Het hete, kleverige centrum van de aarde en de koude, harde buitenkant zijn beide verantwoordelijk voor de kruipende (en soms catastrofale) beweging van tektonische platen. Maar nu onthult nieuw onderzoek een intrigerend machtsevenwicht - de sijpelende mantel creëert supercontinenten terwijl de korst ze uit elkaar scheurt.
Om tot deze conclusie te komen over het proces van plaattektoniek, hebben de wetenschappers een nieuw computermodel van de aarde gemaakt, waarbij de korst en de mantel als één naadloos systeem worden beschouwd. In de loop van de tijd werd ongeveer 60% van de tektonische beweging aan het oppervlak van deze virtuele planeet aangedreven door vrij ondiepe krachten - binnen de eerste 100 kilometer van het oppervlak. De diepe, kolkende convectie van de mantel dreef de rest. De mantel werd vooral belangrijk toen de continenten tegen elkaar werden geduwd om supercontinenten te vormen, terwijl de ondiepe krachten domineerden toen de supercontinenten in het model uiteenvielen.
Deze 'virtuele aarde' is het eerste computermodel dat de korst en mantel 'beschouwt' als een onderling verbonden, dynamisch systeem, rapporteerden de onderzoekers op 30 oktober in het tijdschrift Science Advances. Eerder maakten onderzoekers modellen van warmtegestuurde convectie in de mantel die redelijk goed overeenkwamen met waarnemingen van de echte mantel, maar de korst niet nabootsten. En modellen van de platentektoniek in de korst konden real-world waarnemingen voorspellen van hoe deze platen bewegen, maar pasten niet goed bij waarnemingen van de mantel. Het was duidelijk dat er iets ontbrak in de manier waarop modellen de twee systemen samenvoegen.
"Convectiemodellen waren goed voor de mantel, maar niet voor platen, en platentektoniek was goed voor platen maar niet voor de mantel", zegt Nicolas Coltice, een professor aan de Ecole Normale Supérieure graduate school, onderdeel van PSL University in Parijs. 'En het hele verhaal achter de evolutie van het systeem is de feedback tussen de twee.'
Korst plus mantel
Elk basisschoolmodel van het interieur van de aarde toont een dunne laag korst die bovenop de hete, vervormbare laag van de mantel rijdt. Dit vereenvoudigde model kan de indruk wekken dat de korst gewoon door de mantel surft, op deze manier wordt verplaatst en dat door de onverklaarbare stromingen hieronder.
Maar dat klopt niet helemaal. Aardwetenschappers weten al lang dat de korst en de mantel deel uitmaken van hetzelfde systeem; ze zijn onontkoombaar verbonden. Dat begrip heeft de vraag opgeworpen of krachten aan de oppervlakte - zoals de subductie van een stuk korst onder een ander - of krachten diep in de mantel in de eerste plaats de beweging van de platen die de korst vormen aansturen. Het antwoord, vonden Coltice en zijn collega's, is dat de vraag slecht gesteld is. De twee lagen zijn namelijk zo met elkaar verweven dat ze allebei een bijdrage leveren.
In de afgelopen twee decennia, vertelde Coltice aan WordsSideKick.com, hebben onderzoekers gewerkt aan computermodellen die de interacties van de korstmantel realistisch kunnen weergeven. In het begin van de jaren 2000 ontwikkelden sommige wetenschappers modellen van door warmte aangedreven beweging (convectie) in de mantel die van nature aanleiding gaven tot iets dat leek op platentektoniek aan de oppervlakte. Maar die modellen waren arbeidsintensief en kregen niet veel vervolgwerk, zei Coltice.
Coltice en zijn collega's werkten acht jaar aan hun nieuwe versie van de modellen. Alleen al het uitvoeren van de simulatie duurde 9 maanden.
Een model Aarde bouwen
Coltice en zijn team moesten eerst een virtuele aarde creëren, compleet met realistische parameters: alles van warmtestroom tot de grootte van tektonische platen tot de tijd die normaal gesproken nodig is om supercontinenten te vormen en uit elkaar te laten vallen.
Er zijn veel manieren waarop het model geen perfecte nabootsing van de aarde is, zei Coltice. Het programma houdt bijvoorbeeld geen eerdere vervorming van gesteenten bij, dus gesteenten die eerder zijn vervormd, zullen in hun model in de toekomst niet gemakkelijker vervormen, zoals in het echte leven het geval zou kunnen zijn. Maar het model produceerde nog steeds een realistisch ogende virtuele planeet, compleet met subductiezones, continentale drift en oceanische ruggen en loopgraven.
Naast het aantonen dat mantelkrachten domineren wanneer continenten samenkomen, ontdekten de onderzoekers dat hete kolommen met magma, mantelpluimen genoemd, niet de belangrijkste reden zijn dat continenten uit elkaar vallen. Subductiezones, waar het ene stuk korst onder het andere wordt gedwongen, zijn de aanjagers van het uiteenvallen van het continent, zei Coltice. Mantelpluimen komen later in het spel. Reeds bestaande stijgende pluimen kunnen oppervlaktesteen bereiken die zijn verzwakt door de krachten die zijn ontstaan in subductiezones. Vervolgens insinueren ze zichzelf in deze zwakkere plekken, waardoor het waarschijnlijker wordt dat het supercontinent op die locatie scheurt.
De volgende stap, zei Coltice, is het model en de echte wereld te overbruggen met observaties. In de toekomst, zei hij, zou het model kunnen worden gebruikt om alles te verkennen, van grote vulkanisme-gebeurtenissen tot hoe plaatgrenzen zich vormen tot hoe de mantel beweegt in verhouding tot de rotatie van de aarde.
