Geo-Bio-evolutie van aarde 4.5 Ga van continue veranderingen

Geo-Bio-evolutie van aarde
4.5 Ga van continue veranderingen: permanente “global changes”
Aarde is een complex systeem: fysische en biologische factoren in permanente interactie
• Ontstaan van nieuwe species en andere verdwijnen : T-rex komt niet terug (tof !)
• Continenten vormen, migreren en komen samen: Wilson Cyclus, bv. Massief van Brabant lag in de
zuidelijke hemisfeer tijdens het Cambrium, vlak bij Mauritanië
• Vorming van gebergeketens en erosie van bergen: 360 Ma geleden waren de Ardennen zo hoog als
de Alpen vandaag
• Zeespiegelschommelingen: zeeniveau daalt en stijgt
• Klimaat verandert: greenhouse versus icehouse perioden: Snowball Earth 600 Ma geleden
• Atmosfeer evolueert van extreem CO2 en CH4 rijk tot vandaag 21% O2
Alle deze veranderingen worden geregistreerd in gesteenten
maar met veel gaatjes! hoe jonger het gesteente, hoe beter de “record”
Wednesday 27 April 2011
Hadeaan 4.5 tot 3.8 Ga
1ste Maan was maar 20000 km van aarde
1 mm
(384 000 km vandaag)
Maan vormt door grote inslag ~ 4.5 ga
Anorthosiet teruggebracht door de
Oudste mineraal ZrSiO4 :4.4 Ga U/Pb
Apollo 16
Zirkoon wordt in jongere sedimenten gevonden
Geen gesteenten op Aarde, maar 4.4 Ga oud anorthosiet op de maan
Deze atmosfeer
had hogere
densiteit dan
vandaag (~ 250x)
4.4 ga
Degassing: ATM: H2O, CH4,
NH3, H2, N2, CO2, SO2
Vorming van 1ste basaltische korst, drijvend op een magma oceaan, % korst stijgt met tijd
Wednesday 27 April 2011
Archeaan 3.8 - 2.5 Ga
1ste duidelijk bewijs van continenten: in Isua, Zuid Groenland, oudste gesteenten op aarde 3.8
Ga en platentektoniek is zeer actief (veel sneller dan vandaag) want mantel was warmer
(snellere convectie)
Eilandenboog
hot spot
Vorming van lichter graniet
Veel mid-oceanische rug zones en subductie zones
compressie: licht materiaal stijgt = protocontinent
Wednesday 27 April 2011
Hot spot vulkanisme en mantel pluim
In Archeaan en later dragen hot spots bij aan de groei van continenten door de vorming van grote vulkanische
structuren
Vandaag veroorzaakt een “hot spot” vulkanisme in het midden van een plaat (bv. Hawaii). Dat is basaltisch vulkanisme, van
materiaal uit de diepe mantel, aangevoerd door een hete mantelpluim, waarschijnlijk van de mantel-kern grens afkomstig.
Een hot spot moet zijn
weg door de korst
boren, en een enorm
volume lava wordt
afgezet.
Model van de IJsland pluim, hier komt
de hot spot bovenop de rug-zone
Als de pluim door de oppervlakte breekt, is de
uitbarsting zeer heftig. Pluim is ± 200ºC warmer dan
rest van mantel en is normaal 300 km in doorsnede,
materiaal stijgt met een snelheid van ± 2 m / jaar
Wednesday 27 April 2011
Hawaii vandaag: de
oceanische plaat verplaatst
zich over de vaste pluim
Hawaii: actieve hot spot : vulkanische eilanden liggen in een
reeks (hoe verder van Hawaii, hoe ouder) en tonen dat de
Pacifische plaat langzaam over de onbeweeglijke hot spot
heen beweegt. Deze hot spot is nu al gedurende meer dan 65
miljoen jaar actief op dezelfde plaats.
Traject van Pacifische plaat kan gevolgd worden voor > 60 miljoen jaar
40 Ma
geleden
verandering
in richting
van de
Pacifische
plaat
Oudere eilanden verder van de pluim
Wanneer het vulkanische eiland te ver ligt van de pluim, ontstaat
subsidentie van het eiland maar het koraalrif blijft bestaan.
Vorming van vulkanische eilanden en atollen. In Stille Oceaan worden “vakantie paradijzen” zo gevormd.
Wednesday 27 April 2011
Hot spots vandaag
Als de pluim aan de oppervlakte komt gebeurt er een massale uitvloeiïng van basaltische lava : ~ >> 106 km3 basalt
Ex. Deccan trap in India = oppervlake vergelijkbaar met Frankrijk bedekt door 2.5 km basalt
In Archeaan met een warmere mantel, waren er waarschijnlijk meer hot spots dan
vandaag. Deze basaltische oppervlakken droegen bij aan de vorming van continenten
Wednesday 27 April 2011
Archeaan nog altijd te vinden in centra van de continenten = oude “kratons”
Wednesday 27 April 2011
Hoe ontstaan continentale en oceanische korsten
Korst = 0.2 tot 0.6% van de aarde,
maar zeer belangrijk !
Oceanische korst = gesteenten:
basalt + gabbro, FeO+MgO, 5 km
dikte, hogere
voortplantingssnelheid van
seismische golven P= 7km/s.
Continentale korst = gesteenten:
graniet, heterogener, minder
mafische, meer SiO2, Al2O3, K2O,
Na2O: graniet, tot 60 km dik
onder de grote gebergeketens, Pgolven = 6 km/s.
