21Sedimenten en fossielen

De Grand Canyon, in Arizona (Verenigde Staten), is gemiddeld $1.6\,\mathrm{km}$ diep. Zijn wanden bestaan uit lagen gesteente, de ene boven op de andere, rood, bruin, grijs en roomkleurig. In de bovenste laag, de Kaibab-kalksteen, wijzen de boswachters schelpen aan: de schelpen van brachiopoden, dieren die op de bodem van een zee leefden. Dat gesteente is op de bodem van een oceaan ontstaan, en het vormt nu de rand van de canyon, hoog boven de zee.

Hoe wordt een hoop los zand en modder vast gesteente? Hoe kan een schelp zo lang bewaard blijven dat ze uiteindelijk in een klif terechtkomt? En wat vertellen lagen en fossielen ons over plaatsen zoals ze lang geleden waren?

Wat je al weet

Gesteente valt aan het oppervlak langzaam uiteen in stukken (verwering); water, wind en ijs voeren de stukken weg (erosie) en leggen ze neer waar ze vertragen en stilvallen (afzetting): de zwaarste eerst, de fijne modder alleen waar het water bijna stilstaat (Hoofdstuk 10). Een afzettingsgesteente ontstaat aan het oppervlak uit korrels zand en modder, of uit schelpen, die in lagen zijn neergelegd en hard zijn geworden: zandsteen, schalie, kalksteen. De kringloop van gesteenten verandert de gesteenten van elke familie langzaam in die van de andere (Hoofdstuk 15).

21.1 Sedimenten zetten zich af in lagen

Overal waar water, wind of ijs laat vallen wat ze meevoerden, groeit een losse afzetting aan: grind en zand op een rivierbedding, modder op de bodem van een meer, zand op een strand of in een duin, schelpen op de zeebodem.

Definitie 21.1 (Sediment)

Een sediment is los materiaal dat door water, wind of ijs is neergelegd: grind, zand, modder, of de schelpen en skeletten van levende wezens. Het verzamelt zich op de bodem van rivieren, meren en zeeën, en op het land waar de wind of het ijs het laat vallen.

Sedimenten zetten zich in een bepaalde volgorde af. Als modderig water vertraagt, zinken de grootste en zwaarste korrels eerst en de kleinste en lichtste het laatst. Telkens als het water verandert — een overstroming die zand aanvoert, daarna rustige weken waarin alleen fijne modder de bodem bereikt — veranderen ook de korrels die bezinken, en begint er een nieuwe laag. Beetje bij beetje raakt de bodem van een meer of een zee bedekt met een stapel lagen, met de oudste onderaan.

Definitie 21.2 (Sedimentlaag)

Een sedimentlaag, of stratum (meervoud strata), is een plaat sediment, of het gesteente dat eruit is ontstaan, die in één keer is neergelegd. Ze heeft een basis en een bovenkant, en ze verschilt van de lagen erboven en eronder in de grootte van haar korrels of in waaruit ze bestaat.

Sedimenten bezinken uit water of lucht, en worden dus vlak neergelegd, zoals de bladzijden van een boek dat op een tafel ligt. Als je lagen scheef of geplooid aantreft, heeft iets ze na hun ontstaan bewogen. Gelaagdheid is het duidelijkste kenmerk van een afzettingsgesteente: je zag het in de wanden van de Grand Canyon.

In het laboratorium — Lagen in een pot (in de klas, met de leraar)

Doe een handvol grind, twee handen zand en een paar lepels aarde in een hoge glazen pot; vul hem met water, sluit hem goed af en schud hem. Zet hem neer en kijk een paar minuten: het grind bereikt meteen de bodem, het zand iets later, en de fijne modder houdt het water urenlang troebel. Doe de volgende dag nog wat aarde en zand erbij, schud zachtjes en laat het weer bezinken. Hoeveel lagen kun je tellen? Welke korrels liggen onderaan elke laag?

