De aarde leerde te zeilen

Van het aardoppervlak is 29 procent land, maar dat was niet altijd zo. De eerste continenten hadden een serieuze watersnood, en alleen dankzij een reusachtige reddingsboei werd de aarde niet helemaal door zee bedekt.

Van het aardoppervlak is 29 procent land, maar dat was niet altijd zo. De eerste continenten hadden een serieuze watersnood, en alleen dankzij een reusachtige reddingsboei werd de aarde niet helemaal door zee bedekt.

Wij vinden het vanzelfsprekend dat we droge voeten hebben en dat het land als een veilig scheepsdek boven de golven van de oceanen uitsteekt.

Maar voor geologen viel het niet mee om te verklaren hoe de continenten zijn ontstaan – en wat belangrijker is, waarom ze er nu nog zijn.

Het ligt bepaald niet voor de hand dat een planeet de lichte soort korst vormt waaruit de continenten bestaan, want die vind je niet op de andere rotsplaneten in ons zonnestelsel.

Nog verbazingwekkender is het dat de eerste continenten niet door het gloeiend hete hart van de aardbol zijn opgeslokt en dat sommige al meer dan 2,5 miljard jaar bestaan.

Maar nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Graham Pearson van de universiteit van Alberta in Canada ontdekt hoe een reusachtige reddingsboei werd uitgegooid naar de jonge continenten, waardoor ze werden gered van de verdrinkingsdood in een ziedende zee van magma.

De aarde is een toverbal

In 2021 publiceerde het team de bevindingen in het tijdschrift Nature. Een collega van Pearson, Kristoffer Szilas van de Deense universiteit van Kopenhagen, vertelt erover.

‘Het doel was een antwoord te vinden op de vraag hoe de allereerste continenten van de planeet, zogeheten kratons, gevormd werden en hoe ze het nu al miljarden jaren uithouden,’ legt hij uit aan Wetenschap in Beeld.

Kratons zijn lichte rotsen die zeer stabiele kernen van continenten vormen. Een voorbeeld van een kraton is het ruim 3 miljard jaar oude Baltische Schild, dat de stabiele kern vormt van Noordoost-Scandinavië en Noordwest-Rusland.

Wereldbol
© Shutterstock

De oudste continenten op aarde bestaan al miljarden jaren

De eerste microcontinenten van de aarde, de kratons, vormden zich 2,5 miljard jaar geleden op de prille aarde. Ze dreven op de zogeheten lithosfeer en vormen nu de dikke, stabiele kernen van de huidige continenten.

Uit de studies van het onderzoeksteam blijkt dat de kratons ontstonden in een tijd waarin de geologische krachten van de aarde duidelijk anders werkten dan nu.

Maar voor we kunnen begrijpen hoe de aarde zich toen gedroeg, moeten we inzien hoe het er nu aan toe gaat.

Vandaag de dag bewegen de continenten volgens de platentektoniek, waarbij zeven grote en vele kleinere continentale platen zich voortdurend herpositioneren.

Noord-Amerika en Europa schuiven bijvoorbeeld uit elkaar, terwijl India naar Azië toe trekt.

Platentektoniek is het ultieme hergebruik, waarbij oude korst, meestal zeebodem, naar het binnenste van de aarde zakt.

Dit proces is alleen mogelijk omdat de aarde in geologische lagen is verdeeld, als een reusachtige toverbal.

Binnenin bevindt zich de vaste binnenkern, met een vloeibare buitenkern eromheen. Dan komt de mantel, die zich over 2800 kilometer van het binnenste van de planeet uitstrekt en heet en stroperig is. Daarop drijven de 2 tot 40 kilometer dikke korstplaten.

De aarde is de enige bekende planeet die continenten heeft. Vooral de zogeheten lithosferische mantel houdt de continenten drijvend.

Zee
© Claus Lunau

1. Aardkorst is er in twee versies

De aarde heeft twee soorten korst, die de buitenste stijve laag van de planeet vormen. De zeebodemkorst bestaat vooral uit het zware zwarte gesteente basalt, de continentale korst met name uit lichtere granieten.

Zee 2
© Claus Lunau

2. Stijve mantel volgt korst

Onder de korst ligt de lithosferische mantel. De laag is stijf en kleeft aan de onderkant van de korst, en samen vormen ze de 80-300 kilometer dikke lithosfeer. Die is lichter dan de laag daaronder en drijft daar dus op.

