_MG_0207geplooide-lagen-uitsn-van-uitsn-bew-Nik-Dfine-1500-x-220--titel.jpg

College van de maand: Het “Great Oxidation Event”

Geleidelijk komt het eind van het collegejaar in zicht. Dat betekent voor mij dat ik me bezig moet gaan houden met mijn Master project; een project waar ik vijf maanden mee bezig ga zijn. Samen met nog drie medestudenten ga ik onderzoek doen naar de eerste zuurstof in de atmosfeer en hoe dit te zien is in de samenstelling van verschillende mineralen en sedimenten. Het leek mij leuk om jullie hierover iets meer te vertellen in dit ‘College van de maand’.

Het Archaean: De Aarde 4 miljard jaar geleden
Tijdens het Archaean (4-2,5 miljard jaar geleden) zag onze Aarde er heel anders uit. Continentale korst was nog maar kort geleden gevormd en de plaattektoniek was heel anders. Subductie van de korst gebeurde snel en continenten waren daarom nog niet stabiel. Gedurende het Archaean veranderde dit echter langzaam. Subductie gebeurde steeds minder snel naarmate de Aarde afkoelde en langzamerhand vormde er stabiele continenten. De atmosfeer bestond voornamelijk uit CO2, N2, H2 en CH4 (methaangas). Zuurstof was niet in vrije vorm aanwezig. Dit houdt in dat er geen O2 moleculen in de atmosfeer zaten. Enkele O-deeltjes in de vorm van SO2 /SO4 2-/CO waren echter wel (in zeer kleine concentraties) aanwezig. Deze waren afkomstig van vulkanen, die tijdens een eruptie deze gassen uit de mantel in de atmosfeer konden brengen. De oceanen hadden een hoger pH dan de oceanen die wij nu kennen, en de temperatuur aan het oppervlak was naar schatting tussen de 0 en 70 graden. Dit klinkt in eerste instantie niet gunstig voor leven, maar verrassend genoeg konden primitieve bacteriën, goed in deze extreme omstandigheden leven. Zij konden door middel van fotosynthese zonder zuurstof voornamelijk CO2, S2- (zwavel) en Fe2+ (ijzer) omzetten tot organisch materiaal.

The Great Oxidation Event: de eerste zuurstof
2,4 miljard jaar gebeurde er iets bijzonders: zuurstof kwam voor het eerst voor in de atmosfeer en gedurende 100 miljoen jaar steeg de concentratie snel. Deze gebeurtenis wordt ook wel het Great Oxidation Event (GOE) of, het Grote Oxidatie Evenement genoemd. Een specifiek soort bacteriën, de Cyanobacteriën, waren namelijk in staat om door middel van fotosynthese zuurstof te produceren. Deze toename in het zuurstofgehalte in de atmosfeer had drastische gevolgen voor de geologie, biologie en belangrijke chemische kringlopen op Aarde.

De GOE en de geologie
Afbeelding 1: Het Pilbara Kraton in Australië. Bron: wikipedia.org.
Wanneer, hoe en waarom de GOE precies plaats vond, is nog een groot raadsel. Geologen proberen een verklaring te vinden en bestuderen ’s werelds oudste gesteenten, die zich voornamelijk bevinden in Australië (het Pilbara kraton) en Zuid-Afrika (het Kaapvaal kraton) (afb. 1). De overgang van een zuurstofloze atmosfeer naar een atmosfeer met vrij zuurstof is namelijk te zien in oude sedimenten. Voor er zuurstof aanwezig was, konden er geen reacties plaatsvinden die zuurstof vereisten. Voornamelijk pyriet en bariet (afb 3 & 4) mineralen werden gevormd door de grote hoeveelheid zwavel en ijzer die er aanwezig was. Ook bouwden mineralen het element zwavel op een andere manier in het kristalrooster in. Zwavel komt namelijk als meerdere isotopen1 voor, met allen een andere massa (bijvoorbeeld 34S, 35S en 36S).

In een atmosfeer waar zuurstof aanwezig is, worden isotopen ingebouwd aan de hand van hun massa. Zo hebben organismen voornamelijk voorkeur voor de lichtere isotoop 34S, en blijft de zwaardere isotoop, bijvoorbeeld 36S achter in het zeewater.
Afbeelding 2: Het Kaapvaal Kraton in Zuid-Afrika, met overlap in Botswana. Bron: Lenhardt et al., 2012
Wanneer er geen zuurstof aanwezig is, zo weinig als 10-5 keer minder dan vandaag de dag, worden alle zwavel isotopen op dezelfde manier ingebouwd. (Ter vergelijking tegenwoordig is het percentage 2O is ongeveer 21%.) Er is dan geen verschil tussen de concentraties zwavel in biologische structuren (waaronder bijvoorbeeld Stromatolieten), de concentraties in zeewater of in gesteente. Deze structuren worden S-MIF (Sulphur Mass Independent Fractionation, of Zwavel Massa Onafhankelijke Fractionatie) genoemd.

Vóór de GOE kwamen deze S-MIF structuren voor in sedimentaire afzettingen en mineralen zoals pyriet en bariet en zijn terug gevonden in onder andere Zuid-Afrika en Australië. Rond 2.46 miljoen jaar geleden, verdwijnen deze S-MIF structuren echter. Pyriet en bariet mineralen waren niet meer stabiel aan de oppervlakte en werden chemisch verweerd. Pyriet dat vandaag gevonden wordt, is dan ook afkomstig uit zuurstofloze tijden of uit afzettingen die na de GOE zijn gevormd. S-MIF structuren zijn hier niet meer in waar te nemen. Geologen interpreteren het moment van verdwijnen van S-MIF structureren als het begin van de toename van vrije zuurstof in de atmosfeer.

Daarnaast zorgde de aanwezigheid van zuurstof voor nieuwe chemische verwering van gesteente op het land. Restanten van verweerde mineralen en elementen (bijv. goud, zink, koper) werden vervolgens getransporteerd en belandden in de zee. Deze restanten van mineralen en elementen zijn vervolgens in zekere zin bewaard gebleven in de sedimentaire geschiedenis van de zee. Geologen kunnen de restanten dateren en de samenstellingen analyseren om zo meer te weten te komen over de timing en andere details omtrent de zuurstoftoename op aarde. (Catling David C, 2020; Genming Luo et al., 2016).
Afbeelding 3: Bariet (BaSO4) Bron: fossilera.com.
Afbeelding 4: Pyriet (FeS2), bron: wikipedia.org
Ondanks de vele onzekerheden waar geologen tegenaan lopen, is er al veel onderzoek gedaan. Dit onderzoek vond voornamelijk plaats in Zuid-Afrika en Australië. Botswana (afb. 2.1), het buurland van Zuid-Afrika, is echter nog maar amper onderzocht. De afzettingen die in Zuid-Afrika worden gevonden, kunnen mogelijk ook gevonden worden in Botswana. Het analyseren en karteren van deze sedimenten kan daarom potentieel nieuwe informatie over de GOE bieden. Vandaar dat ik in mijn Master project focus op Botswana. Oorspronkelijk stond er een veldwerg gepland, maar aangezien de Corona omstandigheden heeft dit helaas (nog) niet plaats kunnen vinden. Voor mij is het daarom nu nog voornamelijk literatuur onderzoek en analyses in het lab. Dit neemt echter niet mijn enthousiasme voor het onderzoek weg, en ik zou jullie dan ook graag over een aantal maanden wat meer willen vertellen over Botswana, de eerste zuurstof en hoe dit in de geologie geïnterpreteerd kan worden.

1. Isotopen zijn atomen van het hetzelfde element, maar met een verschillend aantal neutronen in de kern.

Bronnenlijst en interessante papers voor meer informatie:
  • Catling David C, Z. K. J. (2020). The Archean atmosphere. Sience Advance, 6.
  • Genming Luo, Shuhei Ono, Nicolas J. Beukes, David T. Wang, Shucheng Xie, & Summons, R. E. (2016). Rapid oxygenation of Earth’s atmosphere 2.33 bilion years ago. American Association of Science Advance 2.
  • Kesler, S. E., & Ohmoto, H. (2006). Evolution of Early Earth's Atmosphere, Hydrosphere, and Biosphere- constraints from ore deposits (Vol. 196): Geological society of America
  • Lenhardt, N., Eriksson, P., Octavian, C., & Bumby, A. (2012). Nature of and controls on volcanism in the c. 2.35 – 2.05 Ga Pretoria Group, Kaapvaal Craton, South Africa. Precambrian Research, 214-215, 106-123. doi:10.1016/j.precamres.2011.09.012
  • Wie meer wil weten over de invloed van de zuurstof toename op het mineralenrijk kan daarvoor terecht bij het artikel "Mineralen evolutie”.

College van de maand: Vulkanen in Nederland, hoe vind je die?

Nederland is een vulkaan rijker. Het zal jou vast niet ontgaan zijn in het nieuws van de afgelopen maand. De Geologische Dienst Nederland, onderdeel van TNO, is tot de conclusie gekomen dat Nederland een tweede vulkaan heeft. Als geoloog vind ik dit natuurlijk superleuk nieuws om te horen.

Ze hebben de vulkaan Mulciber genoemd, een andere naam voor Vulcanus. Vulcanus is een Romeins, mythologische god en de tegenhanger van de Griekse god Hephaistos. Hij is een smid voor de andere goden en getrouwd met Venus.

Volgens de verhalen was Vulcanus zo lelijk bij zijn geboorte dat zijn moeder, Juno, hem in de zee wierp waar hij gevonden werd door nimfen en door hen werd groot gebracht. Later bouwde hij een smidse onder de vulkaan Etna.

Omdat de vulkaan nu onderwater ligt, hebben de wetenschappers van TNO hem Mulciber genoemd.

Waarom weten geologen nu pas dat er een vulkaan ligt.
Om meer te weten over deze ontdekking heb ik contact gehad met medewerkers van TNO. Men vertelde mij dat de Geologische Dienst van Nederland niet actief zoekt naar vulkanen. Er is in Nederland geen risico voor vulkanische uitbarstingen zoals in Italië en ook voor het speuren naar delfstoffen is het niet zo interessant. De ontdekking van de vulkaan is dan ook puur toeval.

Figuur 1. Kaart over afwijkingen in het aardmagnetische veld. Gesteente met meer rode kleuren hebben relatief meer magnetische mineralen. Bron: TNO via Geert-Jan Visser.
TNO heeft een kaart van de ondergrond van Nederland waarop afwijkingen van het natuurlijke aardmagnetische veld staan aangegeven. Op de kaart is te zien dat sommige gesteente een ander magnetisch veld signaal hebben dan dat het natuurlijke veld heeft. De aarde heeft van nature een magnetische veld, hierdoor werkt je kompas. Sommige type gesteente kunnen van zichzelf ook een soort magnetisch veld maken wat het natuurlijke veld in de war schopt. Dit hoeft niet zo sterk te zijn dat het je kompas verstoort, maar als je er met gevoelige apparatuur naar kijkt dan kan je dus verschillende lagen herkennen.

De vraag is dan waarom hebben sommige gesteenten een sterker magnetisch veld dan andere gesteenten. Mineralen zijn vaak magnetisch, het bekendste voorbeeld is magnetiet. Dit soort mineralen kunnen ontstaan in stollingsgesteentes en metamorfe gesteentes. Dus door het vulkanisme kunnen er stenen ontstaan die een magnetische afwijking hebben. Hierdoor kan je op de kaart in figuur 1 de vulkanen terugzien.
Niet elke magnetische afwijking betekent dat daar een vulkaan zit. Stollingsgesteente kan ook ontstaan door intrusies zoals een dike. Dat is magma dat door de aardkorst omhoog komt maar niet tot bij het oppervlakte komt. Het is zeker iets wat hoort bij vulkanisme, maar dus niet per se bij een vulkaan. Verder kan zo een mineraal dus ook ontstaan bij metamorfose, wat gepaard kan gaan met intrusieve vormen van vulkanisme.

Figuur 2. Seismische doorsnede rond de vulkaan Mulciber, met een relatieve hoogte weergegeven in 3D. Bron: TNO via Geert-Jan Visser.
Een kaart met afwijkingen van het aardmagnetische veld is dus op zichzelf niet voldoende om te bewijzen dat er ergens een vulkaan is. Om er zeker van te zijn dat er echt een vulkaan zit, moet gebruik gemaakt worden van andere metingen zoals boorgegevens en seismische gegevens. Een gedeelte van de seismische gegevens rond Mulciber zijn te zien in figuur 2. Seismische gegevens zijn waardevol omdat hierin structuren herkend kunnen worden die duiden op breuken of andere deformaties in de ondergrond.

Door middel van boringen kan gekeken worden naar wat er precies in de ondergrond zit. Een gat wordt gemaakt en de inhoud van het gat wordt de boorkern genoemd. Wanneer je alles netjes onder elkaar legt kan je vervolgens zien wat er onderin het gat zat en wat bovenin. De kern wordt vaak zo door gesneden dat men op de helft van de kern zit en er tegenaan kan kijken. Ter illustratie kun je kijken naar figuur 3. Alle andere onderdelen van de kern zijn vaak te beschadigd of kunnen worden gebruikt voor ander analyses, denk hierbij aan chemische analyses waarbij je alle stenen moet verpulveren.

Figuur 3. Boorkern met stollingsgesteente van boring F04-02-A op 4650m diepte langs het boorgat. Bron: Uit het kernhuis via Geert-Jan Visser.
Nu ga ik wat meer in op de details van de boorkern. Op de NLog site van TNO heb ik de boorkern F16-02 bij de vulkaan gevonden. Helaas heb ik geen foto’s van de kern zelf, maar wel de stratigrafische log. Een stratigrafische log is een document waarop alle gegevens staan die je nodig hebt om de stratigrafie van de boorkern te kunnen beoordelen. Als student leer je dit soort logs te maken in het veld en in de lessen. Via het log kun je ordening aanbrengen in de informatie over de boorkern. Bovendien is de positie van de kern vastgelegd zodat je in een later stadium de boorkern op de juiste manier afleest. Het origineel is te groot, dus heb ik het bovenste deel van de log weergegeven ,zie figuur 4, en onderste deel, figuur 5. Als u het origineel wilt bekijken kun u die vinden op de openbare website van TNO.

Figuur 4. Bovenkant van stratigrafische log van boorkern F16-02. Bron https://nlog.nl/kaart-boringen.
Zoals je ziet is er aan de bovenkant van een log voornamelijk administratieve informatie te vinden, zie figuur 4. Een legenda vermeldt welke symbolen voor welk soort gesteente gebruikt moeten worden. Verder staan er aantekening vermeld over bijvoorbeeld fossielen of mineralen. Deze log zal overigens wel gemaakt zijn speciaal voor deze boorkern. Er bestaan natuurlijk ook andere loggen met iets andere kenmerken die meer gericht zijn op metamorf gesteente of fossielen. Onder de legenda is een balk met termen die verwijzen naar de gegevens die je eronder kan invullen.

Depth slaat uiteraard op diepte, waar zijn ze begonnen met boren en tot hoe diep hebben ze geboord. Dit komt dus overeen met de lengte van de verkregen boorkern. Als je alle boorkernen netjes onder elkaar zou leggen dan zouden die dus net zo lang moeten zijn als de boring diep is. In dit geval kom je uit rond de 2 kilometer aan lengte. System/stage/group/formation gaat over de verdeling in welke tijdsperiode het materiaal is afgezet en bij welke formatie of groep gesteente het onderverdeeld wordt. Dit kan je verder gebruiken door naar verschillende boringen op een lijn te kijken. De verschillende formaties zullen niet overal op precies dezelfde diepte liggen of precies dezelfde dikte hebben. Doordat je grofweg op een lijn zit kun je de grenzen tussen formaties doortrekken naar de volgende boring. Hiermee kan je inschatten tussen welke diktes een pakket kan wisselen en patronen herkennen. Je kan hierdoor zeggen dat ergens een zee of een meer gelegen zou moeten hebben.

Bij lithology moet je het type gesteente intekenen. Ben je aan het kijken naar een simpele zandsteen, dan mag je leuk veel stipjes zetten. Ook kun je hier fossielen in aangeven die wat kunnen zeggen over het milieu van die tijd. Daarnaast worden samples aangegeven. Dit zal gaan over een snelle extra informatie over materiaal gevonden in de boorkern.

Remarks gaan over de opvallendste kenmerken in het gesteente. Dit kan gaan over speciale of bijzonder fossielen die kenmerkend zijn voor een tijd of gebeurtenis, maar ook over de kleur van het materiaal en andere waarnemingen. Een voorbeeld als uitleg. De kleur van zand. Zand wordt meestal afgezet in de rivier of in de zee, maar het zou ook door de wind afgezet kunnen worden in de woestijn. Wanneer je rood gekleurd zand ziet moet er een belletje gaan rinkelen, want dit betekent dat dit zand niet onder water gelegen heeft. De rode kleur komt van de oxidatie van ijzer, dus roest, en aangezien dit niet gemakkelijk kan gebeuren onder water moet dit zand ooit langere tijd “boven water” gelegen hebben. Als laatste staat er paleo environment. Op welke plek is het materiaal afgezet. Het land, de rivier, de delta, het strand, de diepzee. Allemaal belangrijke informatie.

Figuur 5. Onderste gedeelte van stratigrafische log van boorkern F16-02. Bron: https://nlog.nl/kaart-boringen.
Wat ik nog moet opmerken over de log is het belang van een juiste locatie weergave. Als je er dus onzeker of onduidelijk in bent op welke plek uit je boorkern het fossiel komt dan heeft je log later geen enkel nut meer. Leuk dat je een heel bijzonder fossiel gevonden heb, maar als je niet meer weet waar dat ding vandaan kwam dan kan je er helaas weinig mee. Een log kun tijdens het maken zelf indelen. Als je iets niet gebruikt of juist iets extra’s moet toevoegen dan kan dat gewoon. Dit zorgt ervoor dat verschillende logs er vaak heel anders uitzien.

In logs zie je vaak lagen op elkaar zitten die je niet verwacht. Dit is op figuur 5 aangegeven met de kronkellijntjes. Deze lijntjes geven discordanties aan Dit zijn lagen die in de boorkern op elkaar liggen maar volgens je interpretaties niet op elkaar horen te liggen. Er mist dus een of meerdere lagen in je boorkern. Dit zorgt er voor dat sommige boorkernen lastig te dateren zijn. In figuur 5 kan je zien dat het vulkanisch materiaal gedateerd is op het Perm, maar met de informatie die TNO nu heeft is de datering bijgesteld op het Jura.

Ook al gebruik je al deze verschillende technieken er zullen altijd onnauwkeurigheden zijn. Daarom is het belangrijk je observaties gescheiden te houden van je interpretaties. Observaties uit de jaren 80 kunnen ook nu nog heel bruikbaar zijn. Interpretaties daarentegen vaak niet omdat we de aarde nu al zo veel beter begrijpen dan toen.
Na mijn verhaal weet je wat meer over de technieken die gebruikt worden om een vulkaan te vinden.. Ik hoop dat je volgende keer dat er weer zo een nieuwsbericht is, denkt aan dit verhaal en het knappe werk dat de wetenschappers verrichten. Als je interesse hebt in de boorgegevens dan kan je op NLog of dinoloket kijken voor een schat aan informatie.

Tot slot wil ik graag Michiel van der Meulen en Geert-Jan Visser bedanken voor hun hulp bij het verzamelen van extra informatie.

College van de maand: Houtskoolmeilers – antropogene landschapselementen

Deze maand nemen we een klein antropogeen uitstapje. In onze colleges hebben we het vaak over grootse landschappen die over duizenden jaren heen door de geologie gevormd zijn. Het is natuurlijk erg mooi om alleen op de natuurlijke vormingsprocessen te focussen, maar de mens heeft ook veel invloed gehad op zijn omgeving en daarmee het landschap veranderd. Door de tijd heen is de mens op verschillende manieren actief geweest. Sommige kleinschalige landschapsvormen zijn bijvoorbeeld ontstaan door de behoefte aan brandstof.

Efficiënte brandstof
Afb. 1. Een brandende houtskoolmeiler in het LWL-Freilichtmuseum Hagen, een Duits openluchtmuseum. Bron: Wikimedia
De mens heeft altijd al brandstof nodig gehad voor dagelijkse behoeften als het bereiden van voedsel en het verwarmen van huizen. Houtskool is een efficiëntere brandstof dan kaphout. Kaphout verwarmd namelijk grotendeels via convectie van de warme lucht die ontstaat door de vlammen.

Deze lucht moet vervolgens in contact komen met de pot waarin wordt gekookt om deze te verwarmen. Bij het branden met houtskool zorgen de gloeiende kolen voor veel stralingswarmte die de pot indirect verwarmen zonder veel energie kwijt te raken aan het opwarmen van de lucht. Daarbij is houtskool ook goed geschikt om in een kleinere ruimte verbrand te worden omdat er geen vlammen ontstaan en er nauwelijks rook vrijkomt. Maar voor het koken met houtskool, moet deze eerst geproduceerd worden. Hiervoor worden al eeuwenlang houtskoolmeilers gebruikt (afb. 1).

Houtskoolmeilers
Afb. 2. Een schets van de doorsnede van een houtskoolmeiler. Hout wordt opgestapeld in een gegraven gat, bedekt met een laag bladeren en kleine takjes en afgedekt met de afgegraven grond.
Een houtskoolmeiler is kortgezegd een grote, met grond afgedekte stapel hout. De oudste houtskoolmeilers werden al vanaf de Romeinse tijd gemaakt door een gat in de bovenste laag grond te graven. Afhankelijk van de schaal van het productieproces kon deze kuil erg in grootte verschillen. Voor een huishoudelijk gebruik waren gaten met een doorsnede van zo’n twee meter voldoende. Voor houtskoolproductie met industriële doeleinden, bijvoorbeeld voor de ijzerindustrie die vooral in de middeleeuwen veel opkwam, werden veelal grotere meilers aangelegd. In het gat werd het kaphout dicht op elkaar gestapeld op een onderste open raamwerk van stammen die zorgen voor een goede luchttoevoer onder de stapel door.

Vervolgens werd het hout afgedekt met een dikke laag twijgjes en bladeren met daarbovenop de afgegraven aarde. Een klein gat werd overgehouden om als schoorsteen te dienen (afb. 2). De laag aarde zorgt ervoor dat het hout niet in vlammen op gaat. De luchtdichte laag voorkomt een te grote zuurstoftoevoer, zo kan het hout verkolen zonder geheel te verbranden en zonder vlammen. Dit verkolingsproces vergt enige expertise. De meiler moet tijdens het verkolen continue in de gaten gehouden worden. Bij het inzakken van de stapel door het krimpen van het hout moeten scheuren in de laag aarde worden dichtgestopt om de verkoling gecontroleerd te laten verlopen.

Helaas kon het verbrandingsproces niet helemaal goed worden gecontroleerd in deze kuilen en de kwaliteit van de resulterende houtskool kon dan ook sterk verschillen. Het gehele proces van houtskoolproductie in een meiler is erg langdurig, allereerst moet de stapel gebouwd worden, wat enkele uren duurt. Maar de meeste tijd zit in het wachten tot de verbranding en het afkoelen gereed zijn, wat enkele dagen tot weken kan duren. Daarnaast moest na elke verbranding de stapel weer helemaal opnieuw opgebouwd worden, wat het productieproces extra intensief maakte.

Voorkomen
Afb. 3. Een grote houtskoolmeiler in Duitsland voordat deze bedekt is met aarde. De schoorsteen is in het midden van de stapel is geplaatst en er wordt geen kuil gegraven. Bron: Wikipedia
Houtskoolmeilers zijn momenteel in veel landen, waar geen ‘modernere’ brandstof voorhanden is, nog steeds de primaire manier van houtskoolproductie. Wel zijn er door de jaren heen steeds geavanceerdere constructies ontstaan (afb. 3).

Zo werden er in Zweden bijzonder grote constructies gebouwd waarbij het hout direct wordt gestapeld zonder eerst een gat te graven. Tot halverwege de twintigste eeuw waren deze meilers de voornaamste bron voor houtskool bestemd voor de Zweedse ijzerindustrie.

Daarnaast werden er ook stenen en metalen ovens ontwikkeld, deze hebben het voordeel dat ze niet elke keer herbouwd moeten worden na gebruik. Afhankelijk van hoe geavanceerd de houtskoolmijter was, konden er ook vloeibare bijproducten gewonnen worden. Door het graven van geulen in de bodem van de houtskoolmeiler werd bijvoorbeeld teer verworven.



Effect op het landschap
In Nederland zijn resten van houtskoolmeilers voornamelijk in het oosten van het land terug te vinden. De houtskoolmeilers werden direct in het bos gebouwd, zo dicht mogelijk bij de plaats waar het hout gekapt werd. Op de Veluwe werden tot halverwege de vorige eeuw nog houtskoolmeilers gebruikt. Na het in ongebruik raken van de meilers bleven deze als zwartgeblakerde gaten in de grond achter, met op de bodem een laag fijne houtskoolresten dat te klein was om te winnen. Soms is er ook nog een rand om de kuil te herkennen, gevormd door resten van de toplaag van aarde die gebruikt werd om het hout af te dekken. Deze oorspronkelijke vorm is niet altijd meer te herkennen doordat sommige meilers bedekt zijn geraakt met sediment. Vooral in zandrijke gebieden zijn veel houtskoolmeilers overstoven met stuifzand na de grootschalige houtkap. Door de ontbossing wordt de bodem minder goed vastgehouden en kan deze makkelijker gaan stuiven. Bodemerosie treedt op en het zand wordt geremobiliseerd. Tijdens archeologische opgravingen zijn de resten wel terug te vinden, de donkere houtskool steekt duidelijk af tegen het omliggende sediment.

Gebakken klei
Afb. 4. Een houtskoolmeiler in de Jura, deels overwoekerd door vegetatie, wordt makkelijk over het hoofd gezien. Als je goed kijkt is deze zichtbaar als een diep rechthoekig gat in de grond. Foto: Maaike Zwier.
Afb. 5. Gebakken klei met roodbruine kleur uit een houtskoolmeiler in de Franse Jura. Foto: Maaike Zwier.
Houtskoolmeiler in de Franse Jura gegraven in het kleipakket boven op de kalksteen. Resten gebakken klei en houtskool worden langs de helling afgespoeld en verzamelen in colluvium onder aan de helling.
In de Franse Jura nabij Clairvaux-les-Lacs namen Kees Kasse en Hans Renssen ons tijdens het tweedejaars veldwerk van de Bachelor Aardwetenschappen aan de VU mee om de resten van enkele recente houtskoolmeilers te bestuderen (afb. 4). De meilers zijn niet al te groot en zullen vooral houtskool voor lokaal gebruik geproduceerd hebben.

In de Jura gebeurt er echter iets zeer interessantst door de samenstelling van de bodem. Op sommige locaties dagzoomt een kleipakket boven op een kalk. De houtskoolmeilers werden in de kleilaag gegraven en door de hoge temperaturen in de meiler werd de klei gebakken! De klei werd hard en kreeg een dieprode kleur. Doordat de houtskoolmeilers al een tijd verlaten zijn, is die kleur nu niet meer direct te zien. De kuilen zijn inmiddels bedekt met nieuwgevormde aarde en overgroeid met vegetatie (afb. 4), maar met een snelle draai van de grondboor is de gebakken klei al te bereiken (afb. 5).

Bewijs voor de aanwezigheid van houtskoolmeilers is ook verder weg van de bossen aanwezig. Kleine stukjes gebakken klei, houtskool en verweerde klei zijn te vinden in lagergelegen gebieden. Het materiaal spoelt af en verzamelt zich aan de voet van de helling (afb. 6). Na verloop van tijd kan het materiaal ter plaatse een flink pakket vormen. Deze pakketten worden ook wel colluvium genoemd; afgespoeld bodemmateriaal.

