Heading

Doelstellingen

• Uitleg van Steno’s wetten van superpositie en oorspronkelijke horizontaliteit.
• Op basis van een geologische dwarsdoorsnede de oudste en jongste formaties identificeren.
• Uitleg wat een unconformiteit voorstelt.
• Weten hoe je fossielen kunt gebruiken om gesteentelagen te correleren.

Vocabulaire

• biozone
• cross-snijrelaties
• geologische tijdschaal
• sleutelbed
• laterale continuïteit
• microfossiel
• oorspronkelijke horizontaliteit
• relatieve ouderdom
• superpositie
• unconformiteit
• uniformitarisme

Inleiding

Wat u hopelijk van deze lessen en van uw eigen levenservaring hebt geleerd, is dat de wetten van de natuur nooit veranderen. Ze zijn vandaag nog dezelfde als miljarden jaren geleden. Water bevriest bij 0° C bij 1 atmosfeer druk; dit is altijd waar.

Weten dat natuurwetten nooit veranderen helpt wetenschappers het verleden van de aarde te begrijpen, omdat het hen in staat stelt aanwijzingen te interpreteren over hoe dingen lang geleden gebeurden. Geologen gebruiken altijd processen uit het heden om het verleden te interpreteren. Als je een fossiel van een vis vindt in een droge aardse omgeving, heeft de vis dan op het land rondgedarteld? Is het gesteente in het water gevormd en daarna verplaatst? Aangezien vissen vandaag de dag niet op het land rondfladderen, is de verklaring die aansluit bij de filosofie dat natuurwetten niet veranderen, dat het gesteente bewoog.

Fossielen waren levende organismen

In 1666 ontleedde een jonge arts genaamd Nicholas Steno de kop van een enorme witte haai die door vissers was gevangen in de buurt van Florence, Italië. Steno werd getroffen door de gelijkenis van de haaientanden met fossielen die in bergen en heuvels in het binnenland werden gevonden (onderstaande afbeelding).

De meeste mensen uit die tijd geloofden niet dat fossielen ooit deel uitmaakten van levende wezens. Auteurs in die tijd dachten dat de fossielen van zeedieren die werden gevonden in hoge bergen, mijlenver van elke oceaan, op een van de volgende twee manieren konden worden verklaard:

• De schelpen waren aangespoeld tijdens de bijbelse zondvloed. (Deze verklaring kon niet verklaren dat de fossielen niet alleen op bergen werden gevonden, maar ook in de bergen zelf, in gesteenten die diep onder het aardoppervlak waren uitgegraven.)
• De fossielen vormden zich in de rotsen als gevolg van mysterieuze krachten.

Maar voor Steno was de grote gelijkenis tussen fossielen en moderne organismen onmogelijk te negeren. In plaats van zich te beroepen op bovennatuurlijke krachten, concludeerde Steno dat fossielen ooit delen van levende wezens waren. Hij probeerde vervolgens te verklaren hoe fossiele zeeschelpen konden worden gevonden in rotsen en bergen ver van elke oceaan. Dit leidde hem tot de ideeën die hieronder worden besproken.

Superpositie van gesteentelagen

Steno stelde voor dat als een gesteente fossielen van zeedieren bevatte, het gesteente gevormd was uit sedimenten die op de zeebodem waren afgezet. Deze gesteenten werden vervolgens omhoog getild om bergen te worden. Op basis van deze veronderstellingen maakte Steno een opmerkelijke reeks gissingen die nu bekend staan als de Wetten van Steno. Deze wetten worden in onderstaande figuur geïllustreerd.

Andere wetenschappers observeerden gesteentelagen en formuleerden andere principes. De geoloog William Smith (1769-1839) identificeerde het principe van de faunale successie, dat het volgende inhoudt:

• Sommige fossiele soorten worden nooit samen met bepaalde andere fossiele soorten gevonden (bijv. menselijke voorouders worden nooit samen met dinosaurussen gevonden), wat betekent dat de fossielen in een gesteentelaag representatief zijn voor wat er leefde in de periode dat het gesteente werd afgezet.
• Oldere kenmerken worden bij fossiele organismen vervangen door modernere kenmerken naarmate de soorten in de loop van de tijd veranderen; zo gaan gevederde dinosauriërs in het fossielenbestand bijvoorbeeld vogels vooraf.
• Fossiele soorten met kenmerken die duidelijk en snel veranderen, kunnen worden gebruikt om de ouderdom van gesteentelagen vrij nauwkeurig vast te stellen.

De Schotse geoloog James Hutton (1726-1797) herkende het principe van de dwarsdoorsnede-relaties. Dit helpt geologen om het oudere en jongere van twee gesteente-eenheden te bepalen (onderstaande afbeelding).

