DE OUDSTE GESTEENTEN VAN DE AARDE

Grondboor en Hamer, jrg. 43, no. 3, p. 78-83, 8 fig., juni 1989

DE OUDSTE GESTEENTEN V A N DE AARDE (deel 2) D r . J . v a n Diggelen *

Wie zich wil verdiepen in het verre verleden van onze Aarde moet op zoek naar sporen in oude gesteenten. Op enkele plaatsen zijn de resten te vinden van continentale gebieden die ouder zijn dan 2500 miljoen jaar. Dit kunnen overblijfselen zijn uit de tijd die aan het P r o t e r o z o ï c u m voorafging. Het is de vraag in hoeverre de Aarde toen al leek op de wereld zoals wij die nu kennen. De biologische processen voltrokken zich toen vermoedelijk nog volkomen anders.

De oudste Aardse gesteenten vormen de wortels van de continenten. Ze zijn te vinden in de Precambrische Schilden. Hier vindt men soms de zeer oude groensteengordels. 1. Canadese Schild, 2. Guina Schild, 3. Braziliaanse Schild, 4. Baltische Schild, 5. Afrikaanse Schild, 6. Siberische Schild, 7. Voor-Indische Schild, 8. Australische Schild, 9. Antarctische Schild. G a a n we verder dan twee en een half m i l j a r d jaar terug i n de geschiedenis van de A a r d e , dan k o men we i n een tijdvak dat het A r c h e ï c u m wordt genoemd. H e t aantal betrouwbare gegevens waarover we uit dat verre verleden beschikken is

veel schaarser. W a t er over is v a n de A r c h e ï s c h e aardkorst op de continenten w o r d t wel met de naam A r c h e ï s c h e K r a t o n s aangeduid. In het A r c h e ï c u m (het tweede deel van het P r e c a m b r i u m , 3900 tot 2500 m i l j o e n jaar geleden) ontstonden de A r c h e ï s c h e groensteengordels.

* Aetveldselaan 12 1381 E A Weesp

Groensteen is een oude veldterm die v o o r het eerst werd gegeven aan elk compact donker-

78

Als kokend hete lava onder water uitvloeit vormen er zich kussenlava's, zoals hier op 2650 m diepte op de westhelling van de Mid-Atlantische rug.

Anorthosiet is een gesteente dat in de Precambrische Schilden op Aarde voorkomt, maar veel meer op de Maan. De hier afgebeelde maananorthosiet (monster 65 315) is meegebracht door de Apollo 16.

79

groen, m i n o f meer m e t a m o r f (omgezet) gesteente. D i t gesteente bestond grotendeels, o f soms zelfs b i j n a geheel, uit donkere mineralen. Deze naam wordt n u gebruikt v o o r een langgerekte gesteentelaag, van enkele kilometers dikte, die uit bazaltlava's en afzettingsgesteenten bestaat. Groensteengordels v a r i ë r e n i n grootte, v o r m , samenstelling en aard van de gesteenten en i n h u n o p b o u w . O o k de mate w a a r i n de gesteenten zijn omgezet varieert. V e e l v a n de lava's erin zijn kussenlava's. Deze kussens ontstonden doordat k o kende lava onder water uitvloeide en afkoelde. V o o r d a t de l a v a was gestold, werd deze echter weer doorsneden door een volgende lavastroom waardoor er een soort geul i n de eerste lava ontstond. O p deze wijze v o r m d e n zich de kussenachtige strukturen. Z u l k e kussenlava's k o m e n tegenw o o r d i g v o o r bij de bazaltische lava die bij de mid-oceanische ruggen over de oceaanbodem uitstroomt. S o m m i g e geologen menen daardoor dat de groensteengordels overblijfsels zijn v a n grotere vroegere oppervlakte-eenheden, die door erosie zijn afgevlakt en v e r v o r m d zijn doordat er l a ter magmatische gesteenten i n zijn doorgedrongen. Z e zijn i n grootte en aantal beperkt, maar v o r m e n waarschijnlijk de overblijfsels v a n de A r c h e ï s c h e oceanen. Zeer oude groensteengordels k o m e n v o o r i n Z u i d A f r i k a (3400 tot 3000 m i l joen jaar oud). In C a n a d a liggen iets jongere (2900 tot 2500 miljoen jaar oud). Verscheidene waardevolle ertsafzettingen zijn nauw verbonden met de groensteengordels. Deze gordels wijzen erop dat er, zeker i n het laatste deel van het A r c h e ï c u m , twee tot acht kilometer diepe oceanen bestonden, w a a r i n een sterke groei optrad van de oceanische korst. ANORTHOSIETEN E N GRANULIETEN A l s we op zoek gaan naar de oudste gesteenten van de A a r d e , krijgen we te m a k e n met gebieden met sterk omgezette granitische gneizen uit deze tijd. E e n gneis is te beschouwen als een door o m zettingsprocessen omgewerkte graniet. In deze gneisgebieden worden granulieten en anorthosieten gevonden. D i t zijn gesteentesoorten waarvan men nog niet zeker is hoe ze zijn ontstaan. Z e k o men o o k al v o o r i n het P r o t e r o z o ï c u m . A n o r t h o siet k o m t veel voor op de M a a n . De hoog-metamorfe gneisgebieden vertonen grote verschillen i n o u d e r d o m en worden beschouwd als de oudste restanten van de aardkorst. Z e zijn bijvoorbeeld te vinden op W e s t - G r o e n l a n d , 150 kilometer ten noordoosten van het stadje G o d t haab. Z e ondergingen deformatie en omzettingen bij een temperatuur v a n 550° Celsius en een druk van 5000 bar. Deze Ishua-gesteenten liggen i n een boog van 15 tot 20 kilometer r o n d een koepel v a n

