NGV-Geonieuws 101

NGV-Geonieuws: elektronisch geologisch tijdschrift


15 September 2005, jaargang 7 nr. 18

Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon
Geologisch Instituut, Adam Mickiewicz Universiteit, Poznan (Polen)

    Klik hier om deze uitgave af te drukken !
  • 601 Inslagen van hemellichamen te merken aan andere kant van de aarde
  • 602 Subductie, metamorfose en opheffing in een (geologische) flits
  • 603 Eerste 'sneeuwbal aarde' was gevolg van ontwikkeling van fotosynthese
  • 604 Op zoek naar methaangas uit de aardmantel
  • 605 Het bewegende lichtverschijnsel bij de aardbeving nabij Kobe

    << Vorige uitgave: 100 | Volgende uitgave: 102 >>

601 Inslagen van hemellichamen te merken aan andere kant van de aarde
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Astronomie ! Klik hier voor alle artikelen over het Inwendige van de Aarde ! Klik hier voor alle artikelen over Vulkanologie !

Op aarde komen 45 'hotspots' voor: plaatsen waar een grote warmtestroom vanuit het inwendige der aarde aanwezig is, soms gepaard met vulkanisme (in veel gevallen grootschalige basaltuitvloeiingen, in andere gevallen samenhangend met magma dat - vanaf grote diepte, namelijk vanuit de bovenste aardmantel - ver is opgestegen maar (nog?) niet tot vulkanische uitbarstingen heeft geleid. Van de 45 'primaire' (= meest geprononceerde) hotspots blijkt de helft (22) in 'paren' voor te komen, maar dan wel in bijzondere paren, n.l. op plaatsen recht tegenover elkaar op aarde. Daarbij moet overigens wel een correctie voor de verschuiving van de continenten worden toegepast, maar als de ouderdommen worden verrekend met de sinds het ontstaan afgelegde weg door continentverschuiving, blijken deze paren duidelijk op te treden. Dat het om echte paren gaat blijkt ook uit hun gelijke ouderdom, die maximaal 10 miljoen jaar verschilt.


Locaties van primaire hotspots (ronde zwarte punten), secundaire hotspots (driehoeken) en grote magmatische provincies (geel)

Dit kan geen toeval zijn: statistische berekeningen wijzen uit dat er een kans is van minder dan 1% dat het om toeval gaat. Daarbij komt nog een opmerkelijk feit: bij alle paren gaat het in tenminste een van de twee betrokken hotspots om een locatie in zee; bij de tegenoverliggende locatie is sprake van grote basaltuitvloeiingen of ander continentaal vulkanisme. Waar het gaat om paren hotspots die beide op een continent zijn gelegen, gaat het daarentegen nooit om dergelijke grote basaltuitvloeiingen op beide plaatsen.


De gepaarde primaire (rond) en secondaire (driehoeken) hotspots. Zwarte hotspots hebben een continentale 'partner', blauwe een oceanische

Jon Hagstrum heeft hiervoor een even interessante als intrigerende verklaring voor gevonden. Hotspots ontstaan in het algemeen door het abnormaal opsmelten van gesteentemassa van de aardmantel, vaak aan de ondergrens. Dat kan door 'willekeurige' oorzaken gebeuren; in die gevallen ontstaan hotspots die geen 'partner' hebben aan de tegenovergestelde zijde van de aarde. De reden voor het opsmelten van delen in de aardkorst zou kunnen zijn dat de aarde ter plaatse is getroffen door een groot hemellichaam, zoals dat gebeurde op de K/T-grens. Bij zo’n inslag ontstaan grote schokgolven, die tot diep in de aarde doordringen. Genoeg om door hun energie delen van de aardmantel te laten opsmelten. Doordat het gesmolten mantelmateriaal, door zijn hogere temperatuur, uitzet, is het lichter dan het omringende (vaste) materiaal, waardoor het opstijgt; in feite hetzelfde proces als bij zoutdiapirisme.

Wanneer zo’n inslag in de diepzee plaatsvindt, heeft de seismische schokgolf (door het verschil in oceanische korst en continentale korst) een veel groter effect. Daardoor raakt de schokgolf niet uitgewerkt in de aardmantel onder de plaats van inslag, zoals bij een inslag te land, maar werkt hij door naar de lithosfeer en asthenosfeer aan de andere zijde van de aarde. Daar ontstaat dus ook een hotspot, en als die tegenoverliggende plaats op een continent is gesitueerd, kunnen door grote basaltuitvloeiingen optreden.

