Vastgespijkerd (Gerectificeerd)

Michiel van Nieuwstadt

Betere dateringen leiden tot nieuwe tijdschaal

Geologen weten steeds meer over de geschiedenis van

de aarde. Over de hele wereld slaan ze gouden spijkers om tijdvakken te markeren. Maar de twist over golden spikes ontaardt soms in een ordinaire knokpartij.

VAKANTIEGANGERS in landen langs de Middellandse Zee kunnen deze zomer op zoek naar `gouden spijkers'. De spijkers steken uit de rotsen langs de stranden van de zuidkust van SiciliŽ, in het noorden van Spanje en langs de Nijl in Egypte. Echt van goud zijn ze niet, meestal gewoon van roestvrij staal. Maar voor de geologen die ze in de rotsen hebben geslagen, zijn de spijkers van onschatbare waarde. Golden spikes markeren de overgang tussen verschillende geologische tijdvakken; perioden van tientallen miljoenen jaren langs de tijdsas van de aarde (Cambrium, Jura, Krijt etc.) elk weer opgedeeld in kortere intervallen (met namen als Paleoceen, Eoceen en Maastrichtien).

Van de afzettingen die al van een gouden spijker zijn voorzien, hebben geologen de leeftijd nauwkeurig bepaald. De ouderdom van gesteenten elders op aarde wordt vastgesteld door ze te vergelijken met de lagen gesteente rond de gouden spijkers.

Begin jaren negentig hadden geologen nog maar 15 spijkers geslagen. Sindsdien is veel vooruitgang geboekt. Dankzij ingrijpende verbeteringen in de geologische `klokken' (onder meer gebaseerd op het verval van radioactieve isotopen) zijn de deskundigen het eens over plek en datering van 50 gouden spijkers. Strijd wordt nog geleverd over de overige 41 tijdvakken die ons scheiden van het Cambrium (542 miljoen jaar geleden, wanneer de eerste dieren met een harde schaal en dus goede fossielen ontstonden).

Zo snel zijn de ontwikkelingen gegaan dat in september in Florence voor het eerst in vijftien jaar een volledig herziene geologische tijdsschaal kan worden gepresenteerd. Veertig wetenschappers hebben eraan meegewerkt. ``Wij publiceren een nieuwe geschiedenis van de aarde', zegt hoofdauteur Prof. dr. Felix Gradstein, hoogleraar aan de universiteit van Oslo.

Variaties

Sommige spijkers vertegenwoordigen wetenschappelijke mijlpalen. Zo leverden Utrechtse geologen de afgelopen jaren een cruciale bijdrage aan de ontwikkeling van een gedetailleerde tijdschaal voor de laatste 23 miljoen jaar. Mede dankzij die tijdschaal - gebaseerd op variaties in de aardas en aardbaan - hebben geologen de laatste jaren een handvol spijkers kunnen slaan in ItaliŽ. Belangrijke progressie is ook geboekt met de datering van veel oudere tijdvakken. Dat is volgens geochronoloog dr. Jan Wijbrans van de Vrije Universiteit van Amsterdam vooral te danken aan een nauwkeuriger tijdsbepaling op basis van het verval van radioactieve isotopen. Tot slot maken zuurstof- en koolstofisotopen, die over de hele wereld worden teruggevonden in sedimenten, het steeds beter mogelijk de ouderdom van gesteenten te vergelijken.

Maar de golden spikes vertellen niet alleen een verhaal van wetenschappelijke vooruitgang, ze kennen vaak ook een geschiedenis van ruzie en controverse. Geologen die gewend zijn aardlagen te typeren op grond van fossielen houden zich vast aan een systeem van classificaties dat in de laatste twee eeuwen is opgebouwd. Wetenschappelijke carriŤres staan op het spel. ``Mensen slaan graag een spike in een sectie die ze tien jaar lang bestudeerd hebben', zegt dr. Lucas Lourens van de Universiteit van Utrecht.

