Mantel (geologie)

Aarde uitsnede van kern naar exosfeer.

De mantel is een bepaald type laag binnen een astronomisch lichaam. Een mantel komt in de meeste gevallen in een vast voorwerp voor als de laag materiaal die een definieerbare, extra-dichte kern omgeeft. De mantel zelf kan in twee onderlagen worden verdeeld en kan bedekt zijn met een laag die “korst” wordt genoemd, zoals het geval is bij de planeet Aarde. In het binnenste van de aarde is de mantel een rotsachtige laag direct onder de korst en boven de buitenste kern. De mantel maakt ongeveer 70% van het volume van de aarde uit en ligt boven de ijzerrijke kern van de aarde, die ongeveer 30% van het volume van de aarde inneemt. Hoewel de aardmantel overwegend vast is, is een groot deel ervan zeer viskeus als gevolg van de extreem hoge druk die erin heerst. Convectie van de mantel komt aan het oppervlak tot uiting door de bewegingen van tektonische platen.

Eerdere perioden van smelten en vulkanisme op de ondiepere niveaus van de mantel hebben een zeer dunne korst van gekristalliseerde smeltproducten aan het oppervlak opgeleverd, waarop wij leven. De gassen die tijdens het smelten van de aardmantel ontstaan, hebben een grote invloed op de samenstelling en de abundantie van de atmosfeer van de aarde. Informatie over de structuur en samenstelling van de aardmantel komt voort uit geofysisch onderzoek of uit directe geowetenschappelijke analyses van uit de aardmantel afkomstige xenolieten.

Structuur

De dikte van de aardmantel is ongeveer 2.900 kilometer (km) (1.800 mijl). Resultaten van seismologie geven aan dat het in secties is verdeeld. Deze lagen (en hun diepten) zijn als volgt:

• de bovenmantel (33-410 km) (20 tot 254 mijl)
• de overgangszone (410-670 km)
• de ondermantel (670-2798 km)
• de D” laag (2798-2998 km).

De top van de mantel wordt gedefinieerd door een plotselinge toename van de seismische snelheid, die voor het eerst werd opgemerkt door Andrija Mohorovičić in 1909. Deze grens wordt nu aangeduid als de “Moho”. De bovenliggende mantel en de daarop liggende korst zijn betrekkelijk stijf en vormen de lithosfeer, een onregelmatige laag met een maximale dikte van misschien 200 km. Onder de lithosfeer wordt de reologie van de bovenmantel aanzienlijk plastischer. In sommige gebieden onder de lithosfeer is de seismische snelheid verlaagd; deze – zogenaamde – lage-snelheidszone (LVZ) strekt zich uit tot op een diepte van enkele honderden km. Inge Lehmann ontdekte een seismische discontinuïteit op ongeveer 220 km diepte; hoewel deze discontinuïteit in andere studies is aangetroffen, is niet bekend of de discontinuïteit alomtegenwoordig is. De overgangszone is een gebied met een grote complexiteit; zij vormt de fysieke scheiding tussen de boven- en ondermantel. Over de onderste mantel is zeer weinig bekend, behalve dat hij seismisch betrekkelijk homogeen lijkt te zijn. D” is de laag die de mantel van de kern scheidt.

Karakteristieken

De mantel verschilt wezenlijk van de korst in zijn mechanische eigenschappen en zijn chemische samenstelling. Het onderscheid tussen korst en mantel is gebaseerd op chemie, gesteentetypen, reologie en seismische kenmerken. De korst is in feite een product van het smelten van de aardmantel. Aangenomen wordt dat door het gedeeltelijk smelten van mantelmateriaal onverenigbare elementen van het mantelgesteente worden afgescheiden, waarbij minder dicht materiaal door poriën, scheuren of spleten naar boven drijft, afkoelt en aan het oppervlak bevriest. Typische mantelgesteenten hebben een hogere magnesium/ijzer-verhouding, en een kleiner aandeel silicium en aluminium dan de korst. Dit gedrag wordt ook voorspeld door experimenten waarbij gesteenten die representatief worden geacht voor de aardmantel, gedeeltelijk smelten.

Het in kaart brengen van het inwendige van de aarde met aardbevingsgolven.

Mantelgesteente op een diepte van minder dan ongeveer 400 km bestaat voornamelijk uit olivijn, pyroxeen, spinel en granaat; typische gesteentetypen zijn vermoedelijk peridotiet, duniet (olivinerijke peridotiet) en eclogiet. Tussen ongeveer 400 km en 650 km diepte is olivijn niet stabiel en wordt het vervangen door hogedrukpolymorfen met ongeveer dezelfde samenstelling: de ene polymorf is wadsleyiet (ook wel beta-spinel-type genoemd), en de andere is ringwoodiet (een mineraal met de gamma-spinelstructuur). Beneden ongeveer 650 km beginnen alle mineralen in de bovenmantel onstabiel te worden. De meest voorkomende mineralen hebben een structuur (maar geen samenstelling) zoals die van het mineraal perovskiet, gevolgd door het magnesium/ijzeroxide ferropericlase. De veranderingen in mineralogie op ongeveer 400 en 650 km geven duidelijke signaturen in seismische registraties van het inwendige van de aarde, en zijn, net als de moho, gemakkelijk waar te nemen met seismische golven. These changes in mineralogy may influence mantle convection, as they result in density changes and they may absorb or release latent heat as well as depress or elevate the depth of the polymorphic phase transitions for regions of different temperatures. The changes in mineralogy with depth have been investigated by laboratory experiments that duplicate high mantle pressures, such as those using the diamond anvil.

