NEDERLANDSE GEOLOGISCHE VERENIGING
PROGRAMMA LANDELIJKE CONTACTDAG 23 maart 2013
Van kern tot atmosfeer
Kristallen zoals die op de kern/mantelgrens voor zouden kunnen komen
Op deze Landelijke Contactdag zal een zestal hoogleraren uit de Aardwetenschappen ingaan op het thema Van Kern tot Atmosfeer. Ze zullen de nieuwste wetenschappelijke bevindingen en technieken van onderzoek beschrijven.
Programma: 10.00 - 10.30 ontvangst met koffie 10.30 opening 10.30- 12.00 Olaf Schuiling - de kern-mantel grens en een nieuwe theorie aan de hand van pallasieten. Wim Spakman - de aardmantel, met gevolgen voor lithosfeersubductie en plaattektonische evolutie. Cor Langereis - de korst, met als voorbeeld het Middellandse Zeegebied, het "Mare nostrum" van de Aardwetenschappen. 12.00 - 13.00 lunch en geologische markt 13.00 - 13.45 Harry Priem – de aardse atmosfeer en het klimaat 13.45 - 14.30 Luc Lourens - paleoklimaat van Green House naar Ice House, en omgekeerd 14.30 - 15.00 thee & koffie en geologische markt 15.00 - 15.45 Sybren Drijfhout - onverwachte en abrupte klimaatverandering in de toekomst: wordt het Anthropoceen minder stabiel dan het Holoceen? 15.45
sluiting
Samenvattingen van de lezingen: Een geheimzinnig laagje tussen kern en mantel Prof dr R.D. (Olaf) Schuiling (emeritus Universiteit Utrecht) De aardkern bestaat uit een gestolde binnenkern, en een vloeibare buitenkern van nikkel ijzer. De aardmantel is grotendeels olivijn, en in diepere lagen, waar de druk groter is, bestaat de mantel uit hoge druk vormen daarvan. Tussen kern en mantel ligt een tussenlaagje, waarvan we eigenlijk niet precies weten wat het is. Die laag wordt aangeduid met CMB (de Core-Mantle Boundary). Misschien kunnen we begrijpen wat het is, en hoe het gevormd is als we eerst eens kijken hoe de kern zich afgescheiden heeft uit de mix van materialen waaruit de aarde was gevormd. Nadat de aarde voldoende was opgewarmd was de temperatuur zo hoog opgelopen dat ijzer begon te smelten. IJzer is veel zwaarder dan silikaatgesteenten, dus het begon uit te zakken. Daarbij werd het steeds warmer, omdat de
2
potentiële energie omgezet werd in warmte. Het lijkt waarschijnlijk dat de scheiding van gesmolten ijzer en vast gesteente daardoor steeds sneller ging verlopen. Het is duidelijk dat bij de hoge temperatuur door het langdurige en innige contact van het gesmolten ijzer en de vaste silikaten er chemisch evenwicht bleef bestaan tussen deze twee materialen. Het belangrijkste effect daarvan is dat er een beetje olivijn in de ijzersmelt oplost (alsof je water door een berg zoutkorrels laat lopen). Je kunt het vergelijken met een hoogovenproces, daar heb je ook gesmolten ijzer, maar daar zijn de silikaten ook gesmolten (de slak). Er blijkt dat ijzer in evenwicht met de slak 0.42% silicium heeft opgelost. Bij hogere temperatuur wordt de oplosbaarheid groter, dus bij temperaturen van 4000 graden aan de kern-mantel grens zal er meer silicium in de ijzersmelt zitten. Dat idee wordt ondersteund door gegevens, dat de kern ongeveer 10% aan lichtere elementen moet bevatten waarvoor silicium en zwavel de belangrijkste kandidaten zijn. Nadat al het gesmolten ijzer is uitgezakt gaat de zaak langzaam afkoelen, en op een gegeven moment begint zich een vaste binnenkern te vomen, en dat heeft grote gevolgen. We zeiden al dat de kern verzadigd is aan opgelost olivijn. Als ik dan een gedeelte van die kern laat uitkristalliseren (en uitgekristalliseerd