Wiebel in de groeve; Aardlagen in Ptolemais leggen astronomische periodiciteit van het klimaat bloot

De aarde waggelt en tolt om de zon. En dat heeft effect op het klimaat. In lange regelmatige cycli. Utrechtse geologen graven ze op in Griekenland, met een boor en een zappa.

AL TWEE DAGEN lang komt er onophoudelijk modder uit de boorpijp gespoten. De Utrechtse geologen Nicole van Vugt en Joris Steenbrink beseffen dat hun expeditie in de hete bruinkoolgroeven bij Ptolemais, zo'n 200 kilometer ten noordwesten van Thessaloniki, gevaar loopt. “Dit zou wel eens einde oefening kunnen betekenen”, zegt Steenbrink. Van Vugt staart gefascineerd naar de omhoogspuitende blubber en schudt haar hoofd: “Zoiets heb ik nog nooit meegemaakt.”

Twee dagen eerder. Van Vugt jaagt de gehuurde, al-lang-niet-meer-witte Opel Corsa over het stoffige, hier en daar modderige terrein van de Ptolemais-groeven die een gebied van in totaal zo'n 200 km beslaan. Hier bevindt zich een van 's werelds grootste reserves van ligniet, een soort bruinkool. Het Griekse bedrijf DEI (Dimosia Epichirisi Ilektrismou. oftewel het openbare energiebedrijf) graaft jaarlijks 45 miljoen ton van de fossiele brandstof af en wint er elektriciteit uit. Ligniet voorziet in 75 procent van alle Griekse elektriciteit, de mijn bij Ptolemais is verantwoordelijk voor 70 procent van dat aandeel. De reserves zijn toereikend voor ten minste de komende 50 jaar.

Van Vugt trapt op de rem. Het stof trekt langzaam op en we kijken uit over een enorme groeve waarvan de schuine wanden als terrassen zijn opgebouwd. “Door de afgravingen komen er allerlei geologisch interessante aardlagen bloot te liggen. Dit vind je bijna nergens anders, daarom is het zo'n bijzondere locatie”, zegt de geologe en ze wijst naar de linkerwand van de groeve. “Kijk die prachtige gelaagdheid. Het lijkt op Engelse drop. Zie je hoe netjes de witte en zwarte lagen elkaar afwisselen? Dat wit is een mengsel van kalk en klei, het zwart is ligniet. Door die lagen te onderzoeken komen we iets te weten over de fluctuatie van het klimaat in de tijd dat de lagen zijn ontstaan.” In de aardlagen die Steenbrink en Van Vugt tot nu toe hebben onderzocht, ontdekten ze een prachtige cyclus. Mergel en ligniet wisselen elkaar iedere 23.000 jaar af. Dit soort onderzoek, cyclostratigrafie geheten, is de laatste tien jaar erg populair geworden onder aardwetenschappers en biologen. Het is onder andere van belang voor klimaatonderzoek. Het geologisch onderzoek van de Utrechters, gesubsidieerd door NWO, vindt plaats in samenwerking met deuniversiteit van Athene.

EXCENTRICITEIT

Van Vugt trekt fors op. “We gaan naar onze drilling site. Dan kun je zien wat we uit de Griekse bodem opboren.” Lichtbruin stof waait door de ventilatoren de auto binnen. De camera moet in veiligheid worden gebracht en verdwijnt onder het inmiddels smerige T-shirt. Vanaf de stoffige achterbank begint Steenbrink een uiteenzetting over geofysicus, astronoom en wiskundige Milutin Milankovic (1879-1958) en zijn theorie over astronomische cycli. De aarde draait om de zon, maar niet volgens een constante baan omdat de aarde onder invloed staat van de zwaartekracht van zon, maan en de andere planeten in het zonnestelsel. Daardoor varieert de omloop. Een tijd lang volgt de aarde een ellipsvormige baan, die gaat langzaam over in een meer cirkelvormige baan om daarna weer terug te keren naar de ellipsvorm. Deze variatie, de excentriciteit, kent een periode van 100.000 jaar. Dat is niet de enige variabele. Ook de stand van de aarde fluctueert omdat de aardas heen en weer wiebelt. De hoek tussen de aardas en het vertikale vlak schommelt tussen de 22 en 25 graden. Deze beweging, de obliquiteit, kent een periode van 41.000 jaar. En dan is er nog de precessie, de tolbeweging die de aardas maakt, en die een periode heeft van 19.000 en 23.000 jaar.