De Grand Canyon is een uitstekende illustratie van de bovenstaande principes. De vele horizontale lagen sedimentgesteente illustreren het principe van oorspronkelijke horizontaliteit (onderstaande figuur).

• De jongste gesteentelagen liggen bovenaan en de oudste onderaan, hetgeen wordt beschreven door de wet van superpositie.
• Onderscheidende gesteentelagen, zoals de Coconino Sandstone, zijn over de wijde uitgestrektheid van de canyon op elkaar afgestemd. Deze rotslagen waren ooit met elkaar verbonden, zoals de regel van zijdelingse continuïteit stelt.
• De Colorado rivier snijdt door alle rotslagen heen om de canyon te vormen. Gebaseerd op het principe van dwarsverbindingen moet de rivier jonger zijn dan alle gesteentelagen die zij doorsnijdt.

Bepaling van de relatieve ouderdom van gesteenten

De principes van Steno en Smith zijn essentieel voor het bepalen van de relatieve ouderdom van gesteenten en gesteentelagen. Bij het proces van relatieve datering bepalen wetenschappers niet de exacte leeftijd van een fossiel of gesteente, maar bekijken zij een reeks gesteenten om te proberen de tijdstippen te ontcijferen waarop een gebeurtenis heeft plaatsgevonden in verhouding tot de andere gebeurtenissen in die reeks. De relatieve leeftijd van een gesteente is dan zijn leeftijd in vergelijking met andere gesteenten. Als je de relatieve leeftijd van twee gesteentelagen kent, (1) weet je dan welke ouder en welke jonger is? (2) Weet je hoe oud de lagen zijn in jaren?

Een interactieve website over relatieve leeftijden en geologische tijd is hier te vinden: http://www.ucmp.berkeley.edu/education/explorations/tours/geotime/gtpage1.html

In sommige gevallen is het heel lastig om de opeenvolging van gebeurtenissen te bepalen die tot een bepaalde formatie leidt. Kun jij achterhalen wat er in welke volgorde is gebeurd in (onderstaande figuur)? Schrijf het op en controleer dan de volgende paragrafen.

Het principe van dwarsdoorsneden stelt dat een breuk of intrusie jonger is dan de gesteenten die hij doorsnijdt. De breuk doorsnijdt alle drie de sedimentaire gesteentelagen (A, B en C) en ook de intrusie (D). De breuk moet dus de jongste zijn. De intrusie (D) doorsnijdt de drie sedimentaire gesteentelagen, dus moet ze jonger zijn dan die lagen. Volgens de wet van superpositie is C het oudste sedimentgesteente, B is jonger en A is nog jonger.

De volledige opeenvolging van gebeurtenissen is:

1. Laag C werd gevormd.

2. Laag B werd gevormd.

3. Laag A werd gevormd.

4. Nadat lagen A-B-C aanwezig waren, sneed intrusie D door alle drie.

5.

5. Er ontstond een breuklijn E, die de gesteenten A tot en met C en intrusie D verschoof.

6. Door verwering en erosie ontstond een laag aarde bovenop laag A.

De leeftijd van de aarde

In de tijd van Steno geloofden de meeste Europeanen dat de aarde ongeveer 6000 jaar oud was, een getal dat gebaseerd was op de geschatte tijd die nodig was voor de gebeurtenissen die in de Bijbel werden beschreven. Een van de eerste wetenschappers die deze veronderstelling in twijfel trok en de geologische tijd begreep, was James Hutton. Hutton reisde eind 1700 door Groot-Brittannië en bestudeerde sedimentgesteenten en hun fossielen (onderstaande figuur).

Vaak beschreven als de grondlegger van de moderne geologie, formuleerde Hutton het uniformitarianisme: Het heden is de sleutel tot het verleden. Volgens het uniformitarisme werkten dezelfde processen die nu op aarde plaatsvinden, ook in het verleden. Waarom is aanvaarding van dit principe absoluut noodzakelijk om de geschiedenis van de aarde te kunnen ontcijferen?

Hutton trok de ouderdom van de aarde in twijfel toen hij naar gesteentesequenties als de onderstaande keek. Op zijn reizen ontdekte hij plaatsen waar sedimentaire gesteentebedden op een geërodeerd oppervlak liggen. Op deze kloof in de gesteentelagen, of unconformity, waren sommige gesteenten weg geërodeerd. Neem bijvoorbeeld de beroemde unconformiteit bij Siccar Point, aan de kust van Schotland (onderstaande figuur).

