Indirect bewijs voor het ontstaan van zoutlagen door verdamping

Inleiding

Zoutlagen geven veel informatie die ons vertelt hoe ze zijn ontstaan. Denk daarbij aan bepaalde kristalstructuren, afwisselingen met zandsteen- en schalielagen en de aanwezigheid van zouten die uitsluitend onder lage temperaturen ontstaan. Op basis alleen daarvan kunnen geologen al vaststellen dat zoutlagen ontstaan als gevolg van verdamping. Maar er is ook indirect bewijs waar rekening mee gehouden moet worden; bewijsmateriaal dat niet afkomstig is uit het zout zelf, maar uit de gesteenten erboven, eronder of eromheen.

Er zijn twee soorten modellen waarmee creationisten zoutlagen proberen te verklaren. Het oudste model stelt dat zoutlagen het resultaat zijn van stromen heet, superzout water, dat door afkoeling zijn oplossend vermogen verloor. Hierdoor sloeg het zout neer op de bodem van het bekken waarin de waterstroom zich bevond. Het alternatief is dat steenzout geen sedimentair gesteente is, maar een stollingsgesteente. Zoutlagen zijn dan het resultaat van magmatische intrusies of vulkanische erupties.

Beide creationistische modellen verschillen op een belangrijk punt van het standaard model voor het ontstaan van zoutlagen. Als zoutlagen het resultaat zijn van verdamping, verwacht je dat er een relatie bestaat tussen het ontstaan van de zoutlaag en aspecten van het bekken zoals het klimaat en de verbinding met de oceaan. Als de creationistische modellen waar zijn, zijn zoutlagen het resultaat van plotselinge lava- of heetwatererupties, waarbij de omstandigheden in het bekken er niet zoveel doen.

Een voorbeeld van indirect bewijs is de ontwikkeling van het Zechsteinbekken in het Perm. In het Perm ontstond er een slenk tussen Groenland en Scandinavië, waardoor het bekken in een smalle verbinding met de oceaan kwam te staan (Coward 1995; Sørensen et al. 2007). Zo’n lange, smalle verbinding biedt bij uitstek de mogelijkheid om voortdurend oceaanwater naar het bekken te transporteren, zonder dat er een grote terugstroom van zout water ontstaat. De zoutlagen van de Zechsteingroep, die op sommige plekken een kilometer dik zijn, kunnen dus als gevolg van die smalle verbinding ontstaan zijn. Voor hydrothermale, vulkanische en magmatische modellen speelt die verbinding geen enkele rol. Het feit dat deze er precies op het moment van het ontstaan van het Zechsteinzout was, is daarom een bevestiging van het standaard model.

De Messinian Salinity Crisis

De Messinian Salinity Crisis (MSC) is de naam voor de periode tussen 5,97 en 5,33 miljoen jaar geleden waarin grote hoeveelheden zout op de bodem van de Middellandse Zee werden afgezet. Niet alleen werd tijdens de MSC een van de grootste zoutlagen uit de geologische geschiedenis gevormd (de schattingen lopen op tot boven de miljoen kubieke kilometer zout), het voordeel voor geologen is dat de MSC relatief recent was. Het bekken waarin de zoutlagen werden gevormd, de Middellandse Zee, bestaat nog. Hierdoor hebben processen als tektoniek, diagenese en metamorfose relatief weinig invloed gehad.

Er zijn verschillende vormen van indirect bewijs die bevestigen dat de MSC-zoutlagen door verdamping zijn ontstaan. Net als bij het Zechsteinbekken is er het ontstaan van een smalle verbinding met de Atlantische Oceaan. In de twee miljoen jaar voorafgaand aan de MSC was er een complex van verschillende verbindingen met de Atlantische Oceaan dat zich langzaam sloot (Krijgsman et al. 2018). De verbinding met de oceaan was 6,18 miljoen jaar geleden zo smal, dat kleine zoogdieren zich tussen Afrika en het Iberisch schiereiland konden verplaatsen (García-Alix et al. 2016).

