Boren in ‘het achterwerk van de duivel’

Vijfenzestig miljoen jaar geleden plofte een ongeveer tien kilometer grote planetoïde neer voor de kust van het huidige Mexico. Daar zijn wetenschappers het wel over eens. Maar wat waren de gevolgen van deze inslag? Om daar achter te komen, is de afgelopen maanden een klein, maar diep gat geboord op 66 kilometer van het centrum van de inslagkrater. De onderzoekers, onder wie geoloog Jan Smit van de Vrije Universiteit (hiernaast), proberen in de gesteentelagen onder de krater meer bewijzen te vinden voor de theorie dat de inslag wel degelijk desastreuze gevolgen had voor het toenmalige leven op aarde. Niet al zijn collega’s zijn het met hem eens: met name in kringen van vulkanologen wordt stellig beweerd dat het massale uitsterven een gevolg was van hevige vulkaanuitbarstingen.

Wat vooraf ging...

Eind jaren zeventig ontdekten wetenschappers van de universiteit van Californië te Berkeley, onder wie de Amerikaanse fysicus Luis Alvarez, dat een 65 miljoen jaar oude kleilaag in Italië rijk is aan het metaal iridium. In de aardkorst komt iridium weinig voor, in meteorieten veel meer. Alvarez verklaarde de hoge iridiumconcentratie dan ook door te stellen dat er 65 miljoen jaar geleden een grote meteoriet of planetoïde op aarde zou zijn ingeslagen. Omdat rond die tijd ook de grote dinosaurussen van de aardbodem verdwenen, opperden de onderzoekers dat dit wellicht een gevolg was van de inslag.
In de loop van de jaren tachtig werden in de aardbodem meer bewijzen voor de grote inslag gevonden, zoals kwartskristallen die tekenen van ‘schokmetamorfosen’ vertonen en gestolde smeltdruppeltjes. Bovendien bleek de iridiumlaag niet alleen in Italië, maar ook op vele andere plaatsen – boven én onder water – te vinden te zijn. Het enige wat ontbrak was de krater die de meteoriet veroorzaakt zou moeten hebben.

Afbeeldingen (1- en 3-dimensionaal) van de magnetische verstoringen in het gebied van de Chicxulub-krater. Hoewel de krater zelf niet meer zichtbaar is, leveren ‘magnetische kaarten’ als deze wel een kraterachtig beeld op. (Illustratie: U. Meyer, GFZ Potsdam)
Daarin kwam spoedig verandering. Voor de kust van het Mexicaanse schiereiland Yucatan was in de loop van de jaren tachtig naar olie gezocht, en daarbij was vastgesteld dat het gravitatieveld en het magnetische veld van de aarde ter plaatse afwijkingen vertoonde. Zulke afwijkingen zijn kernmerkend voor grote inslagstructuren, maar het duurde nog tot 1991 voordat kon worden vastgesteld dat er onder een dikke laag sediment inderdaad een reusachtige krater schuilgaat. De structuur heeft een middellijn van ruwweg 180 kilometer en ligt half in zee, half op Yucatan.
Het is niet zo vreemd dat de enorme krater, die naar het kustplaatsje Chicxulub is genoemd, miljoenen jaren verborgen heeft kunnen blijven. De nietsvermoedende bezoeker die de noordkust van Yucatan bezoekt, ziet er op het eerste gezicht helemaal niets van. Het is een volstrekt vlak landschap, met hier en daar een breuk die er doorheen loopt. Als je het weet, kun je een ringvormige structuur van natuurlijke zinkputten (‘dolines’) onderscheiden. Maar als je er doorheen rijdt, is het gewoon een pokdalig landschap met kuiltjes en gaten. Deze bovenlaag van poreuze kalksteen is overigens maar tachtig meter diep: het is samengeperst schelpgruis dat de eigenlijke krater opvult. Daaronder ligt een diep open bekken: 20 miljoen jaar geleden was er nog een echte krater te zien.

De ongeveer 180 kilometer grote inslagkrater die 65 miljoen jaar gevormd werd, is genoemd naar het Mexicaanse havenplaatsje Chicxulub, dat letterlijk ‘het achterwerk van de duivel’ betekent. Je zou bijna gaan denken dat de naamgevers weet hadden van de gebeurtenissen die zich lang geleden enkele tientallen kilometers verderop hebben afgespeeld. Maar dat is onmogelijk, want inmiddels lijkt de inslagkrater van de aardbodem te zijn verdwenen.
Dat is natuurlijk maar schijn: de krater is er nog wel, maar is bedolven onder een dikke laag sediment. Het heeft dan ook een hele tijd geduurd voordat men het bestaan ervan heeft weten te achterhalen (zie ‘Wat vooraf ging’). De afgelopen maanden is diep in de krater geboord, waarbij van steeds grotere diepte bodemmonsters naar boven zijn getrokken. Elk van deze monsters – enkele meters lang en enkele centimeters breed – vertelt het geologische verhaal van vele tienduizenden jaren.