Vanwege deze variatie zal niet iedere plek op aarde voortdurend evenveel zonlicht ontvangen. Omdat de opgevangen straling fluctueert, schommelt ook het klimaat en daarmee de samenstelling van flora, fauna en bodem. In het sediment kun je die fluctuatie van de zonne-instraling teruglezen. De ene keer tref je bijvoorbeeld mergel aan, circa 11.500 jaar later ligniet, eenzelfde periode later weer mergel. Ook de restanten van flora en fauna laten zo'n fluctuerend patroon zien. Dat kun je aflezen aan slakkenhuisjes, bladeren, pollenkorrels, zoogdiertanden of schimmelsporen, fossiele resten die de tand des tijds hebben weerstaan.

Excentriciteit, obliquiteit en precessie staan tegenwoordig bekend als de Milankovic cycli. Voordat de Serviër zijn theorieën opstelde waren er al anderen geweest die een relatie tussen klimaat en astronomie veronderstelden, maar Milankovic liet zijn hypothese vergezeld gaan van uitgebreid onderzoek. Dat was in de jaren veertig. Weinigen geloofden toen in zijn theorie. Het duurde tot eind jaren tachtig voordat Milankovic in ere werd hersteld en sindsdien zoeken geologen en paleontologen nadrukkelijk naar cycli in hun bodemmonsters. “Milankovic is nu en vogue. Over de hele wereld worden bodems onderzocht op de aanwezigheid van zulke cycli”, zegt Van Vugt. “Voor ons promotie-onderzoek bekijken we sedimenten van 5 tot 6 miljoen jaar oud uit het gebied hier rondom Ptolemais.”

Utrechtse aardwetenschappers zijn er inmiddels in geslaagd om de cycli van de laatste tien miljoen jaar, enkele hiaten daargelaten, zeer nauwkeurig te dateren. Daarvoor hebben ze boringen verricht op Sicilië, Kreta en IJsland. De zo ontstane astronomische tijdschaal is een nauwkeurige chronometer. Van Vugt: “Als je nu boringen doet en je weet niet precies in welke tijd je zit, doe je metingen aan je aardlagen, daarna leg je de gemeten cycli naast de astronomische tijdschaal. Als het goed is vind je een match, en weet je met een nauwkeurigheid van zo'n vierduizend jaar hoe oud je sediment is. Deze methode is nauwkeuriger dan alles wat we tot nu toe hadden.”

“In onze bodemmonsters is meestal de precessie erg dominant aanwezig. We vinden cycli van om en nabij de 23.000 jaar”, zegt Van Vugt. “Precessie vind je vooral op lagere breedten terug, onder de 40°. Op hogere breedten zie je vooral het effect van de obliquiteit, het wiebelen van de aardas.” Volgens de geologe laten bodemmonsters die van verschillende plaatsen komen zich vaak met elkaar vergelijken. “Als je tenminste niet te maken hebt met verschuivingen of water en zand, want die verstoren de nette gelaagdheid.” De Utrechtse geologen deden eerder onderzoek in groeven nabij Vegora en Lava, vlakbij Ptolemais. De cycli die ze in die lagen terugvinden komen overeen met degene die al eerder in Sicilië zijn gevonden.

Van Vugt jakkert met de auto over hobbelige zandwegen naar Sector Six, de plaats waar ze nu boren. De digitale thermometer geeft aan dat het 35 graden is. In de verte, op de terrassen, staat een aantal excavators. Dat zijn gigantische kranen met voorop hun arm een ronddraaiende constructie die uit getande schepbakken bestaat en zich langzaam door het ligniet heen vreet. Een week eerder was een van de grotere excavators nog in brand gevlogen, 's avonds om elf uur. Hoe dat kon gebeuren, weet niemand. Een reparatieploeg is nu druk in de weer om bedrading en onderdelen van de zwart geblakerde kraan te vervangen door nieuwe, felgele onderdelen.

We rijden onder ratelende transportbanden door. Dit zijn banden die het ligniet vervoeren naar een van de vijf centrales in de omgeving. Andere transporteren ligniet-arme grond naar een dump-site die meestal in een al afgegraven gebied ligt. In de groeven loopt er in totaal 225 kilometer transportband.

