Niemand is ooit dieper geweest dan een paar kilometer onder het aardoppervlak. Toch kennen geologen de opbouw van de aarde verrassend nauwkeurig. Die kennis komt vooral uit aardbevingsgolven die dwars door de planeet reizen, aangevuld met metingen van de dichtheid, het magneetveld, meteorieten en laboratoriumproeven bij extreme druk. Hieronder staat per laag wat ze is, waaruit ze bestaat en hoe we dat weten.
De lagen van de aarde in één tabel
Je kunt de aarde op twee manieren indelen: naar samenstelling (korst, mantel, kern) of naar mechanisch gedrag (lithosfeer, asthenosfeer, mesosfeer, buitenkern, binnenkern). De tabel volgt de indeling naar samenstelling, met de kern gesplitst in een vloeibaar en een vast deel. Getallen zijn afgeronde standaardwaarden; vooral de temperaturen diep in de aarde zijn schattingen met een marge van enkele honderden graden.
| Laag | Diepte | Dikte | Toestand | Samenstelling | Temperatuur | Dichtheid (g/cm³) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Continentale korst | 0 – 35 km (tot 70 km onder gebergten) | gem. 35 km | vast, bros | graniet-achtig: kwarts, veldspaat (Si, Al) | 15 °C tot ca. 500–900 °C aan de basis | ~2,7 |
| Oceanische korst | 0 – 7 km onder de zeebodem | 5 – 10 km | vast | basalt en gabbro (Si, Mg, Fe) | idem | ~3,0 |
| Bovenmantel | Moho – 660 km | ~630 km | vast, plastisch; asthenosfeer deels gesmolten | peridotiet: olivijn, pyroxeen (Mg-Fe-silicaten) | ca. 500 – 1 900 °C | 3,3 – 4,0 |
| Ondermantel | 660 – 2 890 km | ~2 230 km | vast, stroomt zeer traag | bridgmaniet en ferroperiklaas (dichte Mg-Fe-silicaten en -oxiden) | ca. 1 900 – 3 700 °C | 4,4 – 5,6 |
| Buitenkern | 2 890 – 5 150 km | ~2 260 km | vloeibaar | ijzer met ~5 % nikkel en ~10 % lichte elementen (zwavel, zuurstof, silicium) | ca. 4 000 °C (boven) tot 5 000+ °C (onder) | 9,9 – 12,2 |
| Binnenkern | 5 150 – 6 371 km | straal ~1 220 km | vast | ijzer-nikkellegering | ca. 5 000 – 5 500 °C | 12,8 – 13,1 |
Twee dingen vallen op. De korst is naar verhouding flinterdun: als de aarde een appel was, zou de korst dunner zijn dan de schil. En de mantel is veruit de grootste laag: ongeveer 84 % van het volume en twee derde van de massa van de aarde.
De aardkorst: continentaal en oceanisch
De korst is de buitenste vaste schil en bestaat uit twee heel verschillende soorten. Continentale korst is dik (gemiddeld 35 km, onder de Himalaya en de Andes tot 70 km), relatief licht (~2,7 g/cm³) en rijk aan silicium en aluminium; denk aan graniet. Ze kan tot 4 miljard jaar oud zijn. Oceanische korst is dun (5–10 km), zwaarder (~3,0 g/cm³) en bestaat uit basalt en gabbro. Ze wordt voortdurend gevormd bij mid-oceanische ruggen en verdwijnt weer in subductiezones, en is daarom nergens ouder dan ongeveer 200 miljoen jaar.
Dat dichtheidsverschil verklaart waarom continenten boven de zeespiegel uitsteken en oceaanbodems diep liggen: de korst ‘drijft’ op de mantel, zoals ijsbergen op water (isostasie). Een dik gebergte heeft daarom ook een diepe ‘wortel’ van korst die in de mantel steekt. De gesteenten van de korst lees je in het artikel over gesteenten.
