Op zoek naar goud en dan een nog grotere schat vinden

In centraal Nieuw-Guinea zijn enorme voorraden goud en koper te vinden. Dankzij onderzoek naar de herkomst van deze metalen kunnen voorheen raadselachtige fenomenen in de ondergrond nu verklaard worden, zeggen Utrechtse aardwetenschappers deze week in het toonaangevende tijdschrift Geophysical Research Letters. Met het onderzoek zijn niet alleen praktische toepassingen gebaat, het heeft ook nog eens verregaande consequenties voor een van de fundamenten onder de aardwetenschappen: de werking van de platentektoniek, zoals die al decennialang onderwezen wordt. ‘We zien nu dat de aardmantel onder de platen niet kolkt en snel stroomt, maar min of meer passief en stationair is terwijl platen eroverheen en erdoorheen bewegen.’

De koper- en goudertsen in kwestie liggen opgeslagen in vulkanen van een paar miljoen jaar oud. Chemische analyses van deze ertsen en de gesteenten waarin ze voorkomen vertellen dat ze ontstaan zijn door het smelten van aardmantelgesteente dat boven een plaat zat, die onder een andere plaat schoof tijdens een proces dat subductie wordt genoemd. ‘Alleen, de geologie van centraal Nieuw-Guinea laat zien dat er daar al in geen 50 miljoen jaar subductie is geweest. We zagen dus chemische sporen van subductie in vulkanen die lang na de subductie ontstonden,’ vertelt prof. dr. Douwe van Hinsbergen, hoogleraar Mondiale Tektoniek en Paleogeografie aan de Universiteit Utrecht en coördinator van het onderzoek naar de Nieuw-Guinese vulkanen.

(tekst loopt door onder afbeelding)

Oude stukken plaat

Van Hinsbergen en zijn team moesten dus op zoek naar een andere verklaring. Wat veroorzaakte nu dat smelten? En waar kwam die subductie-invloed vandaan? ‘Bij subductie wordt water de mantel ingebracht. Dat zorgt voor chemische verandering en het smelten van het mantelgesteente boven de subducerende plaat. Daaruit ontstaat een vulkanische boog, een reeks vulkanische eilanden of bergen, die we bijvoorbeeld kennen uit de “Ring of Fire” rondom de Stille Oceaan.’ De onderzoekers laten zien dat op de plek waar de vulkanen met hun ertsen nu liggen wel degelijk subductie plaatsvond, maar dat Nieuw-Guinea toen zo’n 1500 km verder naar het zuiden lag en er niets mee te maken had. Dat was 25 miljoen jaar geleden. Daarna is de vulkaanboog meegenomen met de bewegende platen; hij ligt nu op de Filippijnen. Nieuw-Guinea, in de tussentijd, bewoog mee met Australië naar het noorden en kwam terecht boven de plek waar de aardmantel 25 miljoen jaar geleden door die oude subductie werd “verrijkt”, zoals aardwetenschappers dat noemen. Van Hinsbergen: ‘De restanten van die oude plaat die 25 miljoen jaar geleden wegzonk kun je nu nog terugvinden met seismologische technieken. Ze liggen nu in de aardmantel, 600 kilometer onder Nieuw-Guinea.’

Gefopt

Waarom ging miljoenen jaren later die eerder verrijkte mantel opnieuw smelten toen Nieuw-Guinea er overheen bewoog, terwijl er geen subductie plaatsvond? ‘Nieuw-Guinea ligt op een continentrand en die ploegt als het ware door dat stuk mantel. De oude subductie-gerelateerde vloeistoffen, die nog in de mantel zaten, ontwaakten als het ware en brachten daarmee die smeltprocessen op gang.’ Dat is dus niet hetzelfde als smeltprocessen als gevolg van subductie. ‘We werden hier een beetje gefopt door de chemische samenstelling’, vertelt co-auteur Michiel van Dongen, die het nu gepubliceerde onderzoek meer dan tien jaar geleden aanzwengelde toen hij aan de Monash University (Australië) promotieonderzoek deed naar de ertsen van Nieuw-Guinea.

