Aardwetenschappen

Figuur 11.9: Fossiele haaientand (links) en moderne haaientanden (rechts).

Figuur 11.10: Tyrannosaurus rex fossiel dat lijkt op een levend organisme.

Hoewel het vandaag de dag vanzelfsprekend lijkt, geloofden de meeste mensen in die tijd niet dat fossielen ooit deel uitmaakten van levende wezens. De reden hiervoor was dat de fossielen van mosselen, slakken en andere zeedieren werden gevonden in hoge bergen, kilometers verwijderd van de oceaan. Twee stromingen verklaarden deze fossielen. Sommige religieuze schrijvers geloofden dat de schelpen tijdens de bijbelse zondvloed waren aangespoeld. Maar deze verklaring kon niet verklaren dat de fossielen niet alleen op bergen werden gevonden, maar ook in de bergen zelf, in gesteenten die diep onder het aardoppervlak waren uitgegraven. Op zoek naar een alternatieve verklaring stelden andere schrijvers voor dat de fossielen zich in de rotsen hadden gevormd als gevolg van mysterieuze krachten. Met andere woorden, fossiele schelpen, botten en tanden waren nooit een deel van een levend wezen geweest!

Steno had andere ideeën. Voor Steno was de grote gelijkenis tussen fossielen en moderne organismen onmogelijk te negeren. In plaats van een beroep te doen op bovennatuurlijke krachten om fossielen te verklaren, concludeerde Steno dat fossielen ooit delen van levende wezens waren. Hij probeerde vervolgens te verklaren hoe fossiele zeeschelpen konden worden gevonden in rotsen ver van elke oceaan. Zoals in de Tyrannosaurus rex Figuur 11.10, lijken fossielen op levende organismen.

Opstapeling van gesteentelagen

Steno stelde eerst voor dat als een gesteente fossielen van zeedieren bevatte, het gesteente was gevormd uit sedimenten die op de zeebodem waren afgezet. Deze gesteenten werden vervolgens omhoog getild om bergen te worden. Op basis van deze veronderstellingen maakte Steno een opmerkelijke reeks vermoedens die nu bekend staan als de Wetten van Steno.

Originele Horizontaliteit

Omdat sedimenten onder water worden afgezet, zullen zij vlakke, horizontale lagen vormen (figuur 11.11). Als een sedimentgesteente schuin wordt aangetroffen, is de laag gekanteld nadat hij is gevormd.

Figuur 11.11: Sedimentaire lagen die horizontaal zijn afgezet.

Laterale Continuïteit

Sedimenten werden afgezet in ononderbroken platen die het waterlichaam omspannen waarin ze werden afgezet. Als een dal sedimentaire lagen doorsnijdt, kan worden aangenomen dat de gesteenten aan weerszijden van het dal oorspronkelijk aaneengesloten waren.

Superpositie

Sedimentaire gesteenten worden boven op elkaar afgezet. Daarom bevinden de jongste lagen zich bovenaan, en de oudste lagen onderaan de opeenvolging.

Cross-Cutting Relationships

Figuur 11.12: Cross-cutting Relations: oudere banded gneiss met een witte granietintrusie. Het graniet moet jonger zijn dan de gneis, omdat het de bestaande gneis doorsnijdt.

Een rotsformatie of oppervlak dat andere gesteentelagen doorsnijdt, is jonger dan de gesteentelagen die het verstoort. Als bijvoorbeeld een stollingsintrusie door een reeks metamorfe gesteenten gaat, moet de intrusie jonger zijn dan de metamorfe gesteenten die zij doorsnijdt (figuur 11.12).

De Grand Canyon biedt een uitstekende illustratie van Steno’s wetten. Figuur 11.13 toont de vele horizontale lagen sedimentgesteente waaruit de canyon is opgebouwd. Dit illustreert mooi het principe van oorspronkelijke horizontaliteit. De jongste gesteentelagen bevinden zich bovenaan de canyon, terwijl de oudste zich onderaan bevinden, hetgeen wordt beschreven door de wet van superpositie. Onderscheidende gesteentelagen, zoals de Kaibab Limestone, kunnen over de hele uitgestrektheid van de canyon worden vergeleken. Wij weten dat deze rotslagen ooit met elkaar verbonden waren, hetgeen wordt beschreven in de regel van de laterale continuïteit. Tenslotte snijdt de Colorado rivier door alle lagen sedimentair gesteente heen om de canyon te vormen. Gebaseerd op het principe van dwarsdoorsnede-relaties, moet de rivier jonger zijn dan alle gesteentelagen die zij doorsnijdt.