De Moho: grens tussen korst en mantel
In 1909 ontdekte de Kroatische seismoloog Andrija Mohorovičić dat aardbevingsgolven op enkele tientallen kilometers diepte plotseling sneller gaan: P-golven springen van ongeveer 6–7 km/s naar ruim 8 km/s. Die sprong markeert de overgang van korstgesteente naar het dichtere mantelgesteente peridotiet. De grens heet de discontinuïteit van Mohorovičić, kortweg de Moho. Onder oceanen ligt ze op 5–10 km onder de zeebodem, onder continenten gemiddeld op 35 km.
De diepste boring ooit, de Kola-boorput in Noord-Rusland, haalde 12,3 km (1989) en kwam niet eens halverwege de continentale korst. Mantelgesteente kennen we wel: het komt soms aan het oppervlak als brokken (xenolieten) in vulkanisch gesteente of in ophiolieten, stukken oceaanbodem die op een continent zijn geschoven.
De mantel: vast gesteente dat toch stroomt
De aardmantel loopt van de Moho tot 2 890 km diepte. Een hardnekkig misverstand is dat de mantel uit gesmolten magma bestaat. Dat is niet zo: S-golven gaan erdoorheen, en die planten zich alleen voort in vaste stoffen. Mantelgesteente is vast, maar zo heet dat het over miljoenen jaren kan vervormen en stromen, zoals ijs in een gletsjer of koude stroop. De stroomsnelheid is in de orde van centimeters per jaar.
Die trage stroming heet mantelconvectie: warm, iets minder dicht gesteente stijgt op, koeler gesteente zakt. Het is in wezen dezelfde stroming als in een pan soep (zie warmtetransport), alleen tien miljard keer trager. Samen met het zinken van koude oceaanplaten voert ze warmte uit het binnenste af en houdt ze de platen aan het oppervlak in beweging (plaattektoniek).
Binnen de mantel liggen twee duidelijke overgangen op 410 en 660 km diepte. Daar dwingt de oplopende druk het mineraal olivijn om te kristalliseren in compactere vormen. Tussen die twee grenzen ligt de overgangszone; daaronder begint de ondermantel.
Lithosfeer en asthenosfeer
Voor plaattektoniek is de indeling naar gedrag belangrijker dan die naar samenstelling:
- Lithosfeer (Grieks lithos = steen): de korst plus het bovenste, koude en stijve deel van de mantel. Ze is gemiddeld ongeveer 100 km dik: dunner onder jonge oceaanbodem, tot meer dan 200 km onder oude continenten. De lithosfeer is in platen gebroken.
- Asthenosfeer (asthenes = zwak): de laag daaronder, ruwweg van 100 tot 350 km diepte. Hier ligt het gesteente dicht bij zijn smeltpunt en is een klein deel (enkele procenten) gesmolten. Seismische golven gaan er iets langzamer (de lage-snelheidszone). Op deze zwakke, plastische laag glijden de lithosfeerplaten.
- Mesosfeer: de rest van de mantel, waar de hoge druk het gesteente weer sterker maakt.
Let op: de grens lithosfeer/asthenosfeer is een temperatuurgrens (ongeveer 1 300 °C), géén samenstellingsgrens. De Moho ligt binnen de lithosfeer.
De kern: waaruit bestaat de kern van de aarde?
De kern van de aarde bestaat voor het grootste deel uit ijzer, met ongeveer 5 % nikkel en een klein deel lichtere elementen zoals zwavel, zuurstof en silicium. Hij heeft een straal van 3 480 km, iets meer dan de helft van de aardstraal, en bevat ongeveer een derde van de massa van de aarde. De Duitse seismoloog Beno Gutenberg bepaalde in 1914 de diepte van de kern-mantelgrens op 2 900 km.
