De K-T uitsterving

Tracking the Course of Evolution

door Richard Cowen

OPMERKING: Dit is pagina 1 van een document van drie pagina’s.

Deze ESSAY, geschreven in 1999, is een hoofdstuk uit mijn boek History of Life, uitgegeven door Blackwell Science, Boston, Massachusetts, 2000. © Richard Cowen. U mag een kopie afdrukken voor persoonlijk of educatief gebruik, en u mag naar deze site linken. Illustraties ontbreken in deze webversie van het hoofdstuk.
Cowen, R. 1994. Geschiedenis van het leven. 2e druk. 460 pp. Blackwell Scientific Publications, Cambridge, Massachusetts. Dit is een leerboek voor eerstejaarsstudenten, uitgegeven door Blackwell Science. Copyright Richard Cowen 1994. Verkrijgbaar bij Blackwell Science, 238 Main Street,Cambridge, Massachusetts 02142, telefoon 800-215-1000. Informatie over en updates van de 3e editie.
Zie ook een apart essay gewijd aan het algemene onderwerp van grote uitstervingen, en voor een overzicht van de mondelinge presentatie van Richard Cowen.
Aan de afdeling Geologie van de University of California, Davis, probeert Richard Cowen nog andere interessante webpagina’s te onderhouden:

• Updates en weblinks voor het essay over de KT-extinctie
• Nieuwe referenties over de KT-extinctie die zijn verschenen sinds History of Life is gepubliceerd.
• Updates en Web links voor het essay over Uitsterven
• Nieuwe referenties over Uitsterven die zijn verschenen sinds History of Life werd gepubliceerd.
• Paleontologie in het Nieuws: Web pages of current interest.

The End of the Dinosaurs: The K-T extinction

Bijna alle grote gewervelde dieren op Aarde, op het land, in de zee, en in de lucht (alle dinosauriërs, plesiosauriërs, mosasauriërs, en pterosauriërs) stierven plotseling uit rond 65 Ma, aan het einde van de Krijt periode. Tegelijkertijd stierven het meeste plankton en veel tropische ongewervelden, vooral rifbewoners, uit, en werden veel landplanten zwaar getroffen. Deze uitsterving markeert een belangrijke grens in de geschiedenis van de aarde, de K-T of Krijt-Tertiair grens, en het einde van het Mesozoïcum. De K-T-uitstervingen waren wereldwijd en troffen alle grote continenten en oceanen. Er zijn nog steeds discussies over hoe kort de gebeurtenis was. Het was in geologisch opzicht zeker plotseling en naar ieders maatstaven wellicht catastrofaal.
Ondanks de omvang van de uitstervingen moeten we ons echter niet laten verleiden tot de gedachte dat de K-T-grens een ramp betekende voor alle levende wezens. De meeste groepen organismen overleefden. Insecten, zoogdieren, vogels en bloeiende planten op het land, en vissen, koralen en weekdieren in de oceaan gingen snel na het einde van het Krijt door met een enorme diversificatie. Onder de slachtoffers van K-T bevonden zich de meeste grote wezens van die tijd, maar ook enkele van de kleinste, in het bijzonder het plankton dat het grootste deel van de primaire productie in de oceanen genereert.

RETURN TO TOP
Er zijn veel slechte theorieën geweest om het uitsterven van dinosauriërs te verklaren. In dit hoofdstuk wordt meer slechte wetenschap beschreven dan in de rest van het boek. Zo werd in de jaren tachtig van de vorige eeuw in een nieuw boek over het uitsterven van dinosaurussen gesuggereerd dat zij te veel tijd in de zon doorbrachten, staar kregen en, omdat zij niet goed konden zien, over kliffen naar hun ondergang vielen. Maar hoe overtuigend of hoe dwaas ze ook zijn, alle theorieën die alleen het uitsterven van de dinosauriërs proberen te verklaren, gaan voorbij aan het feit dat er uitstervingen plaatsvonden in land-, zee- en luchtfauna’s, en dat die werkelijk wereldwijd waren. De K-T uitsterving was een wereldwijde gebeurtenis, dus moeten we wereldwijd werkzame agentia onderzoeken: geografische verandering, oceanografische verandering, klimatologische verandering, of een buitenaardse gebeurtenis. Het meest recente werk over de K-T uitsterving heeft zich geconcentreerd op twee hypothesen die een gewelddadig einde van het Krijt suggereren: een grote asteroïde inslag en een gigantische vulkaanuitbarsting.

