19. De zoutafzettingen in de Middellandse Zee


Dit hoofdstuk gaat over de enorme zoutafzettingen die op de bodem van de Middellandse Zee voorkomen. Het betreft dikke lagen anhydriet (Ca SO4), de gedehydrateerde (ontwaterde) variant ervan, gips, en haliet, NaCl, ook wel steenzout of keukenzout genoemd. Deze zouten zijn aan het eind van het Mioceen in diepzee bekkens neergeslagen - gelijktijdig met het omhoog komen van de Alpiene gebergtestructuren in het Middellandse zeegebied. Hieronder wordt uitgelegd, wat het verband is tussen deze gebergtevorming en zoutaccumulatie in het Midden Tertiair (aan het eind van het Mioceen). 

Onderstaande kaart laat zien, waar de zoutafzettingen voorkomen. Ze bedekken een oppervlak van 2,5 miljoen km2. De dikte er van varieert van 300 meter tot 3,5 km. De gemiddelde dikte van de zoutlagen is 1 km! En dan te bedenken dat zoutlagen die tegenwoordig in de tropen ontstaan door verdamping van oppervlaktewater zelden dikker zijn dan 20 meter.

 

 

Uit de volgende figuur blijkt, dat diepzee boringen reiken tot de bovenkant (de eerste 40 meter) van de zoutafzettingen (P.S. er is nog nooit door het hele zoutpakket geboord omdat dat te gevaarlijk is). Boven het zout liggen sedimenten uit het Plioceen en Pleistoceen. Die zijn gemiddeld 300 meter dik. De figuur geeft aan, dat het hier grotendeels gaat om turbidieten en contourites - sedimenten die als neerslag van modderlawines te typeren zijn. Wat betekent, dat deze post-zout afzettingen in relatief korte tijd kunnen zijn ontstaan.

 

De onderstaande dwarsdoorsnede brengt in beeld, dat met behulp van seismische gegevens de dikte van de zoutafzettingen wordt vastgesteld. Het profiel loopt vanaf Algerije (rechts) naar het noordoosten (links). De grijze pieken stellen zoutpijlers (diapieren) voor. De horizont daaronder markeert de grenst van het zout met onderliggende lagen vulkanisch gesteente, as en puin afkomstig van het Afrikaans continent. Deze afzettingen worden tot het Oligoceen en Onder Mioceen gerekend. Sedimenten van het Mesozoïcum ontbreken. Die zijn aan het eind van het Tertiair op de noordrand van het Afrikaanse continent geschoven (zie figuren 7.12 t/m 7.14). Bij de onderste horizont begint de uitgedunde continentale korst. 

 

 

In de volgende figuur is een seismisch profiel afgebeeld van de bodem van de Ligurische Zee tussen Frankrijk en Sardinië. Tussen A en B liggen de Boven Miocene (Eind Tertiaire) zouten inclusief de diapieren. Tussen B en C liggen vulkanische gesteenten en aslagen die tot het Oligoceen en Onder Mioceen worden gerekend. Ook hier ontbreken de sedimenten van het Mesozoïcum. Tussen C en D bevindt zich de oceanische korst die voornamelijk uit basalten bestaat. Bij D bevindt zich de Moho, de grens tussen de aardkorst en de mantel.

 

De vraag is, hoe je deze immense laat-Miocene zoutafzettingen in de bodem van de Middellandse Zee kunt verklaren.

De geoloog Kenneth Hsü benadert de zoutophopingen in eerste instantie vanuit een actualistisch gezichtspunt. Tegenwoordig ontstaan zoutlagen door verdamping van zeewater. Dus neemt Hsü aan, dat deze chemische sedimenten door een complete verdamping van de toenmalige Middellandse Zee (Tethys genoemd) zijn gevormd. Hij geeft echter toe, dat dit dan wel een buitengewone, catastrofale, niet-actualistische gebeurtenis moet zijn geweest. Want tegenwoordig is het ondenkbaar, dat een 2 tot 4 kilometer diep zeebekken compleet opdroogt.

Vanwege dit buitengewoon bijzondere van de extreme zoutvorming aan het eind van het Mioceen duidt Hsü dit fenomeen aan als de 'Messinian Salinity Crisis' (MSC). De fundamentele vraag is natuurlijk, of je zo'n catastrofe, die compleet buiten onze huidige ervaringshorizont valt, kunt verklaren met actualistische processen (Hsü, K.J. e.a., History of the Mediterranean salinity crisis, Nature 267, pp.399-493, 1977).