Graniet
Wednesday 27 April 2011
Gabbro
Hoe ontstaan continentale en oceanische korsten
Korst = 0.2 tot 0.6% van de aarde,
maar zeer belangrijk !
Oceanische korst = gesteenten:
basalt + gabbro, FeO+MgO, 5 km
dikte, hogere
voortplantingssnelheid van
seismische golven P= 7km/s.
Continentale korst = gesteenten:
graniet, heterogener, minder
mafische, meer SiO2, Al2O3, K2O,
Na2O: graniet, tot 60 km dik
onder de grote gebergeketens, Pgolven = 6 km/s.
Mineralogie:
Olivijn
Pyroxeen
Anorthiet
Spinel
Graniet
Wednesday 27 April 2011
Gabbro
Hoe ontstaan continentale en oceanische korsten
Korst = 0.2 tot 0.6% van de aarde,
maar zeer belangrijk !
Oceanische korst = gesteenten:
basalt + gabbro, FeO+MgO, 5 km
dikte, hogere
voortplantingssnelheid van
seismische golven P= 7km/s.
Continentale korst = gesteenten:
graniet, heterogener, minder
mafische, meer SiO2, Al2O3, K2O,
Na2O: graniet, tot 60 km dik
onder de grote gebergeketens, Pgolven = 6 km/s.
Mineralogie:
Kwarts
Albiet
Orthoklaas
Mica’s
Mineralogie:
Olivijn
Pyroxeen
Anorthiet
Spinel
Graniet
Wednesday 27 April 2011
Gabbro
Hoe ontstaan continentale en oceanische korsten
Korst = 0.2 tot 0.6% van de aarde,
maar zeer belangrijk !
Oceanische korst = gesteenten:
basalt + gabbro, FeO+MgO, 5 km
dikte, hogere
voortplantingssnelheid van
seismische golven P= 7km/s.
Mineralogie:
Kwarts
Albiet
Orthoklaas
Mica’s
Continentale korst = gesteenten:
graniet, heterogener, minder
mafische, meer SiO2, Al2O3, K2O,
Na2O: graniet, tot 60 km dik
onder de grote gebergeketens, Pgolven = 6 km/s.
Peridotiet = ultramafische
gesteenten
Graniet
Wednesday 27 April 2011
Mineralogie:
Olivijn
Pyroxeen
Anorthiet
Spinel
Gabbro
1ste sporen van leven
• Fossiel: 1ste levensvormen (bacterie of archeae) moeilijk te herkennen in sedimenten, geen echte
fossielen. Zelfde morfologie kan ook puur anorganisch zijn
• Chemical fossiel / biomarkers: moleculen die enkel door het metabolisme van organismen kan
worden geproduceerd (bv. sterol)
• Isotopische signaturen: organismen kiezen liever voor 12C in plaats van 13C: dus analyse van C
isotopen verhouding in koolstof-rijk sedimenten wijst naar aanwezigheid van biologische
activiteit (13C/12C is laag). Controversiële aanwijzingen voor 1ste leven in Isua Groenland 3.8 Ga.
Biologische activiteit, 1st prokaryoten, zeker rond 3.5 Ga, vroeger ??
bacteria groeien aan top
Lagen van gestorven bacteria en sediment
Sferische bacteria rond 3.2 Ga
Wednesday 27 April 2011
Stromatoliet gemaakt door cyanobacteria die
sedimentdeeltje vangen: bio-constructie, vanaf ~3.5 Ga
Evolutie van atmosfeer
Oorspronkelijk ontgassing + komeet en meteoriet input: H2O, CH4, NH3, H2, N2, CO2, SO2
PCO2 = > 103 - 104 x PCO2 vandaag (380 ppm v)
N2 + CO2, CH4
(greenhouse gases)
+ O2
ATM: Anoxic en
greenhouse
+ O2
+ O2
+ O2
ATM: O2
fotosynthese start
Als O2 concentratie stijgt vanaf ~ 2.5 Ga: CO2 en CH4 concentratie dalen
Archeaan - Proterozoicum transitie = groot oxidatie event
Wednesday 27 April 2011
Lectuur: O2.pdf
Groot oxidatie event: 2.5 - 2.2 Ga
• Aanwezigheid van pyriet in sediment ouder dan 2.5 - 2.2 Ga wijst naar anoxische condities
• 1st “red beds” = geoxideerde zandsteen starten rond 2.2 Ga
• BIF “Banded Iron Formaties” = vorming van enorme Fe-oxides afzettingen als Fe-ionen zijn
opgelost in de oceaan, kunnen ze reageren met O2 en precipiteren als Fe3O4 en Fe2O3,
zeldzaam voor 2.5 Ga, en verdwijnen na 1.9 Ga.
