ELLEN P. METZGER
INLEIDING
Doel: De leerlingen maken een papieren model ter illustratie van het concept van zeebodemspreiding en de ontwikkeling van symmetrische magnetische “strepen” aan weerszijden van een spreidingscentrum in het midden van de oceaan.
Gesuggereerde groepering van leerlingen: Leerlingen werken individueel.
Raamwerkintegratie: Thema’s: Patronen van verandering: in de loop van de tijd wordt een nieuwe zeebodem gevormd door de opwelling van magma in de spreidingscentra in het midden van de oceaan; de oude oceaanbodem wordt vernietigd door subductie in diepzeegeulen. Wetenschappelijke vaardigheden en processen: Afleiden uit een model. Integratie met andere disciplines: Fysische wetenschap: dipoolmagneten en magnetische velden; convectie. Oceanografie: topografie van de oceaanbodem. Biowetenschappen: dieren gevonden bij heetwaterbronnen op de oceaanbodem.
Verwante activiteiten: Onderzeese Bergen.
ACHTERGRONDINFORMATIE
Voordat leerlingen deze activiteit uitvoeren, moeten ze bekend zijn met:
1) soorten grenzen tussen lithosferische platen;
2) kenmerken van de oceaanbodem;
3) het concept van sea-floor spreading; en
4) de aard van het magnetisch veld van de aarde en het feit dat het in het verleden vele malen zijn polariteit heeft omgekeerd.
De lagen van de aarde De aarde is een gelaagde planeet bestaande uit korst, mantel en kern (Fig. 1). De buitenste ongeveer 100 km is een stijve laag, de lithosfeer, die bestaat uit de korst en de bovenste mantel. De lithosfeer is verdeeld in een aantal grote en kleine platen die over de asthenosfeer, een plastische laag in de bovenmantel, bewegen. Aardbevingen en vulkaanuitbarstingen concentreren zich op de grenzen tussen lithosferische platen. Aangenomen wordt dat de plaatbeweging wordt veroorzaakt door convectiestromen in de mantel (fig. 2), hoewel het precieze mechanisme niet bekend is. Lithosferische platen verplaatsen zich met een snelheid van enkele cm per jaar.
Typen plaatgrenzen Er zijn drie typen grenzen tussen lithosferische platen (Fig. 3):
1) convergerende grens platen convergeren, of komen bij elkaar. Als een plaat van oceanische lithosfeer botst met dikkere en minder dichte continentale lithosfeer, zal de dichtere oceanische plaat onder het continent duiken in een subductiezone (Fig. 2).
2) divergerende grens twee platen divergeren, of bewegen uit elkaar en er wordt nieuwe korst of lithosfeer gevormd.
3) transformerende breukgrens platen schuiven langs elkaar zonder lithosfeer te vormen of te vernietigen.
Terug naar boven
De oceaanbodem Een kaart van de oceaanbodem toont een verscheidenheid aan topografische kenmerken: vlakke vlakten, lange bergketens, en diepe geulen. Midden-oceaanruggen maken deel uit van een keten van gebergten die zo’n 84.000 km lang is. De Mid-Atlantische bergrug is de langste bergketen op aarde. Deze bergkammen zijn spreidingscentra of divergerende plaatgrenzen waar de opstuwing van magma uit de aardmantel een nieuwe oceaanbodem creëert.
Diepzeegeulen zijn lange, smalle bekkens die zich 8-11 km onder de zeespiegel uitstrekken. Deze geulen ontstaan in de buurt van subductiezones, waar de lithosfeer van de oceaan terug in de mantel schuift (Fig. 2).
Continentale drift Het idee dat continenten bewegen is al oud; Alfred Wegener, een Duitse meteoroloog, stelde de hypothese van continentale drift voor in het begin van de 20e eeuw. Wegener gebruikte verschillende bewijzen om zijn idee te staven dat de continenten ooit waren samengevoegd in een supercontinent dat Pangaea werd genoemd en zich sindsdien van elkaar hebben verwijderd: (1) de gelijkenis in vorm van de continenten, alsof ze ooit in elkaar pasten als de stukjes van een legpuzzel; (2) de aanwezigheid van fossielen zoals Glossopteris, een fossiele varen waarvan de sporen geen grote oceanen konden oversteken, op de nu ver uit elkaar liggende continenten Afrika, Australië en India; (3) de aanwezigheid van gletsjerafzettingen op continenten die zich nu in de buurt van de evenaar bevinden; en (4) de gelijkenis in gesteentevolgordes op verschillende continenten. Terug naar boven
Wegener’s hypothese van de continentale drift werd niet algemeen aanvaard omdat hij geen mechanisme had om te verklaren hoe de continenten bewegen. Het idee werd pas nieuw leven ingeblazen toen nieuwe technologie onderzoek van de oceaanbodem mogelijk maakte.
