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.