21.2 Van sediment tot gesteente

Een laag blijft niet lang bovenaan. Er bezinken andere lagen bovenop, en daarna weer andere, en ze komt steeds dieper te liggen. Onder het gewicht van de lagen erboven worden de korrels dichter tegen elkaar gedrukt en wordt het water ertussen eruit geperst. Water dat door de stapel sijpelt, laat tussen de korrels mineralen achter, een natuurlijk cement dat ze aan elkaar kit. Na lange tijd, met nog meer lagen erbovenop en langzame chemische veranderingen, wordt het losse sediment onder in de stapel gesteente.

Elke soort sediment levert zijn eigen gesteente.

De meeste gesteenten die je aan het aardoppervlak ziet, zijn afzettingsgesteenten. De stapel lagen die ze vormen, is het geschiedenisboek van de plek: elke laag is een bladzijde, en de oudste bladzijden liggen onderaan.

21.3 Hoe een fossiel ontstaat

Definitie 21.3 (Fossiel)

Een fossiel is het overblijfsel, of het spoor, van een levend wezen van lang geleden, bewaard in gesteente. Sommige fossielen zijn de harde delen van het lichaam — een schelp, een bot, een tand, hout — die in steen zijn veranderd. Andere bewaren alleen een vorm: een afdruk is de holle indruk die in het gesteente achterblijft waar een schelp of een bot is opgelost; een afgietsel is de kopie die ontstaat als een afdruk wordt opgevuld met nieuwe minerale stof of sediment. Een sporenfossiel is een teken van wat een dier deed — een voetafdruk, een graafgang, een sleepspoor — en geen deel van zijn lichaam.

Een fossiel begint zijn bestaan als een dood dier of een dode plant op de bodem van een zee of een meer. Als het onbedekt blijft, breken bacteriën het af en lost het water langzaam op wat er overblijft. Het maakt alleen een kans als het snel wordt begraven, onder sediment dat erover bezinkt en het afsluit. Terwijl het sediment daarna in gesteente verandert, brengt water dat door de lagen sijpelt mineralen mee die elk piepklein gaatje in de schelp of het bot opvullen: het verandert in steen. Lang daarna kunnen de lagen erboven wegslijten, en komt het fossiel aan het oppervlak.

De meeste levende wezens laten helemaal geen fossiel achter. Zachte lichamen rotten weg voordat ze kunnen worden begraven; zelfs schelpen en botten breken of lossen op als ze lang onbedekt liggen. De beste plek om een fossiel te worden is de bodem van een rustige zee of een rustig meer, waar fijne modder over de resten bezinkt en ze beschermt. Daarom zijn de fossielen die in gesteenten worden gevonden vooral schelpen, en de piepkleine schelpjes en resten van microscopisch kleine planten en dieren; dinosaurussen, de bekendste fossielen, vormen er maar een heel klein deel van.

Soms blijft de schelp zelf niet bewaard. Begraven in zand wordt ze langzaam opgelost door het water dat tussen de korrels door sijpelt, en blijft er alleen een holte over, met de vorm van de schelp in de wanden gedrukt: een afdruk. Als er later mineralen in de holte neerslaan en die opvullen, vormen ze een kopie van de schelp: een afgietsel.

Dieren laten ook fossielen achter van wat ze deden. Een dier dat over de zachte, natte modder van een rivieroever of een kust loopt, laat voetafdrukken achter. De meeste worden door de volgende golf of de volgende overstroming weggespoeld. Maar als zand ze bedekt voordat ze zijn uitgewist, wordt de voetafdruk opgevuld, wordt het zand later zandsteen, en als het gesteente langs de laag splijt, toont het de voetafdruk en, aan de andere kant, het afgietsel ervan.

De biologie gebruikt fossielen om de lange geschiedenis van het leven te volgen. In dit boek zijn fossielen aanwijzingen van een andere soort: ze vertellen ons hoe de plek eruitzag toen het dier er leefde.