BIF in Australia
Fe-Ox en chert
Wednesday 27 April 2011
Proterozoicum 2.5 Ga - 0.54 Ga
Continenten migreren en komen samen: 1st paleogeografische reconstructie van continenten
migratie en duidelijke bewijzen van zeebodemspreiding (sea-floor spreading)
De fragmenten van continenten bewegen
tussen twee extremen: (1) max. spreiding
en (2) alle continentale massa samen:
laatste ‘supercontinent’-event was de
vorming van Pangea 250 Ma geleden
Lectuur: paleogeografische kaarten en platen-toekomst
Wednesday 27 April 2011
~ 400 Ma Wilson cyclus opening en sluiting van oceaan
Wednesday 27 April 2011
Van continentendrift tot zeebodemspreiding
Alfred Wegener, (1915) een Duitse meteoroloog, stelde voor dat miljoenen jaren geleden alle continenten samen een
groot supercontinent vormden dat hij Pangea noemde. Een zeer goede theorie die voor de tijd absoluut
onaanvaardbaar was ! Wegener had geen motor om de platen te bewegen
Zijn bewijzen:
• Bijna perfecte “fit” van de kustlijnen aan beide kanten van de Atlantische oceaan
• Zelfde fossielen worden gevonden op verschillende continenten
• Verlenging van gebergeketen en geologische structuren tussen Europa, Afrika en Amerika.
Toch was Wegener correct !
Wednesday 27 April 2011
Magnetisme van de zeebodem
Na 1945 is de oceaanbodem beter gekend dankzij veel mariene kartering. Oceanische bergen
(rugzone) en kloven wijzen op een complexe topografie
Aan beide kanten van de centrale rugzone: identieke veranderingen van de magnetische
intensiteit. Alternerende zones met sterke en zwakke intensiteit van het magneetveld
Waarom ?.
Verandering van oriëntatie van het magneetveld van de aarde tijdens de vorming van
nieuwe basaltische oceanisch korst in de rug zone
Wednesday 27 April 2011
Aardmagnetisme
De planeet heeft een magneetveld met een + en - pool die vandaag bijna
samenvallen met de geografische polen (11º van rotatie as van de aarde).
Oorsprong van dit magneetveld ligt
in de fysische eigenschappen van de
buitenkern: Dynamo theorie:
convectie in de buitenkern
veroorzaakt het magneetveld.
De beweging van dit vloeibare
materiaal induceert elektrische
stromen net als een onophoudelijke
elektromagnetische dynamo.
Lectuur: Generating field
Wednesday 27 April 2011
Computer modelering van omkering
Magnetisme van mineralen en gesteenten
• Ijzermineralen oriënteren zichzelf volgens het magneetveld van de aarde, b.v. als een lava afkoelt
(beneden de Curie-punt temperatuur ± 550º C), oriënteren de Fe-rijke mineralen hun
magnetische polen volgens het magneetveld. In een sediment gebeurt hetzelfde met de zeer
fijne korrels (klei) gedurende afzetting.
• Veel gesteenten registreren dus de conditie van het magnetisch veld. Ze “fossiliseren” het
magneetveld van wanneer ze gevormd worden. In sommige gesteenten is de oriëntatie van het
opgemeten magneetveld tegengesteld aan het huidige veld !
• In de loop van de geologische tijd, keren de magnetische polen af en toe om (zie stratigrafie).
• Normaal veld: magnetische en geografische noord en zuid polen liggen bij elkaar (normaal) vandaag
tot 0,7 miljoen jaar geleden de “Brunhes normal epoch”
• Omgekeerd veld: magnetische noordpool ligt in de zuidelijke hemisfeer (reverse) b.v. de “Matuyama
reverse epoch” tussen 0,7 en 2,5 miljoen jaar geleden
Wednesday 27 April 2011
• De zebrapad-intensiteit van het magneetveld, opgemeten in de zeebodem, kan uitgelegd worden
door de vorming van een ononderbroken basaltische lava stroom gedurende perioden van
verschillende magnetische oriëntatie.
• De nieuwe lava registreerde de oriëntatie van het magnetisch veld wanneer ze gevormd werden.
Vandaag tonen lava met normaal veld dus een hogere intensiteit. De lava met omgekeerd
veld tonen een lagere intensiteit vergeleken met het huidig veld.
• Zeebodem moet spreiden aan beide kanten van de rugzone, dus de platen bewegen
Normale periode
= theorie van de
platentektoniek
Omgekeerd
Normale periode
Zeebodemspreiding : oceaan groeit
weg van de rug zone
Subductie zone compenseren anders wordt
de aarde groter en groter....
+
Wednesday 27 April 2011
-
+
-
+
Veld intensiteit in vergelijking met het veld van vandaag
Inclinatie van het magnetisch veld
De helling van een magnetisch mineraal volgt de helling van de krachtlijnen van het
magneetveld van de aarde: 0º op de magnetische evenaar en 90º op de polen.
De hoek van de helling geeft de afstand tussen de pool en het mineraal op het ogenblik van vorming.
Dit is de paleo-latitude.
Wednesday 27 April 2011
De identificatie van de verschillende posities (latitude) van een continent ten opzicht van de polen
(die vast blijven) doorheen de geologische tijd maakt het mogelijk om het traject van de continenten
te reconstrueren van het Proterozoicum tot vandaag.
Europa en Noord America kwamen samen rond 280 Ma (Pangea) en scheidden opnieuw
rond 180 Ma met de opening van Atlantische oceaan...
Wednesday 27 April 2011
Paleogeografische kaarten worden
geproduceerd doorheen de
geologische tijd (zie ook http://
www.scotese.com/)
Pangea van Wegener
Wednesday 27 April 2011
Met isotopen datering wordt ook de ouderdom van de oceaan bepaald
180-200 MA
Oudste oceanische korst is maar ~ 200 Ma, dus juist na scheiding van Pangea
Wednesday 27 April 2011
Proterozoisch klimaat
1ste bewijzen van koud klimaat en sterke glaciaties: waarschijnlijk minder greenhouse gassen
door daling concentratie van CO2 en CH4 en meer en meer O2
CH4
Wednesday 27 April 2011
CO2
Snowball Earth events
Bewijzen van glaciale condities tot aan de evenaar. Hypothese: de hele planeet werd door ijs bedekt
Misschien oorzaak in brutale CH4 en CO2 dalingen, gekoppeld aan onder andere het ijs-albedo
terugkoppelingseffect (feedback mechanisme)
Glaciaal afzetting diamictiet in Namibia ~ 700 Ma
Gevolgen voor het leven ?
