Onderaardse ‘eilanden’: bastions in een wellicht minder turbulente wereld

Diep verscholen in de aardmantel liggen twee reusachtige ‘eilanden’ ter grootte van een continent. Uit Utrechts onderzoek, gepubliceerd in Nature, blijkt niet alleen dat deze gebieden warmer moeten zijn dan het hen omringende kerkhof van koude afgezonken aardplaten, maar dat ze ook oeroud zijn: minstens een half miljard jaar, misschien nog wel veel ouder. Die waarnemingen stroken niet met het idee van een goed gemengde, kolkende aardmantel, een theorie waar steeds meer vraagtekens bij worden geplaatst. “Er is minder stroming in de aardmantel dan we denken.”

Bij een grote aardbeving galmt de hele aarde na als een kerkklok met verschillende tonen, net zoals een muziekinstrument. Seismologen bestuderen hoe ‘vals’ de verschillende tonen ‘klinken’ om het binnenste van de aarde te bestuderen. Trillingen van de aarde klinken namelijk vals of minder hard wanneer ze op afwijkingen stuiten. Zo kunnen seismologen plaatjes maken van het binnenste van de aarde, net zoals een arts met röntgenstralen dwars door een lichaam kan ‘kijken’. Dankzij een analyse van die trillingen kwam eind vorige eeuw het bestaan van twee onderaardse ‘mega-continenten’ aan het licht: één onder Afrika en de ander onder de Grote Oceaan, meer dan tweeduizend kilometer onder het aardoppervlak. “Maar niemand kon echt verklaren wat ze waren, en of ze een tijdelijk fenomeen zijn, of al honderden miljoenen of misschien zelf miljarden jaren daar zitten.” Aan het woord is Arwen Deuss, seismoloog en hoogleraar Structuur en samenstelling van de diepe Aarde aan de Universiteit Utrecht. “Rondom deze twee reusachtige eilanden ligt een ‘kerkhof’ van aardplaten die via subductie, het proces waarbij de ene aardplaat onder de ander duikt, helemaal van het aardoppervlak naar een diepte van bijna drieduizend kilometer gebracht zijn.”

Niemand kon echt verklaren wat ze waren, en of ze een tijdelijk fenomeen zijn, of al honderden miljoenen of misschien zelf miljarden jaren daar zitten

Langzame golven

“De eilanden liggen op de grens tussen de kern en de mantel, zoveel wisten we wel. En we zagen dat seismische golven daar langzaam gaan.” Aardwetenschappers spreken daarom van ‘large low-seismic-velocity provinces’, oftewel grote geologische gebieden met een lage seismische snelheid – LLSVP’s in het jargon. Die lage snelheid komt omdat de LLSVPs warm zijn. Net zoals je in de hitte minder hard kunt rennen dan wanneer het kouder is. Deuss en collega-seismoloog Sujania Talavera-Soza waren benieuwd wat ze nog meer over die regio’s konden ontdekken. “Wij hebben daar nieuwe informatie aan toegevoegd, de zogeheten ‘demping’ van golven, dat wil zeggen hoeveel energie golven kwijtraken wanneer ze door de aarde heen reizen. We hebben hiervoor niet alleen gekeken naar hoe vals de tonen klinken, maar ook naar hun geluidsvolume.” Talavera-Soza vult aan: “Tegen de verwachting in zagen we in die LLSVP’s weinig demping, waardoor de tonen er heel erg hard klinken. De koude aardplaten in het kerkhof vertoonden juist wel veel demping. In tegenstelling tot de bovenmantel, waar precies gebeurt wat je zou verwachten: het is er warm en dat dempt de golven. Net zoals je in de hitte ook veel sneller moe wordt dan wanneer het kouder is.”

