College van de maand: Een kijkje in de aarde.

Sinds kort ben ik eindelijk weer begonnen met mijn lessen. Helaas gaan alle lessen digitaal, tot in ieder geval januari. De stof waar de les over gaat vind ik weer helemaal geweldig. Zo heeft mijn docent het laatst gehad over mijn favoriete laag in de aarde. De D’’ layer, uitgesproken de D double prime layer. Voor zover ik weet is er geen Nederlandse naam voor dit begrip.

Wat leren aardbevingsgolven ons?

We weten door seismologisch onderzoek dat de aarde bestaat uit allerlei typerende lagen. Dit weten we met zekerheid omdat aardbevingen dit hebben duidelijk gemaakt. Aardbevingen geven een trilling door de gehele aarde heen. Wanneer er een aardbeving in Groningen is kunnen geologen dit dus terugvinden op een Australische seismometer.

Figuur 1. Laat de seismische snelheid door het binnenste van de aarde zien van de P & S golven. Bron: wikipedia

Uit bevingen ontstaan verschillende soorten trillingen. De trilling die als eerste aankomt op een seismometer wordt de P-wave genoemd, vanwege zijn hoge snelheid (zie figuur 1). Dit is een drukgolf die zich voortbeweegt door compressie. Door materie in de aarde samen te drukken en uit elkaar te trekken. Verdikkingen en verdunningen dus. De drukgolf kan zich voortbewegen door zowel vloeibaar als vast materiaal. Na de P-wave arriveert de S-wave die daarom ook wel secondaire wave genoemd wordt. De S-wave is een golf waarbij de trillende deeltjes van het medium loodrecht bewegen op de bewegingsrichting van de golf. Door deze unieke eigenschap kan de S-wave zich daarom niet voortbewegen in een vloeistof, maar alleen door vast en elastisch materiaal. Naast de P en de S golven zijn er ook nog twee oppervlakte golven die ontstaan tijdens een aardbeving. Oppervlakte golven bewegen zich alleen langs het oppervlak van een medium (zoals golven op zee). De Oppervlakte golven heten de Love en Rayleigh golven en ze zorgen voor flink veel schade bij aardbevingen. Maar daar hebben we het nu niet over.

De P en de S golven bewegen zich dus voort door de gehele aarde. Echter kunnen S golven zich niet door vloeibaar materiaal bewegen. Tegenover het epicentrum ontstaat een schaduw gebied van S golven. (zie figuur 2).

Figuur 2. Schaduwzone van de P en S golven. De S golf heeft een grote schaduwzone omdat deze niet door vloeibaar materiaal zoals de buitenkern kan bewegen. Bron: openpress.usask

De schaduw van de S-wave moet dus komen door een vloeibare laag in de aarde. Dit is de vloeibare buitenkern. Vlak boven de vloeibare buitenkern is een vreemde laag waar de snelheid van de trillingen enorm terugneemt. Keith Edward Bullen deed onderzoek naar het binnenste van de aarde. Hierbij deelde hij de verschillende lagen in de aarde op van A tot G waarbij A de aardkorst is en G het binnenste van de kern. De verschillen lagen reageerden verschillend op de trillingen van aardbevingen. De berekende aankomsttijd van de aardbevingsgolven klopten niet met de daadwerkelijke aankomst tijd. Daarom is de D laag opgedeeld twee algen. De bovenste laag werd als D’ (D prime) aangeduid en de onderste laag werd als D’’ (double prime layer) laag benoemd. De D’’ laag beslaat de onderste 200 km van de mantel. Deze laag vlak boven de kern – mantel - grens laat de trillingen extra vertragen. Dit betekent dat de temperatuur van deze laag veel hoger ligt.

Hoe is de D’’ layer mogelijk ontstaan.

Men denkt dat de D’’ layer misschien ontstaan is doordat slabs (oude tektonische aardplaten) hierheen gezonken zijn. Wanneer een slab in een subductiezone aan het zinken is, is de dichtheid van de slab anders dan die van de mantel en als de dichtheid van de slab groter is dan de dichtheid van de mantel kan deze slab zinken. We weten dat subductie al heel lang plaatsvindt, dus misschien is dit wel een begraafplaats voor oude afgebroken slabs.

Een andere theorie is dat de laag ontstaan is toen de aarde nog bestond uit een magma oceaan. Onder de magma oceaan zat al een soort van mantel die uit vast materiaal bestond. Nu denkt men dat onder deze mantel een tweede magma oceaan is ontstaan. Dus tussen de kern en de mantel. Deze magma oceaan is gedeeltelijk uitgekristalliseerd door de tijd heen. Dit, samen met het restant magma zouden wij nu dus de D’’ layer noemen.

Wat voor invloed heeft dit op onze ideeën over de aarde?

Hoe wat en waar weten we dus helaas niet in detail over de D’’ layer. Behalve dat het een anomalie op de data van trilling laat zien, kan het mogelijk de oorzaak zijn van hotspots. Onderzoeken onder Hawaii en IJsland lijken erop te duiden dat deze vreemde laag bij de kern – mantel - grens de oorzaak is dat er dus zomaar veel heet materiaal naar de oppervlakte toe beweegt. Er is nog zoveel onbekend over deze laag. Zoveel om nog te onderzoeken. Wie weet wat voor informatie we in de toekomst hebben. Daarom is het mijn favoriete laag!