20Fosil dan Paleolingkungan

Pada sebongkah batu pasir kelabu terdapat tiga petunjuk: jejak yang dibajak seekor trilobit melalui lumpur, riak yang ditinggalkan oleh arus, dan liang yang digali lalu ditinggalkan oleh seekor cacing. Tidak satu pun dari ketiganya adalah hewan yang utuh, namun bersama-sama ketiganya menyatakan bahwa lereng bukit ini dulu adalah dasar laut, cukup dangkal untuk diaduk oleh gelombang, dan cukup asin untuk dihuni trilobit. Fosil adalah sisa dan jejak kehidupan masa lampau, dan ahli geologi membacanya dua kali: sebagai jam yang menentukan umur batuan, dan sebagai saksi tempat batuan itu terbentuk. Bab ini mengikuti suatu makhluk hidup dari kematiannya sampai ke laci kolektor, membuka endapan langka tempat bahkan tubuh lunak pun terawetkan, lalu membaca lingkungan sebuah laut yang telah lenyap, dengan angka, dalam penutup sedimen Perbukitan Varden.

Yang sudah kamu ketahui

Dari volume-volume sekolah: fosil, cetakan, tuangan, dan fosil jejak; bagaimana penimbunan dan mineral mengubah cangkang menjadi batu; suksesi fosil sepanjang waktu. Dari volume Tahun 1: fasies sedimen dan lingkungan pengendapan, turbidit, terumbu, dan ooid; biozona, fosil indeks, dan datum kemunculan pertama; kompaksi, dekompaksi, hukum Athy, dan ketebalan padat suatu lapisan; semen; akomodasi. Dari bab-bab sebelumnya: transgresi dan regresi, muka laut jangka panjang, dan peristiwa anoksik samudra (Bab 19). Bagaimana spesies berevolusi, dan bagaimana hewan dan tumbuhan diklasifikasikan, dibahas dalam buku-buku biologi.

20.1 Dari kematian sampai menjadi fosil

Sebagian besar makhluk hidup tidak meninggalkan apa pun. Bakteri dan pemakan bangkai menghabiskan bagian lunaknya dalam beberapa hari atau tahun, arus mematahkan dan menyebarkan bagian kerasnya, dan asam dalam tanah dan air pori melarutkan sisanya. Fosil adalah apa yang lolos dari semua itu, dan lolos lagi dari penimbunan, pemanasan, dan pengangkatan batuan yang memuatnya.

Definisi 20.1 (Tafonomi; potensi pengawetan)

Yang disebut tafonomi adalah kajian tentang apa yang terjadi pada sisa suatu organisme dari kematiannya sampai ditemukannya sebagai fosil: pembusukan, pemakanan oleh pemakan bangkai, pengangkutan, penimbunan, dan perubahan kimia diagenesis. Yang disebut potensi pengawetan suatu organisme, atau salah satu bagiannya, adalah peluang bahwa organisme atau bagian itu melewati tahap-tahap ini dan bertahan dalam batuan.

Setiap tahap menghilangkan sesuatu, menambahkan sesuatu, atau mengubah sesuatu. Pembusukan dan pemakan bangkai menghilangkan jaringan lunak; mineral dari air pori mengisi pori-pori tulang atau menggantikan aragonit cangkang, sehingga menambahkan materi yang tidak pernah dimiliki hewan itu; pemanasan mengubah molekul organik yang tersisa. Loron memilah semua perubahan pascakematian ini menjadi tiga jenis, yaitu penambahan, kehilangan, dan alterasi, dan menuliskannya sebagai satu persamaan untuk perubahan setiap ciri terukur antara suatu organisme dan fosilnya. Gambar di bawah mengikuti tahap-tahap itu dan apa yang diambil oleh masing-masing.

Volume-volume sekolah menyebut fosil setiap sisa atau jejak kehidupan masa lampau yang tersimpan dalam batuan. Kedua jenisnya berperilaku begitu berbeda dalam batuan sehingga keduanya layak mendapat nama sendiri.

Definisi 20.2 (Fosil tubuh; fosil jejak)

Yang disebut fosil tubuh adalah bagian tubuh suatu organisme, atau cetakan atau tuangan bagian itu: cangkang, tulang, gigi, daun, dan dalam endapan langka jaringan lunak. Yang disebut fosil jejak adalah struktur yang dibuat oleh suatu organisme melalui aktivitasnya di dalam atau di atas sedimen atau batuan: jejak kaki, jejak seretan, liang, lubang bor, pola makan.

Fosil jejak adalah bagian dari sedimen tempat ia digali: arus yang memindahkannya akan menghancurkannya. Karena itu fosil jejak merekam kondisi tempat pembuatnya hidup, yang tidak selalu direkam oleh cangkang, yang mudah terguling di sepanjang dasar. Fosil jejak dinamai seperti organisme, dengan genus dan spesies, tetapi nama itu menggambarkan strukturnya, bukan hewannya: liang yang sama dapat digali oleh beberapa jenis hewan, dan satu hewan dapat meninggalkan beberapa jenis jejak.

Penimbunan melawan penghancuran

Perlombaan antara penimbunan dan penghancuran dapat dituangkan ke dalam model sederhana. Sisa-sisa yang tergeletak di dasar dihancurkan dengan laju tetap $k$, yaitu peluang per satuan waktu bahwa sisa itu dimakan, dipecah, atau dilarutkan; sisa itu aman begitu tertutup oleh sedimen setebal $h$; dan sedimen terakumulasi dengan laju $s$.

Proposisi 20.3 (Penimbunan sebelum penghancuran)

Dengan asumsi-asumsi ini, peluang bahwa suatu sisa mencapai keadaan aman adalah

$$P = e^{-kh/s}.$$

Peluang itu bergantung pada ketiga besaran hanya melalui rasio waktu sampai tertimbun, $h/s$, terhadap waktu bertahan rata-rata di dasar, $1/k$.

