NGV-Geonieuws 41

NGV-Geonieuws: elektronisch geologisch tijdschrift


15 Maart 2003, jaargang 5 nr. 6

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

    Klik hier om deze uitgave af te drukken !
  • 310 Zwaveluitstoten geven informatie over vroegste aardgeschiedenis
  • 311 Veel onderzeese gashydraten mogelijk al op geringe diepte instabiel
  • 312 Temperatuur blijft ook stijgen zonder vermindering uitstoot broeikasgassen
  • 313 Twee vulkanen op Hawaii communiceren met elkaar
  • 314 Het effect van een subglaciale vulkaanuitbarsting op het CO2-gehalte in atmosfeer en oceanen

    << Vorige uitgave: 40 | Volgende uitgave: 42 >>

310 Zwaveluitstoten geven informatie over vroegste aardgeschiedenis
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Biologie & Evolutie ! Klik hier voor alle artikelen over Oceanografie !

Onderzoek van sulfiden die als insluitsels voorkomen in diamanten van ongeveer driemiljard jaar oud (afkomstig uit de Orapa kimberliet in Botswana) toont dat de drie zwavelisotopen een merkwaardige onderlinge verhouding vertonen; deze verhouding is uit de natuur alleen bekend als een gevolg van fotochemische reacties in een zuurstofloze (of zeer zuurstofarme) atmosfeer. Dat de oeratmosfeer nauwelijks of geen zuurstof bevatte, was overigens al bekend. Het onderzoek wijst volgens de onderzoekers echter dus ook op dat er in het Archeïcum, van zo’n 3,8 tot 2,5 miljard jaar geleden, zwavelhoudende gassen voorkwamen die onder invloed van ultraviolet hun bijzondere zwavelisotopensamenstelling kregen. De zwavel werd na verloop van tijd, net als nu, door subductie weer teruggevoerd naar de aardmantel, waar ze sulfiden vormden die als insluitsels werden opgenomen in diamanten die later weer door vulkanische activiteit tot nabij het aardoppervlak werden gebracht.


ARCHAEOGLOBUS FULGIDUS SP. NOV. SP. K.O.STETTER. (1988)

Een heel ander onderzoek betreft de isotopenverhouding van zwavel in gekweekte culturen van Archaeoglobus fulgidus, een sulfaatreducerende bacterie. Soortgelijke bacteriën moeten in het Archeïcum de oceanen hebben bevolkt. De karakteristieken van de onderzochte bacterie lijken daarom informatie te kunnen geven over de samenstelling van de Archeïsche oceanen. Het onderzoek leverde als verrassende conclusie op dat er toen waarschijnlijk zo’n 80% lagere concentraties van sulfaten in de oceanen aanwezig zijn geweest dan tot nu toe algemeen werd aangenomen. De concentratie zou zelfs minder dan 1% zijn geweest van de huidige sulfaatconcentratie in zee.

Deze lage concentratie van sulfaten in de oceaan is van belang, vanwege het feit dat de zon destijds minder fel was dan nu: zo’n 4,5 miljard jaar geleden gaf hij zo’n 30% minder licht dan nu, en de aarde ontving dus veel minder warmte van buitenaf. In het Archeïcum was de zonne-instraling nog zo gering dat de oceanen bevroren hadden moeten zijn. Dat was echter niet het geval, in ieder geval niet vanaf 3,5 miljard jaar geleden. Er moet dus een soort broeikaseffect hebben plaatsgevonden. Als er weinig sulfaat in de oceaan was, kunnen sulfaatreducerende bacteriën echter - bij gebrek aan energie - slechts in beperkte hoeveelheden zijn voorgekomen; zeker niet genoeg om voldoende organisch materiaal te vormen dat (ook al weer door de weinige aanwezige zuurstof) kon worden omgezet in zulke grote hoeveelheden kooldioxide dat daardoor een broeikaseffect zou ontstaan. Het is dan ook zeer waarschijnlijk dat andere organismen voor het nodige organische materiaal hebben gezorgd; dat zouden dan organismen moeten zijn geweest die het broeikasgas methaan produceerden (methaan is 23 keer effectiever als broeikasgas dan kooldioxide). De onderzoekers stellen dat het methaan destijds bovendien veel meer effect had dan nu, omdat het in een zuurstofloze atmosfeer ca. 10.000 jaar kon blijven bestaan voordat het werd omgezet, terwijl dat nu (door oxidatie onder invloed van atmosferisch zuurstof) slechts zo’n tien jaar is. Relatief weinig methanogene bacteriën konden destijds dus toch voor een zodanig sterk broeikaseffect zorgen, dat de oceanen niet bevroren.

