Platentektoniek en vulkanisme

Inleiding

Sinds het ontstaan van de aarde, zo’n 4,5 miljard jaar geleden, is er heel veel in en aan deze planeet veranderd. Onder invloed van de zwaartekracht vond een scheiding van lichte en zware materialen plaats; aan de buitenkant vormden zich een atmosfeer en een hydrosfeer, verder naar binnen ontstonden bolschillen met een toenemende soortelijke massa. Geleidelijke afkoeling deed magma tot een aardkorst stollen. Een aardkorst die voortdurend beweegt. Soms heftig, zoals bij een aardbeving, meestal haast onmerkbaar langzaam. Doordat die bewegingen echter miljoenen jaren kunnen doorgaan, laten die trage verschuivingen op den duur wel oceanen en gebergten ontstaan en weet verdwijnen.
We reconstrueren en verklaren een deel van die veranderingen van de aardkorst.
Als we de astronomen mogen geloven, heeft de aarde als planeet twee beslist unieke eigenschappen die samen de aanduiding ‘actieve aarde’ rechtvaardigen. De eerste eigenschap is dat de heersende druk- en temperatuuromstandigheden het mogelijk maken dat water hier als gas, vloeistof en vaste stof voorkomt. Sterker nog: het oppervlak van deze planeet is zelfs voor 71% bedekt met water. Deze eigenschap zorgt er onder andere voor dat het weer en het klimaat pittige afwisselingen kunnen vertonen en zelfs tot catastrofes kunnen leiden. En op de lange termijn blijken het weer en de wind in combinatie met al dat water, meer dan waar ook in ons zonnestelsel, het planeetoppervlak steeds weer te vernieuwen.
De tweede eigenschap is de beweeglijkheid van de aardkorst. Ook deze eigenschap kan leiden tot rampen en gevaren die je op de maan, Mars en Venus niet zult aantreffen. De dynamiek gaat gepaard met een constante reeks van aardbevingen en vulkanische gebeurtenissen die getuigen van een groots en onontkoombaar verschijnsel: de eindeloze zwerftocht van de continenten over de aardbol.
De aardkorst bestaat uit losse stukken, die ook wel platen of schollen worden genoemd. Deze losse stukken verplaatsen zich ten opzichte van elkaar (langs elkaar en ook wel over elkaar heen). Dit unieke feit wordt bestudeerd in een deel van de leer van de verschuivingen en verplaatsingen van de aardlagen, ofwel de tektoniek, en wel de platentektoniek in het bijzonder. De beweeglijkheid van de aardplaten is een natuurlijke eigenschap van de aardkorst. Aardbevingen en vulkaanuitbarstingen horen daarbij. Maar ook het ontstaan van hooggebergten zoals de Andes, de Alpen en de Himalaya. Of het uiteenscheuren van de aardkorst over een afstand van duizenden kilometers, zoals bij de Oost-Afrikaanse Rift Valley. De hoofdvraag van ons werkstuk is natuurlijk die naar de manier waarop de platentektoniek te werk gaat. Deze vraag voert langs vanzelfsprekende onderwerpen als:
- Wat zijn kennelijk de gevaarlijke zones op aarde?
- Met welke platentektonische verschijnselen hebben we daar te maken?
- Wat zijn de landschappelijke gevolgen van de tektoniek op korte en op lange termijn?
Platentektoniek en vulkanisme

