NGV-Geonieuws 121

NGV-Geonieuws: elektronisch geologisch tijdschrift

• 701 Eukaryoten overleefden 'sneeuwbal aarde'
• 702 Voortschrijdende gletsjer buigt, breekt en verplaatst bomen
• 703 Ontstaan van chondrules iets duidelijker
• 704 Mens niet verantwoordelijk voor uitsterven van Amerikaanse Pleistocene megafauna
• 705 Voorbereiding van IJstijdvak startte lang geleden

  << Vorige uitgave: 120 | Volgende uitgave: 122 >>

701 Eukaryoten overleefden 'sneeuwbal aarde' Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Omstreeks 2,3 miljard jaar geleden kwam er zoveel zuurstof in de atmosfeer dat relatief complexe primitieve levensvormen zouden kunnen overleven. Het gaat daarbij om zogeheten eukaryoten (organismen met een of meer complexe cellen met een kern; deze organismen kennen ook geslachtelijke voortplanting en vormen de voorouders van de planten en dieren zoals we die nu kennen). Eerder bestonden al wel nog primitievere organismen (prokaryoten: eencellige organismen zonder kern).

Lake Elliot, waar de onderzochte gesteenten werden aangetroffen

Ontsluiting in de Matinenda-Formatie

Er is tamelijk verhit gedebatteerd over de vraag of ook de eukaryoten al vroeger bestonden. Dat werd door velen als onmogelijk beschouwd, omdat er, tegelijkertijd met de plotselinge toename van zuurstof in de atmosfeer, een zeer strenge ijstijd begon. De temperatuur daalde zodanig dat volgens sommige onderzoekers de gehele aarde werd bedekt met een ijskap die overal minimaal bijna een kilometer dik was. Daarbij dient overigens te worden aangetekend dat dit extreme karakter van deze vroege 'sneeuwbal aarde' door anderen weer wordt ontkend. Onder een dergelijke ijskap zouden eukaryoten niet kunnen overleven (omdat er geen zonlicht was voor fotosynthese, dus ook geen voedsel voor 'complexe' organismen), en dus moesten de eukaryoten - althans volgens de aanhangers van de sneeuwbal-aarde hypothese - na deze 'sneeuwbal aarde' zijn ontstaan.


Het fluviatiele conglomeraat dat de kwarts- en
plagioklaaskorrels bevat waarin de oliehoudende insluitsels voorkomen

In 1999 werd een artikel gepubliceerd over gesteenten die stammen uit de tijd van voor deze vroege 'sneeuwbal aarde'. In dit artikel werd toch melding gemaakt van koolstofverbindingen waarvan de aard en isotopenverhoudingen niet alleen wezen op een organische herkomst, maar zelfs ook op een herkomst van eukaryoten. Vrijwel vanaf het begin werd dit artikel door aanhangers van de 'sneeuwbal-aarde' theorie aangevallen. De koolstofverbindingen (zogeheten biomarkers) die op een dergelijke organische afkomst wezen, zouden verontreinigingen zijn. Die verontreiniging zou hetzij van recente datum zijn, hetzij van natuurlijke (jongere) olies die door het gesteentepakket omlaag zouden zijn gesijpeld, en zo in de zeer oude gesteenten terecht zijn gekomen.

In een nieuw artikel wordt gewag gemaakt van biomarkers die er op wijzen dat er in ieder geval al heel vroeg in de aardgeschiedenis eukaryoten voorkwamen. Onderzoekers vonden oliehoudende vloeistofinsluitsels in kwarts- en veldspaatkristallen in een 2,4 miljard jaar oud metamorf gesteente (Matinenda Formatie) bij Elliott Lake (Canada). De biomarkers in de olie zijn volgens de onderzoekers overigens niet uit deze formatie zelf afkomstig, maar uit de bovenliggende McKim Formatie, die 2,2 miljard jaar oud is; de vloeistof met de olie werd tijdens diagenese en metamorfose van de Matinenda Formatie in de kristallen ingesloten. De vele voorzorgsmaatregelen die zijn genomen bij het onderzoek sluiten uit dat de biomarkers verontreinigingen zijn.

De onder ultraviolet licht oplichtende oliehoudende insluitsels in een kwartskorrel

Detail van een fluorescerend oliehoudend vloeistofinsluitsel

Hoewel de ouderdom van 2,2 miljard jaar net niet genoeg is om aan te tonen dat eukaryoten al voor de 'sneeuwbal aarde' voorkwamen, en dus in staat waren om de uiterst vijandige omstandigheden van zo'n ijstijd het hoofd te bieden, staat nu in ieder geval vast dat ze vroeger in de aardgeschiedenis verschenen dan tot nu toe werd aangenomen. Daarbij kan dan wel worden vastgesteld dat de eukaryoten in ieder geval wel de latere Precambrische ijstijden hebben overleefd, waarvan sommigen beweren dat ook toen tweemaal een 'sneeuwbal aarde' is opgetreden.