Ook nationaal sentiment en politiek spelen een rol bij het slaan van de golden spikes. China vierde het `binnenhalen' van de belangrijke grens tussen de tijdvakken Perm en Trias (251 miljoen jaar geleden) met de oprichting van een metershoog monument in de provincie Zhejiang. De Russen zijn nog steeds boos over een gouden spijker die in maart van dit jaar is geslagen in AustraliŽ. Die markeert het begin van Ediacara, een tijdvak waarin over de hele wereld gecompliceerde organismen ontstonden - nog zonder schaal of skelet (650 miljoen jaar geleden). ``Rusland was met zijn prachtige fossielen en afzettingen ook een goede kandidaat', verklaart Gradstein. ``Maar die liggen soms op plekken die voor onderzoekers gevaarlijk of moeilijk bereikbaar zijn.'

Hoe hoog de commotie rond de golden spikes kan oplopen, blijkt wel uit het verhaal achter de nagel die vorig jaar is geslagen in het Egyptische Dababiya. Dr. Henk Brinkhuis, als geoloog verbonden aan de faculteit Biologie van de Universiteit van Utrecht, zag twee rivaliserende geologen op een congres in Parijs om deze kwestie met elkaar op de vuist gaan. Punt van strijd was of de Nijloever, 35 kilometer ten zuiden van Luxor, een geschikte locatie zou kunnen zijn om de overgang te markeren van het Paleoceen naar het Eoceen, 55,8 miljoen jaar geleden een tijd van mondiale opwarming en ook het moment waarop moderne hoefdieren, primaten en vleermuizen op het wereldtoneel verschijnen.

De gouden spijker aan de Nijl is wetenschappelijk goed onderbouwd. Niet alleen op het land, maar ook in de oceanen stierven 55,8 miljoen jaar geleden micro-organismen uit. In de afzettingen bij Dibabiya is goed te zien welke van deze zogeheten foraminiferen de grens wťl en niet hebben overleefd. Belangrijker nog is dat massale sterfte van invloed kan zijn op de samenstelling van de atmosfeer. De gouden spijker van Dababiya markeert een afzetting die relatief veel C bevat, de relatief lichte koolstofisotoop die bij voorkeur wordt gebruikt door levende organismen. Geologen spreken van een `koolstof-piek'. In tijden van massale sterfte zou het aandeel van deze relatief lichte isotoop in de samenstelling van de atmosfeer moeten toenemen ten koste van de zware en door organismen niet gebruikte variant C. Dat is precies het effect dat wordt gemeten bij Dababiya en op vele plaatsen elders in de wereld. Koolstof-pieken zijn over het algemeen een goede indicator voor het massaal uitsterven van organismen. Omdat de relatieve hoeveelheid C aan het einde van het Eoceen wel heel sterk stijgt, zoeken geologen in dit geval naar aanvullende verklaringen zoals het plotseling vrijkomen van methaan uit de zeebodem.

``In elk geval markeert de golden spike bij Dibabiya een fysische gebeurtenis', zegt Felix Gradstein. ``Zo'n event is eigenlijk veel geschikter dan de fossielen die wij als geologen doorgaans gebruiken voor de datering en correlatie van aardlagen. Het uitsterven van organismen gebeurt verspreid over de wereld vaak niet tegelijkertijd. Hier hebben we te maken met ťťn gebeurtenis die we overal in de wereld terugvinden. Op het land, maar ook in mariene sedimenten.'

Daar staat tegenover dat deze golden spike in Egypte de geologische tekstboeken overhoop haalt. Daarin valt het begin van het Eoceen al eeuwenlang samen met het begin van het zogeheten Ypresien, een afzetting van 54,4 miljoen jaar oud aan de kust van BelgiŽ. Deze formatie bij Ieper was 250 jaar lang een vast referentiepunt voor geologen, maar is nu plotseling ruim een miljoen jaar jonger dan de P/E-grens in Egypte. Daartussen gaapt een verwarrend gat zonder naam.