21.4 Lagen en fossielen, een archief van het verleden

Elke laag bewaart de sporen van de plek waar ze werd neergelegd. Koraalriffen groeien nu in warme, heldere, ondiepe zeeën; golfribbels ontstaan in zand in ondiep water, aan de rand van een meer, een rivier of een zee; steenkool ontstond uit de planten van oude wouden en moerassen; brachiopoden, zeelelies en trilobieten leefden alleen in de zee. Als je dezelfde aanwijzingen in een oude laag vindt, zag de plek er waarschijnlijk zo uit toen de laag ontstond.

Methode 21.4 (Een laag lezen)

1. Kijk naar de korrels: grove korrels bezinken waar het water snel stroomt, fijne modder alleen waar het rustig is.
2. Zoek naar fossielen en sporen (koralen, schelpen, voetafdrukken, golfribbels, plantenresten, steenkool) en gebruik de tabel hierboven.
3. Voeg de aanwijzingen samen tot één beeld van de plek: land of zee, ondiep of diep, rustig of stromend water.

Voorbeeld 21.5 (De top van de Grand Canyon)

De Kaibab-kalksteen, de bovenste laag van de Grand Canyon, zit vol schelpen van brachiopoden en stukjes van de stengels van zeelelies, allebei zeedieren. Hij is op de bodem van een zee ontstaan. Vandaag ligt dezelfde laag tot ongeveer $2700\,\mathrm{m}$ ($9000$ voet) boven zeeniveau: sinds zijn ontstaan is het hele gebied omhooggekomen.

Een stapel lagen kan worden getekend als een kolom: de lagen op elkaar in de volgorde waarin ze ontstonden, met hun dikte op schaal en hun aanwijzingen ernaast genoteerd. Hieronder staat de kolom van de Varden Hills, het verzonnen gebied van de oefeningen in deze reeks.

Opmerking 21.6 (Kijken, fotograferen, laten liggen)

Op veel beschermde plekken is het verboden een fossiel mee te nemen: in de Grand Canyon is het bijvoorbeeld bij wet verboden om welk fossiel ook op te graven, te verplaatsen of mee te nemen. Een bezoeker die er een vindt, maakt een foto of een tekening, laat het liggen waar het ligt zodat anderen het kunnen zien en wetenschappers het kunnen bestuderen, en waarschuwt een boswachter.

In het veld — Sedimenten die nu worden neergelegd

Kijk op een strand, aan de oever van een meer of langs een beek, samen met een volwassene, naar het zand onder ondiep water: het stromende water vormt er ribbels in, zoals die welke in het oude zandsteen bewaard zijn. Laat een voetafdruk achter in het natte zand vlak bij de waterlijn en kijk wat de volgende golven ermee doen. Kijk na een regenachtige dag naar een plas die is opgedroogd: een dun laagje fijne modder bedekt vaak het zand op de bodem — de fijnste korrels bezonken het laatst, toen het water stilstond. Teken wat je ziet, en noteer waar en wanneer.

21.5 Oefeningen

Oefening 21.1 ★

Koppel elk woord aan zijn betekenis: sediment; stratum; fossiel; afdruk; afgietsel; sporenfossiel. (a) Een holte in een gesteente waar een schelp is opgelost. (b) Een voetafdruk of een graafgang die in een gesteente bewaard is. (c) Los materiaal dat door water, wind of ijs is neergelegd. (d) Een stenen kopie die ontstaat als een holte zich met mineralen vult. (e) Een plaat sediment die in één keer is neergelegd. (f) Het overblijfsel of spoor van een levend wezen van lang geleden, bewaard in gesteente.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.1.

(a) afdruk; (b) sporenfossiel; (c) sediment; (d) afgietsel; (e) stratum; (f) fossiel.

Oefening 21.2 ★

Zet deze stappen in de goede volgorde om te vertellen hoe een schelp een fossiel aan het oppervlak wordt: (a) erosie slijt de lagen erboven weg; (b) het dier sterft op de zeebodem; (c) nieuwe lagen stapelen zich op en de schelp verandert in steen; (d) modder bedekt de schelp snel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.2.