Moeilijk te modelleren
hypothese is
controversieel en
misschien blijft de
oceaan ijs-vrij ?
Een Snowball Earth event duurt tussen de 10 en 60 Myr
Wednesday 27 April 2011
Naar het einde van Proterozoicum werd het leven meer en meer complex
• Zonder O2 (of met lage O2) concentraties enkel maar eencellige organismen mogelijk ?
• Waarschijnlijk biedt een op O2 gebaseerd metabolisme nieuwe mogelijkheden: “aerobic
respiration” is efficiënter en meercellige eukarioten komen voor het eerst voor rond ~ 1 Ga,
• Ozonlaag absorbeert dodelijke UV-straling van de zon, kolonisatie van het continent is mogelijk
• Meercellige organismen, 1ste eukarioten, en soft body fauna starten, veel grotere organismen
ook
• Red algae eukarioten rond 800 Ma
• Veel “sporen” fossiel
• Verschillende embryo’s en organische fossielen (acritarchs etc.): Doushanto fossiel in China
• Is er een link met de verschillende Snowball events in zelfde periode ?
Bangiomorpha
pubescens,
Spitsbergen,
red alge
Ediacara soft body fauna
Wednesday 27 April 2011
Ediacara soft body fauna
• 600 Ma Ediacara fauna: soft body organismen zonder echt skelet. De vele fossielen wijzen
op een zeer hoge biodiversiteit van deze soft body organismen !
• Geen (weinig) bewijzen van beweging, vast op zeebodem
• 1ste gevonden in Flinders Range, Australia maar nu gevonden overal ter wereld
• Verdwijnen ~ 540 Ma : overgang naar Cambrium fauna is echt onduidelijk
• Twee visie 1) apart uitgestorven fylum , 2) Cnidarians maar blijft veel onzekerheid over
fylogenese, misschien vinden we hier alle voorouders van Cambrium fyla?
(A) reconstructie of Ediacaran
environment;
(B) Chania (Cnidaria?);
(C) Dickensonia (worm? cnidaria?);
(D) Mawsonites (medusa).
Wednesday 27 April 2011
Dickensonia geen harde delen = fossiel afdrukken
Phanerozoïcum Eon
“zichtbaar leven”
• In 3 era te verdelen:
• Paleozoïcum: oude leven (540 tot 250 Ma, Primair)
• Mesozoicum: middelste leven (250 tot 65 Ma, Secundair)
• Cenozoicum: recent leven (65 Ma tot vandaag, Tertiair) met verder indeling in Quartair tussen
1.8 Ma tot vandaag
• Elk era is gekarakteriseerd door veranderingen in de biota van de aarde
Paleozoïcum
Trilobiet
Wednesday 27 April 2011
Mesozoicum
Cenozoicum
Paleozoïcum : 540 Ma
• Cambrische explosie van het leven
• Organismen met hard skelet = veel betere bewaring in de geologische record, dus meer te
leren over paleobiologie van deze organismen
• Fossielen van alle moderne fyla aanwezig
• Veel complexer ecosysteem met plankton, filter feeders, rooforganismen zoals Anomalocaris
rif gemaakt door algae en sponzen
Trilobiet (Arthropoda) en nautiloids (Cephalopoda =
nautilus van vandaag )
Walking cactus: Diania cactiformis: voorouder van Arthropoda
Wednesday 27 April 2011
Vroeg Paleozoïcum: Ordovicum tot Devoon
• Meer biodiversiteit, nieuwe “ecologische niche” en complexiteit
•1ste vertebraten: agnathans vissen en haai, crinoïdes, brachiopoden, bivalven, eurypterids etc.
•1ste Planten op het continent: Eerst korstmossen (lichenen) en mossen, dan vaatplanten, dan
Archaeopteris de 1ste boom in de Devoon jungles
vaatplanten
eurypterids (=mega
schorpioen)
Wednesday 27 April 2011
Brachiopode
Archaeopteris
tot 10 m
Crinoïden
Devoon: vertebraten op het land
Tiktaalik : zowel kieuwen als longen : 375 Ma
overgang van vissen naar amfibieën en tetrapoda
Warm klimaat en extreem rif-bouwen periode
Stromatoporoïds (Porifera)
Beauchateau groeve
(excursie hard)
Wednesday 27 April 2011
Eind Paleozoïcum
• Meer en meer biodiversiteit op het land tot aan grootste massa extinctie aan de Perm-Trias
grens, rond 250 Ma
• Mega-jungle op alle continenten, vandaag kolen afzettingen
• Giga-insecten en 1ste reptielen
• Amniota ei maakt voortplanting mogelijk op het continent
• Eind Perm: 90% van de organismen verdwijnen:
einde van de Paleozoïcum fauna/flora
• Klaar voor de “moderne” fauna volgens sommige
paleobiologen
• Continent komen terug samen en vormen Pangea
Trilobiet
uitgestorven
Wednesday 27 April 2011
Paleozoïcum tektoniek
• Platentektoniek van megacontinent Rodinia (mensen spreken ook van Pannotia) naar
megacontinent Pangea, tot verspreide continenten van vandaag: verschillende Wilson cycli
Vorming van gebergeketen in Paleozoïcum: bv. Caledonische en Hercynische fasen in Belgie
•
• Zeeniveau stijging en dalingen
• Greenhouse versus icehouse condities, geen snowball aarde maar duidelijke glaciale perioden,
zoals bv. eind Ordovicium... alterneren met veel warmer klimaat zoals Devoon en vroeg
Carboon
Micro-continent “avalonia” zal botsen tegen Baltica (Noord Europa)
VUB
Cambrium
Wednesday 27 April 2011
Micro-continent Avalonia geperst tussen 3 grotere blokken in mid-Paleozoïcum: Laurentia
(N. America); Baltica (N. Europa) en Gondwana (Afrika-Zuid Amerika)
Caledoniaan
Hercyniaan
In de loop van het Siluur botsten Baltica en Laurentia tegen mekaar aan, met Avalonia daar tussen:
Massief van Brabant ontstaat als grote en vrij hoge bergen.