80

Een van de alleroudste Aardse gesteenten (voorzover bekend) bevindt zich op West-Groenland. Het is sterk omgezette (metamorfe) Amitsoq-gneis. 1. 2600 - 2900; 2. 3600 - 3800 en 3. meer dan 3800 miljoen jaar oud. (Naar J.F.Geys: "De geschiedenis van het leven)

gneis (Amitsoq-gneis) aan de grens v a n het l a n d ijs, dat het grootste deel v a n G r o e n l a n d permanent bedekt. Z e lijken op groensteengordels uit later tijd. N o g iets oudere zijn i n A n t a r c t i c a en A u s t r a l i ë gevonden. E r zijn vage aanwijzingen dat de aardkorst betrekkelijk d u n was i n het begin v a n het A r c h e ï c u m , maar daarna al snel steeds d i k k e r werd, vervolgens op veel plaatsen werd opgeheven, w a a r n a de erosie begon. A a n v a n k e l i j k was het geproduceerde afzettingsmateriaal ondergeschikt aan wat er werd geproduceerd door andere, bijvoorbeeld vulkanische processen en het is de vraag i n hoeverre er i n die tijd gebergtevorming plaatsvond. D a a r valt iets over te zeggen uit de warmteproductie en alles wat daarmee samenhangt.

Kale rotspartijen in een onherbergzaam land, dat is de indruk die de Amitsoq-gneis uit Groenland op ons maakt.

WARMTEPRODUCTIE W e weten nog steeds niet precies hoe groot de hoeveelheid warmte is die door het verval v a n radio-actieve elementen i n de A a r d e wordt geproduceerd. O o k weten we de juiste verdeling van de warmteproductie over kern, mantel en korst niet. Ongetwijfeld moet de geproduceerde hoeveelheid warmte vroeger groter zijn geweest dan tegenwoordig. D e warmteproductie was vroeger veel groter omdat er meer radio-actieve elementen waren dan tegenwoordig (waaronder misschien wel een aantal met korte levensduur, die nu al zijn uitgewerkt) en omdat de n u nog werkzame elementen exponentieel vervallen. H i e r d o o r produceerden ze lang geleden aanmerkelijk meer warmte. E e n schatting v a n de warmteproductie v a n de A a r d e is wel te m a k e n met behulp van een analyse van de hoeveelheid radioactieve elementen i n de oppervlaktegesteenten, maar men is o o k vaak uitgegaan v a n de veronderstelling dat die hoe^ veelheid vergelijkbaar z o u zijn met die i n een bepaald soort steenmeteorieten, chrondrieten gen o e m d . E r zijn echter aanwijzingen dat dit niet geheel juist is. O o k de gemiddelde chemische sa-

De warmteproductie van de Aarde wordt vaak geschat door deze te vergelijken met chondrieten. Een chondriet is een steenmeteoriet waarvan de samenstelling geacht wordt vrij goed overeen te komen met die van de materie waaruit ons zonnestelsel ontstond. Deze chondriet viel op 8 november 1982 in Whetersfield en woog bijna drie kilo.