(b) het dier sterft; (d) modder bedekt de schelp snel; (c) nieuwe lagen stapelen zich op en de schelp verandert in steen; (a) erosie slijt de lagen erboven weg.

Oefening 21.3 ★

Gebruik de tabel met aanwijzingen. Waar is elke laag ontstaan? (a) Een kalksteen vol koralen. (b) Een zandsteen met golfribbels op het oppervlak. (c) Een donkere laag steenkool. (d) Een schalie met afdrukken van bladeren en de vleugel van een libel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.3.

(a) Een warme, ondiepe, heldere zee. (b) Ondiep water, aan de rand van een meer, een rivier of een zee. (c) Een moerasbos of een moeras. (d) Land, met groeiende planten (en vliegende libellen), bij water waar de modder bezonk.

Oefening 21.4 ★

Waar of niet waar? Verbeter de onware uitspraken. (a) Elk dier dat sterft, wordt ooit een fossiel. (b) Een voetafdruk kan een fossiel zijn. (c) Als modderig water vertraagt, bezinkt de fijne modder het eerst. (d) Sedimenten worden vlak neergelegd.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.4.

(a) Niet waar: de meeste levende wezens laten geen fossiel achter; ze rotten weg of lossen op voordat ze worden begraven. (b) Waar: het is een sporenfossiel. (c) Niet waar: de grootste en zwaarste korrels bezinken eerst, de fijne modder het laatst. (d) Waar.

Oefening 21.5 ★★

Gebruik de kolom van de Varden Hills. (a) Geef de dikte van het zandsteen, de kalksteen en de schalie. (b) Wat is hun totale dikte? (c) Welk percentage van dit totaal is kalksteen? Rond af op een heel getal. (d) Waarom geeft de kolom geen dikte voor het krijt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.5.

(a) Zandsteen $120\,\mathrm{m}$, kalksteen $180\,\mathrm{m}$, schalie $100\,\mathrm{m}$. (b) $120 + 180 + 100 = 400\,\mathrm{m}$. (c) $180 \div 400 = 0.45$: 45 %. (d) De bovenkant is door erosie weggesleten: wat er over is, is niet de hele laag, en hoeveel er over is, verschilt van plek tot plek.

Oefening 21.6 ★★

Een leerling schudt een pot met water, grind, zand en modder, en laat die bezinken. (a) Teken de pot de volgende dag en benoem de lagen. (b) Waarom is het water na een uur nog troebel? (c) Ze doet er weer zand en modder bij en laat het bezinken. Wat ziet ze nu op de bodem? (d) Welke laag in de pot is het eerst ontstaan?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.6.

(a) Van onder naar boven: grind, dan zand, dan modder bovenop, onder het heldere water. (b) De piepkleine modderkorrels zinken heel langzaam: na een uur vallen ze nog steeds. (c) Een tweede reeks lagen boven op de eerste: weer zand, dan modder. (d) Het grind helemaal onderaan.

Oefening 21.7 ★★

Wat heeft de meeste kans om een fossiel te worden, en wat de minste? Leg uit. (a) Een kwal die op een rotsige kust is aangespoeld. (b) Een slakkenhuis dat in de modder van een rustig meer is begraven. (c) Een bot dat jarenlang op een droge vlakte ligt. (d) Een mosselschelp die bij een overstroming van een rivier door zand wordt bedekt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.7.

Het best: (b), een harde schelp, snel begraven onder fijne modder in rustig water. Dan (d): de schelp is hard en begraven, maar een overstroming kan haar ook verplaatsen en breken. Het minst: (a), een zacht lichaam zonder harde delen, op rotsen waar geen modder bezinkt om het te bedekken. (c) is niet veel beter: het bot blijft onbedekt en wordt afgebroken en weggesleten.

Oefening 21.8 ★★

Een schelp is begraven in zand dat zandsteen wordt. Water dat door het gesteente sijpelt, lost de schelp helemaal op. (a) Wat blijft er in het gesteente over? (b) Later vullen mineralen deze holte op. Wat ontstaat er? (c) Is de schelp zelf er nog? (d) Waarom worden afdrukken en afgietsels vaker in zandsteen gevonden dan in schalie? (Denk na over hoe gemakkelijk water tussen de korrels door gaat.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.8.