Contoh 20.4 (Cangkang di dasar yang tenang)

Misalkan sebuah cangkang bertahan di dasar rata-rata selama 20 tahun, $k = 0.05\,\mathrm{yr}^{-1}$, dan aman di bawah lumpur setebal $h = 0.1\,\mathrm{m}$. Pada $s = 1\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$ waktu sampai tertimbun adalah 100 tahun dan $P = e^{-5} = 0.0067$: kurang dari satu cangkang dalam seratus yang bertahan. Pada $1\,\mathrm{cm}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $P = e^{-0.5} = 0.61$. Badai yang mencurahkan pasir setebal $0.3\,\mathrm{m}$ dalam sehari menimbun semuanya sekaligus, dan $P$ lalu mendekati satu. Angka-angka ini diandaikan, tetapi pelajarannya tidak: fosil berkumpul di tempat sedimen datang dengan cepat atau dalam lapisan yang tiba-tiba.

Model itu juga menunjukkan mengapa catatan fosil berat sebelah. Cacing bertubuh lunak, yang waktu bertahan rata-ratanya di dasar adalah beberapa hari dan bukan puluhan tahun, memiliki nilai $k$ ratusan kali lebih besar daripada cangkang yang tebal, dan karena itu peluang yang secara eksponensial lebih kecil. Sebagian besar catatan fosil terdiri atas hewan bercangkang dan sisa-sisa mikroskopis. Tyler dan Kowalewski menguji seberapa banyak yang hilang dari suatu komunitas dalam perjalanannya ke dalam batuan. Di 51 lokasi pada dasar laut pesisir mereka menghitung 135 spesies hidup avertebrata, 150 spesies di antara cangkang dan kerangka yang tergeletak mati di dasar, dan 112 yang juga memiliki catatan fosil. Yang mati lebih banyak daripada yang hidup karena cangkang di dasar berkumpul selama bertahun-tahun, dari hewan yang tidak lagi hidup di sana. Pemakan detritus dan karnivor, yang sebagian besar bertubuh lunak, paling kecil kemungkinannya terawetkan; namun kelompok-kelompok ekologi utama komunitas yang hidup semuanya ditemukan kembali di antara yang mati.

20.2 Jendela pengawetan luar biasa

Definisi 20.5 (Lagerstätte)

Yang disebut Lagerstätte (jamak Lagerstätten) adalah endapan sedimen yang mengawetkan fosil dengan mutu luar biasa, khususnya jaringan lunak yang tidak termineralisasi secara biologis, yang dihancurkan oleh pembusukan hampir di semua tempat lain; endapan seperti itu juga disebut Konservat-Lagerstätte.

Lagerstätten itu langka, tetapi banyak dari yang diketahui tentang hewan bertubuh lunak berasal darinya, dan radiasi besar pertama hewan, pada Kambrium, paling baik dipahami melaluinya.

Serpih Burgess

Pada 1909 Charles Walcott membuat sketsa dalam buku lapangannya tentang seekor artropoda kecil yang ditemukannya di Serpih Burgess, British Columbia. Kemudian ia mengumpulkan ratusan spesimennya, Waptia, dari satu selang setebal sekitar $2\,\mathrm{m}$, yaitu Phyllopod Bed; deskripsi modernnya bertumpu pada lebih dari 1800 spesimen yang disimpan di dua museum. Serpih Burgess, yang berumur sekitar 508 juta tahun, diendapkan di air yang lebih dalam, menghadap sebuah tebing curam bawah laut. Fosil-fosilnya mencakup hewan tanpa cangkang, yang terawetkan sebagai lapisan tipis karbon yang pipih, sering berupa tubuh utuh. Pengawetan seperti itu terkait dengan penimbunan dalam lumpur miskin oksigen yang tidak digali oleh hewan dan tidak diolah ulang oleh arus: kehilangan-kehilangan pada gambar di atas dihentikan seketika.

Solnhofen

Batu gamping berbutir halus di Solnhofen dan Eichstätt, di Bayern, diendapkan di laguna-laguna pada awal Tithonium, kala terakhir Jura, yang dimulai $149.2\,\mathrm{Ma}$ yang lalu. Batu gamping itu adalah lokalitas tipe dua belas spesimen Archaeopteryx, banyak pterosaurus, dan ikan yang jaringan lunaknya dan bahkan pola warnanya masih terawetkan. Fosil di sana langka, tetapi pengawetannya luar biasa. Beberapa kondisi telah diajukan, yang mungkin bekerja bersama-sama: air dasar yang sekitar tiga kali lebih asin daripada air laut atau sangat basa, yang memperlambat pembusukan oleh bakteri; tikar bakteri yang menyegel bangkai-bangkai; air dasar tanpa oksigen, yang menjauhkan pemakan bangkai; dan badai yang mengaduk lumpur gamping dan menimbun bangkai-bangkai dengan cepat. Masing-masing kondisi itu memperpanjang waktu bertahan $1/k$ atau memperpendek waktu sampai tertimbun $h/s$.

Fosil sebagai jam

Volume Tahun 1 membangun biozona, yaitu satu tubuh strata yang ditentukan oleh fosilnya, dan fosil indeks yang mengenalinya. Sehalus apa jam yang dihasilkannya? Sebuah zona amonit Jura dapat berlangsung sekitar sejuta tahun: zona Toarsium yang paling awal, yang umurnya ditentukan dengan umur uranium–timbal lapisan abu di Argentina, meliputi 183.73 sampai $182.77\,\mathrm{Ma}$. Zona dibagi menjadi horizon, dan pada Jura Akhir sebuah horizon amonit rata-rata berlangsung $165\,\mathrm{ka}$. Semua kerangka Archaeopteryx berasal dari satu zona yang memuat lima horizon, sehingga burung itu dikenal selama sekitar 0.7 sampai 1 juta tahun. Namun fosil hanya memberikan urutan; umur dalam tahun berasal dari lapisan abu yang ditentukan umurnya dengan uranium dan timbal, dan dari siklus sedimen. Lapisan abu yang sama menempatkan alas Toarsium pada $183.73$, dengan ketidakpastian $+0.35$ dan $-0.50\,\mathrm{Ma}$, sedangkan bagan internasional memberikan $184.2\,\mathrm{Ma}$.

20.3 Fosil sebagai saksi lingkungan

Untuk membaca suatu lingkungan dalam fosil, seorang ahli geologi mengandaikan bahwa organisme itu hidup di tempat kerabatnya yang masih hidup kini tinggal, dan bahwa proses-proses yang bekerja pada sedimen kini bekerja dengan cara yang sama pada masa itu.