Referenties:
  • Farquhar, J., Wing, B.A., McKeegan, K.D., Harris, J.W., Cartigny, P. & Thiemens, M.H., 2002. Mass-independent sulfur of inclusions in diamond and sulfur recycling on early Earth. Science 298, p. 2369-2372.
  • Habicht, K.S., Gade, M., Thamdrup, B., Berg, P. & Canfield, D.E., 2002. Calibration of sulfate levels in the Archean ocean. Science 298, p. 2372-2374.
  • Wiechert, U.W., 2002. Earth’s early atmosphere. Science 298, p. 2341-2342.

De bron van de afbeelding met toestemming (copyright) is van prof. dr. K.O. Stetter en dr. R. Rachel Universiteit Regensburg, Duitsland.
zie: http://www.biologie.uni-regensburg.de/Mikrobio/Stetter/Bilderhtml/archaeoglobus.html

311 Veel onderzeese gashydraten mogelijk al op geringe diepte instabiel
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Geofysica ! Klik hier voor alle artikelen over Olie, Gas & Mijnbouw !

Waar de zee meer dan 300 m diep is, kunnen - vooral langs de randen van de continenten - onder invloed van temperatuur en druk gashydraten in de bodem ontstaan uit methaangas dat kristalwater bindt en dan een soort ijsmassa vormt. Deze gashydraten krijgen steeds meer aandacht, gedeeltelijk omdat ze potentieel gigantische energievoorraden vormen: het gaat om bekende voorraden waarin de hoeveelheid koolstof meer dan 10.000 miljard ton omvat. Winning is overigens nog niet economisch mogelijk.

Gashydraten zijn echter ook om andere redenen van belang. Zo kunnen ze - op dieptes van enkele tientallen tot enkele honderden meters onder de zeebodem - instabiel worden, waarbij ze uiteenvallen in water en methaangas. Mogelijk zijn enkele van de geologische massauitstervingen te wijten aan het zo plotseling vrijkomen van enorme hoeveelheden methaangas, bijv. als gevolg van een inslag of een aardbeving. Ook voor de olie- en gasindustrie vormt het niet erg stabiele karakter van gashydraten een probleem: een onderzeese afschuiving kan al voldoende zijn om een voorkomen van gashydraten instabiel te maken, en bij het uiteenvallen daarvan kunnen olie- of gasleidingen op de zeebodem beschadigd raken, ook al omdat bij het uiteenvallen van gashydraten krachten optreden die nieuwe onderzeese aardverschuivingen kunnen veroorzaken.

Seismisch onderzoek heeft een nieuw licht geworpen op de diepte tot waarop de gashydraten in de zeebodem stabiel zijn. Waar het idee vroeger was dat die diepte in een bepaald gebied overal min of meer gelijk was, daar blijkt uit onderzoek op locaties langs zowel de oost- als de westkust van Noord-Amerika dat er helemaal geen sprake is van zoiets als een vlakke grenslijn tussen de dieptes waarom gashydraat stabiel dan wel juist instabiel is: het gaat om een onregelmatig grensvlak. Vanuit het oogpunt van veiligheid (bijv. bij winning of het leggen van leidingen) is daarbij van groot belang dat er plaatsen voorkomen waarop het grensvlak een soort steile heuvels vormt: op dergelijke plaatsen is de diepte tot waarop de gashydraten stabiel zijn dus veel minder dan in het omringende gebied. Mogelijk zijn dergelijke 'heuvels' gerelateerd aan het voorkomen van breuken. Duidelijk is in ieder geval dat zich ter plaatse methaangas een weg omhoog baant, tot het terecht komt in de ondiepere bodemzone waarin weer stabiel gashydraat kan worden gevormd.

