VAN OERKNAL TOT MENS KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN Plate tectonics is, inherently, a simple beautiful concept, but its smaller-scale results are bewilderingly complicated. John F. Dewey, een van de grondleggers van het paradigma (in Plate Tectonics. An Insider s History of the Modern Theory of the Earth, N. Oreskes, 2001) In de twintigste eeuw ondergaat de aardwetenschappen een paradigmaverschuiving, van een fixistisch wereldbeeld vervat in theorieën zoals de permanentietheorie of de geosynclinetheorie naar een mobiel wereldbeeld, uiteindelijk vervat in het paradigma van de platentektoniek met concepten als zeevloerspreiding, continentendrift en subductie. Het tot stand komen van dit nieuwe paradigma is een moeizaam wetenschappelijk proces geweest dat meer dan een halve eeuw heeft geduurd. Uiteindelijk heeft dit dynamische wereldbeeld de geesten ook gerijpt om de volgende stap te zetten in het aardwetenschappelijke denken, waarbij de vaste Aarde (geosfeer) geïntegreerd wordt in het globale concept van Systeem Aarde. Continenten op drift Bij de aanvang van de twintigste eeuw wordt de discussie tussen geofysici gedomineerd door het concept isostasie. Dit concept steunt op het principe van Archimedes, dat stelt dat de opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof ondervindt, even groot is als het gewicht van de verplaatste vloeistof. Uit uitgebreid geodetisch onderzoek groeide immers het idee dat isostasie van toepassing zou kunnen zijn op de continenten. Zo werd bijvoorbeeld de opheffing van Scandinavië verklaard door een isostatische compensatie ten gevolge van het verdwijnen van de ijskap zo n 10.000 jaar geleden. Het feit van isostasie had echter een implicatie waarmee de aardwetenschappers geen blijf wisten: de continenten drijven op een vloeibaar substraat. De laat-paleozoïsche (~300 miljoen jaar geleden) fossiele fauna en flora blijkt opmerkelijke gelijkenissen te vertonen op de zuidelijke continenten (Afrika, Zuid-Amerika, India, Australië, Antarctica). Deze biogeografische provincie kreeg de naam Gondwana. Het bestaan van landbruggen die later wegzonken, is echter in tegenspraak met het geofysische concept van isostasie. De aardwetenschappers zaten dan ook met een probleem: wat met Gondwana? Alfred Wegener verenigde voor het eerst in 1912 het geofysische feit isostasie met het biogeografische feit Gondwana in één globale theorie, de continentendrift. Zijn redenering was eenvoudig: als continenten permanente structuren zijn en drijven op een vloeibaar substraat, maar ooit verbonden zijn geweest (Gondwana), dan is dit enkel mogelijk door horizontale verschuivingen Verschiebungen. Met wat gepuzzel bracht Wegener alle continenten bijeen in het supercontinent Pangaea, wat alle land betekent.