Hagstrum voert zelf een methode aan om zijn hypothese te testen. Als oceanische hotspots die deel uitmaken van een paar werkelijk zijn veroorzaakt door de inslag van een hemellichaam (van tenminste 10 km in doorsnede, wat het veronderstelde formaat was van het hemellichaam dat op de K/T-grens insloeg) dan moeten bij die inslag gigantische tsunami’s zijn ontstaan, die hun sporen in de kustgebieden van dat moment moeten hebben achtergelaten. Ook zou een dergelijke inslag met min of meer geprononceerde massauitstervingen gepaard kunnen zijn gegaan. Daarnaar kan dus nu onderzoek worden gestart.

Referenties:
  • Hagstrum, J.T., 2005. Antipodal hotspots and bipolar catastrophes: were oceanic large-body impacts the cause? Earth and Planetary Science Letters 236, p. 13-27.

Figuren welwillend ter beschikking gesteld door Jon Hagstrum, U.S. Geological Survey, Menlo Park, CA (Verenigde Staten van Amerika).

602 Subductie, metamorfose en opheffing in een (geologische) flits
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Structurele geologie, (Plaat)tektoniek & Aardbevingen !

Geologische processen zoals gebergtevorming duren zeer lang. Dat is althans de heersende opvatting. Onderzoek aan een Noors gesteente wijst echter uit dat ook 'geologisch langzame processen' zeer snel kunnen plaatsvinden. Het gaat hierbij in eerste instantie om het in de diepte wegduiken (subductie) van grote stukken aardkorst waar twee aardschollen als gevolg van de continentverschuiving tegen elkaar opbotsen, en om de opheffing daarna van het eerder weggezakte materiaal. Ook de metamorfose die door de sterk verhoogde temperatuur en druk in de diepte optreedt bij het weggezakte materiaal blijkt ongelooflijk snel te kunnen verlopen.


Computerbeelden tonen hoe de temperatuur (rood is heet; blauw is koud) veranderde tijdens de snelle subductie van een aardschol

Het onderzoek betrof eclogieten. Dat zijn gesteenten met een groenige matrix van pyroxeen met daarin vaak grote, roodachtige kristallen van granaat; deze gesteenten worden bij extreem hoge druk gevormd; ze geven daarom veel informatie over de omstandigheden die heersen in de vaak tientallen kilometers diep gelegen wortels van gebergten. Zulke gesteenten komen nu aan het aardoppervlak in het westen van Noorwegen; ze ontstonden 425 miljoen jaar geleden toen twee aardschollen botsten en het pakket tot zo'n 60 km diep wegduwden. Daarna werd het weer opgeheven. Dat hele proces van wegzakken en weer tot aan het aardoppervlak worden opgeheven duurde, zoals blijkt uit een thermisch model en radiometrische dateringen, niet langer dan zo'n 13 miljoen jaar. Die tijd was - geologisch gezien - zo kort dat het gesteentepakket relatief koel bleef (minder dan 400 °C). De opgetreden metamorfose is dan ook geen gevolg geweest van verhitting vanuit de omgeving (ca. 700 °C). De omzetting van het gesteente tot eclogiet kan ook niet direct hebben plaatsgevonden, maar moet via granuliet zijn verlopen; dit type gesteente komt ook nu nog veel in associatie met de eclogiet voor.


De granuliet (licht) bij Bergen met een ader van eclogiet

De metamorfose tot eclogiet kon vooral plaatsvinden doordat het gesteente een aantal malen werd binnengedrongen door een hete vloeistof. Dit gebeurde in een aantal fasen, die elk kort geduurd moeten hebben: waarschijnlijk niet langer dan slechts zo'n tien jaar; anders zou al het granuliet zijn omgezet. De tijdsperiode waarin de injecties van de hete vloeistof plaatsvonden heeft niet langer geduurd dan omstreeks 20.000 jaar. Het binnendringen van de hete vloeistof kon plaatsvinden in zwaktezones waarlangs het gesteente had bewogen; door deze zwaktezones (schuifvlakken) kon de vloeistof relatief gemakkelijk zijn weg vinden. De eclogiet is dan ook tot deze zones beperkt.