Why is the inner core solid, the outer core liquid, and the mantle solid/plastic? The answer depends both on the relative melting points of the different layers (nickel-iron core, silicate crust and mantle) and on the increase in temperature and pressure as one moves deeper into the Earth. At the surface both nickel-iron alloys and silicates are sufficiently cool to be solid. In the upper mantle, the silicates are generally solid (localized regions with small amounts of melt exist); however, as the upper mantle is both hot and under relatively little pressure, the rock in the upper mantle has a relatively low viscosity. De ondermantel daarentegen staat onder enorme druk en heeft daardoor een hogere viscositeit dan de bovenmantel. De metallische nikkel-ijzeren buitenkern is ondanks de enorme druk vloeibaar omdat hij een smeltpunt heeft dat lager ligt dan de silicaten in de mantel. De binnenkern is vast door de overweldigende druk in het centrum van de planeet.

Temperatuur

In de mantel varieert de temperatuur van 500 °C tot 900 °C aan de bovengrens met de korst tot meer dan 4000 °C aan de grens met de kern. Hoewel de hogere temperaturen veel hoger liggen dan de smeltpunten van de mantelgesteenten aan het oppervlak (ongeveer 1200 °C voor representatief peridotiet), is de mantel bijna uitsluitend vast. De enorme lithostatische druk die op de mantel wordt uitgeoefend voorkomt smelten, omdat de temperatuur waarbij het smelten begint (de solidus) met de druk toeneemt.

Verplaatsing

Door het temperatuurverschil tussen het aardoppervlak en de buitenkern, en het vermogen van de kristallijne gesteenten om bij hoge druk en temperatuur een langzame, kruipende, viskeuze vervorming te ondergaan gedurende miljoenen jaren, is er een convectieve materiaalcirculatie in de mantel. Heet materiaal stijgt op als een plutonische diapir (enigszins verwant aan een lavalamp), misschien vanaf de grens met de buitenste kern (zie mantelpluim), terwijl koeler (en zwaarder) materiaal naar beneden zakt. Dit gebeurt vaak in de vorm van grootschalige lithosferische downwellings bij plaatgrenzen, subductiezones genaamd. Tijdens het opstijgen koelt het materiaal van de mantel af, zowel adiabatisch als door geleiding in de omringende koelere mantel. De temperatuur van het materiaal daalt met de drukverlaging die gepaard gaat met de opstijging, en de warmte ervan verdeelt zich over een groter volume. Omdat de temperatuur waarbij het smelten begint sneller daalt met de hoogte dan bij een opstijgende hete pluim, kan gedeeltelijk smelten vlak onder de lithosfeer optreden en vulkanisme en plutonisme veroorzaken.

De convectie van de aardmantel is een chaotisch proces (in de zin van vloeistofdynamica), waarvan wordt aangenomen dat het een integrerend deel uitmaakt van de beweging van platen. Platenbeweging mag niet worden verward met de oudere term continentale drift, die uitsluitend betrekking heeft op de beweging van de korstcomponenten van de continenten. De bewegingen van de lithosfeer en de onderliggende mantel zijn aan elkaar gekoppeld omdat de dalende lithosfeer een essentieel onderdeel is van de convectie in de mantel. De waargenomen continentale drift is een gecompliceerde relatie tussen de krachten die de oceanische lithosfeer doen zinken en de bewegingen in de aardmantel.

Hoewel er een tendens is naar een grotere viscositeit naarmate de diepte toeneemt, is deze relatie verre van lineair en vertoont lagen met een sterk afgenomen viscositeit, met name in de bovenmantel en op de grens met de kern. De mantel binnen ongeveer 200 km boven de kern-mantelgrens blijkt duidelijk andere seismische eigenschappen te hebben dan de mantel op iets geringere diepte; dit ongewone mantelgebied vlak boven de kern wordt D″ (“D double-prime” of “D prime prime”) genoemd, een nomenclatuur die meer dan 50 jaar geleden werd geïntroduceerd door de geofysicus Keith Bullen. D″ kan bestaan uit materiaal van gesubducteerde platen die zijn neergedaald en tot rust zijn gekomen op de grens tussen kern en mantel en/of uit een nieuwe minerale polymorf die in perovskiet is ontdekt, post-perovskiet genaamd.