Dit proces is niet uniek voor gebieden waar meilers voorkomen, maar het materiaal dat in de Jura in het colluvium te vinden is wel. Zo heeft een plaatselijke constructie van de mens opeens een veel wijd verspreidere invloed.

Bronnen
  • Agriculture Organization of the United Nations. Forestry Dept, & Agriculture Organization of the United Nations. Mechanical Wood Products Branch. (1983). Simple technologies for charcoal making (Vol. 41). Food & Agriculture Org.
  • Rösler, H., Bönisch, E., Schopper, F., Raab, T., & Raab, A. (2012). Pre-industrial charcoal production in southern Brandenburg and its impact on the environment. Landscape Archaeology between Art and Science, 167-178.
  • Oosthoek encyclopedie (geraadpleegd15 april 2020.)
  • In het GEA-nummer 1 van 2001 noemden Kasse en de Vries de houtskoolmeilers al kort. In het artikel is ook een algemene beschrijving te vinden over de morfologische geschiedenis van de Jura.

College van de maand: De Scandinavian Battle.

Op zoek naar de verklaring voor het Noorse landschap

De wetenschapswereld kan hard zijn. Om eerlijk te zijn had ik daar nog nooit bij stil gestaan. Wetenschappers zijn toch altijd beschaafd en bereid om tot een goede, gezamenlijke conclusie te komen? Of toch niet? Recentelijk heb ik mij verdiept in een wetenschappelijke strijd, genaamd ‘ The Scandinavian Battle’. En een ‘Battle’ is het ook écht. De Scandinavian Battle is een jarenlange discussie tussen een groep Noorse wetenschappers en een groep Deense wetenschappers met betrekking tot de vorming van het reliëf (oftewel, het resterende gebergte) in West Noorwegen. Dit interesseerde mij in eerste instantie omdat ik in het desbetreffende gebied (Bergen, Noorwegen) heb gewoond, maar na het lezen van de verschillende theorieën besloot ik me vol in de discussie te verdiepen. Naast interessant, vond ik het voornamelijk verrassend hoe aanvallend wetenschappers naar elkaar kunnen zijn. Een wetenschappelijke battle kun je het zeker noemen als je het mij vraagt. In dit College van de Maand zal ik jullie uitleggen waar deze jarenlange discussie over gaat.

Om te beginnen zal ik iets uitleggen over het Noorse landschap. Noorwegen is uniek in die zin dat het hooggelegen, vlakke landschappen kent met daarin overblijfselen van bergen. Dit wil zeggen, het reliëf valt mee, maar de pieken en de vlaktes liggen vrij hoog boven zeespiegel (de hoogste berg Galdhøpig ligt op 1469 m hoogte). Denk bijvoorbeeld ook aan de fjorden: zeer vlakke rotsen op grote hoogte. Tijdens de aardrijkskunde lessen hebben we allemaal geleerd dat deze zijn ontstaan door insnijding van gletsjers, en dat Noorwegen en Scandinavië daarna omhoog zijn gekomen als gevolg van ‘glaciale rebound’. Dit gebeurd wanneer gletsjers smelten en het land langzaam weer omhoog veert (afb 3c). Echter, de verklaring voor het hedendaagse landschap is niet zo simpel, en de oorsprong ligt al ver vóór de laatste ijstijd (Pleistoceen, 0.1 ma geleden), in het vroeg Cenozoicum (66 ma geleden).

Geologische geschiedenis van Scandinavië

Afbeelding 1: De Scandinavische Caledoniën.
Bron: Wikipedia
F2B4DCFE 4802 4FFD A41C F2631DD78F86
Afbeelding 2: De landschapscyclus. Van boven naar beneden laat deze cyclus de geleidelijke afvlakking van reliëf zien tot zeeniveau als gevolg van erosie.
Bron: Dr. William Campbell

Tijdens de Caledonische gebergtefase (Cambrium tot het Siluur) kwamen de twee continenten Baltica en Laurentia samen en werd het nieuwe continent Laurussia gevormd. Tijdens deze collisie (botsing) werden de Scandinavische Caledoniën gevormd (afb.1). Overblijfselen van dit gebergte kunnen vandaag de dag terug gevonden worden in Schotland en Engeland, Groenland en Noorwegen. Nadat het gebergte gevormd was, vond een lange periode van erosie plaats. Rivieren, wind, en een fluctuerende zeespiegel zijn allemaal factoren die bijgedragen hebben aan het afvlakken van het landschap tot een zogenaamd Peneplain (landschap met weinig reliëf, geërodeerd tot zeeniveau) Deze zogenaamde landschapscyclus vormt een fundamentele basis in de geologie (afb 2).

Tot hier zijn de wetenschappers het nog met elkaar eens. Echter, de vraag is: ‘hoe kan het dat Noorwegen nu nog bergen heeft?’. De Noorse wetenschappers, met vandaag de dag de onderzoeker R. Gabrielsen als grootste vertegenwoordiger, verklaren dit aan de hand van een vrij algemene, oude theorie, namelijk tektonische ‘uplift’ van het landschap (Gabrielsen et. Al 2007; Gabrielsen et al. 2009, Chalmers et al. 2000). Echter, de Deense wetenschappers, met S. Nielsen aan het hoofd, zijn het hier volstrekt mee oneens. Zij stellen een ander mechanisme voor, namelijk het zogenaamde ICE-model (Isostasy, Climate and Erosion) (Nielsen et al 2010, Nielsen et al 2009; Nielsen et al. 2010b). Hierin vindt er ook uplift plaats, maar deze wordt niet gelinkt aan tektonische processen. In de onderstaande alinea’s zal ik beide hypothesen toelichten.

De Tectonic uplift (Gabrielsen et. Al)

De Tectonic Uplift hypothese gaat ervan uit dat het Caledonische gebergte in Noorwegen inderdaad is weg geërodeerd tot zeeniveau, waarna het gebied verdere extensie onderging als gevolg van het openen van de Atlantische Oceaan. Tijdens het Eoceen-Mioceen vond er volgens de Noorse wetenschappers echter een nieuwe tektonische ‘uplift’ plaats. Deze uplift was thermo-tektonisch, wat wil zeggen dat ze deels verklaard kan worden door een hete, onstabiele mantel (die te linken valt aan de vorming van de hotspot onder IJsland en tektonische her-activatie van oude breuken als gevolg van compressie tijdens de Alpine Gebergtefase. Zie ook College over Geologie van IJsland. Tijdens deze fase van uplift is het hedendaagse reliëf ontstaan.

De argumenten die hoofdzakelijk door Gabrielsen en zijn collega’s worden aangehaald zijn onder andere de veranderingen in sedimenten in de Noordzee. Deze worden op gegeven moment steeds grover en de aanvoerrichting van de sedimenten verandert. Eerst werd het grootste deel van de sedimenten vanuit het westen aangevoerd (Schotland, Groenland),  maar zo rond het Mioceen veranderde dit. De dominante toevoer leek nu vanuit het oosten te komen, en wel van de Noorse kusten. Verder gebruiken Gabrielsen en zijn collega’s de thermische geschiedenis van het Noorse gebergte om te verklaren dat het landschap oorspronkelijk dieper in de lithosfeer heeft gelegen, actief (d.w.z. door tektonische krachten) omhoog is gekomen en is afgekoeld. Vervolgens is het landschap opnieuw door klimaat en erosie afgevlakt tot de vlaktes die we nu kennen. De eerder genoemde landschap-evolutie cyclus is dus nogmaals doorlopen. De bergen die over zijn zouden nu geen overblijfselen zijn van de eerste fase van tektonische uplift, maar van deze geïntroduceerde tweede fase van tektonische uplift.

Deze theorie lijkt simpel en is jaren lang de verklaring geweest voor het landschap in West Noorwegen. Totdat de Deense wetenschappers onder leiding van Nielsen rond 2007 met een alternatief kwamen…

De ICE-hypothesis

Zoals boven beschreven staat ICE voor isostasy, Climate and Erosion. De Denen denken namelijk dat een tweede fase van tektonische activiteit niet nodig is om het landschap te verklaren. Volgens hen is dit niet mogelijk gezien de stabiele tektonische setting van Noorwegen. Volgens de ICE-hypothese kan het klimaat, gepaard met het omhoogkomen van het landschap als gevolg van erosieve unloading (afb 3a & 3b) en het openbreken van de Atlantische Oceaan het landschap verklaren.

Dit heeft wat verdere uitleg nodig; de ICE hypothese verklaart in eerste instantie het omhoog komen van het Noorse land als een logisch gevolg van het openbreken van de Atlantische oceaan. Hierdoor vind extensie plaats in de aardkorst, waardoor mantel materiaal omhoog welt (afb 3d). Dit zorgt ervoor dat de bovenliggende korst ook omhoog komt. Daarnaast vindt er op grote schaal erosie plaats van het Caladonische gebergte, waardoor het gewicht op de onderliggende mantel steeds minder wordt. Ook dit zorgt ervoor dat door het eerder genoemde proces van rebound het landschap omhoog zal komen (afb 3a). Al met al kan dit samengevat worden als isostatische rebound.

Volgens de Denen heeft het klimaat een veel belangrijkere rol gespeeld. Noorwegen is vele malen bedekt geweest onder dikke lagen ijs en gletsjers. Uit voorbeelden van de Himalaya en de Appalachen in Amerika is het bekend dat een laag ijs de hoogte van een gebergte kan limiteren; zodra er een gletsjer op het landschap vormt, zal het landschap in evenwicht raken en niet verder meer omhoog komen (Anderson, 2002) Dit wordt ook wel het Glacial Buzzsaw effect genoemd. Dit effect, samen met erosie als gevolg van vorst, regenwater en zeer actieve rivieren tijdens koude en warmere perioden hebben voor gelijktijdige afvlakking van het landschap gezorgd. Deze hypothese is consistent met de lithologische overgangen in het Noordzee bekken. Sedimenten die eerst verklaard werden door tektonische uplift, worden nu verklaard door klimatologische veranderingen die op hun beurt weer zorgden voor meer aanvoer van sedimenten. Ook de thermische geschiedenis van Noorwegen, die duidt op het omhoog komen van het landschap, hoeft niet per se met tektonische uplift verklaard te worden: het passief omhoog komen door isostatische rebound verklaart dit net zo goed.

F2B4DCFE 4802 4FFD A41C F2631DD78F86
Afbeelding 3a: Het principe van erosional unloadoing en de gevolgde uplift.
Bron: Erosional uploading
F2B4DCFE 4802 4FFD A41C F2631DD78F86
Afbeelding 3b: Erosional unloading. In dit figuur is de verwijdering van de crustal root goed te zien.
Bron: Crustal root
827A4293 6207 40A5 847F 606411EC984D
Afbeelding 3c: Uplift door rebound na het wegsmelten van ijskappen.
Bron: Rebound door uplift
93198422 3678 431F A462 27E537056C4D
Afbeelding 3d: Uplift als gevolg van riften. Dit proces speelde een rol bij het openbreken van de Atlantische oceaan.
Bron: Rebound door riften

Ook geven de Deense wetenschappers veel argumenten tegen de ‘Tectonic uplift’ hypothese. Zo is er in de seismische profielen te zien dat er onder het Noorse gebergte een dikke korst aanwezig is, ook wel de ‘crustal root’ genoemd. Deze dikke korst zorgt ervoor dat het gebergte stabiel blijft en niet instort onder zijn eigen gewicht. Wanneer een gebergte langzaam erodeert, zal de crustal root steeds kleiner en kleiner worden. Er is echter steeds minder gewicht van het gebergte over om te compenseren in de mantel. Wanneer na de eerste fase van uplift het gehele gebergte weg geërodeerd zou zijn, zou dat betekenen dat de initiële crustal root ook volledig verdwenen is (in afb 3 a & b is een versimpelde weergave van een continent met crustal root weergegeven die als gevolg van erosie langzaam kleiner wordt). Een tweede fase van tektonische uplift zou dus moeten leiden tot het vormen van een nieuwe crustal root om het nieuwe reliëf te stabiliseren. Veel onderzoek naar het gedrag van de lithosfeer, de stromingen en de dichtheden van de lithosfeer onder Noorwegen wijst erop dat het volstrekt onmogelijk is ‘ binnen de wetten van de natuurkunde’ om een nieuwe crustal root te vormen (Nielsen et. al 2010). De overgebleven crustal root moet dus wel een restant zijn van het oude gebergte, en nieuwe tektonische uplift zou dus niet logisch zijn. Gabrielsen en zijn Noorse collega’s ontkennen de aanwezigheid van de crustal root en kunnen niet verklaren waarom het landschap in Noorwegen nog stabiel is als deze niet in de lithosfeer wordt gestabiliseerd. Daarnaast zou een tweede fase van tektonische uplift te zien moeten zijn aan de her-activatie van oude breuken. Echter is dit ook niet waargenomen.

Tot slot, als de tweede fase van uplift recentelijk plaats gevonden zou hebben, zou het landschap nooit genoeg tijd hebben gehad om te eroderen tot zeeniveau (Nielsen et al 2008), zoals de Noren beweren. Het gebergte wat nu nog over is, zijn de restanten van het oeroude Caledonsiche gebergte.

2393FD41 D014 4784 9992 2BBC252DF601
Afbeelding 4: De Noorse Fjorden, een klassiek voorbeeld van een hoog gelegen Peneplain. Foto: V. Hoogland.


De waarheid?

Beide partijen hebben vele argumenten, datasets en conclusies die hun hypothese ondersteunen. Ook zijn ze het vooral niet met elkaar eens, en verklaren ze elkaars data voor ‘ongeldig’ en ‘onmogelijk’, ‘totaal fout geïnterpreteerd’ en wijzen ze elkaar graag op fouten in de gebruikte modellen. Kortom, het is een gevecht wat nog lang niet uitgevochten is, en beide hypothesen hebben goede en minder goede punten. Zelf heb ik alle papers gelezen en heb een lichte voorkeur voor de ICE-hypothese, maar heel zeker ben ik niet. Het ontstaan van het Noorse landschap zal wat mij betreft nog lang onderzocht moeten worden. Compromissen over de hypothesen zullen gesloten moeten worden, voordat deze battle uitgevochten is.

41F488C9 B63A 4C44 A428 CCE7EB6A634A
Afbeelding 5: Preikestolen. Misschien wel het meest bekende voorbeeld van een Peneplain. Foto: V. Hoogland.

Als u naar aanleiding van dit vrij pittige College van de Maand vragen heeft, stel uw vraag dan via het contact formulier op de site. Verder heb ik ter verduidelijking van een aantal genoemde processen hieronder een paar links geplaatst (in het Engels).

  1. Glacial Buzzsaw
  2. Erosional unloading en het effect op het landschap

Referenties

  • Gabrielsen, R. H., Faleide, J. I., Pascal, C., Braathen, A., Nystuen, J. P., Etzelmuller, B., & O'Donnell, S. (2008). Latest Caledonian to Present tectonomorpholiogical development of southern Norway. Marine Petrolium Geology.
  • Gabrielsen, R. H., Pascal, C., Faleide, J. I., Braathen , A., Nystuen, J. P., Erzelmuller, B., & O'Donnell, S. (2010). Reply to discussion of Gabrielsen et al (2010) by Nielsen et al (this volume) Latest Caledonian to present tectonomorphological development of southern Norway. Marine Petrology Geology.
  • Nielsen, S. B., Clausen, O. R., Jacobsen, B. H., Thomsen, E., Huuse, M., Gallagher, K., . . . Egholm, D. (2009). The ICE hypothesis stands: How the Dogma of the late Cenozoic tectonic uplift can no longer be sustained in the light of data and physical laws. Journal of Geodynamics.
  • Nielsen, S. B., Clausen, O. R., Pedersen, V. K., Leseman, J. E., Goledowski, B., Huuse , B., .Summerfield, M. A. (2009). Discussion of Gabrielsen et al (2010): Latest Caledonian to present tectonomorphological development of southern Norway. Marine Petrology Geology.

College van de maand: Water in de lucht

Vanwege de stormen, die gepaard gingen met veel regen, in de afgelopen maand, wil ik het graag hebben over iets actueels: “ Het weer”. Het weer heeft een onstuimig karakter. Soms komt er geen druppel water uit de lucht wanneer we het nodig hebben, andere momenten komt het met bakken uit de hemel. Maar hoe komt dat water in de lucht terecht? Vandaag ga ik het een en ander uitleggen over hoe wolken en regen ontstaat.

Fig 1. De Claussius Clapeyron vergelijking weergegeven als trend. Men ziet dat de hoeveelheid waterdamp groter wordt bij een hogere temperatuur. D. Ahrens, Weather Today, An introduction to weather, Climate and the environment, 2003. Fig 5.10, 7-th ed. Thomson, Brooks/Cole, USA.

Wolken en regen lijken bij elkaar te horen. Voordat wolken ontstaan moeten eerst de omstandigheden goed zijn. Om van een pakket lucht een wolk te maken moet dit pakket verzadigd zijn met waterdamp. Alle lucht om ons heen heeft een hoeveelheid waterdamp in zich, de luchtvochtigheid genoemd. Er zit een verschil tussen de hoeveelheid waterdamp die er nu in de lucht zit en hoeveel er maximaal in kan zitten. Je kan het een beetje vergelijken met een glas water wat niet volledig tot de rand gevuld is. Als het glas volledig gevuld is en bijna overstroomt is het ‘ verzadigd’ er kan namelijk niks meer bij. Hetzelfde gaat ongeveer op voor een pakket lucht. Maar hoe raakt een pakket lucht verzadigd

Hoeveel waterdamp een pakket lucht maximaal kan bevatten hangt af van de temperatuur van de lucht. Voor elke graad warmer dat het pakket lucht is, kan het pakket 7% meer waterdamp bevatten. Dit is mooi zichtbaar in de figuur. Het wordt de Claussius Clapeyron vergelijking genoemd, die deze trend dus laat zien in figuur 1.

Maar wat hebben we nu aan de opwarming van lucht? Omdat het ook voor het tegenovergestelde geldt. Voor elke graad afkoeling kan je pakket lucht dus 7% minder waterdamp vasthouden. Hierdoor krijg je op een gegeven moment dat de waterdamp die in het pakket lucht zit, gelijk is aan de maximale hoeveelheid waterdamp die het pakket maar kan bevatten.

Figuur 2. Warme lucht stijgt op, koelt af en wanneer de waterdamp gelijk is aan de verzadiging, ontstaan er wolken. Bron: zelf getekend.

Lucht kan afkoelen doordat het opstijgt. Als een pakketje lucht bij het aardoppervlakte opgewarmd is en warmer is dan de omgeving, zal het opstijgen. Warmere lucht is namelijk lichter dan koudere en zwaardere lucht in de omgeving. Wanneer lucht stijgt, koelt het af. Als de lucht onverzadigd is, koelt de lucht per kilometer stijging wel 10 graden af. Omdat de lucht dus ook per graad afkoeling minder waterdamp kan bevatten, komt de maximale hoeveelheid waterdamp snel in de buurt van de actuele hoeveelheid waterdamp. Vergelijk de gegevens van figuur 2 maar met figuur 1. Wanneer de huidige hoeveelheid waterdamp gelijk is aan de maximale hoeveelheid waterdamp, dan is het pakket lucht verzadigd geraakt. Zodra dit gebeurt kan er condensatie optreden in het pakket lucht wat lijdt tot wolkenvorming.

Een wolk is ontstaan, maar regent het nu ook meteen? Ook al is de waterdamp gaan condenseren, de hele kleine druppels die zijn ontstaan, zijn nog niet groot genoeg om te gaan uitregenen. Het is zeker nodig dat lucht opstijgt en afkoelt waardoor het condenseert, maar vervolgens moeten de druppels ook nog groot genoeg groeien voordat ze kunnen vallen als regen. Voordat druppels kunnen groeien moeten ze zich ergens aan kunnen vasthechten. Fijnstof dat van nature al in de lucht zit, dus niet per se door uitlaatgassen of grote fabrieken, is een gemakkelijk oppervlakte voor de waterdruppels om zich aan vast te plakken. Hierdoor kunnen ze groter groeien doordat ze tegen elkaar aan botsen. De druppels groeien steeds groter. Op een gegeven moment zijn ze zo groot en zwaar geworden dat ze de zwaartekracht niet meer kunnen trotseren. De druppels vallen naar beneden; het regent.

Figuur 3. Een berg laat wolken ontstaan en uitregenen, waardoor het aan de andere kant van de berg weinig regent en het klimaat droger is. Bron: zelf getekend.

Lucht kan ook gedwongen worden om op de stijgen, bijvoorbeeld als er een obstakel in de weg zit zoals een berg in figuur 3. Als het obstakel hoog genoeg is, dan kan het pakket lucht in zijn volledigheid helemaal uitregenen. De andere kant van de berg zal dan weinig regen zien waardoor hier een droger klimaat zal ontstaan. Men spreekt in dit verband wel over de “loef- en lijzijde” van het gebergte.Ook het begrip “regenschaduw” wordt genoemd. Op het Scandinavisch schiereiland, is het landoppervlak van Zweden gemiddeld veel lager dan in Noorwegen. De meestal westelijke winden voeren vochtige oceaan lucht aan. Bij de kust van Noorwegen wordt de aangevoerde lucht gedwongen te stijgen, de lucht koelt af en kan minder waterdamp bevatten, met als gevolg veel neerslag. Als de lucht verder stroomt en boven het lager gelegen Zweden komt daalt de lucht en stijgt de lucht temperatuur en kan dan weer waterdamp opnemen. Zweden licht in de regenschaduw van het Noorse gebergte. Een dergelijk verschijnsel treedt ook op bij de Himalaya. De woestijnen gebieden ten noorden van de Himalaya liggen in de regenschaduw van de Himalaya.

Figuur 4. Satellietfoto van de Himalaya en het Tibetaans Plateau. Bron: Wikipedia, publiek domein, File:Himalaya 85.30820E 32.11063N

College van de maand: Blokkenvelden en patterned ground op de Prestholtskarvet

Afb1 bew
Afb. 1 Pretsholtskarvet gezien vanaf de start in
Prestholtstølan. Foto: Sjoerd Janse.
Sinds mijn verhuizing naar Bergen probeer ik zoveel mogelijk van Noorwegen te zien en altijd uit te kijken naar interessante geologie. Zo viel mijn oog afgelopen zomer op een patroon in de blokkenvelden boven op de Prestholtskartvet. Deze berg bevind zich vlak bij Geilo, een van de grotere steden op de treinroute tussen Bergen en Oslo. Door mijn familie werd Prestholt onthouden als de ‘pretselberg’ maar vanuit het Noors betekent het ‘priesterhout’. Momenteel is er geen boom in de buurt te bekennen, maar ik vermoed dat de naam te herleiden valt naar een warmere periode in het Holoceen, toen delen van het gebied bedekt waren met berk- en dennenbos. Skarvet, wat staat voor ‘kale rots’, is een beter passend onderdeel van de naam.

De hoge top (1859m) is onderdeel van het Hallingskarvet National park. In dit college zal ik jullie meenemen op een geologische tocht over een van de wandelpaden op de Prestholtskartvet.

Vorming van de bergrug

Afb2 bew
Afb. 2 Aan de basis van de steilwand lopen we
over een puinhelling. Foto: Maaike Zwier.
We beginnen de wandeling bij een herberg op 1248 m hoogte, hier kijken we uit op de hele route en is de structuur van het gebied gelijk duidelijk zichtbaar (afb 1). De bergrug van de Hallingskarvet strekt zich uit over 35 km en is te zien als een steile helling afgedekt door een langgerekt plateau dat als een soort blok op de helling is gelegd.

Het gebied is gevormd tijdens de Caledonische orogenese. Een overschuivende breuk zorgde ervoor dat een hornblende-graniet over de Pre-Cambrische en Paleozoïsche formaties kwam te liggen.

De flank van de helling is nog grotendeels bedekt met laag groeiende vegetatie, maar vlak onder de steilwand is een puinhelling van losse blokken zichtbaar (afb 2). De weg omhoog leidt over een lang pad van stenen dat al snel overgaat in een eindeloze trap om de eerste 400 hoogtemeters te overbruggen. Het pad werd aangelegd om bodemerosie door de toenemende bezoekersaantallen te voorkomen. De constructie heeft meer dan een miljoen euro gekost en is uitgevoerd door Nepalese sherpa’s, zij worden gezien als een van de beste steenwerkers ter wereld.

De klim bereikt een van de weinige bergpassen in de steilwand rond het plateau. Hier zien we het landschap drastisch veranderen.

Blokkenvelden

Afb3 bew
Afb. 3 Op de licht glooiende helling die leidt naar de top van de Prestholtskarvet is hier en daar een firnveld te zien. De route wordt gekenmerkt door een aantal steenmannetjes, maar een duidelijk belopen pad is er niet. Foto: Maaike Zwier.
Afb4 bew
Afb. 4 Een laaghangende wolk ontneemt het uitzicht waardoor het lijkt alsof de wereld alleen nog maar bestaat uit hoekige stenen en mist. Foto: Maaike Zwier.
Na het passeren van een firnveld – een veld van verijsde sneeuw dat het hele jaar blijft liggen op een beschutte locatie – op het laatste stuk van de bergpas bevinden we ons opeens op een licht hellend plateau bedenkt met duizenden losse stenen (afb 3).

Op het moment dat een laaghangende wolk het verre uitzicht ontneemt voel ik me alsof ik op een andere planeet ben beland. Een wereld met niets dan stenen, mist en ijs, er is nergens ook maar een stukje vegetatie te bekennen tussen de hoekige keien (figuur 4). De firnvelden aan de noordoost kant van de Hallingskarvet blijven het hele jaar door liggen en vormen een herinnering aan de processen die het landschap hebben gevormd.

De hoge toppen zijn sterk beïnvloed door de ijstijden. De enorme massa losse keien zijn hoofdzakelijk ontstaan door vorstverwering die de stenen uit elkaar heeft gedrukt, dit verschijnsel wordt ook wel ‘spleetvorst’ genoemd. Het jaarlijkse bevriezen van water in allereerst de kleinste spleten in het gesteente zorgt ervoor dat de stenen steeds verder uit elkaar worden gedrukt en de spleet steeds groter wordt totdat het gesteente uiteindelijk uit elkaar valt. Dit resulteert in een enorme verzameling hoekige brokken.

Blokkenvelden kunnen zich alleen vormen bij een lage hellingshoek. Op vlakken met een hoge hellingshoek zullen de losse stenen door de zwaartekracht naar beneden bewegen.

De Prestholtskartvet is waarschijnlijk volledig door een gletsjer bedekt geweest, maar gezien de blokkenvelden die momenteel aanwezig zijn, zal er in ieder geval tijdens de laatste ijstijd geen erosie door een gletsjer zijn geweest. Mogelijkheid is dat de ijslaag te dun was om het blokkenveld te eroderen, of de basis van het ijs was permanent aan de bodem vastgevroren. Als ik de blokkenvelden iets beter bestudeer, valt me op dat de keien niet overal een totaal willekeurige chaos vormen.

Patterned ground

Afb. 5 Patterned ground boven op de Prestholtskartvet. De grotere keien vormen de randen van een polygoon waarin fijner materiaal in het midden te zien is. Diameter van de structuren is zo’n 3-5 meter. Foto: Maaike Zwier.
Afb. 6 Verschillende vormen van patterned ground, afhankelijk van de hellingshoek ontstaan er polygonen of strepen. Bron: Slides college geomorfologie B VU 2014/2015.
Op het vlakke punt nabij de top is te zien dat de stenen patronen vormen. De grotere keien verzamelen zich in depressies in de vorm van een veelhoek (polygoon), waarbij het kleinere gruis in het midden achterblijft (afb 5). De oorzaak hiervan is de jaarlijkse vries-dooi cycli. Grotere stenen in de bodem worden door ‘frost heaving’ opgetild: ijs vormt zich onder de stenen en duwt ze omhoog.