Het zo opgeroepen beeld geeft aan dat de huidige opvattingen over zowel de vorming van eclogiet als over de snelheid waarmee subductie en opheffing plaatsvinden, fundamenteel moeten worden herzien. Het begrip 'geologisch langzaam' lijkt nu eveneens aan een herziening toe.

Referenties:
  • Kamogawa, M., Ofuruton, H. & Ohtsuki, Y.-H., 2005. Earthquake light: 1995 Kobe earthquake in Japan. Atmospheric Research 76, p. 438-444.

603 Eerste 'sneeuwbal aarde' was gevolg van ontwikkeling van fotosynthese
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Biologie & Evolutie ! Klik hier voor alle artikelen over Glaciologie ! Klik hier voor alle artikelen over (Paleo)Klimaat !

Volgens sommige onderzoekers zou de aarde gedurende het Precambrium enkele malen geheel door ijs zijn bedekt. Die perioden van 'snowball Earth' zouden zich vooral aan het einde van het Precambrium hebben voorgedaan, maar er zou ook ongeveer 2,3-2,2 miljard jaar geleden een 'snowball Earth' zijn opgetreden tijdens de zogeheten Makganyene glaciatie. Deze oudste volledige vergletsjering van de aarde zou ook de grootste zijn geweest. Aan deze voor het zich op aarde ontwikkelende leven zou dit, volgens veel onderzoekers, een zware slag hebben toegebracht.


De ijstijdvakken gedurende de aardgeschiedenis

Het ziet er echter naar uit dat het primitieve leven dat toen evolueerde juist zelf aan 'snowball Earth' schuldig was. Dat is althans de opvatting van Robert Kopp, die met een onderzoeksteam van het California Institute of Technology een onderzoek heeft uitgevoerd. Volgens de onderzoekers ontwikkelden cyanobacteria (ook wel blauwgroene algen genoemd, maar in feite een symbiose van diverse primitieve microorganismen, waaronder bacteriën) op dat moment als eerste type organisme het vermogen om energie uit zonlicht te winnen door fotosynthese. De daarbij in grote hoeveelheden vrijkomende zuurstof oxideerde het toen in de atmosfeer ruimschoots aanwezige broeikasgas methaan (CH4, de belangrijkste component van aardgas), waardoor binnen 100.000 jaar een sterke daling van de temperatuur optrad, tot ver onder het vriespunt (wellicht -50 °C).


Palaeolyngbia, een cyanobacterie van 850 miljoen jaar oud, uit de Bitter Springs Chert van Australië

Voordat dit gebeurde moet de temperatuur op aarde ongeveer gelijk zijn geweest aan de huidige temperatuur. Dat blijkt uit tal van geologische aanwijzingen. De zon leverde echter slechts 85% van de straling die nu wordt geleverd. De relatief hoge temperatuur was dan ook te danken aan de aanwezigheid van methaan in de atmosfeer.

Het is onduidelijk of cyanobacteria al veel eerder in groten getale in de oceanen voorkwamen; daarover zijn de meningen verdeeld. Zolang ze hun energie niet deels aan zonlicht konden ontlenen, zal hun aantal echter relatief beperkt zijn gebleven. Ze konden zich snel vermeerderen toen ze hun energie uit zonlicht konden halen, in plaats van uit de in veel minder grote hoeveelheden stoffen in zeewater waaruit ze eerder hun energie moesten onttrekken.


Algenbloei (hier in Lake Neatahwanta, New York) wordt meestal veroorzaakt door blauwgroene algen

Het vrijkomen van zuurstof door de fotosynthese had echter ook een ander effect: het leidde tot het ontstaan van (ook primitieve) organismen die zuurstof in- en koolzuurgas uitademden. Dat leidde tot een geleidelijke opbouw van het broeikasgas kooldioxide in de atmosfeer. Daardoor ging, na enkele tientallen miljoenen jaren, de temperatuur weer plotseling stijgen, mogelijk zelfs tot +50 °C. Dat bood weer grote kansen aan organismen die zich gedurende de extreem koude periode van de Makganyene vergletsjering in de diepe oceaan hadden teruggetrokken in de omgeving van onderzeese vulkanen.