Dankzij de betrekkelijk lage viscositeit in de bovenmantel zou men kunnen redeneren dat er geen aardbevingen beneden ongeveer 300 km diepte zouden moeten zijn. In subductiezones kan de geothermische gradiënt echter worden verlaagd, waarbij koel materiaal van het oppervlak naar beneden zinkt, waardoor de sterkte van de omringende mantel toeneemt en aardbevingen tot op een diepte van 400 km en 670 km mogelijk worden.

De druk op de bodem van de mantel bedraagt ~136 GPa (1,4 miljoen atm). De druk neemt toe naarmate men dieper in de aardmantel komt, omdat het materiaal eronder het gewicht van al het materiaal erboven moet dragen. Men denkt echter dat de gehele mantel op lange tijdschalen nog steeds als een vloeistof vervormt, waarbij permanente plastische vervorming wordt opgevangen door de beweging van punt-, lijn- en/of vlakdefecten in de vaste kristallen waaruit de mantel is opgebouwd. Schattingen van de viscositeit van de bovenmantel lopen uiteen van 1019 tot 1024 Pa-s, afhankelijk van diepte, temperatuur, samenstelling, spanningstoestand, en talrijke andere factoren. De bovenmantel kan dus slechts zeer langzaam stromen. Wanneer echter grote krachten op de bovenmantel worden uitgeoefend, kan deze zwakker worden, en men denkt dat dit effect belangrijk is om de vorming van tektonische plaatgrenzen mogelijk te maken.

Exploratie

Exploratie van de aardmantel wordt over het algemeen uitgevoerd op de zeebodem in plaats van op het land, vanwege de relatieve dunheid van de oceanische korst in vergelijking met de aanzienlijk dikkere continentale korst.

De eerste poging tot exploratie van de aardmantel, bekend als Project Mohole, werd in 1966 gestaakt na herhaalde mislukkingen en kostenoverschrijdingen. De diepste penetratie was ongeveer 180 m. In 2005 bereikte het op twee na diepste boorgat in de oceaan 1416 meter onder de zeebodem vanaf het oceaanboorschip JOIDES Resolution.

Op 5 maart 2007 begon een team wetenschappers aan boord van de RRS James Cook aan een reis naar een gebied van de Atlantische zeebodem waar de mantel blootligt zonder enige korstbedekking, halverwege tussen de Kaapverdische Eilanden en de Caribische Zee. Het blootgelegde gebied ligt ongeveer drie kilometer onder het oceaanoppervlak en beslaat duizenden vierkante kilometers.

Een relatief moeilijke poging om monsters van de aardmantel te nemen, was gepland voor later in 2007. In het kader van de Chikyu Hakken-missie zou met het Japanse schip “Chikyu” tot 7000 m (23.000 ft) onder de zeebodem worden geboord. Dit is bijna drie keer zo diep als eerdere oceaanboringen.

Onlangs werd een nieuwe methode geanalyseerd om de bovenste honderden km van de aarde te onderzoeken, bestaande uit een kleine, dichte, warmteproducerende sonde die zich een weg naar beneden door de korst en de mantel smelt, terwijl zijn positie en voortgang worden gevolgd door akoestische signalen die in de rotsen worden opgewekt. De sonde bestaat uit een buitenste bol van wolfraam ~ 1 m in diameter, waarbinnen zich een 60Co radioactieve warmtebron bevindt. Berekend is dat een dergelijke sonde in minder dan 6 maanden de oceaan Moho zal bereiken en binnen enkele tientallen jaren een minimumdiepte van meer dan 100 km onder zowel de oceaan- als de continentale lithosfeer zal bereiken.

Zie ook

• Korst (geologie)
• Aarde
• Plaattektoniek
• Volkaan

Noten

• Burns, Roger George. 1993. Mineralogische toepassingen van kristalveldentheorie. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0521430771.
• Coltorti, M., and M. Gregoire. 2008. Metasomatism in Oceanic & Continental Lithospheric Mantle. Londen, UK: Geological Society Pub House. ISBN 1862392420

• Condie, Kent C. 2001. Mantle Plumes and Their Record in Earth History. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0521014727

• Condie, Kent C. 2005. De aarde als evoluerend planetenstelsel. Amsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0120883929
• Ojovan, M.I., and F.G.F. Gibb. “Exploring the Earth’s Crust and Mantle Using Self-Descending, Radiation-Heated, Probes and Acoustic Emission Monitoring.” Hoofdstuk 7, in Arnold P. Lattefer, 2008. Onderzoek naar kernafval: Locatie, technologie en behandeling. New York, NY: Nova Science Publishers. ISBN 9781604561845.
• Van der Pluijm, Ben A., en Stephen Marshak. 2004. Earth Structure: An Introduction to Structural Geology and Tectonics, 2nd ed. New York: W.W. Norton. ISBN 039392467X

• Vogt, Gregory. 2007. De kern en mantel van de aarde: Zwaar metaal, bewegend gesteente. Minneapolis, MN: Twenty-First Century Books. ISBN 978-0761328377

All links retrieved August 10, 2018.

• Don L. Anderson, Theory of the Earth, Blackwell (1989). (A textbook dealing with the Earth’s interior now available on the web.)
• Project Mohole.