Het mobilistische Europa ontving de theorie van continentendrift met open armen. Fixistisch Amerika bleef heel sceptisch en deed de theorie af als bad science. Spreidende zeevloer Wegener s theorie van de continentendrift steunde hoofdzakelijk op geologisch onderzoek op de continenten. Voor een echte doorbraak was het wachten tot de oceanen hun geheimen vrijgaven. Daarvoor was het wachten tot na de tweede wereldoorlog. Voornamelijk uit militaire overwegingen injecteerde de Amerikaanse overheid in de beginjaren van de Koude Oorlog enorme budgetten in oceanografisch en seismologisch onderzoek. Men kan dan ook gerust stellen dat platentektoniek een kind van de Koude Oorlog is. Uitgebreid onderzoek van het reliëf van de oceaanbodem (bathymetrie) legde een zeer merkwaardig landschap van de ocaanvloer bloot. In de oceanen lopen langgerekte bergketens, die 2.000 à 3.000 m boven de abyssale vlakten uitsteken. Deze oceaanruggen blijken uiteindelijk een continu netwerk te vormen doorheen alle oceanen. Ter hoogte van deze oceaanruggen is bovendien de Aardse warmteflux abnormaal hoog. Langs verschillende continentranden komen dan weer diepzeetroggen voor met dieptes tot meer dan 10 km diep. Deze diepzeetroggen vallen bovendien samen met belangrijke negatieve afwijkingen in de zwaartekracht. Ook blijken de aardbevingshaarden ter hoogte van deze diepzeetroggen opvallend voor te komen volgens een van de diepzeetrog wegduikend vlak, wat we vandaag de Wadati-Benioffzone noemen. In 1960 suggereerde Harry Hess in zijn opmerkelijk essay in geopoetry op basis van de specifieke bathymetrie van de oceaanvloer dat de oceaanruggen de plaats is waar de oceaanvloer uiteen drijft boven de opwellende tak van een convectiecel in het vloeibare substraat. Het concept van zeevloerspreiding was geboren. Magnetisch onderzoek van de oceaanbodem gaf aanleiding tot de ontdekking van een van de meest enigmatische patronen uit de geologie, de zebrapatronen. Deze opmerkelijke magnetische patronen die enkel in de oceaanvloer voorkomen bestaan uit een opeenvolging van banden met versterkt magnetisch veld afgewisseld met banden met verzwakt magnetisch veld. In 1963 zien Vine en Matthews een verband tussen het theoretische concept van zeevloerspreiding, de enigmatische magnetische zebrapatronen, en de magnetische ompolingen. De zebrapatronen blijken immers het ultieme bewijs voor zeevloerspreiding. De oceaanvloer kan beschouwd worden als een soort bandrecorder. Telkens wanneer ter hoogte van de oceaanrug nieuwe oceaankorst wordt gevormd door magmatische intrusies, leggen de uitkristalliserende mineralen het heersende magnetische veld vast. Bij een normale polariteit (een magnetisch veld zoals het huidige magnetische veld) zal de remanente magnetisatie van het basaltische gesteente het huidige magnetische veld versterken; bij een inverse polariteit (ten gevolge van een magnetische ompoling) zal de remanente magnetisatie het huidige magnetische veld verzwakken. Dit resulteert in het zebrapatroon dat volledig symmetrisch is ten opzichte van de spreidingsas, centraal in de oceaanruggen. Bewegende aardplaten Paleomagnetisch onderzoek op de continenten legde zich toe op de evolutie van de gesteentemagnetisatie doorheen de geologische tijd. Men ontdekte dat de polen doorheen de tijd ronddwaalden over het aardoppervlak. Maar tot verbazing van de onderzoekers bleek dat deze dwaalcurves verschillend waren voor elk van de continenten. Dit is, gezien de eigenheid van het aardmagnetisch dipoolveld, onmogelijk. Er kan uiteindelijk maar één magnetische Noordpool en één 2