Tussen de 6,8 en 6,7 miljoen jaar geleden vond er een scherpe verandering plaats in de verhoudingen van koolstofisotopen van het Middellandse Zeewater (Sierro et al. 2003). Die verhoudingen zijn een indicatie voor de biologische activiteit in een bekken; in die periode nam die activiteit in de Middellandse Zee af. Sierro et al. (2003) concluderen dat de verbinding met de Atlantische Oceaan in deze periode beperkter werd, waardoor er minder zuurstofrijk water naar de bodem van de Middellandse Zee werd getransporteerd. Seidenkrantz et al. (2000) detecteerden ook al een eerdere, vergelijkbare verandering in koolstofisotopen, zo’n 8 miljoen jaar geleden.

Dat dit wijst op een verdergaande isolatie van de Middellandse Zee blijkt ook uit het geleidelijk verdwijnen van normale mariene soorten foraminiferen, waar soorten die in zuurstofarme omstandigheden leven voor in de plaats komen (Seidenkrantz et al. 2000). Ook Kouwenhoven et al. (2003) detecteren een geleidelijke verdwijning van mariene foraminiferen in de Middellandse Zee vanaf 7,2 miljoen jaar geleden tot aan de MSC. En Corbí et al. (2020) treffen vanaf 6,72 miljoen jaar geleden de eerste foraminiferen aan die onder ongewone, zuurstofarme omstandigheden leven.

Voor de MSC zelf bieden strontiumisotopen inzicht in de verbinding met de Atlantische Oceaan (Grothe et al. 2020). Tot zes miljoen jaar geleden zijn strontiumisotoopverhoudingen in de Middellandse Zee gelijk aan die van de Atlantische Oceaan, maar daarna beginnen ze af te wijken. Tijdens de periode waarin het meeste zout in de diepe bekkens werd afgezet, tussen 5,60 en 5,55 miljoen jaar geleden, wordt het verschil plotseling erg groot. Een verschil dat pas aan het einde van de MSC, 5,33 miljoen jaar geleden, weer verdwijnt. De strontiumisotopen van de Middellandse Zee vertonen dan weer hetzelfde beeld als de Atlantische Oceaan.

Analyses van stabiele isotopen en foraminiferen schetsen dus een gemeenschappelijk beeld van een bekken dat in een paar miljoen jaar steeds meer afgesloten raakte van de open oceaan. Daar waar de instroom van zeewater vanuit de Atlantische Oceaan heden ten dage zorgt voor een circulatie waarin zuurstofrijk water over de bodem van de Middellandse Zee stroomt, was die instroom destijds niet sterk genoeg om het bodemwater nog langer zuurstofrijk te houden. Dit zijn precies de condities die je verwacht in aanloop naar een periode waarin de instroom zo beperkt was dat er zoutlagen werden afgezet. Maar als zoutlagen het product zijn van vulkanische of hydrothermale erupties, zijn deze gestreste omstandigheden puur toeval.

Tijdens de climax van de MSC, 5,6 miljoen jaar geleden, daalde de zeespiegel. Hoewel er veel discussie is over de vraag hoe ver die zeespiegeldaling ging, zijn er duidelijke aanwijzing voor een daling van in ieder geval een paar honderd meter. Zo is er onder de Nijl een opgevulde kloof aanwezig die tot tweehonderd meter onder de zeespiegel komt (Chumakov 1973). Dat wijst er duidelijk op dat de zeespiegel tijdens de MSC veel lager stond, waardoor de Nijl diep in zijn eigen bedding sneed. In mijn eigen bacheloronderzoek laat ik zien dat de Zwarte Zee op dat moment grotendeels geïsoleerd raakte van de Middellandse Zee. De perifere bekkens van de Middellandse Zee kwamen droog te liggen, waardoor er wijdverspreide erosie plaatsvond (Roveri et al. 2014).

Doorsnede van de Nijlcanyon bij Aswan (Chumakov 1973).