nikkel-ijzer kan geen olivijn bevatten), dan wordt de rest dus oververzadigd. Het overschot moet dan gaan uitkristalliseren, en er vormen zich allemaal kleine kristalletjes die zwemmen in het gesmolten ijzer. Silikaten en oxides zijn lichter dan een metaalsmelt, dus die willen naar boven. Zolang die kristallen klein zijn worden ze heen en weer geslingerd door de convectiestromen in de buitenkern, maar ondertussen groeien ze aan, want hoe meer de binnenkern groeit. hoe meer mantelmateriaal beschikbaar komt. Het worden hele mooie kristallen, want in een smelt kunnen ze ongehinderd hun ideale kristalvorm aannemen. Ze vallen niet naar beneden, maar naar boven, want ze zijn lichter dan de ijzersmelt. Als ze het dak van de kern bereikt hebben blijven ze tegen de vaste onderkant van de mantel steken, en ik denk dat dat de kern-mantel grens is die bestaat uit vaste kristallen, waarbij de ruimte tussen de kristallen opgevuld is met gesmolten ijzer. Allemaal fantasie? Er zijn toch ook andere hemellichamen die gedifferentieerd zijn, maar die daarna door een kosmisch ongeluk uit elkaar gespat zijn. Misschien kunnen we tussen die brokken ook wel restjes van zulke kern-mantel grenzen vinden. We moeten daarom kijken of we stukken nikkelijzer vinden met daarin grote mooi gevormde olivijnkristallen. Zulke stukken zijn er, dat zijn de vrij zeldzame pallasiet meteorieten, die precies aan deze beschrijving voldoen. Ik denk dat onze aarde op dit moment bezig is om ook zo’n pallasietachtige laag aan te leggen tussen kern en mantel, met dit verschil dat de olivijnkristallen vervangen zijn door de hoge druk variant van olivijn. Het proces zal doorgaan tot uiteindelijk ook de hele buitenkern gestold is. Als conclusie kunnen we zeggen dat dit soort grenslagen gevormd zijn als gevolg van het stollen van de binnenkern, door een bottom-up proces.
De aardmantel, lithosfeersubductie en reconstructie van de plaattektonische evolutie Prof dr W. (Wim) Spakman (Universiteit Utrecht) De heterogene opbouw van de aardmantel, de buitenste 3000 km, wordt tegenwoordig met behulp van seismologische technieken in 3D "gekarteerd". Hiermee kunnen we huidige lithosfeer subductie-systemen traceren van het oppervlak tot diep in de mantel. Ook detecteren we de overblijfselen van vroegere episoden van lithosfeersubductie. Het bijbehorende plaatbotsingscontact (bijv. een gebergtegordel) is echter nu wel elders op 3
aarde is gepositioneerd door voortdurende plaatbewegingen sinds de "slab" afbrak. De mantel kan bezien worden als een geologisch archief waaruit vroegere posities van tektonische platen en hun botsingszones (gebergtevorming) gereconstrueerd zouden kunnen worden. Het koppelen van de huidige inwendige structuur van onze planeet met het plaattektonische verleden, zoals we dat voornamelijk kennen uit geologisch en paleomagnetische onderzoek, is een modern multidisciplinair thema van aardwetenschappelijk onderzoek. In deze bijdrage komt eerst de seismologische 3D-karteringstechniek, de seismische tomografie, aan de orde, gevolgd door illustraties van globale mantelstruktuur en hoe dat gekoppeld kan worden aan de plaattektonische evolutie van de laatste ~250 My. In het tweede deel wordt ingezoomd op aspecten van tektonische evolutie van het Westelijke Middellandse Zeegebied waarin ook een illustratie gegeven wordt van hoe we de bijbehorende subductie-evolutie proberen te modelren in 3-D met geavanceerde numerieke technieken.
