Geschreven voor mijn proefschrift:

Aardwetenschappers kijken naar de structuur van het oppervlak en inwendige van de aarde, en de processen die zich daar afspelen. De aarde lijkt op het eerste gezicht nogal hard en vast, maar alles beweegt: het binnenste van de aarde koelt langzaam af, het aardmagneetveld verandert de hele tijd, continenten schuiven over het aardoppervlak, er vinden aardbevingen en vulkaanuitbarstingen plaats, enzovoort. Inmiddels is er veel bekend over dit soort processen, maar nog lang niet alles. Het blijft lastig dat we alleen datgene hebben wat op dit moment aan het aardoppervlak waargenomen kan worden. Hoe de aarde er heel vroeger uitzag, en hoe het er in het binnenste van de aarde uitziet, zullen we nooit rechtstreeks kunnen nagaan.

[Plaatbewegingen]

Wat we van de aarde kunnen zien is de koude bovenlaag, de korst. De korst van continenten is relatief dik en licht van gewicht, terwijl de korst van oceaanbodems juist dun is en wat zwaarder. Onder de korst ligt de mantel, de warme laag die om de kern van de aarde ligt en bijna 2900 kilometer dik is. De bovenste laag van de mantel is vrij koud en wat stijver dan de rest. Deze laag wordt de lithosfeer genoemd en is gemiddeld 100 kilometer dik.

De korst en lithosfeer vormen samen de platen die langzaam (een paar centimeter per jaar) over de diepere mantel bewegen. Daar waar de stijve platen langs of over elkaar schuiven, komen aardbevingen en vulkaanuitbarstingen voor en worden gebergtes opgebouwd. De platen bewegen doordat het binnenste van de aarde erg heet is en de buitenkant juist koud. Het mantel-materiaal is hard gesteente, tenminste in onze ogen, maar toch kan het stromen (zoals het harde ijs van een gletsjer dat ook kan) - als de krachten die er op spelen maar groot genoeg zijn en je lang genoeg blijft wachten (bijvoorbeeld een paar miljoen jaar). Het hete mantel-materiaal komt vanuit de diepte omhoog, koelt af aan het aardoppervlak en zakt vervolgens weer naar beneden. Dit proces noemen we convectie.

Door het convectie-proces in de aarde worden de korst en lithosfeer van oceaanbodems continu opnieuw gevormd en weer vernietigd. Bij oceanische ruggen komt het mantel-materiaal omhoog terwijl de oceaanbodem aan beide kanten van de rug opzij schuift. Het materiaal dat aan het oppervlak is gekomen koelt af en vormt zo een nieuw deel van de oceaanbodem. Om het aangroeien te compenseren schuift op andere plekken oude, sterk afgekoelde oceaanbodem weer de aarde in. Bij diepe troggen duikt koude oceanische lithosfeer (en het meeste van de korst) de mantel in en verdwijnt van het aardoppervlak. Dit proces wordt subductie genoemd. De korst en lithosfeer van continenten worden niet op dezelfde manier gerecycled, maar juist steeds weer uit elkaar gedreven (als er nieuwe oceaanbodem tussen komt) en op elkaar geduwd (als alle oceaanbodem tussen continenten verdwenen is).

[Mantel-tomografie]

Wat gebeurt er met de oceaanbodem die in de aarde is verdwenen? Hoe snel zinkt de lithosfeer naar beneden? Blijft het een stijve plaat of gaat het vervormen? Zou het materiaal kunnen afbreken van het oppervlak of blijft het er aan vast zitten? Zoals gezegd kunnen we helaas niet in de aarde kijken (met boringen komen we nu tot maar 10 van de 6371 kilometer). Om toch meer over het subductie-proces te weten te komen, kunnen we het wel nabootsen. Dit kan bijvoorbeeld met computer-modellen van de aarde. Of in laboratoria, waar alles in de juiste verhoudingen wordt nagemaakt. Uit dat soort studies blijkt onder andere dat subducerende lithosfeer helemaal van vorm kan veranderen, en dat het koude materiaal in de hete mantel weer langzaam opwarmt.

Veel informatie over het inwendige van de aarde krijgen we via aardbevingsgegevens. Aardbevingen veroorzaken seismische golven die dwars door de aarde heen reizen en zo door verschillende stations, verspreid over de hele wereld, worden geregistreerd. Door bijvoorbeeld de reistijden van alle aardbevingen naar alle stations bij elkaar te nemen, kunnen we een beeld krijgen van de variatie van de reissnelheid in de aarde. Met deze techniek, seismische tomografie, kunnen dus een soort scans van de interne structuur van de aarde gemaakt worden (ongeveer vergelijkbaar met de computer-scans uit ziekenhuizen die het inwendige van het menselijk lichaam afbeelden).

