Aardbaan als klok voor geologische tijdschaal

George Beekman

Een van de belangrijkste pijlers van de geologie is de geologische tijdschaal: een soort kalender van de geologische geschiedenis van de aarde. Met behulp van deze tijdschaal kan de relatieve ouderdom van geologische verschijnselen en perioden, gesteenten en fossielen, worden bepaald. Het meest elementaire principe hierbij is dat van de superpositie: bij ongestoorde lagen is de diepere laag ouder dan de laag die er boven ligt. De praktijk is echter minder simpel, omdat allerlei verstorende effecten een rol spelen.

De werkelijke ouderdom van een aardlaag of gesteente moet worden bepaald door een absolute datering. Deze is vaak gebaseerd op het verval van radioactieve isotopen in het betreffende gesteente, bijvoorbeeld het verval van Kalium-40 tot Argon-40. Ook deze methode is echter minder eenvoudig dan hij op het eerste gezicht lijkt. In de afgelopen jaren is er een dateringsmethode in opmars die berust op de correlatie van cyclische veranderingen in geologische afzettingen naar veranderingen in de aardbaan in het recente geologische verleden.

Tot voor kort werden met deze astronomisch gecalibreerde tijdschaal gesteenten gedateerd die tot ongeveer 700.000 jaar oud waren. Geologen en geofysici van het Instituut voor Aardwetenschappen in Utrecht hebben deze astronomisch-geologische tijdschaal nu een flink stuk naar het verleden weten te verlengen. De resultaten van dit onderzoek werden gepubliceerd in de Earth and Planetary Science Letters (104, p. 226 en 107, p. 349).



Quasi-periodiek



De beweging van de aarde rond de zon wordt niet alleen beïnvloed door de aantrekkingskracht van de zon, maar ook door die van de maan en de planeten. Als gevolg van al die verstoringen veranderen de ellipticiteit (of excentriciteit) van de aardbaan en de hoek tussen het baanvlak en de rotatie-as (de helling) en maakt de aardas een kegelvormige beweging (precessie). Dit alles op een quasi-periodieke manier, met hoofdperioden van 19.000, 23.000, 41.000, 100.000 en 400.000 jaar.



Deze variaties hebben een belangrijke invloed op het klimaat, omdat zij zowel de hoeveelheid zonlicht per breedtegraad doen variëren, als de hoeveelheid zonlicht per seizoen. De temperatuur van de atmosfeer en de oceanen verandert er door.



Al in het midden van de vorige eeuw suggereerde de Franse geoloog Jean Adhémar dat het optreden van ijstijden langs deze astronomische weg werd beïnvloed. Deze theorie zou honderd jaar later verder worden uitgewerkt door met name de Joegoslaaf Milutin Milankovitch.



Momenteel wordt algemeen aangenomen dat veranderingen in de aardbaan zich ook weerspiegelen in cylische variaties in bijvoorbeeld de samenstelling van diepzeesedimenten en dus ook in afzettingsgesteenten.
Zo zullen veranderingen in de temperatuur van het zeewater leiden tot veranderingen in foraminiferen, planktondiertjes met een kalkskelet. Doordat de skeletjes later naar de bodem zakken, worden deze veranderingen vastgelegd in het sediment op de zeebodem.



Goede monsters



In de afgelopen paar jaar zijn astronomen er in geslaagd de veranderingen in de baan en de stand van de aarde tot ruwweg 3 à 5 miljoen jaar terug zeer nauwkeurig te bepalen. Tegelijkertijd werd er door geologen gewerkt aan de uitbreiding van de astronomisch-geologische tijdschaal naar oudere geologische perioden dan de laatste 700.000 jaar. Dit zou tevens een goede vergelijking mogelijk maken met de bestaande geologische tijdschalen, die hoofdzakelijk zijn gebaseerd op radiometrische ouderdomsbepalingen.



Het probleem was aanvankelijk het bemachtigen van goede monsters van oudere, niet verstoorde diepzee-sedimenten. Maar zulke afzettingen kunnen ook worden gevonden in gebieden die ten gevolge van latere opheffing boven de zeespiegel zijn gekomen en op het land "ontsloten' zijn.