Definisi 20.6 (Aktualisme)

Yang disebut aktualisme adalah metode menafsirkan rekaman geologi masa lampau melalui proses-proses, dan hubungan antara organisme dan lingkungannya, yang dapat diamati kini.

Pada 1830 Charles Lyell memberi volume pertama Principles of Geology-nya anak judul “suatu upaya untuk menjelaskan perubahan-perubahan permukaan Bumi pada masa lampau dengan merujuk pada sebab-sebab yang kini bekerja”. Metode itu memiliki batas. Banyak kelompok telah punah, dan cara hidupnya harus disimpulkan dari bentuknya dan dari sedimen di sekitarnya; dan suatu lingkungan masa lampau mungkin tidak memiliki padanan yang tepat pada masa kini.

Definisi 20.7 (Paleolingkungan)

Yang disebut paleolingkungan adalah himpunan kondisi fisik, kimia, dan biologi yang berlaku di tempat dan pada waktu suatu batuan terbentuk: tatanan, kedalaman dan energi air, salinitasnya, suhunya, dan oksigennya, sifat dasarnya, serta kehidupan di atasnya.

Di mana fosil itu hidup?

Pertanyaan pertama adalah apakah fosil-fosil itu hidup di tempat ia kini terbaring.

Definisi 20.8 (Kumpulan hidup dan kumpulan mati; fosil autokton dan alokton)

Yang disebut kumpulan hidup adalah sekelompok fosil organisme yang hidup bersama, terawetkan di tempat dan dalam keadaan saat organisme itu hidup; kumpulan mati adalah sekelompok sisa yang terkumpul setelah kematian, yang dapat mencampurkan organisme dari tempat yang berbeda dan waktu yang berbeda. Suatu fosil disebut autokton jika ia terawetkan di tempat organisme itu hidup, dan alokton jika ia diangkut dari tempat lain sebelum tertimbun.

Petunjuknya adalah petunjuk pengangkutan. Cangkang yang masih tertutup, koral atau bivalvia penggali dalam posisi tumbuhnya, duri-duri halus yang utuh, semua umur suatu populasi hadir: fosil-fosil itu kemungkinan autokton. Katup-katup tunggal yang terpilah menurut ukuran, pecahan yang aus dan patah, cangkang yang terkonsentrasi di alas lapisan bergradasi: semuanya telah terangkut. Kumpulan mati cangkang, seperti kumpulan di dasar pesisir di atas, masih memuat sebagian besar komunitas, tetapi kumpulan itu menghimpun bertahun-tahun komunitas itu ke dalam satu lapisan: fosil-fosilnya dirata-ratakan terhadap waktu.

Salinitas dan oksigen

Sebagian hewan hanya menoleransi salinitas laut terbuka: hewan itu disebut stenohalin. Ekinodermata, sefalopoda, koral, dan, pada Paleozoikum, trilobit adalah kelompok stenohalin yang khas; kehadirannya menunjukkan air laut yang normal, dan ketidakhadirannya dari suatu fauna yang kaya dapat menunjukkan sebaliknya. Endapan sebuah estuari Silur di Vietnam memuat serpihan tumbuhan, tulang ikan, bivalvia, gastropoda, dan ostrakoda, tetapi tidak satu pun dari kelompok-kelompok tadi. Ekinodermata juga tidak ada dalam biota Chengjiang, sebuah Lagerstätte berumur sekitar 518 juta tahun, walaupun ekinodermata terdapat dalam Lagerstätten laut terbuka Kambrium: hewan-hewan Chengjiang hidup di lepas sebuah delta, tempat air tawar membuat salinitas berfluktuasi.

Oksigen meninggalkan tandanya melalui para penggali liang. Di tempat air dasar mengandung oksigen, hewan-hewan mengaduk sedimen dan menghancurkan laminasi halusnya; di tempat air itu tidak mengandung oksigen, laminanya bertahan, liang tidak ada, dan pirit terbentuk, seperti dalam serpih hitam peristiwa anoksik samudra pada Bab 19. Ketiadaan penggali liang yang sama melindungi bangkai-bangkai di Serpih Burgess.

Iknofasies

Fosil jejak adalah saksi terbaik tentang dasar, karena fosil jejak tidak berpindah. Pembuatnya menanggapi energi air, kekerasan dasar, makanan, dan oksigen, dan asosiasi jejak yang sama berulang sepanjang Fanerozoikum.

Definisi 20.9 (Iknofasies)

Yang disebut iknofasies adalah asosiasi fosil jejak yang berulang dan yang mencerminkan seperangkat kondisi lingkungan; iknofasies dinamai menurut sebuah jejak yang khas.

Di sepanjang profil laut, dari pantai sampai cekungan dalam, empat iknofasies laut susul-menyusul (gambar di bawah). Iknofasies Skolithos, yang didominasi oleh liang hunian vertikal, berbentuk silinder atau berbentuk U, milik pemakan suspensi, dengan sedikit jejak horizontal, khas untuk pantai depan dan muka pantai. Iknofasies Cruziana, yang didominasi oleh liang pemakan endapan, dengan jejak perumput, karnivor, dan pemakan suspensi, khas untuk zona lepas pantai: dasar antara dasar gelombang cuaca cerah, yaitu kedalaman yang di atasnya gelombang biasa mengaduk sedimen, dan dasar gelombang saat badai, yang hanya dicapai oleh gelombang saat badai. Iknofasies Zoophycos, yang dinamai menurut sebuah liang yang mengolah ulang sedimen dalam lembaran berpilin di sekeliling sumbu pusat, khas untuk paparan di bawah dasar gelombang saat badai dan untuk lereng. Iknofasies Nereites, dengan liang berkelok teratur, berbentuk spiral, dan berjaringan, yang dibaca sebagai perangkap dan kebun hewan yang hanya menemukan sedikit makanan, khas untuk laut dalam di luar tepi paparan. Di teluk payau dan estuari, iknofasies Cruziana dengan sedikit spesies adalah hal yang biasa.