Vervolgens zorgt de zwaartekracht ervoor dat de grotere stenen zich in een depressie verzamelen. Tegelijkertijd zorgt de druk van de grotere stenen ervoor dat het fijnere materiaal wordt samengedrukt, zo ontstaat er een compacte kern. De ontstane structuur wordt ‘patterned ground’ genoemd. De vorm die ontstaat is afhankelijk van de hellingsgraad.

Op een plat vlak vormen zich cirkels, maar naarmate de helling steiler wordt zullen de polygonen zich langzaam uitrekken tot er uiteindelijk bij een hellingshoek boven de 6° vooral strepen overblijven (afb 6). Tijdens de afdaling op de Prestholtskartvet kan ik helaas geen van deze strepen ontdekken, maar de overweldigende indruk van het weidse plateau volledig bedekt met stenen zal deze tocht voor menig geoloog de moeite waard maken.

Verder lezen

  • Geological Survey of Norway – Bedrock geology map 1:50.000. Link:https://www.ngu.no/en/topic/map-viewers
  • Nesje, A., Dahl, S. O., Anda, E., & Rye, N. (1988). Block fields in southern Norway: Significance for the Late Weichselian ice sheet. Norsk Geologisk Tidsskrift, 68(3), 149-169.
  • Rosendahl, H. (1934). The geology of the Finse district. Proceedings of the Geologists' Association, 45(3), 367-IN16.

College van de maand: Het ontstaan van de Continentale Korst - Een verklaring voor de eerste continenten

Voor een eindpresentatie van een van mijn mastervakken moest ik een ‘paper’ lezen over de groei van continentale korst in het Archean (4 miljard tot 2,5 miljard jaar geleden). Aanvankelijk vond ik het een erg ingewikkeld ‘paper’ om te lezen en wist ik niet hoe ik het in een presentatie allemaal moest gaan vertellen. Tot ik, uren later, eindelijk het ‘ Aha-moment’ had. Ik snapte hoe het in elkaar zat! En vanaf dat moment zag ik in hoe interessant het onderwerp eigenlijk is en zie ik in hoeveel vragen er nog zijn rondom het ontstaan van de continenten. Vandaar dat ik dit met jullie wil delen in dit College van de Maand.

De continentale korst
Eerst zal ik kort wat achtergrond informatie geven over het Archean. Dit is de geologische periode waarin de aarde zodanig was afgekoeld dat de continentale korst kon vormen. De continentale korst is over het algemeen lichter en dikker dan de oceanische korst, en heeft een felsische compositie (voornamelijk graniet). De oceanische korst is over het algemeen ouder, dunner en bestaat uit mafisch basaltisch materiaal wat chemisch meer op de aardmantel lijkt. Wetenschappers proberen al jaren het ontstaan van de continentale korst te verklaren maar een eenduidig geologisch model is nog niet geconstrueerd- vele vragen zijn nog onbeantwoord.

De continentale korst is namelijk chemisch gezien heel anders dan de mantel of de oceanische korst. Processen als differentiatie* en partieel smelten van mantel materiaal* kunnen het ontstaan van de felsische continentale korst deels verklaren, alleen hoe de continentale korst heeft kunnen blijven groeien tot het hedendaagse volume, is nog steeds niet helemaal duidelijk.

Afb 1 CK
Afb. 1: Continentale korstvorming. Partieel smelten van de oceanische korst is weergegeven, waarna tijdens het stijgen van de smelt differentiatie plaats vindt. Uiteindelijk wordt deze smelt aan de korst ‘geplakt’ en zal een deel uitvloeien als lava in het vulkanisch front. Aangepast, Davidson en Arculus, 2006.

Vorming van continentale korst
Vandaag de dag wordt nieuwe continentale korst gevormd in subductie zones (afb. 1). Hier duikt de oceanische plaat onder de continentale plaat waarna deze deels smelt.

Met de subducerende plaat gaan onder andere ook sedimenten en delen van de continentale plaat mee de subductiezone in, waarna deze smelten en terug naar de oppervlakte zullen gaan. Hier vormen zich bijvoorbeeld vulkanen. Deze hete smelt ondergaat tijdens het stijgen allerlei chemische processen, waardoor deze felsisch wordt. Uiteindelijk vormt deze smelt dus nieuwe, continentale korst.

De hiervoor beschreven vorming ging in het Archean echter niet zo makkelijk. De plaattektoniek was namelijk heel anders. De aarde was een stuk warmer en subductie zones waren veel minder stabiel dan dat deze nu zijn (afb. 2).

Het Archean blijkt uit onderzoek wél het tijdperk te zijn waarin erg veel continentale korst is gevormd. Maar hoe kan dit, als subductie niet de drijvende factor kon zijn.

Afb 2 CK
Afb. 2: De aarde in het Archean (links) vergeleken met het heden (rechts). Links zijn de aardplaten weergegeven in oranje. De licht gele vlekken laten een felsische compositie zien. Deze vlekken komen overeen met de eerste continentale korst.Bron: https://phys.org/news/2016-01-zeros-plate-tectonics- date.html

Korstvorming in collisie-zones (collisie=botsing)
In het ‘paper’(zie referentie onderaan de pagina) is gekeken of continentale korst in plaats van in subductie zones, in zones van continentale collisie gevormd kan worden. Als dit namelijk mogelijk zou zijn, kan het betekenen dat de continenten in het Archean inderdaad niet zijn gevormd in instabiele subductie zones, maar in toenmalige vormen van continentale collisie. Om dit te onderzoeken, is er onderzoek gedaan aan granieten in het Massief Centraal, Frankrijk (afbeelding 3.)

Afb. 3 Massief Centraal, Wikipedia.org.

Hierbij is bepaald wat het moedergesteente van deze granieten is. Normaal gesproken is het namelijk zo dat de granieten gevormd worden door metamorfose of gedeeltelijk smelten van oude continentale korst (crustal recycling). Dit is ook terug te zien in de verhouding van de elementen. Wanneer een graniet is gevormd uit mantelmateriaal, houdt dit in dat nieuw materiaal aan de korst wordt toegevoegd en dat er dus nieuwe korst gevormd wordt. Ook dit is te zien aan de chemische compositie van de graniet. 

Om de bron van de granieten te bepalen hebben onderzoekers de graniet vergeleken met experimentele smelten van verschillende samenstellingen. Zo hebben ze een smelt gegenereerd die in compositie overeen komt met sedimenten, met continentale korst, met mantelmateriaal, met basaltisch materiaal en zo verder. Wat bleek? De granieten kwamen chemisch overeen met mantelmateriaal. Dus het mantelmateriaal is het moedergesteente.

Dat betekent dat deze granieten niet gevormd zijn door het recyclen van oud korst-materiaal, maar dat er inderdaad nieuw materiaal aan de korst is toegevoegd. De ontdekking dat het mogelijk is om korst te genereren in een setting van continentale collisie zou dus mogelijk een verklaring kunnen zijn voor de groei van continentale korst in het Archean.

Preservatie van de korst
Een andere reden waarom onderzoekers denken dat de continentale korst eerder gevormd is in collisie zones dan dat deze gevormd is in subductie zones, is omdat de korst die in collisie zones gevormd wordt, over het algemeen beter en langer bewaard blijft. Het volume aan korst wat gegenereerd wordt in collisiezones is weliswaar kleiner, maar is beter bewaard gebleven en daarom is het waarschijnlijk toch een belangrijk proces geweest.

Wat jammer was van het paper, was dat het uiteindelijk ontbrak aan een goed onderbouwd geologisch model voor de groei van de korst, want nu ben ik wel heel nieuwsgierig geworden naar hoe het dan écht werkt. Maar ik twijfel er niet aan dat er na deze ontdekking meer onderzoek gedaan gaat worden. Want zoals ik aan het begin van dit College van de Maand al schreef, er zijn nog veel vragen rondom het ontstaan van de aardkorst die onbeantwoord zijn.

Gebruikte bron
Het paper: ‘collision vs subduction related magmatism: Two ways of granite formation and implications for crustal growth’. Moyen et al. 2016.

*VERDIEPING
Differentiatie en partieel smelten.

Differentiatie is het proces waar er vanuit magma, tijdens stijgen naar het oppervlak, verschillende mineralen op verschillende momenten uitkristalliseren. Hierbij is het smeltpunt leidend. Wanneer het magma de juiste temperatuur heeft bereikt, zal het mineraal gaan uitkristalliseren. Vervolgens zal dit mineraal naar beneden in de magmakamer zinken door de hoge dichtheid in vergelijking met het magma. Door de kristallisatie van de mineralen worden verschillende elementen uit het magma onttrokken (bijvoorbeeld Aluminium wordt in gebouwd in granaat) waardoor het magma van samenstelling verandert). Partieel smelten is het proces waar de mantel deels wordt gesmolten door verhoogde temperaturen. Door het deels smelten zullen de elementen die liever in de smelt zitten dan in het vaste gesteente als eerste in de magma gaan. Vaak zijn dit elementen die ook in hogere concentraties in felsisch magma voorkomen.

College van de maand: Mantle Plumes

Plaattektoniek is onderhand een bekend begrip. Volgens dit principe is er alleen vulkanisme mogelijk rond de rand van twee bewegende platen. Door het bewegen van de platen, subduceren of divergentie, wordt het vulkanisme verklaard. Echter is vulkanisme ook waarneembaar ver van de rand van een plaat af. Denk aan Yellowstone of Hawaii. Er moet een verklaring zijn waarom er vulkanisme is op een plek waar je het eigenlijk niet zou verwachten.

Rond de jaren 70 werd plaattektoniek geaccepteerd als theorie. John Tuzo Wilson merkte als een van de eerste op dat de eilandengroep van Hawaii moest zijn ontstaan doordat de plaat bewoog over een plek die constant vloeibaar en heet materiaal omhoog bracht. Dit idee van een vaste plek die heet materiaal omhoog brengt werd vervolgens verder uitgedacht door Jason Morgan. Door experimenten en modellen werd vastgesteld dat er pluimen omhoog komen door de mantel heen, zie figuur 1. Vandaar de naam mantel pluim of mantle plumes in het Engels.
Figuur 1. Figuur 1: Een model gemaakt voor mantel pluimen.
Bron: The original uploader was Harroschmeling at German Wikipedia.

Er wordt gedacht dat mantel pluimen ontstaan op grens tussen de kern en de mantel. In de aarde ligt deze grens ongeveer 3000 km onder het aardoppervlakte. De mantelpluim bestaat uit opgewarmd materiaal wat lichter is, waardoor het een kleinere dichtheid heeft. Omdat de dichtheid van de omgeving hoger is en de omgeving dus zwaarder, beweegt het lichtere materiaal zich omhoog. Wanneer het materiaal bijna bij de oppervlakte is, enkele honderd kilometers nog maar verwijderd, kan het partieel smelten. Hierdoor wordt het magma en kan het zich nog makkelijker richting het aardoppervlakte bewegen en vervolgens voor vulkanisme zorgen. Dit kan zich op verschillende manieren uiten. Zo heb je in Hawaii regelmatig vulkaan uitbarstingen die grote lava stromen over het aardoppervlak laten vloeien. Maar Yellowstone heeft juist weinig uitbarstingen en ziet er daarom heel anders uit.

Waarom gaat de dichtheid dalen? De dichtheid verandert voornamelijk door de toenemende temperatuur. Warmte stromingen die uit de aardkern komen zijn een mogelijke verklaring voor de opwarming van de pluim. Naast deze warmtestroom kunnen chemische reacties binnen de mantel helpen.  Er zijn reacties waar warmte bij vrij kan komen. Deze worden exotherme reacties of processen genoemd. Een simpel voorbeeld is kernsplijting. Kernsplijting is een vorm van radioactief verval waarbij een instabiele isotoop splitst in twee kleinere kernen. Hierbij komt er energie vrij.
Verder zijn er chemische reacties die de dichtheid van een bel mantelmateriaal kunnen veranderen. Wanneer mineralen ontstaan in de mantel gebruiken ze elementen. Als het mineraal graag zware elementen opneemt, worden deze elementen onttrokken uit de directe omgeving. Dit leidt ertoe dat de omgeving relatief lichter wordt. De gevormde mineralen zijn relatief zwaarder dan de omgeving en zullen eerder zinken en de omgeving ruimte geven om zich boven het mineraal te verplaatsen.

De rede dat men vermoedt dat de mantelpluimen ontstaan op de kern - mantel grens is vanwege de chemische compositie. Elke afgekoelde steen kunnen we chemisch analyseren. Hierdoor kunnen we zien welke elementen voorkomen en in welke verhoudingen. Uit deze analyse kunnen we vervolgens zien dat veel stenen een verschillende compositie hebben terwijl ze allemaal uit de mantel komen. Er zijn duidelijke verschillen te zien met de compositie van basalten uit mid-oceanisch ruggen (MOR) in vergelijking met basalten ontstaan uit een mantel pluim. Hieruit volgt dat de bron van een MOR in ieder geval niet hetzelfde is als de bron van een mantel pluim.

Het is gemakkelijk om te kijken naar het verschil tussen de basalten van oceanische eilanden en de basalten van mid-oceanische ruggen, dan te kijken naar vulkanisme aan de continentale korst omdat de continentale korst zo dik is. Vulkanisch materiaal dat gevonden wordt rond plaatranden komt vaak door het smelten van een subducerende plaat of komt direct uit de mantel door mid-oceanische ruggen. Door de subductie wordt een grote hoeveelheid sediment en water de mantel in getransporteerd. Dit is terug te vinden gemengd met de basalten van de MOR.

Wanneer men kijkt naar de mid-oceanische rug basalt (MORB) en oceanische eiland basalten (OIB) dan hebben oceanische eilanden hogere ijzer en titanium waardes dan MORB. Ook bevatten ze meer LREE, light rare earth elements. Dit zijn de elementen met atoomnummer 57 tot 64, zie figuur 2. Enkele voorbeelden zijn neodymium (Ne) en cerium (Ce) . Dit leidt tot de conclusie dat de bron van deze twee basalten anders moet zijn. Als de MORB van de bovenste mantel komen dan klinkt het logisch als de OIB vanaf de kern mantel grens komen.
Figuur 2. Figure 2. Grafiek van elementen uitgezet tegen hun voorkomen.
Bron: Gordon B. Haxel, Sara Boore, and Susan Mayfield from USGS via wikipedia.

Welke plekken zijn nu mantel pluim locaties? Het idee is dat voor veel plekken die ook hotspots genoemd worden, ze hun voeding halen uit de mantel pluimen. Hawaii is de inspiratie voor het begin van deze theorie. Door de staart van oude vulkaan eilanden is het duidelijk dat er iets bewogen moet hebben om zoveel vulkanen te verkrijgen. We weten dat de platen bewegen.

Andere mogelijke resultaten van mantel pluimen zijn vloedbasalten. Een vloed basalt is een gigantisch oppervlak wat bedekt is geraakt door een grootschalige uitbarsting. Hierbij is dit gebied volledig bedekt met basaltische lava. De Deccan Traps in India, de Sibirische Trappen in Rusland en de Karoo-Ferrar in Zuidelijk Afrika en Antarctica zijn enkele voorbeelden. Deze vloedbasalten vallen onder LIP. Dit zijn Large Igneos Provinces. Grote oppervlaktes waar dus in korte tijd, enkele milioenen jaren of minder, het oppervlakte bedekt word door magmatisch gesteente. Bij deze grote uitbarstingen word gedacht dat er ook veel schadelijke stoffen vrij komen. Sulfaatgassen kunnen vrij komen en zwavelzuur vormt in de atmosfeer wat leidt tot grootschalige koeling van de aarde. LIP’s die zich op de zeebodem bevinden kunnen de hoeveelheid zuurstof in het zeewater verminderen wat grote gevolgen kan hebben voor klimaat.

College van de maand: Glaciale sedimenten op de zeebodem

Na mijn vorige college over föhn winden in South Georgia blijf ik in de koude gebieden hangen. Deze maand zal het college gaan over de verschillende soorten gletsjers die er op Aarde te vinden zijn. Van een afstandje mogen ze misschien allemaal op elkaar lijken, maar van dichtbij zijn er vele verschillen te ontdekken. Niet alleen in hoe ze er van buiten uit zien, maar ook hoe ze intern werken en wat voor landschapsvormen ze achterlaten.

Gletsjers zijn prachtige verschijnselen om te zien. Een enorme massa ijs die ogenschijnlijk eeuwig op dezelfde plek blijft liggen. Maar niets is minder waar; gletsjers zijn continue in beweging. Sneeuw wordt onder haar eigen gewicht samengeperst tot korrelsneeuw ( firn) en daarna tot ijs. De ontstane zware ijsmassa beweegt onder invloed van de zwaartekracht naar beneden. Eenmaal de evenwichtslijn gepasseerd (het punt waar ablatie van sneeuw groter is dan accumulatie) begint het ijs te smelten terwijl het blijft voortbewegen. Er wordt dus continue ijs aangeleverd, maar het eindpunt van de gletsjer kan zo op dezelfde plek blijven.

De manier waarop een gletsjer over de ondergrond beweegt is een van de factoren waarop gletsjertypen kunnen worden ingedeeld. De andere classificatie is gebaseerd op de vorm en ligging van en gletsjer. Bij de eerste categorie wordt een verdeling gemaakt tussen ‘warme’ en ‘koude’ gletsjers. Hierbij gaat het vooral ook om de basis van de gletsjers, waar het ijs en het onderliggende gesteente met elkaar in contact zijn. Warme gletsjers hebben een ijstemperatuur rond de 0 °C door de gehele dikte van de gletsjer, alleen aan de top treedt een grote variatie op gedurende de zomer en winter. Dit type gletsjer glijdt als het ware over de ondergrond door een waterlaagje tussen het ijs en het substraat dat de werking heeft van een smeermiddel. Zelfs bij temperaturen onder het nulpunt kan het ijs tot water smelten door de grote druk van het bovenliggende ijs (afb 1). Hoge druk verlaagd de smelt of kooktemperatuur van materialen. Naast het glijden aan de basis treedt er ook interne vervorming van het ijs op. Deze beweging is meestal het grootst aan het oppervlak van de gletsjer en zo goed als nihil aan de basis (afb 1). Het glijdende ijs is erg goed in het eroderen van de ondergrond en laat gestroomlijnde landschapsvormen achter waaruit de stroomrichting van het ijs te herleiden valt.

Daarentegen is de basis van koude gletsjers bijna vastgevroren aan het gesteente. De temperatuur van het ijs light over de gehele dikte ver onder het nulpunt. Ze bewegen voornamelijk door interne beweging in het ijs. Het gewicht en de druk van het ijspakket is zelfs niet groot genoeg om het smeltpunt zo laag te krijgen. Deze manier van bewegen zorgt voor een minder eroderende werking. Natuurlijk is de werkelijkheid nooit helemaal zwart/wit en zijn er ook polythermische gletsjers te vinden. Dit zijn gletsjers die tussen de twee typen in vallen.

Afb 1. Het verschil in voortbeweging tussen warme en koude gletsjers. Aangepast van R. Gamesby.
De classificatie op basis van vorm en grootte is iets wat makkelijker en kan in het veld ook beter worden herkend aan de hand van de ligging van een gletsjer. Hierbij beginnen we hoog in de bergen met kleine cirquegletsjers gelegen in nagenoeg ronde uitsparingen tussen de hoge pieken (afb 2).
Afb 2. Een cirquegletsjer op South Georgia, onofficieel de Diamond Gletsjer genoemd door de ligging naast Diamond Peak; te zien rechts op de foto. Bron: Jostein Bakke.
 
Afb 3. Neumayer gletsjer op South Georgia is een kalvende gletsjer die uitmondt in Cumberland Bay. Vanaf Carlita Bay zijn de ijsschotsen afkomstig van de gletsjer te zien. Bron: Jostein Bakke.
  
Via vallei- of dalgletsjers – de naam spreekt voor zich – dalen we af tussen de berghellingen. Vervolgens benoemen we gletsjers afhankelijk van waar ze uitkomen; Piedmontgletsjers stromen uit in een laagvlakte aan de voet van het gebergte en creëren hierbij een waaiervorm, kalvende gletsjers monden uit in zee waarbij het gletsjerijs niet drijft en afgebroken stukken ijsbergen vormen (afb 3). Naast deze ‘kleinere’ vormen van gletsjers bestaan er ook nog ijskappen en -vlaktes, waarbij de ligging van de gletsjer niet bepaald wordt door de omliggende topografie, maar het ijs zelf het hele landschap bedekt. Dit soort ijsvlaktes kennen we voornamelijk van

Antarctica en Groenland en beslaan een enorm groot gebied, hierdoor worden ze ook wel continentale gletsjers genoemd. Alleen de allerhoogste pieken van bergen weten nog boven het ijs uit te steken. Dit soort pieken worden nunataks genoemd. Als laatste in de categorie komt het ijsplateau, dit is een gletsjer die uitmondt in zee en daarbij op het water blijft drijven.

Gletsjers die in zee uitmonden brengen een interessant geologisch verschijnsel met zich mee. Terwijl de gletsjers door een vallei omlaag bewegen eroderen ze het gesteente om zich heen en wordt er gesteente bovenop de gletsjer afgezet. Deze afzettingen kunnen uiteindelijk in het ijs worden ingebed. Op momenten dat er veel ijsbergen afkalven wordt er daarmee ook een grote hoeveelheid van dit sediment afgevoerd. Als op een vlot kunnen zo ook grote keien worden meegevoerd. Wanneer de ijsberg langzaam smelt valt het sediment uit het ijs en zinkt naar de oceaanbodem. De ijsbergen kunnen grote afstanden afleggen en zo dit ‘ice rafted debris’ (IRD) over een groot oppervlak van de zeebodem verspreiden. Omdat er ver van de continenten vandaan vooral zeer fijn sediment wordt afgezet, zijn deze grotere deeltjes erg opvallend in de stratigrafie. Deze mariene ‘zwerfstenen’ worden in geologisch en klimatologisch onderzoek gebruikt om reconstructies te maken van de dynamiek en stabiliteit van de gletsjers. Door de samenstelling van het sediment te onderzoeken kan achterhaalt wordt waar de oorsprong van het gesteente ligt. Door naar verschillen in de concentratie van IRD te kijken, kunnen schattingen worden gemaakt van grote klimaatschommelingen in het verleden.

Zo komt er in de stratigrafie van het noordelijke deel van de Atlantische Oceaan een aantal intervallen voor die gekenmerkt worden door een uitzonderlijk grote hoeveelheid IRD. Dit sediment dat in een relatief korte tijd is afgezet, is voornamelijk afkomstig van de Laurentide ijskap die in het verleden grote delen van Canada en het noorden van de Verenigde Staten bedekte. De events waarbij deze ijskap erg instabiel was en er grote hoeveelheden ijs afkalfde, worden Heinrich events genoemd – naar de marien geoloog die ze voor het eerst beschreef. De enorme hoeveelheden zoet water die gedurende deze events via de ijsbergen in het oceaanwater terecht kwamen beïnvloedden oceaanstromingen en daarmee de warmteverdeling over de wereld. De timing van deze events viel veelal samen met klimaatschommelingen in het verleden. De ontdekking van nieuwe lagen met een hoog IRD-gehalte kunnen dan ook wijzen op meerdere klimaat fluctuaties. Deze toepassingen van glaciale sedimenten zijn niet heel erg voor de hand liggend, dat glaciale sedimenten niet alleen in de hoge koude gebieden te vinden zijn, maar ook tot diep in de zee op warmere breedtegraden is een geweldig fenomeen waar zeker nog veel in te ontdekken valt.

College van de maand: De Geologie van IJsland. Hoe zich een eiland heeft kunnen vormen in de Atlantische Oceaan

Door: Vera Hoogland

Afgelopen augustus hebben mijn ouders met mijn broer een magische reis door IJsland gemaakt. Aangezien IJsland voor geologen een indrukwekkend en interessant land is, was ik natuurlijk super jaloers. Ondanks dat ik niet mee kon, heb ik dankzij hun uitgebreide verhalen en vele foto’s (zie afbeelding 4 t/m 8) toch mee kunnen genieten van het landschap, de geologie en de historie van het eiland. IJsland heeft zo een grote indruk op mijn ouders en broer gemaakt dat ik heb besloten dit college van de maand aan de geologie en geschiedenis van dit mysterieuze eiland te weiden.

Het ontstaan van IJsland: Terug naar het begin
Om te beginnen is het voor niemand onbekend dat IJsland vulkanisch zeer actief is. Zwarte stranden, basaltzuilen en lavastromen kenmerken het landschap en dragen bij aan de zwaarmoedige en ruige sfeer van het eiland. Naast de vele vulkanische verschijnselen beschikt IJsland ook over beroemde geisers en duizenden watervallen, unieke rotsformaties en majestueuze gletsjers. Maar hoe heeft dit eiland zich in eerste instantie –zo ver en geïsoleerd van het vaste land- kunnen vormen?

Om deze vraag te beantwoorden moeten we ver terug in de tijd, toen het supercontinent Pangea uit elkaar begon te vallen en continentale drift plaats vond (zo’n 60-55 ma geleden). De divergente beweging van de Amerikaanse plaat en de Euraziatische plaat leidde tot de opening van de Atlantische oceaan en het vormen ’s werelds langste oceanische rift (Mid-Atlantic Ridge, afb.1 en 2). De Mid-Atlantic Ridge is tevens de langste onderwater bergketen van de wereld. Normaal gesproken vindt er langs zo een rift-systeem rek in de aardkorst plaats, waardoor de korst zich verdunt en magma vanuit de lithosfeer omhoog komt. De magma vloeit uit en komt vervolgens in aanraking met het zeewater waardoor het afkoelt en er nieuwe oceanische korst gevormd wordt. Maar dit proces op zich leidt nog niet tot het ontstaan van een eiland. Tijdens de vorming van IJsland heeft dus nog een andere factor een rol gespeeld...
afb 1
Afb. 1: De Mid-Atlantische Rug, ’s Werelds langste onderwater bergketen, loopt van de Noordpool tot aan Antarctica.
De Mantelpluim-theorie
Eind jaren ’90 begonnen geologen zich meer bezig te houden met de geologie en het ontstaan van IJsland en al snel werd er een grote mantelpluim onder IJsland ontdekt: de Icelandic Mantle Plume (afb.3). Een mantelpluim (ook wel hotspot genoemd) is een opwaartse stroming van heet materiaal in de mantel. Waarschijnlijk wordt de mantel van onderen opgewarmd door warmtestromingen uit de kern waardoor het materiaal dichtheid verliest en omhoog richting het oppervlak zal bewegen.
Niet alle wetenschappers zijn het echter eens met deze hypothese, aangezien het lastig is om de mantelpluim direct in de mantel aan te tonen. Een belangrijk argument vóór het bestaan van de Icelandic Mantle Plume is de duidelijke verdikking van de korst onder IJsland. De korst laat hier namelijk een verdikking zien tot wel 30 km! Dit zou enkel verklaard kunnen worden doordat de mantelpluim zorgt voor aanvoer van materiaal vanuit de mantel en dit vervolgens aan de onderkant van de korst ‘plakt’. Hierdoor wordt de korst steeds dikker en dikker. Tot nu toe is de mantelpluim-theorie dan ook de meest gebruikelijke theorie om het ontstaan van IJsland te verklaren.
Afb. 2
Afb. 2: De Convergente spreidingsrug van de Mid Atlanrische rift loopt dwars door IJsland heen. Bron: USGS
Afb. 3
Afb. 3: Een schematische weergaven van de mantelpluim onder IJsland, aangegeven in het donker rood. Bron: Scienceofcycles.com
Enfin, terug naar de break-up van Pangea en de vorming van IJsland. Als gevolg van de spreidende platen is de spreidingsrug uiteindelijk boven de mantelpluim komen te liggen (afb.3). Het omhoogkomende mantelmateriaal leidde vervolgens tot het opstuwen van de oceanische korst, waardoor er dome-achtige structuren begonnen te vormen die ervoor hebben gezorgd dat de spreidingsrug omhoog is gekomen. Hierdoor kon het uitvloeiende lava makkelijk een eiland vormen wat boven water uitstak. Door de doorgaande spreiding bleef dit gebied vulkanisch actief en bleef er steeds meer lava uitvloeien. Er kon zo steeds meer nieuwe korst gemaakt worden, tot er ongeveer 16-18 ma jaar geleden een eiland was gevormd: IJsland.
De bijzondere geologische setting van IJsland, namelijk midden op twee spreidende aardplaten én gelegen boven een mantelpluim, is dan ook de reden dat IJsland over een actief hydrothermaal systeem beschikt, waaronder de geisers en de toegang tot aardwarmte (zie afb.6). Ook is IJsland erg populair onder toeristen en backpackers, die graag rond het eiland trekken om de barre natuur, jonge vulkanen, krachtige watervallen (afb.8) en interessante rotsformaties te bezichtigen. De foto’s hieronder zijn gemaakt door mijn ouders en broer tijdens hun rondreis en geven de sfeer en de schoonheid van IJsland naar mijn mening goed weer. Ik hoop er natuurlijk zelf ooit rond te kunnen lopen om er met mijn eigen geologen-ogen naar te kunnen kijken. Een mooie droom voor in de toekomst.
Afb 4
Afb. 4: Thingvellir, de grens tussen de Euraziatische plaat en de Amerikaanse plaat. Bezoekers kunnen een wandeling door de kloof maken en aan weerszijde de reusachtige basalt rotsen bewonderen.
Afb 5
Afb.5: Thingvellir. Een van de vele watervallen van IJsland. Het vele smeltwater in combinatie met de harde vulkanische rotsachtige ondergrond zorgt voor duizenden watervallen door het hele land heen.
Afb 6
Afb. 6: Hydrothermale activiteit in de vorm van Geisers en opstijgend stoom zijn kenmerkend voor IJsland en tevens een van de belangrijkste energievoorzieningen van het land. Locatie Hrevrir.
Afb 7
Afb 7: Drijvende ijsschotsen langs het zwarte strand. De ijsschotsen zijn afkomstig van de gletsjers en leggen een lange tocht af om uiteindelijk in de oceaan uit te monden. Locatie Yökulsárlon.
Afb 8
Afb. 8: Godafoss, een van de vele krachtige watervallen van IJsland.