Een asteroïde of komeetinslag?

Een meteoriet die groot genoeg is om een kleine asteroïde te worden genoemd, trof de Aarde precies op het moment van de K-T uitsterving. Het bewijs voor de inslag werd voor het eerst ontdekt door Walter Alvarez en collega’s. Zij ontdekten dat gesteenten die precies op het K-T-grensvlak zijn neergelegd, buitengewone hoeveelheden van het metaal iridium bevatten (figuur 18.1). Het lijkt niet uit te maken of de grensgesteenten op land of onder zee zijn neergelegd. In de Stille Oceaan en het Caraïbisch gebied vormt de iridiumhoudende klei een laag in oceaanbodemsedimenten; in Europa wordt het aangetroffen in afzettingen van het continentaal plat; en in Noord-Amerika, van Canada tot New Mexico, komt het voor in steenkoolhoudende gesteentesequenties die op overstromingsvlakten en delta’s zijn neergelegd. De datering is nauwkeurig, en de iridiumlaag is op meer dan 100 plaatsen op aarde geïdentificeerd. Waar de grens in mariene sedimenten ligt, komt het iridium voor in een laag net boven de laatste microfossielen uit het Krijt, en de sedimenten erboven bevatten microfossielen uit het Paleoceen uit het vroegste deel van het Cenozoïcum.
Het iridium is alleen aanwezig in de grensgesteenten en werd dus in één grote piek afgezet: een zeer korte gebeurtenis. Iridium komt in normale zeebodemsedimenten in microscopisch kleine hoeveelheden voor, maar de iridiumpiek op de K-T-grens is zeer groot. Iridium is zeldzaam op aarde, en hoewel het door chemische processen in een sediment kan worden geconcentreerd, moet een iridium piek van deze omvang op een ongebruikelijke manier zijn ontstaan. Iridium is op aarde veel zeldzamer dan goud, maar in de klei van het K-T grensgebied is iridium meestal twee keer zo overvloedig als goud, soms meer dan dat. Dezelfde hoge verhouding wordt aangetroffen in meteorieten. De Alvarez-groep heeft daarom gesuggereerd dat iridium wereldwijd is verspreid uit een puinwolk die is ontstaan toen een asteroïde ergens op aarde insloeg.