1. Een reeks sedimentaire bedden werd afgezet op een oceaanbodem.

2. De sedimenten verhardden tot sedimentair gesteente.

3. De sedimentaire gesteenten werden opgeheven en gekanteld, waardoor ze boven de zeespiegel uitkwamen.

4. De gekantelde bedden werden geërodeerd en vormden een onregelmatig oppervlak.

5. Een zee bedekte de geërodeerde sedimentaire gesteentelagen.

6. Nieuwe sedimentaire lagen werden afgezet.

7. De nieuwe lagen verhardden tot sedimentair gesteente.

8. De hele gesteentesequentie werd gekanteld.

9.

Omdat hij dacht dat dezelfde processen die vandaag de dag op aarde werkzaam zijn, ook in het verleden in hetzelfde tempo hebben gewerkt, moest hij rekening houden met al deze gebeurtenissen en met de onbekende hoeveelheid ontbrekende tijd die de unconformiteit vertegenwoordigde, realiseerde Hutton zich dat deze rotsreeks alleen al heel veel tijd vertegenwoordigde. Hij concludeerde dat de leeftijd van de aarde niet in duizenden jaren moest worden gemeten, maar in miljoenen jaren.

Gesteentelagen met elkaar in verband brengen

Superpositie en doorsnijding zijn nuttig wanneer gesteenten elkaar raken en zijdelingse continuïteit helpt bij het met elkaar in verband brengen van gesteentelagen die dichtbij elkaar liggen, maar hoe kunnen geologen gesteentelagen met elkaar in verband brengen die over grotere afstanden van elkaar zijn gescheiden? Er zijn drie soorten aanwijzingen:

1. Onderscheidende rotsformaties kunnen in grote gebieden herkenbaar zijn (onderstaande figuur).

2. Twee gescheiden gesteente-eenheden met hetzelfde indexfossiel zijn van zeer vergelijkbare ouderdom. Welke eigenschappen moet een indexfossiel volgens jou hebben? Om een indexfossiel te worden moet het organisme (1) wijdverspreid zijn geweest, zodat het nuttig is voor het identificeren van gesteentelagen over grote gebieden en (2) gedurende een relatief korte periode hebben bestaan, zodat de ouderdom van de gesteentelaag bij benadering meteen bekend is.

Veel fossielen kunnen in aanmerking komen als indexfossiel (zie onderstaande figuur). Ammonieten, trilobieten en graptolieten worden vaak als indexfossielen gebruikt.

Microfossielen, dat zijn fossielen van microscopische organismen, zijn ook nuttige indexfossielen. Fossielen van dieren die in de bovenste lagen van de oceaan zijn afgedreven, zijn bijzonder nuttig als indexfossielen, omdat ze over zeer grote gebieden kunnen zijn verspreid.

Een biostratigrafische eenheid, of biozone, is een geologische gesteentelaag die wordt gedefinieerd door een enkel indexfossiel of een fossielenassemblage. Een biozone kan ook worden gebruikt om gesteentelagen over afstanden te identificeren.

3. Een sleutelbed kan worden gebruikt als een indexfossiel, aangezien een sleutelbed een kenmerkende gesteentelaag is die over een groot gebied kan worden herkend. Een vulkanische aslaag kan een goed sleutelbed zijn. Een beroemd sleutelbed is de kleilaag op de grens tussen het Krijt en het Tertiair, de tijd waarin de dinosauriërs uitstierven (onderstaande figuur). Deze dunne klei bevat een hoge concentratie iridium, een element dat zeldzaam is op aarde maar veel voorkomt in asteroïden. In 1980 stelde het vader-zoonteam van Luis en Walter Alvarez voor dat een enorme asteroïde 66 miljoen jaar geleden op aarde insloeg en de massa-extinctie veroorzaakte.

De geologische tijdschaal

Om de geschiedenis van de aarde te kunnen bespreken, hadden wetenschappers een manier nodig om te kunnen verwijzen naar de tijdsperioden waarin gebeurtenissen plaatsvonden en organismen leefden. Met de informatie die ze verzamelden uit fossiele vondsten en met behulp van de principes van Steno maakten ze een lijst van gesteentelagen, van de oudste naar de jongste. Vervolgens verdeelden zij de geschiedenis van de aarde in tijdsblokken, waarbij elk blok werd gescheiden door belangrijke gebeurtenissen, zoals het verdwijnen van een fossiele soort uit het gesteente. Omdat veel van de wetenschappers die voor het eerst namen gaven aan tijden in de geschiedenis van de aarde uit Europa kwamen, gaven zij de tijdsblokken de namen van steden of andere lokale plaatsen waar de gesteentelagen werden gevonden die die tijd vertegenwoordigden.

Uit deze tijdsblokken creëerden de wetenschappers de geologische tijdschaal (onderstaande figuur). Op de geologische tijdschaal staan de jongste leeftijden bovenaan en de oudste onderaan. Waarom denk je dat de recentere tijdsperioden fijner verdeeld zijn? Denk je dat de onderverdelingen in de onderstaande figuur in verhouding staan tot de hoeveelheid tijd die elke periode in de geschiedenis van de aarde vertegenwoordigde?