Figuur 11.13: Grand Canyon, met de Kaibab Limestone zichtbaar aan de top van de canyon.

De relatieve ouderdom van gesteenten bepalen

De relatieve ouderdom van een gesteente is de ouderdom in vergelijking met andere gesteenten. Als je de relatieve ouderdom van twee gesteentelagen kent, weet je welke ouder en welke jonger is, maar je weet niet hoe oud de lagen in jaren zijn. In sommige gevallen is het heel lastig om de opeenvolging van gebeurtenissen te bepalen die tot een bepaalde formatie leidt. Neem het voorbeeld, figuur 11.14:

Figuur 11.14: Dwarsdoorsnede van sedimentaire lagen: (A-C) stollingsintrusie, (D) dwarsdoorsnede, (E) breuk.

Het principe van dwarsdoorsneden stelt dat een breuk of intrusie jonger is dan het gesteente waar deze doorheen snijdt. De breuk met het label ‘E’ doorsnijdt alle drie de sedimentaire gesteentelagen (A, B en C) en ook de intrusie (D). De breuk moet dus de jongste formatie zijn die te zien is. De intrusie (D) doorsnijdt de drie sedimentaire gesteentelagen, en moet dus jonger zijn dan die lagen.

Het principe van superpositie stelt dat de oudste sedimentaire gesteente-eenheden onderaan liggen, en de jongste bovenaan. Op basis hiervan is laag C het oudst, gevolgd door B en A. De volledige opeenvolging van gebeurtenissen is dus als volgt:

1. Laag C gevormd.
2. Laag B gevormd.
3. Laag A gevormd.
4. Toen lagen A-B-C aanwezig waren, vormde zich intrusie D.
5. Intrusie D sneed door lagen A-C.
6. Breuk E vormde zich, waardoor gesteenten A tot en met C en intrusie D verschoven.
7. Weer en erosie vormden een laag aarde bovenop laag A.

Onregelmatigheden in gesteentelagen

Steno ontdekte de regels voor het bepalen van de relatieve ouderdom van gesteentelagen, maar hij had geen goed inzicht in hoe lang het zou duren voordat deze gesteenteformaties zich zouden vormen. In die tijd geloofden de meeste Europeanen dat de aarde ongeveer 6000 jaar oud was, een cijfer dat gebaseerd was op de hoeveelheid tijd die geschat werd voor de gebeurtenissen die in de Bijbel beschreven werden. Een van de eersten die deze tijdschaal in twijfel trok was een Schotse geoloog genaamd James Hutton (1726-1797). Hutton, die vaak wordt omschreven als de grondlegger van de moderne geologie, formuleerde een filosofie die uniformitarisme wordt genoemd: Het heden is de sleutel tot het verleden. Volgens het uniformitarisme werkten dezelfde processen die we vandaag de dag om ons heen zien, ook in het verleden. Als erosie en afzetting bijvoorbeeld nu langzaam plaatsvinden, dan hebben ze dat waarschijnlijk altijd al gedaan.

Hutton ontdekte plaatsen waar sedimentaire gesteentebedden op een geërodeerd oppervlak liggen. Een dergelijke formatie wordt een unconformiteit genoemd, of een kloof in gesteentelagen, waar sommige gesteenten zijn weg geërodeerd. Hutton reconstrueerde de opeenvolging van gebeurtenissen die tot deze formatie hebben geleid. Neem bijvoorbeeld de beroemde unconformiteit bij Siccar Point, aan de kust van Schotland (figuur 11.15).

Figuur 11.15: Hutton’s Unconformiteit aan de kust van Schotland.

