Fysische Geologie

De theorie stelt dat de aardmantel kan convecteren vanwege zijn plasticiteit, en deze eigenschap maakt ook een ander zeer belangrijk proces van de Aarde mogelijk dat bekend staat als isostasie. De letterlijke betekenis van het woord isostasie is “gelijke stilstand”, maar het belang erachter is het principe dat de aardkorst op de mantel drijft, als een vlot dat in het water drijft, in plaats van op de mantel te rusten als een vlot dat op de grond zit.

De relatie tussen de korst en de mantel wordt geïllustreerd in figuur 9.16. Rechts is een voorbeeld te zien van een niet-isostatische relatie tussen een vlot en massief beton. Je kunt het vlot met veel mensen beladen en toch zakt het niet in het beton. Links is de relatie een isostatische relatie tussen twee verschillende vlotten en een zwembad vol pindakaas. Met slechts één persoon aan boord drijft het vlot hoog in de pindakaas, maar met drie mensen zinkt het gevaarlijk laag. We gebruiken hier pindakaas in plaats van water, omdat de viscositeit van pindakaas beter de relatie tussen de korst en de mantel weergeeft. Hoewel het ongeveer dezelfde dichtheid heeft als water, is pindakaas veel viskeuzer (stugger), dus hoewel het vlot met drie personen in de pindakaas zal zinken, zal dat vrij langzaam gebeuren.

De relatie van de aardkorst tot de aardmantel is vergelijkbaar met de relatie van de vlotten tot de pindakaas. Het vlot met één persoon erop drijft comfortabel hoog. Zelfs met drie mensen erop is het vlot minder dicht dan de pindakaas, dus het vlot drijft, maar het drijft oncomfortabel laag voor die drie mensen. De korst, met een gemiddelde dichtheid van ongeveer 2,6 gram per kubieke centimeter (g/cm3), is minder dicht dan de mantel (gemiddelde dichtheid van ongeveer 3,4 g/cm3 aan het oppervlak, maar meer dan dat op diepte), en dus drijft het vlot op de “plastic” mantel. Wanneer er meer gewicht aan de korst wordt toegevoegd, door het proces van gebergtevorming, zakt deze langzaam dieper in de mantel en wordt het mantelmateriaal dat daar was opzij geduwd (figuur 9.17, links). Wanneer dat gewicht in de loop van tientallen miljoenen jaren door erosie wordt weggenomen, veert de korst weer op en vloeit het mantelgesteente weer terug (figuur 9.17, rechts).

Figuur 9.17 Illustratie van de isostatische relatie tussen de korst en de mantel. Na een periode van gebergtevorming is massa toegevoegd aan een deel van de korst, en de verdikte korst is in de mantel geduwd (links). In de daaropvolgende tientallen miljoenen jaren wordt de bergketen geërodeerd en komt de korst weer terug (rechts). De groene pijlen geven de langzame stroming van de aardmantel weer.

De korst en de mantel reageren op vergelijkbare wijze op ijstijden. Dikke opeenhopingen ijs voegen gewicht toe aan de korst, en als de mantel eronder naar de zijkanten wordt gedrukt, zakt de korst weg. Dit proces wordt geïllustreerd voor de huidige ijskap op Groenland in figuur 9.18. De Groenlandse ijskap is op deze plaats meer dan 2500 m dik, en de korst onder het dikste deel is zover ingedrukt dat deze zich over een groot gebied onder de zeespiegel bevindt. Wanneer het ijs uiteindelijk smelt, zullen de korst en de mantel langzaam weer opveren, maar een volledige opheffing zal waarschijnlijk meer dan 10.000 jaar duren.

Figuur 9.18a Een dwarsdoorsnede door de korst in het noordelijk deel van Groenland (De ijsdikte is gebaseerd op gegevens van de NASA en het Center for Remote Sensing of Ice Sheets, maar de korstdikte is ter illustratie minder dan hij zou moeten zijn). De maximale ijsdikte is meer dan 2.500 m. De rode pijlen geven de neerwaartse druk op de mantel weer als gevolg van de massa van het ijs.

Je vraagt je misschien af hoe het mogelijk is dat de aardmantel stijf genoeg is om tijdens een aardbeving te breken, en toch conveceert en stroomt als een zeer viskeuze vloeistof. De verklaring is dat de aardmantel zich gedraagt als een niet-Newtoniaanse vloeistof, wat betekent dat hij verschillend reageert op spanningen, afhankelijk van hoe snel de spanning wordt uitgeoefend. Een goed voorbeeld hiervan is het gedrag van het materiaal dat bekend staat als “Silly Putty”, dat kan stuiteren en zal breken als je er hard aan trekt, maar op vloeibare wijze zal vervormen als er langzaam spanning op wordt uitgeoefend. Op deze foto werd “Silly Putty” over een gat in een glazen tafelblad geplaatst, en als reactie op de zwaartekracht vloeide het langzaam in het gat. De mantel zal vloeien als hij onder de langzame maar gestage spanning van een groeiende (of smeltende) ijskap wordt geplaatst.

Grote delen van Canada veren nog steeds op als gevolg van het verlies van gletsjerijs in de afgelopen 12 jaar, en zoals te zien is in figuur 9.19, hebben andere delen van de wereld ook te maken met isostatische opheffing. Het hoogste stijgingspercentage doet zich voor in een groot gebied ten westen van de Hudsonbaai, waar de Laurentide-ijskap het dikst was (meer dan 3000 m). Ongeveer 8.000 jaar geleden heeft het ijs dit gebied definitief verlaten, en de korst veert nu weer op met een snelheid van bijna 2 cm/jaar. Sterke isostatische opheffing doet zich ook voor in Noord-Europa, waar de Fenno-Scandinavische ijskap het dikst was, en in het oostelijk deel van Antarctica, waar tijdens het Holoceen ook veel ijs verloren is gegaan.

Er zijn ook uitgestrekte gebieden met verzakkingen rond de voormalige Laurentide en Fenno-Scandinavische ijskappen. Tijdens de ijstijd stroomde mantelgesteente weg uit de gebieden onder de grote ijskappen, en dit materiaal stroomt nu langzaam terug, zoals geïllustreerd in figuur 9.18b.