Eind Paleozoïcum: Opeenstapeling van twee plooiingsfasen: Caledonische orogenese (OnderSiluur) Massief van Brabant en Hercynische orogenese (Devoon-Carboon) ook in de Ardennen.
Terug naar 1 mega continent Pangea
Wednesday 27 April 2011
Structurele geologie
De studie van de secundaire vervormingen onder spanning: van
mineraal- (mm) tot korst- schaal (> 100 km). Vervormingen
hebben gevolgen voor de topografie! Vormverandering is
afhankelijk van de fysische eigenschappen van het gesteente en
van temperatuur, druk en tijd. Gesteenten worden vervormd
wanneer nieuwe spanning > interne kracht.
Everest
Begrijpen van tektonische beweging en vorming van gebergeketen
Geen vervorming, de lagen blijven horizontaal
Helling van de lagen als resultaat van vervorming
Plooiing = intenser vervorming
Satelliet beeld van groot schaal
plooien in Zuid Iran
Wednesday 27 April 2011
Spanning = stress; het resultaat vervorming = strain, de spanning word gemeten in: N/m2=Pascal (Pa)
• Elastische vervorming: Als de kracht verdwijnt, nemen de gesteenten hun oorspronkelijke vorm
terug aan.
• Plastische vervorming: Als de kracht verdwijnt, behoudt het gesteente zijn nieuwe vorm
• Breukvervorming: de kracht > breekpunt, als de twee gesteentemassa’s ten opzichte van elkaar
verplaatst worden, wordt een breuk gevormd (als er geen verplaatsing gebeurt spreken we van
een diaklaas)
Brosse (stijf) vervorming tegenover plastische of buigzame vervorming: resultaat een breuk
tegenover plooi
Factoren: Bij hogere temperatuur en druk: materiaal is meer plastisch.
Snellere spanning veroorzaakt breuk. Fysische eigenschappen van de gesteenten: graniet zal
breken terwijl schalie eerder zal plooien
Vaak worden oppervlakte-gesteenten bros vervormd en diepte-gesteenten plastisch vervormd.
Wednesday 27 April 2011
Soort stress
Compressie
Compressie, plooien en breuk: Synclinorium van Dinant & Namen, of Hymalia
Rek
Instorting en normaalbreuken: Oost Afrika rift zone; Rijn grabben
Laterale stress
Schuiven en horizontale verplaatsing
Wednesday 27 April 2011
Het resultaat is in rode
Plooien
Hinge line=scharnierlijn
Axial plan =scharniervlak
Anticlinaal: oudere lagen in het midden
ook plooi met
een helling
Synclinaal: jongere lagen in het midden
Vaak zijn er
samengestelde
plooien
Monoclinaal
Wednesday 27 April 2011
Vaak een reeks van anticlinale en syclinalen (excursie hard)
Wednesday 27 April 2011
3 soorten breuken: Afschuiving, opschuiving en horizontaal
bepaald door de richting van de schuiving
Bovenliggende breukwand naar
beneden = Afschuiving (normal fault)
Bovenliggende breukwand naar
boven = opschuiving (reverse
fault)
Horizontale verplaatsing (strike-slip fault)
Combinatie: (af-) opschuiving + een horizontale
verplaatsing = schuin (af-)opschuiving (obliqueslip fault)
Wednesday 27 April 2011
Oriëntatie van een breuk
binnen een tunnel in de breuk:
- hoofd : naast bovenliggende wand
- voeten: op onderliggende wand
Afschuiving of opschuiving ?
Wednesday 27 April 2011
Overschuiving (Thrust fault)
Opschuiving met hoek < 35º
Massa van oudere
gesteenten ligt bovenop
jongere lagen
= opschuivingsplooi met een
breuk, het bovenliggende deel
is het dekblad
Vaak komen breuken samen voor:
breuk systeem
Wednesday 27 April 2011
Uplift en Gebergtevorming (orogenese)
Bv. Caledonische, Hercynische en Alpiene orogneses.
Bergen zijn samengesteld door menging van
magmatische gesteenten, metamorfe gesteenten en
sedimenten, vaak afgezet in mariene omgeving die
door tektonische proces kilometers boven het
zeeniveau worden gebracht.