81

Een groot deel van de door radio-actieve processen in de Aarde geproduceerde warmte wordt gebruikt voor de vorming van de gebergten. Convectieve stromingen in de Aarde leiden tot subductie, waardoor de oceanische korst onder een continentale plaat wordt geschoven. Hierbij treden smeltprocessen, vulkanisme en gebergtevorming op. Ook waar platen uiteendrijven, zoals langs de Mid-Atlantische Rug, komt hete magma omhoog en vormt nieuwe korst (expansie). A l deze processen gebruiken een groot deel van de in de Aarde geproduceerde warmte.

menstelling v a n de A a r d s e gesteenten wijst erop dat de A a r d e niet overeenkomt met de chondrieten. D e verhouding k a l i u m / u r a n i u m b i j v o o r beeld, is bij chondrieten 80.000 en bij A a r d s e gesteenten gemiddeld 10.000. E e n chondritische A a r d e had 4600 miljoen jaar geleden een 8 x sterkere w a r m t e s t r o o m dan de huidige, maar volgens nieuwere onderzoekingen is een 4,5 x sterkere warmtestroom een betere schatting. D i e jongste schatting v a n de warmtestroom d o o r de oceaanb o d e m en v a n de gemiddelde warmtestroom door de aardkorst (ca. 80 m W per m ) wijst op een veel grotere warmteproductie i n het verleden. D i t laatste als er tenminste evenwicht heerst tussen de geproduceerde warmte en het warmteverlies.

W A T D E WARMTEGELEIDING ONS LEERT De warmtegeleiding v i a de continentale korst is i n het A r c h e ï c u m niet groter geweest dan tegenw o o r d i g . A n d e r s z o u de temperatuur onderin die

2

W A A R BLIJFT DE WARMTE? In de tegenwoordige A a r d e ontsnapt een derde deel v a n de geproduceerde warmte v i a geleiding door de continentale korst en de rest wordt geb r u i k t bij de v o r m i n g v a n nieuwe korst aan de groeigrens v a n de platen. D e aardkorst wordt i m mers verdeeld i n een aantal platen die langzaam ten opzichte v a n elkaar bewegen. O p de grens van sommige v a n die platen, zoals bijvoorbeeld langs de M i d - A t l a n t i s c h e R u g , waar de Europese en de A m e r i k a a n s e platen langzaam uit elkaar drijven, k o m t d o o r vulkanische processen voortdurend materiaal vanuit de diepte o m h o o g . Z o ontstaat er nieuwe korst, maar v o o r de productie ervan is wel veel warmte n o d i g . A l deze warmte k o m t i n convectiecellen i n de mantel o m h o o g .

82

In het verre verleden werd er in de Aarde meer radioactieve warmte geproduceerd dan nu. De berekende afname hangt af van de gemiddelde concentratie van de radio-actieve elementen. Wordt aangenomen dat die overeenkomt met die van de nu bekende oppervlaktegesteenten, dan vindt men de gebroken lijn. Veronderstelt men dat de Aarde dezelfde samenstelling had bij haar ontstaan als de chondrieten, dan ontstaat de doorgetrokken, steilere lijn. De ouderdom van de Aarde is in miljoenen jaren op de horizontale lijn uitgezet.

korst boven 800° Celsius gekomen z i j n , waardoor er uitgebreide p a r t i ë l e smelting z o u hebben plaatsgevonden en dit z o u hebben geleid tot gesmolten granieten. Tegenwoordig is de temperatuur onder de continentale schilden m a x i m a a l 500° Celsius. In de n u ontsloten A r c h e ï s c h e granulieten is niets te zien van een dergelijk opsmelten. H e t blijkt dat die ontstaan zijn op 30 k i l o m e ter diepte bij omstreeks 10 k i l o b a r d r u k . Convectie is veel efficiënter v o o r warmtetransport dan geleiding. M e n k a n een groter warmteverlies i n het A r c h e ï c u m verklaren door aan te nemen dat er langere en meer m i d oceanische ruggen waren dan tegenwoordig, o f

geovcirici VERVORMING HARDE WORTELS CONTINENTEN.

dat er een grotere productie v a n nieuwe oceaankorst aan de r a n d van de platen plaatsvond. N u is dat drie k m per jaar en dat was toen 18 k m per jaar z o ' n 2800 m i l j o e n jaar geleden. Deze grotere productie moet elders op A a r d e wel hebben geleid tot een toename v a n de platen die onder andere platen schoven (plaatsubductie) en ook tot meer gedeeltelijke smelting v a n de neerduikende massa's. D a t k l o p t met de ons bekende A r c h e ï s c h e gesteenten, die omgezet zijn i n gneizen en granulieten. E e n groot deel v a n de tegenwoordige continenten ontstond waarschijnlijk aan het einde v a n het A r c h e ï c u m . E r was o o k een belangrijke periode van gebergtevorming ongeveer 2700 tot 2500 miljoen jaar geleden. 2

2

gen de enorme spanningen die optreden bij het doorploegen v a n de plastische asthenosfeer.