(a) Een holte met de vorm van de schelp in de wanden gedrukt: een afdruk. (b) Een afgietsel, een stenen kopie van de schelp. (c) Nee: de schelp is opgelost; het afgietsel bestaat uit nieuwe mineralen. (d) Water gaat gemakkelijk tussen de grote zandkorrels door, dus kan het de schelp bereiken en oplossen; in fijne modder gaat het veel minder gemakkelijk.

Oefening 21.9 ★★

De Grand Canyon is gemiddeld $1.6\,\mathrm{km}$ diep. (a) Schrijf deze diepte in meter. (b) Stel dat de wanden van de canyon bestonden uit lagen van elk $80\,\mathrm{m}$ dik: hoeveel lagen zouden er van de rand tot de bodem passen? (c) Welk percentage van de diepte is een laag van $160\,\mathrm{m}$?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.9.

(a) $1.6 \times 1000 = 1600\,\mathrm{m}$. (b) $1600 \div 80 = 20$ lagen. (c) $160 \div 1600 = 0.1$: 10 %.

Oefening 21.10 ★★

In een zandsteen worden voetafdrukken van dinosaurussen gevonden. (a) Liepen de dinosaurussen op hard gesteente? Leg uit. (b) Waarom verdwijnen de meeste voetafdrukken op een modderige kust? (c) Wat moest er kort nadat de dinosaurussen voorbij waren gekomen gebeuren om de voetafdrukken te bewaren? (d) Is een voetafdruk een lichaamsfossiel of een sporenfossiel?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.10.

(a) Nee: een voet laat alleen een afdruk achter in zachte grond, nat zand of modder; de grond werd later gesteente. (b) De volgende golf of overstroming spoelt ze weg. (c) Nieuw sediment moest ze snel bedekken en opvullen, voordat ze waren uitgewist. (d) Een sporenfossiel: het laat zien wat het dier deed, geen deel van zijn lichaam.

Oefening 21.11 ★★★

In een meer laat elke overstroming een laag zand van ongeveer $2\,\mathrm{cm}$ dik achter, en de rustige weken daarna een laag modder van ongeveer $5\,\mathrm{mm}$ dik (gegevens voor de oefening). (a) Hoe dik is één paar lagen, in millimeter? (b) Een boorkern uit de bodem van het meer is $1\,\mathrm{m}$ lang en bestaat alleen uit zulke paren. Hoeveel overstromingen legt hij vast? (c) Bij de riviermonding zijn de zandlagen dikker, ver weg zijn ze dunner. Leg uit waarom. (d) Waarom is er ver van de monding meer modder dan zand?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.11.

(a) $20 + 5 = 25\,\mathrm{mm}$. (b) $1000 \div 25 = 40$ paren: de boorkern legt 40 overstromingen vast. (c) Het zand is zwaar: het bezinkt kort nadat de rivier het meer binnenkomt, bij de monding; maar een klein deel ervan komt ver. (d) Ver weg zit alleen de fijne modder nog in het water: die bezinkt daar langzaam, als het water rustig is.

Oefening 21.12 ★★★

De fossielen die in gesteenten worden gevonden, zijn vooral schelpen en piepkleine resten; fossielen van zachte dieren zijn zeldzaam, en dinosaurussen vormen maar een heel klein deel van alle fossielen. (a) Leg uit waarom schelpen zo algemeen zijn. (b) Leg uit waarom zachte dieren zeldzaam zijn. (c) Een wetenschapper wil alle dieren kennen die in een oude zee leefden. Kunnen de fossielen de volledige lijst geven? Leg uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.12.