Convectietheorie

De ontdekking dat de mantel onder het huidige Nieuw-Guinea een andere geologische geschiedenis heeft dan de Australische plaat erboven leidde tot een opmerkelijke volgende stap in het onderzoek. Van Hinsbergen: ‘We gingen nog eens kritisch kijken naar de relatie tussen plaatbeweging en de beweging van de onderliggende mantel. Deze blijkt toch anders in elkaar te steken dan gedacht. Immers, de bovenmantel onder Nieuw-Guinea heeft veel langzamer bewogen dan de aardplaten eroverheen.’ Een constatering die niet te rijmen valt met het klassieke idee van de “lopende-band-beweging”, waarbij de stroming in de aardmantel de platen die erop liggen meesleurt. Dit idee dat mantelconvectie, de diepe stroming, de platentektoniek aandrijft stamt al van bijna 100 jaar geleden. Meer recente berekeningen hebben laten zien dat het wegzinken van koude, zware platen in de warme, lichte aardmantel ook een belangrijke, misschien wel dominante rol moet spelen. Maar dan nog wordt aangenomen dat de stroming in de ondiepe mantel onder de platen misschien wel net zo sterk kan zijn als de beweging van de platen zelf, bijvoorbeeld doordat de mantel wordt meegesleurd met de plaatbeweging. ‘Wat onze studie laat zien, eigenlijk als een verrassende bijkomstigheid, is dat juist de bovenmantel veel langzamer lijkt te convecteren dan dat de platen er overheen bewegen.’ Platentektoniek met een mantel die niet of nauwelijks convecteert? ‘Daar lijkt het wel op. Het betekent in ieder geval dat we voor onze ideeën over de aard van mantelconvectie, en zelfs van het begin van de platentektoniek, terug naar de tekentafel moeten.’

Recept

‘Dat de mantel onder bewegende platen min of meer stil blijft liggen verklaart waarom de geochemische signatuur van de mantel tientallen miljoenen jaren behouden blijft,’ voegt Van Hinsbergen toe. Afwijkingen in de samenstelling van de aardmantel, bijvoorbeeld als gevolg van subductie, kunnen dus veel langer ”overleven” omdat ze niet gemengd worden met omringde materialen in een sterk stromende mantel. ‘Met dit inzicht kunnen we nu ook nog oudere subductie-gerelateerde mineralen verklaren die op de Mid-Atlantische Rug gevonden zijn: die moeten daar al 200 miljoen jaar zitten. Misschien zijn er in de diepe mantel zelfs nog materialen overgebleven uit de vroegste aardgeschiedenis van miljarden jaren geleden, een idee dat geochemici altijd erg heeft aangesproken.’ Het “Nieuw-Guinese recept” blijkt ook te werken voor andere gebieden, zoals de Fiji-eilanden, de westelijke rand van Noord-Amerika en het noordwesten van Zuid-Amerika. ‘Daar zie je precies dezelfde processen aan het werk.’

Voorspellen

De nieuwe inzichten kunnen niet alleen een fundamenteel-wetenschappelijke aardverschuiving veroorzaken binnen de aardwetenschappen. ‘Wat we hebben geleerd van Nieuw-Guinea zegt ook iets over de aanwezigheid van koper- en goudvoorraden en andere ertsen die we nodig hebben voor de energietransitie. Het besef dat de aardmantel direct onder de bewegende platen een andere geologische geschiedenis heeft, met zijn eigen chemische signatuur die relevant is voor ertsvorming, en die we via plaatreconstructies en via seismische gegevens kunnen voorspellen, kan een enorme stap voorwaarts gaan betekenen in de zoektocht naar deze ertsen. Op een duurzame manier, dat spreekt.’

Publicatie

Het onderzoek is gepubliceerd in: Douwe J.J. van Hinsbergen (Universiteit Utrecht), Wim Spakman (Universiteit Utrecht), Hugo de Boorder (Universiteit Utrecht), Michiel van Dongen (Monash University, Australië), Simon M. Jowitt (University of Nevada, Las Vegas, VS), Paul R.D. Mason (Universiteit Utrecht), ‘Arc-type magmatism due to continental-edge plowing through ancient subduction-enriched mantle’, Geophysical Research Letters Vol. 47, Issue 8 (28 april 2020), https://doi.org/10.1029/2020GL087484.