Referenties:
  • Kopp, R.E., Kirschvink, J.L., Hilburn, I.A. & Nash, C.Z., 2005. The Paleoproterozoic snowball Earth: a climate disaster triggered by the evolution of oxygenic photosynthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences 102, p. 11131-11136.

604 Op zoek naar methaangas uit de aardmantel
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over het Inwendige van de Aarde ! Klik hier voor alle artikelen over Olie, Gas & Mijnbouw !

De belangrijkste component van aardgas, methaan (CH4), is de meest voorkomende koolwaterstofverbinding in de aardkorst. Het is dan ook een belangrijke energiebron, waarnaar al lang intensief wordt gespeurd. Daarbij is gebleken dat methaangas ook voorkomt onder omstandigheden die er duidelijk op wijzen dat het daar aanwezige gas nauwelijks - of helemaal niet - kan zijn ontstaan uit organisch materiaal. Dat geldt bijvoorbeeld voor gas dat wordt gevonden in de grote oceanische (vulkanische) ruggen, in metamorfe en stollingsgesteenten, en in gesteenten rondom actieve vulkanen.


Microscopisch beeld van het monster (midden) in de "diamant aambeeld cel'

Die voorkomens hebben bij sommige onderzoekers de vraag doen rijzen of er ook methaangas in de aardmantel voorkomt. Hoewel dat door sommige collega’s als uitermate onwaarschijnlijk werd beschouwd, heeft een team onderzoekers van een aantal Amerikaanse onderzoeksinstellingen (het Lawrence Livermore National Laboratory, het Argonne National Laboratory, het Geofysisch Laboratorium van het Carnegie Instituut, de Harvard Universiteit, en de Universiteit van Indiana) hier onderzoek naar gedaan via berekeningen en experimenten. Ze kwamen daarbij tot de conclusie dat, gegeven de bekende feiten over de samenstelling van de aardmantel en van de daar heersende temperatuur en druk, de vorming van methaangas in de aardmantel inderdaad mogelijk is.


De 'diamant aambeeld cel' tijdens het onderzoek en metingen

Bij de experimenten maakten de onderzoekers gebruik van een 'diamanten aambeeld cel' (DAC), een soort pers waarin een klein monster aan extreem hoge druk kan worden blootgesteld door het in te klemmen tussen de punten van twee diamanten, die vervolgens naar elkaar toe worden bewogen. Daarbij kan ook de temperatuur worden verhoogd. Zo werd bekeken wat een klein monster (een microgram) van ijzeroxide, calciet en water deed bij drukken tot 11 gigapascal, bij temperaturen tot boven de 1300 °C. Die omstandigheden geven de situatie in de buitenmantel weer. Via een aantal analysetechnieken (onder andere Raman spectroscopie) werd daarbij vastgesteld dat koolwaterstoffen werden gevormd bij temperaturen vanaf ca. 500 °C. Bij ca. 600 °C waren die verbindingen zeer duidelijk. Methaanvorming bleef doorgaan tot ca. 1500 °C. Het gevormde methaan was al stabiel bij een temperatuur van 500 °C en een druk van 7 gigapascal, wat overeenkomt met de omstandigheden op 100-200 km diepte in de aarde.

Dit betekent dat er inderdaad extreem grote methaanvoorkomens in de aardmantel aanwezig kunnen zijn; veel meer dan in de aardkorst. Of ze ooit winbaar zullen zijn, is echter een ander verhaal.

Referenties:
  • Rennie, G., 2005. The search for methane in Earth’s mantle. Science & Technology Review (Lawrence Livermore National Laboratory), 2005-08, p. 21-23.
  • Scott, H.P., Hemley, R.J., Mao, H.-k., Herschbach, D.R., Fried, L.E., Howard, W.M. & Bastea, S., 2004. Generation of methane in the Earth’s mantle: in situ high pressure-temperature measurements of carbonate reduction. Proceedings of the National Academy of Sciences 101, p. 14023-14026.

Foto’s welwillend ter beschikking gesteld door Henry Scott, Department of Physics and Astronomy, Indiana University South Bend, South Bend, IN (Verenigde Staten van Amerika).

605 Het bewegende lichtverschijnsel bij de aardbeving nabij Kobe
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Structurele geologie, (Plaat)tektoniek & Aardbevingen !