Buitenkern. De buitenkern is vloeibaar. De temperatuur loopt op van ongeveer 4 000 °C bij de mantelgrens tot zo’n 5 000 °C of iets meer aan de onderkant. Het vloeibare metaal is ongeveer even dun vloeibaar als water en stroomt met snelheden van enkele kilometers per jaar: duizenden keren sneller dan de mantel.
Binnenkern. In 1936 ontdekte de Deense seismologe Inge Lehmann dat binnen de vloeibare kern nog een vaste kern ligt. De binnenkern is ongeveer even heet als het oppervlak van de zon (ca. 5 000–5 500 °C) en toch vast. Dat komt door de druk van ruim 330 tot 360 gigapascal, meer dan drie miljoen keer de luchtdruk. Bij die druk ligt het smeltpunt van ijzer hoger dan de werkelijke temperatuur. De binnenkern groeit langzaam doordat de aarde afkoelt en ijzer uit de buitenkern ‘bevriest’ op het grensvlak.
Waarom zit het ijzer in het midden? Kort na het ontstaan van de aarde, 4,54 miljard jaar geleden, was een groot deel gesmolten. Het zware ijzer zakte naar het centrum, de lichtere silicaten bleven erboven. Die scheiding naar dichtheid heet differentiatie.
- M
- massa van de aarde, 5,97 · 10²⁴ kg
- R
- straal van de aarde, 6,371 · 10⁶ m
- ρgem
- gemiddelde dichtheid, in kg/m³
Rekenvoorbeeld — het bewijs voor een zware kern. V = ⁴⁄₃ · π · (6,371 · 10⁶)³ = 1,083 · 10²¹ m³. Dan is ρgem = 5,97 · 10²⁴ / 1,083 · 10²¹ ≈ 5 510 kg/m³ (5,5 g/cm³). Gesteenten aan het oppervlak hebben maar 2,7–3,0 g/cm³. Het binnenste moet dus veel zwaarder zijn dan de korst: precies wat een ijzerkern (10–13 g/cm³) oplevert. Deze redenering was al in de 18e eeuw mogelijk, toen Henry Cavendish de dichtheid van de aarde bepaalde.
Hoe weten we dit? Seismische golven en schaduwzones
Bij elke grote aardbeving vertrekken golven die door de hele aarde lopen en op duizenden seismografen worden geregistreerd. Er zijn twee soorten ‘binnengolven’ (zie ook aardbevingen):
- P-golven (primair): longitudinale drukgolven, het snelst, gaan door vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.
- S-golven (secundair): transversale schuifgolven, trager, gaan alleen door vaste stoffen, omdat een vloeistof geen weerstand biedt tegen schuiven.
De snelheid van beide golven hangt af van dichtheid en stijfheid van het gesteente. Waar die plotseling veranderen, breken en weerkaatsen de golven, net als licht bij een glasplaat (breking en reflectie). Uit de looptijden naar duizenden meetstations reconstrueren seismologen de lagen.
| Golf | Waar niet ontvangen | Oorzaak | Conclusie |
|---|---|---|---|
| S-golf | vanaf ca. 104° tot de andere kant van de aarde | S-golven kunnen niet door vloeistof | de buitenkern is vloeibaar |
| P-golf | ca. 104° – 140° | sterke breking bij de kern-mantelgrens: P-golven gaan in de kern veel langzamer (van ~13,7 naar ~8 km/s) | er is een kern met andere eigenschappen |
| P-golf (zwak) | wél zwak in de schaduwzone | weerkaatsing aan een binnenste grens | er is een vaste binnenkern (Lehmann, 1936) |
Andere aanwijzingen bevestigen dit beeld: ijzermeteorieten tonen het materiaal waaruit planeetkernen ontstaan, diamant-aambeeldpersen bereiken in het lab de druk van de kern, en het magneetveld vereist een bewegende, elektrisch geleidende vloeistof.