Kedalaman tidak bekerja secara langsung. Di sebuah saluran laut dalam, tempat arus turbidit kuat, liang vertikal iknofasies Skolithos muncul jauh di bawah dasar gelombang mana pun; dan dekat sebuah delta, tempat air tawar dan lumpur tercurah masuk, jejak lepas pantai lebih miskin daripada di tempat lain. Para pembuatnya juga berpindah sepanjang waktu: liang Zoophycos hidup di paparan pada Paleozoikum, di paparan bawah dan lereng pada Mesozoikum, dan di laut dalam pada Kenozoikum. Iknofasies merekam kondisi di dasar, sedangkan kedalaman hanya disimpulkan darinya, dan penyimpulan itu harus memakai umur batuan.

Di lapangan — Menghitung fosil lapis demi lapis

Seorang ahli paleontologi yang merekonstruksi suatu lingkungan dari sebuah penampang mencatat setiap lapisan dengan litologinya, ketebalannya, dan struktur sedimennya, lalu fosilnya: kelompok mana, berapa banyak, apakah cangkangnya utuh atau patah, tertutup atau terbuka, terpilah atau tidak, dan dalam posisi apa cangkang itu terbaring. Fosil jejak dicatat di tempat fosil itu terlihat, pada bidang perlapisan dan pada muka vertikal, dengan kedalaman yang dicapai liang. Karena cangkang dapat dipindahkan tetapi liang tidak, kedua daftar itu dipisahkan; lingkungan dibaca terlebih dahulu dari jejak, dan fosil tubuh lalu diperiksa untuk mencari tanda-tanda pengangkutan.

20.4 Membaca laut yang telah lenyap

Lingkungan-lingkungan terletak berdampingan: pantai, dasar lepas pantai, paparan yang lebih dalam. Ketika laut naik atau dasar turun, setiap lingkungan bergerak ke arah daratan di atas tetangganya, dan endapannya menjadi terletak di atas endapan tetangga itu. Dengan demikian suksesi vertikal fasies, tanpa jeda, mengulang urutan lingkungan yang dulu terletak bersebelahan; volume Tahun 3 menjadikan aturan ini, hukum Walther, titik tolaknya. Log yang dibaca dari bawah ke atas adalah sebuah film tentang pantai yang bergerak melintasi satu tempat.

Penutup sedimen Perbukitan Varden, wilayah rekaan seri ini, memberikan contoh yang lengkap. Ketebalannya adalah ketebalan dalam model wilayah itu; fosil-fosil pada gambar di bawah direka untuknya, tetapi masing-masing dipilih sebagai fosil yang dapat dimuat oleh batuan nyata sejenis. Batu gamping diberi umur Toarsium, dari 184.2 sampai $174.7\,\mathrm{Ma}$, dan serpih umur Aalenium sampai Callovium, dari $174.7\,\mathrm{Ma}$ sampai $161.5\,\mathrm{Ma}$.

Contoh 20.10 (Alas penutup sedimen Varden)

Batu pasir memuat isian saluran di atas alas tergerus, akar, dan pecahan tumbuhan, dan tidak memuat fosil laut: batu pasir itu diendapkan oleh sungai di darat. Batu gamping oolitik di atasnya memiliki ooid berperlapisan silang, yang tumbuh sambil berguling di air yang bergolak, tabung vertikal dan liang berbentuk U dari iknofasies Skolithos, dan pecahan cangkang yang aus, semuanya alokton: sebuah gosong di muka pantai, yang disapu gelombang. Di antara keduanya laut datang: kontak itu merekam suatu transgresi laut. Dalam urutan hukum Walther, dataran sungai disusul oleh pantai, lalu oleh gosong.

Seberapa cepat dasar laut terisi?

Biozona memberikan durasi, log memberikan ketebalan, dan rasio keduanya adalah laju. Tetapi ketebalan itu telah menyusut sejak sedimen diendapkan: air dalam pori telah terperas keluar, dan hanya butirannya yang kekal.

Proposisi 20.11 (Laju akumulasi lapisan yang terkompaksi)

Lapisan yang ketebalannya kini $h$ dan porositas rata-ratanya $\varphi$, yang diendapkan selama waktu $\Delta t$ dengan porositas $\varphi_0$, terakumulasi dengan laju

$$r = \frac{h\,(1 - \varphi)}{(1 - \varphi_0)\,\Delta t}$$

sedimen segar, dan dengan laju $h(1-\varphi)/\Delta t$ butiran, yang tidak bergantung pada $\varphi_0$.

Bila porositas tidak diukur, hukum Athy memberikannya dari kedalaman. Gambar di bawah menunjukkan hukum itu untuk empat litologi, dan faktor $(1 - \varphi(z))/(1 - \varphi_0)$ yang dengannya lapisan tipis yang kini berada pada kedalaman $z$ harus direntangkan untuk memberikan ketebalannya di permukaan. Kapur dan serpih mula-mula mengandung banyak air dan cepat kehilangannya: lapisan tipis serpih pada $1000\,\mathrm{m}$ dulu 1.68 kali lebih tebal ketika diendapkan, dan lapisan kapur 2.19 kali.

Contoh 20.12 (Serpih Varden)

Di sinklin Perbukitan Varden kapur setebal $766\,\mathrm{m}$, sehingga serpih terletak antara 766 dan $866\,\mathrm{m}$. Dengan konstanta serpih, $\varphi_0 = 0.63$ dan $\lambda = 1960\,\mathrm{m}$, ketebalan padat pada volume Tahun 1 adalah $100 - 0.63 \times 1960 \times (e^{-766/1960} - e^{-866/1960}) = 58.4\,\mathrm{m}$, yaitu porositas rata-rata 0.416. Jika dibawa kembali ke permukaan dengan butiran yang sama, lapisan itu setebal $148.6\,\mathrm{m}$. Selama $13.2\,\mathrm{Ma}$ dari alas Aalenium sampai puncak Callovium, serpih terakumulasi dengan laju $100/13.2 = 7.6\,\mathrm{m}$ per juta tahun menurut ketebalannya kini, $148.6/13.2 = 11.3\,\mathrm{m}$ per juta tahun lumpur segar, dan $4.4\,\mathrm{m}$ per juta tahun butiran. Ketebalan masa kini mengecilkan laju itu sepertiganya.

Serpih itu mungkin dulu terletak lebih dalam lagi, di bawah kapur yang sejak itu tererosi; koreksi itu lalu merupakan nilai minimum. Soal akhir pekan menerapkan proposisi itu pada batu gamping, yang porositasnya diukur.