Horten en stoten

Het boorproces is niet zonder slag of stoot verlopen. Wie de aanloopproblemen wil nalezen, moet maar eens een kijkje nemen op de website van de VPRO, waarvoor geoloog Jan Smit een dagboek van zijn belevenissen ter plaatse heeft bijgehouden. Ook later ontstonden problemen, bijvoorbeeld op 20 januari, toen de boor muurvast kwam te zitten.
‘Het punt waar de boor vastzit ligt op een diepte van ongeveer 700 meter,’ vertelt Smit enkele dagen later. ‘Het is dus bij het terugtrekken van het boormonster gebeurd, precies op de plek waar ze twee dagen gestopt zijn met boren, omdat ze ruzie kregen over de betaling. Dat zou niet zo erg zijn geweest als ze gewoon, zoals beloofd, zware boorvloeistof in het gat hadden gepompt, waardoor los materiaal blijft zweven en je het later kunt wegpompen. Maar nu is er dus een instorting, waardoor de boor vast is komen te zitten.’

Stukje bij beetje wordt een ongeveer twee kilometer diep gat geboord in de Chicxulub-krater.
Kort na het interview dat ik met Jan Smit had, werd bekend dat het boorproces eind januari met een kleinere boor zou worden voortgezet. Als dat inderdaad is gebeurd, zou rond de tijd dat u dit leest een diepte van ruim anderhalve kilometer moeten zijn bereikt. Maar zelfs het stuk tot 950 meter, zoals dat in januari bekend was, kende al een verrassend resultaat. In het boorprofiel is duidelijk te zien hoe de boor tussen 800 en 900 meter door een laag verpulverd gesteente – breccies geheten – is gegaan. Deze laag, die uit ejecta bestaat die bij de inslag zijn opgeworpen, is met zijn honderd meter veel dunner dan verwacht. ‘We hebben juist een plek aan de rand van de krater gekozen, in de hoop veel breccies tegen te komen,’ aldus Smit. ‘Meer naar het midden loop je de kans om in het smeltbad zelf (gesmolten gesteente dat langzaam naar beneden stroomde en stolde) terecht te komen, en dat zou de boring enorm vertragen. Maar het eigenlijke doel is hoe dan ook om dóór de ejectalaag heen te boren tot in het onderliggende kalksteen.’ (Op het moment van dit interview was nog niet bekend of de boor op grotere diepten op nog meer ejecta is gestuit.)

Badkuip

Over de exacte omvang van de Chicxulub-krater bestond en bestaat veel discussie. ‘Dat is bij zo’n grote, complexe krater altijd moeilijk,’ aldus Smit. ‘Iedereen denkt aan die krater in Arizona: een ‘badkuip’ met een vastomlijnde grootte. Maar bij veel grotere inslagkraters ligt het allemaal wat ingewikkelder. Er ontstaat op de plaats van de explosie eerst een ‘overgangskrater’ waarvan de randen afkalven, terwijl de ondergrond intussen terugveert. Het resultaat is een aantal concentrische ringen, dus het is maar de vraag welke ring je kiest om de grootte van de krater aan te geven. Op grond van de afmetingen kunnen we nu overigens wel een redelijke schatting maken van de totale hoeveelheid energie die bij de explosie is vrijgekomen.’
Bij zo’n grote inslag worden enorme hoeveelheden materiaal opgeworpen. Het stof en de zwavelverbindingen die in grote hoeveelheden in de atmosfeer terechtkwamen, en de zon weken- of maandenlang verduisterden, wordt gezien als de belangrijkste oorzaak van het massale uitsterven dat erop volgde. Maar om hoeveel materiaal het precies gaat, is onduidelijk. ‘Er is ongetwijfeld materiaal verloren gegaan,’ zegt Smit. ‘De snelheden bij dit soort inslagen zijn dermate groot dat veel deeltjes de aarde zullen hebben verlaten. Je vindt dat iridiumhoudende stoflaagje ook niet voor niets overal terug: dat betekent dat deze deeltjes op zijn minst de halve aarde rond zijn geweest. Alle bepalingen van de totale hoeveelheid opgeworpen materie berusten op schattingen. We willen graag weten hoeveel iridium daar nog zit: de eerste bepalingen gaven behoorlijke hoeveelheden aan. Maar hoe je het ook wendt of keert, als je dit soort gegevens in rekenmodellen stopt, kom je steeds op een meteoriet van een kilometer of tien uit, of misschien een kilometer groter.’
De huidige modellen en analyses lijken uit te sluiten dat het inslaande object een komeet is geweest. ‘Het betreft vrijwel zeker een koolstofhoudende chondriet. Dat kunnen we zien aan de verhouding tussen de isotopen chroom-53 en chroom-52,’ aldus Smit. ‘Die is overal op aarde en de maan gelijk, maar afwijkend op Mars en planetoïden, en weer anders in koolstofhoudende chondrieten. De verhouding tussen de beide chroomisotopen in de laag op de Krijt-Tertiairgrens komt overeen met deze laatste.’