Referenties:

• Dutkiewicz, A., Volk, H., George, S.C., Ridley, J. & Buick, R., 2006. Biomarkers from Huronian oil-bearing fluid inclusions: an uncontaminated record of life before the Great Oxidation Event. Geology 34, p. 437-440.

Foto's (veldopnames van Roger Buick, University of Washington, Seattle, Verenigde Staten van Amerika; microopnames van Adriana Dutkiewicz) welwillend ter beschikking gesteld door Adriana Dutkiewicz, School of Geosciences, University of Sydney, Sydney (Australië).

702 Voortschrijdende gletsjer buigt, breekt en verplaatst bomen Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Op basis van de karakteristieken van sedimenten die onder een ijskap of een gletsjer zijn afgezet, bestaat er inzicht in de (niet of nauwelijks direct zichtbaar te maken) processen die plaatsvinden onder het ijs. De Bering gletsjer in Alaska blijkt echter de mogelijkheid te bieden om bijna directe waarnemingen te doen. Dat komt doordat deze gletsjer in de loop van de tijd dat hij door mensen wordt waargenomen enkele malen voor enige tijd plotseling veel sneller is gaan stromen (surges); bij de surge van 1993-1995 bedroeg die tijdelijke hoge stroomsnelheid 3-7 meter per dag. Bij die surge is de gletsjer uiteraard over het gebied dat voor hem lag heengegaan. Er zijn in de afzettingen van deze gletsjers bovendien een aantal kliffen ontstaan door erosie, waarin de gevolgen van dergelijke surges direct te zien zijn. De hoogste klif is gevormd in afzettingen die werden gevormd bij de surge van 1965-1967. De kliffen bieden de mogelijkheid om processen en gevolgen direct aan elkaar te koppelen.

De stam van een in glaciaal sediment opgenomen spar is geknakt net boven de wortels

Een door het bewegende ijs gebogen sparrestam is (net boven de spade) door rek ingescheurd. Net onder de spade is het wortelstelsel afgebroken

De gebieden voor de gletsjer waren bij de surge van 1965-1967 onder meer begroeid met diverse boomsoorten (Alnus crispa, A. sinuata, Populus balsamifera, P. trichocarpa en Picea sitchensis). De sparren (Picea) waren allemaal betrekkelijk jong (maximaal 23 jaarringen) en stonden geworteld in grindafzettingen. Al deze bomen werden gedeeltelijk door zand bedekt. Dat zand werd voor een deel afgezet in een meer dat voor de ijsrand ontstond uit smeltwater van de gletsjer; voor een deel eindigden de bomen met hun top in grindafzettingen die waren gevormd uit materiaal dat direct met smeltwater van de gletsjer zelf werd aangevoerd.

Een stam is op een 'glijvlak' van het ijs afgebroken en zo'n 10 cm naar rechts verplaatst t.o.v. zijn onderstuk

Door het bewegende ijs is een sparrestam verbogen, afgebroken en zo'n 10-14 cm naar rechts verplaatst

De meeste bomen staan ook na de surge nog rechtop in het omringende sediment. Dat betekent echter niet dat er niets met hen is gebeurd: de meeste zijn in hun geheel verplaatst (ingebed in het sediment) toen de gletsjer hun plek bereikte. Dat kon echter niet zonder meer, want de bomen waren uiteraard in de ondergrond geworteld. Bij sommige bomen is de stam aan de onderkant daarom verbogen of zelfs geknakt. In enkele gevallen lijkt het alsof de stammen door een vlijmscherp mes van hun wortelstelsel zijn afgesneden, en enkele centimeters of decimeters zijn verplaatst, alvorens weer tot rust te komen. Opvallend is dat dit 'afsnijden' alleen aan de onderkant van het ijs gebeurde, nooit in het midden of bovenin.

Zoals te verwachten is, vertonen alle boomstammen meer of minder ernstige beschadigingen aan de kant van waar het ijs of het sediment kwam. Waar de stammen gebogen of geknakt zijn, is de vervorming altijd in de stroomrichting van het ijs. Daarmee wordt het oorzakelijke verband tussen de surge en de deformatie direct duidelijk.

Referenties:

• Fleisher, P.J., Lachniet, M.S., Muller, E.H. & Bailey, P.K., 2006. Subglacial deformation of trees within overridden foreland strata, Bering Glacier, Alaska. Geomorphology 75, p. 201-211.