Latihan

Data untuk latihan, kecuali dinyatakan lain: hukum Athy $\varphi = \varphi_0 e^{-z/\lambda}$ dengan $\varphi_0 = 0.63$, $\lambda = 1960\,\mathrm{m}$ (serpih), $0.49$, $3704\,\mathrm{m}$ (batu pasir), $0.70$, $1408\,\mathrm{m}$ (kapur), $0.51$, $4545\,\mathrm{m}$ (batu gamping); kalsit $2710\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, air pori $1000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$; umur pada bagan internasional: Toarsium 184.2 sampai $174.7\,\mathrm{Ma}$.

Latihan 20.1 ★

Di 51 lokasi pada dasar pesisir, 135 spesies avertebrata ditemukan hidup, 150 di antara cangkang dan kerangka mati di dasar, dan 112 yang juga memiliki catatan fosil. (a) Nyatakan bilangan ketiga sebagai fraksi dari masing-masing dua bilangan pertama. (b) Bagaimana yang mati bisa lebih banyak daripada yang hidup? (c) Kelompok makan mana yang kamu duga kurang terwakili di antara yang mati, dan mengapa?

Solusi

Solusi Latihan 20.1.

(a) $112/135 = 0.830$ dan $112/150 = 0.747$. (b) Cangkang mati di dasar berkumpul selama bertahun-tahun atau lebih: cangkang itu mencakup spesies yang dulu hidup di sana, atau jarang hidup di sana, atau terbawa masuk, sehingga kumpulan mati merata-ratakan banyak generasi komunitas. (c) Kelompok bertubuh lunak, khususnya pemakan detritus dan karnivor seperti cacing: tanpa kerangka, organisme itu membusuk sebelum tertimbun.

Latihan 20.2 ★

Sebuah horizon amonit Jura Akhir rata-rata berlangsung $165\,\mathrm{ka}$. (a) Berapa lama lima horizon berlangsung? Bandingkan dengan 0.7 sampai 1 juta tahun yang diberikan untuk Archaeopteryx. (b) Zona Toarsium yang paling awal meliputi 183.73 sampai $182.77\,\mathrm{Ma}$: berapa horizon dengan panjang rata-rata yang akan dimuatnya? (c) Mengapa horizon, bukan zona, yang penting untuk mengikuti evolusi suatu garis keturunan?

Solusi

Solusi Latihan 20.2.

(a) $5 \times 165 = 825\,\mathrm{ka}$, sekitar $0.8\,\mathrm{Ma}$, di dalam rentang 0.7 sampai 1 juta tahun. (b) $183.73 - 182.77 = 0.96\,\mathrm{Ma}$, dan $0.96/0.165 = 5.8$: sekitar enam horizon. (c) Suatu garis keturunan berubah dalam waktu yang jauh kurang dari sejuta tahun; hanya horizon yang memisahkan bentuk-bentuk yang berurutan, sedangkan zona menggabungkannya.

Latihan 20.3 ★

Sebutkan iknofasies dan tatanan setiap kumpulan jejak. (a) Jejak merumput yang berkelok-kelok dan jaringan liang yang teratur pada alas turbidit tipis. (b) Tabung vertikal yang rapat dalam pasir bersih berperlapisan silang. (c) Liang horizontal pemakan endapan yang melimpah dan jejak merumput dalam lapisan lanauan di antara pasir badai. (d) Liang spreite berpilin dalam lumpur halus yang gelap tanpa riak gelombang, dalam batuan Mesozoikum.

Solusi

Solusi Latihan 20.3.

(a) Iknofasies Nereites: dasar laut dalam suatu sistem turbidit, di luar tepi paparan, tempat makanan langka. (b) Iknofasies Skolithos: pantai depan atau muka pantai. (c) Iknofasies Cruziana: lepas pantai, antara dasar gelombang cuaca cerah dan dasar gelombang saat badai. (d) Iknofasies Zoophycos: pada Mesozoikum, paparan bawah atau lereng, di bawah dasar gelombang saat badai.

Latihan 20.4 ★

Lapisan A memuat krinoid, brakiopoda, koral, dan trilobit; lapisan B, yang seumur, memuat serpihan tumbuhan, tulang ikan, beberapa bivalvia dan gastropoda, dan banyak individu dari hanya dua spesies ostrakoda. (a) Apa yang dikatakan masing-masing tentang salinitas airnya? (b) Lapisan B tidak memiliki kelompok-kelompok lapisan A: mengapa ketiadaan itu merupakan argumen, sedangkan ketiadaan satu fosil dari satu lapisan bukan argumen? (c) Pengamatan lain mana yang akan menguji tafsiran lapisan B?

Solusi

Solusi Latihan 20.4.

(a) Lapisan A memuat kelompok stenohalin: air laut normal. Lapisan B, yang miskin spesies tetapi kaya individu, dengan serpihan tumbuhan dan tanpa satu pun kelompok stenohalin, menunjukkan air payau, misalnya sebuah estuari. (b) Kelompok yang hilang itu banyak, umum, dan terawetkan dengan baik dalam lapisan laut yang seumur: ketiadaan bersama mereka adalah suatu pola, sedangkan satu fosil dapat hilang karena kebetulan atau karena pengawetan yang buruk. (c) Sedimennya (saluran pasang surut atau sungai, selaput lumpur, akar), fosil jejaknya (iknofasies Cruziana dengan sedikit spesies), dan peralihan lapisan B, secara lateral, menjadi endapan laut atau endapan sungai.

Latihan 20.5 ★★

Gunakan Proposisi 20.3 dengan cangkang pada Contoh 20.4, $k = 0.05\,\mathrm{yr}^{-1}$ dan $h = 0.1\,\mathrm{m}$. (a) Tentukan laju sedimentasi yang membuat separuh cangkang mencapai keadaan aman. (b) Dengan faktor berapa $P$ berubah bila laju itu dibagi dua dari nilai tersebut? (c) Cangkang yang dua kali lebih tebal bertahan dua kali lebih lama di dasar. Pada $1\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$, berapa kali lebih besar peluangnya untuk terawetkan? (d) Apa implikasinya bagi proporsi cangkang tipis dan cangkang tebal dalam suatu kumpulan fosil?

Solusi

Solusi Latihan 20.5.