Boven: overgang van ejecta met glas (het grijze materiaal) naar achtergrondsediment dat de krater verder opvult. In dat sediment moeten gegevens zitten over het eerste leven dat zich na de inslag heeft ontwikkeld.
Onder: ondergrens van de ejecta met glas (grijs, ‘Sueviet’ geheten) naar kalksteen, dat zwaar gebreccieerd is en mogelijk ook deel van de ejecta is.
Het grote verschil in de populaties oceanische plankton vóór (onder) en ná (boven) de inslag vormt een belangrijke aanwijzing dat de inslag van 65 miljoen jaar geleden van grote invloed was op het leven op aarde.

Inslag of vulkanisme?

Maar is die planetoïde ook werkelijk de oorzaak van het uitsterven van de dinosaurussen geweest? Smit twijfelt er niet aan, maar sommige van zijn collega’s wel. De hevigste oppositie komt uit de hoek van vulkanologen. Volgens hen is het moeilijk voorstelbaar dat deze ene inslag, waarvan er de afgelopen miljarden jaren ongetwijfeld vele zijn geweest, zo’n grote invloed op het leven op aarde heeft gehad. En zij wijzen erop dat er 65 miljoen jaar geleden bij India binnen een half miljoen jaar een kleine twee miljoen kubieke kilometer lava uit de aarde is gestroomd. Ook daarbij is veel gas en stof vrijgekomen dat het klimaat op onze planeet danig kan hebben verstoord.
Jan Smit (‘Ik ben niet onpartijdig’) zoekt de oplossing toch eerder bij de inslag: ‘Je moet niet vergeten dat als het laagje van gemiddeld drie millimeter dat we in de aardbodem vinden, in de vorm van stof zou rondzweven, dat ruim voldoende zou zijn om het zonlicht tegen te houden [hierover is recent een discussie losgebarsten; zie kader ‘Onvoldoende stof?’ – EE]. Dat betekent dat er een paar maanden lang, een heel seizoen dus, geen fotosynthese plaatsvindt. Daar komt nog bij dat de bodem van het gebied waar de inslag plaatsvond waarschijnlijk sterk zwavelhoudend was, en ook zwavel blokkeert het zonlicht goed.’ Daarom willen de onderzoekers ook zo graag weten wat er ónder die breccieslaag zit, en met name de verhouding tussen het aanwezige magnesiumcarbonaat, calciumsulfaat en calciumcarbonaat. Bij de inslag zouden deze kooldioxide en zwaveldioxide hebben afgegeven – gassen die respectievelijk voor opwarming en voor afname van het zonlicht zorgen.

Onvoldoende stof?

