Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

De aardkorst is geen statische schil; het is een dynamische laag die voortdurend verschuift, plooit en uitrekt onder enorme druk. Wanneer gesteenten diep onder de grond worden samengeperst en verhit, breken ze niet altijd zoals bros glas. In plaats daarvan kunnen ze over miljoenen jaren langzaam gaan stromen, een proces dat ductiele deformatie wordt genoemd. Deze langzame, plastische beweging is cruciaal voor het begrijpen van hoe gebergten ontstaan en hoe de planeet spanning ontlaat. Om nauwkeurige modellen van deze gebeurtenissen te bouwen, moeten geologen precies weten wanneer de gesteenten bewogen. Het bepalen van de ouderdom van deze langzame stroom is echter lang een puzzel geweest. Traditionele methoden gaan er vaak van uit dat naarmate gesteenten vervormen, hun interne chemische klokken automatisch worden gereset, wat een duidelijk tijdstip van de gebeurtenis oplevert. Maar deze aanname berust op het idee dat de gesteenten perfect gemengd en chemisch homogeen zijn, een idee dat moeilijk te verifiëren is zonder extreem nauwkeurig naar de microscopische wereld binnenin het gesteente te kijken.

Een team onderzoekers van universiteiten in Zwitserland en Duitsland heeft deze lang gehouden aanname nu uitgedaagd door een specifiek deel van de aardkorst in de Zwitserse Alpen te bestudelen. Ze richtten zich op een zone waar oud graniet was samengeperst tot een fijnkorrelig, stromend gesteente genaamd een myloniet. Door hoogwaardige chemische kaarten te combineren met nauwkeurige dateringstechnieken, ontdekten zij dat de simpele handeling van het samendrukken van gesteente niet voldoende is om de interne klok te resetten. In plaats daarvan ontdekten zij dat de aanwezigheid van waterrijke vloeistoffen de cruciale ingrediënt is die de chemische systemen van het gesteente in staat stelt om de tijd van deformatie te resetten en vast te leggen. Deze bevinding verandert de manier waarop wetenschappers de geschiedenis van gebergtevorming interpreteren, en suggereert dat zonder vloeistof het gesteente oude herinneringen aan zijn verleden behoudt, zelfs terwijl het wordt verpletterd en herschapen.

De onderzoekers bestudeerden een sectie van de Gotthard-nappe, een massieve gesteentenslab in de Zwitserse Alpen die omhoog werd geduwd tijdens de botsing van de Europese en Adriatische tektonische platen. Ze verzamelden monsters van graniet die in verschillende mate waren vervormd, van gesteenten die slechts licht waren uitgerekt tot gesteenten die waren fijngemalen tot een fijne, ultra-gladde myloniet. Met behulp van geavanceerde microscopen en chemische analysatoren maakten zij gedetailleerde kaarten van de mineralen in deze gesteenten, specifiek kijkend naar witte mica, biotiet en veldspaat. Deze mineralen fungeren als natuurlijke klokken omdat ze radioactieve elementen bevatten die met een bekende snelheid vervallen, waardoor wetenschappers kunnen berekenen hoe lang geleden de mineralen zijn gevormd of voor het laatst chemisch zijn gereset. Het team gebruikte twee verschillende dateringsmethoden, één gebaseerd op argon gas gevangen in de mineralen en een andere op de verhouding van strontiumisotopen, om de leeftijd van verschillende delen van hetzelfde gesteentemonster te meten.

Wat zij vonden was verrassend. In de gesteenten die slechts matig vervormd waren, vertoonden de chemische klokken een breed scala aan leeftijden, sommige zeer oud en sommige jonger. Naarmate ze naar de meest intensief vervormde delen van de schearzone bewogen, waar het gesteente was fijngemalen tot een fijne pasta, verwachtten zij een enkele, uniforme leeftijd te vinden die de tijd van het verpletteren vertegenwoordigde. In plaats daarvan ontdekten zij dat de meest vervormde gesteenten nog steeds aanzienlijke hoeveelheden oud, niet-gereset materiaal bevatten. De overvloed aan deze eeuwenoude isotopische "relicten" nam zelfs toe met de intensiteit van de deformatie. Dit weersprak direct de hypothese dat deformatie en chemische reacties in perfecte pas lopen. Als het gesteente simpelweg zou worden gemengd door de fysieke spanning van de gebergtevorming, zouden de oude chemische signaturen gewist moeten zijn. Het feit dat zij bleven bestaan, suggereert dat fysieke rek alleen niet voldoende is om de interne klok van het gesteente te resetten.