Zee 3
© Claus Lunau

3. Lithosfeer drijft op gloeiend hete zee

De laag daaronder, de asthenosferische mantel, is circa 1300 °C heet. De asthenosfeer is dus zacht en vloeibaar genoeg om een zee te vormen waarop de lithosfeer drijft. Onder de asthenosfeer bevindt zich de nog hetere mesosfeer.

Onderzoek wijst uit dat het bovenste deel van de mantel zo koel en daarmee zo stijf is dat hij de continenten volgt als de platen bewegen. Tegelijk is hij zo licht dat hij samen met de korst blijft drijven en de continenten laat dobberen op het zwaardere en zachtere deel van de mantel.

Samen worden de korst en dit bovenste, stijve deel van de mantel de lithosfeer genoemd.

Lithosfeer wordt doorgekneed

De grote uitdaging voor Pearson, Szilas en de andere onderzoekers was uit te vinden hoe deze oude reddingsboei ontstond en de continenten heeft laten voortbestaan.

‘We wilden begrijpen hoe de lithosferische mantel gevormd werd en welke processen daarbij betrokken waren,’ zegt Kristoffer Szilas tegen Wetenschap in Beeld.

Het onderzoeksteam putte uit gegevens van over de hele wereld, waarbij Szilas bijdroeg met onder meer veldwerk in het zuidwesten van Groenland.

Observaties

Een deel van het veldwerk vond plaats in het zuidwesten van Groenland, waar de Deense geoloog Kristoffer Szilas 3,8 miljard jaar oude monsters van het gesteente peridotiet verzamelde.

© Kent Pørksen

Toen de onderzoekers hun gegevens vergeleken, werd het duidelijk dat de lithosfeer gevormd moet zijn door zogeheten horizontale tektoniek, waarbij landmassa’s tegen elkaar botsen.

Telkens als twee landmassa’s botsen, worden ze kleiner, maar ook veel dikker en dus levensvatbaarder.

Bij botsingen van dit type moeten er krachten tegen elkaar inwerken. Maar zulke krachten bestonden niet op de aarde, totdat de huidige platentektoniek opkwam en de korstplaten begonnen te drijven en te botsen.

En dit is een paradox, want bij platentektoniek hoort subductie, een verschijnsel waarbij oude korst de diepte in zakt en verdwijnt in zogeheten subductiezones. Nu slokken deze zones vooral de dunne korst van de zeebodem op, maar zonder de dikke lithosfeer zouden ze zomaar een heel continent kunnen verzwelgen.

Dus zonder continenten kon de dikke lithosfeer niet ontstaan, maar continenten konden niet blijven drijven zonder de lithosfeer.

Kristoffer Szilas vertelt aan Wetenschap in Beeld dat de lithosferische mantel onder de continenten van cruciaal belang was voor hun voortbestaan en dus ook voor het bestaan van de mens – want als de continenten waren vergaan, zou de planeet nu schuilgaan onder een zee.

Er ontbrak dus een puzzelstukje – en dat dook op een onverwachte plaats op.

Lavalampen bouwen continenten

Toen de onderzoekers de ouderdom van de lithosfeer over de hele wereld vergeleken, werden Kristoffer Szilas en collega’s verrast. Het bleek dat de dikke lithosferische mantel onder de continenten beduidend jonger is dan de oudste delen van de continenten zelf.

In de gegevens konden de geologen zien dat de lithosferische mantel zo’n 2,5 miljard jaar geleden explosief groeide. Veel duidt er dus op dat de platentektoniek op dat moment al begonnen was.

‘We zien een duidelijke toename in de vorming van de lithosferische mantel. Dit duidt erop dat de horizontale en comprimerende krachten rond deze tijd ontstonden,’ zegt Kristoffer Szilas.

Dus moet de lithosfeer gevormd zijn na de continenten. En de grote vraag is dus waardoor de continenten in hun vroegste tijd konden blijven bestaan.

Dit duidt erop dat de horizontale en comprimerende krachten circa 2,5 miljard jaar geleden zijn ontstaan. Geoloog Kristoffer Szilas

Omdat de oudste gesteenten op aarde meer dan 4 miljard jaar oud zijn, moeten zowel de vroegste continenten, de kratons, als de bijbehorende lithosfeer gevormd zijn voordat de platentektoniek begon.