Op 17 januari 2005 trad in de omgeving van Kobe, om 05.46.52 uur, een aardbeving op met een kracht van 7,2. Twee personen die ten noordoosten van Kobe aanwezig waren op de 931 m hoge berg Rokko zagen, een paar seconden voor de aardbeving, een lichtverschijnsel dat zich snel verplaatste. Datzelfde werd gezien door enkele visserslieden die in de Baai van Osaka aan het werk waren.


Positie van de in drie stukken (1-3) opengebroken breuklijn en locatie (1)-(4) van de waarnemers van het lichtverschijnsel

Er zijn talrijke rapportages van lichtverschijnselen (vaak bolbliksems) die bij aardbevingen optreden. Ondanks die waarnemingen, die vooral in Japan plaatsvonden, is er nog weinig bekend over dit verschijnsel. Een van de verklaringen is dat er bij trilling van grote massa’s een luminescentie verschijnsel optreedt, en er zijn experimenten uitgevoerd die de mogelijkheid daartoe aantonen. Toch geloven weinig onderzoekers dat het 'bevingslicht' daardoor verklaard kan worden.

Bij de aardbeving van Kobe in 1995 werden ook door tal van mensen lichtverschijnselen waargenomen, en onderzoek heeft uitgewezen dat het daarbij meestal ging om lokale verschijnselen die samenhingen met bij de aardbeving vrijkomende gassen. Andere onderzoeken wezen uit dat er ook licht is opgetreden door de neutralisatie van geladen gassen die zich in de directe omgeving van gesteenten met piezo-elektrische eigenschappen bevonden. Geen van die lichtverschijnselen bewoog, zoals ook de duizenden andere waarnemers van licht bij een aardbeving zelden of nooit reppen van een bewegend verschijnsel. Dat was wel het geval bij de waarnemers op de Rokko en in de Baai van Osaka, die allen een wijd gebied konden overzien.


Waargenomen beweging van het lichtverschijnsel

Analyse van de aardbeving heeft uitgewezen dat er drie fasen optraden. Gedurende de eerste fase (0-6) verschoof materiaal langs breukstuk 1; de overlappende tweede fase (3-8 s) leidde tot de beweging van breukstuk 2; en de derde fase (6-11 s) leidde tot verschuiving van breukstuk 3. In zijn geheel was dus sprake van een breukverschijnsel dat zich vanaf het eiland Awaji in noordoostelijke richting verplaatste naar de Rokko. Die verplaatsing ging met een snelheid van 2,5-3 km/s, op een diepte van minder dan 10 km.

De ooggetuigen op de Rokko zagen deze beweging van het lichtverschijnsel in hun richting gedurende enkele seconden. Enkele seconden later voelden ze de aardschok. De vissers in de Baai van Osaka zagen dezelfde beweging van een oranjekleurig object, dicht boven het zeeoppervlak. Op basis van hun plaats kan worden berekend dat het verschijnsel optrad op ongeveer 100 m, boven zeeniveau, en dat het object een doorsnede van eveneens zo’n 100 m moet hebben gehad. Gelijktijdige monitoring van bliksems wijzen uit dat het niet om bliksem kan zijn gegaan.

Het blijft, ook met de nieuwe waarnemingen, moeilijk om het lichtverschijnsel te verklaren. Volgens de onderzoekers zijn er twee verklaringen mogelijk. De eerste gaat uit van zogeheten sonoluminescentie, een lichtverschijnsel dat als 'bellen' optreedt bij geluid met een ultrasone frequentie (die inderdaad is gemeten bij de aardbeving). De tweede verklaring betreft het optreden van hoogfrequente elektromagnetische waarbij zogeheten exo-elektronen worden uitgestoten. Het gaat in ieder geval om ingewikkelde natuurkundige verschijnselen, die nog heel wat waarnemingen vergen om een goede verklaring voor dit bijzondere natuurverschijnsel te vinden.

Referenties:
  • Kamogawa, M., Ofuruton, H. & Ohtsuki, Y.-H., 2005. Earthquake light: 1995 Kobe earthquake in Japan. Atmospheric Research 76, p. 438-444.


Copyright © NGV 1999-2017
webmaster@geologischevereniging.nl