(a) Schelpen zijn hard: ze blijven lang genoeg bewaard om te worden begraven, en veel dieren met schelpen leefden op de zeebodem, waar modder over hen heen bezinkt. (b) Zachte lichamen rotten weg voordat ze kunnen worden begraven. (c) Nee: zachte dieren laten bijna nooit fossielen achter, dus de lijst uit de fossielen is onvolledig; ze toont vooral de dieren met schelpen of botten.

21.6 Probleem: De kolom van de Varden Hills

Probleem 21.1

Weekendprobleem — de lagen van de Varden Hills worden een voor een gelezen, hun fossielen vertellen waar ze ontstonden, en de tijd die nodig was om de kalksteen op te stapelen wordt berekend

Gebruik de kolom van de Varden Hills in dit hoofdstuk. Het zandsteen vertoont golfribbels en voetafdrukken; de kalksteen bevat koralen en schelpen; de schalie bestaat uit heel fijne korrels, met ammonieten; het krijt bovenaan is gedeeltelijk weggesleten.

Deel I — De lagen lezen.

1. Noem de vier lagen, van de eerste die werd neergelegd tot de laatste.
2. Geef de dikte van het zandsteen, de kalksteen en de schalie, en hun totaal.
3. Welk percentage van dit totaal is kalksteen?
4. Waarom kan niemand zeggen hoe dik het krijt was toen het ontstond?

Deel II — De fossielen erin.

5. Waar is het zandsteen ontstaan? Geef twee aanwijzingen.
6. Waar is de kalksteen ontstaan? Geef de aanwijzing.
7. De schalie bestaat uit heel fijne korrels. Was het water rustig of stromend toen ze werd neergelegd? Leg uit.
8. Vertel in drie zinnen het verhaal van de plek, van het zandsteen tot de schalie.

Deel III — Hoe lang het duurde.

9. Schrijf de dikte van de kalksteen in centimeter.
10. Stel dat het zandsteen elke 20 jaar $1\,\mathrm{cm}$ aangroeide. Hoeveel jaar duurden zijn $120\,\mathrm{m}$?
11. Stel dat de kalksteen elke 100 jaar $1\,\mathrm{cm}$ aangroeide. Hoeveel jaar duurde $1\,\mathrm{m}$ kalksteen?
12. Hoeveel jaar duurde de $180\,\mathrm{m}$ kalksteen? Hoeveel keer langer is dat dan voor het zandsteen?

Oplossing

Oplossing van Probleem 21.1.

1. Zandsteen, kalksteen, schalie, krijt (de eerste onderaan de kolom).

2. $120\,\mathrm{m}$, $180\,\mathrm{m}$ en $100\,\mathrm{m}$; samen $400\,\mathrm{m}$.

3. $180 \div 400 = 0.45$: 45 %.

4. De bovenkant is weggesleten: het bovenste deel van de laag is verdwenen, en niemand kan meten wat er niet meer is.

5. In ondiep water aan de rand van een meer, een rivier of een zee: golfribbels ontstaan in zand in ondiep water, en voetafdrukken worden achtergelaten in zacht, nat zand of modder, vaak aan een kust.

6. In een warme, ondiepe, heldere zee: de koralen.

7. Rustig: fijne modder bezinkt alleen waar het water bijna stilstaat.

8. Eerst was de plek een kust, met ondiep water en zacht zand waarover dieren liepen. Daarna bedekte de zee haar: een warme, ondiepe zee waarin koralen groeiden en schelpen zich opstapelden. Later werd het water rustiger, misschien dieper, en bezonk er alleen fijne modder, met de schelpen van ammonieten, dieren die verwant zijn aan inktvissen en octopussen.

9. $180 \times 100 = 18\,000$ cm.

10. $120~\text{m} = 12\,000$ cm, en $12\,000 \times 20 = 240\,000$ jaar.

11. $1~\text{m} = 100$ cm, en $100 \times 100 = 10\,000$ jaar.

12. $180 \times 10\,000 = 1\,800\,000$: ongeveer 1 800 000 jaar, bijna twee miljoen jaar. Dat is $1\,800\,000 \div 240\,000 = 7.5$ keer langer dan voor het zandsteen.