Een nieuw onderzoek, door voormalig NASA-wetenschapper Kevin Pope, heeft eind januari een hoop stof doen opwaaien. In het februari-nummer van Geology concludeert Pope dat het bij de Chixculub-inslag opgeworpen stof maar weinig fijne deeltjes zou hebben bevat die lang in de atmosfeer konden blijven rondzweven. Dat werd door sommige onderzoekers opgevat als een aanval op het idee van de ‘nucleaire winter’ die de aarde in een maandenlange duisternis hulde. Dat was echter niet Pope’s bedoeling: hij denkt dat de uitstoot van zwavel en roetdeeltjes de eigenlijke oorzaken van de nucleaire winter waren.
Pope baseert zich op recente onderzoeken naar de samenstelling van het stof in de Krijt-Tertiair-grenslaag. De deeltjes in deze laag zouden te groot zijn om lang in de atmosfeer rond te zweven. Het probleem is echter dat er geen betrouwbare gegevens zijn over hoeveel fijn stof er dan wél in de atmosfeer is uitgestoten. Dat de grenslaag voornamelijk grof stof bevat zegt immers weinig over de hoeveelheden fijne stofdeeltjes die verspreid over een langere periode zouden kunnen zijn neergeregend. Volgens inslagdeskundige Gerrit Verschuur zou het wel eens zo kunnen zijn dat het fijne stof via rivieren naar de oceanen is gespoeld, waardoor je het niet overal terugvindt.
Een nevenconclusie van Pope’s onderzoek is dat de beschikbare gegevens erop duiden dat met name de wat kleinere inslagen – meteorieten van de kilometerklassen – wellicht minder snel mondiale gevolgen hebben dan tot nog toe werd gedacht. Als bij een normale inslag weinig zwavel vrijkomt, en ook nog eens weinig stof, zullen de gevolgen van een inslag alleen lokaal of regionaal merkbaar zijn. Die mening is met name in kringen van aardscheerderspeurders met verontwaardiging ontvangen. Zij beweren al jaren dat de inslag van zelfs een kleine planetoïde desastreuze gevolgen voor de mensheid zal hebben. Ter geruststelling heeft Pope al beaamd dat niet alleen stofproductie en andere natuurlijke verschijnselen een rol spelen bij de inventarisatie van de gevolgen van een grote inslag. Zelfs een inslag die ‘slechts’ regionale impact heeft, zou voor dermate grote maatschappelijke en economische problemen kunnen leiden dat je gerust van een ramp op wereldschaal kunt spreken.

Smit: ‘Het probleem met die alternatieve theorieën is dat ze vaak berusten op de zeer schaarse gegevens die we over dinosaurussen hebben. Er wordt bijvoorbeeld gesteld dat ze in de periode vóór de inslag al in aantallen afnemen – en dat zou dan de schuld zijn van die grote vulkanische activiteit. Maar als je bijvoorbeeld de verzamelde gegevens van achtduizend dinosaurusvondsten in Dakota bekijkt, blijkt er in de miljoen jaar vóór de inslag absoluut geen afname in het aantal individuen of soorten aantoonbaar te zijn. Men is lange tijd op het verkeerde been gezet, doordat er in musea vooral exemplaren van tien miljoen jaar vóór de inslag te vinden zijn. Dat is echter gewoon toeval: in het gesteente waarin deze gevonden zijn, blijven de fossielen goed bewaard – beter dan in latere gesteenten. Hier in Europa ziet men in het laatste miljoen jaar voor de inslag juist een toename van de aantallen dinosaurusresten en -sporen. Alles bij elkaar is er gewoon geen spat bewijs voor een wereldwijde afname van het aantal dinosaurussen vóór de inslag. Ik zeg niet dat het onmogelijk is, maar er zijn geen bewijzen voor.’
Volgens Smit kan een nog sterker argument tegen de vulkanismetheorie worden gevonden in de diepe oceanen. ‘Het leven in de oceanen is veel zwaarder getroffen dan dat op land. Zelfs vlak voor de inslaggrens vind je de meest rijke populaties van een bepaald soort eencellige beestjes met een kalkskelet. Deze populaties trekken zich helemaal niets aan van al dat vulkanisme bij India. Het enige dat al deze beestjes gemeen hebben is dat ze uiteindelijk afhankelijk zijn van fotosynthetische algen en dus van zonlicht. Als er voor de inslag veel vulkanisch stof en gas in de atmosfeer zou hebben gezeten, dan zouden die populaties daar toch op moeten hebben reageren? Maar daar blijkt gewoon helemaal niets van: nergens zie je veranderingen, totdat die meteoriet neerkomt.’
Maar bij vulkanisme komen toch ook stoffen vrij die het zonlicht temperen? Waarom zou verhevigd vulkanisme dit niet hebben veroorzaakt? Smit: ‘Die miljoenen kubieke kilometers lava waar over gesproken wordt, waren verspreid over tweehonderd uitbarstingen en een periode van een half miljoen jaar. Dan kom je per uitbarsting al aardig in de buurt van bijvoorbeeld de grote vulkaaneruptie die halverwege de 19de eeuw op IJsland plaatsvond. Dat had grote gevolgen voor de IJslanders en zelfs de temperatuur op aarde zakte iets, maar verder niets. Tijdens de tussenperioden van zeg duizend jaar herstelt de natuur zich wel weer. Je mag niet doen of die hele reeks vulkaanuitbarstingen één gebeurtenis is geweest: dat is nogal misleidend. Bovendien voegen die uitbarstingen bij India maar ongeveer veertig procent toe aan de jaarlijkse vulkanische uitstoot van de onderzeese vulkanen bij de midoceanische ruggen. Dat lijkt me niet indrukwekkend. Bij de inslag bij Yucatan daarentegen is in één klap een factor 2 of misschien zelfs 20 kooldioxide aan de atmosfeer toegevoegd, de hoeveelheid zwaveldioxide steeg zelfs met een factor 300 à 3000. Dan praat je over een veel grotere hoeveelheid materiaal die in veel kortere tijd vrijkomt dan bij dat vulkanisme.’