Een asteroïde die groot genoeg is om de geschatte hoeveelheid iridium in de wereldwijde piek op de K-T-grens te verspreiden, kan ongeveer 10 km (6 mijl) in doorsnee zijn geweest. Computermodellen suggereren dat als zo’n asteroïde op de aarde zou botsen, hij door de atmosfeer en de oceaan zou gaan alsof ze er niet waren en een krater in de korst zou slaan van ongeveer 100 km doorsnee. Het iridium en de kleinste brokstukken zouden door de inslaggolf over de hele wereld worden verspreid, terwijl de asteroïde zou verdampen tot een vuurbal. Als de piek inderdaad door een grote inslag is gevormd, welke andere bewijzen moeten we dan hopen te vinden in het gesteente? Bekende meteorietinslagstructuren hebben vaak fragmenten van geschokte kwarts en sferules (kleine glazen bolletjes) bij zich (Figuur 18.2). Het glas wordt gevormd doordat het doelgesteente bij de inslag wordt gesmolten, als een nevel van druppeltjes de lucht in wordt geblazen, en vrijwel onmiddellijk bevriest. In de loop van de geologische tijd kunnen de glazen bolletjes vergaan tot klei. Schokkwarts wordt gevormd wanneer kwartskristallen een plotselinge puls van grote druk ondergaan. Als ze niet voldoende verhit zijn om te smelten, kunnen ze eigenaardige en onmiskenbare microstructuren vertonen (figuur 18.2, boven).
RETURN TO TOP
Overal in Noord-Amerika bevat de klei van de K-T grens glassferules (figuur 18.2, onder), en vlak boven de klei bevindt zich een dunnere laag die iridium bevat samen met fragmenten van geschokte kwarts. Deze is slechts enkele millimeters dik, maar in totaal bevat hij alleen al in Noord-Amerika meer dan een kubieke kilometer geschokte kwarts. De zone van geschokte kwarts strekt zich uit naar het westen tot op de bodem van de Stille Oceaan, maar elders is geschokte kwarts zeldzaam in gesteenten van het K-T-grensgebied: enkele zeer kleine fragmenten komen voor op Europese vindplaatsen. Al deze bewijzen duiden erop dat de K-T inslag op of nabij Noord-Amerika heeft plaatsgevonden, waarbij het iridium afkomstig is van de verdampte asteroïde en de geschokte kwarts van het continentale gesteente dat de asteroïde heeft geraakt.
De K-T inslagkrater is nu gevonden. Het is een ruwweg eivormige geologische structuur, Chicxulub genaamd, diep begraven onder de sedimenten van het schiereiland Yucatán in Mexico (figuur 18.3). De structuur heeft een doorsnede van ongeveer 180 km en is een van de grootste inslagstructuren die tot dusver met zekerheid op aarde zijn geïdentificeerd. Een boorgat dat in de Chicxulub-structuur werd geboord, trof 380 meter stollingsgesteente met een vreemde chemische samenstelling. Die chemische samenstelling zou kunnen zijn ontstaan door het samensmelten van een mengsel van sedimentgesteenten in de regio. Het stollingsgesteente onder Chicxulub bevat hoge concentraties iridium en de ouderdom ervan is 65 Ma, precies samenvallend met de K-T grens.

Bovenop het stollingsgesteente ligt een massa gebroken gesteente, waarschijnlijk de grootste overgebleven puindeeltjes die zonder te smelten op de krater zijn teruggevallen, en daarbovenop liggen normale sedimenten die zich langzaam vormden om de krater te vullen in de ondiepe tropische zeeën die het inslaggebied bedekten.
Bekende inslagkraters hebben vaak tektieten die met hen in verband worden gebracht, evenals geschokte kwarts en kleine glazen bolletjes. Tektieten zijn grotere glasbolletjes met ongewone vormen en oppervlaktetexturen. Zij worden gevormd wanneer gesteenten onmiddellijk smelten en in de vorm van grote klodders gesmolten glas uit inslagplaatsen spatten, en vervolgens afkoelen terwijl ze door de lucht tollen.
Haiti lag op ongeveer 800 km van Chicxulub aan het eind van het Krijt (figuur 18.3). In Beloc en op andere plaatsen in Haïti wordt de K-T-grens gemarkeerd door een normale maar dikke (30 cm) kleigrenslaag die voornamelijk bestaat uit glasbolletjes (figuur 18.2). De klei wordt bedekt door een laag turbidiet, onderzees aardverschuivingsmateriaal dat grote rotsfragmenten bevat. Sommige van de fragmenten lijken op verbrijzelde oceaankorst, maar er zijn ook bolvormige stukjes geel en zwart glas met een doorsnede tot 8 mm die onmiskenbaar tektieten zijn. De Beloc tektieten zijn blijkbaar gevormd bij ongeveer 1300°C uit twee verschillende soorten gesteente; en ze zijn precies gedateerd op 65 Ma. De zwarte tektieten zijn gevormd uit continentaal vulkanisch gesteente en de gele uit sedimenten van evaporiet met een hoog gehalte aan sulfaat en carbonaat. De rotsen van de Yucatán rond Chicxulub zijn overwegend gevormd uit precies dit mengsel van gesteenten, en de stollingsgesteenten onder Chicxulub hebben een chemie van een eens gesmolten mengsel van de twee. Boven de turbidiet bevindt zich een dunne rode kleilaag van slechts 5-10 mm dik die iridium en geschokte kwarts bevat.
Een groot deel van dit bewijsmateriaal kan als volgt worden verklaard: een asteroïde sloeg in bij Chicxulub en trof een stapel dikke sedimenten in een ondiepe zee. De inslag heeft een groot deel van de plaatselijke korst gesmolten en gesmolten materiaal van wel 14 km onder het oppervlak naar buiten geblazen. Kleine bolletjes gesmolten glas werden onder een ondiepe hoek de lucht in geblazen, en vielen uit over een reusachtig gebied dat zich uitstrekte in noordoostelijke richting tot aan Haïti, enkele honderden kilometers verderop, en in noordwestelijke richting tot aan Colorado. Daarna volgde het fijnere materiaal dat hoger in de atmosfeer of de ruimte was geblazen en langzamer bovenop de grovere fragmenten viel.