Foto's welwillend ter beschikking gesteld door Jay Fleisher, Earth Sciences Department, SUNY-Oneonta, Oneonta, NY (Verenigde Staten van Amerika).

703 Ontstaan van chondrules iets duidelijker Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Steenmeteorieten (chondrieten) zijn opgebouwd uit kleine (ongeveer een millimeter grote) min of meer ronde deeltjes (chondrules) die, dicht opeengepakt, in een fijnere matrix liggen. De chondrules moeten zijn gevormd toen gesteenten in de zonnenevel door een of andere oorzaak werden opgesmolten. Hoe en onder welke omstandigheden dat gebeurd kan zijn, is het onderwerp van veel speculaties, maar het is nu iets duidelijker geworden.

Vrijwel alle chondrieten zijn afkomstig uit de baan om de zon tussen Mars en Jupiter waarin grote aantallen asteroïden voorkomen; dat zijn naar alle waarschijnlijkheid de restanten van een uiteengevallen planeet. Kennelijk moet er in het begin van de ontwikkeling van ons zonnestelsel een gebeurtenis hebben plaatsgevonden waardoor (bijna?) alle asteroïden zijn opgesmolten, waarbij kleine druppeltjes van gesmolten silicaat werden gevormd (de chondrules) die later in veel gevallen weer samenklonterden om chondrieten te vormen.

Meteoriet NWA2892, waarschijnlijk verwant aan een normale chondriet, gezien de geringe hoeveelheid matrix

Chondrieten bestaan uit talrijke kleine deeltjes, die bij uiteenvallen van de chondriet chondrules vormen (foto Bernie Gunn).

Er moeten bij het ontstaan van ons zonnestelsel tal van situaties en tijdstippen zijn geweest waarin voldoende energie beschikbaar was om de asteroïden te laten smelten. Onbekend was echter of dat op een zeer grote schaal gebeurde (orde van het hele zonnestelsel), op zeer kleine schaal (bijv. lokale bliksemontladingen), of iets daar tussenin.


Onderzoeker Jeff Cuzzi

Uit de kenmerken van de chondrules kan worden opgemaakt dat ze hoogste temperaturen van meer dan 1500 C hebben meegemaakt, en dat dat enkele uren moet hebben geduurd. Onder dergelijke omstandigheden smelt niet alleen het gesteente, maar kunnen ook relatief lichte en vluchtige elementen zoals kalium, ijzer, silicium en magnesium verdampen. Dat moet ook zijn gebeurd, want deze elementen komen in chondrules in lagere concentraties voor dan in andere meteorieten. Bij verdamping verdwijnen normaliter eerst de isotopen met de minste neutronen in de atoomkern. Het zou daarom voor de hand liggen dat in chondrules een relatief tekort aan bijv. silicium-28 zou bestaan t.o.v. silicium-30. Dat blijkt echter niet het geval te zijn.

Deze gegevens zijn voor twee Amerikaanse onderzoekers het uitgangspunt geweest voor een aantal berekeningen om vast te stellen onder welke omstandigheden wel verdamping kan zijn opgetreden, maar geen extra verlies aan lichte isotopen. De meest aannemelijke verklaring voor het nog steeds aanwezig zijn van de lichte isotopen is dat de gassen die ontstonden bij verdamping niet konden 'ontsnappen' uit de omgeving waarin de chondrules werden gevormd, zodat ook die lichte isotopen op den duur weer werden opgenomen in de bij dalende temperatuur uitkristalliserende chondrules. De onderzoekers komen tot de conclusie dat de gassen niet konden ontsnappen als er zoveel chondrules waren dat de 'wolk' van ontsnappende gassen uit de ene chondrule daardoor als het ware werd opgevangen door de gaswolk rondom een andere. Die situatie moet hebben bestaan bij een dichtheid van ongeveer 10 chondrules per kubieke meter. Een dergelijk grote dichtheid kan alleen hebben bestaan in het vlak waarin het zonnestelsel zich bezig was te vormen.

De Plainview chondriet, een karakteristiek exemplaar (foto D. Ball, Arizona State University)

Een schitterende, uit kleine deeltjes, opgebouwde chondriet (foto Bernie Gunn)

De ontsnappende gassen mogen echter ook niet zijn in grote mate zijn gediffundeerd naar een gebied waar geen chondrules aanwezig waren. Op basis van de (zeer lage) luchtdruk in de asteroïdengordel, kan worden berekend dat iedere chondrule daarom omgeven moet zijn geweest door een 'wolk' van andere (verdampende) chondrules met een straal van zo'n 3 km. Als 99% van de ontsnappende gassen niet mag zijn weggediffundeerd, dan moet die 'wolk' ca. 300 keer groter zijn geweest, d.w.z. in de orde van grootte van 1000 km.