Alle foto’s zijn gemaakt door D. Hoogland.

Bent u toevallig in IJsland geweest? Heeft u vragen over dit artikel of over de geologie van IJsland? Stel gerust uw vraag en laat me weten wat u ervan vond via het reactie formulier hieronder.

College van de maand: Labdagen op de VU, deel 2

Een Mars studie
De vorige keer heb ik beloofd om het resultaat van mijn thesis onderzoek te delen. Het resultaat van mijn onderzoek vertel ik zo dadelijk. Eerst wil ik graag vertellen wat ik van mijn onderzoek vond!

Ik heb enorm genoten van het onderzoek zelf. Uiteindelijk heb ik zes experimenten uitgevoerd. Voor elk experiment moest ik zelf alles maken zoals beschreven staat in mijn vorige college. Dit kost een hoop tijd, maar het geeft wel voldoening omdat mijn experiment dus bijna volledig eigenhandig in elkaar is gezet.

Tijdens het uitvoeren van de experimenten heb ik wel een beetje pech gehad. Elk experiment maken en in elkaar zetten kost een hoop tijd, maar het experiment uitvoeren ook. Er zijn een aantal dingen waar je telkens op moet wachten.

Als voorbeeld mijn kortste experiment: Mijn kortste experiment duurde maar twee uur. Deze twee uur gaan pas in nadat het experiment op temperatuur gekomen is. De tijd die de machine nodig heeft om van kamer temperatuur naar de gewenste eind temperatuur te gaan, is minsten 15 minuten. Soms zit het tegen en duurt het 20 minuten of zelfs langer. Voordat de temperatuur van het experiment verhoogt kan worden, moet de machine gereed gemaakt worden. Dit koste mij vaak een uurtje tijd, met mazzel 40 minuten. Nadat een experiment klaar is, moet de druk voorzichtig worden afgebouwd. In mijn experimenten ben ik telkens naar een druk van 2 GPa gegaan, de échte druk is 23 GPa op de kernmantel grens (zie figuur 1). Een druk van 2 GPa is vergelijkbaar met 20000 bar of 19738.5 atmosfeer. De luchtdruk om ons heen is 1 atmosfeer, wat overeenkomt met 1,013 bar. Om de machine niet te breken moet er dus rustig worden afgebouwd. Als de druk weer normaal is kan het experiment uit de machine gehaald worden. Samen met het schoonmaken van de machine ben je hier minstens een half uur mee bezig. Kortom het kost een hoop tijd.

51F18ABF C692 41D3 AE06 88A80AAB26D2
Fig.1. De aarde, mars en de maan worden schematisch naast elkaar weer gegeven. Bij de kern- mantel grens van Mars heerst een druk van 23 GPa. Die van de aarde ligt rond de 123 GPa. Bron: NASA.

Ik heb ook nog de pech gehad dat achter elkaar twee van mijn experimenten mislukten. Omdat ik de machine met zeven andere studenten moest delen, kon ik telkens pas een week later mijn eerst volgende experiment uitvoeren. Het nadeel van het mislukken van experiment is dat je ook niet altijd direct een nieuw experiment kan doen. Je heb niet altijd een kant en klaar preparaat ‘op vooraad’ om meteen een nieuw experiment mee uit te voeren.

Gelukkig heb ik zes experimenten wél kunnen uitvoeren. Drie experimenten zijn uitgevoerd op 1400 graden Celsius. De andere drie experimenten zijn uitgevoerd op 1500 graden Celsius. Beide temperatuurseries hadden een kort experiment van 2 uur, een middel experiment van 4 uur, en een lang experiment van meer dan 14 uur. Het verschil in temperatuur is meegenomen in de experimenten om te kijken wat dit voor verschil in resultaten geeft.

Het hele idee van mijn experimenten was om te onderzoeken hoe de kern en de mantel van Mars chemisch met elkaar reageren. Van tevoren wist ik vrij nauwkeurig de samenstelling van het monster (de kern van Mars en de mantel van Mars). Na het experiment kon ik met de JEOL Electron Probe Microanalyzer (EPMA) in Utrecht meten welke elementen zich op een plek bevonden. De EMPA schiet een bundel van elektronen waardoor er vrij precies de hoeveelheid elementen, als ijzer (Fe), zwavel (S) of bijvoorbeeld silicium (Si), gemeten wordt. Gezien het kleine volume van de monsters is het fijn dat het apparaat een bundel kan afgeven met een straal van 1µm. Ter vergelijking: 1µm = 0.001 mm. Het onderzoek heeft veel gegevens opgeleverd. Zóveel dat ik ze helaas niet allemaal kan bespreken.

De meest kenmerkende resultaten.
Als eerste experiment vijf, zie figuur 2. Dit experiment duurde 4 uur en werd uitgevoerd op 1500 graden Celsius. Zoals te zien is in de figuur is er een trend in de meetwaarden aanwezig.
DBFF591B F217 43D4 B01D 260AFE112567
Fig. 2. Grafiek van door mij verzamelde gegevens van enkele metingen in experiment vijf. Meerdere trendlijnen zijn gemaakt van de metingen die plaatsvonden. Op elk meetpunt, x-as, zijn dus in ieder geval de elementen SiO2 (silicium oxide), MgO (magnesium oxide) en FeO (ijzeroxide) gemeten. Dit zijn niet de enige elementen die gemeten zijn, maar wel degene die de trend het beste laten zien.


Dicht bij de kern is er een hoog FeO gehalte. Verder van de kern af zakt deze waarde. Deze trend komt doordat de kern extra Fe kan aanleveren. Dit resultaat is ook terug te vinden in al mijn andere experimenten.
Als tweede resultaat is het verschil te zien tussen een kort en lang experiment. Experiment 1 (figuur 3) duurde 16 uur en experiment 3 (figuur 4) duurde maar 2 uur.
B222295B 9824 40BD ABF3 380E017D1EDE
Fig. 3. Grafiek van door mij verzamelde gegevens van enkele metingen in experiment 1. Meerdere trendlijnen zijn gemaakt van de metingen die plaatsvonden. Op elk meetpunt, x-as, zijn dus in ieder geval de elementen SiO2 (silicium oxide), MgO (magnesium oxide) en FeO (ijzeroxide) gemeten. Dit zijn niet de enige elementen die gemeten zijn, maar wel degene die de trend het beste laten zien

89F23DE3 C621 471A 8707 56A7904DBA3A
Fig. 4. Grafiek van door mij verzamelde gegevens van enkele metingen in experiment drie. Meerdere trendlijnen zijn gemaakt van de metingen die plaatsvonden. Op elk meetpunt, x-as, zijn dus in ieder geval de elementen SiO2 (silicium oxide), MgO (magnesium oxide) en FeO (ijzeroxide) gemeten. Dit zijn niet de enige elementen die gemeten zijn, maar wel degene die de trend het beste laten zien.

Zelfs een ongetraind oog kan zien dat de lijnen in beide figuren verschillen van helling. De lijnen gaan over dezelfde elementen, alleen in andere experimenten. Beide figuren beginnen vlakbij de kern en eindigen verder weg van de kern.

Bij vergelijking van beide grafieken is goed zichtbaar hoe experiment één meer in evenwicht gekomen is dan experiment drie. Dit evenwicht komt doordat het eerste experiment veel langer de tijd had dan het derde experiment. Hierdoor is het verschil tussen vlakbij de kern en verder weg van de kern veel kleiner geworden.

Ik had ook gehoopt op een duidelijk resultaat tussen de verschillende temperatuur experimenten. De verwachting was dat de waardes van ijzer veel hoger zouden liggen en dat andere elementen als nikkel en zwavel meer uit de kern meegenomen zouden worden. Helaas was er te weinig concrete data om een duidelijk verschil vast te stellen.
Het zou dan ook erg leuk zijn om hieraan in de toekomst meer te onderzoeken.

College van de maand: Warme winden in Sub-Antarctica

Van college volgen, naar zelf lesgeven. Tijdens de colleges van de maand was ik daar al een beetje mee bezig, maar binnenkort ga ik er ook in het dagelijks leven mee aan de slag. Na het studeren ga ik nu de Noorse wetenschappelijke wereld in als PhD kandidaat om onderzoek te doen naar de klimaat- en vegetatie-geschiedenis van twee eilanden in de Zuidelijke Oceaan. Een beetje tegenstrijdig zou je denken, om dichter bij de Noordpool te gaan wonen terwijl het onderzoek over het Zuidelijk Halfrond gaat. Maar het wil dat de Noren heel erg van sneeuw, kou en walvissen houden, onafhankelijk van op welk halfrond ze zitten. Speciaal voor jullie duik ik deze maand nog even verder de geologische geschiedenis van Zuid-Georgia in, verder dan de laatste 11.700 jaar die ik ga bestuderen. Maar bovenal wil ik jullie in dit college iets leren over een interessant proces; warme föhn winden die er voor zorgen dat het zelfs zo dicht bij de Zuidpool meer dan 23 °C kan worden.
Afb 1. De locatie van Zuid-Georgia, hierop is duidelijk te zien hoe de Scotia Ridge een verbinding vormt tussen Zuid-Amerika en het Antarctisch Schiereiland. Bron: Google Earth (2019).
Zuid-Georgia (afb. 1) werd ontdekt in 1675 door Antoine de la Roche en werd later geclaimd door Groot Brittannië nadat James Cook in 1775 bij het eiland aan kwam. Tijdens de 19e en 20e eeuw werd het eiland regelmatig aangedaan door voornamelijk Noorse walvisvaarders, die er in 1904 een permanente basis bouwden. Na de zestiger jaren, toen veel landen de walvisvangst verboden, werd de basis verlaten. Momenteel zijn het, naast een kleine militaire basis, enkel wetenschappers en avonturiers die het eiland aandoen. Gedurende de zomer is er een continue wisselende samenstelling van onderzoekers aanwezig in de wetenschappelijke basis op King Edward Point. Op de onderzoeksbasis op Vogeleiland, een kleiner eiland aan de Noordwestpunt van Zuid-Georgia, zijn er zelfs in de winter 4 stafleden aanwezig. Naast geologen, zijn er ook veel biologen te vinden die het leven van de vele soorten pinguïns, vogels en zeeolifanten in kaart brengen. Zuid-Georgia is met haar afgelegen en geïsoleerde ligging in de Zuidelijke Oceaan een perfecte plek voor veel land- en zeedieren om beschutting, voedsel en een broedplaats te vinden. Een continue wind en ijzige kou maken het leven van de eilandbewoners niet erg gemakkelijk zie afbeelding 2.
Afb 2. Een groep Keizerspinguïns met op de achtergrond de Neumayer Gletsjer. Foto: Anne Bjune
Door de inspanningen van de wetenschappers weten we langzaam steeds meer over dit ruige eiland. Zuid-Georgia is gelegen op de Scotia Rug, een grotendeels onderzeese bergrug die de Andes van Zuid-Amerika en de Tierra del Fuego via een grote boog verbindt met de bergrug van het Antarctisch , zie nogmaals afb. 1.
Lang geleden was Zuid-Georgia verbonden met Tierra del Fuego (Vuurland, het puntje van Zuid-Amerika), waarbij het zowel boven als onder de zeespiegel heeft gelegen als gevolg van de vele plaatbewegingen. Vanaf 50 miljoen jaar geleden begon de Scotiaplaat richting het oosten te bewegen, totdat de verbinding tussen Zuid-Amerika en het Antarctisch Schiereiland verbroken werd en de Drake Passage ontstond, de oceanografische doorgang tussen de twee continenten in.
Afb 3. De Scotiaplaat in rood gekleurd. De plaat beweegt momenteel met een snelheid van 25 mm/jaar richting het westen. Bron: Eric Gaba – Wikimedia Commons user: Sting, aangepast door Alataristarion.
Momenteel beweegt de plaat weer richting het westen (afb. 3). Het lijkt erop dat Zuid-Georgia inmiddels aan de Zuid-Amerikaanse Plaat is verbonden, maar dat is nog niet helemaal vastgesteld.

Het geologische verleden van South Georgia heeft geresulteerd in een lange bergketen die zich uitstrekt over twee-derde van het 160 km lange eiland, met als hoogtepunt Mount Paget die 2934 meter boven zeeniveau uitsteekt. De steile hellingen van de ruige bergketen op Zuid-Georgia zijn veelal het resultaat van erosie door de vele gletsjers op het eiland. Sneeuw en ijs bedekken momenteel meer dan 60% van het oppervlak. Helaas toont huidig onderzoek aan dat ook hier 97% van de gletsjers sinds 1950 langzaam in lengte afnemen. Vanuit de kust gezien is het eiland omgeven door fjorden met steile wanden en uitgestrekte gletsjers, die het eiland vanaf de zuidwestelijke kant bijna geheel ontoegankelijk maken.

De grootste reden voor dit verschil tussen de zuidwest- en noordoostelijke kant van het eiland is de windrichting. Rondom Antarctica waait een continue westenwind. De precieze ligging en sterkte van deze windgordel veranderd op een tijdschaal van enkele honderden jaren, deels afhankelijk van warme en koude periodes in de klimaatgeschiedenis, maar blijft steevast vanuit het westen over de Zuidelijke Oceaan waaien. De hoge bergrug die het eiland in de lengte verdeeld vormt een grote barrière voor deze wind. Dit zorgt er voor dat de noordoostkant veel beschutter is en het klimaat iets aangenamer. Daarbij speelt het föhn effect nog een extra rol in de warme temperaturen aan de noordoostzijde zie afb. 4.
Afb 4. In de beschutte noordoostkant van het eiland zijn enkele ijsvrije valleien en fjorden te vinden langs de kust. Hier is de vegetatie dan ook het beste ontwikkeld. Op de voorgrond groeit Acaena magellanica. Foto: Anne Bjune.
Föhn winden ontstaan als een luchtstroom met hoge luchtvochtigheid een topografisch obstakel tegenkomt, de lucht wordt dan omhoog gedwongen. De stijgende lucht koelt af doordat de lucht uitzet en de luchtdruk daardoor verlaagd, dit wordt ook wel adiabatische koeling genoemd. Wanneer de lucht dusdanig is afgekoeld dat het dauwpunt is bereikt treedt er condensatie op en kan het gaan regenen op de loefzijde (de kant waar de wind vandaan komt) van de berg. In het geval van Zuid-Georgia is dit de westkant van de bergen. Door de regen neemt de luchtvochtigheid van de luchtstroom af, wanneer de lucht vervolgens aan de lijzijde van de berg weer daalt wordt de lucht verwarmd door adiabatische compressie. Omdat de vervalratio van droge lucht (10 °C/km) hoger is dan die van vochtige lucht (6 °C/km) zal de lucht onder aan de lijzijde van de berg warmer en droger zijn dan op gelijke hoogte aan de loefzijde zie afb 5).
Afb 5. Schematische weergave van de föhn winden met (a) en zonder (b) neerslag. Uit Barrow and King (2015).
Föhn winden kunnen ook ontstaan zonder neerslag aan de loefzijde van de barrière. Wanneer een stabiele koude luchtlaag een blokkade vormt aan de loefzijde kan een warme, en vaak droge, luchtlaag over de barriere worden gedwongen. Wanneer deze lucht vervolgens aan de lijzijde afdaalt treed weer dezelfde adiabatische compressie op.
Afb. 6 Het hoogteverschil tussen de bergen zorgt voor een diversiteit aan wolkvorming. Op deze foto is een typische lenswolk (altocumulus lenticularis) te zien. De wolk vormt op een hoogte waar de lucht afkoelt en verzadigt raakt met waterdamp, wordt de lucht weer warmer lost de bewolking op. Deze wolken blijven vaak permanent op dezelfde plek en hoogte hangen terwijl de lucht verder stroomt. Ze doen zich daardoor vaak voor bij föhn winden. Foto: Anne Bjune.
Ongeacht het precieze mechanisme van de föhn winden hebben metingen op Zuid-Georgia aangetoont dat ze binnen enkele uren voor een temperatuurverhoging tot meer dan 20 °C kunnen zorgen op de lijzijde. De gemiddelde temperatuur in de zuidelijke zomer (januari) is 4 °C, dus wanneer de temperatuur plotseling zeer snel stijgt en een aantal uur hoog blijft, kan dit grote effecten hebben op het eiland. Niet alleen het planten- en dierenleven wordt beïnvloed, sneeuw en ijs reageren ook razendsnel op veranderingen in temperatuur. De gletsjers aan de noordoostkant van Zuid-Georgia trekken zich sneller terug dan die aan de zuidwestkant. Föhnwinden op Zuid-Georgia komen gemiddeld om de 4 dagen voor en zijn daardoor zeker een verschijnsel om rekening mee te houden bij mijn onderzoek. Of de sedimenten daadwerkelijk door de jaren heen een verschil in de windsterkte laten zien, kunnen jullie hopelijk over vier jaar teruglezen in mijn proefschrift.

Bronnen:
  • www.gov.gs
  • Bannister, D., King, J., 2015. Föhn winds on South Georgia and their impact on regional climate. Weather 70, 324-329
  • Eagles, G., & Jokat, W. (2014). Tectonic reconstructions for paleobathymetry in Drake Passage. Tectonophysics, 611, 28-50.
  • Galbraith, D., Lewis-Smith, R., & Burton, R. (2011). Field guide to the flora of South Georgia. South Geogia Heritage Trust.
  • Thomas, Z., Turney, C., Allan, R., Colwell, S., Kelly, G., Lister, D., ... & Herold, N. (2018). A New Daily Observational Record from Grytviken, South Georgia: Exploring Twentieth-Century Extremes in the South Atlantic. Journal of Climate, 31(5), 1743-1755.

College van de maand mei: Labdagen op de VU; ”experimenten met Mars”

Als student Aardwetenschappen, in het laatste studiejaar, ben ik bezig met een onderzoek project. Bij onze studie wordt er van je verwacht dat je onderzoek doet en hier vervolgens een uitgebreid verslag van schrijft. Ik heb er voor gekozen om onder leiding van een van mijn docenten onderzoek te doen naar planeten. Het leuke aan dit project is dat het drie maanden duurt. Ik kan jullie dus nu alles uitleggen over wat ik ga doen en bij mijn volgende college kan ik hopelijk de resultaten gaan beschrijven van dit onderzoek!

Samen met nog drie andere studenten ben ik bezig met onderzoek over de planeet Mars. Wij willen graag meer informatie krijgen over hoe de kern en mantel van Mars met elkaar reageren. Omdat het nog niet mogelijk is dit onderzoek zelf uit te voeren op Mars, doen wij experimenteel onderzoek. Dit houdt eigenlijk in dat we aan de hand van voorafgaande studies een experiment opzetten waarin we het grensgebied van kern en mantel van Mars nabootsen.

Het nadeel is, is dat we weinig zeker weten over Mars. We hebben verwachtingen over de druk en temperatuur die zich op deze grens moet bevinden, maar wat de precieze samenstelling is van de kern en mantel weten we niet. We weten het niet eens van onze eigen aarde. Gezamenlijk hebben we twee chemisch verschillende kernen en mantels gemaakt. Verspreid over de verschillende studenten doet iedere student het onderzoek met een verschillend (gesimuleerd) Mars gesteente. Het idee is dat we uiteindelijk onze resultaten gaan vergelijken met elkaar. Hierdoor kunnen we hopelijk wat beter begrijpen wat er gebeurt daar binnen.

Nu vraag je je vast af, waarom doe je dit onderzoek voor Mars? Waarom doe je dit niet voor de Aarde? Daar wonen we immers op. De reden dat we dit onderzoek niet naar aardse omstandigheden doen, is omdat de condities op deze de grens kern-mantel in de aarde technisch de simulatie onmogelijk maken. De druk aan de onderkant van de mantel zal rond de 140 GPa liggen. Vrij weinig machines kunnen dit nabootsen en het gebruik hiervan is niet bedoeld voor maar een bachelor thesis onderzoek. Mars heeft maar een druk van ongeveer 23 GPa op dezelfde plek. De machine die wij voor ons onderzoek gaan gebruiken kan tot 3 GPa. Dit komt niet in de buurt van de druk van Mars, maar het is veel dichter in de buurt van Mars dan van de Aarde. Vandaar de voornaamste reden waarom wij geen onderzoek doen naar de Aarde.

Voorbereiding voor het onderzoek

Figuur 1. Poeder voor de imitatie mantel van Mars, bijna klaar om te gaan mengen. Door gebruik van de vloeistof ethanol zweeft je poeder niet weg wanneer je gaat mengen.
Zoals ik eerder zei, ben ik bezig met experimenteel onderzoek. Ik ga uitleggen wat allemaal nodig is om een experiment te doen en hoe de machine te werk gaat tijdens een experiment. Het idee is dat elke student ongeveer tien experimenten doet.

Ik begin bij het kleinste. Om het experiment te starten, hebben we iets nodig waarmee we kunnen experimenteren. Er moet een mantel en een kern van Mars gemaakt worden. Dit gebeurd vrij simpel door verschillende soorten poeders bij elkaar te gooien en goed te mixen, zie figuur 1.

De kern van Mars die ik maak heeft 70 wt.% ijzer, 10 wt.% Nikkel en 20 wt.% zwavel. Wt.% staat voor het gewicht percentage. Het gewichtspercentage zorgt ervoor dat de verhoudingen tussen de poeders hetzelfde blijven. Het maakt dan niet uit of je een kilo maakt of maar honderd gram.

Voor de mantel van Mars is het als volgt:
SiO2  42 wt. %
 Al2O3  3 wt. %
 Na2O  0,5 wt. %
 CaO  3 wt. %
 MgO  30 wt. %
 FeO  20 wt. %
 TiO2  0,10 wt. %
 Cr2O3  1 wt. %

In de eerste kolom staat de chemische samenstelling van het betreffende ingrediënt, de tweede kolom geeft de te gebruiken hoeveelheid weer.

Deze poeders vormen het kleinste gedeelte van de experimenten. Voor elk experiment zijn maar een paar korrels nodig van elk poeder. De kern die gemaakt is weegt anderhalve gram en de mantel weegt twee gram. De hoeveelheden poeder die nodig zijn, waren dus ook erg klein.
Figuur 2. Getekende afmetingen van de grafiet emmer.
Het gemaakte poedermengsel wordt geplaatst in onderdeel A, zie figuur 2. Onderdeel A is een emmer gemaakt van grafiet. Op deze emmer zit een deksel gemaakt van grafiet. Dit emmertje functioneert als een oven. Tevens zorgt het afgesloten emmertje er voor dat je experiment zuiver blijft. Dus ter bescherming van contaminatie van je experiment; hier zal ik later wat meer op terug komen. Het grafiet komt binnen als een dikke staaf. Zelf moet je deze staaf  afdraaien en boren om het gewilde emmertje te verkrijgen.

figuur 3
Figuur 3. Het dopje (zwart) van de grafiet emmer. Balpen voor schaal erbij.
De deksel moet je zelf ook boren, zie figuur 3. Zoals je kan zien op dit figuur is het allemaal erg klein. Dit vraagt tijdens het boren om veel concentratie en precisie. Ondertussen zijn er al heel wat emmertjes gesneuveld doordat er iets mis ging tijdens het boren of afdraaien. Ook zijn er al menige dekseltjes kwijt geraakt helaas. Als je emmertje dus goed is, mag je een paar korrels poeder in je emmertje stoppen, zie figuur 4.

Vervolgens plaats je het dekseltje er ook op. Voor het vullen gebruiken we een microscoop om goed naar vullen te kijken.
250
Figuur 4. Vullen van de grafiet emmer*.
250
Figuur 5. Draaibank waarmee de grafiet word afgedraaid. Links is de boorkop te zien, in het midden het mesje (de snijbeitel) waarmee geschaafd wordt. Rechts het draaiende grafiet. Foto: Martijn Reijnders, mede student in het lab.
Het schaven en boren van het grafiet gebeurt op een draaibank. De grafieten staaf draait, terwijl het mes (de snijbeitel) en de boor stil staan, zie figuur 5.
Figuur 6. Afmetingen van de platina buis met onderaan het "vredesteken", waarmee het buisje wordt afgesloten.
Figuur 7. De MgO buis. De stippellijn laat het gat zien van de punt van de boor. De platina buis kan hier niet in omdat die plat is, vandaar dat je dieper moet boren.
Wanneer het grafiet dicht zit, wordt deze geplaatst in een buisje van platina, onderdeel B, zie figuur 6. De platina buisjes moet je zelf van een langere staaf afsnijden. Ze moeten tussen de zeven en een halve millimeter tot 9 millimeter lang zijn. Vervolgens sluit je een kant van het buisje af door met een platte kop tang een vredeteken te knijpen, onderdeel B.A, zie figuur 6 onderaan. Je last deze kant ook nog eens dicht om er voor te zorgen dat er niks in of uit kan. Het grafiet buisje wordt zo geplaatst dat de deksel tegen het vredeteken aan zit. Nu heb je aan de open kant van de platina nog zo een twee millimeter over. Hier knijp je de platina opnieuw dicht, dit maal gewoon een rechte streep. Deze kant las je ook weer dicht opdat er niks in of uit kan gaan. Uiteindelijk heb je dus een soort platina envelopje gemaakt.

De platina envelop gaat vervolgens in een buis van MgO, onderdeel C, zie figuur 7. Deze komt ook dikker binnen en moet je dus ook weer zelf afdraaien en boren op de draaibank. Het gat moet ongeveer twee millimeter in doorsnede zijn en precies even lang als dat je platina envelop uiteindelijk geworden is.
Figuur 8. Rechts liggen de onderdelen. De witte behuizing is de buitenste laag, gemaakt van talk. Vervolgens is er een glazen laag waarna een grafieten behuizing komt. In dit grafiet gaat de MgO buis. Puntenslijper en balpen in de achtergrond ter schaal.
Bij het boren moet rekening gehouden worden met de boor die een punt heeft. Je wilt dat je platina precies aan het oppervlakte komt, dus hij moet precies plat staan in het MgO. Hierdoor moet je 0,3 millimeter dieper boren dan de lengte van je platina envelop is. Uitvoering van het experiment. Al het boren voor een experiment is nu gelukkig klaar. Nu moet alleen alles nog in de machine gezet worden.

