Wetenschappers reconstrueren gedetailleerde zeespiegelveranderingen van 540 miljoen jaar

Paleogeografische reconstructies tonen aan hoe de zeespiegel op aarde door de tijd heen is veranderd. Wetenschappers hebben sedimenten en fossielen gebruikt om de variaties in zeespiegel over miljoenen jaren te reconstrueren. Nu, voor het eerst, hebben onderzoekers uit Utrecht, het VK en de VS vastgesteld hoe de zeespiegel op tijdschalen van duizenden jaren varieerde in de afgelopen 540 miljoen jaar. Dit onderzoek werd gepubliceerd op 3 juli in ‘Earth and Planetary Science Letters’.

Volgens Dr. Douwe van der Meer, gastonderzoeker aan de Universiteit Utrecht en hoofdauteur van de studie, is het essentieel om rekening te houden met deze snelle zeespiegelvariaties om de structuur van de ondergrond te begrijpen en de toepassingen voor groene energiebronnen te optimaliseren. De hoogte van de zeespiegel hangt grotendeels af van twee factoren: plaattektoniek, die bepaalt hoe diep de ‘badkuip’ tussen continenten is, en de hoeveelheid landijs die de hoeveelheid water in die badkuip beïnvloedt.

“In tijdsintervallen van ongeveer een miljoen jaar kun je een gemiddelde zeespiegel afleiden tot waar fossielen aanwezig zijn, ongeveer 540 miljoen jaar terug,” zegt Dr. Van der Meer. “Dat varieerde met wel 200 meter. We vermoeden dat de zeespiegel ook in veel kortere perioden enorm kan fluctueren, maar er is onvoldoende data om die kortere tijdsintervallen te analyseren.”

Geologische jaarringen worden gebruikt om zeespiegelvariaties over kortere perioden te schatten. Wetenschappers bestuderen gesteenten van de afgelopen paar miljoen jaar, net als de groeiringen in bomen. Ze lezen sedimentaire afzettingen van bijvoorbeeld zandsteen en kleisteen. Kleisteen vormt zich voornamelijk wanneer een gebied onder diep water ligt, terwijl zandsteen ontstaat wanneer de zee dichter bij de kust is.

“We zien afwisselingen, vooral wanneer het wereldklimaat koud is en er ijs op de polen ligt. Dan creëert het ritmische wiebelen van de rotatie-as van de aarde ijstijden die slechts tienduizenden jaren duren, waarbij de zeespiegel met wel 100 meter kan fluctueren.” Tot nu toe waren de effecten van dergelijke kortetermijnwijzigingen in de zeespiegel niet vast te stellen in het verre geologische verleden. Maar Van der Meer en zijn collega’s bedachten een methode: ze berekenden de relatie tussen het klimaat op aarde en de grootte van ijskappen voor de laatste tientallen miljoenen jaren, waarover voldoende data beschikbaar is.

“Dit gaf ons de meest nauwkeurige informatie, waar we warme perioden zonder ijs en koude perioden met ijs hebben, evenals ijstijden. We gebruikten die relatie om kortetermijnvariabiliteit verder terug in de tijd te bepalen, tot 540 miljoen jaar geleden.” De nieuwe zeespiegelvariaties die de onderzoekers reconstrueren, blijken veel consistenter te zijn met fossielgebaseerde reconstructies. “Dit is de eerste keer dat we zeespiegel op een consistente manier hebben kunnen kwantificeren voor zulke korte tijdschaal,” zegt Van der Meer.

In de afgelopen paar miljoen jaar hebben we de opkomst en ondergang van ijstijden gezien, met zeespiegelveranderingen tot wel 100 meter. Maar tijdens de tijd van de dinosaurussen in het Jura en Krijt was de verandering in zeespiegel veel minder uitgesproken door een gebrek aan landijs. In de late Carboon, toen gigantische libellen over enorme moerassen in Nederland vlogen, waren er echter zeer grote zeespiegelvariaties door een grote ijskap op het zuidelijk halfrond.

Toepassingen voor ondergrondse opslag worden steeds belangrijker nu we meer precisie hebben over wat er met de zeespiegel in het verleden is gebeurd. Onderzoekers kunnen nauwkeuriger kaarten van de aarde maken voor verschillende tijdperken, wat van belang is voor klimaat- en evolutiemodellen en hun reactie op veranderingen in de zeespiegel. “Hoge of lage zeespiegels, het is allemaal eerder voorgekomen in het geologische verleden,” aldus Van der Meer.

De kennis van zeespiegels in het geologische verleden heeft diverse toepassingen. Tegenwoordig zoeken we naar methoden voor ondergrondse opslag van CO2 en waterstof, of geothermische energie. Zandsteen, afgezet bij lage zeespiegel, is hierbij belangrijk omdat het kan worden gebruikt als reservoir. Kleisteen, afgezet bij hoge zeespiegel, fungeert als een afdichting waardoor water of CO2 niet gemakkelijk kan doordringen.

Momenteel worden ook geschikte locaties voor de opslag van radioactief afval in dit soort lagen gezocht. “Als we weten dat de wereldwijde zeespiegel op een bepaald moment hoog was, weten we ook dat er een relatief continue laag kleisteen moet zijn afgezet. We kunnen die informatie gebruiken om een globale laagkaart van zand- en kleisteen te creëren, wat ons helpt bij het veilig gebruik van de ondergrond,” zegt Van der Meer.