De seismische tomografie-beelden laten ons zien waar in de aarde de aardbevingsgolven sneller kunnen reizen dan normaal. De snelheid waarmee de golven zich voortbewegen hangt af van het soort materiaal waar ze doorheen gaan, de temperatuur, de druk, de kristalstructuur, enzovoort. Hoewel een afwijking in snelheid dus van verschillende factoren kan afhangen, blijkt dat temperatuur het grootste effect heeft als er gekeken wordt naar gesubduceerde oceanische lithosfeer. Hoewel de koude lithosfeer weer opwarmt in de mantel, gaat dit proces erg langzaam. Ook platen die lang geleden zijn verdwenen, zijn nu nog steeds kouder dan de omliggende mantel. Omdat seismische golven relatief snel door koud materiaal reizen, kan gesubduceerde lithosfeer dus met tomografie in beeld gebracht worden.

[Tethys Oceaan]

Ongeveer 200 miljoen jaar geleden (Dinosaurus-tijdperk) lagen Afrika, Arabie, India en Australie vast aan Antarctica. Tussen deze continenten en het grote Europese/Aziatische continent lag in die tijd de Tethys Oceaan: een grote oceaan die op sommige plekken net zo breed was als de Pacifische Oceaan nu. Toen de continenten naar elkaar toe gingen bewegen, begon de tussenliggende oceanische lithosfeer te subduceren. Ook braken in dezelfde periode steeds weer stukken van de grote continenten af waardoor er tijdelijk kleinere oceanen bij kwamen (daarom wordt er vaak over Tethys Oceanen gesproken). Toen uiteindelijk alle oceanische lithosfeer was verdwenen, botsten de continenten zelf op elkaar en ontstond de lange gordel van gebergtes tussen het Middellandse-Zeegebied en Indonesie.

Reconstructies van de plaatbewegingen in het verleden worden tektonische reconstructies genoemd. Ze worden gemaakt aan de hand van informatie die we nu aan het aardoppervlak vinden, zoals gesteentes, breukstructuren, fossielen, en achtergebleven stukken korst van de gesubduceerde platen. Vooral grootschalige reconstructies zoals die van het Tethys-gebied kunnen nuttig zijn voor andere aardwetenschappelijke onderzoeksdisciplines. Zo zijn bijvoorbeeld de posities van continenten belangrijk om het klimaat en de oceaanstromingen in het verleden te kunnen bepalen. Omdat in het Tethys-gebied veel bewijsmateriaal op elkaar gepropt is in het gebergte, blijkt het moeilijk om er achter te komen wat er precies gebeurd is. Tektonische reconstructies van dit gebied verschillen daarom soms nogal van elkaar, ookal voldoen ze wel allemaal aan de beschikbare informatie.

Gegevens over het binnenste van de aarde, zoals tomografie-beelden van de mantel, kunnen helpen om de reconstructies verder te verbeteren. We kunnen bijvoorbeeld uitzoeken of (en waar) de gesubduceerde lithosfeer van de Tethys Oceanen is terug te vinden in de aarde. De tomografie-beelden van de mantel onder het Tethys-gebied laten enorm grote gebieden zien waar aardbevingsgolven relatief snel doorheen gaan. Deze volumes zouden heel goed de restanten van de gesubduceerde lithosfeer kunnen zijn.

[Dit onderzoek]

In mijn onderzoek koppel ik de informatie van a) het oppervlak en b) het inwendige van de aarde aan elkaar, met als doel de verschillende tektonische reconstructies en het subductie-proces in het Tethys-gebied te testen.

Uit de reconstructies kan berekend worden hoe groot het oorspronkelijke oppervlak van de oceaanbodem is geweest, en uit de tomografie-beelden kan bepaald worden hoe groot de relatief snelle (en dus koude) volumes in de mantel zijn. Maar het is duidelijk dat een bodemoppervlak niet direct te vergelijken is met een `hoge-snelheid volume'. Om te kijken of de gesubduceerde lithosfeer inderdaad is terug te vinden in de mantel moet ik eigenlijk weten hoeveel relatief koud materiaal er nu nog zichtbaar zou moeten zijn (volgens de reconstructies) en hoeveel materiaal er daadwerkelijk is (volgens de tomografie). Daarom ga ik in mijn onderzoek zowel het bodemoppervlak als de tomografische volumes omrekenen naar `lage-temperatuur volumes'.

