Echo’s uit het verleden: een geologisch mysterie op Paaseiland ontrafeld

Echo's uit het verleden: een geologisch mysterie op Paaseiland ontrafeld

Kleine mineraaltjes zetten de schoolboeken op hun kop

De aardrijkskundeboeken beschrijven de aardmantel onder de aardplaten als een goed gemixt stroperig gesteente dat als een soort lopende band met die platen meebeweegt. Dat idee, zo'n honderd jaar geleden voor het eerst uiteengezet, blijkt echter verrassend moeilijk te bewijzen. Een mysterieuze vondst op Paaseiland, onderzocht door onder meer Cubaanse, Colombiaanse en Utrechtse geologen, duidt erop dat de aardmantel zich fundamenteel anders lijkt te gedragen.

Paaseiland bestaat uit een aantal uitgedoofde vulkanen. De oudste lava's zijn zo'n 2,5 miljoen jaar geleden gevormd bovenop een oceaanplaat die niet veel ouder is dan de vulkanen zelf. In 2019 vertrok een team van Cubaanse en Colombiaanse geologen naar Paaseiland voor een nauwkeurige datering van het vulkaaneiland. Daarvoor grepen ze terug op een beproefd recept: het dateren van zirkoonmineraaltjes. Wanneer magma afkoelt kristalliseren zulke mineraaltjes uit. Ze bevatten een beetje uranium dat door radioactief verval 'verandert' in lood. En omdat we weten hoe snel dat gaat kunnen we meten hoe lang geleden die mineraaltjes gevormd zijn. Het team van de Colombiaanse Universidad de Los Andes, geleid door de Cubaanse geologe Yamirka Rojas-Agramonte, ging daarom op zoek naar die mineralen. Rojas-Agramonte, inmiddels verbonden aan de Christian Albrechts-Universiteit Kiel, vond er honderden. Maar verrassend genoeg niet alleen van 2,5 miljoen jaar oud, ook van veel verder terug in de tijd, tot wel 165 miljoen jaar geleden. Hoe kon dat?

Aardmantel

Uit een chemische analyse van de zirkonen bleek dat hun samenstelling in alle gevallen min of meer gelijk is. Ze moesten dus allemaal afkomstig zijn uit magma van dezelfde samenstelling als die van de huidige vulkanen. Toch kunnen die vulkanen niet al 165 miljoen jaar actief zijn, want zo oud is de plaat eronder niet eens. De enige verklaring is dan dat de oude mineralen ontstaan zijn bij de bron van het vulkanisme, in de aardmantel onder de plaat, lang voor de vorming van de huidige vulkanen. Maar dat stelde het team weer voor een volgend raadsel.

Hotspotvulkanen en hun oorsprong

Vulkanen zoals die van Paaseiland zijn zogenaamde 'hotspotvulkanen'. Die komen veel voor in de Grote Oceaan; denk aan Hawai'i. Ze ontstaan uit grote bellen gesteente die langzaam uit de diepe aardmantel opstijgen - zogenaamde mantelpluimen - en als die dicht onder de aardplaten komen smelten de pluimgesteenten, en de mantelgesteenten er vlak omheen, en ontstaan er vulkanen. Al sinds de jaren zestig is bekend dat mantelpluimen heel lang op hun plek blijven liggen terwijl de aardplaten eroverheen bewegen. Iedere keer als de plaat een stuk verschoven is maakt zo'n mantelpluim een nieuwe vulkaan. Vandaar ook de rijen van uitgedoofde onderzeese vulkanen in de Grote Oceaan, met aan het uiteinde één of een paar actieve. Had het team het bewijs gevonden dat de mantelpluim onder Paaseiland al 165 miljoen jaar actief was?

Subductiezones

Om die vraag te kunnen beantwoorden moest Rojas-Agramonte zoeken naar bewijzen in de geologie van de 'Ring of Fire', een gebied rondom de oceaan met veel aardbevingen en vulkanisme, waar oceanische platen de aardmantel in duiken ('subduceren'). Daarom nam ze contact op met de Utrechtse geoloog Douwe van Hinsbergen. "De moeilijkheid is dat de platen van 165 miljoen jaar geleden al lang in die subductiezones verdwenen zijn," vertelt Van Hinsbergen, die de verdwenen stukken gedetailleerd had gereconstrueerd. Toen hij een groot vulkanisch plateau aan die reconstructies toevoegde op de plek van het huidige Paaseiland, 165 miljoen jaar geleden, bleek dat dat plateau zo'n 110 miljoen jaar geleden onder het Antarctisch schiereiland verdwenen moet zijn. "En laat daar nou een onbegrepen fase van gebergtevorming plaatsgevonden hebben. Dat gebergte, waarvan de sporen nog duidelijk zichtbaar zijn, zou best eens de erfgenaam kunnen zijn van een vulkanisch plateau dat 165 miljoen jaar geleden is ontstaan." Zijn reconstructie liet dus zien dat de Paaseiland-mantelpluim heel goed al zo lang actief kan zijn. Het geologische mysterie van Paaseiland zou daarmee opgelost zijn: de oude zirkoonmineraaltjes zijn dan overblijfselen van eerdere magma's die samen met jongere magma's bij vulkaanuitbarstingen vanuit de diepe aarde naar de oppervlakte zijn gebracht.

Niet te rijmen

Maar direct diende zich een volgend probleem aan. De klassieke "lopende-band-theorie" viel al moeilijk te rijmen met de constatering dat mantelpluimen min of meer op hun plek blijven hangen terwijl alles om hen heen gewoon zou doorbewegen. Van Hinsbergen: "Men verklaarde dat door te stellen dat pluimen zó snel opstijgen dat ze geen last hebben van zo'n kolkende mantel. En dat er steeds nieuw pluimmateriaal aangevoerd wordt onder de plaat om nieuwe vulkanen te vormen." Maar in dat geval zouden oude stukjes van de pluim, met de oude zirkoontjes, door die mantelstromingen afgevoerd moeten zijn, weg van de locatie van Paaseiland, en niet nu daar aan het oppervlak kunnen liggen. "Daaruit trekken we de conclusie dat die oude mineraaltjes alleen bewaard gebleven kunnen zijn als de mantel rondom de pluim net zo stil staat als de pluim zelf." De vondst van de oude mineralen op Paaseiland duidt er dus op dat de aardmantel zich fundamenteel anders gedraagt dan altijd is aangenomen, een mogelijkheid die zowel Rojas-Agramonte en Van Hinsbergen en hun team een paar jaar geleden al opperden in studies over de Galápagos eilanden en Nieuw-Guinea, en waarvoor Paaseiland nu nieuwe aanwijzingen levert.

Artikel

Yamirka Rojas-Agramonte, Natalia Pardo, Douwe J.J. van Hinsbergen, et al. Zircon xenocrysts from Easter Island (Rapa Nui) reveal hotspot activity since the middle Jurassic. Authorea. November 29, 2023.DOI: 10.22541/au.170129661.17646127/v1