Drilling Leg 171b; boringen bij Noord-Florida leveren tijdschaal van 15 miljoen jaar

De Amsterdamse sedimentoloog dr. Jan Smit nam deel aan een expeditie voor de kust van Noord-Florida. Het leverde een onverwacht resultaat op: een goed bewaard gebleven tijdschaal van 35 tot 50 miljoen jaar geleden.

CONSTANT GEDREUN van scheepsmotoren, permanent gejengel van Amerikaanse rockmuziek, overal gedender van ventilatoren. De expeditie bij het Blake Plateau, 400 kilometer uit de kust van Noord-Florida, heeft zijn indruk bij dr. Jan Smit nagelaten. Twee maanden lang werd hij geteisterd door de herrie. “Het kabaal drong zelfs door de wanden van mijn slaapcabine. Alleen in de bibliotheek was het enigszins rustig. Maar daar zat ik niet vaak. Aan het einde van mijn dagelijkse dienst was ik meestal zo moe dat ik alleen maar aan slapen dacht”, zegt Smit die sedimentoloog is aan de Vrije Universiteit van Amsterdam.

Smit is net terug van zijn tocht met het internationale onderzoekschip de Joides Resolution (Joides is het acroniem voor Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling). Het schip verrichtte boringen op vijf locaties in het Blake Plateau, op een diepte van 1.300 tot ruim 2.600 meter. De expeditie met de naam Ocean Drilling Program Leg 171B leverde een volkomen onverwacht resultaat op. Smit: “De reis was eigenlijk bedoeld om onderzoek te doen aan 'kritische grenzen'. Dat zijn perioden waarin zich extreme veranderingen voordoen in zowel klimaat als oceaanstructuur, zoals de superbroeikas die zich zo'n 50 miljoen jaar geleden voordeed. Het was een extreem warme periode met ingrijpende veranderingen in de stromingspatronen van de oceanen. Via dit soort studies willen we relaties tussen klimaat en oceaan ophelderen. Maar het meest bijzondere resultaat van de expeditie was de goed bewaard gebleven tijdschaal die we opboorden. Die vertegenwoordigt de periode van 35 tot 50 miljoen jaar geleden. Het materiaal bleek bijzonder goed bewaard in de oceaanbodem. Dat was des te verrassender omdat het sediment in die periode een soort tandpasta is. Het laat zich makkelijk verstoren. De tijdsnede die we nu naar boven hebben gehaald, heeft een compleetheid die je op maar weinig plaatsen ter wereld zult terugvinden. We kunnen nu proberen een beeld te vormen van allerlei gebeurtenissen in de oceaan gedurende die miljoenen jaar.”

BARIETMODDER

De locatie van de expeditie was van te voren goed bepaald. Er waren seismische gegevens bekend. Daaruit bleek dat de bodem een mooie gelaagdheid had. Bovendien waren er in het gebied geen grote olie- of gasbronnen bekend. Was dat wel het geval geweest, dan zou het voorstel zijn afgeketst. “Vanwege het gevaar”, zegt Smit. “Als je een gasbel aanboort zoekt de vrijkomende druk zich een weg omhoog via de boorpijp. Je loopt kans dat je het hele schip opblaast of in lichterlaaie zet. Als beveiliging heeft de Joides Resolution voor op zijn boorkop een snuffelapparaat zitten, dat tijdens het boren voortdurend de methaandruk meet. Bij gevaar wordt het boorgat meteen volgegooid met barietmodder. Maar de beveiliging is bij lange niet waterdicht. Een flink hoge druk breekt er makkelijk doorheen.”