Henk Brinkhuis, betrokken bij de vastlegging van de golden spike in Dababiya heeft daarom begrip voor het feit dat het Ypresien met hand en tand is verdedigd - tevergeefs. ``De geschiedenis wordt overboord gezet', zegt hij. ``Wat op papier een eenvoudige handeling lijkt werkt in de praktijk superverwarrend. Geologische tijdschalen zijn nu eenmaal op een bepaalde manier opgebouwd, als je er te veel aan gaat rommelen zonder rekening te houden met de geschiedenis, dan weet op het laatst niemand meer hoe het zit.' Felix Gradstein ziet dat anders: ``Het Ypresien mag historisch belangrijk zijn, ik vind het belangrijker dat we een referentiepunt hebben dat ze in ArgentiniŽ, India en AustraliŽ ook begrijpen.'

Hiaat

Gradstein wijst erop dat de afzettingen bij Ieper eigenlijk niet geschikt zijn als uitgangspunt voor datering en correlatie met afzettingen elders. Aan de boven- en onderkant ervan hebben geologen te maken met een zogeheten hiaat; een ontbrekend stuk gesteente dat miljoenen jaren vertegenwoordigt. Het bijbehorende sediment is geŽrodeerd of misschien nooit afgezet, bijvoorbeeld doordat een stuk zeebodem heeft drooggelegen.

Het Maastrichtien, het enige geologische tijdvak dat is gerelateerd aan Nederlands gesteente, kampt met een vergelijkbaar probleem. In deze periode, tussen 70,6 en 65,5 miljoen jaar geleden, lag in het huidige Zuid-Limburg een ondiepe binnenzee, maar de boven- en de onderkant van de afzettingen ontbreken. De gouden spijker die het begin van het Maastrichtien aangeeft ligt daarom niet in Limburg maar in het departement Landes in Zuidwest-Frankrijk (Tercis-les-Bains).

Sinds het einde van het Maastrichtien (en het Krijt) is het grootste deel van Nederland steeds verder weggezakt. De geologisch jonge rivier- en zee-afzettingen bieden weinig geschikte locaties voor een gouden spijker. Toch maken Nederlandse geologen aanspraak op de golden spike die het laatste tijdvak van het Pleistoceen moet markeren (circa 120.000 jaar geleden). De Nederlandse golden spike zou moeten komen in een boorkern, opgediept in de buurt van Amsterdam, op 63,5 meter onder het maaiveld. Felix Gradstein geeft het initiatief een serieuze kans van slagen: ``Een gouden spijker in een boorkern zou een unicum zijn. Dit heeft als nadeel dat het monster moeilijk toegankelijk is, maar geschikte afzettingen uit deze periode zijn aan het oppervlak niet zo eenvoudig te vinden. Als je echt opnieuw wilt bemonsteren kun je altijd een nieuw gat boren. Ik zie geen principiŽle bezwaren.'

Droogvallen

De pakketten gesteente in de omgeving van Maastricht en Ieper zijn niet de enige beroemde afzettingen die te kampen hebben met hiaten. Dat geologen ook elders op dit probleem stuiten heeft te maken met het feit dat zij zich eeuwenlang hebben gebaseerd op fossielen die met het blote oog zichtbaar zijn. De mooiste vindplaatsen van deze fossielen zijn vaak voormalige ondiepe zeeŽn. Door periodiek droogvallen en de eroderende kracht van de branding zijn gesteenten hier vaak niet regelmatig - laag voor laag - afgezet. ``De focus van vroegere geologen op de macroscopische resten van het leven heeft de geologie opgescheept met een lastige erfenis', zegt Henk Brinkhuis.

Befaamde gidsfossielen zijn trilobieten (een uitgestorven geleedpotige), conodonten (tandplaatjes van een wormachtig dier), ammonieten (spiraalvormige schelpen van inktvisachtigen) en graptolieten (kolonies van organismen in buisjes). Als fossielen in twee verschillende lagen worden teruggevonden wordt aangenomen dat ze van vergelijkbare ouderdom zijn. Bijbehorende gouden spijkers zijn geslagen op mooie vindplaatsen waar zo'n gidsfossiel voor het eerst verschijnt of plotseling verdwijnt. Zo is de allereerste gouden spijker in 1972 geslagen in buurt van het Tsjechische Klonk, op een plaats in het gesteente waar de graptoliet Manograptus uniformis voor het eerst opduikt. Hier eindigt het Siluur en begint het Devoon (416 miljoen jaar geleden).