Voor het omrekenen van de volumes uit de tomografie-beelden kan ik informatie gebruiken over de relatie tussen afwijkingen in seismische golfsnelheid en afwijkingen in temperatuur. Om de thermische volumes uit de reconstructies te bepalen, moeten meer tussenstappen gemaakt worden. Zoals eerder gezegd is de lithosfeer het afgekoelde bovenlaagje van de mantel, en als deze subduceert dan wordt het materiaal in de mantel weer gewoon opgewarmd. Ten eerste bereken ik daarom voor het hele bodemoppervlak wat de oorspronkelijke dikte van de koude lithosfeer was. Zo krijg ik het oorspronkelijke thermische volume van de oceaanbodem, dus voordat het subduceerde. Ten tweede wil ik weten in hoeverre dit oorspronkelijke koude volume inmiddels weer is opgewarmd. Met computer-modellen bereken ik daarvoor wat er kan gebeuren met de temperaturen in de lithosfeer als deze op een bepaalde manier subduceert Door de mogelijke subductie-scenario's op een rijtje te zetten, kan ik voorspellen wat het huidige thermische volume van de gesubduceerde oceaanbodem zou moeten zijn.

In elke tektonische reconstructie is het oceaanoppervlak, de oorspronkelijke dikte, en de manier van subduceren anders geweest. Daardoor krijg ik voor iedere reconstructie ook een andere voorspelling van de huidige thermische volumes. De plek en het tijdstip van subductie zijn ook afhankelijk van de gebruikte reconstructie. In mijn onderzoek zal ik dus de verschillende reconstructies kunnen testen door de voorspelde hoeveelheid, plek en tijdstip van subductie te vergelijken met de grootte, lokatie (plek en diepte) en vorm van de tomografische volumes.

[Dit proefschrift]

In dit proefschrift begin ik in hoofdstuk 2 met het geven van een overzicht van de verschillende tektonische reconstructies die er van het Tethys-gebied zijn. Daarna behandel ik in hoofdstuk 3 de theorien en methodes die ik nodig heb in mijn onderzoek.

Vervolgens bekijk ik eerst het oostelijke Middellandse-Zeegebied, het Midden Oosten, en het Himalaya-gebied. In hoofdstuk 4 bereken ik de totale (voorspelde en tomografische) volumes voor het hele gebied in een keer. Daaruit blijkt dat de totale volumes vrijwel hetzelfde zijn. Dit wijst erop dat de gesubduceerde lithosfeer van de Tethys Oceanen inderdaad is terug te vinden in de mantel. Helaas helpt het ons niet om de verschillen in de tektonische reconstructies te testen. In hoofdstuk 5 kijk ik daarom meer gedetailleerd naar de lokatie en vorm van de volumes in de tomografie-beelden, en naar de volumes die we zouden verwachten op grond van de verschillende reconstructies. Daardoor kan ik concluderen dat sommige tektonische reconstructies, en de bijbehorende subductie-processen, duidelijk beter kloppen met de beelden van de mantel dan andere. De subductie-scenario's die uiteindelijk het best blijken te passen voor het Midden Oosten en het Himalaya-gebied zijn te zien in mijn proefschrift (pagina 146 en 147). Daar is ook een goedpassend scenario voor de subductie in het oostelijke Middellandse-Zeegebied geschetst (pagina 153).

Tot slot onderzoek ik in hoofdstuk 6 het Indonesische gebied. Omdat in Indonesie geen continenten op elkaar zijn gebotst maar nog steeds oceanische lithosfeer subduceert, pak ik het hier anders aan dan in de eerdere hoofdstukken. In dit geval voorspel ik, weer voor verschillende tektonische reconstructies, hoe de tomografie-beelden eruit zouden moeten zien als de reconstructies kloppen. Deze voorspelde beelden kan ik direct vergelijken met de echte tomografie-beelden (zie de onderste plaatjes in dezelfde figuren). Hieruit blijkt opnieuw dat sommige voorspellingen beter overeenkomen met de mantel-tomografie dan andere.

Het is lastig om kort en in woorden uit te leggen wat de belangrijkste conclusies van mijn onderzoek zijn. Het is wat dat betreft beter om zelf eens goed te kijken naar de verschillende figuren die ik hierboven heb genoemd. Het is in ieder geval wel duidelijk geworden dat het met mijn aanpak inderdaad lukt om de informatie van het oppervlak en inwendige van de aarde te koppelen, en om daarmee de subductie-geschiedenis van de verdwenen Tethys Oceanen te reconstrueren.