De Joides Resolution, een schip dat is geleast van de oliemaatschappij Sedco/BP, voert jaarlijks zes expedities uit van elk twee maanden. Na Leg 171B stond een nieuw onderzoek op de agenda. Smit: “Overschrijden van het tijdschema was er dus niet bij. Op locatie twee liepen we tegen die beperking op. We hadden net door een harde vuursteenlaag geboord en kwamen ineens in heel zacht sediment, vol met diatomeeënaarde. Het spul werkte als een glijmiddel voor de boorkop, hij kon zich niet vastbijten in de modder. Het duurde drieëneenhalf uur voordat er een kern boven water kwam. Je moet dan een afweging maken. Schroeven we de hele zaak los en monteren we een nieuwe boor, waarmee we 8 tot 10 uur aan boortijd verliezen. Of werken we eerst de resterende locaties af en gaan we dan terug naar locatie twee. We hebben voor het laatste gekozen. Toen we teruggingen naar punt twee werd onderweg een andere boorbeitel geplaatst, een soort schep in dit geval. Die werkt zich snel door modder. Uiteindelijk leverde locatie twee een van de mooiste tijdzones op.”

De 29-koppige, wetenschappelijk bemanning werd verdeeld in een ochtend- en een avondploeg. Smit zat in de eerste. Twee maanden lang, zeven dagen per week moest hij van middernacht tot 's middags twaalf uur opgeboorde bodemkernen analyseren. Na een dienst was er tijd voor ontspanning. Volgens Smit bood het schip daarvoor meer dan voldoende mogelijkheid. “Er is een work-out-room, met alle denkbare apparaten. Overal liggen cd-spelers met luidsprekers die je aan en uit kan zetten. In de satelliet-kamer kun je de nieuwste Amerikaanse films, zoals Independence Day, bekijken. En iedere zes uur serveert de keuken een warme maaltijd, om de drie uur is er een korte break voor slappe Amerikaanse koffie.”

Boorkernen komen in stukken van negeneneenhalve meter aan dek. Daar liggen ze onder een afdakje, iets dat de catwalk heet. Een kern wordt vervolgens in makkelijk hanteerbare stukken van anderhalve meter gezaagd en komt via een deurtje een verdieping lager in een rek terecht. Daar blijft de kern drie uur liggen om af te koelen. “Zodra een kern op het dek ligt, gaat er alvast een hap van het materiaal naar beneden, naar de paleontologen”, zegt Smit. “Ze kunnen zien welke periode de kern vertegenwoordigt. Met name de kleine algjes en de coccolieten geven goede informatie. De paleontologen zien via de opgeboorde kernen dus de tijdzones langzaam aan zich voorbij trekken. Nadert de boorkop een belangrijk gebied, dan geven ze een gil aan de boorders. Zo hebben ze voor mij gewaarschuwd voor de Krijt/Tertiair grens. In die periode, zo'n 65 miljoen jaar geleden, stierven de dinosauriërs uit. Ik ben bijzonder geïnteresseerd in die gebeurtenis. Zodra je waarschuwt boren ze geen kernen van negen meter, maar van viereneenhalve meter. Dan heb je minder kans op beschadigingen.”

Is een kern voldoende afgekoeld dan worden eerst automatisch wat basisgegevens verwerkt, zoals ouderdom, porositeit, natuurlijke radio-activiteit en kalium-natriumverhouding. Daarna wordt de kern overlangs in tweeën gezaagd. De archive halve verdwijnt in een koelkast waar in totaal acht kilometer kern in kan. De working halve gaat door de handen van de wetenschappelijke ploeg die op dat moment dienst heeft. Van iedere vijf centimeter kern wordt een foto gemaakt. De kleurcode zegt iets over de samenstelling van het sediment, de aanwezige organismen en de omstandigheden op de oceaanbodem. Voor een kern van negeneneenhalve meter wordt er 190 keer afgedrukt. Smit: “Je kreeg er een lamme arm van. Maar gelukkig hoefde je niet steeds hetzelfde te doen. Je fotografeerde bijvoorbeeld twee uur, daarna ging je monsters nemen of schreef je rapporten. Niet dat je het daar rustiger aan kon doen. Soms rolde er ieder half uur een staaf van negeneneenhalve meter uit de boorkop. Dan schreef je je het apenzuur om alles bij te houden.