In welke eon, tijdperk, periode en epoche leven we nu? We leven in het Holoceen (soms recent genoemd) tijdperk, de Kwartaire periode, het Cenozoïcum en het Fanerozoïcum.

Samenvatting van de les

• Nicholas Steno formuleerde in de 17e eeuw de principes die wetenschappers in staat stellen de relatieve ouderdom van gesteenten te bepalen. Steno stelde dat sedimentgesteenten worden gevormd in ononderbroken, horizontale lagen, met jongere lagen bovenop oudere lagen.
• William Smith en James Hutton ontdekten later de principes van dwarsdoorsnede-relaties en faunale successie.
• Hutton realiseerde zich ook de enorme hoeveelheden tijd die nodig zouden zijn om een unconformiteit te creëren en concludeerde dat de aarde veel ouder was dan men in die tijd dacht.
• De leidende filosofie van Hutton en de geologen die na hem kwamen is: Het heden is de sleutel tot het verleden.
• Om gesteentelagen te correleren die door een grote afstand gescheiden zijn, zoek naar sedimentaire gesteenteformaties die uitgebreid en herkenbaar zijn, indexfossielen, en sleutelbedden.
• Veranderingen van fossielen in de loop der tijd hebben geleid tot de ontwikkeling van de geologische tijdschaal, die de relatieve volgorde aangeeft waarin gebeurtenissen op aarde hebben plaatsgevonden.

Besprekingsvragen

1. Een 15e-eeuwse boer vindt een rotsblok dat precies lijkt op een mosselschelp. Wat heeft hij waarschijnlijk geconcludeerd over hoe het fossiel daar terecht is gekomen?
2. Welke van Steno’s Wetten wordt geïllustreerd door elk van de afbeeldingen in onderstaande figuur?
   
3. Wat is de volgorde van gesteente-eenheden in onderstaande figuur, van oudste naar jongste?
   
4. Welke geologische formatie is te zien in de uitloper in onderstaande figuur, en welke opeenvolging van gebeurtenissen stelt deze voor?
   
5. De drie uitlopers in onderstaande figuur liggen erg ver uit elkaar. Op grond van wat je ziet, welk fossiel is een indexfossiel, en waarom?
   
6. Waarom vermeldde de vroege geologische tijdschaal niet het aantal jaren geleden dat gebeurtenissen plaatsvonden?
7. Dinosaurussen stierven ongeveer 66 miljoen jaar geleden uit. In welke periode van de geologische tijd leefden dinosaurussen voor het laatst?
8. Stel dat je tijdens een wandeling in de bergen van Utah een fossiel vindt van een dier dat op de oceaanbodem leefde. Je ontdekt dat het fossiel uit de Mississippische periode stamt. Hoe was de omgeving tijdens het Mississippien in Utah?
9. Waarom zijn sedimentgesteenten nuttiger dan metamorfe of stollingsgesteenten bij het vaststellen van de relatieve ouderdom van gesteenten?
10. Wat wordt waarschijnlijk vaker in gesteenten aangetroffen: fossielen van zeer oude zeedieren of van zeer oude landdieren?

Verder lezen / aanvullende links

• Een document van de US Geological Survey over gesteenten, fossielen en tijd: http://pubs.usgs.gov/gip/fossils/contents.html
• Probeer de mysterieuze fossielen op deze foto’s te raden en kijk of je het goed hebt. Er zijn er meer in de archieven: http://www.ucmp.berkeley.edu/exhibits/mysteryfossil/mysteryfossil.php
• Een interactief “Virtueel Museum van Fossielen” http://fossils.valdosta.edu/.
• Het fossielenbestand in Noord-Amerika http://www.paleoportal.org/.
• Een uittreksel van het boek “The Seashell on the Mountaintop” is hier te vinden http://alan-cutler.com/excerpt.html
• Het bepalen van de ouderdom van gesteenten en fossielen: http://www.ucmp.berkeley.edu/fosrec/McKinney.html

Punten om over na te denken

• Hoe maakten vooringenomen ideeën in Steno’s tijd mensen blind voor de realiteit van wat fossielen voorstellen?
• Hoe verklaarde Steno de aanwezigheid van zee-fossielen in hooggebergten?
• Waarom was Hutton’s erkenning van unconformiteiten zo belangrijk?
• Kan men de relatieve ouderdom bepalen van twee gesteentelagen die ver uit elkaar liggen?
• Kunnen dezelfde principes die gebruikt worden om de geschiedenis van de aarde te bestuderen ook gebruikt worden om de geschiedenis van andere planeten te bestuderen?