De onderzoeksresultaten suggereren dat de plaatsen waar gashydraten al op relatief geringe diepte instabiel worden, warmer zijn dan hun omgeving; dat zal meestal het geval zijn wanneer de aardwarmte via een breukvlak gemakkelijk omhoog kan. In bepaalde gevallen kan het vlak waarboven gashydraten stabiel zijn bijna tot aan de zeebodem reiken. Een en ander betekent dat op zulke plaatsen zelfs relatief geringe veranderingen in de temperatuur van het bodemwater al het gashydraat ter plaatse instabiel kan maken.

Referenties:
  • Pecher, I.A., 2002. Gas hydrates on the brink. Nature 420, p. 622-623.
  • Wood, W.T., Gettrust, J.F., Chapman, N.R., Spence, G.D. & Hyndman, R.D., 2002. Decreased stability of methane hydrates in marine sediments owing to phase-boundary roughness. Nature 420, p. 656-660.

312 Temperatuur blijft ook stijgen zonder vermindering uitstoot broeikasgassen
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over (Paleo)Klimaat !

Een nieuw klimaatmodel dat was ontworpen om de klimaatsveranderingen gedurende de laatste vijftig jaar te simuleren, geeft aan dat de temperatuur op aarde gemiddeld ook zal blijven stijgen gedurende de komende vijftig jaar. Dat geldt ook indien staten op korte termijn maatregelen nemen om de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk te verminderen. Wanneer zulke maatregelen achterwege blijven en de huidige toename van de uitstoot doorgaat, zal de temperatuur met 1-2 °C stijgen; als de uitstoot van kooldioxide (CO2) niet verder groeit en bovendien de uitstoot van schadelijke stoffen met dezelfde snelheid zou gaan afnemen als waarmee die nu stijgt, dan zal de temperatuurstijging in de komende vijftig jaar ongeveer 0,75 °C bedragen. Volgens James Hansen, die als onderzoeker aan het NASA Goddard Instituut voor Ruimtestudies een onderzoek van 19 instituten hiernaar leidt, is de meest waarschijnlijke temperatuurstijging - gezien de diverse technische ontwikkelingen en politieke maatregelen - zo’n 0,5 °C.

De genoemde waarden lijken redelijk betrouwbaar, omdat het model waarmee de berekeningen werden uitgevoerd, ook redelijk correcte (d.w.z. met de gemeten werkelijkheid) cijfers opleverde voor de afgelopen vijftig jaar. Bovendien is voor de komende vijftig jaar uitgegaan van twee verschillende aannames met betrekking tot de menselijke invloed. De eerste was dat de uitstoot van broeikasgassen zal blijven groeien zoals dat nu het geval is; de temperatuur stijgt in dat geval tot waarden die volgens Hansen gedurende de laatste paar honderdduizenden jaren niet zijn voorgekomen [noot: deze bewering lijkt niet te kloppen, want gedurende het laatste interglaciaal - het Eemien - zijn de temperaturen waarschijnlijk nog iets hoger geweest]. In het alternatieve scenario, waarin de uitstoot van schadelijke stoffen afneemt en de uitstoot van CO2 wordt gestabiliseerd, zal de temperatuur minder stijgen. Hansen is echter van mening dat dit scenario moeilijk te realiseren zal zijn.

Bij de studie is rekening gehouden met de volgende factoren: (1) het langdurige verblijf in de atmosfeer van broeikasgassen zoals kooldioxide, methaan en fluorchloorkoolwaterstoffen (fck’s), (2) fijne deeltjes die in de stratosfeer terechtkomen als gevolg van vulkanische erupties, (3) variaties in de zonneenergie die de aarde bereikt, (4) veranderingen in het ozongehalte, zowel nabij het aardoppervlak als hoog in de atmosfeer, (5) waterdamp in de stratosfeer, en (6) fijne deeltjes van verontreinigende stoffen zoals roet en sulfaten in de lagere delen van de atmosfeer.