Even later staan we naast Vasili Thelouros, die aangetrokken is om de boring te verrichten. Vasili heeft jaren lang voor DEI geboord, maar is inmiddels met de VUT. Zijn makker Michaili Zarimanolis zit onder de parasol en kijkt gelaten toe. Naast hem zit Jorgos, de zoon van Vasili. Alles lijkt goed te verlopen. Vasili bedient een hefboom, trekt aan hendels, draait aan knoppen en zorgt ervoor dat de machine een boorpijp de grond in duwt. Daarna nog een, en nog een. “We zitten nu 55 meter diep”, zegt de oude man tegen Steenbrink die een redelijk woord Grieks spreekt. De Utrechter kijkt tevreden en stelt voor om verderop nog wat onderzoek te gaan doen. “We meten ook rechtstreeks aan de wand die hier blootligt. Zo proberen we wat gaten in ons bestand op te vullen”, en hij vertelt dat Vasili, Jorgos en Michaili op een andere locatie zijn begonnen met boren. De eerste kernen die ze naar boven haalden waren 5,2 miljoen jaar oud. Toen ze bij de laag van 5,4 miljoen jaar oud belandden, moesten ze stoppen omdat ze water aanboorden. “Je weet niet wat er gebeurt als je verder boort”, zegt Steenbrink niet wetende wat hem de volgende dagen te wachten staat. “Misschien kom je op een plek waar water onder hoge druk naar boven wordt geperst.”

Op de eerste locatie hebben de drie Grieken zestig meter geboord. Ze zijn ingehuurd voor 250 meter. Steenbrink: “We zijn naar een andere locatie gaan zoeken. Volgens deskundigen van DEI moesten we maar naar Sector Six, dat was een goeie plek.”

Enkele honderden meters van de boor-site hakt Steenbrink in een blauw-grijze wand. “Gisteren heeft een zappa, een heftruck, hier al de buitenste, verweerde laag weggeschraapt. Door verwering kan de samenstelling van je sediment veranderen en dat vertroebelt je meting.” Met een koperen latje strijkt hij het blootliggende blauw-grijze sediment zo vlak mogelijk. Dan haalt hij de kleurenmeter tevoorschijn. Het is een in doorzichtig plastic verpakte, video-camera-achtige machine die kleuren meet en metingen opslaat.

In het hotel in Ptolemais verwerkt Steenbrink 's avonds de eerste gegevens op zijn lap-top. Hij tovert een grafiek tevoorschijn. “Zie je die golven, dat lijkt op een cyclus. In Utrecht zullen we de precieze ouderdom van de aardlagen onderzoeken en weten met welke cyclus we hier te maken hebben”, zegt hij zichtbaar verheugd. Onder ons, op de eerste verdieping, horen we een vreemd geroezemoes. Eerder waren daar opvallend druk rondlopende en lonkende dames opgevallen.

IJSKOUD WATER

Als we de volgende ochtend bij de boor-site komen, vertelt Vasili dat ze water hebben aangeboord. Een dikke straal ijskoud water komt uit de boorpijp zetten en drukt zich zo'n vijftien centimeter omhoog. De pijpen hebben inmiddels een diepte van 70 meter bereikt. Met de 60 meter die op de vorige locatie zijn geboord, komt dat op in totaal 130 meter. Het contract van het Griekse drietal schrijft voor dat ze nog zeker 120 meter verder moeten. Maar waar? Op deze plek? Dan bestaat het gevaar dat ze nog meer water aanboren. Of moeten Steenbrink en Van Vugt op zoek naar een derde locatie? “Dat kan niet”, zegt van Vugt. “We zijn hier begonnen in een aardlaag van 5,4 miljoen jaar oud en zitten nu denk ik op zo'n 5,8 miljoen jaar. Dan moet je op een volgende plek bij die ouderdom verdergaan. Maar zo'n laag ligt hier niet bloot.”