RETURN TO TOP
De eivorm van de Chicxulub-krater laat zien dat de asteroïde onder een ondiepe hoek insloeg, ongeveer 20°-30°, waardoor er meer puin naar het noordwesten werd verspreid dan in andere richtingen. Dit verklaart in het bijzonder de enorme schade aan het Noord-Amerikaanse continent, en de scheve verdeling van geschokte kwarts tot ver in de Stille Oceaan.
Andere vindplaatsen in het westelijk Caraïbisch gebied suggereren dat normaal gesproken rustige, diepwater sedimenten aan het eind van het Krijt drastisch werden verstoord, en de verstoorde sedimenten hebben de iridiumhoudende laag er bovenop liggen. Op veel plaatsen in Noord-Mexico en Texas, en op twee plaatsen die op de bodem van de Golf van Mexico zijn aangeboord, zijn er tekenen van een grote verstoring in de oceaan op het K-T-grensvlak. Op sommige plaatsen bevatten de verstoorde zeebodemsedimenten fossielen van verse bladeren en hout van landplanten, samen met tektieten die gedateerd zijn op 65 Ma (Figuur 18.4). Rond de Caraïben en op plaatsen langs de oostelijke Atlantische kust van de Verenigde Staten werden bestaande sedimenten uit het Krijt opgebroken en weer neergeslagen in een rommelige hoop die ook glassferules van verschillende chemie, geschokte kwartsfragmenten, en een iridiumspike bevat. Dit alles impliceert dat een grote tsunami of vloedgolf de oceaanrand van die tijd heeft beïnvloed, waarbij verse landplanten ver in zee werden gespoeld en zeebodemsedimenten die miljoenen jaren ongestoord hadden gelegen, werden verscheurd. Het bizarre mengsel van gesteenten dat zo ontstond, werd “de Krijt-Tertiair-cocktail” genoemd.”
Toen Chicxulub eenmaal was geïdentificeerd, werd het mogelijk om te berekenen dat geschokte kwarts door de inslag in een nevel van grote hoogte was terechtgekomen. Deze eerste hete vuurbal blies verdampte en gesmolten brokstukken (waaronder glazen bolletjes en iridium) hoog boven de atmosfeer om als laatste en wereldwijd te worden afgezet terwijl het langzaam naar beneden dreef. De grotere brokstukken, vast en gesmolten, werden onder een lagere hoek naar buiten geblazen, maar niet erg ver, en werden als eerste en plaatselijk afgezet (ongeveer 15 minuten reistijd naar Colorado!). Tegelijkertijd werden kleinere fragmenten, waaronder geschokte kwarts, omhoog geblazen tussen de hete vuurbal en de grotere fragmenten, en als tweede en regionaal afgezet (ongeveer 30 minuten reistijd tot Colorado). De inslagenergie bedroeg, ter vergelijking met die van een waterstofbom, ongeveer 100 miljoen megaton.