Op basis van figuur 15 kunnen ten minste negen geologische gebeurtenissen worden afgeleid:

1. Een reeks sedimentaire bedden wordt afgezet op een oceaanbodem.
2. De sedimenten verharden tot sedimentair gesteente.
3. De sedimentaire gesteenten worden opgeheven en gekanteld, waardoor ze boven het oceaanoppervlak komen te liggen.
4. De gekantelde bedden worden door regen, ijs en wind geërodeerd tot een onregelmatig oppervlak.
5. Een zee bedekt de geërodeerde sedimentaire gesteentelagen.
6. Nieuwe sedimentaire lagen worden afgezet.
7. De nieuwe lagen harden uit tot sedimentair gesteente.
8. Deze lagen zijn gekanteld.
9. Eplift treedt op, waardoor de nieuwe sedimentaire gesteenten boven het oceaanoppervlak uitkomen.

Hutton realiseerde zich dat er een enorme tijdsperiode nodig was om de herhaalde episodes van afzetting, rotsvorming, uplifting en erosie te verklaren die leidden tot de vorming van een unconformity, zoals die bij Siccar Point. Hutton realiseerde zich dat de leeftijd van de aarde niet in duizenden jaren moest worden gemeten, maar in miljoenen jaren.

Het vergelijken van gesteentelagen

Superpositie en dwarsdoorsnede zijn nuttig als gesteenten elkaar raken, maar zijn nutteloos als gesteenten kilometers of zelfs continenten uit elkaar liggen. Drie soorten aanwijzingen helpen geologen om gesteentelagen over grote afstanden met elkaar te vergelijken. De eerste is het feit dat sommige sedimentaire rotsformaties enorme afstanden overbruggen, herkenbaar in grote gebieden. De Pierre Schalie formatie kan bijvoorbeeld worden herkend over de Great Plains, van New Mexico tot North Dakota. De beroemde White Cliffs of Dover in Zuidwest-Engeland kunnen worden vergeleken met soortgelijke witte kliffen in Denemarken en Duitsland.

Een tweede aanwijzing kan de aanwezigheid van een sleutelbed zijn, of een bijzonder kenmerkende gesteentelaag die over een groot gebied kan worden herkend. Vulkanische asstromen zijn vaak bruikbaar als sleutelbedding, omdat ze wijdverbreid en gemakkelijk te identificeren zijn. Het bekendste voorbeeld van een sleutelbed is waarschijnlijk een kleilaag die werd aangetroffen op de grens tussen het Krijt en het Tertiair, de tijd waarin de dinosauriërs uitstierven (figuur 11.16). Deze dunne sedimentlaag, slechts enkele centimeters dik, bevat een hoge concentratie van het element iridium. Iridium is zeldzaam op aarde, maar komt veel voor in asteroïden. In 1980 stelde een team wetenschappers onder leiding van Luis Alvarez en zijn zoon Walter voor dat een enorme asteroïde zo’n 66 miljoen jaar geleden op aarde insloeg en bosbranden, zure regen en klimaatveranderingen veroorzaakte waardoor de dinosauriërs werden uitgeroeid.

Figuur 11.16: Witte kleilaag die de grens tussen Krijt en Tertiair markeert.

Figuur 11.17: Geologische tijdschaal.

Een derde soort aanwijzing die wetenschappers helpt bij het vergelijken van verschillende gesteentelagen zijn indexfossielen. Denk eraan dat indexfossielen de overblijfselen zijn van organismen die wijdverspreid waren, maar slechts gedurende een relatief korte periode bestonden. Als twee gesteenten hetzelfde type indexfossiel bevatten, is hun leeftijd waarschijnlijk zeer vergelijkbaar.

Toen wetenschappers fossielen van over de hele wereld verzamelden, ontdekten zij dat gesteenten van verschillende leeftijden verschillende typen fossielen bevatten. Dit patroon leidde tot het ontstaan van de geologische tijdschaal en was mede de inspiratiebron voor Darwins evolutietheorie (figuur 11.17).

Elk tijdperk, elke periode en elk tijdperk van de geologische tijdschaal wordt gedefinieerd door de fossielen die in die tijd verschenen. Zo bevatten Paleozoïsche gesteenten gewoonlijk trilobieten, brachiopoden en crinoïdfossielen. De aanwezigheid van botten van dinosauriërs geeft aan dat een gesteente uit het Mesozoïcum stamt, en aan de hand van het specifieke type dinosaurus kan het gesteente worden geïdentificeerd als Trias, Jura of Krijt. Het Cenozoïcum staat ook bekend als het tijdperk van de zoogdieren, en het Kwartair is de tijd waarin de eerste mensen zich over de aarde verspreidden.