Sea-floor spreading In het begin van de jaren zestig stelde de Princeton-geoloog Harry Hess de hypothese van sea-floor spreading voor, waarbij basaltisch magma uit de aardmantel opstijgt om een nieuwe oceaanbodem te vormen op mid-oceanische ruggen. Aan weerszijden van de bergkam verplaatst de zeebodem zich van de bergkam naar de diepzeegeulen, waar hij wordt gesubducteerd en teruggevoerd in de mantel (Fig. 2). Een test van de hypothese van zeebodemverspreiding werd geleverd door studies van het aardmagnetisme.
Het aardmagnetisch veld Het aardmagnetisch veld wordt verondersteld te ontstaan door de beweging van vloeibaar ijzer in de buitenkern als de planeet draait. Het veld gedraagt zich alsof een permanente magneet zich nabij het middelpunt van de aarde bevindt, onder een hoek van ongeveer 11 graden ten opzichte van de geografische draaiingsas (Fig. 4). Merk op dat het magnetische noorden (zoals gemeten met een kompas) verschilt van het geografische noorden, dat overeenkomt met de draaias van de planeet.
Plaatsing van een staafmagneet onder een stuk papier met ijzervijlsel erop zal een patroon creëren als het vijlsel zich uitlijnt met het magnetische veld dat door de magneet wordt opgewekt. Het magnetisch veld van de aarde is vergelijkbaar met dat van een eenvoudige staafmagneet. Momenteel zijn de krachtlijnen van het aardmagnetisch veld gerangschikt zoals aangegeven in figuur 4; de huidige oriëntatie van het aardmagnetisch veld wordt normale polariteit genoemd. In het begin van de jaren zestig ontdekten geofysici dat het magnetisch veld van de aarde periodiek omkeert, d.w.z. dat de noordmagnetische pool de zuidpool wordt en vice versa. De aarde heeft dus perioden gekend van omgekeerde polariteit afgewisseld met perioden (zoals nu) van normale polariteit. Hoewel het magnetisch veld op deze momenten omkeert, beweegt de fysieke Aarde niet of verandert haar draairichting.
Basaltische lavas bevatten ijzerhoudende mineralen zoals magnetiet die als kompassen werken. Dat wil zeggen, als deze ijzerrijke mineralen afkoelen tot onder hun Curie-punt, worden zij gemagnetiseerd in de richting van het omringende magnetische veld. Studies van oud magnetisme (paleomagnetisme), vastgelegd in gesteenten van verschillende ouderdom, geven een beeld van wanneer het magnetisch veld van de aarde zijn polariteit omkeerde. Terug naar boven
Tijdens de Tweede Wereldoorlog werden gevoelige instrumenten, magnetometers genaamd, ontwikkeld om onderzeeërs met een stalen romp te helpen opsporen. Toen onderzoekswetenschappers magnetometers gebruikten om de oceaanbodem te bestuderen, ontdekten ze een verrassend patroon. Metingen van magnetische variaties toonden aan dat in veel gebieden afwisselende banden van gesteenten met normale en omgekeerde polariteit symmetrisch waren gerangschikt rond middenoceanische ruggen (Fig. 5).