Referenties:
  • Hansen, J.E. et al., 2002. Climate forcings in Goddard Institute for Space Studies SI12000 simulations. Journal of Geophysical Research 107 (D18), p. 4347.

313 Twee vulkanen op Hawaii communiceren met elkaar
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Vulkanologie !

In mei 2002 begon de Mauna Loa, de grootste vulkaan van Hawaï, ondergronds weer activiteit te vertonen, na bijna tien jaar van rust. Dat uitte zich onder meer in een iets omhoog komen van het gebied. Tegelijk begon de naburige vulkaan, de Kilauea, grote hoeveelheden basalt uit te laten vloeien. Tussen deze twee verschijnselen is een nauw verband vastgesteld (d.w.z. dat diverse gebeurtenissen in de tijd zeer nauw met elkaar waren verweven) door continu de vervormingen van de aardkorst ter plaatse te meten.


EEN BLIK VANUIT DE LUCHT OVER DE KRATER VAN DE KILAUEA NAAR DE MAUNA LOA COPYRIGHT DORIAN WEISEL

De waarnemingen wijzen erop dat het magma onder beide vulkanen - maar wel al op het niveau van de aardkorst - op een of andere wijze met elkaar communiceert. Dit is een interessante waarneming, waarmee opnieuw een oude controverse overhoop wordt gehaald. Al ruim een eeuw woedt er namelijk een wetenschappelijke strijd of beide vulkanen, die een verschillend gedrag vertonen bij hun uitbarstingen, en die ook verschillende soorten lava uitstoten, met elkaar in verbinding staan.

De onderzoekers (beiden van het Hawaiian Volcano Observatory, dat onderdeel vormt van de Geologische Dienst van de Verenigde Staten, voerden daarvoor statistische bewerkingen uit van de activiteit van de Kilauea en de vervormingen bij de Mauna Loa. Uit hun analyse blijkt dat er een statistisch grote kans bestaat dat deze twee verschijnselen met elkaar samenhangen.

De vraag rijst daarbij natuurlijk onmiddellijk hoe zo’n samenhang geologisch kan worden verklaard. De onderzoekers noemen een aantal mogelijke oorzaken, waaronder de mogelijkheid dat de magmahaarden onder beide vulkanen beide worden gevoed vanuit een nog lagere magmakamer, of vanuit hetzelfde gebied in de aardmantel. Toenemende druk daar zou bij beide vulkanen de activiteit noodzakelijkerwijs min of meer gelijktijdig doen toenemen. Een dergelijke gelijktijdige druktoename blijkt echter niet noodzakelijk te zijn voor een goede verklaring. Volgens de onderzoekers zou de aanvoer van lava in de kraterpijp van de Mauna Loa de druk kunnen doen toenemen in het - toch al onder hoge druk staande - aanvoersysteem van de Kilauea. De toch al op het randje van evenwicht verkerende situatie daar zou zo net het extra duwtje kunnen krijgen dat nodig is om het evenwicht definitief te verstoren. Dat zou dan bij de Kilauea tot een uitbarsting leiden.

Referenties:
  • Miklius, A. & Cervelli, P., 2003. Interaction between Kilauea and Mauna Loa. Nature 421, p. 229.

Afbeelding beschikbaar gesteld door Asta Miklius

314 Het effect van een subglaciale vulkaanuitbarsting op het CO2-gehalte in atmosfeer en oceanen
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Glaciologie ! Klik hier voor alle artikelen over Vulkanologie !

Het is bekend dat heftige vulkaanuitbarstingen grote hoeveelheden zeer fijne deeltjes (aerosolen) hoog in de atmosfeer kunnen blazen. De (relatief) hoge concentraties van aerosolen daar kunnen het klimaat op aarde beïnvloeden door de absorptie van zonlicht. Misschien nog belangrijker is echter dat bij vulkaanuitbarstingen in het algemeen zeer grote hoeveelheden koolzuurgas (CO2) vrijkomen; die hoeveelheden zijn soms zo groot dat daarmee het CO2-budget op aarde merkbaar verandert. Dat gebeurde in de twintigste eeuw onder meer bij de uitbarstingen van de Agung (op Java) en de Pinatubo (op de Filippijnen).