Alpen
Hoge bergen hebben ook dikkere onderliggende
continentale korst (isostasie, zie les inleiding). Korst onder
Brussel = 35 km, onder Alpen 60 km !
Gebergtevorming is het resultaat van tektonische beweging. Een orogenese fase duurt
tussen 10 en > 100 miljoen jaren, oude bergen werden sterk geërodeerd... skiën niet meer mogelijk op
Massief van Brabant of in de Ardennen... had veel vroeger moeten komen...
Wednesday 27 April 2011
Himalaya = resultaat botsing van India tegen Azië
continent-continent botsing
uplift
Einde van subductie
Zonder magmabron
stopt het
vulkanisme, maar
metamorfisme
wordt belangrijk
door de druk van
compressie
Geen subductie mogelijk
Er gebeurt geen subductie binnenin de mantel want de 2 platen zijn te licht en hebben te veel
drijfvermogen. De gevolgen zijn: fusie van 2 continenten en vorming van continentale korst (bergen)
door accretie, metamorfose en vorming van granietlichamen.
Wednesday 27 April 2011
Vorming van gebergeketen tot max. hoogte
Normaal niet veel hoger dan de huidige Himalaya (8.85 km) op aarde
Isostasie en “soft cheese principe”: hoog
gebergeketen hebben ook diepe wortels
(Moho = 70 km), daar zijn de gesteenten
relatief warmer en plastischer.
Dus er gebeurt een laterale verplaatsing
van de bergen onder hun eigen gewicht
Ook hoe hoger de bergen hoe sterker de
effect van erosie
Wednesday 27 April 2011
Zeespiegelverschommelingen
• Veel epicontinentale zeeen: grote ondiepe zee op
het continentaal plat tot 500 km breed, zoals
bekken van Dinant en Namen: vaak “Carbonate
factory”
• Zeer gevoelig aan stijging of daling van zeeniveau
• Mechanismen: water ligt opgeslagen in een ijskap, of
zeer actieve rug zones “duwen water naar
boven”, of tektonische activiteit als een meer
“lokale” factor
regressie
Ordovicium
Wednesday 27 April 2011
transgressie
Grote ondiepe platformen hebben vandaag geen
equivalent (kijk op fysische kaart van wereld)
Mesozoïcum
• Moderne fauna: dino’s, zoogdieren, reptielen, CaCO3 plankton etc.
• Studie van zeebodem in mogelijk door “Oceanic Drilling Programs”
Splitsing van Pangea in Trias
Red beds
Mega continentaal klimaat in het centrum van Pangea: woestijn, extreem droog en extreem warm in
zomer en koud in winter
Wednesday 27 April 2011
Trias - Jura - Krijt
• On het continent: In het Trias: Reptielen, zoogdieren en dino’s samen
• In Het Jura: Dino’s zijn de dominante species op het continent en dat doorheen het hele
Mesozoïcum, reptielen in oceaan bv. Plesiosaurus, of vliegende reptielen zoals Pterosaurus;
kleine zoogdieren, en Schildpadden. In het Krijt: 1ste Angiospermen
• Dino’s waarschijnlijk warm bloed, en een betere botstructuur dan reptielen, lopen sneller
• Eind Jura: Enorme Sauropods zijn aanwezig (100 T), samen met vogels (Archaeopteryx)
• De oceaan kent een grotere plankton biodiversiteit (denken we omdat de kennis van Paleozoïsch plankton slecht is !)
• Koraal is het meest actieve rif-bouwend organisme
Kleuren en veren zoals
vogels, en waarschijnlijk
“sociaal” gedrag.
Trias zoogdieren niet veel
veranderd tot op het
einde van het Krijt ?
Wednesday 27 April 2011
Mariene reptielen
• Mesozoïcum klimaat is meestal warm, met hoog zeeniveau (~ 120 m hoger dan vandaag)
• Zeer greenhouse conditie, 8 tot 10 x meer CO2, misschien ook iets meer O2 in de lucht
• Atlantisch oceaan opent zich: eerst in het noorden tussen Amerika en Europa, vervolgen in het zuiden
tussen Zuid Amerika en Afrika (zoals een “ritsopening” van boven naar onder)
• Gondwana splitst zich op in het Krijt
• Grotere rug-zone activiteit dan vandaag, sneller productie van oceanische korst
• Rifting in een rug zone gebeurt eerst op het continent vooraleer een oceaan gevormd wordt
• Van de grote subductie zone ten zuiden van Asia (Thetys oceaan) blijft vandaag enkel iets over in de
Middellandse zee en in Turkey
Wednesday 27 April 2011
Vorming van een nieuwe oceaan
• Wat gebeurt is tussen N. Amerika en Europa in het Jura en tussen Zuid Amerika en Afrika in het
Krijt is nu aan de gang in de Oost Afrikaanse slenk-regio (met zijn vele meren)
• Een divergerende rug-zone begint in het midden van een continent
• Lange topografische laagtes = slenk zone, met vulkanisme, de lithosfeer is hier zeer dun, de
asthenosfeer ligt bijna direct beneden de korst
• Breukzones loodrecht (afschuiving, normaalbreuken) met de spreiding, ondiepe aardbevingen
open: 0.5 cm/j
• Asthenosfeer is hoger, net als in een oceanische rug-zone
Oost-Afrika
Rode Zee
Wednesday 27 April 2011
Vorming van een nieuwe oceaan
• Wat gebeurt is tussen N. Amerika en Europa in het Jura en tussen Zuid Amerika en Afrika in het
Krijt is nu aan de gang in de Oost Afrikaanse slenk-regio (met zijn vele meren)
• Een divergerende rug-zone begint in het midden van een continent
• Lange topografische laagtes = slenk zone, met vulkanisme, de lithosfeer is hier zeer dun, de
asthenosfeer ligt bijna direct beneden de korst
• Breukzones loodrecht (afschuiving, normaalbreuken) met de spreiding, ondiepe aardbevingen
open: 0.5 cm/j
• Asthenosfeer is hoger, net als in een oceanische rug-zone
In de toekomst nieuwe rug
ontmoet oude rug zone ?