En hier komen we aan bij de duidelijk andere geologische krachten van de jonge aarde, want als de platentektoniek niet de reddingsboei van de eerste continenten was, wat dan wel?

Geologen denken dat er enkele tot nu toe onbekende krachten aan het werk waren – een verschijnsel dat ze verticale tektoniek noemen. Volgens Szilas is het proces het best te vergelijken met een lavalamp, waarin koud materiaal zinkt en warm materiaal opstijgt in verticale bewegingen.

Modellen laten zien dat de kratons op deze manier ontstaan kunnen zijn.

‘We denken dat de continenten ontstonden in een omgeving waarin basalten voortdurend op elkaar gestapeld werden,’ legt hij uit.

Basalt is een gesteente dat ontstaat wanneer materiaal uit de aardmantel smelt. Tegenwoordig stroomt er basalt uit de midoceanische ruggen. Maar omdat de korstplaten voortdurend van die ruggen af bewegen, wordt basalt nooit erg dik.

De vroege aarde kende echter geen platentektoniek, dus de basaltlaag kon ongebreideld in dikte toenemen. Nieuw magma stroomde voortdurend omhoog door scheuren en spleten, en bouwde zo de vroegste continenten, de kratons, laag voor laag op.

Naarmate de laag basalt groeide, werd ze zwaarder, waardoor het onderste deel wegzakte naar het hete deel van de mantel en begon te smelten.

Maar niet alle mineralen in het basalt smolten onmiddellijk, slechts 10-20 procent deed dat. Het zo gevormde magma was dus heel anders dan het magma waaruit het basalt oorspronkelijk was ontstaan.

We denken dat de continenten ontstonden in een omgeving waarin basalten voortdurend op elkaar gestapeld werden. Geoloog Kristoffer Szilas

Het nieuwe magma was lichter en steeg daarom naar de oppervlakte, waar het stolde en onder andere het graniet vormde waar de continenten nu hoofdzakelijk uit bestaan.

De ontdekking leidde tot de conclusie dat platentektoniek, waarbij platen op elkaar botsen, niet belangrijk was bij de vorming van de continenten. Maar zonder platentektoniek zouden de platen niet zo dik zijn geworden dat ze tot op heden konden blijven bestaan.

Geologen weten zelfs vrij nauwkeurig wanneer de platentektoniek begon. Het tijdstip hebben ze gevonden op een ongewone plaats: in oeroude diamanten.

We moeten onze planeet begrijpen

Diamanten bestaan uit zuivere koolstof, grafiet, en kunnen alleen ontstaan onder immense druk meer dan 200 kilometer diep in de aarde.

Bij hun vorming kunnen diamanten ander materiaal opnemen, en ze bevatten ook altijd wat afwijkende elementen. Die laten ons weten hoe de diamant ontstond.

Diamant

Diamanten ontstaan als koolstof 200 kilometer diep in de aarde aan immense druk wordt blootgesteld. De diamanten komen naar de oppervlakte ingebed in het gesteente kimberliet.

Een onderzoek uit 2020 toont aan dat het gehalte vreemde elementen in diamanten 3 miljard jaar geleden veranderde.

Toen ontstonden zogeheten eclogitische diamanten. Die worden gevormd als het basalt van de oceaanbodem blootgesteld wordt aan toenemende druk en temperatuur. En dat gebeurt pas als er een platentektoniek is en de zeebodemkorst in de subductiezones duikt.

Tegelijk begint het gehalte aan andere elementen in de diamant sterk te variëren. Op 200 kilometer diepte ontving de omgeving dus ineens materiaal van het oppervlak in de vorm van zeewater, modder en misschien zelfs koolstof van levende organismen – nog een duidelijk teken van platentektoniek.

Met het begintijdstip van de continentale drift en de rol van de lithosfeer als reddingsboei kunnen onderzoekers de cruciale stadia van de evolutie van de aarde beter in kaart gaan brengen.

Volgens Kristoffer Szilas is deze kennis van cruciaal belang, niet alleen om de planeet waarop wij leven te begrijpen, maar ook om te kunnen beoordelen welke soorten planeten in andere zonnestelsels leven zouden kunnen herbergen.

‘Hoe kunnen we ze begrijpen als we de geologische ontwikkeling van onze eigen planeet nauwelijks kennen?’ besluit hij.