magnetische Zuidpool zijn. Het zijn dan ook schijnbare dwaalcurves. Het zijn immers niet de polen die ronddwalen over het aardoppervlak, maar de continenten ten opzichte van vastliggende polen. Deze dwaalcurves vormen dan ook het ontegensprekelijke bewijs voor continentendrift. Ook het bestaan van opmerkelijk opgelijnde vulkanische archipels, zoals de Hawaïaanse archipel, diende verder als bewijs voor bewegende aardplaten. Deze archipels zijn immers het resultaat van een aardplaat die over een zogenaamd gloeipunt schuift. Dit gloeipunt is een stabiele magmabron onder de aardplaat, die mogelijk het resultaat is van diepe mantelpluimen. Een nieuw paradigma Midden de jaren 60 was de puzzel nu bijna volledig. Omdat de Aarde nu eenmaal niet uitzet, moest er naast zeevloerspreiding ook een proces zijn dat korstmateriaal terug recycleert. Inderdaad, ter hoogte van de diepzeetroggen duikt de oceanische lithosfeer terug weg in de mantel. Dit proces noemt men subductie. Verder bleken de breukzones die de oceaanruggen doorsnijden heel bijzonder te zijn. Dit zijn de transformbreuken. Verder bleek dat de verspreiding van aardbevingshaarden niet uniform is over het aardoppervlak. Er is een duidelijke concentratie van aardbevingshaarden ter hoogte van oceaanruggen, subductiezones en gebergteketens. Het idee kreeg gestalte van stijve aardplaten. De seismische activiteit concentreert zich langs de plaatranden. Maar als stijve aardplaten bewegen op een sfeer, dan beantwoorden deze bewegingen aan strikte geometrische regels, gekend als het Eulertheorema. In 1968 stelt Xavier Le Pichon de eerste plaattektonische kaart voor. In 1969 wordt het nieuwe paradigma van de platentektoniek boven de doopvont gehouden op de Geological Society of America Penrose Conference in Asilomar (Californië). Vijftig jaar na Wegener is de cirkel rond. Continentendrift is een feit. En het is zeevloerspreiding en subductie dat continentendrift mogelijk maakt. Platentektoniek in een notendop Het paradigma van de platentektoniek kan met een aantal kernconcepten worden samengevat: (1) het bestaan van een lithosfeer en asthenosfeer De buitenste zone van de Aarde, bestaande uit de oceanische en continentale korst en het buitenste deel van de mantel, kan worden opgedeeld op basis van de reologische eigenschappen in een lithosfeer en asthenosfeer. De lithosfeer vormt de buitenste stijve schil van de Aarde. Het gesteente in de lithosfeer gedraagt zich voornamelijk elastisch. Onder de lithosfeer bevindt zich de asthenosfeer, waarin het gesteente zich voornamelijk plastisch gedraagt. De grens tussen lithosfeer en asthenosfeer is een thermische grens (1280 C) en bevindt zich in het buitenste deel van de mantel. (2) het bestaan van stijve lithosferische platen Het concept van stijve lithosferische platen die drijven op de asthenosfeer het vloeibaar substraat is de sleutel geweest in de ontwikkeling van het plaattektonisch concept. Wegener beschouwde enkel de continenten. Maar de lithosferische platen omvatten zowel continentale als oceanische korst, en vormen zo een aaneengesloten puzzel van stijve schollen op een sfeer. Continentendrift is uiteindelijk maar een neveneffect van platentektoniek. 3
(3) het bestaan van drie typen plaatgrens en de geometrische randvoorwaarden van plaatbewegingen De onderlinge bewegingen van de lithosferische platen zijn onderworpen aan strikte geometrische regels, vervat in het Eulertheorema. Hieruit volgt dat slechts drie typen plaatgrens mogelijk zijn: (1) divergente of constructieve plaatgrenzen: dit zijn de spreidingsassen waar zeevloerspreiding plaatsvindt en dus twee platen uiteendrijven; (2) convergente of destructieve plaatgrenzen: dit zijn de plaatsen waar twee platen onder elkaar doorschuiven; is er oceanische lithosfeer betrokken, dan krijgen we subductie; als twee stukken continentale lithosfeer betrokken zijn, dan krijgen we collisie en de vorming van gebergteketens; (3) conservatieve plaatgrenzen of transformbreuken: dit zijn de plaatsen waar twee platen langs elkaar heen schuiven. Plaatbewegingen doen zich voor met gemiddelde snelheden van enkele mm per jaar. Maar die geleidelijkheid van plaatbewegingen is maar schijn. In realiteit gebeurt dit immers met horten en stoten ; plaatbewegingen zijn immers het resultaat van de aaneenschakeling van een veelheid van aardbevingen. Plaatbewegingen gebeuren loodrecht op divergente en convergente plaatgrenzen, en evenwijdig aan conservatieve plaatgrenzen. (4) het model van zeevloerspreiding, subductie en asthenosferische convectie Oorspronkelijk werd asthenosferische convectie in de mantel gezien als motor achter platentektoniek. Ter hoogte