Hoe een beetje water een geologische ophef veroorzaakt

Door met chemische reacties kleine poriën te maken die 10.000 keer kleiner zijn dan een menselijke haar kunnen vloeistoffen zichzelf een weg banen door gesteente diep in de aarde. Dit concluderen aardwetenschappers van de Universiteit Utrecht en de Universiteit van Oslo. Ze publiceerden hun resultaten in Nature Geoscience.

Kijk eens naar de grond wanneer je deze zomer je planten water geeft. Dankzij de sponsachtige eigenschappen van de aarde komt het water beetje bij beetje bij de wortels terecht, waardoor je bloemen en planten goed gedijen. Dieper in de grond reageert de aarde ook met het water, maar in dit geval zijn het de gesteentes zelf die reacties aangaan met het water en zo transformeren in nieuwe gesteentes. Deze chemische reacties staan aan de basis van veel geologische processen. Maar hoe dieper je de aarde ingaat, hoe minder ruimte er is waar water doorheen kan stromen, waardoor het vrijwel onmogelijk lijkt om water in gesteente te krijgen zonder dat het gesteente fysiek kapot is.

Water vreet zich een weg door gesteente

“We weten dat op tientallen kilometers diepte vloeistoffen een belangrijke rol spelen in het faciliteren van chemische reacties”, legt Oliver Plümper uit, aardwetenschapper aan de Universiteit Utrecht en eerste auteur van de publicatie. “Als ik door de bergen wandel zie ik rotsen die ooit diep in de aarde zaten, maar duidelijk bewijs laten zien dat ze hebben gereageerd met vloeistoffen. Ik heb me altijd afgevraagd hoe water zo diep heeft weten te komen, want met het blote oog zie je niet hoe dat heeft kunnen gebeuren.”

Het algemene idee is dat rotsen aanmoediging nodig hebben om water toe te laten, ofwel door ze fysiek stuk te maken ofwel door ze te forceren om poriën te maken, minuscule buisjes door het gesteente heen. Plümper en zijn collega’s hebben aangetoond dat het ontstaan van poriën het resultaat kan zijn van minerale reacties. Deze reacties ‘vreten’ zich een weg door het gesteente, en veranderen daarmee de compositie van het gesteente fundamenteel.

Om dit mechanisme te onderzoeken maakten de onderzoekers gebruik van de nieuwe elektronenmicroscopie-faciliteiten aan de Universiteit Utrecht, waarmee ze beelden konden maken van ingevroren minerale reacties in rotsen uit Noorwegen. Coauteur Yang Liu, werkzaam aan het Debye Institute for Nanomaterials Science en het departement Aardwetenschappen vertelt: “We hebben sterk bewijs dat een geologisch proces werkzaam op een schaal van tientallen kilometers wordt beïnvloed door processen die zich op nanoschaal afspelen. Dat konden we nooit ontdekken zonder de moderne elektronenmicroscopen.”

Ik heb me altijd afgevraagd hoe water zo diep heeft weten te komen, want met het blote oog zie je niet hoe dat heeft kunnen gebeuren.

Toonaangevend en grensverleggend onderzoek

Met de inzichten uit de elektronenmicroscopie kon het onderzoeksteam de minuscule poriën modelleren door computersimulaties uit te voeren die de beweging van watermoleculen kunnen nabootsen. Zo konden ze zien hoe het water door de kleine poriën beweegt als reactie op de chemische reacties die plaatsvinden. Coauteur professor Bjørn Jamtveit van de Universiteit van Oslo vertelt: “Op deze kleine schaal gelden allerlei andere natuurkundige wetten die beschrijven hoe dingen op elkaar reageren”.

Jamtveit vervolgt: “Hoewel deze kleinschalige fenomenen grote interesse opwekken in de materiaalwetenschappen, is nog niet bekend hoe belangrijk dit is voor de aardwetenschappen. Dit onderzoek is toonaangevend en grensverleggend in hoe fenomenen op nanoschaal geologische processen in de aarde beïnvloeden. Deze resultaten vertegenwoordigen de baanbrekende vooruitgang in het onderzoek naar de dynamiek van vloeistof-rots-interacties.”

Publicatie

Plümper O., Botan A., Los C., Liu Y., Malthe-Sørenssen A., Jamtveit B. (2017) Fluid-driven metamorphism of the continental crust governed by nanoscale fluid flow. Nature Geoscience