(a) $P = 1/2$ bila $kh/s = \ln 2$: $s = 0.05 \times 0.1/0.693 = 0.0072\,\mathrm{m}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $7.2\,\mathrm{mm}$ per tahun. (b) Membagi dua $s$ menggandakan eksponennya: $P = (1/2)^2 = 0.25$, separuhnya. (c) $k$ dibagi dua: $P = e^{-2.5} = 0.082$ alih-alih $e^{-5} = 0.0067$, $e^{2.5} = 12$ kali lebih mungkin. (d) Cangkang yang tebal dan kokoh terwakili berlebihan, dan makin berlebihan makin lambat penimbunannya.

Latihan 20.6 ★★

Lapisan abu menempatkan alas Toarsium di Chacay Melehue pada $183.73$, $+0.35$, $-0.50\,\mathrm{Ma}$; bagan internasional memberikan $184.2\,\mathrm{Ma}$. (a) Apakah nilai bagan itu berada dalam ketidakpastian? Seberapa jauh nilai itu meleset dari batas atas? (b) Zona Toarsium yang paling awal berakhir pada $182.77\,\mathrm{Ma}$: tentukan durasinya. (c) Misalkan zona ini setebal $6\,\mathrm{m}$ dalam sebuah penampang: berapa laju akumulasinya? (d) Mengapa suatu biozona dapat sama waktunya di mana-mana sementara ketebalannya berbeda dari satu tempat ke tempat lain?

Solusi

Solusi Latihan 20.6.

(a) Batas atasnya $183.73 + 0.35 = 184.08\,\mathrm{Ma}$: $184.2\,\mathrm{Ma}$ pada bagan berada di luarnya, sebesar $0.12\,\mathrm{Ma}$. (b) $183.73 - 182.77 = 0.96\,\mathrm{Ma}$. (c) $6/0.96 = 6.25\,\mathrm{m}$ per juta tahun. (d) Biozona ditentukan oleh fosil, yang kemunculan dan kepunahannya hampir serentak di wilayah yang luas; ketebalan batuan yang diendapkan selama waktu itu bergantung pada laju akumulasi setempat.

Latihan 20.7 ★★

Di sinklin Varden batu pasir terletak antara 1046 dan $1166\,\mathrm{m}$ di bawah permukaan tanah. (a) Tentukan porositasnya menurut hukum Athy di puncak dan di alasnya, dan porositas rata-ratanya, dibulatkan sampai tiga desimal, dari rata-rata keduanya. (b) Tentukan ketebalan padatnya. (c) Pulihkan lapisan itu ke permukaan dengan faktor lapisan tipis pada porositas rata-rata. (d) Pemulihan yang eksak memberikan $147.0\,\mathrm{m}$. Mengapa perkiraan lapisan tipis sedikit terlalu besar?

Solusi

Solusi Latihan 20.7.

(a) $0.49\,e^{-1046/3704} = 0.369$ dan $0.49\,e^{-1166/3704} = 0.358$; rata-rata $0.364$. (b) $120 \times (1 - 0.364) = 76.3\,\mathrm{m}$. (c) $76.3/(1 - 0.49) = 149.6\,\mathrm{m}$. (d) Faktor itu mengandaikan seluruh lapisan yang dipulihkan memiliki porositas permukaan $\varphi_0$; tetapi lapisan setebal $150\,\mathrm{m}$ di permukaan kurang berpori di alasnya daripada di puncaknya, sehingga butiran yang sama mengisi kurang dari $149.6\,\mathrm{m}$.

Latihan 20.8 ★★

Log densitas membaca $2573\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ pada batu gamping Varden, yang tersusun atas butiran kalsit dengan air dalam pori-porinya. (a) Tunjukkan bahwa porositasnya $\varphi = (\rho_{\text{butir}} - \rho)/(\rho_{\text{butir}} - \rho_{\text{air}})$ dan hitunglah. (b) Pada kedalaman tengah batu gamping di sinklin, $956\,\mathrm{m}$, berapa yang diramalkan hukum Athy dengan konstanta batu gamping? (c) Proses diagenesis mana yang dapat menjelaskan selisihnya?

Solusi

Solusi Latihan 20.8.

(a) Satu satuan volume memuat $\varphi$ air dan $1 - \varphi$ butiran: $\rho = \varphi \rho_{\text{air}} + (1 - \varphi)\rho_{\text{butir}}$, yang memberikan rumusnya; $(2710 - 2573)/(2710 - 1000) = 0.080$. (b) $0.51\,e^{-956/4545} = 0.413$. (c) Sementasi: kalsit yang mengendap di dalam pori, yang dialami karbonat selain kompaksi, menghilangkan porositas jauh lebih banyak daripada penimbunan saja.

Latihan 20.9 ★★

Sebuah tebing batuan Jura menunjukkan dari alas ke atas: turbidit tipis dengan kelokan teratur dan jaringan liang; lumpur gelap dengan liang spreite berpilin; lapisan lanauan dengan liang pemakan endapan di antara pasir badai; pasir bersih berperlapisan silang dengan tabung vertikal; lalu batu bara dengan akar. (a) Tafsirkan setiap bagian. (b) Apakah air makin dalam atau makin dangkal? (c) Sebutkan dua penyebab yang dapat menghasilkan suksesi ini, dan katakan apa yang akan memutuskan di antara keduanya. (d) Mengapa lompatan tajam dari bagian pertama ke bagian keempat, tanpa bagian-bagian lainnya, merupakan peringatan?

Solusi

Solusi Latihan 20.9.

(a) Turbidit laut dalam (iknofasies Nereites); dasar Jura di paparan bawah atau lereng (Zoophycos); dasar lepas pantai di antara kedua dasar gelombang (Cruziana); muka pantai (Skolithos); rawa di darat. (b) Air makin dangkal ke atas: pantai bergerak ke arah laut. (c) Turunnya muka laut, atau pasokan sedimen yang lebih cepat daripada penurunan dasar, seperti di depan delta yang tumbuh; penurunan muka laut akan ditemukan pada waktu yang sama di cekungan lain, sedangkan delta bersifat lokal dan sedimennya datang dari satu sisi. (d) Dalam suksesi yang selaras, lingkungan yang bertetangga saling menyusul; lompatan melewati lingkungan perantara menunjukkan adanya rumpang waktu atau sesar.

