale onderkorst, maar hoe zijn ze op de bodem van het continent terechtgekomen? De eenvoudigste manier is dat dat sediment door een subductiezone naar beneden wordt geduwd en zich daar aan de basis van de korst ophoopt,” aldus Peter Kelemen, een geochemicus aan het Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University en auteur van het artikel samen met Mark Behn van het Woods Hole Oceanographic Institution.
Bemonstering van de aardkorst
Om te bepalen hoe boogkorst in continentale korst kon veranderen, onderzochten Kelemen en Behn de enige twee bekende plaatsen waar een compleet stuk boogkorst op het land zichtbaar is. Eén locatie, in Pakistan, was betrokken geraakt bij de oude botsing van tektonische platen tussen India en Azië, en was in steile bergen gestuwd. De andere, de Talkeetna-boog die zich uitstrekt van het schiereiland Alaska tot Valdez, werd opgestuwd aan de rand van Noord-Amerika.
“Normaal gesproken krijgen we de bodem van de onderste korst van de boog niet te zien, maar in Alaska en Pakistan kunnen we helemaal tot op de bodem kijken. Deze oude bogen zijn gevormd, in Noord-Amerika gestort, gekanteld en in miljoenen jaren geërodeerd. Omdat ze gekanteld zijn, kunnen we vanaf de zeebodem naar beneden lopen, langs de basis van de korst en in de mantel,” zei Kelemen.
Over de lengte van deze blootgelegde gebieden van boogkorst namen de wetenschappers monsters om te zien hoe de geochemische samenstelling van het gesteente veranderde naarmate de diepte in de korst toenam. Zij konden mineralen extraheren die de druk en temperatuur hadden geregistreerd op het punt waar de mineralen diep onder de grond kristalliseerden, en zo aangeven hoe diep het gesteente zich op elk punt bevond.
De wetenschappers vonden belangrijke veranderingen in de samenstelling van het gesteente ongeveer halverwege in de boogkorst.
In de onderste helft van de boogkorst, vanaf ongeveer 20 kilometer onder het oorspronkelijke oppervlak, was de gemiddelde concentratie van “onverenigbare” sporenelementen – elementen als tantaal en kalium die tijdens de kristallisatie bij voorkeur in de smelt blijven – veel lager dan in de lagere continentale korst op dezelfde diepte. Alleen de bovenste 20 kilometer van de boogkorst had een samenstelling die vergelijkbaar was met die van de lagere continentale korst.
Dat wordt een probleem voor een toonaangevende theorie over hoe continentale korst ontstaat, aldus Kelemen. Die theorie stelt dat de boogkorst delamineert – dichte stukken gesteente in de boogkorst bewegen langzaam naar beneden en “storten” in de mantel totdat de boogkorst de samenstelling van continentale korst heeft bereikt. De nieuwe gegevens suggereren dat delaminatie alleen zou werken als een groot deel van het gesteente uit een 20 kilometer dikke korst zou worden verwijderd. Maar delaminatie werkt alleen beneden 35 tot 40 km diepte.
“Dus zelfs nadat we een beetje dicht materiaal van de bodem hebben verwijderd, krijg je nog steeds een lagere korst in de bogen die er heel anders uitziet dan de lagere korst in de continenten. Het proces is niet voldoende om van de boogkorst continentale onderkorst te maken,” zei Kelemen. Delaminatie vindt wel plaats, maar om de drijvende kracht te zijn is een complex proces van herhaalde korstverdikking en metamorfe gebeurtenissen nodig, zei hij.
Kelemen en Behn suggereren een eenvoudiger proces.
De Aleutian Islands Test
De auteurs stelden hun model op de proef op de Aleutian Islands. In die vulkanische boog zijn de lava en plutonen vergelijkbaar met continentale korst, maar de onderste korst is sterk verarmd in elementen die veel voorkomen in de onderste continentale korst. Om te bepalen in hoeverre relaminatie tot lagere continentale korst kan leiden, berekenden de wetenschappers de dichtheid van de blootgestelde lava en plutonen bij subductiezonedrukken en -temperaturen.
Bijna 44% van de Aleoetenlava’s en 78% van de plutonen zou onder subductiezone-omstandigheden meer drijfvermogen hebben dan peridotiet uit de aardmantel, ontdekten zij. Dit suggereert dat als delen van de Aleoetenboog naar beneden worden getrokken in de subductiezone, op een diepte van 90 tot 120 km, waar de temperatuur meer dan 700°C bedraagt, de booglava en de plutonen zouden opstijgen om zich op te hopen langs de bodem van de korst.
Intrigeerd door deze bevinding voerden de wetenschappers dezelfde berekeningen uit voor andere bogen. Zij ontdekten dat op de Talkeetna-locatie in Alaska 48 procent van de lavas en 37 procent van de plutons drijvend zouden zijn. Bij Kohistan, de vindplaats in Pakistan, zou 36 procent van de lavas en 29 procent van de plutons drijvend zijn.
Relaminatie kan duidelijk zijn in de Pelona Schist in Zuid-Californië, waar delen van de lagere continentale korst zichtbaar zijn, aldus Kelemen. Kleigesteenten en klodders mantelperidotiet omgeven door meer opwaartse materialen kunnen worden gevonden in de blootgelegde, “ondergeplaatste” korst.
“We kunnen jonge, vulkanische sedimenten zien die onder oudere continentale korst werden gepropt en nu deel uitmaken van het totale pakket. Hoe zijn ze daar beneden gekomen? Het gebeurde in Zuid-Californië, en ik zou willen stellen dat het waarschijnlijk op veel plaatsen gebeurt,” zei Kelemen.
Lees meer over het werk dat wordt verricht bij Lamont-Doherty Earth Observatory.