Een ongelukkige plek

De sterkste troef die de aanhangers van de vulkanismetheorie in handen hebben, is misschien wel het feit er vaker op grote schaal soorten op aarde zijn uitgestorven, maar dat dit voor zover bekend maar in één geval samenviel met de inslag van een planetoïde. ‘Je moet niet vergeten dat dit toch wel een flinke inslag was,’ brengt Smit daartegen in. ‘Er zijn verder alleen kraters van 100-110 km bekend in Canada en Siberië, maar klaarblijkelijk hadden deze inslagen weinig gevolgen, al traden er wel beperkte veranderingen op. Een krater van 100 of 180 km scheelt altijd nog een factor tien in energie: dat is aanzienlijk.’
Doorslaggevend lijkt echter vooral de plek te zijn waar die planetoïde 65 miljoen jaar geleden neerkwam. Het was een tropisch kustgebied, omgeven door riffen, waar miljoenen jaren lang kalkafzettingen plaatsvonden. Het resultaat: een drie kilometer dikke laag gesteente die een enorme hoeveelheid kool- en zwaveldioxide vertegenwoordigt. ‘Dat is vrij uniek: er zijn niet zo veel gebieden met zo’n dik pakket kalksteen. Die meteoriet heeft een erg ongelukkige plek gekozen. Honderd of tweehonderd kilometer verderop zouden de gevolgen veel minder groot zijn geweest,’ aldus Smit. Een ‘ongelukkige plek’ voor de dinosaurussen dan, want hun snelle verdwijnen heeft waarschijnlijk wel de weg gebaand voor de opkomst van de zoogdieren, waaronder de mens.

Overzichtskaart van alle bekende inslagkraters op aarde. De grootste, de 180 km metende Chicxulub-krater, ligt voor de kust van Mexico. (Illustratie: J. Pohl, univ. München)

Jan Smit ziet de inslagtheorie overigens niet als een wetenschappelijke panacee: ‘Met de algemene theorie dat inslagen alle grote veranderingen in het leven op aarde hebben veroorzaakt, hoef je bij mij niet aan te komen. Daar zijn geen bewijzen voor. Op de grens van het Perm naar het Trias vond bijvoorbeeld een nog veel omvangrijker uitsterven plaats, waarbij tachtig procent van alle soorten eraan ging en waar nog geen goede verklaring voor is. Rond die tijd vonden in Siberië juist grote vulkanische uitbarstingen plaats en over een veel langere periode dan in India en bovendien alleen op land. Dat vind ik een veel sterker verhaal, al blijft het speculatief. Voor een grote inslag rond die tijd bestaat nog geen enkele aanwijzing.’
Als Smits inschatting juist is, moet wellicht ook de discussie over ‘alles bedreigende’ inslagen op aarde worden genuanceerd. Aangenomen wordt dat inslagen van objecten van de 10-km klasse gemiddeld eens in de 100 miljoen jaar plaatsvinden. Bovendien wordt, onder verwijzing naar ‘Chicxulub’, gesteld dat zulke inslagen vrijwel zeker bedreigend zijn voor het voortbestaan van het leven op onze planeet. Maar is dat wel zo? Kwetsbare gebieden, zoals dat waar 65 miljoen jaar geleden die ‘dino-killer’ neerstortte, omvatten slechts één procent van het aardoppervlak. Op de meeste andere plaatsen zullen zulke inslagen weliswaar lokaal enorme schade aanrichten, maar het is nog maar de vraag of de gevolgen ook wereldwijd desastreus zullen zijn. En zo zou de vaststelling dat het inderdaad een inslag was die 65 miljoen jaar geleden een ramp van wereldformaat wist te ontketenen, tevens kunnen leiden tot de enigszins geruststellende gedachte dat de kans op herhaling heel klein is.

Meer over het Chixculub Scientific Drilling Program:
http://www.vpro.nl/yucatan
http://www.icdp.gfz-potsdam.de/html/sites/chicxulub/news/news.html

Meer over grote inslagen:
http://impact.arc.nasa.gov/