In 1963 redeneerden F. Vine en D.H. Matthews dat, als basaltisch magma opstijgt om een nieuwe oceaanbodem te vormen in een middenoceanisch spreidingscentrum, het de polariteit registreert van het magnetische veld dat bestond op het moment dat het magma kristalliseerde. Als door de spreiding de nieuwe oceaankorst uit elkaar wordt getrokken, worden aan weerszijden strepen van ongeveer dezelfde grootte van de oceaanrug weggedragen (Fig. 5). Basaltisch magma dat zich vormt op mid-oceanische ruggen dient als een soort “bandrecorder”, die het magnetisch veld van de aarde registreert terwijl het in de tijd omkeert. Als dit idee juist is, zouden afwisselende strepen van normale en omgekeerde polariteit symmetrisch moeten zijn gerangschikt rond de spreidingscentra van de middenoceanen. De ontdekking van zulke magnetische strepen leverde een krachtig bewijs dat sea-floor spreading optreedt.
De leeftijd van de zeebodem ondersteunt ook sea-floor spreading. Als de zeebodem zich verspreidt, zou de jongste oceaankorst op de ruggen gevonden moeten worden en de steeds ouder wordende korst zou gevonden moeten worden als men zich van de ruggen verwijdert in de richting van de continenten. Dit is het geval. De oudst bekende oceaanbodem is gedateerd op ongeveer 200 miljoen jaar, wat er op wijst dat oudere oceaanbodems zijn vernietigd door subductie bij diepzee geulen.
Er was exploratie van de oceaanbodem voor nodig om sea-floor spreading te ontdekken, het mechanisme voor de beweging van continenten dat Alfred Wegener miste. De hypothese van de continentale drift kreeg hernieuwde belangstelling en leidde, in combinatie met de verspreiding van de zeebodem, tot de theorie van de platentektoniek. De geschiedenis van het denken over de beweging van continenten is een prachtig voorbeeld van hoe hypothesen zoals continentale drift en zeebodemverspreiding grondig worden getest voordat een nieuwe theorie ontstaat. Voor een overzicht van de geschiedenis van de platentektoniek, zie Tarbuck en Lutgens (1994). Terug naar boven
MATERIALEN (Bronnen hieronder vermeld)
Kaarten van de oceaanbodem
“This Dynamic Planet” kaart
Voor elke leerling:
2 vellen ordnerpapier van 8,5 x 11″ (mapkarton kan in plaats van papier worden gebruikt om een steviger model te maken)
schaar
liniaal
transparante tape
afplaktape
kleurpotloden of kleurpotloden Suggestie: Maak van tevoren een eigen model om aan de leerlingen te laten zien voordat zij hun model maken.
MATERIAALBRONNEN
Kaarten van de bodem van de Noordelijke, Atlantische, Stille en Indische Oceaan zijn verkrijgbaar bij de National Geographic Society, Educational Services, P.O. Box 98019, Washington, D.C., 20090-8019; telefoon 1-800-368-2728. Elke kaart kost $10.90.
Van Fisher-EMD: (1) Fosforescerende kaart van de oceaanbodem: afmetingen 24″ X 24″ ($10.60); (2) wandformaat Mid-Atlantic ridge kaart ($27.40). Te bestellen bij Fisher Scientific-EMD, 4901 W. Lemoyne Street, Chicago, IL 60651; telefoon 1-800-955-1177.
“This Dynamic Planet: World Map of Volcanoes, Earthquakes, and Plate Tectonics” is 150 x 100 cm groot; ontwikkeld door de United States Geological Survey en het Smithsonian Institution. Te bestellen bij USGS Map and Book Distribution, P.O. Box 25286, Federal Center, Bldg.. 810, Denver, CO 80225; telefoon 303-236-7477. De prijs is $ 3,00. Terug naar boven
PROCEDURES
Volg de stappen op de activiteitenbladen voor leerlingen. De leerlingen kunnen de plaats van de subductiezones en de middenoceanengraat voor hun model opmeten zoals getoond in afbeelding 1 op de leerlingenactiviteitenbladen, of u kunt hen het kant-en-klare sjabloon geven dat wordt meegeleverd. Voor een steviger model kunt u de sjabloon kopiëren op een dossiermap of soortgelijk karton.
Wijzigingen: Laat voor jongere kinderen de uitleg over magnetische strepen en polariteitsomkeringen achterwege. Gebruik het model om hen het ontstaan van nieuwe zeebodems bij spreidingscentra en het verdwijnen van oude zeebodems bij subductiezones te laten zien. U kunt de papieren modelstukjes voor de leerlingen van tevoren uitknippen, of een model gebruiken dat u zelf hebt gemaakt als demonstratie voor de klas.