Oost-Afrika
Rode Zee
Wednesday 27 April 2011
Een transform breuk
vormt samen met rug
zone, en is actief
tussen de 2 ruggen
Contacten: tussen platen-grenzen
Transform breuk en driesprong contact
ief
f
ief
act
t
e
i
N
Actie
act
t
e
i
N
Meestal verbinden ze 2 segmenten van een rug
zone (ook subductie zones). Ze kunnen ook
rug en subductie zones verbinden. Soms lopen
ze door het continent : bv. San Andreas, of de
Dode Zee transform die de spreiding Rode
Zee convergerende Alpijnse zone verbindt
Triple junction: 3 platen-grenzen komen samen
3 rug zones
ontmoeten
elkaar: Afrika,
India-Australia
en Antarctica
platen)
Zie Platetec the
movie
Wednesday 27 April 2011
Juan de Fuca ridge
brengt de
subductie zone in
contact met 2
transform
breuken (San
Andreas)
Eind van Mesozoïcum: Krijt-Tertiair grens Massa Extinctie
• Extinctie gebeurt op korte termijn, geen gradueel proces; er is geen bewijs van extinctie voor of
na de “KT grens”
• Ongeveer tussen 50 en 60 % fauna & flora species op aarde sterven uit, zowel mariene als
continentale, in alle klimaat zones.
• Op het land verdzijnen alle dieren > 25 kg, dino’s waren de dominante species voor meer dan
125 Myr! (Australopithecus Afarensis - Lucy - is maar 3.2 Myr oud)
• De Dino’s waren niet aan te verdwijnen, integendeel grootste biodiversiteit einde Krijt
• Mariene en vliegende reptielen 100% uitgestorven
• Ammoniet en Belemnieten, grote (>m) “inktvissen” verdwijnen ook
• 90% mariene CaCO3 plankton uitgestorven; benthos overleeft beter samen met SiO2 plankton
• Lage fossiel inhoud van zoogdieren en vogels geeft een onduidelijke beeld van extinctie
Food chain before
Food chain during
No food
No food
No sunlight
Wednesday 27 April 2011
Food chain after impact
Food
Food
Detritus
Meteoriet inslag 65 Ma geleden
• Vorming van Chicxulub 200 km kater onder Yucatan,
• Tsunami’s en grote aardbevingen worden veroorzaakt
• In atmosfeer : SO2 (560 Gt) + CO2 (3500 Gt)+ fijn puin & stof
• Aerosolen + puin blokkeren het licht en warmte van de zon
• Het wordt donker en kouder, met belangrijke gevolgen voor klimaat en fotosynthese
• Zwavel component in de atmosfeer gecombineerd met water: zure regen
• Bossen en vegetatie vatten vuur: fijne C deeltjes in atmosfeer, meer blokkage van licht
• Gevolgen jaren later door CO2 greenhouse effect : grote opwarming
Environmental consequences of the
dichte atmosfeer
Stress
Inslag
Resultaat
Krater
Time scale
Air blast near impact site
hours
Heat from re-entering ejecta
hours
Tsunamis near impact site
hours to weeks
Large earthquakes (> 10 R)
days to years
Soot from continent-scale wildfires
months
Nitric + H2SO4 acid rain (pH ocean ?)
months
Darkness from dust, no photosynthesis
> 6 months
Heavy metal poisoning ?
years
Cold from dust
years
Sulfur aerosol cooling (40 - 560 Gt)
years to decades
Destruction Ozone layer (NOx, Cl, Br)
decades ?
