Zeespiegelniveau door ijskappen en platentektoniek tot 540 miljoen jaar terug bepaald

Tot voor kort waren we voor het achterhalen van het wereldwijde zeespiegelniveau afhankelijk van informatie over de platentektoniek in het verre verleden. Een team van Nederlandse, Britse en Amerikaanse aardwetenschappers ontwikkelde een nieuwe methode voor het achteraf bepalen van het wereldwijde zeespiegelniveau waarbij ook de invloed van landijs is meegenomen. Daarmee is het mogelijk geworden tot 540 miljoen jaar terug in de tijd te kijken. “Het is de enige reconstructie ter wereld in zijn soort die zo ver terug in de tijd gaat. Vooralsnog is nu de grens bereikt van wat we nog kunnen achterhalen.”

Het bepalen van de zeespiegelveranderingen in het geologische verleden is van groot belang voor bijvoorbeeld het begrip van land-zee-verdelingen en natuurlijke klimaatverandering vóór de komst van de mens. Sinds de jaren zeventig werden deze mondiale zeespiegelveranderingen geschat door sedimenten te bestuderen die op continentranden zijn afgezet, bijvoorbeeld in de Noordzee. Maar de laatste jaren werd steeds meer duidelijk dat deze methode ontoereikend is. Zo kunnen bijvoorbeeld verticale bewegingen van de aardkorst onder de continentranden net zo groot zijn als de mondiale zeespiegelveranderingen zelf. De effecten van de platentektoniek dienen dus ook meegenomen te worden in de berekening van het zeeniveau.

Een grote badkuip voor dino’s

“De oceaan is te vergelijken met een grote badkuip," vertelt dr. Douwe van der Meer, gastonderzoeker aan de Universiteit Utrecht en hoofdauteur van de studie. “Platentektoniek bepaalt de diepte van de oceanen. Als de ‘badkuip’ ondieper wordt, zal het water hoger komen. Daarnaast zorgt ijs op de continenten ervoor dat er wat minder water in de oceaan is. Maar ja, als dat allemaal smelt, stijgt het ‘badwater’.” Beide effecten zorgden ervoor dat ten tijde van het Krijt (66-145 miljoen jaar geleden) het zeeniveau wel meer dan 200 meter hoger was dan nu. De ‘badranden’ oftewel de hedendaagse kuststreken waren dus overstroomd in dit tijdperk. Dinosaurussen hadden daarom minder land en meer water tot hun beschikking dan wanneer ze nu geleefd zouden hebben.

Plaattektonische activiteit

Eerder al bedacht Van der Meer met andere aardwetenschappers een nieuwe manier om de zeespiegel te reconstrueren aan de hand van strontium-isotopen: radioactieve elementen die van nature voorkomen in gesteente zoals basalt en die kunnen oplossen in zeewater en vervolgens afgezet worden in kalksteen en steenzout. Basalt in oceaankorst is minder radioactief dan gesteente van oude continenten, zoals graniet. De hoeveelheid strontium-isotopen in kalksteen en steenzout zegt dus iets over het aandeel ‘jonge’ oceaankorst aan het aardoppervlak. En wanneer je weet hoeveel jonge aardkorst er was op een bepaald moment, kun je daaruit de toenmalige zeespiegel afleiden. “Een jonge aardkorst is relatief warmer dan een oudere aardkorst. Die laatste is door zijn afkoeling wat gekrompen en heeft daarmee een hogere dichtheid dan jonge aardkorst.” Met andere woorden, jongere oceaankorst is lichter en zorgt daarmee voor minder diepe oceanen dan oudere oceaankorst. Aangezien de totale hoeveelheid water op aarde altijd ongeveer hetzelfde is geweest, zal de zeespiegel hoger zijn bij een jongere gemiddelde leeftijd van de mondiale oceaankorst. ”Voor het Krijt betekende dat alleen al een zeespiegelstijging van 150 meter.”

IJsvrij

Daarnaast werd op basis van een recente reconstructie van het klimaat van de aarde door de tijd heen, en de positie van de continenten ten opzichte van de polen, een schatting gemaakt van de locatie en het volume van continentaal ijs. De aan- of afwezigheid van dat ijs is, in tegenstelling tot drijvend zee-ijs, van grote invloed op het zeeniveau. In het Krijt was het gemiddeld een stuk warmer dan nu. Daardoor waren de polen nagenoeg ijsvrij. Al dat gesmolten ijs zorgde voor 70 meter zeespiegelstijging. Van der Meer: “Wanneer je daar de effecten van de platentektoniek bij optelt, kom je voor het Krijt uit op een zeespiegel die tot wel 220 meter hoger was dan nu het geval is. Dit was het hoogste niveau voor zover we konden terugkijken in de tijd, tot wel 540 miljoen jaar geleden.”

(Artikel gaat verder onder de afbeelding)

Beschikbaarheid van fossielen

De temperatuurreconstructie (en de daarvan afgeleide ijsreconstructies) waarop dit onderzoek gebaseerd is gaat niet verder terug in de tijd. “Want voor dat soort reconstructies heb je onder andere fossielen nodig van min of meer geavanceerde levensvormen, waaruit je weer andere zaken kunt afleiden. Maar die levensvormen ontstonden pas 540 miljoen jaar geleden, tijdens de zogenaamde ‘Cambrische explosie’ van leven. Door een gebrek aan voldoende fossielen en andere klimaatindicatoren kunnen we dus niet verder gedetailleerd terugkijken.”
De studie laat nog maar eens zien wat er gebeurt wanneer het landijs smelt. “Waarbij je moet bedenken dat dit in het verre verleden veel meer tijd in beslag nam dan tijdens de huidige, door de mens veroorzaakte klimaatverandering.”

Publicatie

Douwe G. van der Meer, Christopher R. Scotese, Benjamin J.W. Mills, Appy Sluijs, Aart-Peter van den Berg van Saparoea, Ruben M.B. van de Weg, ‘Long-term Phanerozoic global mean sea level: Insights from strontium isotope variations and estimates of continental glaciation’, Gondwana Research, https://doi.org/10.1016/j.gr.2022.07.014