§1
Puzzelstukken en hersenkrakers

► Het was de Nederlandse cartograaf Abraham Ortelius die in 1596 opperde dat de beide Amerikaanse continenten wellicht door aardbevingen en overstromingen losgerukt zijn van Europa en Azië. In 1660 viel het ook de Engelse filosoof Bacon op dat de oostkust van Zuid-Amerika als een puzzelstukje paste aan de westkust van Afrika. Maar pas halverwege de negentiende eeuw werd deze vormovereenkomst door sommige aardwetenschappers gezien als een serieuze aanwijzing dat de twee continenten in het verleden kennelijk iets met elkaar te maken hadden. Daar bleef het echter bij, omdat niemand begreep hoe dat kon.
☻ In die tijd ging men er in de geologie namelijk van uit dat ingrijpende veranderingen van het aardoppervlak vrij plotseling en op rampzalige wijze tot stand kwamen. Dat in die tijd deze ‘catastrofetheorie’ werd aangehangen, is geen wonder; de mensen wisten niet beter dan dat de aarde ongeveer zesduizend jaar oud moest zijn. Alle grootse zaken moesten dus wel snel tot stand zijn gekomen.
► Door het werk van Lyell, Hutton en niet te vergeten de grote Darwin begon men echter in te zien dat die duizenden jaren in werkelijkheid vele miljoenen jaren moesten zijn en dat de geologische krachten en processen van het heden waarschijnlijk niet wezenlijk verschillen van die in het verleden. De catastrofetheorie maakte plaats voor het principe van het actualisme: ‘The present is the key to the past’.
☻ Omstreeks 1912 blies de Duitse meteoroloog Alfred Wegener de discussie nieuw leven in. Hij kwam met nieuwe aanwijzingen, zoals sporen van vergletsjeringen die gelijktijdig zouden hebben plaatsgevonden in Australië, Zuid-Afrika, India en Zuid-Amerika. Hij wees ook op de door hem geconstateerde grote overeenkomsten van de fossiele flora en fauna in delen van de wereld, die tegenwoordig ver uit elkaar liggen. Verder wees hij op het identieke karakter van gesteenteformaties op verschillende continenten.
Volgens hem waren de continenten grote eilanden van relatief licht gesteente. Zij dreven op iets ‘dat min of meer vloeibaar was’ in de diepe ondergrond en konden zich ten opzichte van elkaar bewegen. Volgens Wegener moesten de continentale massa’s ooit een aaneengesloten supercontinent hebben gevormd, dat hij Pangea doopte en dat omgeven was door de oeroceaan Pantalassa. Deze theorie staat bekend als de theorie van de continentale drift. De meeste geologen vonden de theorie bespottelijk, omdat niemand een idee had (ook Wegener niet) wat de drijvende kracht achter dit verschijnsel zou kunnen zijn. Wegener werd zwaarmoedig van al die kritiek, maar bleef desondanks doorgaan met het zoeken naar bewijzen om zijn theorie te staven. Die speurtocht eindigde in 1930 toen hij stierf op de barre ijskap van Groenland.

► Meer dan dertig jaar na Wegeners dood kwamen er feiten boven water, die aantoonden dat er toch echt iets aan de hand was. Omstreeks 1965 kwam vast te staan dat sommige dieptegesteenten op de continentale korst circa vier miljard jaar oud zijn. Maar het bleek ook dat de aardkorst onder de oceanen nergens ouder is dan 180 miljoen jaar. Dat betekent dat de aardkorst onder de oceanen ongeveer twintig keer jonger is dan bepaalde dieptegesteenten op de continentale korst! Blijkbaar vernieuwt de oceaanbodem zich.
☻ Een belangrijk deel van de bewijsvoering werd ontleend aan het paleomagnetisme uit het verre verleden. Er is een mineraal, magnetiet, waarin veel naaldvormige kristalletjes voorkomen. Als dit sterk magnetische mineraal zich in vloeibare lava bevindt, richt het zich naar het magnetisch veld. Bij het stollen van de lava wordt de richting vastgelegd. Gebleken is dat in de loop van de geologische geschiedenis het aardmagnetisch veld niet altijd dezelfde richting heeft gehad. Verplaatsing van de aardas (en dus van de polen) of het voorkomen van twee magnetische polen is hiervoor geen aannemelijke verklaring. Zeker niet omdat bleek dat lava’s van dezelfde ouderdom in Europa en Noord-Amerika een totaal andere richting van het aardmagnetisch veld vertoonden. De enige verklaring is dat de continenten (en dus de betreffende lava’s) ten opzichte van de polen van positie zijn veranderd met het verstrijken van de geologische geschiedenis.
■ In de jaren tachtig werd via satellietbeelden en uiterst nauwkeurige astronomische waarnemingen rechtstreeks gemeten en aangetoond dat de continenten zich echt bewegen. Zo wordt de Atlantische Oceaan elk jaar een centimeter of twee breder en schuift Australië ieder jaar ongeveer acht centimeter naar het noorden.

