Mantelgolven tillen continenten omhoog en bekleden ze met diamanten.

Al miljarden jaren lang hebben de continenten over het oppervlak van de aarde gekruist als tektonische schepen, maar ze zijn niet ongeschonden gebleven. Golven in de onderliggende laag die bekend staat als de mantel kunnen de kiel van continenten afschuren, waardoor hun oppervlakken omhoog worden geduwd om prominente landschapsvormen te vormen ver van actieve plaatgrenzen, stellen onderzoekers voor in de Nature van 8 augustus. De studie biedt een plausibele oorsprongsverhaal voor raadselachtige plateaus die uitsteken boven verder geologisch rustige landschappen.

De onderzoekers hebben "in staat geweest om processen uit te breiden en met elkaar te verbinden waarover we al lange tijd hebben gespeculeerd," zegt geoloog David Foster van de Universiteit van Florida in Gainesville. De studie bouwt voort op onderzoek dat vorig jaar is gepubliceerd en suggereerde dat mantelgolven ook uitbarstingen van diamantdragende magma's genaamd kimberlieten hebben veroorzaakt.

In het midden van dit verhaal liggen de cratons, grote blokken van voornamelijk kristallijn gesteente die typisch de interieurs van continenten bezetten. Ze zijn de oudste fragmenten van de aardkorst, waarvan velen meer dan 2,5 miljard jaar geleden zijn gevormd, tijdens het Archeïcum. Veel van de korst die ooit op aarde heeft bestaan, is vernietigd in subductiezones, waar een tektonische plaat onder een andere in de mantel duikt. De cratons ontsnapten echter aan dat lot.

Cratons danken hun levensduur aan hun wortels, of kiel, zegt Foster. Cratons zijn veel dikker dan de omliggende continentale korst, met kielen die honderden kilometers diep in de mantel kunnen reiken. De kielen zijn relatief drijfvermogen, waardoor ze helpen de cratons boven water te houden en intact te houden terwijl andere delen van de korst verder worden weggetrokken.

Maar iets aan de cratons had geologen al lang verbaasd. Sommige, zoals de Kaapvaal-craton in zuidelijk Afrika, worden bekroond met uitgestrekte plateaus die omzoomd zijn door dramatische escarpments. Maar cratons zouden verondersteld worden stabiel te zijn en vaak ver van de landverheffende tektonische activiteit die optreedt bij plaatgrenzen. Dus wat heeft deze plateaus verhoogd?

Sommige studies hebben voorgesteld dat de landschapsvormen zijn ontstaan doordat de craton over een grote pluim van materiaal bewoog dat opwelde van diep in de mantel. Maar het geologisch archief lijkt die verklaring niet te ondersteunen, zegt aardwetenschapper Thomas Gernon van de Universiteit van Southampton in Engeland.

Dus hebben Gernon en collega's computersimulaties ingezet om de evolutie van een rift te volgen die in het midden van een continent opende. Ze ontdekten dat drukveranderingen onder de rift circulaties in de mantel veroorzaakten, waardoor een golf ontstond die lateraal onder een continent ongeveer 20 kilometer per miljoen jaar voortplantte.

Toen de golf in de simulatie de kiel van een craton tegenkwam, schortte hij die op en veegde materiaal weg in de mantel. Hierdoor werd het continent progressief ontlast, waardoor het bovendek oprees als een schip dat van zijn lading werd verlost. Deze verhoging volgde de mantelgolven honderden kilometers over de craton, waardoor een stabiel plateau ontstond dat ruwweg één tot twee kilometer hoog was, zegt Gernon. En terwijl deze verhoogde regio's werden geërodeerd door wind en water, stegen ze nog meer omhoog.

Continentale rifts kunnen golven in de onderliggende mantel veroorzaken die de korst omhoog duwen en een uitgestrekt plateau bouwen. Klik door de de dia-serie hieronder om te zien hoe dit gebeurt. In elke illustratie is het continent verdeeld in de bovenste korst, lagere korst en continentale lithosfeerlagen plus een relatief onstabiele thermische grenslaag. Onder het continent bevindt zich de asthenosfeer, de plastische bovenste laag van de aardmantel.

Hoe golven in de mantel de aardoppervlak verhogen om brede plateau's te vormen

De onderzoekers hebben hun simulaties ook gekoppeld aan het geologisch archief. Uit eerder gepubliceerd onderzoek hebben ze geochemische gegevens uit rotsen op het Zuid-Afrika-plateau gehaald, die het thermische geschiedenis van het plateau hebben geregistreerd. De gegevens lieten zien dat de snelste afkoelsnelheden - een proxy voor wanneer de rotsen het snelst werden opgetild - over het plateau veegden met een snelheid die overeenkwam met de migratie van een mantelgolf.

De studie verbindt vele uiteenlopende hypotheses, zegt geofysicus Cynthia Ebinger van de Tulane University in New Orleans. Wetenschappers hadden eerder al rifting gekoppeld aan kimberliet-vulkanisme en aangetoond dat de kielen van de cratons konden worden geschaafd door materiaal dat in de mantel circuleert. Maar tot nu toe had niemand die stukken verbonden met de raadselachtige topografie van de cratons.

"Deze Archeïcum-fragmenten beheersen nog steeds aspecten van de plaattektoniek," zegt Ebinger. "Dat vroege stadium in de geschiedenis van de aarde is nog steeds erg belangrijk."