Samenvatting van de les

Nicholas Steno formuleerde in de 17e eeuw voor het eerst de principes die wetenschappers in staat stellen de relatieve ouderdom van gesteenten te bepalen. Steno stelde dat sedimentgesteenten worden gevormd in ononderbroken, horizontale lagen, met jongere lagen boven op oudere lagen. Een eeuw later ontdekte James Hutton de wet van de doorsnijdingsrelaties: een breuk of stollingsintrusie is jonger dan de gesteenten die zij doorsnijdt. Hutton was ook de eerste die zich realiseerde hoeveel tijd er nodig was om een unconformity te creëren, een plaats waar sedimentgesteenten boven een geërodeerd oppervlak liggen.

Andere methoden komen in het spel bij het vergelijken van gesteentelagen die over een grote afstand van elkaar gescheiden zijn. Veel sedimentaire rotsformaties zijn groot en kunnen over een hele regio worden herkend. Onderscheidende gesteentelagen, sleutelbedden genoemd, zijn ook nuttig voor het correleren van gesteente-eenheden. Fossielen, vooral indexfossielen, zijn de nuttigste manier om verschillende gesteentelagen te vergelijken. Veranderingen van fossielen in de loop der tijd hebben geleid tot de ontwikkeling van de geologische tijdschaal.

Vragen

1. In de 15e eeuw vindt een boer een rotsblok dat precies lijkt op een mosselschelp. Wat heeft de boer waarschijnlijk geconcludeerd over hoe het fossiel daar terecht is gekomen?
2. Welke van Steno’s Wetten wordt geïllustreerd door elk van de volgende afbeeldingen in figuur 11.18?
3. Wat is de volgorde van de gesteente-eenheden in figuur 11.19, van oudste naar jongste?
4. Welke geologische formatie is te zien in de ontsluiting in figuur 11.20, en welke opeenvolging van gebeurtenissen stelt deze voor?
5. De drie ontsluitingen in figuur 11.21 liggen erg ver uit elkaar. Op basis van wat je ziet, welk fossiel is een indexfossiel, en waarom?

Figuur 11.18: Illustratie van de Wetten van Steno.

Figuur 11.19: Opeenvolging van gesteente-eenheden.

Figuur 11.20: Outcrop.

woordenschat

dwarsrelaties Een van de principes van Steno die stelt dat een intrusie of breuk jonger is dan het gesteente dat er doorheen snijdt. geologische tijdschaal Een verdeling van de geschiedenis van de aarde in tijdsblokken die worden onderscheiden door geologische en evolutionaire gebeurtenissen. sleutelbed Een kenmerkende, wijdverspreide rotslaag die in één enkel tijdperk is gevormd. laterale continuïteit Een van de principes van Steno die stelt dat een sedimentaire rotslaag zich zijdelings even breed uitstrekt als het bekken waarin hij wordt gevormd. Oorspronkelijke horizontaliteit Een van de principes van Steno die stelt dat sedimentaire lagen horizontaal of plat liggend waren op het moment dat ze werden afgezet. relatieve ouderdom De ouderdom van een voorwerp in vergelijking met de ouderdom van andere voorwerpen. superpositie Een van de principes van Steno die stelt dat in een opeenvolging van sedimentaire gesteentelagen de oudste laag onderaan ligt en de jongste laag bovenaan. non-conformiteit Een grens tussen gesteenten van zeer verschillende ouderdom. Unconformiteiten worden vaak gemarkeerd door een erosievlak. uniformitarianisme Het idee dat de geologische processen die het land vandaag de dag vormgeven, zich in de loop van de geschiedenis van de aarde op dezelfde manier hebben ontwikkeld.

Punten om over na te denken

• Waarom geloofden de meeste mensen in de tijd van Nicholas Steno niet dat de fossielen de overblijfselen waren van oude organismen?
• Hoe verklaarde Steno de aanwezigheid van zee-fossielen in hooggebergten?
• Wat was de betekenis van unconformiteiten voor James Hutton?
• Hoe kun je de relatieve leeftijd bepalen van twee gesteentelagen die heel ver uit elkaar liggen?