► De huidige inzichten en feiten kunnen de geniale hypothese van Wegener bevestigen. Zeker voor wat betreft de verklaring van de huidige verdeling van continenten en oceanen. Maar er is nu ook een goede theorie die de verschuiving verklaart. De continenten moeten niet beschouwd worden als grote schepen die door de rotsen van de oceaanbodem ploegen. Het is de oceaanbodem zelf die zich horizontaal beweegt en zo de continenten meeneemt. Hoe dit volgens de huidige inzichten werkt, wordt hieronder uitgelegd.

§2
Moderne platentektoniek

► Men denkt dat de aarde is opgebouwd uit een aantal bolschillen, die van binnen naar buiten steeds lichter worden en vrij abrupt in elkaar overgaan. Dat beeld berust voornamelijk op de studie van het gedrag van aardbevingsgolven en op de samenstelling van meteorieten.
☻ Binnenin de aarde zit de kern, die waarschijnlijk bestaat uit een mengsel van nikkel en ijzer. Door de hoge druk is het binnenste deel van de kern vast. De buitenkern moet u zich als min of meer vloeibaar voorstellen.
☻ Om de kern ligt de mantel, die ruwweg uit twee delen bestaat: de binnen- en de buitenmantel. Ook hier is er weer een verschil in aggregatietoestand. De binnenmantel gedraagt zich als vaste stof. De buitenmantel is (afgezien van de buitenste veertig kilometer) ‘taai-vloeibaar’. Zo noemen we een stof die zich ten opzichte van kortstondige krachten als een vaste stof gedraagt, maar tegenover langdurige en constante krachten als een vloeistof. Vergelijk het maar met de zwarte substantie teer. Je kunt een stek vast teer met een hamer in stukken slaan, maar een voorwerp met een zwaar gewicht zakt het er heel langzaam in weg. Ook glas is taai-vloeibaar. De binnen- en buitenmantel bestaan uit siliciumverbindingen met veel ijzer en magnesium.
☻ Boven de steenachtige afgrenzing van de buitenmantel ligt, naar verhouding dunner dan een eierschaal, de eigenlijke aardkorst. Deze bestaat uit gesteenten die grotendeels verbindingen van zuurstof met ijzer, calcium, magnesium, natrium en aluminium blijken te zijn.

► De zuurstofrijke gesteenten van de korst en de zuurstofarme gesteenten van het vaste buitenste deel van de mantel vormen samen de lithosfeer (steenschaal). De lithosfeer is in zijn totaliteit ongeveer tachtig kilometer dik. De lithosfeer wordt onderverdeeld in de continentale korst en de oceanische korst. De continentale korst heeft een zeer onregelmatige dikte, maar is gemiddeld zo’n veertig kilometer dik. De oceanische korst is veel gelikmatiger en gemiddeld een kilometer of zes dik. De lithosfeer blijkt niet uit één geheel te bestaan, maar uit zes grote en een stuk of tien kleinere platen. Die platen drijven op het deel van de buitenmantel dat taai-vloeibaar is en asthenosfeer wordt genoemd. Daarin komen blijkbaar allerlei stromingen voor.