De sleutel tot het ontrafelen van de ware timing van de deformatie lag in de vloeistoffen. De onderzoekers identificeerden drie verschillende generaties mineralen. De oudste mineralen, die vormden voordat de gebergtevorming begon, werden bewaard in de kernen van sommige kristallen. Een tweede generatie vormde zich tijdens de piek van de gebergtevorming, maar deze mineralen werden hun chemische klokken alleen volledig gereset in gebieden waar vloeistoffen aanwezig waren. De derde generatie verscheen later, tijdens een afkoelingsfase, en was duidelijk gekoppeld aan de komst van nieuwe vloeistoffen die de samenstelling van de mineralen lieten veranderen. Door deze verschillende minerale generaties zorgvuldig te scheiden op basis van hun chemische vingerafdrukken, was het team in staat specifieke momenten in de tijd aan te wijzen. Zij bepaalden dat de hoofd fase van de gebergtevorming en de daarmee gepaard gaande ductiele deformatie plaatsvond tussen ongeveer 18,8 miljoen en 17,1 miljoen jaar geleden. Een latere fase van afkoeling en vloeistofbeweging vond plaats rond 13,3 miljoen jaar geleden.

De studie onthulde ook dat vloeistoffen de belangrijkste drijfveren waren van chemische en isotopische (re)equilibratie, in plaats van de fysieke druk op het gesteente of de temperatuur alleen. Hoewel de gesteenten niet in een perfect gesloten systeem verkeerden, ontdekten de onderzoekers dat de mylonitisatie plaatsvond in een semi-gesloten systeem met beperkte toegang tot extern afgeleide vloeistoffen. In de meest vervormde zones gaven de chemische signaturen aan dat vloeistoffen schaars waren, wat verklaart waarom oude isotopische signalen standhielden ondanks de intense rek. Het was alleen waar vloeistoffen reacties faciliteerden dat de isotopische klokken werden gereset om de leeftijd van de deformatie te registreren. De onderzoekers concludeerden dat de beweging van vloeistoffen, in plaats van de fysieke druk op het gesteente of de temperatuur alleen, de primaire drijfveer was die de mineralen in staat stelde om te re-equilibreren en de leeftijd van de deformatie te registreren. Dit betekent dat om de datum van de bouw van een gebergte accuraat te dateren, geologen eerst de rol van vloeistoffen moeten begrijpen en chemische mapping moeten gebruiken om onderscheid te maken tussen mineralen die tijdens de gebeurtenis zijn gevormd en die slechts oude overblijfselen zijn.

Dit werk heeft belangrijke implicaties voor hoe wij de snelheid berekenen waarmee de aardkorst vervormt. Door de specifieke mineralen te identificeren die door vloeistoffen werden gereset tijdens de deformatie, berekenden de onderzoekers een rekingsnelheid van ongeveer 8,68 maal 10 tot de macht negatief 14 per seconde. Dit is een maat voor hoe snel het gesteente werd uitgerekt. Hun schatting is nauwkeuriger dan eerdere berekeningen omdat het het mengen van oude en nieuwe mineralen vermijdt, een veelvoorkomende fout in eerdere studies. Deze precieze snelheid helpt wetenschappers om de langzame, diepe beweging van de aardkorst te koppelen aan de snellere, brosse aardbevingen die dichter bij het oppervlak plaatsvinden. Het laat zien dat de langzame accumulatie van spanning in het midden van de korst direct verbonden kan zijn met de plotselinge vrijgave van energie in de bovenkorst.

De bevindingen geven ook een duidelijker beeld van de geologische geschiedenis van de Alpen. De timing van de deformatie komt overeen met de westwaartse beweging van de gebergtektoniek, wat wijst op een directe link tussen de diepe ductiele rekking van de korst en de ondiepere plooiing die de Jura-gebergten creëerde. De studie toont aan dat het gesteente werd geëxumeerd, oftewel naar het oppervlak gebracht, van een diepte van ongeveer 33 kilometer naar ongeveer 16 kilometer over een periode van vier miljoen jaar, waarbij het afkoelde van temperaturen van ongeveer 537 graden Celsius naar 340 graden Celsius. Deze afkoeling en stijging gebeurde met een snelheid van ongeveer 4,3 kilometer per miljoen jaar.

Uiteindelijk laat dit onderzoek zien dat het verhaal van gebergtevorming geschreven staat in de chemische details van de gesteenten, maar alleen als we weten hoe we ze moeten lezen. De aanwezigheid van vloeistoffen is de essentiële sleutel die de interne klokken van het gesteente in staat stelt te worden gereset en de tijd van deformatie vast te leggen. Zonder vloeistoffen behoudt het gesteente zijn oude geschiedenis, zelfs terwijl het wordt herschapen. Dit inzicht dwingt geologen om hun benadering van het dateren van de aardkorst te veranderen. Het is niet langer voldoende om simpelweg een gesteente te verpletteren en te dateren; wetenschappers moeten nu de chemische samenstelling van de mineralen in kaart brengen om de specifieke delen te vinden die door vloeistoffen zijn gereset. Deze aanpak zorgt ervoor dat de datums die zij verkrijgen werkelijk de het moment weerspiegelen waarop de bergen werden gebouwd, in plaats van een mengeling van oude en nieuwe gebeurtenissen. De studie bevestigt dat vloeistoffen, en niet alleen hitte of druk, de primaire drijfveren zijn van chemische verandering in de diepe aarde, en dat het begrijpen van deze relatie essentieel is voor het reconstrueren van de dynamische geschiedenis van de planeet.