Tectonic-petrological model of the multistage origin of eclogites of the Maksyutov complex (Southern Urals)

Diep onder de aardkorst, waar gesteenten worden verpletterd door immense druk en gebakken door verzengende hitte, speelt zich een verborgen drama af. Dit is de wereld van de platentektoniek, waar enorme platen van het oppervlak van de planeet botsen, onder elkaar schuiven en soms zo diep duiken dat ze transformeren in vreemde, dichte gesteenten die eclogieten worden genoemd. Decennialang zijn geologen gefascineerd geweest door een specifiek deel van de Zuidelijke Oeral in Rusland, een plek die bekend staat als het Maksyutov-complex. Hier vonden zij gesteenten die zo diep begraven leken te zijn dat ze in diamanten en een zeldzame vorm van kwarts genaamd coesiet zouden moeten zijn veranderd. Deze mineralen zijn de kenmerken van ultra-hoge drukomgevingen, omstandigheden die normaal gesproken honderden kilometers diep worden aangetroffen, veel dieper dan welk gebergtevormingsproces dan ook werd geacht te reiken. De aanwezigheid van deze mineralen suggereerde dat een stuk van de aardkorst naar de uiterste rand van de mantel was meegesleept en daarna weer naar boven was gebracht, een reis die ons begrip van hoe continenten botsen zou herschrijven.

De geschiedenis van het Maksyutov-complex is echter altijd een beetje een puzzel geweest. Hoewel de gesteenten eruitzagen alsof ze een reis naar de diepste delen van de aarde hadden overleefd, was het bewijs versnipperd en soms tegenstrijdig. Sommige onderzoekers stelden dat de extreme omstandigheden echt waren, terwijl anderen zich afvroegen of de gesteenten simpelweg door andere geologische krachten waren verplaatst. Om dit op te lossen, besloot een team wetenschappers onder leiding van Valentin Fedkin en Andrey Shchipansky naar de gesteenten met een frisse blik te kijken, waarbij zij moderne instrumenten gebruikten om de chemische geschiedenis te lezen die erin geschreven staat. Zij wilden een nieuw idee testen over hoe subductiezones — de plaatsen waar de ene tektonische plaat onder de andere duikt — daadwerkelijk beginnen. Door het Maksyutov-complex te behandelen als een natuurlijk laboratorium, hoopten zij niet alleen te begrijpen waar de gesteenten vandaan kwamen, maar ook hoe de gehele regio zich over honderden miljoenen jaren heeft ontwikkeld.

De onderzoekers begonnen met het verzamelen van een zorgvuldig geselecteerde set gesteentemonsters uit het Maksyutov-complex, waarbij zij zich concentreerden op de donkere, zware gesteenten die eclogieten worden genoemd en de blauwachtige schist die er vaak bij hoort. Ze keken niet alleen met een microscoop naar de gesteenten; ze analyseerden hun chemische samenstelling in extreem detail, waarbij ze alles maten van veelvoorkomende elementen zoals silicium en ijzer tot zeldzame sporenelementen die fungeren als vingerafdrukken van de oorsprong van het gesteente. Ze onderzochten ook de minuscule kristallen in de gesteenten, in het bijzonder de granaten, die in lagen groeien zoals jaarringen van een boom, en zo de veranderende druk- en temperatuuromstandigheden registreren terwijl het gesteente werd gevormd. Door deze chemische en fysieke aanwijzingen te lezen, construeerde het team een nieuw model van wat er in dit deel van de aardkorst is gebeurd.

Wat zij vonden, daagde de langgevestigde overtuiging uit dat het Maksyutov-complex een klassiek voorbeeld is van ultra-hoge druk metamorfose veroorzaakt door uitsluitend een diepe subductiereis. De gegevens suggereerden in plaats daarvan een complexere en dynamischere geschiedenis. Het team ontdekte dat de gesteenten niet een enkelvoudig, vloeiend pad volgden van omlaag geduwd worden en vervolgens weer omhoog komen. In plaats daarvan was de metamorfose — het proces van gesteentetransformatie — cyclisch en pulserend. De gesteenten ondergingen herhaalde cycli van verhitting en afkoeling, van licht zakken en licht stijgen, gedurende een periode van ongeveer 150 miljoen jaar. Dit ritmische stuiteren betekende dat de gesteenten nooit werden onderworpen aan één enkele, continue, extreme afdaling die van nature diamanten en coesiet ter plekke zou creëren.