Geologen en geofysici van de Rijksuniversiteit Utrecht hebben nu zulke klei- en mergelafzettingen op Sicilië en Calabrië (Zuid-Italië) bestudeerd. In het kader van zijn promotie-onderzoek heeft Frederik Hilgen de cyclische variaties in deze afzettingen vergeleken met de meest recente gegevens over de quasi-periodieke variaties in de aardbaan.



De correlaties tussen deze variaties kon nu tot 5,5 miljoen jaar terug worden gevolgd. De onderzoekers bepaalden onder andere de ouderdom van de omkeringen van het magnetische veld van de aarde, zoals die zijn vastgelegd in het gesteente. Zij vonden dat de ouderdommen die gebaseerd zijn op de astronomische tijdschaal 3 tot 10 procent ouder uitkomen dan die volgens de conventionele radiometrische bepalingen. Deze verschillen zouden niet kunnen worden veroorzaakt door fouten in de astronomische tijdschaal, of door verstoringen (zoals hiaten) in de geologische monsters.



Waarschijnlijk vloeit het verschil voort uit het verlies van radio-actief argon uit gesteenten in de loop van de aardgeschiedenis. Dit verlies resulteert dan in systematisch te jonge radiometrische leeftijden. De nieuwe ouderdommen voor de Plioceen-Pleistoceen- en de Mioceen-Plioceengrens komen nu uit op 1,81 en 5,32 miljoen jaar, terwijl ze volgens de conventionele tijdschaal slechts 1,68 en 4,86 miljoen jaar oud zijn. De nieuwe waarden zijn inmiddels bevestigd door een nieuwe radiometrische bepaling die gebaseerd is op argon-40/argon-39 laserfusie.



Détailscherpte



De ouderdom van afzettingsgesteenten kan nu met een nauwkeurigheid van ongeveer duizend jaar worden bepaald.
Daardoor heeft de astronomisch gecalibreerde tijdschaal ook een grotere "détailscherpte' dan de tijdschalen die gebaseerd zijn op radiometrisch bepaalde ouderdommen. De hoge resolutie en nauwkeurigheid zijn volgens Hilgen een belangrijk pré bij het onderzoek naar de oorzaken en gevolgen van astronomisch bepaalde klimaatsveranderingen. Daarnaast bieden zij een goed kader bij het onderzoek naar verbanden tussen verschillende geologische verschijnselen, zoals zeespiegelvariaties, tektonische bewegingen, zeebodemspreiding, sedimentatieprocessen en de verdwijning van plante- en diersoorten.



Volgens Hilgen zou het toekomstige onderzoek op dit gebied vooral gericht moeten zijn op het verder verlengen van de astronomisch gecalibreerde tijdschaal naar nog oudere geologische perioden, in eerste instantie naar het midden- en laat-Mioceen (tot 15 miljoen jaar geleden).



Bij het nog verder teruggaan in de tijd krijgt men te maken met onzekerheden in de astronomische tijdschaal zèlf. Maar met behulp van de constante, 400.000-jarige periodiciteit in de excentriciteit van de aardbaan zou men mogelijk nog kunnen teruggaan tot het Mesozoïcum en misschien zelfs tot het Paleozoïcum, dus tot enkele honderden miljoenen jaren in het verleden. Daardoor zouden de geologische verschijnselen op hùn beurt een beter inzicht kunnen geven in het gedrag van de precessie van de aardas en de helling van de aardbaan in dat verre verleden.



Bijschrift grafiek: Voorbeeld van een correlatie tussen cyclische veranderingen in een afzettingsgesteente en de verandering van de precessie (kegelbeweging) van de aardas en de excentriciteit (ellipticiteit) van de aardbaan. Het bestreken tijdvak loopt van 1,6 tot 2,9 miljoen jaar geleden. Opvallend zijn de sterke koppelingen tussen de afzettingspatronen en de precessie die rond 1,8, 2,2 en 2,6 miljoen jaar geleden optraden.



Datum:

21-05-1992

Sectie:



Pagina:

4

Trefwoord:

Geologie; Wetenschap en Techniek; Exacte Wetenschappen



Op dit artikel rust auteursrecht van NRC Handelsblad BV, respectievelijk van de oorspronkelijke auteur.