Categorie: Leidse Winterlezingen

Permafrost – permanent bevroren bodem – komt voor op een kwart van het landoppervlak van het Noordelijk halfrond. Permafrost bevat veel ijs en organische stof. Als het klimaat opwarmt kan de permafrost ontdooien. De klimaatopwarming is juist ook het sterkst in de meest noordelijke gebieden.

Ontdooien van permafrost zet een hele reeks processen in gang – biochemische veranderingen in de bodem, veranderingen in de vegetatie en ecosystemen, waterhuishouding, vorming van poelen en meren, en soms grootschalige bodemerosie. Dat kan leiden tot de emissie van broeikasgassen uit de bodem: CO₂, maar ook het veel sterkere methaan (CH₄) en lachgas (N₂O). Dit is een zelfversterkend effect van de opwarming van het klimaat.

Aan de hand van onderzoekservaring in Siberië wordt besproken hoe dat werkt, en in hoeverre ecosystemen de schade van opwarming en broeikasgasemissies kunnen repareren.   In Nederland kwam in de laatste ijstijd ook permafrost voor; de sporen ervan in de bodem zijn overal te vinden. Het ontdooien van de ijstijd-permafrost leidde ook tot grote veranderingen in het landschap. Hoe snel ging de dooi toen, en hoe snel nu?

Wereldwijde grote en snelle afnames van het leven komen in de geologische geschiedenis herhaaldelijk voor. Hoe vaak en wanneer zijn die massale golven van uitsterven er geweest? Wat is de mogelijke oorzaak, of zijn er meerdere scenario’s? Welke gevolgen zien we in de sedimenten en aan de fossielen die we vinden? Wie zijn het slachtoffer en welke soorten weten zo’n catastrofe te overleven? Kunnen we zo’n catastrofe voorkomen, of zijn we zelf de volgende al aan het veroorzaken? Allemaal vragen die aan bod komen en waarover wat meer duidelijkheid zal worden gegeven.

In Nederland worden elk jaar miljoenen kubieke meters afval geproduceerd. Daarvan is maar een zeer klein deel radioactief. Radioactief afval ontstaat bijvoorbeeld bij het opwekken van elektriciteit, het stellen van medische diagnoses, het behandelen van ziektes en tijdens de controle van lassen van windmolens. Omdat straling in potentie gevaarlijk is voor mens en milieu, moet het zorgvuldig worden beheerd. In Nederland wordt het radioactief afval door COVRA, de Centrale Organisatie Voor Radioactief Afval, opgehaald, verwerkt en voor minstens 100 jaar bovengronds opgeslagen in speciaal daarvoor ontworpen gebouwen.

Maar die bovengrondse opslag is slechts een tijdelijke oplossing. Een deel van het afval zal honderdduizend jaar en mogelijk langer uit de leefruimte van de mens moet worden gehouden. Voor zo’n lange termijn kun je geen gebouwen ontwerpen. Een eindberging, oftewel het definitief opbergen van radioactief afval in stabiele geologische lagen (enkele honderden meters) diep in de ondergrond, is volgens wetenschappers de enige lange termijn oplossing.

Wereldwijd wordt daarom actief onderzoek gedaan naar een eindberging. In sommige landen is een eindberging al in aanbouw (Finland) of al operationeel (Verenigde Staten). Nederland zal pas in 2100 een definitief besluit nemen over een eindberging, die dan in 2130 operationeel zou moeten zijn. Ondanks dat een eindberging in Nederland dus voorlopig nog op zich laat wachten, wordt er al onderzoek gedaan naar geschikte geologische lagen. Waarom willen we nu al weten hoe die eindberging eruitziet? Kun je het afval veilig opbergen voor meer dan 100.00 jaar? Waarom ook zout naast klei een geschikt geacht gastgesteente voor eindberging? Dat zijn vragen die dr. Jeroen Bartol, onderzoeker bij COVRA, in de lezing zal beantwoorden.

Mensen zijn al duizenden jaren gefascineerd door bergen. Van filosofen uit de Griekse oudheid tot de eerste wetenschappers uit de Renaissance en de Verlichting, allemaal ontwikkelden zij theorieën om het ontstaan van bergketens te verklaren. Ruim 200 jaar geleden begonnen de eerste geologen gesteenten en structuren in diverse bergketens zoals de Alpen, Himalaya en Andes in kaart te brengen, om deze bergen beter te begrijpen. Met de komst van de Theorie van de Plaattektoniek in de jaren zestig van de vorige eeuw werd duidelijk in wat voor een setting zulke gebergten worden gevormd, namelijk die van convergerende tektonische platen, en wat het fundamentele verschil is tussen Andes-achtige gebergten en Himalaya-achtige gebergten. Wat echter ontbrak in deze theorie was een aandrijfmechanisme dat verantwoordelijk is voor de enorme krachten die nodig zijn om dergelijke bergketens te bouwen. De afgelopen decennia hebben geologen en geofysici steeds meer gebruik gemaakt van zowel laboratorium experimenten alsmede computermodellen om gebergtevorming te simuleren en de aandrijfkrachten te doorgronden. In deze lezing zullen geavanceerde experimenten en computermodellen worden gepresenteerd, die laten zien hoe de aardse lagen worden gebroken, verkreukeld, en verkort om zo bergen te vormen. Tevens tonen de simulaties aan dat om een verklaring te geven voor het ontstaan van de langste bergketen ter wereld, de Andes, en het allerhoogste gebergte, de Himalaya, we duizenden kilometers diep in de aarde moeten kijken, op een plek waar gezonken tektonische platen interacteren met de aardse mantel.