“Het nemen van monsters ging op verzoek. De een wilde van elke meter een 20 cc monster, de ander hoefde er maar één per kern. Weer een ander was alleen geïnteresseerd in specifieke periodes. Zo werden er per kern honderden monsters aangevraagd. Ieder monster werd beschreven. Je doet een dun bedje sediment op een glasplaatje. Daar bovenop leg je weer een heel dun glasplaatje dat je vastzet. Onder de microscoop beschrijf je wat je ziet: radiolaria, calcisferen, coccolieten, nannofossielen, mineralen. Als je leuke dingen zag moest je dat terugkoppelen naar de anderen.”

De coördinatoren van het Ocean Drilling Program denken er inmiddels over om de opzet van het programma te veranderen. De bemanning dient beter aangepast te worden aan de missie. Smit: “Voor lange tochten op open zee houden ze die periode van twee maanden aan. Maar ligt het schip vlak bij een kust waar het bijvoorbeeld vier verschillende doelen heeft, dan willen ze vier verschillende tochtjes uitvoeren. Bij iedere tocht komt een speciale set specialisten aan boord. Nu moet iedereen twee maanden aan boord blijven. Sommigen hebben daar moeite mee. Ik heb na de reis een week nodig gehad om weer op adem te komen.”

Oerwoud op de polen

“Een opvallend resultaat van de expeditie bij het Blake Plateau waren de klimaatcycli die we terugvonden in de opgeboorde bodemmonsters. Met name de cycli van ongeveer 50 tot 60 miljoen jaar geleden”, zegt de Amsterdamse sedimentoloog dr. Jan Smit. “Tijdens het einde van het Paleoceen, zo'n 60 miljoen jaar geleden, is er een klimaatcyclus van ongeveer 20.000 jaar. Bij de overgang naar het Eoceen, 57 miljoen jaar geleden, verandert dat ineens en duren de cycli zo'n 40.000 jaar. Dat verbaasde ons.”

Klimaatveranderingen zijn terug te voeren op variaties in de positie van de aard-as en de omloopbaan van de Aarde. Zo luidt de kwintessens van de hypothese die de Servische geoloog Milutin Milankovic in 1926 poneerde. De aard-as maakt een tollende beweging (de precessie) met een omlooptijd van 26.000 jaar. De helling van de as (de obliquiteit) varieert tussen 22 en 24,5 graden; die variatie kent een cyclus van 41.000 jaar. De baan van de Aarde om de zon wisselt van cirkelvormig tot meer elliptisch (de excentriciteit), een variatie met een cyclus van zo'n 100.000 jaar.

Milankovic beredeneerde dat obliquiteit alleen van invloed zou zijn op hogere breedte. Het gaat er namelijk om of je een pool naar de zon toe of van de zon af beweegt. Het netto effect van deze tilt op de equator is minimaal. De Serviër voorspelde dat het verschijnen van ijstijden werd gestimuleerd door de obliquiteit. Bij veranderingen in het klimaat op lagere breedte zou juist de precessie van doorslaggevende betekenis zijn. Smit: “Het Blake Plateau ligt op lage breedte. Je zou dus een invloed van de precessie moeten terugvinden in je opgeboorde sediment. Maar je vindt gedurende een behoorlijk lange periode een klimaatcyclus van 41.000 jaar. Utrechtse geologen hebben iets dergelijks gevonden in de Middelandse Zee. Voor dat verschijnsel hebben we geen verklaring.”

Juist het feit dat de obliquiteit vanaf het begin van het Eoceen zo duidelijk in de bodemmonsters verschijnt, stelt Smit voor raadsels. Vooral omdat zich in die periode geen ijstijd voordoet, maar juist een superbroeikas. Het klimaat werd aanzienlijk warmer. Het tropisch regenwoud strekte zich uit tot binnen de poolcirkel en vormde een van de meest ongewone milieus uit de geschiedenis op Aarde: oerwoud op de polen. Smit: “We zien een polair signaal in een warme periode. Daar is iets vreemds aan de hand, maar waar dat mee te maken heeft?”