Op basis van dit soort berekende omstandigheden komen de onderzoekers tot de conclusie dat het opsmelten moet hebben plaatsgevonden op een schaal van de hele zonnenevel. Het meest waarschijnlijk zijn schokgolven de oorzaak. Deze schokgolven kunnen zijn veroorzaakt door instabiliteiten van het zwaartekrachtsveld, bijv. toen die van de zonnenevel en die van de protozon ongeveer gelijk werden.

Referenties:

• Cuzzi, J.N. & Alexander, C.M.O=D., 2006. Chondrule formation in particle-rich nebular regions at least hundreds of kilometres across. Nature 441, p. 483-485.
  
• Desch, S., 2006. How to make a chondrule. Nature 441, p. 416-417.

Foto van de meteoriet NWA2892 welwillend ter beschikking gesteld door Jeff Cuzzi, Space Science Division, Ames Research Center, Moffet Field, CA (Verenigde Staten van Amerika).

704 Mens niet verantwoordelijk voor uitsterven van Amerikaanse Pleistocene megafauna Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Bij de overgang van het Pleistoceen naar het Holoceen veranderde het klimaat wereldwijd dramatisch. De leefgebieden van tal van dieren veranderden, de mens breidde zijn territorium uit (onder meer vanuit Azië over de Beringstraat naar Amerika), en in Amerika stierf zo'n 75% van de grote zoogdieren uit. Die twee laatste zaken zijn vaak met elkaar in verband gebracht: de Amerikaanse megafauna zou vooral door overbejaging zijn uitgestorven. Een andere hypothese is dat een ongekende ziektegolf het einde van de megafauna betekende.


Onderzoeker Dale Guthrie met een deel van de schedel van een Pleistocene bison.

Dat beeld moet worden herzien: C-14 dateringen van 600 botten (van mammoets, wilde paarden en tal van andere grote zoogdieren) in Alaska en het aangrenzende deel van Canada, in combinatie met archeologische vondsten en gedetailleerde analyses van de vegetatie, laten een ander beeld zien. Het was vooral de verandering van het klimaat dat de megafauna de das omdeed.


Opgraving van Pleistocene zoogdierresten

Uit de dateringen blijkt dat het uitsterven niet razendsnel om zich heen greep, maar dat sommige diersoorten langzaam in aantal afnamen, om uiteindelijk geheel te verdwijnen. Dat sluit een ziektegolf als oorzaak van de uitstervingen uit. Een andere hypothese kan ook als onjuist worden afgedaan: volgens sommige onderzoekers zou de mens door zijn jacht op de mammoet hebben gezorgd voor het uitsterven van dat dier. De mammoet zou de graslanden door zijn graasgedrag in goede conditie hebben gehouden, en daardoor voor voldoende voedsel hebben gezorgd voor diverse andere dieren. Toen de mammoet verdween, veranderde de graslanden in toendra's en bossen, waardoor er onvoldoende voedsel overbleef voor dieren zoals de wilde paarden. Uit de C-14 dateringen blijkt echter deze volgorde van gebeurtenissen niet te kloppen.


Slagtanden van de wolharige mammoet (Mammuthus primigenius), die het Pleistoceen niet overleefde

Ook overbejaging door de plotseling op het toneel verschenen mens kan niet de oorzaak zijn geweest. Zo blijken de aantallen bisons en wapiti=s zowel voor als tijdens de aanwezigheid van de prehistorische mens in aantal te zijn toegenomen. Omdat hun toename al begon voordat de mammoet en het wilde paard uitstierven, is er ook geen sprake van het opvullen van de plaatsen die door de uitgestorven dieren werden achtergelaten.


De wapiti (Cervus canadiensis), een hert dat het Pleistoceen wèl overleefde

In feite wijst het hele beeld erop dat er bij de overgang van Pleistoceen naar Holoceen in eerste instantie sprake was van betere leefomstandigheden voor de megafauna, omdat de tot dan toe schaarse vegetatie duidelijk in omvang en variëteit toenam. Vooral de wapiti en de bison schijnen daarvan te hebben geprofiteerd. Juist op de top van deze gunstige ontwikkeling verscheen de mens in Amerika. Die leefde vooral van de jacht. Dat blijkt uit de vondsten van botten van gedode dieren bij teruggevonden kampen. Maar de buit bestond vooral uit wapiti's en bisons, juist de dieren die de komst van de mens overleefden!