☻ Het verschil in hoogte tussen continenten en oceaanbodems is grotendeels te verklaren uit de verschillen in dikte en de soortelijke massa van de gesteenten waaruit ze zijn samengesteld. De continenten bestaan voornamelijk uit graniet, dat een soortelijke massa heeft van 2,8. De oceaanbodems bestaan uit basalt, een zwaarder gesteente met een soortelijke massa van 3,0. Bovendien is de continentale korst ook nog dikker dan de oceanische korst. Omdat een continent lichter is, zal een stuk continent normaal al hoger liggen dan een even dik stuk oceaanbodem.

► Waarom is de asthenosfeer in beweging?
De belangrijkste motor hiervan is de inwendige warmte van de aarde. Deze warmte hangt hoogstwaarschijnlijk samen met de manier waarop de aarde ontstaan is, zo’n vijf tot zes miljard jaar geleden. Volgens de meest gangbare hypothese is de aarde ontstaan uit een wolk kosmische stofjes die zich samenbalden tot een steeds grotere en meer compacte bol. Deze bol werd onder invloed hiervan zeer heet. De bol koelde daarna van buiten af, maar de korst van relatief slecht geleidend gesteente isoleerde het inwendige van de bol. Daardoor koelde het inwendige van de bol niet verder af. De energie die vrijkomt bij het uiteenvallen van radioactieve stoffen in de aarde houdt de temperaturen in stand. Kortom: de kern van de aarde is nog zeer heet en verwarmt daardoor de ‘soep’ van de asthenosfeer. Het diepere materiaal is het heetst en komt naar boven. Boven in de mantel botst dit materiaal tegen de lithosfeer en stroomt het horizontaal naar twee kanten weg. Naarmate het materiaal hoger komt, koelt het ook af en neemt de soortelijke massa toe. De zwaarder geworden substantie zakt op een andere plaats naar beneden. Deze kringlopen van (in dit geval) gesmolten mantelmateriaal worden convectiestromen genoemd. Door de convectiestromen bewegen de platen van de lithosfeer.
☻ In de gebieden waar de convectiestromen naar boven komen, wordt de aardkorst omhoog gedrukt. In de oceanen ontstaan zo de mid-oceanische ruggen. Daar vormt zich ook een nieuwe oceaanbodem, doordat de platen aan weerszijden uiteenwijken en het tussenliggende gebied gevuld wordt met stollend magma.
Door middel van satellietwaarnemingen kon worden vastgesteld dat de platen momenteel niet spectaculair snel bewegen, hoogstens enkele decimeters per jaar. Bovendien zijn er tal van aanwijzingen dat het proces vroeger in principe net zo traag verliep. Over een lange tijd gerekend is dit echter genoeg om voor enorme veranderingen te zorgen. Van twee centimeter verbreding van de Atlantische Oceaan per jaar lig je niet wakker. Maar overeen miljoen jaar gerekend, is dat twee miljoen centimeter, oftewel twintig kilometer en dat scheelt toch aardig wat Airmiles! Als we aannemen dat de huidige bewegingen nog enkele tientallen miljoenen jaren aanhouden, zullen ook Noord- en Zuid-Amerika van elkaar gescheiden worden. Verder is de Middellandse Zee dan verdwenen en zit Afrika vast aan Europa. Oost-Afrika zal echter een nieuw continent zijn en de Rode Zee is uitgegroeid tot een nieuwe oceaan.