Uitbreidingen: Hydrothermale ontluchtingssystemen, zwarte en witte rokers genoemd, die bij oceaan-spreidingscentra worden gevonden, zijn een van de meest opwindende ontdekkingen van de laatste vijftien jaar mariene exploratie. Deze rokers zijn de plaatsen van minerale afzettingen en unieke ecosystemen die in totale duisternis bestaan. Integreer een lespakket over de verspreiding van de zeebodem en de topografie van de oceaanbodem met biologie door de leerlingen onderzoek te laten doen naar de unieke wezens die geassocieerd worden met hydrothermale ventgemeenschappen. Hieronder vindt u enkele referenties.
REFERENTIES EN RESOURCES
NSTA/FEMA, 1988, Tremor Troop Earthquakes: National Science Teachers’ Association, Washington, D.C.
Tarbuck, E. J. and Lutgens, F. K., 1994, Earth Science (7th ed.), Macmillan Publishing Company, p. 207-242.
Algemene informatie:
Yulsman, T., 1993, Charting Earth’s Final Frontier: Earth, vol. 2, no. 4 (juli 1993), p. 36-41. Bespreekt het in kaart brengen van vulkanen, breuken, ravijnen en lavastromen op de oceaanbodem met behulp van een side-scan sonar-apparaat genaamd GLORIA (Geologic Long-Range Inclined Asdic).
De publicatie voor het algemeen belang “Mariene geologie: Research Beneath the Sea” van de United States Geological Survey geeft een overzicht van de methoden en apparatuur die mariene geologen gebruiken om de oceaanbodem te bestuderen. Het pamflet beschrijft studies van de topografie van de oceaanbodem, sedimenten en minerale rijkdommen. Gratis te bestellen tot 50 exemplaren (gebruik schoolbriefpapier) bij deUnited States Geological Survey, Box 25286, Denver Federal Center, Bldg. 810, Denver CO 80225; telefoon (303)236-7476.
Voor jongere kinderen:
Cole, J., 1992, The Magic School Bus on the Ocean Floor: Scholastic, Inc., New York. De kinderen in de klas van mevrouw Frizzle maken een excursie naar de diepe oceaanbodem om het dieren- en plantenleven, een heetwaterventilatie en een koraalrif te bestuderen (voor kinderen van de basisschool).
Over diepzee hydrothermale systemen:
Ballard, R. D. and Grassle, J. F., 1979, Incredible World of the Deep-sea Rifts: National Geographic, v. 156, No. 5 (Nov. 1979), p. 680-705.
Lutz, R. A. and Hessler, R. R., 1983, Life Without Sunlight – Biological Communities of Deep-Sea Hydrothermal Vents: The Science Teacher, v. 50, No. 3 (March 1983), p. 22-29.
Tunnicliffe, V., 1992, Hydrothermal-Vent Communities of the Deep Sea: American Scientist, v. 80 (juli-augustus, 1992), p. 336-349.Tunnicliffe, V., 1992, Hydrothermal-Vent Communities of Deep Sea:
Video’s:
“Schatten van Neptunus: Klondike op de oceaanbodem” ($149,00; 26 min). Kijkt naar de relatie tussen platentektoniek en minerale afzettingen in zee; toont hoe de oceaanbodem in kaart wordt gebracht en kijkt naar terugwinningssystemen voor mariene hulpbronnen, waaronder onderwaterscheppen en -scheppen en reusachtige “stofzuigers”. Te bestellen bij Films for the Humanities & Sciences, P.O. Box 2053; Princeton, N. J. 08543-2053; telefoon 1-800-257-5126. “The Last Frontier on Earth” ($79.00; 26 min.). toont hoe wetenschappers de zeebodem verkennen met behulp van Side Scan Sonar kartering en diepzee boringen. Te bestellen bij: Brittanica Learning Materials, Customer Service, 310 South Michigan Avenue, Chicago, IL 60604-9839; telefoon 1-800-554-9862.