VAN

Continenten bezitten wortels v a n lichtere gesteenten die vrij diep i n de plastische buitenlagen v a n de zwaardere mantel steken. U i t onderzoekingen is gebleken dat de wortels onder het Canadese Schild meer dan 2,5 m i l j a r d jaren o u d z i j n . Schilden zijn i n de geologie bekend als de oude centrale stabiele delen v a n de continenten. Schilden k o m e n i n alle continenten v o o r . In E u r o p a is het z g n . Baltische S c h i l d i n Z w e d e n , F i n land en het aangrenzende R u s l a n d bekend. In de Russische O e k r a ï n e bevindt z i c h o o k z o ' n o e r o u d aardkorstgedeelte. N u m a k e n continenten deel uit van aardschollen (platen), die op de buitenste plastische aardmantel (asthenosfeer) drijven. D e plasticiteit van deze asthenosfeer staat toe dat de bovenliggende aardkorstplaten zich i n h o r i z o n t a le richting verplaatsen. D o o r d a t de gehele aardkorst i n dergelijke platen is opgedeeld, is de afzonderlijke bewegingsvrijheid niet erg groot. H e t beste k a n men die vergelijken met de onderlinge bewegingen v a n nauw aaneensluitende ijsschollen. B i j het botsen worden ze v e r v o r m d , opgesplitst o f samengevoegd. D e oorzaak van deze beweging is vermoedelijk convectiewarmte i n de aardmantel, die zeer traag verlopende stromingen tot gevolg heeft. De gesteenten v a n de continentwortels steken vrij diep i n de aardmantel. Gezien het wegdrijven v a n de continenten, samen met de plaat waartoe ze behoren, moeten deze gesteenten bijzonder sterk zijn. In elk geval moeten ze zijn opgewassen te-

Seismische waarnemigen, afkomstig v a n aardbevingen, m a k e n het mogelijk enig inzicht te k r i j gen i n de structuur v a n de gesteenten diep i n de A a r d e . Twee A m e r i k a a n s e onderzoekers, P . G . Silver en W . W . C h a n , hebben een groot aantal van deze aardbevingstrillingen op verschillende meetstations i n A m e r i k a en E u r o p a opgevangen en geanalyseerd. U i t de resultaten blijkt dat het gesteente onder tenminste een deel van het N o o r d a m e r i k a a n s e continent tot op tweehonderd kilometer diepte bijzonder stevig is en minstens 2,5 m i l j a r d jaren o u d moet z i j n . Deze o u d e r d o m is een aanwijzing dat het gesteente uit deze wortels erg resistent moet zijn tegen mechanische vervormingen. O o k tijdens het opbreken van het supercontinent Pangea, z o ' n 180 miljoen jaren geleden en het daarna wegdrijven v a n het N o o r d amerikaanse continent, is het als een wortel aan dit continent blijven vastzitten. W e l l i c h t is deze regiditeit ontstaan nadat heel lang geleden het gesteente, o f omvangrijke gedeelten ervan, al eerder werden g e v o r m d . D e onderzoekers denken dat deze v e r v o r m i n g i n oostelijke richting plaatsv o n d . H e t is namelijk i n de richting w a a r i n de olivijnkristallen g e o r i ë n t e e r d z i j n . D e onderzoekers menen dat dit v e r v o r m i n g en o r i ë n teringsproces te vergelijken is met het k o u d w a l sen v a n staal. B i j deze techniek v a n vervormingsharding worden alle staalstructuren i n de walsrichting gestrekt. E r onstaat een soort vezelstruktuur, w a a r d o o r het staal i n die richting harder, brosser en minder taai wordt dan i n andere richtingen. D i t n u z o u o o k gebeurd kunnen zijn bij het ontstaan van de wortel onder het N o o r d a m e r i k a a n s e continent. W e l l i c h t dat zich dit bij alle schildgebieden op onze huidige continenten heeft afgespeeld. Nature.

83