Latihan 20.10 ★★★

Seekor hewan bertubuh lunak bertahan di dasar rata-rata selama setahun ($k = 1\,\mathrm{yr}^{-1}$), sebuah cangkang selama seabad; keduanya aman di bawah $h = 0.1\,\mathrm{m}$. (a) Bandingkan peluang keduanya untuk terawetkan pada 1, 10, dan $100\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$. (b) Tentukan laju yang membuat satu tubuh lunak dalam seratus terawetkan. (c) Apakah laju seperti itu masuk akal selama berbulan-bulan? Jenis endapan apa yang menimbun dasar lebih cepat? (d) Asumsi mana dari Proposisi 20.3 yang gagal untuk endapan seperti itu, dan bagaimana perilaku rumus itu ketika asumsi itu gagal?

Solusi

Solusi Latihan 20.10.

(a) Waktu sampai tertimbun adalah $h/s$ = 100, 10, dan $1\,\mathrm{yr}$. Tubuh lunak: $e^{-100} \approx 4 \times 10^{-44}$, $e^{-10} = 4.5 \times 10^{-5}$, $e^{-1} = 0.37$. Cangkang ($k = 0.01\,\mathrm{yr}^{-1}$): $e^{-1} = 0.37$, $e^{-0.1} = 0.90$, $e^{-0.01} = 0.99$. (b) $s = kh/\ln 100 = 0.1/4.605 = 0.022\,\mathrm{m}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $22\,\mathrm{mm}$ per tahun. (c) Hampir tidak mungkin, selama berbulan-bulan; tetapi lapisan badai, turbidit, atau jatuhan abu menimbun dasar dalam hitungan jam. (d) Laju sedimentasi yang tetap: waktu sampai tertimbun lalu jauh lebih singkat daripada $h/s$ dengan laju rata-rata, dan $P = e^{-kT}$, dengan $T$ waktu sebenarnya sampai tertimbun, mendekati satu bila $T$ jauh lebih kecil daripada $1/k$.

Latihan 20.11 ★★★

(a) Tunjukkan bahwa faktor lapisan tipis $(1 - \varphi(z))/(1 - \varphi_0)$ diturunkan dari Proposisi 20.11. (b) Terapkan faktor itu pada kedalaman tengah serpih Varden, $816\,\mathrm{m}$, untuk memulihkan serpih setebal $100\,\mathrm{m}$. (c) Bandingkan dengan $148.6\,\mathrm{m}$ yang eksak pada Contoh 20.12, dan jelaskan tanda selisihnya. (d) Tunjukkan bahwa laju butiran, tidak seperti laju sedimen segar, dapat dibandingkan antara serpih dan batu gamping tanpa mengetahui seberapa berpori masing-masing ketika diendapkan.

Solusi

Solusi Latihan 20.11.

(a) Lapisan tipis $\mathrm dz$ pada kedalaman $z$ memuat butiran $(1 - \varphi(z))\,\mathrm dz$; di permukaan butiran itu mengisi $\mathrm dz_0$ dengan $(1 - \varphi_0)\,\mathrm dz_0 = (1 - \varphi(z))\,\mathrm dz$. (b) $\varphi = 0.63\,e^{-816/1960} = 0.415$; $(1 - 0.415)/0.37 = 1.581$, jadi $158.1\,\mathrm{m}$. (c) $9.5\,\mathrm{m}$ terlalu banyak: seperti pada Latihan 20.7, lapisan yang dipulihkan tidak seluruhnya seberpori permukaannya. (d) Laju butiran, $h(1-\varphi)/\Delta t$, hanya memakai ketebalan dan porositas masa kini, yang keduanya diukur.

Latihan 20.12 ★★★

Misalkan horizon amonit Toarsium rata-rata berlangsung $165\,\mathrm{ka}$, seperti horizon Jura Akhir. (a) Berapa horizon yang akan dimuat oleh batu gamping Varden setebal $180\,\mathrm{m}$? (b) Ketebalan batu gamping berapa yang diwakili oleh satu horizon kini, dan ketebalan sedimen segar berapa, mengingat lapisan itu setebal $338\,\mathrm{m}$ ketika diendapkan? (c) Agar yakin menemukan setiap horizon, seorang ahli geologi mengambil sampel dengan jarak tidak lebih dari separuh ketebalan masa kini itu: berapa jarak itu, dan berapa banyak sampel? (d) Mengapa beberapa horizon mungkin tetap tidak ditemukan?

Solusi

Solusi Latihan 20.12.

(a) $9.5/0.165 = 57.6$ horizon. (b) $180/57.6 = 3.1\,\mathrm{m}$ batu gamping masa kini, $338/57.6 = 5.9\,\mathrm{m}$ sedimen segar. (c) Paling banyak $1.5\,\mathrm{m}$: $180/1.5 = 120$ selang, 121 sampel. (d) Jeda pengendapan, lapisan yang tidak mengandung amonit, dan horizon yang terkondensasi menjadi beberapa sentimeter di tempat sedimen datang dengan lambat.

Soal 20.1

Soal akhir pekan — Laut Jura di Perbukitan Varden

Soal ini membaca lingkungan dan sejarah penutup sedimen Varden, dengan log pada Bagian 20.4 dan data latihan. Penutup sedimen itu miring $12{}^{\circ}$ pada sayap-sayap lipatan; di sinklin, penutup itu ditembus oleh sebuah sumur.

Bagian I — Batuan dan ketebalannya.

1. Di tanah datar pada sebuah sayap, batu gamping tersingkap selebar $866\,\mathrm{m}$, diukur tegak lurus jurus. Tentukan ketebalan sebenarnya.
2. Serpih tersingkap selebar $481\,\mathrm{m}$. Tentukan ketebalannya.
3. Satuan mana yang tertua, dan berdasarkan prinsip apa?
4. Di sumur, serpih mulai pada $766\,\mathrm{m}$, batu gamping pada $866\,\mathrm{m}$, dan batu pasir pada $1046\,\mathrm{m}$ di bawah permukaan tanah. Periksalah ketebalan-ketebalannya.
5. Kapur terpotong oleh permukaan tanah. Apa yang dapat dikatakan tentang ketebalannya ketika laut Kapur surut?
6. Tentukan porositas kapur di permukaan dan di alas kapur di sumur.