Het aardmagnetisch veld: de geodynamo
De vloeibare ijzeren buitenkern koelt aan de bovenkant af en wordt van onderen verwarmd door de binnenkern, die bij het stollen warmte en lichte elementen afgeeft. Daardoor ontstaan convectiestromen in het vloeibare metaal. Door de draaiing van de aarde worden ze in spiralen gedraaid. Bewegend geleidend materiaal in een magneetveld wekt elektrische stromen op, en die stromen houden het magneetveld weer in stand: een zichzelf onderhoudende geodynamo (zie magneetvelden).
Aan het oppervlak is het veld zwak: ongeveer 25 microtesla bij de evenaar tot 65 microtesla bij de polen, in Nederland en België zo’n 49 microtesla. Toch buigt het geladen deeltjes van de zonnewind af en beschermt het de atmosfeer. Het veld draait af en toe om: de laatste ompoling was ongeveer 780 000 jaar geleden. Die ompolingen zijn vastgelegd in het gestolde basalt van de oceaanbodem en waren een sleutelbewijs voor plaattektoniek.
Waar komt de warmte in de aarde vandaan?
Het binnenste van de aarde is om twee redenen heet. Er is restwarmte van de vorming: botsingen tussen brokstukken en het zinken van ijzer naar de kern zetten enorm veel energie om in warmte. En er is radiogene warmte: het radioactief verval van uranium, thorium en kalium-40 in korst en mantel levert nog steeds warmte. Samen stroomt er ongeveer 47 terawatt naar buiten, zo’n 0,09 W per m² aardoppervlak. Dat is weinig vergeleken met zonlicht (gemiddeld ruim 160 W/m² aan de grond), maar genoeg om platen te bewegen, gebergten te vormen en vulkanen te voeden. In de korst stijgt de temperatuur gemiddeld met ongeveer 25–30 °C per kilometer diepte (de geothermische gradiënt). Daarom kun je in Nederland op 2 km diepte water van rond de 70 °C oppompen voor aardwarmte.
Veelgestelde vragen
Uit wat bestaat de kern van de aarde?
De kern bestaat vooral uit ijzer, met ongeveer 5 % nikkel en ongeveer 10 % lichte elementen zoals zwavel, zuurstof en silicium. De buitenkern is vloeibaar, de binnenkern is een vaste ijzer-nikkelbol met een straal van ongeveer 1 220 km.
Wat is de temperatuur van de buitenkern van de aarde?
De buitenkern is ongeveer 4 000 °C aan de bovenkant, bij de grens met de mantel, en loopt op tot zo’n 5 000 °C of iets meer aan de onderkant, bij de binnenkern. Het zijn schattingen met een onzekerheid van enkele honderden graden.
Wat is de mantel van de aarde?
De mantel is de laag tussen de korst en de kern, van de Moho tot 2 890 km diepte. Hij bestaat uit vast, heet silicaatgesteente (peridotiet) dat over miljoenen jaren heel traag stroomt. De mantel beslaat ongeveer 84 % van het volume van de aarde.
Wat is het verschil tussen lithosfeer en asthenosfeer?
De lithosfeer is de stijve buitenschil van korst plus bovenste mantel, gemiddeld ongeveer 100 km dik, en is in platen gebroken. De asthenosfeer eronder is heter en zwakker, deels gesmolten, en vormt de laag waarover de platen glijden.
Waarom is de binnenkern vast als hij zo heet is?
Door de enorme druk van meer dan drie miljoen keer de luchtdruk ligt het smeltpunt van ijzer daar hoger dan de werkelijke temperatuur van ongeveer 5 000 tot 5 500 °C. In de buitenkern is de druk lager en is het ijzer wel vloeibaar.
Hoe weten we hoe de aarde vanbinnen is opgebouwd?
Vooral uit aardbevingsgolven. P- en S-golven veranderen van snelheid en richting bij laaggrenzen. Omdat S-golven niet door vloeistof gaan en er een S-schaduwzone is, weten we dat de buitenkern vloeibaar is. Daarnaast helpen de gemiddelde dichtheid, meteorieten, labproeven en het magneetveld.