Referenties:

• Guthrie, R.D., 2006. New carbon dates link climatic change with human colonization and Pleistocene extinctions. Nature 441, p. 207-209.

Foto's van de opgraving en de bisonschedel welwillend ter beschikking gesteld door Dale Guthrie, Institute of Arctic Biology, University of Alaska, Fairbanks (Verenigde Staten van Amerika).

705 Voorbereiding van IJstijdvak startte lang geleden Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Hoewel de directe oorzaak voor ijstijden ligt in astronomische factoren (de beroemde Milankovitch-curves), moeten er ook andere 'gunstige' voorwaarden voor zijn. Anders zou er immers gedurende de gehele aardgeschiedenis een afwisseling zijn geweest van ijstijden en interglacialen, terwijl ijstijden in feite uitzonderlijk zijn. Waarschijnlijk speelt isolatie van de poolgebieden een rol (het noordpoolgebied bestaat nu uit water, omgeven door land; in het zuidpoolgebied is dat juist andersom). De isolatie van de poolgebieden verhindert namelijk de toevoer van warmte uit de tropen naar de polen, die daardoor sterker kunnen afkoelen.

Kaart van het zuidelijk halfrond voor de opening van de Drake Doorgang, 45 miljoen jaar geleden

Het zuidelijk halfrond nu, met een duidelijke opening (Drake's Doorgang) tussen Zuid-Amerika en Antarctica

De huidige isolatie van Antarctica is mede een gevolg van het feit dat, na de opsplitsing van Gondwanaland, de gebieden die nu respectievelijk Antarctica en Zuid-Amerika vormen op een gegeven ogenblik van elkaar werden gescheiden, waardoor een koude stroming rondom Antarctica kon ontstaan, die toevoer van warmte door oceaanstromen verhindert. Tot nu toe was niet bekend wanneer de twee continenten los van elkaar raakten, waarbij de 'Doorgang van Drake' (Drake Passage) ontstond die de circumpolaire stroming mogelijk maakte.

Het tijdstip waarop de Doorgang van Drake ontstond blijkt veel langer geleden dan tot nu toe werd verondersteld. Het moment is nu gedateerd aan de hand van fossiele vissetanden die zijn gevonden in boorkernen van locatie 1090 van het Ocean Drilling Program (ODP) in het zuidelijkste deel van de Atlantische Oceaan. Vissetanden hebben een vreemde eigenschap: als ze na afsterven van de vis op de zeebodem terechtkomen, absorberen ze enige tijd neodymium (een chemisch element dat behoort tot de zeldzame aardmetalen). Neodymium kent twee isotopen, en de verhouding daartussen verschilt tussen de Pacifische en de Atlantische Oceaan (een gevolg van verschillen in aanvoer door rivieren).


Fossiele vissentand van locatie 1090 van het Ocean Drilling Project;
analyse van dergelijke tanden maakte datering van de 'opening' mogelijk.

Toen de Doorgang van Drake werd gevormd, kon water uit de Pacifische Oceaan zich gaan mengen met water uit de Atlantische Oceaan. De verhouding tussen de twee neodymiumisotopen in de Atlantische Oceaan begon daardoor te fluctueren. Dat blijkt al 41 miljoen jaar geleden te zijn begonnen. Dat is veel langer geleden dan tot nu toe werd gedacht (veel mariengeologen waren van mening dat de Doorgang van Drake pas 20 miljoen jaar geleden breed en diep genoeg kan zijn geworden om een echte circumpolaire stroming op gang te brengen). Opvallend genoeg heeft 41 miljoen jaar geleden ook een soort 'Kleine IJstijd' plaatsgevonden. De eerste echte ijstijd op Antarctica begon overigens zo'n 34 miljoen jaar geleden. Dat zou ermee kunnen samenhangen dat toen ook de opening tussen Antarctica en Australië groter werd. In ieder geval wijzen deze gegevens erop dat de inleiding tot het Pleistocene IJstijdvak al lang geleden werd ingezet, en dat isolatie van de poolgebieden hierbij inderdaad een belangrijke rol speelt.

Referenties:

• Kerr, R.A., 2006. Opening the door to a chilly new climate regime. Science 312, p. 350.
  
• Scher, H.D. & Martin, E.E., 2006. Timing and climatic consequences of the opening of Drake Passage. Science 312, p. 428-430.

Figuren welwillend ter beschikking gesteld door Howie Scher, Department of Earth and Environmental Sciences, University of Rochester, Rochester, NY (Verenigde Staten van Amerika).

Copyright © NGV 1999-2010
webmaster@geologischevereniging.nl