In de machine kunnen experimenten onder hoge druk worden uitgevoerd. De machine is vrij groot, maar de druk wordt alleen maar sterk opgevoerd op een klein stukje. Hier zijn twee onderdelen voor. Een boven gedeelte wat de machine naar beneden toe kan duwen en een onder gedeelte. Het onder gedeelte kan naar boven toe worden geduwd door de machine. In het onder gedeelte past een grote schijf van zacht metaal aan de buitenkant en het hardste metaal aan de binnenkant, mocht het harde metaal uit elkaar spatten door de druk dan wordt het opgevangen door het zachte metaal. In dit harde metaal zit weer een gat van een halve inch. Hier gaat uiteindelijk je experiment in.

Het MgO buisje gaat niet zomaar in dit gat. Het gaat eerst in een buisje bestaande uit drie lagen, zie figuur 8. De buitenste lagen zijn er om te isoleren en contaminatie te voorkomen. Wanneer de MgO in de grote buis zit, komt hier een dun schijfje van robijn op. Op het robijn komt weer een buisje waar twee draden door lopen. Deze twee draden raken elkaar pas aan als ze tegen het robijn aan zitten. Hierdoor kunnen ze precies te temperatuur meten die zich bevindt aan je platina envelop.
Figuur 9. Deel van het meet en regel panneel van de machine. Links is nog een klein stukje zichtbaar van de machine waarin het experiment daadwerkelijk wordt uitgevoerd. Op de grote schaal bovenin kun je de druk aflezen. Op het digitale scherm kan temperatuur worden aflezen tijdens het experiment.

De machine is nu dus helemaal klaar om het experiment te gaan uitvoeren. Als alles goed in elkaar zit en veilig is, voer je langzaam de druk op. Ondertussen kijk je op de verschillende meters naar de gegevens van de machine, zoals hoeveel volt de machine nog heeft, en schrijf je deze op om te controleren of er niks mis gaat, zie figuur 9. Als de druk hoog genoeg is, laat je het daar een tijdje op staan. Je moet dan nog wel controleren elk uur of alles goed blijft gaan.

Als het experiment lang genoeg geduurd heeft, halen we in een keer de stroom van de machine af. Hierdoor koelt je “experiment” zo snel mogelijk. Hierna kun je gaan onderzoeken wat er met het imitatie Mars materiaal gebeurd is. Hier zijn we voorlopig nog wel mee bezig dus een verslag hierover bewaar ik voor een volgende keer. Alle foto’s zijn gemaakt door de auteur, tenzij anders vermeld.

*Figuur 4: Docent en begeleider Wim van Westrenen laat ons zien hoe het moet.

College van de maand: De Würzburger Lügensteinen, een van de grootste fraudezaken in de geschiedenis van de geologie

Afb. 1 Lithografie uit de Lithographiae Wirceburgensis van figuurstenen met allerlei spinachtigen, waarbij zelfs spinnen in hun web zijn aangetroffen. Bron: https://amshistorica.unibo.it/3
Stel je voor, je bent verzamelaar van fossielen in de 18e eeuw, toen de paleontologie nog een heel nieuw veld van de geologie vormde. Enkele vondsten van vreemde stenen met daarop afbeeldingen van een blad, boom of beestje worden omschreven als ‘figuurstenen’. Elk nieuw fossiel biedt weer een nieuwe vreemde vorm die toentertijd verklaard werd als het werk van God. De vormen in deze stenen zouden uitingen zijn van zijn scheppende hand.

Johann Beringer was een van deze verzamelaars. Hij werkte als professor in de filosofie en geneeskunde aan de Universiteit Würzburg, maar in zijn vrije tijd zocht hij verwoed naar fossielen in het kalksteen rondom Würzburg. Onder zijn collega’s was Beringer niet erg geliefd, hij bezat weliswaar veel kennis binnen zijn vakgebied, maar werd ook erg arrogant gevonden. Twee collega’s; Professor Ignatz Rodercik en bibliothecaris Johann Georg von Eckhart besloten daarop in 1725 een grap met Beringer uit te halen, welke naderhand enorme gevolgen heeft gehad voor de reputatie van Johann Beringer.

De Muschelkalk rondom Würzburg waarin Beringer veel naar fossielen zocht werd gevormd in het Midden-Trias (~240-230 miljoen jaar geleden). Noord-Europa lag in die tijd net boven de evenaar en bestond grotendeels uit een continentaal bekken dat het grootste deel van het huidige Noord-Duitsland, Denemarken, Nederland en de Noordzee besloeg. Het bekken is ontstaan gedurende het Perm (de periode voor het Trias, die van ~230-254 miljoen jaar geleden duurde). In het Vroeg Perm vulde dit bekken zich met vulkanische afzettingen die gerelateerd zijn aan het openen van de bekkens. Daaropvolgend werden de welbekende zanden van het Rotliegend afgezet, die hedendaags een belangrijk reservoirgesteente vormt voor de petroleumgeologie. Het Groninger gasveld (Slochteren) bevindt zich ook in deze laag.

Gedurende het Perm bewoog het supercontinent Pangea langzaam richting het noorden. Hierbij smolten de ijskappen op de Noordpool. Vervolgens liep als gevolg van een stijgende zeespiegel de depressie vol met water en ontstond er in het Laat Perm een ondiepe binnenzee ter hoogte van de evenaar. Deze periode wordt ook wel de Zechstein transgressie (transgressie = een landwaartse verschuiving van de kustlijn) genoemd. Het bijbehorende gesteentepakket bestaat uit evaporieten, voornamelijk gips. Heden ten dage vormt dit pakket niet alleen een goede afsluitende laag die het reservoir van het Rotliegend afsluit, maar wordt het gips ook op verschillend plekken in de Noord-Europese ondergrond gewonnen.

Voorts komen we aan in de periode die voor Beringer zowel een enorme fascinatie als een dieptepunt in zijn carrière was; het Trias. In Noord-Europa heerste grotendeels een warm woestijnklimaat en op het land ontwikkelde zich na de enorme massaextinctie op de Perm-Triasgrens een pioniervegetatie.

Gedurende de drogere periodes groeide op het land voornamelijk naaldbomen en grote zaadvarens. Dit waren bomen met grote varenachtige bladeren. In tegenstelling tot de varens die we tegenwoordig kennen, produceerden deze bomen zaden in plaats van sporen. Tijdens deze continentale fase werd de Bundsandstein formatie afgezet. Op het moment dat het natter werd tijdens een transgressie in het Midden Trias groeiden er struiken en bos met langs het water enorme paardenstaarten en varens die wel twee meter hoog werden. Het dierenleven bestond uit een verzameling reptielen die tot de archosauria behoorden, waaronder de voorouders van krokodillen, vliegende reptielen en dinosauriërs. De reptielen keerden in het Trias ook terug naar het water en pasten zich aan tot een verscheidenheid aan vormen. Het mariene milieu dat ontstond tijdens de transgressie was echter voornamelijk rijk aan een enorme hoeveelheid schelpen en ongewervelde dieren waaraan de Muschelkalk die in deze periode werd gevormd zijn naam te danken heeft (Muschel is duits voor schelp). Het hele pakket bestaat uit een afwisseling van kalksteen, mergel en evaporieten. De transgressie eindigt met de Keuper formatie van het Laat-Trias.

Later in het Jura en Krijt worden er voornamelijk mariene sedimenten afgezet in het grootbekken dat tegen die tijd heel Noord-Europa besloeg. De Alpiene opheffing heeft er vervolgens voor gezorgd dat het bovengenoemde gesteentepakket in zijn geheel werd opgeheven en geplooid. Erosie van de geplooide lagen heeft er vervolgend voor gezorgd dat Johann Beringer in de bergen rondom Würzburg op zoek kon gaan naar alle fossielen die zich in de Muschelkalk bevinden.

Afb. 2 Lithografie uit de Lithographiae Wirceburgensis van figuurstenen met verschillende insectachtigen. Bron: https://amshistorica.unibo.it/3
Beringer zocht niet alleen naar fossielen in de Muschelkalk, hij huurde een paar jongens in om op zoek te gaan en elk fossiel dat ze vonden mee terug te nemen. Op 31 mei 1725 kwamen de jongens met drie hele vreemde ‘fossielen’ terug vanaf een wijngaard in de buurt van Eibelstadt. De stenen waren nog vreemder dan de onbekende planten en dieren die Beringer eerder had gevonden. Op de stenen die de jongens mee hadden genomen stonden namelijk afdrukken van planten en dieren waarbij niet alleen de harde delen bewaard waren, maar ook de zachte delen. Beringer vertrouwde het niet helemaal en besloot daarop zelf op onderzoek uit te gaan. Op de berg aangekomen vond Beringer zelf ook een aantal van deze stenen in situ (in het gesteente zelf). Dit was het begin van een reeks vondsten van meer dan 2000 vreemde fossielen. De vondsten waren zeer spectaculair, Beringer vond overblijfselen van insecten, reptielen en vogels waar de huid en veren van te zien waren. Zelfs een spin te midden van haar web was bewaard (afb 1 en 2). Daarnaast vond hij ook afdrukken van sterren en kosmologische tekens. Waarachtig kwam hij delen van Hebreeuwse teksten tegen! (afb 3 en 4).

Tegenwoordig zouden we dit misschien te gek voor woorden vinden en als we de fossielen zien geloven we niet dat deze echt uit de kalksteen zijn gekomen. Maar je moet bedenken dat in de 18e eeuw de theorieën over het fossiliseren van organismen nog niet bekend was en er geen verklaring bestond over de oorsprong van de afbeeldingen die in steen bewaard waren gebleven. Beringer geloofde desalniettemin dat de stenen echt waren omdat hij ze zelf ook tijdens excavaties (uitgravingen) vond. Daarnaast was hij ook voorstander van de theorie dat God de fossielen zelf in de aarde geplaatst had en Beringer zag de Hebreeuws teksten als bewijs dat ze door een intelligent wezen gecreëerd moesten zijn.
Afb. 3 Lithografie uit de Lithographiae Wirceburgensis van figuurstenen met Hebreeuwse teksten. Bron: https://amshistorica.unibo.it/3
Afb. 4 Lithografie uit de Lithographiae Wirceburgensis van figuurstenen die de zon, maan en sterren afbeelden. Bron: https://amshistorica.unibo.it/3
Op 4 oktober 1725 kondigde Beringer daarom een publicatie over de spectaculaire stenen aan. In 1726 werd de Lithographiae Wirceburgensis gepubliceerd, een 137 pagina’s tellend boekwerk met zeer fraaie afbeeldingen van de stenen. Echter, terwijl Beringer in 1732 een tweede volume van het boek aan het schrijven was kwam hij erachter dat de stenen vervalst waren. Er wordt verteld dat dit kwam doordat Beringer een steen vond met zijn naam in Hebreeuwse letters. Hoe hij hier precies achter kwam is onduidelijk. Wat wel aan het licht kwam was dat de stenen gemaakt waren door zijn twee collega’s professor Rodercik en bibliothecaris von Eckhart. Zij poogden een grap uit te halen met Beringer omdat ze zijn arrogantie zat waren. Ze creëerden de valse fossielen en verstopten ze tussen lagen in de Muschelkalk die Beringer onderzocht. De grap was helaas volledig uit de hand gelopen en inmiddels stond de reputatie van Beringer zelf op het spel. Toen de vervalsing eenmaal aan het licht was gekomen poogde Beringer de volledige eerste uitgave van zijn boek terug te kopen en vernietigde hij veel van de exemplaren in zijn bezit. De stenen waren ondertussen al zeer beroemd geworden en kregen de naam Würzburger Lügensteinen. Het werden geliefde verzamelobjecten. Momenteel zijn er nog enkele honderden van de leugenstenen bewaard gebleven. Tot opluchting van Beringer wist hij zijn naam als fraudeur te zuiveren tijdens een rechtszaak. Zowel Roderick en Eckhart als een van de jongens die Beringer hielp bij het zoeken, werden schuldig bevonden aan vervalsing. Beringer zelf behield zijn academische positie op de Universiteit van Wurzburg.

Afb. 5 Enkele van de Würzburger Lügensteinen in de collectie van de TU Clausthal. Foto: Maaike Zwier.
Een aantal van de vervalste fossielen zijn in Nederland te bewonderen in het Teylers museum in Haarlem. Daarnaast zijn er een aantal te zien in het Senckenberg Naturmuseum in Frankfurt en kwam ik tijdens een excursie naar de Harz ook een vijftal van deze stenen tegen tussen de mineralen en stenencollectie van de Technische Universiteit Clausthal-Zellerfeld (afb. 5).

De afbeeldingen 1 t/m 4: courtesy of University of Bologna, BiGeA Library; digital version by AlmaDL, AMS Historica.
Gebruikte literatuur:
  • De Excursiegids Harz & Sauerland Flex bv. bv. 2017
  • Vertabrate Life, F.H. Pough, C.M. Janis & J.B. Heiser, 9th edition
  • http://www.geologievannederland.nl

College van de maand: Uluru; Een wetenschappelijke verklaring voor een legendarische rotsformatie

College van de maand: Uluru; Een wetenschappelijke verklaring voor een legendarische rotsformatie
Door: Vera Hoogland

Uluru, ook wel ‘The Ayers Rock’; een heilige plaats volgens de Aboriginals. Een plek die eeuwen lang vereerd wordt, waar verhalen verteld worden en mythes en legendes worden doorgegeven van generatie op generatie. Uluru zou de plek zijn waar alle goden op de aarde verschenen, ontstaan als gevolg van een decennia durende strijd tussen twee oude stammen die vochten om de hand van een prinses. Als gevolg van deze strijd zou moeder Aarde overspoeld raken van verdriet, waarna zij Uluru creëerde als teken van haar rouw.
Vandaag de dag is Uluru, evenals zijn iets minder bekende ‘broertje’, de Kata Tjuta zeer in trek bij toeristen en reisorganisaties. Op de foto staan bij deze fenomenale rotsformaties is een ‘must-do’ voor iedereen die Australië bezoekt. Aangezien ik een reis naar Australië in het vooruitzicht heb, leek het mij leuk om van tevoren al wat onderzoek te doen naar deze twee mystieke rotsen. Zo kwam ik erachter dat er naast een interessante legendarische verklaring óók een nuchtere geologische verklaring te vinden is voor het ontstaan van Uluru en Kata Tjuta (afbeelding 1).
Afbeelding 1a. Links de Kata Tjuta (tourismlandscapes.blogspot.com).
Figuur 1b. Rechts de Uluru Rock (beautifulplacestovisit.org).
Australië in het Paleozoïcum
Zo’n 550 miljoen jaar geleden tijdens het Cambrium, maakte Australië deel uit van het supercontinent Gondwana (zie afbeelding 2). Binnen dit supercontinent ontwikkelden verschillende subductiezones, waardoor er in midden Australië lange tijd transpressie plaats vond. Transpressie houdt in dat er langs een transversale breukzone (waarbij twee aardplaten langs elkaar bewegen) plaatselijk compressie plaats vindt. Door bochten en andere obstructies in de breuk wordt de beweging als het ware een beetje tegengehouden waardoor er ter plaatse een grote druk ontstaat. Als gevolg van deze transpressie ontstond het Petermann gebergte, oftewel het Petermann-Orogen. Dit gebergte strekte zich uit over een groot deel van het binnenland van Australië en restanten hiervan vormen de huidige Petermann Ranges. De vorming van dit gebergte zorgde voor uplift en vervorming van het basement-gesteente. In de tijd van het Cambrium en Ordovicium waren landplanten, grassen en struikgewas echter nog afwezig, waardoor het Petermann-gebergte geheel was blootgesteld aan verwering en erosie. Bacterieel leven en verschillende primitieve algen droegen bij aan de afbraak van het gebergte, waardoor er snel grote hoeveelheden sediment werden afgevoerd. Hierdoor ontstonden er twee soorten alluvial fans (grote gebieden bestaande uit aangevoerde sedimenten) aan de voet van het gebergte. Een van de alluvial fans bestond voornamelijk uit arkosische zanden, terwijl de tweede fan voor een groter deel uit rotsachtig materiaal bestond. De aanvoer van erosiemateriaal uit het Petermann gebergte duurde ongeveer 50 miljoen jaar, waardoor er twee dikke pakketten van ongeveer 2,5 tot 3 kilometer sediment vormden. Dit proces is te zien in het bovenste plaatje van afbeelding 3, waar de gele en bruine kleuren de alluvial fans aangeven.
Afbeelding 2. De tektonische situatie gedurende de vorming van het Petermann gebergte in het Paleozoïcum. Researchgate.net.
Van woestijn naar zeebodem
Rond de 500 miljoenjaar geleden begon de zeespiegel te stijgen, ervoor zorgde dat midden Australië onder water kwam te staan. Het gewicht van het zeewater in combinatie met het gewicht van aangevoerde zee-sedimenten (denk aan restanten van zeedieren, instroom van fijne modder- en kleideeltjes) zorgde voor consolidatie van de alluvial fans. De arkosische zanden werden omgezet in zandsteen, oftewel arkosische areniet, en het rotsachtige materiaal werd met behulp van modder aan elkaar gekit tot conglomeraat. Dit consolidatieproces duurde rond de 100 tot 200 miljoen jaar, en toen de zeespiegel zich begon terug te trekken, bleven twee stevige ‘versteende’ pakketten over.

In het Siluur brak er een nieuwe periode van intercontinentale plaattektoniek aan, de zogenaamde Alice Springs Orogeny. Deze periode van voornamelijk compressie in het binnenland van Australië hield aan gedurende het hele Siluur, Devoon en vroeg Carboon. Deze compressie zorgde opnieuw voor deformatie van het gesteente waaronder nu ook het zandsteen-pakket en het conglomeraat-pakket gevormd uit de alluvial fans. Het zandsteen-pakket ondervond hierbij de meeste deformatie waardoor het bijna geheel verticaal is komen te liggen. Het conglomeraat-pakket werd onder een hoek van ongeveer 30 graden scheef gesteld. Dit is weergegeven in het derde plaatje van afbeelding 3.

De afbraak van een oer-gebergte
Het droge klimaat wat lange tijd heerste in het binnenland van Australië zorgde voor erosie van een groot deel van het gesteente wat toen der tijd aan het oppervlak lag. Echter, rond de 65 miljoen jaar geleden werd het klimaat steeds vochtiger en ontstond er een moerassig, nat gebied waarin onder andere ook koolafzettingen zijn terug gevonden. Pas gedurende de laatste 500.000 jaar werd het klimaat droger en vond er sedimentatie van fijn zand plaats wat voornamelijk door de wind is aangevoerd (de blauwe laag in afbeelding 3). Gelijktijdig bleef het oppervlak sterk onderhevig aan erosie, waardoor het grootste deel van het ontstane reliëf gedurende miljoenen jaren is afgevlakt. Het eindresultaat is te zien in het onderste plaatje van afbeelding 3.

Maar wat is dan nu de link tussen de magische Uluru Rock en Kata Tjuta? Urulu is het tipje van de zandsteen laag die net boven het oppervlak uitkomt. Kata Tjuta is daarentegen het puntje van de conglomeraat laag. Dit is ook terug te zien in de geologische details van beide rotsen. De Uluru heeft een kenmerkende verticale gelaagdheid (de ‘Ribs’ zoals de Australiërs het noemen). Kata Tjuta heeft dit niet, maar bestaat in tegenstelling tot Uluru uit grover materiaal, de conglomeraat. Beide rotsen bezitten over een dieprode kleur die veroorzaakt is als gevolg van ijzer oxidatie. Hierdoor lijken de twee rotsen op het eerste gezicht erg veel op elkaar, ondanks dat ze qua lithologie dus vrij verschillend zijn!
 
Afbeelding 3: Van boven naar beneden de chronologische gebeurtenissen die Uluru en Kata Tjuta vormde.
  • De rechthoekjes geven rechts de positie van Uluru en links de positie van Kata Tjuta aan.
  • In het bovenste twee plaatjes is de vorming van de alluvial fan te zien, waarna de deformatie in het derde plaatje zichtbaar is.
  • Het vierde plaatje geeft de erosiefase weer en het onderste plaatje is de huidige staat van Uluru en Kata Tjuta.
Bron: Environment.gov.au

 
Realiteit versus de oude legende
Ondanks de uitgebreide geologische onderzoeken die men heeft uitgevoerd omtrent deze twee magische rotsen, blijven de verhalen van de Aboriginals, hun verklaringen en rituelen erg interessant voor menig bezoeker. Gidsen en tour-guides vertellen dan ook graag déze verhalen om de reizigers toch nog iets mee te geven van de magische traditionele cultuur. Zelf ben ik zeer benieuwd hoe het is om de rotsen in het echt te mogen aanschouwen en wat mijn gids mij over het ontstaan zal vertellen. Ook vraag ik me af in hoeverre er nog iets te voelen is van de magie waar de oude Aboriginals het over hebben. Uiteindelijk blijft het aan de lezer om te beslissen welk ‘scheppingsverhaal’ de voorkeur heeft.

Bronnen:

College van de maand: Breuken

Figuur 0. Stress en spanning vervormd het gesteente en veroorzaakt breuken. Bron Wikipedia.
Momenteel volg ik een vak op de VU dat Structural Geology heet. Het vak gaat over hoe de aardkorst vervormd wordt door spanning en stress die op het oppervlak staat. Doordat de spanning en stress op het gesteente niet overal even groot is en ook de hoek waarmee de kracht intreedt verschilt, ontstaan er complexe breuken en plooien en uiteraard ook combinaties daarvan.

Vandaag ga ik het hebben over "breuken".
Figuur 1. Schematische illustratie van een afschuiving (Normal fault) en een opschuiving (Reverse fault). Bron: auteur
Breuken zijn te verdelen in verschillende types. Je hebt een afschuiving (Engels: normal fault) (zie figuur 1). Hierbij is er eigenlijk te weinig kracht om het gesteente tegen elkaar aan te blijven duwen. Er ontstaat vervolgens een depressie in het gesteente die vaak opgevuld wordt met sediment. Ook bestaat er zoiets als een opschuiving (Engels: reverse fault) (zie figuur 1). Dit is eigenlijk het tegenovergestelde van een afschuiving. Er is zoveel spanning op het gesteente komen te staan dat het ruimte te kort komt. Een opschuiving wordt een overschuiving (Engels: thrust) genoemd wanneer het breukvlak een helling heeft die kleiner is dan 30 graden.
Ten slotte is er een zijschuiving (Engels: Strike-slip fault). Hierbij bewegen de componenten zich horizontaal ten opzichte van elkaar. De beweging kan twee verschillende kanten op. De “bovenkant” verplaatst zich naar links ten opzichte van de “onderkant”, dit wordt sinistraal genoemd (zie figuur 2). Of de “bovenkant verplaatst zich naar rechts ten opzichte van de “onderkant”, dit wordt dextraal genoemd (zie figuur 3). Ook al kijk je naar de breuk vanaf de andere kant, de beweging blijft hetzelfde. Aan dit laatste type breuken, een zijschuiving, zal ik in deze aflevering speciale aandacht aan besteden.

Figuur 2. Illustratie van een sinistrale zijschuiving (Strike-slip fault). Hierbij verplaatst de bovenkant zich naar links. Bron: auteur
Figuur 3. Illustratie van een dextrale zijschuiving (Strike-slip fault). Hierbij verplaatst de bovenkant zich naar rechts. Bron: auteur
Figuur 4. Illustratie van een transforme breuk, het groene hokje. De transforme breuk verbindt de MOR die zich uit elkaar bewegen. Bron: auteur
Bij een zijschuivings breuk schuiven er dus twee eenheden horizontaal langs elkaar. Dit kunnen aardplaten zijn, maar ook gewoon twee rotsblokken die onder druk staan. Zijschuivingen staan vaak niet op zichzelf. Meestal bevinden ze zich tussen andere soorten breuken. De breuken staan vaak los van elkaar, maar doen hetzelfde. Een zijschuiving verbindt deze breuken dan met elkaar (zie figuur 4). Waar je dit het meest duidelijke ziet is bij een MOR (=Mid Oceanische Rug). Hier is een spreiding rug die telkens verder opengaat. Hoewel het vaak wordt geportretteerd als een rechte lijn is het dit niet. Het zijn losse segmenten die verbonden worden door strike-slip breuken. Hier hebben deze strike-slip breuken een speciale naam n.l. een transforme breuk. Als je een vergelijkbare breuk op een andere plek ziet dan bij een MOR dan noem je het gewoon een strike slip breuk of transfer breuk.

Een zijschuivings breuk kan ook zelf verspringen. Doordat er een verspringing in de breukzone is, zijn er plekken waar er minder druk op staat en plekken waar veel meer druk op staat. Hier kan dan een pull apart basin ontstaan of juist een push-up basin (zie figuur 5). De lagere gedeeltes die ontstaan kunnen helemaal opgevuld worden met sediment. Het kan ook gebeuren dat er afschuivingen plaatsvinden in deze pull-apart basin. In het gedeelte wat omhooggeduwd wordt kunnen juist opschuivingen ontstaan doordat er steeds minder ruimte gecreëerd wordt.
Figuur 5. Het ontstaan van een pull-apart basin en een push-up basin uit een verspringende zijschuiving. Bron: auteur
De schaal waar op dit alles gebeurt kan heel verschillend zijn. Zo kan je dit soort dingen zien door een microscoop, maar er zijn ook grootschalige voorbeelden zoals de Alpine Fault in Nieuw-Zeeland (zie figuur 6). Dit is een dextrale strike-slip breuk. Door een gebrek aan ruimte aan de zuidelijke kant van de breuk zijn de Nieuw-Zeelandse Alpen ontstaan. De breuk splitst zich in het noorden op in kleinere parallelle breuken die samen de Marlborough Fault System worden genoemd. Een hiervan wordt de Hope Fault genoemd, waarvan men denkt dat deze de trend van de Alpine Fault representeert.

Een ander voorbeeld van een gebergte dat ontstaan is door een zijschuiving zijn de Pyreneeën.
Transforme breuken bestaan er dus in vele soorten en mate. Door hun unieke manier van bewegen maken ze het mogelijk dat breuken zich kunnen draaien zonder dat ze dit zelf moeten doen. Maar deze breuken kunnen ook flinke aardbevingen veroorzaken. De film "San Andreas" gaat over de San Andreasbreuk die zorgt voor een allesverwoestende aardbeving in Californie. Maar de film slaat wel een beetje door.

Figuur 6. De Alpine Breukzone in Nieuw-Zeeland. Ten zuiden van de breukzone zie je hoge bergen, ten noorden van de breukzone is nauwelijks wat te zien. Bron: Wikipedia

De figuren 1 t/m 5 zijn door de auteur zelf gemaakt.

College van de Maand: Roches Tuillière en Sanadoire; vulkanisme in het Massif Central, Frankrijk

Een paar jaar geleden ben ik met mijn ouders afgereisd naar de prachtige Auvergne in Frankrijk. Reden hiervoor was dat, na enkele jaren niet meer in de zomer met mijn ouders mee te zijn gegaan, ze me een reisje aanboden naar een geologisch zeer interessant stukje van Frankrijk. Hier kon ik natuurlijk geen ‘nee’ tegen zeggen. Vol vulkanen, basaltzuilen, gletsjerdalen en bruisende waterbronnen is het gebied zeker een bezoekje waard. Het was dan ook niet toevallig, dat we het jaar daarop met de studie tijdens een excursie door Frankrijk ook in dit gebied terechtkwamen. Naast de kenmerkende ‘Puys’ de lavakoepels met typische kegelvorm, zijn de rotsen Tuillière en Sanadoire een van de meest herkenbare punten van het gebied. Hoe deze rotsen hun kenmerkende vorm hebben gekregen zal ik uitleggen in dit “college van de maand”.