“Physical Oceanography” ($59,95; 19 min.). Beschrijft methoden om de oceanen te onderzoeken; interactie van oceanen met de biosfeer, lithosfeer en atmosfeer om een unieke omgeving te creëren; en de drie belangrijkste kenmerken van oceanen: hun chemie, topografie, en beweging van water. Te bestellen bij Scott Resources, P.O. Box 2121K, Ft. Collins, CO, 80522; telefoon 1-800-289-9299.
Dia’s:
“Undersea Exploration” ($16,00 voor 22 dia’s). Deze set illustreert onderzees onderzoek waarbij gebruik wordt gemaakt van diepwater duikboten en op afstand bediende voertuigen om kloofsystemen in de oceaanbodem te bestuderen. Bevat foto’s van black smokers, kokerwormen en apparatuur die door oceanografen wordt gebruikt. Te bestellen bij de American Geophysical Union, t.a.v.: Orders, 2000 Florida Avenue, N.W., Washington, D.C. 20009; telefoon 1-800-966-2481.
Enige gerelateerde activiteiten:
De Crustal Evolution Education (CEEP) module, “How Fast Is the Ocean Floor Moving?”werd ontwikkeld door de National Association of Geology Teachers. In deze module onderzoeken de leerlingen gegevens van sedimenten op de oceaanbodem, bepalen ze of de gegevens de theorie van de uitdijing van de zeebodem ondersteunen en berekenen ze de uitdijingssnelheid van de East Pacific Rise. Andere CEEP-modules met betrekking tot de oceaanbodem zijn onder andere: “Lithosferische platen en topografie van oceaanbekkens”; “Microfossielen, sedimenten en zeebodemverspreiding”; “Beweging van de bodem van de Stille Oceaan”; “Een mysterie van de zeebodem: Het in kaart brengen van polariteitsomkeringen” en “Het in kaart brengen van de vorm van de oceaanbodem”. Elk van deze modules is verkrijgbaar als klaspakket met een handleiding voor de leerkracht en 30 onderzoeksboekjes voor leerlingen en kost $23,50. Te bestellen bij Ward’s Natural Science Establishment, Inc., 5100 West Henrietta Road, P.O. Box 92912, Rochester, New York 14692-9012; telefoon 1-800-962-2260.
GLOSSARY
asthenosfeer een gedeelte van de aardmantel dat onder de lithosfeer ligt. Deze zone bestaat uit gemakkelijk te vervormen gesteente en bereikt in sommige streken een diepte van 700 km.
continentale drift De eerste hypothese die grote horizontale bewegingen van continenten voorstelt. Dit idee is vervangen door de theorie van de plaattektoniek.
convergente plaatgrens een grens tussen twee lithosferische platen die naar elkaar toe bewegen. Dergelijke grenzen worden gekenmerkt door subductie, aardbevingen, vulkanen en bergvorming.
Curie-punt de temperatuur (ongeveer 580 graden C) waarboven een gesteente zijn magnetisme verliest.
diepzeegroeven lange, smalle en zeer diepe (tot 11 km) bekkens die evenwijdig aan continenten zijn georiënteerd en geassocieerd zijn met subductie van oceanische lithosfeer.
divergerende plaatgrens een grens tussen twee platen die zich van elkaar verwijderen; tussen de zich verspreidende platen ontstaat nieuwe lithosfeer.
lithosfeer de stijve, buitenste laag van de aarde; omvat korst en bovenmantel en is ongeveer 100 km dik.
mid-ocean ridge een ononderbroken bergketen op de bodem van alle grote oceaanbekkens die de plaats markeert waar een nieuwe oceaanbodem ontstaat als twee lithosferische platen zich van elkaar verwijderen.
normale polariteit een magnetisch veld dat dezelfde richting heeft als het huidige veld op aarde.
paleomagnetisme de permanente magnetisatie die in gesteenten is vastgelegd en waarmee het oude magnetische veld van de aarde kan worden gereconstrueerd.