De Middellandse Zee: Mare Nostrum van de Aardwetenschappen Prof dr C.G. (Cor) Langereis (Universiteit Utrecht) De Romeinen beschouwden de Middellandse Zee als Mare Nostrum, 'onze zee'. Ze konden toen nog niet vermoeden dat 'hun zee' een van de meest bijzondere en spraakmakende natuurlijke laboratoria in de wereld is, bijzonder geschikt om allerhande geodynamische processen te bestuderen. Het Mediterrane gebied is namelijk een van de meest tektonisch aktieve gebieden ter wereld, vastgeklemd in de botsingzone tussen Afrika en Europa. Mediterraan betekent Middellands en het is dus een middelzee die tussen continenten opgesloten ligt en grotendeels van de open oceaan afgesloten is. Dit maakt dat het gebied zeer gevoelig is voor veranderingen in klimaat en dus in milieu. Deze milieuveranderingen worden keurig en gedetailleerd opgeslagen in het geologisch archief: de sedimenten die we onderzoeken. Deze 'klimaatarchieven' vormen de basis voor het construeren van een zgn. astrochronologische tijdschaal die nu de basis vormt voor het jongste deel van de geologische tijdschaal, vanaf 23 Ma. We mogen de Middellandse Zee dus beschouwern als de Mare Nostrum van de Aardwetenschappen, en er zijn in dit natuurlijk laboratorium nog veel onbegrepen problemen op te lossen. Bijvoorbeeld, wat waren de verbindingen met de Paratethys Zee in het oosten, een voormalige zee op het continent waarvan nu alleen nog maar de Zwarte Zee, de Kaspische Zee en het Aral Meer van over zijn, maar die zich ooit uitstrekte tot China. En wat gebeurde toen de Middellandse Zee volledig afgesloten was van de Atlantische Oceaan, ongeveer 6 miljoen jaar geleden, wat kilometers gips en zout afgezet heeft op de oceaanbodem. Kortom, er valt de komende generaties nog veel te onderzoeken in dit gebied waar nog vele intrigerende raadsels op te lossen zijn.
4
Aardse Dampkring & Klimaat Prof dr H.N.A.(Harry) Priem (emeritus VU Amsterdam) In de eerste 2½ miljard jaar van haar bestaan was de Aarde gehuld in een dampkring bestaande uit omstreeks 25% kooldioxide (CO2) en 75% stikstof (N2), maar zonder zuurstofgas (O2). Onder die anoxygene dampkring zijn 3.8 miljard jaar geleden de oudstbekende sedimenten afgezet. Tenminste 3,5 miljard jaar geleden waren er al fotosynthetiserende cyanobacteriën (blauw-groene algen), maar hun zuurstofproductie werd door de reducerende omgeving opgenomen. Pas omstreeks 2 miljard jaar geleden begon de O2 productie de opname te overtreffen en ontstond de oxygene dampkring, wat drastische aanpassingen vereiste van de (toen nog uitsluitend bacteriële) biosfeer. De oxygene dampkring is een anomaliteit in ons Zonnestelsel: chemisch bezien zou alle zuurstofgas snel uit de dampkring moeten verdwijnen door oxydatie van de reducerende korstgesteenten, vulkanische gassen, etc., maar dank zij de biologische photosynthese is er een continue toevoer van ‘nieuw’ O2 ten koste van CO2. Tussen productie en binding bestaat een dynamisch evenwicht, zodat de O2 concentratie voortdurend fluctueert door verschuiving van het evenwicht. Omstreeks 2,7 miljard jaar geleden bestond de dampkring nog voor zo’n 1% uit CO2, maar sedertdien is de concentratie altijd op een lager niveau gebleven. De CO2 concentratie wordt bepaald door het dynamische evenwicht tussen de productie als gevolg van biologische photosynthese en de binding door biologische, 5
geologische en geochemische processen, en is eveneens onderhevig aan continue verandering. Gedurende het Phanerozoïcum (de laatste 540 miljoen jaar) fluctueerde de CO2 concentratie tussen ongeveer 7500 en 200ppm, met de laagste concentraties in het Boven Carboon-Onder Perm (ongeveer 310 tot 280 miljoen jaar geleden) en in het Kwartair (de laatste 3 miljoen jaar). Ook het klimaat is permanent in staat van verandering, maar er is géén duidelijke causale relatie tussen de voortdurende fluctuaties in temperatuur en veranderingen van de atmosferische CO2 concentratie. Het grootste deel van de geologische tijd was het warmer dan in onze tijd, maar altijd bleven de temperaturen binnen de bandbreedte waarbinnen vloeibaar water kan bestaan, in ieder geval op lagere breedtegraden. Dit ondanks het feit dat sinds het ontstaan van ons Zonnestelsel 4,57 miljard jaar geleden de warmte-toevoer van de Zon geleidelijk met zo’n 25% is toegenomen en tegelijkertijd de radiogene warmteproductie in de aardmassa met zo’n 80% is afgenomen. Die toe-, respectievelijk afname gaan door. In de verre toekomst zal de ‘Aardse Thermostaat’ niet meer in staat zijn de relatieve constantheid van de oppervlaktetemperatuur te handhaven en zal het zo warm worden dat de oceanen verdampen en alle leven verdwijnt, terwijl ook de interne geologische processen tot stilstand zullen komen.