De Auvergne is gelegen in het Massif Central; een deel van Frankrijk dat bestaat uit glooiende heuvels, bergen en hoogvlaktes. De berggroep is door plooiing van de granieten en metamorfe gesteenten ontstaan tijdens de Variscische orogenese van ~480 tot ~290 Ma geleden (toen het supercontinent Pangea werd gevormd). Deformatie vond plaats van noord naar zuid en door de verdikking smolt het onderste deel van de korst gedeeltelijk waarbij granitoiden ontstonden die in een latere fase van de gebergtevorming (360-280 Ma) ook omhoogkwamen. Nog later trad er juist extensie op. Er ontstonden vele breuken als gevolg van het oprekken van de korst, hierdoor werd de korst ook minder dik.
Een groot graben (slenken) systeem ontstond van oost tot west, reikend van de Eger graben in Tsjechie tot de Rijngraben in Duitsland en het Franse Massif Central.
Afb. 1 Restanten van de vulkanen van de Chaîne des Puys gezien vanaf de Puy de Dome.
Vanaf zo’n 65 miljoen jaar geleden werd het pas echt interessant! Het gebied werd toen vulkanisch actief. Een mogelijke oorzaak van dit vulkanisme zijn de tektonische bewegingen die de graben creëerden in het gebied. Veel vulkanisme is namelijk zichtbaar in of langs de randen van de grabens. Er kunnen door de tijd heen drie periodes worden onderscheiden van vulkanische activiteit. Allereerst het ‘pre-rift’ vulkanisme, gedurende het vroeg Paleoceen en het einde van het Eoceen (66 Ma – 33 Ma). De lava’s van deze vulkanische fase zijn sterk onderverzadigd en bestaan uit alkali basalten tot melilitite. (een fijnkorrelig mafisch stollingsgesteente,dat relatief weinig silica bevat) Dit komt waarschijnlijk doordat een CO2- en H2O- rijke mantelbron maar gedeeltelijke is gesmolten. Vervolgens gedurende het eind Eoceen tot Mioceen, toen er extensie van het Massif Central plaatsvond en de grabens werden gevormd, was er een kortdurende vulkanische activiteit in het noordwesten van het massief. Vulkanisch gesteente van deze actieve fase bestaat uit alkalische basalten tot nefeliniet (een fijnkorrelige basalt die nefelien bevat in plaats van plagioklaas). Als laatste (vanaf 6 Ma geleden) kwam de grootste vulkanische fase, beginnend in het zuiden en later ook in het noordelijk deel van het massief. Deze grote magmatische provincies werden in deze fase gevormd. Kenmerkende vulkanen zoals de Monts Dore en Puy de Sancy ontstonden in deze periode. De lava’s zijn sub-alkaline tot alkaline van samenstelling. Lange ketens van kleine vulkaantjes, zoals de Chaîne des Puys (afb 1), zorgden voor rivieren van lava die door de bergdalen naar beneden stroomden. Nadat de lavastromen verharden, zorgden ze voor een reliëfinversie, daar waar eerst het dal lag, was het land nu verhoogd. Hierdoor zijn vele meertjes ontstaan in dalen die door vulkanen zijn afgesloten door de vulkaankegel en/of lavastoom in het lagere deel van het dal.

Afb 2. De rotsen Tuillière (links) en Sanadoire (rechts), noordwaarts gezien vanaf de parkeerplaats van de Col de Guéry. Ze steken zo’n 300 m boven het gletsjerdal uit dat een kenmerkend U-profiel heeft.
Tijdens deze laatste fase begon de vorming van de Roches Tuilière en Sanadoire. Ze bestaan beide uit fonolieten maar zijn toch zeer verschillend. Roche Tuillière is zo’n 2,1 miljoen jaar geleden gevormd en bestaat uit een nefelien-fonoliet die nu prachtig zichtbaar is als lange zuilen (oostkant van de rots in afb 2). Roche Sanadoire is iets jonger met een ouderdom van 1,8 miljoen jaar en is gevormd uit een noseaan-fonoliet die zeer dunne “orgelpijpjes” vormt. Deze felsische lava’s, met een hoge viscositeit zorgen voor een zeer stroperige lava.

Nu is deze kenmerkende verschijning niet alleen door het vulkanisme ontstaan. Beide rotspunten zijn namelijk resten van de oorspronkelijke vulkaankoepels. Door erosie zijn alleen de kraterpijpen blijven staan. Zeer grote hoeveelheden vulkanisch gesteente en as zijn over duizenden jaren afgevoerd door de eroderende werking van een gletsjer. Hierdoor is ook de kenmerkende U-vorm tussen de rotsen ontstaan, welke typerend is voor erosiedalen van gletsjers. Zo’n 12.000 jaar geleden warmde het klimaat op na de laatste ijstijd en smolten de gletsjers in het gebied. De bodem van het dal was nog steeds nat en bestond uit veenmoerrassen. Onderin het glaciale dal is de granitische ondergrond ontsloten. Hoger gelegen in het dal ligt het Lac de Guéry, dit meer is van origine glaciaal, maar door een dam van trachybazalt die dwars in het dal is gestroomd, is dit meer veel groter geworden. De vulkanische activiteit in dit gebied is namelijk nog lang doorgegaan. De laatste activiteit vond slechts ~6.000 jaar geleden plaats. Het kan daarom ook nog niet met zekerheid gezegd worden dat alle vulkanen volledig uitgedoofd zijn. Een uitbarsting zal in de toekomst zeker nog een mogelijkheid zijn. Een teken dat er nog steeds wat gebeurt in de ondergrond zijn de waterbronnen die verspreid door het gebied voorkomen. Bij het vullen van onze waterflessen bij de bron van St-Marguerite tijdens een wandeling kwamen we erachter dat er koolzuurhoudend water omhoogkomt. Omdat we dat dit niet hadden verwacht, was de eerste slok een behoorlijk nare ervaring!

Het prachtige uiterlijk van de rotsen is zeer goed zichtbaar als je noordelijk kijkt vanaf de parkeerplaats van de Col de Guéry (afb 2). Hiervandaan kan je ook enkele wandelroutes volgen die langs de voet van de rotsen lopen. Zo valt van dichtbij te zien dat de orgelpijpen van Roche Tuillière (1288 m, afb 3) verdeeld zijn in dunne platen door een intensieve dwarssplijting. Tot het begin van de 20ste eeuw werden deze platen gebruikt als dakbedekking in de omliggende dorpen, dit is ook waar de rots zijn naam van heeft verkregen. Bij de rots ligt ook nog een groeve waar deze lauzes werden gekapt. Roche Sanadoire (1286 m, afb 4) heeft zijn naam verkregen door het bijzondere geluid dat de rots maakt als je er met een hamer op slaat, welke overigens kenmerkend is voor fonolieten en dus ook bij Roche Tuillière te horen is. De kolommen die aan orgelpijpen doen denken, geven een heldere toon. Daarnaast is ook een ander duidelijk verschil zichtbaar, waar Roche Tuillière bestaat uit een enkele kraterpijp, is Roche Sanadoire opgebouwd uit meerdere kraterpijpen.

Dit uitzichtpunt, maar ook de wandelroutes waarbij je langs de rotsen loopt en zelf even uit kan testen of het gesteente daadwerkelijk zo helder klinkt, zijn zeker een bezoekje waard. En met een beetje geluk begint het in de ondergrond toch weer te rommelen en kan je écht actieve vulkanen gaan bewonderen.

Afb 3. Roche Tuillière gezien vanaf de basis van Roche Sanadoire, de zuilen zijn prachtig zichtbaar.
Afb 4. Roche Sanadoire met de orgelpijpjes gezien vanaf de basis in het gletsjerdal (onderaan de puinhelling die als lichte streep zichtbaar is op afb 2).
Alle foto’s in dit artikel zijn genomen door de auteur..

Meer weten over de geologie van Auvergne? Kijk dan bij GEOREIS AUVERGNE op onze site.

College van de Maand: diamanten; een edel metaal geologisch verklaard

De droom van iedere vrouw, mineralenliefhebber of miljonair: in het bezit zijn van een prachtige diamant. Het liefst een van zo veel mogelijk karaat. Diamanten worden gezien als een van de meest waardevolle materialen. Er heerst bijna een magische sfeer rondom dit mineraal, zowel in de dagelijkse industrie als in sprookjes, mythen en geloofsgebruiken uit het verleden. Eind september bezocht ik de NGV/GEA ‘Vulkanische Mineralen’ themadag en woonde een lezing bij over diamanten. Dit wakkerde nieuwsgierigheid in mij aan. Zijn diamanten wel echt zo zeldzaam als wij denken? En hoe kunnen we het voorkomen van diamanten koppelen aan de geologie? In dit college zal ik deze vragen beantwoorden op basis van de diamanten-industrie in het zuiden van Afrika.

Waar vormen diamanten?
Diamanten vormen in de lithosferische mantel van de aarde onder specifieke omstandigheden. Er moet een hoge druk en een hoge temperatuur heersen. Dit is vaak het geval onder oude continentale korst die al lange tijd geen deformatie heeft ondergaan. Dit zijn de stabiele Kratons die voornamelijk stammen uit het Archeïcum (zo’n 4 tot 2,5 miljard jaar geleden). Normaal gesproken bevindt zich onder continentale of oceanische korst een rigide laag van peridotitische samentelling die deel uitmaakt van de mantel. Samen met de korst vormt deze rigide laag de lithosfeer. Onder jonge continentale korst en onder oceanische korst, rijkt deze rigide laag van de mantel slechts tot 110 kilometer diep. Onder de oude kratons is deze laag echter veel dikker en kan tot wel 200-300 kilometer diep rijken. Dit noemt men de ‘mantel kiel’ (afb. 1). Doordat deze dikke mantel kiel zo diep rijkt, kunnen de temperaturen hier gemakkelijk oplopen tot zo’n 1500 graden. De gebieden waar deze hoge temperaturen ook nog eens gepaard gaan met een hoge druk vormen de ‘Diamond Stability Regions’ (afb. 2 en 3). Oftewel, de gebieden waar diamanten kunnen vormen en stabiel zijn.

Afb. 1. Een schematische weergaven van een kraton met mantel kiel. (Winter, 2013)
Afb. 2. Druk uitgezet tegen de temperatuur. Het oranje gebied geeft de Diamond Stability Zone aan. Hier zijn de druk en temperatuur hoog genoeg voor het vormen van stabiele diamanten. Bron: (Winter, 2013)

Afb. 3. Het voorkomen van diamanten in relatie tot de Kratons uit het Archeon (weergegeven in het grijs en bruin). De diamanten zijn ingedeeld op het proces van vorming (in de mantel kiel=lithospheric, in de convectieve mantel, tijdens metamorfe omstandigheden= UHP-crustal of tijdens een impact). De Alluvial diamanten zijn uit het gesteente geërodeerde diamanten, gevonden in riviersedimenten. (Winter, 2013)

Afb. 4. Het kubische diamant-kristalrooster. Bron: Wikipedia.org
Naast de hoge druk en temperatuur is een derde vereiste voor het vormen van diamanten, n.l. de aanwezigheid van koolstof ( C ). Deze koolstof atomen kunnen afkomstig zijn uit CO2 of CO3. CO2 is voornamelijk afkomstig uit de mantel en komt vrij als gevolg van ontgassing. CO3 wordt vaak tijdens de subductie in de vorm van sedimenten meegenomen de mantel in. De hoge druk en temperatuur in de mantel zorgen voor herschikking van de koolstof atomen, waardoor een kubisch kristalrooster vormt. Dit kristalrooster is te zien in afbeelding 4. De vorm van het kristalrooster en de sterke covalente bindingen die de koolstof atomen onderling kunnen aangaan zorgen ervoor dat diamant een van de hardste mineralen op aarde is. Grafiet, wat ook opgebouwd is uit koolstof atomen maar een ander kristalrooster heeft, is daarentegen een erg zacht mineraal. De omzet van diamant naar grafiet kost erg veel energie en zal dus nauwelijks spontaan in de natuur gebeuren. Dit is dan een van de redenen dat diamanten stabiel aan het oppervlak kunnen zijn en niet zomaar omgezet zullen worden in grafiet.

Hoe komen diamanten aan het oppervlak?
Diamanten kunnen op verschillende manieren aan het oppervlak komen: door middel van Kimberlites, Lamproiten en Lamphophyren. Aangezien Kimberlites het meest voorkomend zijn, zal er in dit college enkel hierop in gegaan worden en zullen Lamproiten en Lamphophyren buiten beschouwing gelaten worden.
Kimberlites, of Kimberlieten vormen voornamelijk verticale structuren in de aardkorst, ook wel magmatische dikes genoemd (afb.5). De magma’s van Kimberlieten zijn anders van samenstelling in vergelijking met de gemiddelde continentale magma’s. Zo is de concentratie van gassen (waaronder CO2, fluorgas, chloorgas en waterdamp) vele malen hoger en is het gehalte magnesium oxide (MgO) hoger. Bovendien is het magma minder oxiderend dan een gemiddeld basaltisch magma. Deze magma eigenschappen gepaard met het feit dat een Kimberliet-eruptie zeer snel plaatsvindt, zorgt ervoor dat er nauwelijks tijd is voor de resorptie van diamanten. Wanneer een diamant langdurig in contact komen met een magma van gemiddelde basaltisch samenstelling, zal de diamant niet in chemisch evenwicht zijn met de magma en geresorbeerd worden. Dit zorgt ervoor dat de diamanten in deze gevallen het oppervlak nooit zullen bereiken.
Afb. 5A. links: een schematische weergave van een Kimberliet.
Rechts: een schematische weergave van het mijnbouw proces van diamanten. Bron: Geologycafe.com
Diamantmijnen in Afrika
In verschillende landen in het zuiden van Afrika komen Kimberlieten in grote aantallen voor. Zo heeft Zuid-Afrika een grote diamantenindustrie, maar ook landen als Namibië, Botswana en Congo mijnen de edelsteen in grote aantallen (Afb 5). Hier bevinden zich dan ook vele Kimberliet-intrusies in de korst. Op sommige plekken heeft na de intrusie en de eruptie van de Kimberliet nog uplift van het landschap plaats gevonden. Toename van erosie heeft ervoor gezorgd dat de Kimberlieten uit-geërodeerd konden worden, waardoor diamanten simpelweg los raakten en konden worden meegevoerd met rivieren. Op andere plekken bevinden de diamanten zich nog grotendeels onder de grond, waardoor hier enkel door uitgraven en intensieve mijnbouw diamanten gewonnen kunnen worden.

Per jaar wordt er per mijn tot wel 10 miljoen karaat aan diamanten gemijnd, echter zijn niet al deze diamanten geschikt voor de sieradenindustrie. De diamanten worden uitgezocht en gesorteerd, en enkel de mooiste zijn geschikt voor de verkoop als edelsteen. De andere, minder mooie diamanten worden gebruikt voor de wetenschap en voor de technologie. Zo zijn er afgelopen jaar een aantal masterstudenten van de Vrije Universiteit naar Botswana afgereisd om hier voor hun onderzoek zelf een aantal diamanten uit te kiezen. Zij zullen de groeiringen van diamanten gaan bestuderen en hieruit afleiden hoe de condities diep in de aarde door de tijd heen zijn veranderd. Ook kunnen de diamanten gedateerd worden, waardoor men meer te weten kan komen over de ouderdom van het Afrikaanse Kraton en de tektonische geschiedenis.

Kortom, er gaat een heel geologisch verhaal vooraf aan de prachtige diamanten die in de etalage liggen bij de plaatselijke juwelier. Ook is het dus eigenlijk zo dat diamanten op zich niet per se veel geld waard hoeven te zijn, het is maar net welke kwaliteit er verwacht wordt. De magie rondom dit ‘Edele mineraal’ is dus uiteindelijk zeer geologisch te verklaren.

Bronnen
  • Hobart M. King, P. R. (2018). How do diamonds form. Opgehaald van geology,com: https://geology.com/articles/diamonds-from-coal/
  • Michaud, D. (2016). Kimberlite Deposits and Geology of Diamonds. Opgehaald van 911metallurgist.com.
  • Winter. (2013). Recent Advances in Understanding the Geology of Diamonds. 49(4).

College van de Maand: Tsunami

De actualiteit van onderwerpen in de geologie is niet altijd makkelijk na te streven. Vele processen die het landschap vormen duren vaak duizenden of wel miljoenen jaren. Daarnaast vinden er processen diep in de aarde plaats waarvan het resultaat niet altijd te zien is op de aardoppervlakte. Hierdoor is het moeilijk om een actueel beeld te krijgen van processen die nu aan de gang zijn.

Ik vind het dan ook erg interessant wanneer er processen zijn die wij wel kunnen gadeslaan. Vulkanen barsten overal ter wereld uit. We hebben het smelten van de gesteentes dan wel niet mee gemaakt, maar het spektakel dat volgt kunnen we wel zien. Verder kan je de uitwerking van de kracht van een aardbeving zien, de energie die in zo’n beweging zit is enorm. De manier waarop deze kracht dan het land kan veranderen is een wonder op zich.

Ik wil het graag hebben over zo een kracht. Een tsunami. Tsunami’s zijn interessante gebeurtenissen. In één keer komt er heel veel kracht vrij die uiteindelijk leidt tot een golf van verwoesting. Deze golf heeft verschrikkelijke gevolgen voor de mensen die aan de kust wonen waar deze vloedgolf het land bereikt.

Op 28 september trof er een tsunami het eiland Sulawesi van Indonesië. Eerder vond hier een aardbeving plaats met een kracht van 7,5 Mw of 7,2 op de schaal van Richter. De gevolgen hiervan zijn verschrikkelijk. Naar aanleiding van deze ramp leek het mij gepast om meer uitleg te geven over tsunami’s.
Het woord tsunami komt uit het Japans en letterlijk vertaald betekent het “haven golf”. Dit fenomeen heeft deze benaming gekregen doordat vissers op zee de golf nauwelijks merken. De haven heeft alleen wel erg last van de golf, omdat het water daar ondieper wordt dan op volle zee. Hierdoor ontstaat er bij de haven een enorme vloedgolf die verwoestende krachten heeft. De vissersboten die terugkwamen van de zee konden vervolgens niet geloven wat voor ravage er had plaatsgevonden in de haven.

Figuur 1. Het ontstaan van een tsunami. Een breuk die beweegt zorgt voor een verstoring die leidt tot een vloedgolf: de tsunami.


Tsunami’s ontstaan doordat in korte tijd een enorme hoeveelheid water verplaatst wordt. Dit kan worden veroorzaakt door een zeebeving, maar ook door een vulkanische uitbarsting onder het wateroppervlak of doordat er een grote hoeveelheid materiaal in een klap de zee in stort. Dit materiaal kan dan verschoven zijn door een aardverschuiving of een modderstroom. In een zeer zeldzaam geval kan het ook gebeuren dat een meteorietinslag groot en zwaar genoeg is om hetzelfde effect te geven.

Zeebevingen zijn onderzeese aardbevingen waarvan het epicentrum op de zeebodem ligt (Figuur 1) . De plek waar de aardbeving dus daadwerkelijk plaatsvindt, het hypocentrum, ligt dus loodrecht onder de zeebodem. De zeebodem schiet plots omhoog of omlaag door de beving. De waterkolom die zich hier direct boven bevindt, moet ook mee bewegen. Hierdoor beweegt het water eromheen ook mee als in een kettingreactie. Dit kan in ondiepe wateren leiden tot een vloedgolf. Dit is geen gewone vloedgolf. De golf van een tsunami bevat veel meer kracht doordat de gehele waterkolom in beweging is geraakt.

 

Bij subductie zones komen veel breuken in de aardkorst voor. Hierbij subduceert een aardplaat onder een andere {zie college subductiezone} Hierbij beweegt de bovenliggende plaat vaak een beetje mee, maar als er een aardbeving plaatsvindt, dan schiet hij weer terug naar zijn oude plek. De aardplaat schiet dan omhoog en veroorzaakt de beweging van de bovenliggende waterkolom waardoor de kettingreactie start.

De tsunami die Sulawesi heeft getroffen werd niet veroorzaakt door beweging in een subductie zone. De aardbeving die plaatsvond was die van een transforme breuk, ook wel een “strike slip” breuk genoemd. Bij een transforme breuk schuiven de aardplaten langs elkaar. Hierdoor vindt er eigenlijk niet genoeg beweging plaats waardoor een hele waterkolom zich verplaatsen kan. Dat er vervolgens toch een tsunami het eiland trof was dus eigenlijk een beetje gek. Via mijn social media platforms ben ik hierachter gekomen doordat ik een geoloog volg op Instagram. Hij geeft vaak wat meer achtergrondinformatie bij ontsluitingen of recente gebeurtenissen uit het nieuws. Hij gaf de uitleg dat dit fenomeen wel kan ontstaan bij een transforme breuk als de topografie van de zeebodem rond de breuk grote hoogteverschillen heeft (Figuur 2).

Figuur 2. Een 'strike slip' breuk op de zeebodem. De topografie van de bodem versterkt de water beweging hetgeen leidt tot het beginnen van de tsunami.
Het water beweegt mee met de verschuiving van de topografie. Deze beweging in het water kan ertoe leiden dat de waterkolom een kettingreactie in beweging zet waardoor er een tsunami ontstaat.

Figuur 3. Deze afzetting is te vinden in Sorbas, Spanje. Er zijn meerdere paren van net wat donkerdere lijnen te zien. Dit zijn de golven van de tsunami. Foto: Oscar Kloostra.
Een tsunami kan ook een afzetting leveren. Een tsunami bestaat uit meerdere golven waardoor je ook meerdere afzettingen achter elkaar krijgt. De afzettingen zullen vaak goed zichtbaar zijn in kust sedimenten. De tsunami is zeer erosief dus dat zal het eerste zijn wat je kunt waarnemen als je een bepaald gebied onderzoekt. Vervolgens zal er dus een laag sediment zitten met materiaal uit de oceaan. Dit wordt afgezet als de eerste golf over het land heen spoelt. Wanneer deze golf zich terugtrekt kan er een tweede laag worden afgezet met wat meer materiaal vanaf het land (Figuur 3).
Een tweede golf komt eraan. Deze kan het land bereiken terwijl de eerste golf zich nog niet volledig heeft teruggetrokken. De afzetting zal vergelijkbaar zijn met de eerste golf, maar zal meer materiaal dat oorspronkelijk op het land lag afzetten dan de eerste golf. De tweede golf kan ook de eerste afzetting gedeeltelijk weg eroderen vanwege zijn kracht.

Bevingen aan de kust en tsunami’s zijn evenementen die een correlatie kunnen hebben. Beide evenementen zijn niet kleinschalig. Hierdoor is het mogelijk om deze gegevens te extrapoleren naar andere gebieden. Hierdoor is het mogelijk te achterhalen dat het verschillende gebied uit dezelfde tijd komen.

Tsunami’s en bevingen zijn verwoestende fenomenen. Daarom werden ze al snel door wetenschappers gedocumenteerd. Een vulkaaneruptie van het Griekse eiland Santorini rond 1650 voor Christus wordt bijvoorbeeld gelinkt aan het Bijbelverhaal over de zee die zich terugtrok voor Mozes tijdens de uittocht uit Egypte. Ook zou deze tsunami de Minoïsche beschaving op Kreta ten onder hebben gebracht. En in het jaar 365 vond er nabij Kreta opnieuw een zware zeebeving plaats. Hierdoor werd de Egyptische stad Alexandrië zwaar getroffen. Ammianus Marcellinus, een historicus van Griekse afkomst, noteerde deze hele gebeurtenis. Hij beschreef de beving, het terugtrekken van het water en de vloedgolf die neerkwam op het land. En rond het jaar 800 werd de westkust van Ierland getroffen door een tsunami. In 1755 werd Lissabon getroffen door een aardbeving. Na de tsunami die volgde ontstond er een brand die bijna heel Lissabon vernietigd heeft. De mens heeft in de loop der tijd geprobeerd om aardbevingen te voorspellen.

Het vak, seismologie, biedt de mogelijkheid trillingen in de aardkorst te meten. Met steeds verfijndere technieken en een grote hoeveelheid aan meetpunten weet men steeds meer over “trillingen in de aardkorst”. Maar echt voorspellen dat er morgen in een bepaald gebied een aardbeving komt, kan men nog niet.

Meer lezen?
In de Gea van september 2009 staat een artikel dat ook aandacht besteedt aan het voorspellen van geologische disasters. Zie: tsunami

Bronnen

Figuur 1: Wiki_Tsunami de figuur is gemaakt door Gebruiker: Aliekens
Figuur 2: Instagram

College van de Maand: Marker Wadden

De Markerwadden: Een waddengebied zonder getijden.
Afb.1 De moerassige slibplaten binnen de zanddijkjes die als wandelpaden worden gebruikt staan nog grotendeels onderwater. Rechts een zandwal die het eiland moet beschermen tegen erosie.
Een nieuw stukje Nederland in het Markermeer.
Afb. 1 De slibplaten van de Markerwadden hebben ook geleden onder de droogte van afgelopen zomer, de klei is gebroken tot een prachtig polygoon netwerk. Foto: Cor Zwier.
In het weekend van 8 en 9 september vond de opening van de Markerwadden plaats en ik kon het niet laten om tijdens deze eerste openstelling voor publiek ook een kijkje te nemen. Vanaf de haven in Lelystad vertrok ik met een boot vol natuur- en vogelliefhebbers met verrekijkers en afritsbroeken, om na een klein uurtje aan te komen in de haven van het eerste eiland. Er staat een band klaar om ons te verwelkomen met een vrolijk deuntje en een pad omgeven door vlaggen leidt ons richting de grote uitkijktoren de ‘Steltloper’. Ik kies ervoor om de menigte die direct naar de toren stroomt, aan me voorbij te laten gaan en sla zo snel mogelijk een rustig zandpad in. Het pad slingert de andere kant op, richting de grote opgespoten slibplaten die al enige tekenen van begroeiing vertonen. Eenmaal op de zandpaden en vlonders langs de oostrand van het eiland aangekomen, is het een stuk rustiger en kan ik eens echt goed om me heen kijken. Op de slibplaten is hier en daar een schelpenstrandje aangelegd en ondanks al het water is ook hier de klei gebarsten tot een prachtig polygoon netwerk. Maar ondanks dat het er hier al behoorlijk op een zoetwaterversie van de Waddenzee begint te lijken vraag ik me toch af waar de dynamiek van dit nieuwe ‘waddengebied’ vandaan komt.

Het ontstaan van de Markerwadden.
Oorspronkelijk zou het Markermeer ingepolderd worden tot de Markerwaard in opeenvolging van de Noordoostpolder en Flevoland. Hiervoor werd de Houtribdijk tussen Enkhuizen en Lelystad aangelegd in 1976. Echter werd later van de drooglegging af gezien vanwege de grote ecologische waarde van het gebied voor de vogelstand, de effecten die de drooglegging zou hebben op de grondwaterstand van Noord-Holland en het veelvuldig gebruik van het Markermeer voor waterrecreatie. Maar na de scheiding van het Markermeer met het IJsselmeer is het Markermeer steeds troebeler geworden door de grote hoeveelheid slib die als een deken op de bodem blijft liggen. Vroeger werd het slib door stroming afgevoerd naar diepere delen van het IJsselmeer, maar na aanleggen van de dijk was dit niet meer mogelijk. Vooral bij harde wind wordt veel slib opgewoeld van de bodem. Daarnaast veroorzaakt het hoge slibgehalte van het Markermeer ook een ander probleem. Vlokvorming van algen met slibdeeltjes zorgt ervoor dat algen sneller bezinken. Hierdoor verdwijnt een deel van deze algen als voedselbron voor watervlooien en mosselen die daarop weer dienen als voedselbron voor diverse vissen en vogels. Bovendien is door de strengere regels en bestrijding van eutrofiering in de afgelopen decennia het water in het Markermeer steeds voedselarmer geworden. Hierdoor is de kwaliteit van de algen als voedsel voor andere dieren verslechterd. Deze factoren hebben er samen voor gezorgd dat de vis- en vogelstand in het Markermeer de laatste paar decennia sterk zijn achteruitgegaan.