Tekst loopt door onder afbeelding

Korrelgrootte

Hun collega Laura Cobden, een kenner van de mineralen die zich diep in de Aarde bevinden, suggereerde toen om de korrelgrootte van de mineralen in de LLSVP’s te bestuderen. Volgens hun Amerikaanse collega Ulrich Faul kan temperatuur alleen geen verklaring bieden voor de afwezigheid van sterke demping in de LLSVP’s. Deuss: “Veeleer gaat het om de korrelgrootte. Gesubduceerde tektonische platen die in het kerkhof terecht komen, bestaan uit kleine minerale korrels door het kristallisatieproces dat ze ondergaan bij hun reis de diepe aarde in. Kleinere korrels betekent ook een grotere hoeveelheid aan korrels en daarmee ook meer overgangen tussen korrels. En aangezien er binnen het kerkhof van koude aardplaten dus ook meer overgangen zijn tussen de korrels zien we daar veel demping, want bij elke overgang verliest een trilling wat van zijn energie. Dat LLSVP’s weinig demping laten zien, betekent dat ze uit veel grotere korrels moeten bestaan.”

Stokoud

Die minerale korrels groeien niet van de een op de andere dag. Dat kan maar één ding betekenen: LLSVP’s zijn veel en veel ouder dan het hen omringende kerkhof van aardplaten. Sterker nog: de LLSVP’s vormen, dankzij hun grotere bouwstenen, een stevig geheel. Hierdoor nemen ze niet deel aan mantelconvectie (de stroming in de aardmantel). En dus kan de mantel, in tegenstelling tot wat de aardrijkskundeboeken ons leren, ook geen goed gemengd geheel zijn. “Die LLSVP’s moeten tenslotte op de een of andere manier de convectie kunnen overleven,” verduidelijkt Talavera-Soza.

Motor

Kennis van de aardmantel is essentieel bij het bestuderen van de evolutie van de Aarde. “En ook om vulkanisme, gebergtevorming en andere verschijnselen aan het oppervlak te begrijpen,” voegt Deuss daaraan toe. “De aardmantel is namelijk de motor achter die verschijnselen. Denk bijvoorbeeld aan mantelpluimen, grote ‘bellen’ van heet gesteente die opstijgen vanuit de diepe aarde.” Eenmaal aan het oppervlak beland zorgen ze voor vulkanisme, zoals onder Hawaii. “En we vermoeden dat die mantelpluimen ontstaan aan de randen van de LLSVP’s.”

Tekst loopt door onder afbeelding

Grote aardbevingen

Bij dit soort onderzoek maken seismologen dankbaar gebruik van trillingen die door écht grote aardbevingen worden veroorzaakt, het liefst bevingen die plaatsvinden op grote diepte, zoals de grote Bolivia-aardbeving van 1994. “Die heeft de kranten nooit gehaald, want hij vond plaats op 650 km diepte en veroorzaakte aan het aardoppervlak geen schade of slachtoffers,” legt Deuss uit. De trillingen, of tonen, van de hele aarde zijn wiskundig zodanig te beschrijven dat seismologen daarin de demping (oftewel hoe hard de trilling klinkt) als gevolg van een bepaalde structuur kunnen ’lezen’ en loskoppelen van de golfsnelheid (oftewel hoe vals de toon klinkt). “En dat terwijl die signaaldemping slechts een tiende beslaat van de totale hoeveelheid informatie die we uit de trillingen kunnen destilleren.” Voor dit type onderzoek is het overigens niet nodig te wachten tot zich weer een aardbeving aandient. Ook de gegevens uit eerdere aardbevingen kunnen nog van nut zijn. “We kunnen terug tot 1975, want vanaf dat jaar zijn de meetgegevens van seismometers van dermate hoge kwaliteit dat ze ook bruikbaar zijn voor ons type onderzoek.”

Artikel

Sujania Talavera-Soza, Laura Cobden, Ulrich Faul, Arwen Deuss, ‘Global 3D model of mantle attenuation using seismic normal modes’, Nature, 22 januari 2025, https://www.nature.com/articles/s41586-024-08322-y