► De platen kunnen ten opzichte van elkaar drie soorten bewegingen maken. Platen kunnen van elkaar af of naar elkaar toe bewegen en platen kunnen langs elkaar heen bewegen. We bespreken deze verschillende bewegingen.
☻ In de eerste plaats kunnen de platen van elkaar af bewegen (divergeren). Dit gebeurt, zoals u eerder hebt kunnen lezen, nu in de oceanen bij de mid-oceanische ruggen. De lithosfeer scheurt hier als het ware open en de spleet wordt opgevuld met basalt uit de mantel. Zo ontstaan welvingen (de mid-oceanische ruggen) met in het midden een laagte, gevormd door de uiteen wijkende centrale slenk.
■ Dit soort gebieden kenmerkt zich door ondiepe aardbevingen en rustig vulkanisme. Bekende voorbeelden zijn de Middenatlantische Rug, die zich uitstrekt over de gehele Atlantische Oceaan en de Oostpacifische Rug ten westen van Zuid-Amerika.
■ Platen kunnen ook scheuren. Een voorbeeld hiervan is te vinden op de Afrikaanse Plaat, bij Oost-Afrika. De Rift Valley met zijn langgerekte en zeer diepe meren blikt onderdeel van een gigantische scheur te zijn, die bij Mozambique begint en doorloopt tot in Turkije. Daar maakt het oostelijk deel van Afrika zich los van de rest. Langs de randen schuiven gedeelten van de aardkorst langs schuine breuken naar beneden. Door die breuken kan magma naar boven vloeien en kunnen vulkanen zoals de Kilimanjaro ontstaan. In het noorden gaat de Rift Valley over in de Rode Zee. Hier is het uiteenwijken al verder gevorderd en vormt zich het begin van een oceaanbodem (de Danakildepressie).

☻ Bij het naar elkaar toe bewegen van twee platen (convergeren) is een drietal variaties mogelijk. Ten eerste kan een oceanische plaat tegen een continentale plaat botsen. Het materiaal van de oceanische plaat (basalt) is zwaarder dan dat van de continentale plaat (graniet). Daardoor duikt de oceanische plaat altijd onder de continentale en zinkt hij in de mantel. Dit gebeurt ook onder invloed van een neerwaartse convectiestroming. De plek waar dit gebeurt, wordt een subductiezone genoemd. Deze plek is aan het aardoppervlak te herkennen als een diepzeetrog. Je vindt bij subductiezones behalve een trog ook altijd een gebergte en vulkanisme. De oceaanbodem kan wel zeshonderd tot zevenhonderd kilometer naar beneden duiken. Op ongeveer honderd kilometer diepte begint de oceanische korst te smelten. Vanwege de lichte sedimenten op de oceaanbodem en het vele zich daarin bevindende zeewater, is de soortelijke massa van het geheel niet groot. Daardoor ontstaan opstijgende bellen magma, waaruit zich weer vers continentaal gesteente kan vormen. Een groot deel van de magmabellen blijft in de aardkorst steken. Een ander deel komt echter wel aan de oppervlakte en vormt dan vaak een strook vulkanische eilanden (bijvoorbeeld de Aleoeten en de Antillenboog). Sedimenten en magma vormen een gasrijk magma. Daardoor is dit soort vulkanisme vaak heftiger dan dat bij de mid-oceanische ruggen. Bij subductiezones kunnen ook zeer zware aardbevingen voorkomen. Op het wrijvingsvlak van de duikende en de bovenliggende plaat bouwt zich namelijk een geweldige spanning op met enorme hoogteverschillen over relatief korte afstanden. Kijk maar eens naar de plaats waar de Nazcaplaat en de Zuid-Amerikaanse plaat elkaar ontmoeten. Van de top van de Llullaillaco naar de bodem van de Atacamatrog is er vijftien kilometer hoogteverschil over een afstand van 150 kilometer.
■ Een tweede mogelijkheid bij convergerende platen is de botsing tussen twee stukken continentale korst. Beide korsten hebben dezelfde soortelijke massa. Daardoor duikt de ene korst niet onder de andere. Het resultaat is een geweldige kreukelzone van samengeperste gesteenten en de vorming van gebergten van grote hoogte, zoals de Himalaya en de Alpen. Deze gebergten worden plooiingsgebergten genoemd. Als bijkomend verschijnsel treden er vaak aardbevingen op.
■ Ten slotte kan er ook een botsing plaatsvinden tussen twee oceanische platen. De oudste van de twee platen duikt dan onder de jongere plaat. De oudste plaat is immers het meeste afgekoeld en dus zwaarder. Het gevolg is een vulkanische eilandenboog. Een voorbeeld is te vinden in het westen van de Grote Oceaan ten zuiden van Japan: de Japantrog.