Rond het middaguur komt Thanassos Kiriakidis poolshoogte nemen. Hij is de verantwoordelijke voor alle boringen die DEI in deze groeven verricht. Hij verbaast zich over het feit dat er water is. De bestaande kaarten geven dat niet aan. “Als we geweten hadden dat hier water zat waren we hier helemaal niet gaan boren”, zegt Steenbrink. Kiriakidis proeft van het water, fronst de wenkbrauwen en zegt iets tegen Steenbrink. “Hij vindt het goed smaken”, vertaalt de geoloog. De Griek pakt een lege fles en laat er wat water in stromen. Volgens Steenbrink wordt het water weggestuurd voor analyse. “Ze zijn al jaren op zoek naar water voor de stad Kozani, hier in de buurt, maar tot dusverre zonder succes. De watervoorziening is erg slecht. Nu komen wij hier en we slaan ongewild een waterbron.” De volgende dag komt Kiriakidis meedelen dat de pH van het water rond de 7,5 ligt. Prima voor drinkwater. Er is inmiddels een flesje op weg naar een Duits laboratorium voor verdere analyse.

Van Vugt en Steenbrink besluiten naar hun onderzoekstation te gaan. Bij Sector Six kunnen ze nu toch weinig doen. We rijden enkele kilometers en komen bij een oude loods die speciaal voor de Utrechtse onderzoekers is vrijgemaakt. Tegenover ligt een reparatieplaats voor de typisch oranje vrachtautootjes van DEI. Een smerige hond komt nieuwsgierig dichterbij en probeert af en toe de vlooien uit zijn bestofte vacht vol klitten te bijten. Tevergeefs. Als hij merkt dat hij geen vreten krijgt gaat hij in de modder liggen slapen.

In de loods staan twee metalen kasten waarin een boor, een vacuümpomp en een radio zijn opgeborgen. Naast de kasten staan kisten opgestapeld. Hierin bevinden zich de tot nu toe opgeboorde kernen, de meeste zijn vacuüm verpakt.

De twee geologen gaan de laatste, nog niet verpakte kernen, verwerken. Op de achtergrond klinkt de filmmuziek van Pulp Fiction. Van Vugt neemt een kern uit een kist, legt die op een rooster en boort er een klein stukje uit. “Die gebruik ik om het aardmagnetisch veld te meten. Dat veld wisselt spontaan om de zoveel honderdduizend jaar, dat zie je terug in het sediment. Omdat je de astronomische cycli heel nauwkeurig kunt dateren, weet je nu ook veel nauwkeuriger wanneer die ompoling zich afspeelde.” Daarna maakt Steenbrink iedere tien centimeter een kleuropname. Dan gaat de staaf in het plastic, de verpakking wordt vacuüm gezogen, verzegeld en de staaf gaat terug in de kist. Volgende week zal een vrachtwagen ze naar Utrecht rijden waar de geologen de kernen verder zullen onderzoeken. Steenbrink: “Een collega bekijkt bijvoorbeeld of er algen, sporen en pollen in voorkomen volgens een cyclisch patroon. Dat is inderdaad het geval.” Uit eerder onderzoek blijkt dat in de lignietlagen vooral 'droge' soorten voorkomen en in het mergel met name 'vochtige' soorten. De vegetatie die hieruit kan worden afgeleid is die van een vochtige omgeving met afwisselend een open meer en een moeras.

KOPPELSTUK

De ellende is de volgende dag alleen maar erger geworden. Het water komt inmiddels tot 70 centimeter boven de boorpijp uitgespoten en is vermengd met zand. Er is een geul gegraven om de modder af te voeren, maar die slibt binnen de kortste keren dicht met snel bezinkend zand. Michaili schept het zand weg. In de loop van de dag zal iedereen helpen bij het vrijhouden van de geul. De modder blijft onophoudelijk naar boven gulpen. Vasili kijkt bedenkelijk. Hoe moet hij zijn kostbare pijpen nu uit de grond krijgen? Hij probeert een koppelstuk op de bovenste boorpijp te schroeven. Aan dat koppelstuk zit een kabel die naar een takel loopt. Maar de druk van het omhoogstuwende water is te groot, het koppelstuk laat zich niet op de pijp schroeven. Aan het eind van de dag is er nog niks veranderd. De modder blijft stromen. Steenbrink en Van Vugt hebben inmiddels besloten dat ze hun onderzoek hier zullen stoppen. Het risico om verder te gaan is te groot. Van Vugt: “We proberen een van de komende dagen een zappa te huren voor een groeve in de buurt van het dorpje Lava. Hopelijk kunnen we daar nog wat interessante wanden blootleggen.”