H2O greenhouse (200 - 1400 Gt)
> years
CO2 greenhouse (350- 3500 Gt)
> 10 - 103 years
Perturbated oceanic cycles
105 - 106 years
Lectuur : KT story. pdf; boek: T-rex and crater of Doom, Walter Alvarez; Schulte-2010.pdf
Wednesday 27 April 2011
KT impact
Cenozoïcum
• 65 Ma tot 35 Ma niet veel verschillen met Krijt, klimaat blijft warm en greenhouse, geen bewijs
van ijskap, zeeniveau blijft hoog
• Zoogdieren, vogels, en angiospermen domineren de continenten, en Teleostei vissen domineren
de oceaan (beenvissen), vogels en zoogdieren worden groter en groter (ex. gastornis;
• Verdere evolutie van platentektoniek, grotere Atlantisch oceaan, sluiting van Thetys oceaan
• Uplift van Alpen-Himalaya start, Pangea breekt op in stukken, Australia en Antarctica splitsen,
India botst tegen Asia
Paleoceen Gastornis 2m hoog
gevond in België
Wednesday 27 April 2011
Twee meeste recent orogenese fasen: Alpen-Himalaya en Cordillera-Andes
Zien: tektoniek
movies
Wednesday 27 April 2011
Rocky Mountain
gezien uit Denver
Rond 33 Ma afkoeling : Eoceen-Oligoceen
10 Ma ijs groei op Antarctica
zuurstof isotopen
gelinkt aan Tº van
oceaan
Kouder
oceaan
hoge latitude “rain forest”
~45 Ma
g
n
i
l
o
Co
Ijskap aanwezig
“Ice house” conditie
5
2
Warm klimaat, warme oceaan
“greenhouse” condities
56
33
23
65
en
e
Pl
io
c
st
o
Pl
ei
Lucy
ce
n
e
0
Dramatisch
afkoeling
Miocene
Oligocene
Neogene
Paleogene
Cenozoic
Wednesday 27 April 2011
Eocene
Paleoceen
Ma
ΔTº
Mid Cenozoïcum Eoceen afkoeling gebaseerd op 18O/16O signaal van
fossiel CaCO3 micro-organismen: 2 stappen 33 Ma en ~ 2-3 Ma
Wednesday 27 April 2011
ΔTº
Afkoeling gelinkt met Drake passage
opening tussen Argentina en Antarctica
Wednesday 27 April 2011
ΔTº
Circumpolair stroming: nieuwe klimaat
parameter: geïsoleerd Antarctica
wordt kouder en kouder
Wednesday 27 April 2011
ΔTº
NH Ijs
Circumpolair stroming: nieuwe klimaat
parameter: geïsoleerd Antarctica
wordt kouder en kouder
Ijs in Noord hemisfeer start
veel later (2.5 Ma) ?
Wednesday 27 April 2011
Mid-Cenozoïcum: de grote “afkoeling”
Duidelijke en sterke PCO2 daling in Cenozoïcum
maar ijskap start op Antarctica met > 3x meer
CO2 in atmosfeer dan vandaag ?
Drake passage en nieuwe oceanische
stroming is misschien niet genoeg om
afkoeling te verklaren. Waarschijnlijk ook
sterke verwering en erosie van de hoge
Himalaya bergen waardoor een CO2 daling
plaatsgrijpt op hetzelfde moment ? (verwering van
PCO2
Afkoeling
Vandaag
silicaten door actie van H2O + CO2 zuur, zie les stratigrafie)
Klimaat is complexer dan wij
denken, bv. 10 Ma (Plioceen) geleden
Tº stijgen terug maar zonder veel
meer CO2 ?
Er is nog veel onderzoek nodig in
paleoklimatologie om de huidige
“global change” te begrijpen
Wednesday 27 April 2011
Ijs in de Noordelijke Hemisfeer ~ 2.5 Ma
Istmus van Panama rond 2.5 Ma resulteert in verandering van oceanische stromingen en isolatie van
warme Atlantische en Stille Oceaan waters. Koudere waters maken glaciaties mogelijk in de Arctische
gebieden
30 Ma
vandaag
Golfstroom brengt
warm water in de Noord
Atlantische Oceaan in contact met
koud water van de pool.Verschillen in
temperatuur en dichtheid veroorzaken
de beweging van watermassa’s in de
diepe oceaan
Bezinking van water in Noord Atlantische Oceaan: warmte komt vrij in N. Europa
Wednesday 27 April 2011
Oceanische stroming als klimaatsparameter vandaag
North Atlantic conveyor belt In de Noord Atlantische Oceaan veroorzaakt de overdracht van
warmte tussen het oppervlaktewater en de lucht. Hierdoor is het warmer in Noord Europa, in
vergelijking met de dezelfde latitude in Noord Amerika. Het koude water bezinkt en begint zijn reis
als Atlantisch diep-water. Oceaan en atmosfeer zijn gekoppelde systemen: veel uitwisseling van
energie, chemische elementen etc.: Complexiteit van het klimaat,
Wednesday 27 April 2011
Evolutie van de mensen
Hoe ontstond de evolutie van genus Homo ?
• Minder jungle en meer savanne in Oost Afrika door klimaat
en neerslag veranderingen ?
• Australopithecus afarensis rond 3.2 Ma (Lucy)
• Homo erectus ~ 1.6 Ma
• Homo sapiens ~ 500 ka
• Homo sapiens “modern” 150 ka
• Massa extinctie van grote zoogdieren: bv. mammoeten rond
11 ka : klimaat verandering of gevolgen van jacht door
mensen?
Wednesday 27 April 2011
Lucy
Het Quartair 1.8 Ma
Pleistoceen glaciaties en ijstijden: afwisseling tussen glaciale en interglaciale perioden
Toendra en
katabatische wind in
België
Wednesday 27 April 2011
Lager zee niveaus zorgt
voor “land bridge” tussen
Asia en N. America
~ 100 ka
periodiciteit
Astronomische parameters :
Milankovitch cycli Excentriciteit
Years before present
Oliquiteit
based on ice cores
Precessie
19 - 23 ky
100 ky
Wednesday 27 April 2011
40 ky
De laatste ~ 150 jaren
Obvious rise in CO2 and Tº
14
Global average temperature (ºC)
14.6
13.6
Beroemde “Hockey stick curve” door verbranden van fossiele brandstoffen: stijging van CO2
Wednesday 27 April 2011
De laatste ~ 150 jaren
Obvious rise in CO2 and Tº
14
Antropogenic effects
Wednesday 27 April 2011
last 100 y
Global average temperature (ºC)
14.6
13.6
Planet Earth is in our hands
and we only have one
...but need to understand how it works
Wednesday 27 April 2011