Bagian II — Lingkungan.

7. Apa yang dikatakan krinoid, brakiopoda, belemnit, dan amonit dalam batu gamping halus tentang airnya?
8. Iknofasies mana yang dibentuk oleh jejak-jejaknya, dan di bagian profil yang mana?
9. Apa yang direkam oleh lapisan cangkang patahnya yang beralas tajam?
10. Serpih itu gelap, setempat berlaminasi, dengan pirit dan sedikit liang. Apa yang dikatakan hal itu tentang air dasarnya?
11. Lapisan-lapisannya yang lebih pucat memuat liang spreite berpilin. Iknofasies mana, dan tatanan mana?
12. Apakah amonit dalam serpih merupakan bagian dari kumpulan hidup di dasar? Jelaskan.

Bagian III — Waktu dan laju. Lapisan batu gamping terbawah memuat amonit zona Toarsium pertama, lapisan teratas memuat amonit zona terakhir, dan serpih dimulai dengan zona Aalenium pertama.

13. Berapa lama batu gamping itu terakumulasi?
14. Dengan laju berapa, menurut ketebalan batu gamping kini?
15. Log densitas sumur membaca $2573\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ pada batu gamping. Tentukan porositasnya.
16. Lumpur gamping diendapkan dengan porositas 0.51. Tentukan ketebalan sedimen segarnya.
17. Tentukan laju sedimen segar.
18. Tentukan laju butiran.
19. Bandingkan dengan serpih pada Contoh 20.12. Apa yang ditunjukkan oleh perubahan laju itu tentang pasokan karbonat?

Bagian IV — Laut di atas Varden.

20. Bacalah kolom dari batu pasir sampai kapur. Apakah laut maju atau mundur?
21. Pada kurva jangka panjang Haq dan kawan-kawan, muka laut global berada sekitar 41, 57, dan $86\,\mathrm{m}$ di atas muka laut kini pada 184, 174, dan $162\,\mathrm{Ma}$. Berapa besar kenaikannya selama pengendapan batu gamping, selama pengendapan serpih, dan seluruhnya?
22. Misalkan dasar berubah dari kedalaman air $5\,\mathrm{m}$ di gosong menjadi $60\,\mathrm{m}$ di puncak serpih. Tentukan akomodasi yang tercipta dari alas batu gamping sampai puncak serpih, dengan menghitung ketebalan segar kedua satuan, dan laju rata-ratanya.
23. Bagian mana darinya yang dapat dijelaskan oleh kenaikan global? Apa yang membuat sisanya?
24. Sebagai ringkasan: dengan laju berapa lumpur gamping batu gamping Varden terakumulasi ketika diendapkan?

Solusi

Solusi Soal 20.1.

1. $866 \sin 12{}^{\circ} = 866 \times 0.2079 = 180.0\,\mathrm{m}$. 2. $481 \times 0.2079 = 100.0\,\mathrm{m}$. 3. Batu pasir, berdasarkan superposisi: sayap-sayapnya hanya miring $12{}^{\circ}$, sehingga lapisan-lapisannya tidak terbalik dan yang terbawah adalah yang tertua. 4. $866 - 766 = 100\,\mathrm{m}$ dan $1046 - 866 = 180\,\mathrm{m}$. 5. Sedikitnya $766\,\mathrm{m}$ di sana; puncak aslinya tererosi, sehingga ketebalan penuhnya tidak diketahui. 6. 0.70 di permukaan; $0.70\,e^{-766/1408} = 0.406$ pada $766\,\mathrm{m}$. 7. Semuanya kelompok stenohalin: airnya bersalinitas laut terbuka. 8. Iknofasies Cruziana: lepas pantai, antara dasar gelombang cuaca cerah dan dasar gelombang saat badai. 9. Badai: gelombangnya mencapai dasar, mematahkan cangkang, dan mengendapkannya dalam lapisan beralas erosif. 10. Air dasarnya miskin oksigen: penggali liang sedikit, lamina tetap terjaga, dan pirit terbentuk. 11. Iknofasies Zoophycos, pada Mesozoikum di paparan bawah atau lereng, di bawah dasar gelombang saat badai; kadang-kadang cukup oksigen bagi penggali liang. 12. Tidak: amonit berenang di air di atasnya; cangkangnya tenggelam atau hanyut ke dasar setelah mati dan membentuk kumpulan mati. 13. $184.2 - 174.7 = 9.5\,\mathrm{Ma}$. 14. $180/9.5 = 18.9\,\mathrm{m}$ per juta tahun. 15. $(2710 - 2573)/(2710 - 1000) = 0.080$. 16. $180 \times (1 - 0.080)/(1 - 0.51) = 338\,\mathrm{m}$. 17. $338/9.5 = 35.6\,\mathrm{m}$ per juta tahun. 18. $180 \times 0.92/9.5 = 17.4\,\mathrm{m}$ per juta tahun. 19. Serpih memberikan 11.3 dan $4.4\,\mathrm{m}$ per juta tahun: laju butiran turun sekitar empat kali. Karbonat dari gosong dan paparan berhenti datang ketika dasar makin dalam, dan hanya hujan lumpur yang lambat yang mencapainya. 20. Laut maju: sungai, lalu gosong, dasar lepas pantai, dasar di bawah dasar gelombang saat badai, lalu laut terbuka tempat kapur terbentuk. Kolom itu merekam suatu transgresi. 21. $57 - 41 = 16\,\mathrm{m}$ selama pengendapan batu gamping, $86 - 57 = 29\,\mathrm{m}$ selama pengendapan serpih, $45\,\mathrm{m}$ seluruhnya. 22. $(60 - 5) + 338 + 148.6 = 542\,\mathrm{m}$, dalam $184.2 - 161.5 = 22.7\,\mathrm{Ma}$: $23.9\,\mathrm{m}$ per juta tahun. 23. $45/542 = 0.083$: sekitar $8\,\%$, dan lebih kecil lagi jika diagram siklus membesar-besarkan amplitudonya. Sisanya berasal dari penurunan dasar. 24. Lumpur gamping batu gamping Varden terakumulasi dengan laju sekitar $36\,\mathrm{m}$ per juta tahun ketika diendapkan.