Veel minder duidelijk is het effect van 'onmerkbare' vulkanische uitbarstingen, zoals die vooral onder zee plaatsvinden (voornamelijk op de midoceanische ruggen, maar ook elders waar aardschollen ten opzichte van elkaar bewegen of waar breuken binnen een schol voor zwaktezones zorgen waar het magma zich een weg door omhoog baant). Het belang van dergelijke uitbarstingen is nu langs een omweg beter bekend geworden, en wel door metingen van de CO2-concentratie in water dat van een ijskap afsmolt bij een subglaciale (door een landijskap bedekte) uitbarsting. In oktober 1996 vond er, onder de ca. 500 m dikke ijskap van de Vatnajökull (een gletsjer op IJsland), een uitbarsting plaats. Daarbij werd ongeveer een miljard ton magma uitgestoten, waardoor ongeveer drie kubieke kilometer ijs smolt, dat zich als smeltwater via een subglaciale geul een weg baande naar een subglaciaal meer, de Grímsvötn. Dat smeltwater bevatte ongeveer een miljoen ton aan opgeloste gassen die door de subglaciale vulkaan waren uitgestoten.

Het subglaciale meer kon de grote hoeveelheid water niet aan: een ijsbarrière begaf het, en er volgde een twee dagen durende catastrofale stroom (een zogeheten jökulhlaup), waarbij het water onder het ijs vandaan kwam, zich voor het ijsfront verzamelde in een netwerk van stromen, en zo tenslotte in de oceaan uitvloeide. De karakteristieken van het smeltwater konden worden bepaald door monsters te nemen van de plotselinge stromen voor het ijsfront.

De onderzoekers hebben zo voor vijftig stoffen de meegevoerde hoeveelheden gemeten, en die gerelateerd aan de uitgestoten hoeveelheid magma. Ze vonden daarbij dat per kilo magma minimaal 516 mg CO2, 98 mg zwavel, 14 mg chloor en 2 mg ijzer aanwezig moet zijn geweest. Het gewicht van vluchtige en opgeloste stoffen in het smeltwater bedroeg zo’n 500 mg/kg, en de concentratie in suspensie meegevoerde vaste deeltjes varieerde van 1% tot 10%. Uit analyses van waterstof-, zuurstof-, koolstof- en zwavelisotopen blijkt dat vrijwel al het water bestond uit smeltwater (dus niet door de vulkaan was uitgestoten), terwijl de koolstof en de zwavel juist wel een vulkanische oorsprong hadden. De hoeveelheid opgeloste koolstof kwam overeen met 600.000 ton CO2. Hiervan zal naar verwachting ongeveer de helft langdurig in de atmosfeer en de oceanen opgenomen worden; de andere helft zal op den duur chemisch neerslaan in de vorm van kalksteen en dolomiet, door verbindingen aan te gaan met de uitgestoten hoeveelheden calcium en magnesium.

In de oceaan zal op langere termijn dus minder dan de helft van de uitgestoten hoeveelheid kooldioxide als zodanig opgelost blijven. Dit is niettemin veel meer dan tot nu toe werd aangenomen (sommige onderzoekers hielden in het verleden zelfs rekening met een netto-onttrekking van koolstof aan het zeewater bij een onderzeese eruptie). Dit betekent dat de invloed van onderzeese (en in mindere mate - want veel minder voorkomende) subglaciale uitbarstingen op het klimaat zal moeten worden herzien.

Referenties:
  • Gíslason, S.R., Snorrason, Á., Kristmannsdóttir, Sveinbjörnsdóttir, Á.E., Torsander, P., Ólafsson, J., Castet, S. & Dupré, B., 2002. Effects of volcanic eruptions on the CO2 content of the atmosphere and the oceans: the 1996 eruption and flood within the Vatnajökull Glacier, Iceland. Chemical Geology 190, p. 181-205.


Copyright © NGV 1999-2017
webmaster@geologischevereniging.nl