Zeespiegeldaling in een groot bekken als de Middellandse Zee is alleen mogelijk als deze bijna volledig afgesloten raakte van de Atlantische Oceaan. De aanvoer van water uit de Atlantische Oceaan kon de verdamping in het bekken niet meer compenseren. Opnieuw is dat een scenario dat precies past bij bekken waarin zoutlagen ontstaan. De MSC is de enige periode waarin er grootschalige zoutlagen in de Middellandse Zee ontstonden, en het is (bij mijn weten) ook de enige periode waarin de zeespiegel van de Middellandse Zee zo laag stond. In alternatieve modellen zou deze correlatie toeval zijn, maar binnen het standaard model is het wat verwacht kan worden.

Conclusie

Er is veel indirect bewijs dat de zoutlagen uit de MSC door verdamping zijn ontstaan. Alternatieve modellen kunnen het indirecte bewijs niet goed verklaren. Voor zoutlagen die ouder zijn dan de MSC is veel indirect bewijs verdwenen door latere geologische activiteit. Toch passen ook die zoutlagen vaak goed in de geologische context als ze door verdamping zijn ontstaan. Alternatieve modellen moeten dus niet alleen verklaren hoe zoutlagen zijn ontstaan (dat brengt op zichzelf al genoeg problemen met zich mee), maar ze moeten deze lagen ook in hun bredere context kunnen verklaren.

Referenties

Chumakov, I. S. (1973), Pliocene and Pleistocene deposits of the Nile valley in Nubia and upper Egypt, Initial Rep. Deep Sea Drill. Proj., 13, 1242-1243.

Corbí, H., Soria, J. M., Giannetti, A., & Yébenes, A. (2020). The step-by-step restriction of the Mediterranean (start, amplification, and consolidation phases) preceding the Messinian Salinity Crisis (climax phase) in the Bajo Segura basin. Geo-Marine Letters, 40(3).

Coward, M. P. (1995). Structural and tectonic setting of the Permo-Triassic basins of northwest Europe. Geological Society, London, Special Publications, 91(1), 7-39.

García‐Alix, A., Minwer‐Barakat, R., Martin Suarez, E., Freudenthal, M., Aguirre, J., & Kaya, F. (2016). Updating the Europe–Africa small mammal exchange during the late Messinian. Journal of Biogeography, 43(7), 1336-1348.

Grothe, A., Andreetto, F., Reichart, G. J., Wolthers, M., Van Baak, C. G., Vasiliev, I., … & Krijgsman, W. (2020). Paratethys pacing of the Messinian Salinity Crisis: Low salinity waters contributing to gypsum precipitation? Earth and Planetary Science Letters, 532, 116029.

Kouwenhoven, T. J., Hilgen, F. J., & Van der Zwaan, G. J. (2003). Late Tortonian–early Messinian stepwise disruption of the Mediterranean–Atlantic connections: constraints from benthic foraminiferal and geochemical data. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 198(3-4), 303-319.

Krijgsman, W. et al. (2018). The Gibraltar corridor: Watergate of the Messinian salinity crisis. Marine Geology, 403, 238-246.

Roveri, M. et al. (2014). The Messinian Salinity Crisis: past and future of a great challenge for marine sciences. Marine Geology, 352, 25-58.

Seidenkrantz, M. S., Kouwenhoven, T. J., Jorissen, F. J., Shackleton, N. J., & Van der Zwaan, G. J. (2000). Benthic foraminifera as indicators of changing Mediterranean–Atlantic water exchange in the late Miocene. Marine geology, 163(1-4), 387-407.

Sierro, F. J. et al. (2003). Orbitally-controlled oscillations in planktic communities and cyclic changes in western Mediterranean hydrography during the Messinian. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 190, 289-316.

Sørensen, A. M., Håkansson, E., & Stemmerik, L. (2007). Faunal migration into the Late Permian Zechstein Basin–Evidence from bryozoan palaeobiogeography. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 251(2), 198-209.