van de opwellende tak van een convectiecel bevinden zich de spreidingsassen, ter hoogte van de wegduikende tak van een convectiecel de subductiezones. Door mantelsleurkracht worden de lithosferische platen passief meegesleurd bovenop de asthenosferische transportband. Er was dus sprake van actieve convectie. Het model van asthenosferische convectie vertoont echter heel wat tekortkomingen. Vandaag wordt dan ook algemeen aangenomen dat de zwaartekracht de belangrijkste aandrijfkracht is van plaattektonische bewegingen. Ter hoogte van subductiezones zinkt koude, zware oceanische lithosfeer weg in de asthenosfeer en trekt deze met zijn volle gewicht de volledige plaat met zich mee. Dit is subductietrekkracht. De veroorzaakte convectie is de mantel is dan ook eerder het gevolg dan de oorzaak van plaatbewegingen. We spreken van passieve convectie. (5) het cyclisch verloop van plaattektonische processen Geïnspireerd op het Atlantische model, zien we een cyclisch plaattektonisch proces van openen en sluiten van oceanen, de Wilsoncyclus. Naast deze kleinschalige cyclus kent platentektoniek nog een globale cyclus. Op geregelde tijden in de geologische geschiedenis smelten alle continenten samen tot één groot supercontinent. Deze ongeveer 400 miljoen jaar durende supercontinentcyclus blijkt mogelijk geassocieerd met grootschalige, mantelomvattende convectie. Uiteindelijk zal blijken dat deze supercontinentcyclus de belangrijkste eerste-orde cyclus is van Systeem Aarde. (6) de specifieke rol van continentale korst in plaattektonische processen In de context van platentektoniek heeft continentaal materiaal twee bjizondere eigenschappen. Continentale korst is zwak, zwakker dan de uiterst sterke oceanische korst. De sterke oceanische korst is dan ook grotendeels verantwoordelijkheid voor de stijfheid van de 4
tektonische platen. Belangrijke vervormingen concentreren zich daarentegen in de randzones van de continenten, waar men dan ook de bergketens vindt. Dit betekent ook dat continentale fragmenten gemakkelijk afscheuren uit deze randzones. Continentale korst is ook licht. Het kan niet gerecycleerd worden in subductiezones. Dit betekent enerzijds dat de continentale massa altijd toeneemt. Anderzijds, als continentaal materiaal in een subductiezone terechtkomt, dan blokkeert de plaatbeweging en ondergaat de plaattektonische configuratie plotse veranderingen. Aardwetenschappen in beweging Platentektoniek heeft vele vaders. Platentektoniek kent geen Newton, Darwin of Einstein, al wordt Wegener wel eens beschouwd als de vader van de platentektoniek. Het nieuwe paradigma kon echter enkel tot stand komen door een synthese vanuit diverse wetenschapsdisciplines en vanuit verschillende gebieden op Aarde, een onmogelijke opdracht voor één enkele wetenschapper. De ontwikkeling van het nieuwe paradigma werd ook mogelijk gemaakt door een ongeziene financiële injectie gedreven door militaire overwegingen in wetenschappelijk onderzoek en technologische ontwikkelingen. Maar het is ook het verhaal van een aantal visionaire Jonge Turken die door de ruis van de enorme gegevensbestanden patronen herkenden die de fundamenten van het nieuwe paradigma zouden vormen. En het is het verhaal van gevestigde waarden, waaronder enkele notoire fixisten, die zich laten overtuigen door het overweldigende bewijsmateriaal. Alle hoofdrolspelers in het verhaal zijn het er tenslotte over eens dat zij toen ongedwongen en vrij aan onderzoek konden doen. Kortom, science was fun!. De belangrijkste revolutie die de platentektoniek tot stand heeft gebracht, situeert zich binnen de aardwetenschappen zelf. Van een zuiver historische wetenschap, gedreven door het verzamelen en classificeren van fossielen, mineralen en gesteenten, zijn de aardwetenschappen uitgegroeid tot een globale wetenschap, die de verschillende wetenschapsdisciplines overstijgt en die gedreven is door kwantitatieve onderzoeksmethoden. Met het geïntegreerde systeemdenken van de Earth System Science nemen de aardwetenschappen uiteindelijk een voortrekkersrol in bij het uitstippelen van de toekomst van de natuurwetenschappen. 5