Evolution of astronomically paced climate changes from a Greenhouse to the Icehouse world Prof dr L.J. (Lucas) Lourens (Universiteit Utrecht) The study of high-resolution oxygen isotope (18O) records from the Cenozoic, the last 65 million years (Ma) of Earth’s history, has revolutionized ideas about the evolution of the oceans and quasi-periodic response of the climate system to astronomical (Milankovitch) forcing. Among the most intriguing questions that emerged from more than thirty years of Ocean Drilling research is why the response of global climate to astronomical forcing has varied with different atmospheric pCO2 concentrations, while variations in solar insolation remained unchanged. In this talk, I will give an overview of this enigma, using results from various ocean drilling expeditions in combination with an integrated data-modeling approach. Focus will be on the occurrences of punctuated glacial periods and extreme global warming events (hyperthermals), which call for nonlinear and/or stochastic response mechanisms within the climate system to insolation forcing that, are associated with the large ice sheets, oceans or carbon reservoirs
6
Wat brengt ons de toekomst: Greenhouse of “The Day After Tomorrow”? Prof dr S. (Sybren) Drijfhout, KNMI & National Oceanography Centre, Southampton Klimaatmodellen laten in de 21e eeuw een langzame afname van de thermohaliene circulatie ("Warme Golfstroom") in de Atlantische Oceaan van ongeveer 25% zien, wat Noordwest-Europa afkoelt. Ondanks deze afkoeling is er in de NoordAtlantische regio sprake van een netto opwarming door het broeikaseffect. In de KNMI klimaatscenario’s wordt rekening gehouden met een geleidelijke afname van de thermohaliene circulatie. In de wetenschappelijke en populaire literatuur en op internet wordt ook gespeculeerd over de mogelijkheid van een abrupte verandering. Omdat het broeikaseffect een snellere opwarming aan de polen dan in tropische gebieden met zich meebrengt, wordt de afkoeling van naar het noorden getransporteerd water, de motor achter de thermohaliene circulatie, steeds zwakker. Toenemende regenval in Noord Europa zorgt nog voor verdere verzwakking. In de periode voor het Holoceen was het klimaat instabieler dan nu. Kenmerkend waren Dansgaard Oeschger cycli, waarbij het klimaat abrupte overgangen van glaciale naar interglaciale condities onderging. Die klimaatovergangen werden (deels) veroorzaakt door drastische veranderingen in de thermohaliene circulatie. Het broeikaseffect zou de thermohalienbe circulatie opnieuw instabiel kunnen maken, zoals in de periode voor het Holoceen. De film “The day after tomorrow” is op dit scenario gebaseerd. Weliswaar is er geen enkel klimaatmodel dat een dergelijk scenario simuleert, maar er leeft een wijd verbreid wantrouwen tegen klimaatmodellen omdat zij dergelijke abrupte overgangen niet lijken te kunnen nabootsen. Ik zal in deze voordracht nader ingaan op de reden waarom sommige wetenschappers toch rekening houden met toekomstscenario’s waarin abrupte veranderingen kunnen optreden, en wat zo’n abrupte verandering van oceaanstromingen zou betekenen als die veroorzaakt werd door het broeikaseffect. Zijn de Dansgaard-Oeschger cycli in dat geval wel een goede analoog voor wat ons te wachten staat, of zijn er redenen om aan te nemen dat geologische gebeurtenissen die zijn opgetreden in het verleden geen enkele garantie bieden dat ons in de toekomst soortgelijke gebeurtenissen te wachten staan?
7