De aanleg van de Markerwadden zou deze problemen tegen moeten gaan. De twee doelen die dit project moet realiseren zijn het verbeteren van de bodem- en waterkwaliteit en het faciliteren van broedvogels. In de luwte van de eilanden zal het slib gaan bezinken en dit moet de helderheid van het meer bevorderen. Tegelijkertijd moeten de eilanden met moerassen plaats geven aan foerageer- en broedlocaties voor diverse soorten vogels en vis.

Het eerste eiland van de Markerwadden is aangelegd door eerst een omtrek van zanddammetjes aan te leggen. De ruimte hiertussen is later opgevuld met slib en klei. Door het materiaal van een bepaald punt op te spuiten wordt er reliëf gecreëerd. Dit gebeurt doordat grotere deeltjes sneller bezinken dan kleinere lichtere deeltjes. Door uitdroging van de bovenste laag slib ontstaat er uiteindelijk een gebied dat stevig genoeg is voor planten om op te kunnen gaan groeien. Terwijl ik over de wandelpaden op de stevige zanddijkjes loop zie ik om mij heen nog verscheidene borden staan met ‘Pas op, drijfzand’. Ondanks dat er al een hoop planten groeien en ook de ganzen al over de slikken kunnen lopen, is het eiland nog niet heel stevig.

Afb. 2 Een schelpenstrandje tussen de klei en slib dient als nestplek voor verschillende soorten vogels.
Het materiaal voor de bouw van het wad is afkomstig uit het Markermeer zelf. De bovenlaag van het sediment in het Markermeer bestaat vooral uit slib, een mengsel van klei en organisch materiaal dat gedurende het Holoceen is afgezet (<11.800 jaar geleden). Het gehele Holocene pakket bestaat uit afwisselend kleiige, venige en zandige afzettingen van de Formaties van Naaldwijk en Nieuwkoop. Deze laag is in het noordwesten van het Markermeer bijna 20 m dik en wordt steeds dunner naar het zuidoosten. (Voorheen was er op de plaats van de Zuiderzee een groot veengebied. Door onder andere de erosie van golven die grote stukken van het veen afsloegen langs de randen van veenmeren is er echter een groot meer ontstaan (“Aelmere” genoemd) dat later ook in verbinding kwam te staan met zee.) Hieronder ligt een zandlaag van materiaal dat tijdens het Laat-Pleistoceen is afgezet. Dit zand behoort tot de Formatie van Boxtel en Krefteneheye, dat bestaat respectievelijk uit dekzand (door wind afgezet) en fluviatiele zanden (door rivieren afgezet).

Golven als getijdewerking?
Het gevaar van erosie op de Markerwadden komt vooral door de golven ontstaan door de wind. De eilanden zijn zo ingericht dat ze zo goed mogelijk beschermd worden tegen erosie veroorzaakt door de zuidwestenwinden en noordwestelijke stormen. Op het IJsselmeer en Markermeer zijn de golven meestal rond de 40 cm hoog. Maar deze meren zijn bekend om golven die soms razendsnel op kunnen komen. Bij storm en zware regenval kunnen de golven binnen een uur tot wel 1,5 m hoog worden en kan de waterstand ook snel stijgen en dalen. Stormen en onweersbuien komen echter erg onregelmatig voor en deze snelle wisselingen in waterstand die de buien met zich mee kunnen brengen zijn dan ook geen vervanging voor de waterstandschommelingen die de getijden met zich mee brengen op zee.

Echter om van de Markerwadden echte wadden te maken, moet er toch ergens dynamiek vandaan komen die ervoor zorgt dat het slib van het troebele Markermeer in de luwte van de Markerwadden bezinkt. Natuurlijke peilschommelingen moeten hiervoor zorgen. De locatie voor de Markerwadden in het diepste deel van het Markermeer is niet voor niets zo dicht langs de Houtribdijk gekozen. Opstuwing van het water langs de dijk zou voor natuurlijke schommelingen in de waterspiegel moeten zorgen. De dynamiek die hierdoor ontstaat zou volgens de projectontwikkelaars moeten zorgen voor de ontwikkeling van ‘Windwadden’. Modelstudies hebben tot nu toe nog niet goed kunnen laten zien of deze dynamiek voldoende zal zijn om slib daadwerkelijk in de luwte van de Markerwadden te laten bezinken om het Markermeer iets minder troebel te maken.

Vastleggen van slib door beplanting.
Afb. 3 De waterstand wordt geregeld door dammetjes van zand, deze zullen als de vegetatie zich eenmaal goed gesetteld heeft doorbroken worden zodat er daadwerkelijk water onder de vlonders door zal stromen. De hoge waterstand aan de linkerkant vormt nu nog het binnendijkse gebied van de Markerwadden.
Een deel van het opgespoten slib waaruit de Markerwadden is opgebouwd is voor de aanleg van het wad uitvoerig geanalyseerd. Omdat dit nieuwe stukje natuur in Nederland een foerageer en broedgebied voor diverse vogelsoorten moet worden, wil Natuurmonumenten een geschikte vegetatie voor deze vogels. De zaden in het slib van 5 meter diepte bleken niet meer kiemkrachtig te zijn, ideaal voor het project om het gebied naar eigen inzicht in te richten. Boskalis en Witteveen en Bos hebben een mix gecreëerd van zaden van zowel riet als lisdodde (rietsigaar) dat zou worden ingezaaid. Deze mix is een ideale combinatie om de bodem vast te houden en een goede bodemstructuur te ontwikkelen. Om competitie met wilgen tegen te gaan is een groot deel van het Markerwadden binnen de zanddijken tot eind juli onder water gezet. De droge delen zijn in augustus met een hovercraft ingezaaid met de ‘Markerwadden-zadenmix’ op specifieke plekken in het moerassige gebied. Vanwege de grote droogte deze zomer is de waterstand binnen de zanddijkjes extra hoog gehouden om uitdroging van de zaden te voorkomen (Afb. 3).
Daarnaast zijn er met de hand meer dan 20.000 wortelstokken van schoon riet uit Lelystad (zonder watercrassula, een invasieve soort uit Australië) in de grond gestopt. De bedoeling is dat deze wortelstokken flink gaan groeien voordat de winter begint want de wortels zijn de enige delen die het overleven als de ganzen alles boven de grond opeten. Afb. 4. Als de gewenste vegetatie eenmaal stabiel is zullen delen van de zanddijkjes doorbroken worden. Zo zal het hele gebied in contact komen te staan met het Markermeer en kan er interactie plaatsvinden tussen het water en het ‘wad’.

Het verschil met ‘echte’ wadden.
Afb. 4 Ingezaaide vakken met riet, beschermd tegen vraat door ganzen.
Nu blijft nog steeds een beetje de vraag of de Markerwadden wel echte wadden zijn. De dynamiek die eb en vloed normaal creëren op de slikken (tijdens hoogtij onderwater) en schorren (alleen bij hoog springtij onderwater) wordt in het Markermeer vervangen door natuurlijke peilschommelingen in het waterpeil. Deze schommelingen zijn echter niet diurnaal (geen cyclus zoals bij eb en vloed bewegingen). Dus mogen de Markerwadden wel echt wad genoemd worden? Of kunnen ze beter, zoals Toine Heijmans vorig jaar met ongenoegen verwoordde in de Volkskrant, opgespoten bulten in een zoetwatermeer genoemd worden? Vooralsnog zal dit grote project zichzelf op dat gebied nog moeten bewijzen. Maar dit stukje nieuw Nederlands land is in ieder geval nu al een groot succes onder de vogelliefhebbers die op de bootreis terug vol trots hun foto’s van de dag nog even terugkijken.

Tenzij anders vermeld zijn alle foto’s afkomstig van de auteur.

College van de maand: De Ring van Vuur- Actief vulkanisme in Griekenland

Bijna een jaar geleden schreef ik mijn eerste stuk voor Gea waarbij ik jullie iets vertelde over mysterieus vulkanisme in Spanje. Nu, een jaar verder, zal ik jullie weer iets vertellen over vulkanisme. Dit keer zal ik mij echter focussen op een wat bekender vulkanisch gebied, namelijk het vulkanisme rondom Griekenland. De prachtige Griekse eilanden trekken elke zomer duizenden toeristen. Men kan er helemaal tot rust komen, genietend van de witte huisjes, blauwe zee en het heerlijke eten. Maar wat al deze toeristen niet weten, is dat dit gebied geologisch gezien alles behalve rustig is. Het barst hier van de actieve vulkanen en interessante structuren. Aangezien de zomerperiode in volle gang is, leek het mij daarom leuk (en leerzaam) om jullie wat meer te vertellen over de geologische onrust in Griekenland en de Egeïsche zee.

Figuur 1: De Vulkanische Ring van Vuur (active volcanic arc) en de niet vulkanische ark. De gele en oranje tandjes geven de subductiezones weer. Bron: wikipedia.org

Het ontstaan van de Griekse eilanden
De Griekse eilanden zijn voornamelijk ontstaan als gevolg van subductie van de Afrikaanse plaat onder de Egeïsche-Anatolische microplaat. Deze microplaat maakt deel uit van de grotere Europese plaat, maar beweegt zich hier los van. Voorafgaand aan de subductie vond tijdens het laat Eoceen (zo’n 33 miljoen jaar geleden) collisie plaats. Dit houdt in dat de twee platen tegen elkaar aanbotsen zonder dat hier subductie bij komt kijken. Wel zorgde de collisie voor het omhoog komen van de continenten. Deze hoger gelegen gebieden vormen nu de populaire eilanden van de niet-vulkanische Helleense ark, waaronder Kreta, Rhodos en Karpathos.
Na een lange tijd van enkel collisie begon ongeveer 5 miljoen jaar geleden ook subductie, die zich tot in het heden voortzet. Hierbij duikt de Afrikaanse plaat onder de Egeïsche-Anatolische plaat. Wanneer de Afrikaanse plaat dusdanig diep in de mantel is weggedoken, zal deze onder invloed van de hoge temperaturen en druk in de lithosfeer deels smelten. Deze smelt beweegt zich omhoog richting het oppervlak en zorgt hier voor vulkanisme. De vulkanen samen vormen zo de Heleense Vulkanische Ark, ofwel de ‘Ring van Vuur’. De vulkanische eilanden die hierbij gevormd zijn, zijn onder andere Nisyros en Santorini. Beide vulkanen zijn vandaag de dag nog actief. Een geologisch overzicht van de vulkanische en niet-vulkanische ark is te zien in figuur 1.

Van vulkaan tot caldera
fig 2 fase 1
 fig 2 fase 2
 fig 2 fase 3
Figuur 2: De vulkanische cyclus. Bron: Vera Hoogland
Het opbouwen van een vulkanisch eiland is een zeer langzaam proces. Aanvankelijk bevonden de vulkanen zich onder water waardoor een submariene schildvulkaan gevormd werd (zie bovenste afbeelding in figuur 2). De uitstromende lavas hadden zeer hoge temperaturen en een lage viscositeit, waardoor het vulkanisme relatief rustig en non-explosief kon verlopen. De warme lavas koelden snel af wanneer deze in aanraking kwamen met het koude zeewater, waardoor er geen kristallisatie van mineralen kon plaats vinden. Voor het groeien van kristallen is namelijk een langzame, geleidelijke afkoeling vereist. De lavas zijn donker van kleur en van basaltische samenstelling. Dit wil zeggen dat de lavas weinig silica bevatten en rijk zijn aan ‘donkere’ ofwel ‘mafische’ mineralen waaronder olivijn, pyroxeen en amfibool.
Op een gegeven moment zijn de vulkanen hoog genoeg om boven het wateroppervlak uit te kunnen steken. Daarnaast is door de jaren heen ook de samenstelling van de uitvloeiende lavas verandert. De temperaturen zullen minder hoog zijn en de viscositeit neemt toe. Dit heeft als gevolg dat het vulkanisme een meer explosief karakter krijgt en de schildvulkanen evolueren in stratovulkanen (zie tweede afbeelding in figuur 2). De lavas zullen meer silica gaan bevatten en krijgen een meer felsische samenstelling. Dit houdt in dat er nu ook meer ‘lichte’ mineralen (waaronder kali-veldspaten en plagioklazen) gevormd kunnen worden.
In sommige gevallen groeit de vulkaan dusdanig groot dat deze zichzelf onder invloed van zijn eigen explosieve kracht opblaast en vervolgens instort tot een caldera (zie derde afbeelding in figuur 3). Dit is bijvoorbeeld gebeurd op Nisyros, waar verschillende opgevulde caldera-kraters gevonden kunnen worden. De vorming van een caldera tekent de laatste fase van een vulkanische cyclus. Hierna kan de cyclus zich opnieuw herhalen, zal de vulkaan zich weer deels opbouwen tot deze opnieuw zal instorten en een caldera vormt.
 
Metamorfose en aardbevingen
Naast interessante vulkanische structuren zijn ten noorden van de vulkanische ark ook interessante metamorfe structuren gevormd. Deze structuren zijn eveneens ontstaan als gevolg van de subductie van de Afrikaanse plaat onder de Egeïsche-Anatolische plaat. Het is namelijk zo dat de Afrikaanse plaat sneller onder de Egeïsche-Anatolische plaat wegduikt dan dat deze plaat zich in de richting van de Afrikaanse plaat beweegt.

Figuur 3: De plaatbewegingen in de Egeïsche zee. Bron Lezing University of Singapore, SlideShare.net
Hierdoor migreert de subductiezone steeds meer zuidwaarts, waardoor de Egeïsche-Anatolische plaat sterk wordt uitgerekt (de relatieve plaatbewegingen zijn te zien in figuur 3). Dit proces heet het ‘Roll-back principe’. De rek in de Egeïsche-Anatolische plaat zorgt voor sterke verdunning van de korst waardoor er opwelling van heet mantelmateriaal kan plaatsvinden. Dit hete materiaal in combinatie met de temperaturen en de druk die er in dit gebied heersen, zorgen ervoor dat grote delen van het basement hier metamorfose ondergaan (metamorfose is de chemische verandering van gesteente onder invloed van druk en temperatuur zonder dat hier smelten bij komt kijken). Dit metamorf gesteente ligt voornamelijk in Noord-Griekenland aan het oppervlak.

Als laatste is er nog één belangrijke geologische factor die bepalend is voor de geologische structuren in en rondom Griekenland, en dat is de Noord-Anatolische strike-slip breuk. Deze breuk loopt grotendeels door Turkije (zie figuur 4) en zorgt voor veel aardbevingen in Turkije en de Egeïsche zee. De Noord-Anatolische breuk is eveneens direct te linken aan de subductie van de Afrikaanse plaat onder de Egeïsche-Anatolische plaat. Naast de subducerende beweging is er ook draaiing van de Afrikaanse plaat. Deze draait namelijk tegen de klok in (dit is ook te zien aan de plaatbewegingen in figuur 3). De noordwaartse subductie die gepaard gaat met deze draaiing zorgt voor een dusdanige spanning in de aardkorst dat de Noord-Anatolische breuk zelfs vandaag de dag nog zware aardbevingen tot gevolg kan hebben Een voorbeeld hiervan is waaronder de laatste grote aardbeving in 2011 in Turkije waarbij vele mensen om het leven kwamen. Wetenschappers krijgen echter steeds meer inzicht in de bewegingen langs deze breuk waardoor aardbevingen steeds beter te voorspellen zijn.

Figuur 4: De Noord-Anatolische breukzone. Bron: Eurasiatectonics.weebly.com/adriatic-and-aegean-plates.html
Al met al zijn de Griekse eilanden en de Egeïsche zee dus naast een heerlijke vakantiebestemming ook geologisch erg interessante gebieden. De heersende omstandigheden zorgen voor een scala aan verschijningen en biedt hierdoor voor elke geoloog wat wils. De vulkanische eilanden van de Ring van Vuur laten zien wat voor geweld er al gedurende miljoenen jaren gaande is en de omliggende gebieden weerspiegelen de eeuwenoude tektonische geschiedenis.

De caldera van Nisyros is te zien in figuur 5. De grote caldera kan via verschillende wandelpaden bereikt worden en bied vele mogelijkheden voor dagtochten langs mooie uitzichtpunten. Een wandelkaart van het eiland is te vinden via de volgende link.

Ook op Santorini is het mogelijk om verschillende vulkanische tours rond het eiland te maken (figuur 6. Hierbij worden verschillende vulkanologische verschijnselen gepasseerd, waaronder vulkanisme bommen (figuur 7) en een bezoek aan de krater. Meer informatie kan gevonden worden via de volgende link.

Voor wie er dit jaar plannen heeft om vakantie te vieren in het zonnige Griekenland; misschien dat u nu met een andere -iets meer geologische- instelling het vliegtuig instapt!

   
 Figuur 5: de caldera van Nisyros. Bron: melanopetra.gr

 
   
 Figuur 6: een van de vulkanische wandelingen van Santorini. Bron: WikiVisuality  Figuur 7: Een vulkanische bom op Santorini. Bron: greek-islands.us

Bron
: Lezing Singapore University department of Geology, SlideShare.net.

College van de maand: Verborgen Nederland, vervolg

In mijn college van maart 2018 heb ik geschreven over het verborgen Nederland. Ik heb toen geschreven over de Caledonische en Variscische orogenese waardoor Pangea bij elkaar kwam. Dit speelt zich af vanaf 500 miljoen jaar geleden. Ik heb ook al geschreven over het uit elkaar vallen van Pangea. In dit college ga ik hier verder op in en zal ik doorgaan met de Alpiene orogenese. Het uiteenvallen van Pangea is niet een proces dat een vast begin en eind punt heeft. Men kan vinden dat dit proces klaar is wanneer Pangea uit losse brokstukken bestaat, maar een andere mening is dat het uiteenvallen pas stopt op het moment wanneer de losse brokstukken weer een geheel gaan vormen. We weten in ieder geval dat het opbreken en het weer samenkomen van sommige brokstukken leidt tot de huidige verdeling van de continenten op aarde. In dit college probeer ik zoveel mogelijk te vertellen over de laatste grote tektonische fase.
Figuur 1. Midden Krijt. De Atlantische oceaan is aan het openbreken, te zien op de linker wereldbol. Op de rechterwereldbol is de Tethys oceaan te zien. Op het Zuidelijk halfrond van de rechterbol is India al bezig met haar tocht Noordwaarts

De Alpiene orogenese is de laatste grootschalige tektonische fase van Europa. Nederland ligt al op het Noordelijk halfrond. We bevinden ons in het Krijt (Figuur 1), vanaf 150 miljoen jaar geleden tot 66 miljoen jaar geleden. De Atlantische oceaan is bezig met zich te openen en Noord en Zuid-Amerika te scheiden van Europa en Afrika. Vanwege het opbreken van Pangea stijgt de zeespiegel. Hierdoor ligt Nederland, maar ook een groot deel van de rest van Europa onder water. Er werd veel kalksteen afgezet. Op sommige plekken was er zo een snelle sedimentatie snelheid dat er enorm dikke pakketten zijn ontstaan. Denk hierbij aan de White Cliffs of Dover. In Nederland is ook kalksteen afgezet, alleen niet precies op dezelfde manier zoals in Engeland. In Nederland komt het in Limburg redelijk dicht aan het oppervlakte. Het kalksteen zit in de rest van Nederland enkele kilometers onder het oppervlak. Er was veel leven in de oceanen. In het gebied dat nu Nederland is zwom er in deze tijd een bekend fossiel rond. De Mosasaurus. Dit enorme beest kan wel 15 meter lang worden en is gevonden in Limburg.

Figuur 2. Situatie tijdens Oligoceen rond de 25 miljoen jaar geleden. De Afrikaanse en Arabische plaat bewegen richting het Noorden. Hierdoor worden de Alpen gevormd.
In het Krijt breken veel continenten verder uit elkaar. Zo komt Iberia, het huidige Spanje en Portugal, als een soort eiland los te liggen in de Tethys oceaan. Ook maakt India zich los van Afrika om vervolgens heel erg snel naar het Noorden toe te bewegen. Noord en Zuid-Amerika liggen ook nog niet vast aan elkaar. Uiteindelijk ontstaat er een grote "waterweg" die van Oost naar West loopt.

In het Paleogeen is de Atlantische oceaan nog steeds bezig met opengaan. Het Paleogeen begon 66 miljoen jaar geleden. De Mid-oceanische rug maakt veel nieuwe oceaanbodem aan. Op een bepaalde plek komt veel meer materiaal omhoog. Op den duur is er zoveel materiaal omhooggekomen dat het boven het oceaanoppervlak uit komt. Waardoor o.a. IJsland is gevormd. Vulkanisch as is erg vruchtbaar dus het is niet gek dat dit eiland uiteindelijk bewoond werd. De Tethys oceaan werd steeds verder dicht gedrukt. Van Spanje tot aan Zuidoost-Azië wordt de oceaan dicht gedrukt en is er sprake van een orogenese gordel. De Afrikaanse plaat botst samen met de Arabische plaat tegen de Euraziatische plaat aan. Hierbij ontstaan de Alpen. Bij deze botsing zijn ook meerdere kleine platen aanwezig die een bijdrage leveren aan het vormen van de Alpen.
Figuur 3. De vier eenheden van de Alpen. De Penninic nappe hoort is in het paarse aangegeven en de Dauphinois-Helvetic nappe in het groen.

Zoals in Figuur 2 te zien is, is het nogal een rommeltje met subductiezone en verschillende landmassa’s. Een andere kleine plaat die een rol speelt, is de Iberische plaat waar Spanje en Portugal op liggen. De botsing van Iberia met Eurazië leidt ook tot het vormen van de Pyreneeën. Het botsen van Afrika met Eurazië leidde ook tot het vormen van het Atlasgebergte in Afrika.
De Alpen zelf bestaat uit vier units, ook wel dekbladen genoemd of nappe. Een dekblad kan gezien worden als een relatief dunne eenheid. Dekbladen komen vaak als overschuiving voor op andere geologische eenheden. De Oostelijke Alpen, ook wel Austroalpine nappe; de Zuidelijke Alpen, waarbij het gesteente bestaat uit ondiepe kalksteen uit het Laat Carboon-Trias en diep water afzettingen uit het Jura; De Penninic nappe bevat een continental high (Brianconnais zone) en een diep water domein (Valais Zone); De Helvetic nappes bestaande uit kalkgesteente van een ondiep marine milieu tot een meer open en dieper marine milieu (Figuur 3).

Figuur 4. Hier is te zien hoe snel India beweegt. De ronde getallen bij de omtrek van India zijn in miljoenen jaren. Aan de rechterkant van de afbeelding wordt op eenzelfde manier getoond hoe New Guinea zich heeft voortbewogen.
Ondertussen werd ook de Himalaya gevormd. India kwam met een rap tempo naar het Noorden toe (Figuur 4). Hierdoor botste het met China. Helaas was er een probleem, zowel de Indiaanse plaat als de Euraziatische plaat bestaan voornamelijk uit mafisch gesteente. Omdat ze een vergelijkbare samenstelling hebben zijn ze ook ongeveer even licht. De Euraziatische plaat is veel groter, maar op het punt waar de Indiaanse plaat botste met de Euraziatische plaat wilde geen van beide onder de andere plaat subduceren. Mogelijk heeft er op kleine schaal wel subductie plaatsgevonden, maar tijdens het vormen waren platen te licht voor een echte subductiezone. Hierdoor is er geen vulkanisme ontstaan maar is er wel een hoop seismische activiteit. De Himalaya is in de afgelopen jaren niet gestopt met groeien.

De huidige mens zal waarschijnlijk nooit mee maken dat de continenten die wij nu kennen weer uit elkaar zullen vallen. De gevolgen van het opbreken en samenkomen van continenten merken wij echter wel. Zo zijn er nog met enige regelmaat aardbevingen rond de Himalaya en de Alpen die het nieuws halen. Bovendien komen wij aan grondstoffen doordat de contineten zich verplaatst hebben. Ook al heeft niemand Pangea ooit met zijn eigen ogen gezien, toch weten we er best veel van af. Ik vind het daarom ook leuk dat ik met deze studie verder kan kijken dan een mensen leven.

Kiki du Pau.
Alle afbeeldingen komen uit een PowerPoint presentatie van mijn docent.

College van de maand. Plaattektoniek op Mars - nieuwe inzichten

Meer dan twaalf jaar geleden publiceerde GEA een themanummer over de Geologie op Mars waarbij er aandacht was voor allerlei verschillende geologische processen die zich op de rode planeet afspelen. Inmiddels zijn wetenschappers alweer een stuk verder en is er een ongelofelijke hoeveelheid data beschikbaar gekomen van alle ruimtevluchten naar Mars (afbeelding 1). Met de recente lancering van InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) zullen we straks nog veel meer te weten komen over de geologische historie van Mars.

afb. 1. De landingsplaatsen van Mars landers en rovers
Afb. 1 De landingsplaatsen van Mars landers en rovers, inclusief de locatie waar InSight zou moeten landen. Afbeedling van NASA/JPL-CALTECH.

Wat we met onze nieuwsgierigheid al te weten zijn gekomen

De vierde planeet vanaf de zon is met een diameter van ~6.794 km net ietsje kleiner dan de Aarde en heeft qua geologische geschiedenis waarschijnlijk dezelfde fases doorlopen als onze thuisplaneet. Maar Mars loopt inmiddels op ons voor; waar de aardkorst op de Aarde nog bewegelijk is, is er nauwelijks tektonische activiteit meer op Mars.

De binnenkant van Mars is net als de Aarde verdeeld in een centrale kern van metaalijzer en nikkel, omgeven door een silicaat mantel en korst (afbeelding 2). In vergelijking met de Aarde is Mars veel rijker aan ijzer. De aanwezigheid van het vele ijzer is eveneens de oorzaak van de rode kleur. Daarbij wijzen analyses van Martiaanse meteorieten en in situ analyses van Marsrovers erop dat de kern van Mars veel meer zwavel bevat dan de kern van de Aarde, dat de mantel rijker is aan kalium en fosfor, en dat de korst veel meer vluchtige elementen bevat zoals chloor en zwavel. De meeste kennis over de geologie van Mars is afkomstig van het bestuderen van landvormen door middel van foto’s genomen met ruimtevaartuigen die in een baan on Mars bewegen.

afb. 2. Dwarsdoorsnede
Afb. 2 Artist impression van de binnenkant van Mars met als bovenste laag de korst, daaronder de mantel en een vaste kern. Afbeelding van: NASA/JPL-CALTECH.
Dat op Mars in het verleden mogelijk tektonische beweging heeft plaatsgevonden kan van een afstandje onderbouwd worden op basis van een aantal verschillende kenmerken. Een van de duidelijkste is het grote verschil tussen de noordelijke en zuidelijke hemisfeer van Mars. Ongeveer een derde van het oppervlak op het noordelijk halfrond van Mars ligt enkele kilometer lager dan het zuidelijk halfrond en heeft een behoorlijk plat oppervlak met maar weinig grote kraters. Het hoogteverschil is van vergelijkbare grote als het hoogteverschil tussen de continenten en oceaanbodem op Aarde. Dit verschil, dichotomie genoemd, werkt ook door in de korst van Mars. Data die beschikbaar is gekomen van zwaartekrachtmetingen, laat zien dat de korst in de zuidelijke hooglanden maximaal 58 km dik blijkt te zijn, terwijl in de noordelijke laaglanden de korst maar 32 km dik is.
Verder is zuidelijke hoogland van Mars bedekt met behoorlijk veel oude kraters die waarschijnlijk nog afkomstig zijn van het ‘Late Heavy Bombardment’ (LHB). Dit was een periode van ongeveer 4,0 tot 3,8 miljard jaar geleden waarin er zeer veel meteorieten insloegen op de planeten in het binnenste gedeelte van ons Zonnestelsel (Mercurius, Venus, Aarde, Mars en bijbehorende manen). Het LHB werd ontdekt door de vele kraters op de Maan te bestuderen. Voor de lagere ligging van het noordelijke laagland zijn verschillende verklaringen bedacht.