Nadat in het Perm de laatste trilobieten zijn uitgestorven nemen ammonieten de rol van gidsfossiel over. Na het uitsterven van de laatste ammoniet, samen met de laatste dinosauriŽr (aan het einde van het Krijt) zijn macrofossielen voor de definities van geologen nauwelijks meer van belang. In plaats daarvan komen de kalk- of kiezelskeletten van microscopische organismen. Deze fossielen hebben het voordeel dat ze zijn neergedwarreld op de oceaanbodem, waar ze miljoenen jaren onaangeroerd zijn blijven liggen. In de boorkernen die de afgelopen decennia uit de oceaanbodem zijn opgediept is het ontstaan en uitsterven van deze micro-organismen goed te volgen.

Met het slaan van een golden spike is de geoloog pas halverwege; dateren is stap twee. Sinds de Tweede Wereldoorlog is het belangrijkste raamwerk voor deze datering gebaseerd op een combinatie van het meten van de mate van verval van radioactieve isotopen en paleo-magnetisme, gebaseerd op het feit dat de noord- en zuidpool van de aarde gemiddeld eens in de miljoen jaar stuivertje wisselen.

IJsland kent geen gouden spijkers, maar vervult een sleutelrol in de datering van geologische tijdvakken. Het eiland ligt op een zogeheten mid-oceanische rug; de strook midden tussen Noord en Zuid-Amerika enerzijds en Europa en Afrika anderzijds waar nieuwe oceanische korst wordt gevormd uit magma dat omhoog komt en zich in de vorm van basalt uitspreid over de oceaanbodem. De nieuwe korst is vloeibaar en de magnetische mineralen richten zich bij stolling naar het heersende magneetveld. De omslagen van het aardse magneetveld zijn daarom over een periode van miljoenen jaren terug te vinden op de oceaanbodem - en aan de oppervlakte van IJsland. Dat is de plaats waar geologen erin zijn geslaagd magnetische intervallen te koppelen aan een specifieke ouderdom. Het begin van een geologisch tijdvak valt bij voorkeur samen met een historische omslag in het magnetisch aardveld.

Isotopendateringen, gebaseerd op de snelheid waarmee radioactieve isotopen als kalium en uranium vervallen tot argon en lood, zijn in de afgelopen 15 jaar veel nauwkeuriger geworden. ``Foutmarges van enkele miljoenen jaren zijn teruggebracht tot minder dan een half miljoen jaar', zegt Felix Gradstein. Tot voor kort, legt Jan Wijbrans uit, konden dateringen tot tientallen miljoenen jaren te oud uitvallen doordat radioactief materiaal of juist het product daarvan weglekte.

Dankzij steeds betere isotopendateringen is het begin van Cambrium de afgelopen decennia stap voor stap opgeschoven van 600 miljoen jaar geleden in de jaren zestig tot 542 miljoen jaar nu. De overgang van het Perm naar het Trias is volgens de Geologische Tijdschaal van Gradstein 251 in plaats van 245 miljoen jaar oud en het Jura, het tijdperk waarin de dinosauriŽrs op hun top waren, is 145 miljoen jaar geleden geŽindigd en niet 131 miljoen geleden jaar zoals eind jaren tachtig nog werd gedacht.

In het afgelopen decennium heeft de datering op basis van isotopenverval steun gekregen van een andere en geheel onafhankelijke dateringsmethode, die is gebaseerd op veranderingen in het klimaat. De wisselwerking van de aarde met de zon, de maan en andere planeten veroorzaakt periodieke verstoringen in de vorm van de aardbaan, de hoek van de aardas en de tolbeweging van de aardas. Deze zogeheten Milankovitch-variabelen beÔnvloeden de invalshoek van de zon op (verschillende plaatsen) op aarde en daarmee het klimaat.