De meest verrassende conclusie betrof de diamanten en coesiet die in de gesteenten werden gevonden. De auteurs betogen dat deze mineralen niet zijn gevormd doordat de gesteenten langzaam diep onder de grond werden verpletterd. In plaats daarvan suggereert het bewijs dat deze hogedrukkristallen al aanwezig waren in diepliggende brokken gesteente die werden opgevangen door een opstijgende pluim van heet mantelmateriaal. Stel je een diepzeestroom voor die een zware steen van de oceaanbodem opveegt en deze naar het oppervlak voert; in dit geologische scenario pikte een opstijgende kolom van heet gesteente uit de diepte van de aarde deze exotische, hogedrukfragmenten op en bracht hen naar het Maksyutov-complex. De gesteenten van het complex zelf bereikten nooit de extreme diepten die nodig zijn om op zichzelf diamanten te maken. In plaats daarvan fungeerden zij als een container die deze reeds bestaande, diepe-aarde schatten opsloot.

Deze ontdekking dwingt tot een significante revisie van de geologische geschiedenis van de Zuidelijke Oeral. Het team berekende dat het subductieproces hier een mengeling betrof van verschillende mantelbronnen en een kleine maar meetbare bijdrage van de aardkorst, geschat op tussen de één en vier procent. Zij stelden ook vast dat de interactie tussen de mantel en de korst plaatsvond bij drukwaarden variërend van 1,5 tot 3,5 gigapascal, een bereik dat hoog is maar niet noodzakelijkerwijs de ultra-diepe omstandigheden vereist die voorheen werden aangenomen. De aanwezigheid van diamanten en coesiet bewijst daarom niet dat het gehele Maksyutov-complex een ultra-hoge druk terrein was. In plaats daarvan wijst het op een specifieke, ongewone gebeurtenis waarbij diep mantelmateriaal, dat deze zeldzame mineralen met zich meedraagt, in de korstgesteenten werd geïnjecteerd.

De studie bevestigde ook dat het Maksyutov-complex aan veel van de criteria voldoet voor een subductie-initiatiezone, een plaats waar een nieuw subductieproces begint. De chemische samenstelling van de gesteenten vertoont een duidelijke evolutie van het ene type vulkanisch gesteente naar het andere, een patroon dat overeenkomt met moderne theorieën over hoe subductiezones ontstaan. Echter, de unieke, pulserende aard van de metamorfose en de manier waarop diepe inclusies naar het oppervlak werden gebracht, maken dit complex tot een bijzonder geval. Het is geen standaard tekstboekvoorbeeld van een diepe subductie-kanaal, maar eerder een complex mengsel van tektonische gebeurtenissen waarbij verschillende lagen van de aarde door elkaar zijn geschud.

Uiteindelijk verwerpt dit onderzoek niet het belang van het Maksyutov-complex; het verfijnt simpelweg ons begrip ervan. De gesteenten zijn nog steeds een venster naar de diepe aarde, maar het uitzicht is nu helderder. De diamanten en coesiet zijn echt, maar ze zijn niet het resultaat van het feit dat de gesteenten tot de bodem van de wereld zijn verpletterd. Het zijn bezoekers, meegebracht vanuit de diepte door een opstijgende warmtepluim, gevangen in een gesteente dat zelf werd gerecycled door de trage, kolkende machinerie van de platentektoniek. Door onderscheid te maken tussen wat ter plekke werd gevormd en wat van elders werd meegebracht, hebben de wetenschappers een nauwkeuriger beeld gegeven van hoe de Zuidelijke Oeral is gevormd, waarbij zij laten zien dat de aardkorst een plaats is van constante, ritmische beweging in plaats van een eenvoudige, eenrichtingsreis naar de diepte.