Onze oceanen en zeeën verliezen momenteel, mede door menselijke activiteiten, op grote schaal zuurstof. Dit maakt het moeilijk voor dieren om te overleven. En niet alleen de biologie, maar ook de chemie van de oceanen verandert in sterke mate wanneer zuurstof opraakt. Zuurstofverlies in zeewater verandert de kringlopen van belangrijke voedingsstoffen zoals ijzer en fosfor, en beïnvloedt daarmee de basis van ecosystemen. De zeebodem bevat een schat van informatie over de impact van zuurstofverlies op oceanen in het heden en verleden en toont ons de intieme relatie tussen zuurstof, biologie en chemie van de oceanen, en klimaat. Door chemische analyses van zeewater en zeebodem probeert marien biogeochemicus Peter Kraal deze relaties te verhelderen, om zo een beter beeld te krijgen van hoe onze oceanen reageren op klimaatverandering. In zijn lezing neemt Peter ons mee van de eerste snufjes zuurstof op Aarde, miljarden jaren geleden, tot de huidige oceanen die zuchten onder de invloed van de mens. In de lezing komt het uitdagende werk op onderzoeksschepen op zee uitgebreid in beeld.

De subductie van tektonische platen, het wegzinken van 60-100 km dikke lithosfeer in de diepe aardmantel, kan met moderne 3D afbeeldingstechnieken zichtbaar worden gemaakt. Dit brengt de actieve subductiezones in beeld en laat ook zien waar afgebroken platen van eerdere subductieperiodes zich bevinden. Via correlatie met periodes van gebergtevorming kunnen we bepalen hoe snel afgebroken platen zinken in de diepe mantel en onderzoeken we hoe platen hebben bewogen ten opzichte van de aardmantel.

De 3D geometrie van huidige subductiezones is het gevolg van veelal tientallen miljoenen jaren van regionale geodynamische evolutie. Hoe die huidige geometrie tot stand is gekomen wordt onderzocht met geavanceerde computersimulaties van de dynamische evolutie van subductie. Een toepassing hiervan op subductie onder de Gibraltar Boog gedurende de afgelopen ~30 miljoen jaren heeft tot nieuwe inzichten geleid in de regionale tektonische evolutie van de plaatgrens tussen Afrika en Iberia waarin niet alleen het verticale zinken van gesubduceerde platen belangrijk is maar ook een verrassende zijwaartse beweging.
 

Het speuren naar de oorzaken van het einde der dinosauriërs heeft al een lange geschiedenis. Tussen de vele geopperde hypotheses kwam na de vondst van abnormaal veel iridium op de KT grens de meteorietinslag als samenhangende theorie naar boven drijven. De alternatieve hypothese van uitgebreid vulkanisme (Deccan) in India heeft die status nog niet bereikt!  Buiten het genoemde iridium vormen het plotselinge uitsterven en vele met de meteorietinslag in verband gebrachte vondsten (oa Cr isotopen, geschokte kwartskristallen, tektieten, tsunami’s etc.) een solide bouwwerk onder de theorie. Een ding ontbrak nog: de directe slachtoffers van de meteorietinslag zelf! Daar is nu verandering in gekomen door de vondst van Tanis, een vindplaats rijk aan slachtoffers begraven in een vloedgolfafzetting. Deze slachtoffers zijn duidelijk gestorven terwijl de uitwerpselen (ejecta) uit de krater weer terug op aarde vielen. Zo zitten de tektieten nog vast in de kieuwen van vissen, en ving de gesmolten hars op coniferen stammetjes dezelfde tektieten op. 

Kennis van de opbouw van de ondergrond is essentieel voor het voorspellen waar geschikte reservoirs te vinden zijn voor de winning van warm water en opslag van energie en CO2. De opbouw van riviersedimenten, inclusief de geschikte poreuze rivierzanden, wordt sinds lang gezien als een automatische proces waarbij laaggelegen delen van het rivierlandschap worden opgevuld. Zodra die laaggelegen delen gevuld zijn, zoekt de rivier een nieuwe loop om daar sediment af te zetten. De mogelijke rol van klimaatsverandering in de verplaatsing van poreuze rivierzanden wordt sinds lang herkend. De dominante klimaatsveranderingen op tijdschalen die geschikte zandsteenreservoirs produceren zijn gerelateerd aan de astronomische variatie van de aardbaan en stand van de aardse rotatie-as om de zon. Deze astronomische cycli worden soms wel gebruikt in onze ondergrond om verschillende putten te relateren, echter cyclische klimaatssturing zou ook de verspreiding, dikte en positie van de zandsteenreservoirs moeten kunnen voorspellen. Dit zou dan een absolute meerwaarde leveren voor het optimale duurzame gebruik van onze ondergrond. In deze winterlezing, neem ik u mee naar onze poging deze voorspellende waarde te vinden via veldstudies van riviersedimenten in het warme Bighorn Bekken, Wyoming, Delftse computerstudies waarin we de rivieren proberen na te bootsen, naar de ondergrondse toepassing van deze kennis.