De Milankovitch-klimaatcycli zijn terug te vinden in de chemische samenstelling van de oceaansedimenten, maar ook in organische afzettingen op de kust van SiciliŽ en elders langs de Middellandse Zee. Met collega's van de Universiteit van Utrecht ontwikkelde Lucas Lourens een tijdschaal voor de laatste 23 miljoen jaar die is gebaseerd op de combinatie van deze afzettingen met periodieke klimaatcycli, geologen spreken van astronomisch afstemmen (astronomical tuning). Met intervallen van 20.000 tot 40.000 jaar is deze tijdschaal voor geologische begrippen ongekend nauwkeurig. ``Astronomical tuning is de belangrijkste stap vooruit die de geologie in de afgelopen decennia heeft gemaakt', zegt Felix Gradstein. In de toekomst hoopt Lourens zijn dateringsmethode op oudere gesteenten toe te passen: ``De cyclische sedimenten die wij nodig hebben zijn terug te vinden tot diep in het Krijt, misschien wel tot in het Jura.' Volgens Jan Wijbrans heeft het astronomisch afstemmen zijn nut voor oudere dateringen al bewezen. ``We hebben een methode in handen gekregen die onafhankelijk is van radioactieve isotopen. Het astronomisch tunen heeft ons geholpen systematische fouten in isotopen-dateringen op te sporen.'

Uitgelezen plek

Met de nieuwe tijdschaal werd het bovendien veel eenvoudiger om gouden spijkers te slaan. ``Het raamwerk is er nu, alleen de puzzelstukjes moesten nog worden ingepast', zegt Gradstein. De kust van de Middellandse Zee bleek een uitgelezen plek voor spijkers die passen bij de jongste geologische tijdvakken. Op Zuid-SiciliŽ bijvoorbeeld zijn het sediment en de micro-organismen die miljoenen jaren geleden zijn neergedwarreld op de zeebodem door latere opheffing op het land terecht gekomen. Dat komt doordat het Afrikaanse continent jaarlijks enkele centimeters opschuift in de richting van ItaliŽ en de zeebodem langzaam maar zeker opstuwt.

In de afgelopen jaren zijn er in ItaliŽ een handvol golden spikes geslagen waarvan drie aan de zuidkust van SiciliŽ. Ze markeren belangrijke momenten in de jongste geschiedenis van de aarde, zoals de overgang van het Mioceen naar het Plioceen, ruim 5 miljoen jaar geleden. In die tijd liep de Middellandse Zee weer vol na een lange periode van afsluiting van de Atlantische Oceaan. Een team van geologen, onder meer van de Universiteit van Utrecht, heeft de spijker die deze grens markeert geslagen in de rotsen boven het strand bij Eraclea Minoa. Toeristisch gezien is dat best een aardig plaatsje, vindt Lucas Lourens. ``Er staan huisjes aan het strand die je kunt huren.' Of de golden spikes naast fossielenjagers ook andere toeristen kunnen trekken valt te bezien. Zelfs Felix Gradstein heeft zijn twijfels: ``Voor de spijkers hebben wij ononderbroken afzettingen nodig. Aardverschuivingen en erosie zijn uit den boze. Landschappelijk zijn het misschien niet de meest interessante plaatsen, maar voor geologen zijn ze fascinerend.'

Foto-onderschrift:

GEOLOGISCHE TIJDSCHAAL Graphic Rik van Schagen

Rectificaties:

Rectificatie Trilobiet In de krant van mijn oma heb ik een fout ontdekt. In de tekening op de voorste bladzijde van het wetenschapsstukje staat TRIBOLIET en het moet zijn TRILOBIET. Heb ik daarin gelijk? Wilt U dit dan a.u.b. verbeteren? Ik heet Etienne en ik ben 8 jaar. Naschrift redactie Inderdaad werd in de afgebeelde tijdschaal de trilobiet bedoeld. Onze excuses voor de fout.