Thermal evolution of high-pressure metamorphic rocks in the Alps

Thermische evolutie van hoge druk metamorfe gesteenten in de Alpen

Hieronder volgt informatie over het promotie-onderzoek dat ik van 1996 tot 2000 heb gedaan aan de Faculteit Aardwetenschappen van de Universiteit Utrecht. Ik maakte deel uit van de groep Structurele Geologie en Tektoniek. Ik ben op 20 november 2000 gepromoveerd en mijn proefschrift is gepubliceerd als Geologica Ultraiectina, deel 199, 221 blz., 2000.

De titel hierboven zegt misschien niet al teveel, dus leg ik eerst even een begrip uit:
Metamorfe gesteenten zijn stenen die op enig moment in hun verleden op (grote) diepte in de aarde hebben gezeten. Diep onder de grond zijn de druk (P) en de temperatuur (T) hoger. De combinatie van mineralen die in metamorfe stenen zitten geven ons informatie over de PT-condities die de stenen hebben meegemaakt. Verschillende combinaties staan voor verschillende PT-omstandigheden.

Het probleem dat ik geprobeerd heb op te lossen is het volgende:
In de Alpen zijn stenen gevonden die erg diep hebben gezeten (meer dan 100 kilometer) en die zich nu aan het aardoppervlak bevinden. Een deel van deze stenen bevat informatie waaruit we kunnen afleiden dat ze op weg naar het aardoppervlak eerst zijn afgekoeld, en daarna weer opgewarmd. Dit is een probleem, omdat de temperatuur in de aarde toeneemt naarmate je dieper komt. Je zou dus verwachten dat de stenen op hun weg naar boven continu afkoelen. Er zijn wel wat ideeen over wat zo'n opwarming zou kunnen veroorzaken, maar ik heb dat nog eens nauwkeurig priberen uit te zoeken voor het geval van de Alpen.

Tektonische kaart van de Alpen, naar: Structural Model of Italy, C.N.R Italia, 1983.

Mijn aanpak van dit probleem is als volgt:
Eerst ben ik gegevens gaan verzamelen in de Alpen. Dit heb ik verspreid over drie zomers gedaan en de gebieden waar ik heb gewerkt zijn met witte blokjes aangegeven op het bovenstaande kaartje van de Alpen. Als je hier klikt kan je wat foto's van mijn veldwerkgebied in Gran Paradiso (Itali‘) zien. Tijdens mijn veldwerk heb ik de structuren en de mineralen in de metamorfe stenen in deze drie gebiedjes onderzocht en zo goed mogelijk in kaart gebracht. Verder heb ik veel gesteentemonsters verzameld.

Terug in Utrecht heb ik van mijn monsters kleine plakjes afgezaagd die zijn verwerkt tot slijpplaatjes. Dit zijn heel dunne plakjes steen (zo'n 30 micrometer) die op een stukje glas zijn geplakt. Deze slijpplaatjes zijn zo dun dat er licht doorheen valt en dus kunnen ze door een polarisatiemicroscoop bekeken worden. Hiermee kunnen de kleinschalige structuren en de mineraalsamenstelling van de monsters nauwkeurig bestudeerd worden. Deze slijpplaatjes heb ik ook gebruikt voor analyses met de electronen microsonde (kortweg microprobe) op de Universiteit van Bristol in Engeland. Met deze analyses kan ik de PT-condities die mijn monsters hebben meegemaakt nog nauwkeuriger bepalen. Gegevens over de ouderdom van de gesteenten heb ik uit de literatuur gehaald.

Door het samenvoegen van al deze gegevens heb ik voor elk van de drie veldwerkgebieden een PTt-pad (druk-temperatuur-tijd-pad) samengesteld. Deze paden vertellen me nu wanneer de stenen zich op welke diepte in de aarde bevonden en hoe warm het daar was. Het is voral opvallend dat in twee van de drie gebieden (in Zwitserland en in de Gran Paradiso) de stenen eerst afkoelen op hun weg naar boven, en dat ze daarna weer behoorlijk opwarmen. Dit gebeurt ook nog eens binnen (geologisch) heel korte tijd: een paar miljoen jaar.

Het tweede deel van mijn project bestond uit het bestuderen van computermodellen vam twee hypothesen waarmee de opwarmingen tijdens de vorming van een gebergte misschien verklaard kunnen worden. Het modelleerwerk heb ik samen met Menno van de Zedde van de Tektonofysica groep in Utrecht gedaan. We hebben de gevonden PTt-paden uit Zwitserland en Gran Paradiso gebruikt om te bepalen of de modellen geldig zijn voor die gebieden.

Een van de belangrijkste conclusies van het modelleerwerk was dat de opwarmingen niet verklaard kunnen worden door de aanwezigheid van relatief grote hoeveelheden radioactieve mineralen in de aardkorst. Een verklaring die wel mogelijk is, is het afbreken van de ondergeschoven lithosfeerplaat. Doordat de plaat afbreekt en wegzinkt in de aardmantel, kan de vrijgekomen ruimte worden opgevuld met warm mantelmateriaal, waardoor de aardkorst in het bovenliggende gebergte wordt opgewarmd.

Tijdens mijn promotieonderzoek ben ik begeleid door Prof. Dr. Reinoud Vissers en Prof. Dr. Rinus Wortel van de Faculteit Aardwetenschappen aan de Universiteit Utrecht. Het project is gesubsidieerd door NWO (de Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek) via het gebiedsbestuur ALW (Aard- en Levenswetenschappen). Analyses bij de EU Geochemische Faciliteit in Bristol zijn gesubsidieerd door het TMR programma van de Europese Unie (contract ERBFMGECT980128) en begeleid door Dr. S.L. Kearns van Bristol University.

Ik heb mijn werk een aantal keer gepresenteerd op congressen in de vorm van posters en praatjes. Links naar de samenvattingen hiervan, en naar de engelse samenvatting van mijn proefschrift, zijn te vinden op de engelse pagina over mijn onderzoek. Publicaties zijn te vinden in mijn CV.