Twee theorieën geven een verklaring aan de hand van een impact van een of meerdere zeer grote objecten ter grootte van de Maan. Een derde hypothese verklaart het hoogteverschil aan de hand van plaattektoniek. Hierbij wordt gedacht dat er een verdunning in de korst is ontstaan, veroorzaakt door convectie van het mantelgesteente (een hele langzame, stroperig beweging van gesteente waardoor het op de lange termijn vloeibare eigenschappen heeft waarbij warm materiaal omhoog beweegt en koud materiaal zinkt).

Vervolgens wordt er nieuwe korst aangemaakt en verdwijnt oude korst onder het marsoppervlak op een vergelijkbare manier als er op Aarde oceanische korst verdwijnt onder continenten en weer wordt gevormd bij Midoceanische ruggen (zie College van de maand over subductie). In 2001 werd er een studie gedaan die aangaf dat een ‘degree-1 mantle convection’, een specifieke vorm van convectie in de mantel, voor de dichotomie kan zorgen mits Mars een zwakke asthenosfeer (bovenste deel van de mantel direct onder de lithosfeer) had.

Verder is er ook veel vulkanisch gesteente aanwezig op Mars, zoals de vulkanen die nog steeds zichtbaar zijn op Mars aangeven. Maar ook een aantal op Aarde neergekomen Martiaanse meteorieten bestaan uit vulkanisch gesteente. Zo is er in 2012 een meteoriet gevonden die aangeeft dat er al meer dan 2 miljard jaar vulkanische activiteit is op Mars. Vanaf de missie van Mariner 9 in 1972 zijn wetenschappers bekend met de aanwezigheid van vlaktes die zijn opgebouwd uit lava, die een groot deel van het marsoppervlak bedekken. Verder zijn de grootste vulkanen van ons Zonnestelsel op Mars te vinden, waarvan enkele zeer grote te vinden zijn in de Tharsis en Elysium vulkanische Mars provincies.

Wetenschappers denken dat de vulkanen zo groot kunnen worden doordat er zo weinig plaatgrenzen zijn op Mars. Lava van een hotspot kan zo voor miljoenen jarenlang op dezelfde plaats door de aardkorst heen komen om een enorme schildvulkaan te vormen. In oktober 2012 was er voor het eerst bevestiging van verweerd vulkanisch gesteente op Mars, de Curiosity rover, (een ruimte exploratie voertuig) voerde toen de allereerste X-Ray analyse uit op de Martiaanse bodem en vond mineralen die vergelijkbaar zijn met de verweerde basaltische bodem van vulkanen op Hawaii. Overigens heeft Curiosity na lange problemen met zijn motor te hebben gehad, afgelopen februari voor het eerst sinds meer dan een jaar weer in een steen geboord. Curiosity maakte daarbij een boring van 1,3 cm diep. Helaas kan de rover geen monsters meer nemen voor analyse, omdat het materiaal niet meer naar de mini-laboratoria binnen in Curiosity kan worden gebracht.

Het gewicht van de enorme vulkanen zorgt voor behoorlijk wat druk op de lithosfeer en er zijn dan ook vele breukzones zichtbaar langs de flanken van de vulkanen. De breukzones rond Tharsis rijken zelfs tot halverwege de planeet. Bij deze breukvorming kunnen ook aardbevingen plaatsvinden.

InSight – op zoek naar nieuwe inzichten

Helaas is de plaattektoniek op de Aarde zelf ook nog niet volledig begrepen, het blijft nog onduidelijk hoe processen in de mantel de plaattektoniek aan het oppervlak beïnvloed. Dit is een van de redenen waarom de NASA InSight naar Mars heeft gestuurd om te ontdekken hoe de evolutie van stenige planeten in ons Zonnestelsel heeft plaatsgevonden. InSight is een Mars lander die gaat kijken naar het binnenste van Mars; de kern, mantel en korst. Afgelopen 5 mei is de lander succesvol gelanceerd voor zijn zes maanden durende ruimtereis (afbeelding 3).

Afb. 3
Afb. 3 het spoor dat is overgebleven na de lancering van InSight gezien over Los Angeles. Foto: D. Ellison.
Mars is zeer geschikt als laboratorium om nieuwe inzichten te verkrijgen over de vorming van terrestrische planeten (planeten die zijn opgebouwd uit vaste stoffen) omdat de planeet niet te groot of te klein is, het kan daardoor een goede documentatie van zijn vorming bevatten. Bij grotere planeten is dit archief verdwenen door voortdurende plaattektoniek, als planeten kleiner zijn, hebben er geen differentiatieprocessen plaatsgevonden die die scheiding van de kern, mantel en korst veroorzaken. Terwijl het juiste deze processen zijn die we willen bestuderen. Het is al bekend dat er geologische activiteit is op Mars, maar InSight kan ons laten zien hoe actief de rode planeet precies is. De bedoeling is dat de data die de Lander verzamelt ons antwoorden kan geven over de grootte van de kern, waar hij uit bestaat en of hij vast of vloeibaar is en de dikte en structuur van de korst en mantel. InSight meet hiervoor ook de warmte die ontsnapt uit het binnenste van Mars.

InSight

afb. 4. De landingsplaatsen van Mars landers en rovers
Afb. 4 Een impressie van InSight op het marsoppervlak. Afbeelding van NASA/JPL-CALTECH.
Naast de interne structuur van Mars zal InSight kijken naar tektonische activiteit en meteorietinslagen. Als de ruimtereiziger in november succesvol op Mars landt, zal InSight dieper dan ooit tevoren in het marsoppervlak boren (afbeelding 4). Aan de hand van seismiek, trillingen in het gesteente, kan de lander informatie geven over hoe vaak seismische activiteit plaatsvindt op Mars en hoe krachtig deze is, maar ook hoe vaak er meteorieten inslaan op het oppervlak. De kennis over de evolutie en stollingsgeschiedenis van Mars kan ons helpen om een voorspelling te maken over hoe de toekomstige afkoeling van de Aarde er uit kan gaan zien.

College van de maand. Een nieuw noorderlicht: Maak kennis met STEVE

Afbeelding 1. STEVE zichtbaar als het paarse lint
Afbeelding 1. STEVE zichtbaar als het paarse lint. Bron: CBC.ca
‘Een magisch, paars, hemel-verlichtend lint’ Zo omschreef een amateurgroep Canadese ‘Noorderlichtjagers’ het fenomeen wat zich in de nacht van 25 op 26 juni 2008 aan de hemel voordeed. Ze wisten niet wat het was, maar eending wisten ze wel. Dit was iets wat nog niet eerder was gezien en zeker niet het normale noorderlicht. Onder begeleiding van hun groepsleider stapten de groep met de foto’s naar NASA. De waarneming van dit nieuwe, mysterieuze fenomeen opende deuren naar een nieuw onderzoek. Wat houdt deze nog nooit eerder waargenomen variant van het noorderlicht in? Waar komt het vandaan? ‘I’m not trying to be funny, but the sky is the limit in this case’ sprak Professor Donovan van de University of Calgary toen hij met zijn collega’s begon aan het onderzoek naar het mysterieuze paarse lint, wat inmiddels de name ‘STEVE’ had gekregen. 

Het noorderlicht, wat is dat precies?
Ondanks zijn prachtige verschijning, is het noorderlicht vandaag de dag niet meer zo mysterieus. Wetenschappers hebben een goed beeld van wat er gebeurt tijdens het noorderlicht, welke processen er een rol spelen en kunnen zelfs voorspellingen maken. Simpel gezegd kan het noorderlicht worden verklaard aan de hand van elektrisch geladen deeltjes (elektronen en ionen) afkomstig van de zon die met hoge snelheid en energie onze atmosfeer binnendringen. Wanneer een zwerm geladen deeltjes in de buurt van de aarde komt, zal deze worden ingevangen door het aardmagnetisch veld. Door deze aantrekking zullen de deeltjes zich voornamelijk naar de polen toe bewegen, waar deze in onze atmosfeer botsen met zuurstof- en stikstofmoleculen. Door de botsing raken deze zuurstof- en stikstofmoleculen in een hogere staat van energie, wat inhoud dat ze een deel van de energie van de geladen deeltjes overnemen. Hierna zullen de moleculen deze energie weer ‘loslaten’ en zal straling van een bepaalde golflengte worden uitgezonden. Deze straling kunnen wij in de noordelijke en zuidelijke hemel waarnemen als een vaak groen/rood, bewegend licht. 

Afbeelding 2. Afbeelding 2 Het ontstaan van het noorderlicht.
Afbeelding 2. Het ontstaan van het noorderlicht. Geladen deeltjes vanaf de zon worden ingevangen in het aardmagnetisch veld. Bron: Wikispaces.com
Wat maakt STEVE anders?
Naast de andere kleur en vorm die STEVE heeft vergeleken met het noorderlicht (een paars lint versus een groen/rood bewegend gordijn), zijn ook zijn fysische eigenschappen anders. Sinds het ontdekken van STEVE is er een grote hoeveelheid aan data verzameld met behulp van satellieten en camera’s. Het verzamelen van gegevens is pas sinds korte tijd mogelijk, omdat voorheen de apparatuur nog te onderontwikkeld was om STEVE te kunnen waarnemen. Met de nieuwe satellieten en camera’s hebben wetenschappers nu ontdekt dat de snelheid van de geladen deeltjes die STEVE veroorzaken vele malen hoger is dan die van het noorderlicht. Namelijk wel 6 kilometer per seconde. Ook kan de temperatuur oplopen tot 6000 graden, wat vergelijkbaar is met de temperaturen in het binnenste van de aarde. STEVE kan, in tegenstelling tot het noorderlicht, ook dichter bij de evenaar worden waargenomen en de zwerm deeltjes beweegt zich voornamelijk oost-west. Dit is loodrecht op de algemene beweging van het noorderlicht, waar de deeltjes zich noord-zuid bewegen. Het feit dat STEVE vaak gepaard gaat met het noorderlicht maar zich wel anders gedraagt, is een sterke aanwijzing dat het wel degelijk te maken heeft met andere, onbekende fysische processen in de atmosfeer.

Hoe kan Steve verklaard worden?
De snelle stroom van geladen deeltjes lijkt sterk overeen te komen met de stroom van deeltjes die onderzoekers kennen als ‘SAID’- Sub Auroral Ion Drift. Dit is een zeer snelle, hete en smalle stroom van ionen en geladen deeltjes die zich kortstondig voordoet op lagere breedtegraden. De zwerm deeltjes van een SAID kunnen – net als bij STEVE- een vrij hoge temperatuur en snelheid behalen en beweegt zich in oost-westelijke richting. Tot nu toe gingen wetenschappers er echter vanuit dat een SAID geen waarneembare, visuele aspecten had en niet per definitie aan het noorderlicht gekoppeld kon worden. Het zou kunnen zijn dat door de ontwikkeling van betere camera’s en satellieten met een hogere sensitiviteit en resolutie een SAID nu wel waargenomen kan worden en dat STEVE dus eigenlijk een zichtbare SAID is. Net als het noorderlicht hangt het voorkomen van een SAID nauw samen met de zonneactiviteit. Wanneer de zon een hogere activiteit laat zien en vervolgens meer geladen deeltjes uitstoot, doet zich vaker een SAID voor. Tot nu toe lijkt dit de meest waarschijnlijke verklaring. Het verder bestuderen van STEVE zou op deze manier kunnen bijdragen aan meer kennis over de ingewikkelde, fysische processen die zich in de atmosfeer voordoen. 

Afbeelding 3. STEVE
Afbeelding 3. STEVE vastgelegd door de REGO ASI satelliet, de horizontale, lichte streep onderaan laat de deeltjesstroom van STEVE zien. Bron: MacDonald et. All (2018)

Afsluitend feitje over STEVE
STEVE is vernoemd naar een mysterieuze verschijning in een van de scenes van de animatiefilm ‘Over the Hedge’. De fotograaf die STEVE ontdekte, is namelijk een grote fan van de film zodat hij de naam wel gepast vond voor het nieuwe fenomeen. Hieronder vindt u de link naar de scene: Youtube (Scene STEVE)

Bronnen:
  • MacDonald Et. All (2018): ‘New science in plain sight: Citizen scientists lead to the discovery of optical structure in the upper atmosphere’ 18/03/2018, Science Advances Vol. 4 No. 3
  • J. Fortin, ‘Steve, a Famous Northern Light, Stays Mysterious (and Keeps His Name) 15/03/2018 NYtimes.com/science 
  • K. Patel, ‘Mystery of Purple Lights in Sky Solved With Help From Citizen Scientists’ 14/03/2018 Nasa.gov

College van de maand: Verborgen Nederland

Figuur 1.
Figuur 1: Ondergrond van Nederland. Links in de legenda staan de periodes. Rechts is de doorsnede door Nederland te zien. Let op: De verticale schaal is sterk uit vergroot. Bron: uit de PowerPoint van mijn docent.
Wanneer je denkt aan Nederland denk je aan fietsen door de polders of zwemmen in de Noordzee, zeilen over het IJsselmeer of wandelen over de Veluwe. Als het weer natuurlijk mee zit. Maar vroeger zag het gebied er heel anders uit. Nederland heeft bergen, zeeën en woestijnen gehad. Nu is daar weinig van te zien, het zit allemaal verstopt in de ondergrond (fig.1).

Ik wil jullie meenemen op een college dat als vogelvlucht door de geologische geschiedenis van Nederland gaat. Hierbij probeer ik de belangrijkste dingen uit te leggen. Sinds de jaren 60 zijn er in Nederland veel boringen uitgevoerd tijdens de zoektocht naar aardolie en gas in de bodem. Hierdoor is er over de ondergrond van Nederland veel bekend geworden.

Figuur 2.
Figuur 2. Event tijdsbalk. Links de geologische tijdschaal, rechts de verschillende orogenese en tektonische events. Bron: uit de PowerPoint van mijn docent.
Er zijn vier belangrijke tektonische fases geweest die Nederland hebben gevormd. De Caledonische orogenese, de Variscische orogenese (ook wel Hercynische genoemd), de opening van de Atlantische oceaan en de Alpiene orogenese. In figuur 2 kun je aan de zwarte balken de duur van deze orogenese aflezen. 

De opening van de Atlantische oceaan vond ongeveer 150 miljoen jaar geleden plaats, tijdens het opbreken van Pangea. Over het koppelen van een tijd aan een gebeurtenis is mij altijd een ding goed bijgebleven van mijn colleges; een langdurige gebeurtenis, zoals een orogenese, gebeurt nooit “pats boem, klaar” en het gebeurt ook niet in een strakke rechte lijn.

Zo kunnen er aardbevingen plaatsvinden ten gevolge van de schuivende aardplaten, maar kan het vervolgens 20 Miljoen jaar lang ‘stil’ blijven. Waarna de orogenese op een andere plek, bijvoorbeeld 100 km verder, vervolgt met de vorming van breuken of aardverschuivingen.
Dus wanneer men in literatuur exacte data vindt die niet overeenkomt met andere exacte data van een ander gebied, dan kunnen beide nog steeds correct zijn.

Het is gewoon een oneindig traag proces en er wordt een tijdsduur aangehangen die ongeveer zal kloppen en locatie-afhankelijk is.
Figuur 3.
Figuur 3. De continenten van Gondwana positie, links boven, naar Pangea positie, rechts onder. Bron: uit de PowerPoint docent.
Tijdens de Caledonische orogenese (van ~520 tot ~400 miljoen jaar geleden) is Avalonia (het microcontinent waar Nederland op ligt) vanaf de zuidpool richting de evenaar bewogen. Dit kon gebeuren doordat de Tornquist Zee subduceert (Voor meer informatie over subductie, zie college van de maand subductiezones) Avalonia botste met Baltica en de zee werd in zijn geheel gesloten. Ondertussen kwam Laurentia ook steeds dichterbij doordat de Iapetus Oceaan zich sloot tussen Laurentie en Baltica en Avalonia. Deze drie micro continenten vormden samen Laurussia (fig 3 rechtsboven en links onder), ook wel Laurazië of Euramerika genoemd. Gedurende deze orogenese kwam het Londen-Brabant massief omhoog. Het erosiemateriaal hiervan wordt nu de Old Red Sandstone genoemd en is onder andere terug te vinden in de Ardennen en Devonshire (fig. 4). Het meeste hiervan kwam terecht ten Zuiden van het massief in het Rhenohercynian bekken, ook wel het Rijns Bekken genoemd. De gevormde bergketens waren niet minder groot dan de huidige Himalaya. Dit was ook de eerste plooiingsfase die de Ardennen vormde. 

Figuur 4.
Figuur 4. Devonshire, Engeland. Old Red Sandstone. Foto: Oscar Kloostra.
Vlak nadat de Caledonische orogenese in geologische tijdstermen voorbij was, kwam de volgende orogenese er alweer aan. Tijdens de Variscische orogenese (van ~390 tot ~300 miljoen jaar geleden) bewoog het laatste restje van het oude supercontinent Gondwana ook richting de evenaar. Het botste met Laurussia en samen vormde het Pangea (fig. 3 rechts onder) waarbij de Rheic Oceaan zich sloot. Deze orogenese leidde tot een foreland basin (volg de link voor uitleg) in Nederland.

Het bassin was niet per se heel diep, maar doordat de orogenese door bleef gaan, zakte het bassin steeds dieper. Hierdoor kwam er genoeg ruimte vrij voor de accumulatie van sediment, waardoor er nu een heel dik pakket sediment ligt. Het Londen-Brabant massief bleef hoog en droog liggen tijdens deze periode. Tijdens het Dinantien (vroeg Carboon) stond Nederland nog steeds grotendeels onderwater en er werden veel organisch rijke kalklagen afgezet. Uit het organische materiaal is aardolie gevormd. 

In het Silesien (laat Carboon) werd Nederland een kustgebied. In deze tijdsperiode werd de vorming van veenpakketten afgewisseld met de afzetting van kleilagen. Dit veen uit het Westfalien vormde de bron voor de steenkool die in de vorige eeuw in Limburg gewonnen werd als steenkool (fig.1). Tijdens de vorming van steenkool ontstaat ook aardgas wat in het noorden van Nederland gewonnen kan worden.

Begin Perm was Pangea ongeveer een geheel. Het klimaat werd in Nederland steeds warmer en droger. In Nederland kon hierdoor een heel belangrijk soort gesteente worden afgezet. Het Rotliegend: een reservoirgesteente dat voornamelijk bestaat uit zandsteen.

Rond de 200 miljoen jaar geleden begon Pangea alweer uiteen te vallen. Het uiteenvallen van Pangea komt mede door het openen van de Atlantische oceaan rond de 150 miljoen jaar geleden. Hierdoor begon Nederland weer te dalen. Doordat het klimaat nog steeds zo warm en droog was ontstond er een zoutmeer. Door de bodemdaling kwam het Nederlandse gebied onder de zeespiegel te liggen. In het Zechstein werd in dit zoutmeer evaporieten (volg de link voor uitleg) afgezet op de bodem. Er moet een flinke hoeveelheid water kunnen verdampen voordat evaporieten kunnen neerslaan. Zowel de aardolie als het aardgas ontstaan tijdens het Carboon, zit grotendeels opgeslagen in het Rotliegend en kan hier niet uit omdat het Zechstein zout een ondoordringbare laag vormt die de fossiele brandstoffen tegenhoudt.

Doordat Pangea uit elkaar begon te drijven werden de bergketens die eerder ontstaan waren instabiel. Ze zakten ineen wat ervoor zorgde dat een deel van de aardkorst instabiel werd. Er ontstonden er breukzones die zorgden voor slenken.
Figuur 5.
Figuur 5. Bundsandstein in Bronchales, Spanje. Met schuine gelaagdheid en pebbles. Foto: Kiki du Pau.
Dit zorgde voor meerdere bekkens door heel Europa. In het Nederlandse bekken ontstond een opeenvolging die Vera Hoogland en ik hebben mogen terugzien tijdens ons tweedejaars Spanje veldwerk in Bronchales. In het Trias is het Buntsandstein (fig. 5) afgezet waarna de Muschelkalk is afgezet met daarbovenop het Keuper. Dit zijn verschillende formaties die ik nu verder niet zal uitleggen. 
Tijdens het Mesozoicum zijn er lokaal rifts ontstaan. Hierdoor hebben wij nu in Nederland een vulkaan. De vulkaan ligt onder de Waddenzee en is een stratovulkaan (volg de link voor uitleg), maar was alleen actief tijdens de Jura. De Zuidwalvulkaan is ontdekt doordat men op zoek was naar andere olie- en gasvelden na de ontdekking van het Groningse gasveld. Helaas is er niks meer van de vulkaan te zien aan het oppervlakte. 

De riften ontstonden door heel Pangea. Uiteindelijk heeft dit ervoor gezorgd dat Noord-Amerika gescheiden werd van Afrika en Europa en later ook Zuid-Amerika losraakte van Afrika. De Atlantische Oceaan begon met openbreken en het was even spannend of Engeland met Amerika mee zou gaan of dat het bij Europa zou blijven. Er is namelijk ook een grootschalige rift die ter hoogte van IJsland tussen Noorwegen en Engeland door de Noordzee naar Europa loopt. Dit was ooit een actieve zijtak van wat nu de Mid Oceanische Rug van de Atlantische Oceaan is. 
Nederland lag ondertussen ongeveer rond de plek waar het nu ligt. 

Nu resteert alleen de Alpiene orogenese nog, maar deze wordt bewaard voor een volgende keer. Tijdens deze orogenese zullen de Alpen ontstaan doordat Afrika naar het noorden opschuift.

College van de maand: Fossielen aan de Nederlandse kust

We lopen allemaal wel eens over het strand om lekker uit te waaien, te zonnebaden en te genieten van de zilte zeelucht. Waarschijnlijk ben je ook wel eens turend naar beneden een eindje langs de vloedlijn gelopen. Maar naast gebroken schelpen, aangespoelde kwallen en stukken zeewier zijn er her en der ook hele oude dingen te vinden, en dan bedoel ik niet een oude petfles die al jaren op de golven heeft rondgedobberd.

College van de maand: El Niño, een verraderlijke zeestroom in de Pacifische Oceaan

afb 2‘Verwoestende bosbranden in Indonesië’, ‘Doden bij overstromingen Chili’ of ‘Economische problemen door verminderde visvangst Zuid-Amerika’. Op het eerste gezicht lijken deze nieuwskopjes niets met elkaar te maken te hebben. Toch verschijnen ze om de aantal jaren –ongeveer tegelijkertijd- in de kranten. Wellicht is er mogelijk toch een verband tussen deze verschijnselen?

College van de maand: De maan anders belicht

fig 1 bewMomenteel ben ik in mijn derde jaar en volg een college genaamd Planetary Sciene. Hierin leren we over de planeten in ons zonnestelsel. Dit is een minor studie, dus een vrij keuzevak en ik voel me alsof ik weer in mijn eerste jaar zit. Alles is nieuw en interessant en geweldig. Daarom in dit College van de Maand een stukje over de maan.
Over het ontstaan van de maan kan je een dag lang debatteren, er zijn veel verschillende theorieën. Een van de theorieën voor het ontstaan van de maan is: de “Giant Impact”, zie fig. 1.

College van de maand: Sprookjeswereld van de Attendorner Tropfsteinhöhle

figuur 1
Ik ben altijd al gefascineerd geweest door druipstenen, de organische vormen spreken me heel erg aan. Vroeger op het strand begon het met zandkastelen vol druiptorentjes, waarbij mijn vader grote stevige blubberbergen maakte en ik kleine gedetailleerde versiersels erbovenop droop. De allereerste keer dat ik een druipsteengrot bezocht was ik nog veel meer gefascineerd. Deze bouwsels, die zo leken op de torentjes van zand, waren vele malen steviger. Als je er tegenaan duwde bleven ze gewoon nog staan. Naast deze stalagmieten en stalactieten zijn er nog veel meer
wonderlijke vormen in druipsteengrotten te vinden, die op door allerlei specifieke processen ontstaan.

College van de maand: Metamorfose in Noorwegen

afbeelding 5Afgelopen augustus heb ik de Vrije Universiteit van Amsterdam ingeruild voor de Universitet in Bergen (Noorwegen) om hier een half jaar aardwetenschappelijke vakken te gaan volgen. Aangezien Noorwegen voor aardwetenschappers en natuurliefhebbers een wonder is, kon ik er natuurlijk niet aan ontkomen om een paar van de meest bekende rotsformaties met eigen ogen te gaan bekijken. De eerste missie; de indrukwekkende, 700 meter hoge Trolltunga (ook wel de Trollentong). De 12-uur durende tocht nam ons mee op een reis door de geologische geschiedenis van Noorwegen. In dit college van de maand zal ik jullie naar aanleiding van deze tocht iets meer vertellen over metamorfose, de verschijnselen die hierbij komen kijken en wat dit ons kan vertellen over de geologie.

College van de maand: Subductiezones

afb2Het aardoppervlakte is niet statisch. De bovenste laag van de aarde verschuift constant. Een vuistregel die ik leerde bij Aardrijkskunde was dat aardplaten ongeveer net zo snel bewegen, als dat de teennagel van je grote teen groeit in een jaar. Deze snelheid van bewegen verschilt eigenlijk per plek, maar het geeft je een ruimtelijk idee als je bedenkt hoe groot je teennagel op de aardbol is.
De aardbol is opgedeeld in platen, waarop de continenten liggen. De randen van deze platen liggen tegen elkaar aan en worden plaatgrenzen genoemd.

College van de maand: Pingo's en pingo ruïnes

Foto 2Naast het veldwerkseizoen aan het einde van het collegejaar, over welke Vera vorige maand vertelde, zijn er nog tal van andere mogelijkheden voor veldwerk door het jaar heen. Zo heb ik naast de standaard veldwerkperiode nog een extra excursie gevoegd in de vorm van een zomerschool. Eind juni ben ik naar Drenthe vertrokken om daar ter plaatse een groep andere mensen te ontmoeten die net als ik, geïnteresseerd zijn in pingo’s en die om daar meer over te leren graag een stukje van de zomervakantie opgeven. Bij het woord pingo zal je waarschijnlijk als eerste denken aan een pinguïn, maar pingo is Inuktitut (de taal van de Inuit in Canada) voor ‘heuvel die groeit’. Deze naam komt uit het feit dat de heuveltjes een ijskern hebben, die langzaam steeds groter worden doordat het ijs van binnenuit aangroeit.

College van de Maand: het raadsel van de vulkaan

8 cabo de gataZodra de zomermaanden naderen, wordt het altijd opvallend rustig op de geologische faculteit van de VU. Het veldwerkseizoen is namelijk begonnen, wat betekent dat de meeste aardwetenschappers naar landen als Spanje, Frankrijk, Zuid-Afrika of Hawaï 'vluchten'. Ik mocht dit jaar mee op veldexcursie naar Zuid Spanje. Een van de laatste onderwerpen was het nog niet nader verklaarde vulkanisme rond Cabo de Gata. Dit onderwerp sprak mij zo aan, dat ik het graag in dit College van de Maand met jullie wil delen!

College van de Maand: de vorming van chevron plooien

Tijdens mijn studie Aardwetenschappen ben ik op een leerzame en plezierige reis naar Engeland geweest. Wij zijn we onder andere naar Millook Haven en Hartland Quay gegaan. Voor de mogelijke Top Gear fan is Hartland Quay te herkennen als de plek waar Jeremy Clarkson zijn zelfgebouwde caravan vanaf heeft geduwd. In Millook Haven en Hartland Quay zijn gesteente lagen vervormd tot een "chevron" plooi. Over de samenstelling en het ontstaan van de chevron plooi hoop ik jullie iets te kunnen leren.