☻ De derde beweging is dat platen langs elkaar schuiven. Op de plekken waar dit gebeurt, wordt de lithosfeer dus niet afgebroken, maar ook niet opgebouwd. Dit behaaglijk langs elkaar schuren, blijkt in praktijk echter met horten en stoten te gaan. De scheidslijn tussen de twee platen, zoals de San Andreasbreuk in Californië, wordt dan ook met angstige spanning in de gaten gehouden.

§3
Vulkanisme

► Er zijn op aarde vijfhonderd tot zeshonderd actieve vulkanen. Bij een vulkaanuitbarsting komt doorgaans gesmolten steen (magma) naar buiten. Het herkomstgebied van het magma wordt de haard genoemd. Bij platentektonisch vulkanisme kan zo’n haard enige kilometers diep liggen, maar de haard ligt altijd in de korst zelf. Hoe groter de haard is, hoe langduriger de eruptie is en hoe dieper de haard ligt, hoe groter de druk is en hoe heftiger de uitbarsting is. Maar de populaire opvatting dat een vulkaankrater tot “in het binnenste van de aarde voert”, is overdreven.
Zodra het magma aan het oppervlak komt, heet het lava. Deze lava koelt vervolgens af tot vulkanisch gesteente. Overigens kan een vulkaan ook gassen en gas produceren of kan bij een flinke uitbarsting een deel van de “oude” vulkaan weer elders als as en modder worden gesedimenteerd.
☻ Ongeveer 80% van alle actieve vulkanen ontstaat bij convergerende platen, 15% bij divergerende platen. Een deel van de vulkanen ligt een eind van de plaatranden af. Dit strookt dus niet met de theorie van de platentektoniek. Dit type vulkaan wordt de hot spot genoemd. Hete pluimen vast materiaal (meest basaltisch) komen uit het onderste deel van de mantel naar boven. Tenslotte smelt het materiaal door de lithosfeer heen en komt het tot een uitbarsting. De gemiddelde diameter van de hot spots aan het aardoppervlak is tussen de honderd en driehonderd kilometer. De hot spots liggen vast in de mantel en bewegen niet met de platen mee. Daardoor kan er een hele rij vulkanen in het verlengde van elkaar komen te liggen. Doordat de platen over de hot spots heen schuiven, kan ook de bewegingsrichting worden vastgesteld.
■ Hot spots kunnen in oceanen opduiken, zoals de Hawaïaanse hot spot. Andere voorbeelden zijn Tahiti (Grote Oceaan), Réunion (Indische Oceaan) en de Kaapverdische en Canarische eilanden (Atlantische Oceaan). De meeste hot spots komen echter voor op de continenten. In Europa zijn er bijvoorbeeld hot spots onder de Eifel en het Centraal Massief en in de VS onder het Yellowstone Park.
■ Lava kan ook uit kilometerslange scheuren in de lithosfeer naar buiten stromen. Veel van deze zogenaamde spleeterupties worden toegeschreven aan onderliggende hot spots. Uit de recente geschiedenis zijn geen voorbeelden bekend, maar uit het verre verleden des te meer. Het hoogland van Dekan (de Deccan Traps) in het westen van India is waarschijnlijk één van de mooiste voorbeelden van een continentale spleeteruptie. Zo’n 64 tot 67 miljoen jaar geleden is hier een plateau van basaltlava gevormd met een oppervlakte van ruim 500.000 vierkante kilometer en een dikte die oploopt tot drie kilometer bij Bombay. Het grootste onderzeese plateau dat op eenzelfde manier ontstond, is te vinden in het westelijk deel van de Grote Oceaan. Dit Ontongplateau bij Java ontstond 125 miljoen jaar geleden en heeft een oppervlakte die overeenkomt met tweederde van de oppervlakte van het continent Australië.