Pangaea of Pangea het voorgestelde “supercontinent” dat 200 miljoen jaar geleden uit elkaar begon te vallen en de huidige continenten vormde.
plaattektoniek de theorie die stelt dat de lithosfeer van de aarde in platen is verdeeld die over een plastic laag in de mantel bewegen. Plaatinteracties veroorzaken aardbevingen, vulkanen en gebergten.
omgekeerde polariteit een magnetisch veld met een richting tegengesteld aan die van het huidige veld van de aarde.
transformatieplaatgrens een grens tussen lithosfeerplaten die langs elkaar heen schuiven.
zeebodemverspreiding een hypothese, voorgesteld in het begin van de jaren zestig, dat er een nieuwe oceaanbodem ontstaat waar twee platen zich van elkaar verwijderen bij mid-oceanische ruggen.
subductiezone een lange, smalle zone waar een lithosferische plaat onder een andere afdaalt.Terug naar boven
EEN MODEL VAN DE SPREIDING VAN DE ZEEVLOER
INLEIDING: Het ontstaan van een nieuwe zeebodem bij de spreidingscentra in het midden van de oceaan en de vernietiging ervan in subductiezones is een van de vele cycli waardoor de aarde voortdurend verandert.
DOEL: Het doel van deze activiteit is een eenvoudig model te maken dat de evolutie van de oceaankorst door zeebodemverspreiding en subductie laat zien.
MATERIAAL:
2 vellen 8,5″ x 11″ papier (karton kan worden vervangen door 1 van de vellen)
liniaal
kleurpotloden of kleurpotloden
schaar
doorzichtig plakband
afplakband
HANDLEIDING: Als je leerkracht je een kant-en-klaar sjabloon voor deze activiteit geeft, sla dan stap 1-4 over.
1) Leg een vel ringbandpapier zo neer dat de lange kant naar je toe is (Fig. 1).
2) Teken een verticale lijn in het midden van het papier met een hoogte van 11,5 cm waarbij aan weerszijden van de lijn 5 cm overblijft. Deze lijn stelt een spreidingscentrum in het midden van de oceaan voor (zie figuur 1).
3) Trek een tweede verticale lijn rechts van de middelste lijn, zodat deze 3 cm van de rechterrand van het papier ligt. Deze lijn stelt een subductiezone voor.
4) Trek een derde verticale lijn links van de middellijn, zodat die 3 cm van de linkerrand van het papier ligt. Deze lijn stelt een andere subductiezone voor. Als je klaar bent, moet je stuk papier eruit zien als het diagram in figuur 1.
Label de mid-ocean ridge en subductiezones.
5) Knip met een schaar de verticale lijnen door, zodat er drie gleuven op het papier komen, allemaal even hoog en evenwijdig aan elkaar. Om de gemaakte gleuven te versterken, plaatst u afplaktape over elke gleuf en knipt u de gleuf opnieuw door de tape heen.
6) Teken op het tweede vel papier 11 stroken van elk 2,54 cm (1 “breed) loodrecht op de lange rand van het papier.
7) Kies één kleur om de normale polariteit weer te geven en een tweede kleur om de omgekeerde polariteit weer te geven. Kleur afwisselende stroken om perioden van normale en omgekeerde polariteit weer te geven. Kleur de meest linkse strook als omgekeerde polariteit.
8) Knip het papier doormidden, evenwijdig aan de lange kant, om twee stroken papier te krijgen zoals in afbeelding 2. Markeer de banden op elke strook met pijlen om de afwisselende perioden van normale (pijl omhoog) en omgekeerde (pijl omlaag) polariteit aan te geven. Terug naar boven
9) Steek een uiteinde van elke strook papier door de spreidende middenlijn op het eerste stuk papier (zie figuur 3).
10) Trek elke strook papier naar de gleuven die het dichtst bij de randen van het papier liggen (de subductiezones). Plak elke strook vast om een lus te maken zoals aangegeven in figuur 3.
11) Laat de papierlinten (die de oceaankorst voorstellen) rondgaan om de beweging van de oceaanbodem van het spreidingscentrum in het midden van de oceaan naar de subductiezone te simuleren.
Start de beweging van de linten met banden die de normale polariteit voorstellen.
VRAAGSTUKKEN:
1) De aarde is ongeveer 4,6 miljard jaar oud. Waarom denk je, op basis van waarnemingen van je model van zeebodemverspreiding, dat de oudste oceaanbodem slechts ongeveer 200 miljoen jaar oud is?
2) Op de echte oceaanbodem zijn de afwisselende strepen van normale en omgekeerde polariteit niet allemaal even breed. Wat zegt dit over de tijdsduur van de normale en omgekeerde polariteit?