Een gigantische vulkanische uitbarsting?

Precies op het K-T grensvlak baande een nieuwe pluim (hoofdstuk 6) zich een weg door de korst dicht bij de plaatgrens tussen India en Afrika. Enorme hoeveelheden basalt stroomden uit over wat nu het Deccan Plateau van West-India is en vormden enorme lavabedden die de Deccan Traps worden genoemd. Een enorme uitbreiding van die lavastroom aan de andere kant van de plaatgrens ligt nu onder water in de Indische Oceaan (Figuren 18.3 en 18.5). De Deccan Traps beslaan nu 500.000 km2, maar ze kunnen vier keer zoveel bedekt hebben voordat erosie ze uit sommige gebieden verwijderde. Zij hebben een overblijvend volume van 1 miljoen km3 (240.000 kubieke mijl) en zijn op sommige plaatsen meer dan 2 km dik. Het totale vulkanische volume dat tot uitbarsting kwam, inclusief de onderwater lavas, was veel groter dan dit (figuur 18.5).
Daar komt nog bij dat de Deccan-uitbarstingen vlak voor de K-T grens plotseling begonnen. De piekerupties hebben misschien maar ongeveer een miljoen jaar (± 50%) geduurd, maar die korte tijd viel samen met de K-T grens. De uitbarstingssnelheid was ten minste 30 maal zo hoog als die van de huidige Hawaiiaanse uitbarstingen, zelfs in de veronderstelling dat de uitbarstingen gedurende een miljoen jaar ononderbroken plaatsvonden; als de uitbarstingen korter duurden of spasmodisch waren, zouden de uitbarstingssnelheden veel hoger zijn geweest. De Deccan Traps zijn waarschijnlijk tot uitbarsting gekomen in de vorm van lavastromen en fonteinen zoals die van Kilauea, en niet in de vorm van reusachtige explosieve uitbarstingen zoals die van Krakatau. Maar schattingen van de vuurfonteinen die ontstaan bij uitbarstingen op de schaal van de Deccan Traps suggereren dat aërosolen en as gemakkelijk tot in de stratosfeer zouden zijn meegevoerd. De Deccan-pluim is nog steeds actief; zijn hot spot ligt nu onder het vulkanische eiland Réunion in de Indische Oceaan.
Tus zijn er sterke aanwijzingen voor kortstondige maar gigantische vulkaanuitbarstingen op het K-T-grensvlak. Sommigen hebben geprobeerd alle kenmerken van de rotsen in het K-T grensgebied te verklaren als het resultaat van deze erupties. Maar het bewijs voor een buitenaardse inslag is zo sterk dat het tijdverspilling is om te proberen dat bewijs weg te verklaren als vulkanische effecten. In plaats daarvan moeten we ons concentreren op het feit dat de K-T grens samenviel met twee zeer dramatische gebeurtenissen. De Deccan Traps liggen over de K-T grens en werden gevormd in wat duidelijk een belangrijke gebeurtenis in de geschiedenis van de aarde was. De asteroïde-inslag was precies op de K-T grens. Er is zeker iets dramatisch gebeurd met het leven op aarde, want geologen hebben de K-T grens en het einde van het Mesozoïcum gedefinieerd op basis van een grote uitsterving van wezens op het land en in de zee. Een inslag van een asteroïde, of een reeks gigantische uitbarstingen, of beide, zouden grote wereldwijde gevolgen voor atmosfeer en weer hebben gehad.
Er heerst een gevoel, vooral onder natuurwetenschappers, dat als we kunnen aantonen dat zich bij de K-T grens een natuurkundige catastrofe heeft voorgedaan, we automatisch een verklaring hebben voor de K-T uitstervingen. Maar dit verband moet worden aangetoond, niet zomaar worden aangenomen. We moeten ons nog steeds afvragen welke catastrofe, als die er al was, de K-T uitsterving heeft veroorzaakt, en zo ja, hoe?