Toch geldt het verdampingsmodel van Hsü nog steeds als de dominante wetenschappelijke verklaring van de MSC. Ondanks de ernstige bezwaren die er tegen zijn in te brengen.

Zo wordt in een recente studie betoogd, dat de zoutafzettingen niet in een laag-water milieu zijn gevormd, maar in een diep-water milieu. Dat sluit verdamping uit (Hardie,L.A., Lowenstein, T.K., Did the Mediterranean Sea dry out during the Miocene? A reassessment of the evaporite evidence from DSDP leg 23 and 42a cores, Journal of Sedimentary Research, 74 (4), p.453, 2004).

Verder is uitgerekend, dat de complete verdamping van de hele Middellandse Zee slechts leidt tot een 20 meter dikke zoutlaag. Wat betekent, dat de Middellandse Zee 50 keer achter elkaar moet zijn verdampt. Na elke verdampingsronde zouden de bekkens weer zijn vol gelopen. Via deze jo-jo opeenvolging (verdamping, vollopen enz.) moet het complete zoutpakket van gemiddeld 1000 meter zich hebben opgehoopt. Het verstand weigert dit scenario te accepteren. Vandaar de conclusie, dat de geweldig zoutophopingen op de bodem van de diepzeebekkens nooit het gevolg van gewone verdamping van zeewater kan zijn geweest.

 

 

Bovenstaande figuur geeft een impressie van het droogvallen van het Middellandse Zee bekken. Daardoor zouden zich 2000 meter diepe bekkens vormen, waarin zouten neerslaan. Volgens de gevestigde wetenschap heeft deze totale opdroging van de Middellandse Zee zich 6 miljoen jaar geleden 50 keer achter elkaar voorgedaan. 

Tenslotte pleit ook de samenstelling van deze afzettingen tegen het verdampingsscenario. Want de bekkensedimenten bestaan voor 90 % uit anhydriet en gips en slechts voor 10% uit steenzout, terwijl in gewoon zeewater de verhouding tussen deze scheikundige stoffen juist omgekeerd is. 

Zowel de enorme dikte van de zoutafzettingen, hun samenstelling en hun typering als diep-water afzettingen weerleggen de hypothese, dat verdamping verantwoordelijk is voor deze gigantische hoeveelheid chemische afzettingen op de bodem van de Middellandse Zee. Een actualistische verklaring slaat hier de plank dus volledig mis.

De Miocene zoutafzettingen in de Middellandse Zee zijn de neerslag van zeer ongewone, catastrofale geologische ontwikkelingen. Hun verklaring vereist daarom ook een bijzonder perpectief. Juist het model van door impacts aangedreven 'high speed' platentektoniek dat in hoofdstuk 10 is beschreven voorziet hierin.

Dit model begint met de 'runaway subduction', de op hol geslagen afzinking, van oceanische korst tijdens het Paleozoïcum. In dit buitengewone geologische fenomeen schuilt een belangrijke beginvoorwaarde van de extreme zoutaccumulatie in het Tertiair. Want tijdens de subductie van oceanische korst tot op de grens van de aardkern ontstonden in de aardmantel zwakke zones die doorkliefd waren met scheuren en gangen. Daardoor ontsnapten geweldige hoeveelheden magma, gassen en vloeistoffen. Die hoopten zich in het Mesozoïcum op in de asthenosfeer, de laag half vloeibaar gesteenten die zich onder de lithosfeer bevindt (zie hoofdstuk 2; www.ncgt.org, nummer 64, pp.55-58 en nummer 65 p.106,131). Ook drong veel water, met daarin opgeloste zouten, door breuken vanuit de asthenosfeer de bovenkorst binnen. Dat blijkt uit het in hoofdstuk 6 genoemde feit, dat in de diepteboringen in Duitsland en Rusland op diepten tussen 4 en 12 km vrij stromend pekelwater voorkomt.

Vervolgens doet zich aan het eind van het Krijt een geweldige multiple impact ramp voor, zie hoofdstuk 5. Door de drukgolven die een inslag ten westen van Noord Afrika genereert komt de gedelamineerde onderkorst van het Spaanse micro-continent in beweging. Die zakt in de asthenosfeer (zie onderstaande figuur), wat een tegenstroom van opwellend magma, gassen en superkritische pekels opwekt.

 

Door de druk van het stijgend magma worden Italië, Corsica en Sardinië van Spanje losgescheurd. Deze micro-platen drijven op magmagolven naar het oosten. Zie beide onderstaande figuren.

 

 

 

Tijdens de oostwaartse drift van Italië wordt de oceaanbodem van de voormalige Middellandse Zee (Tethys) overreden, d.w.z. in de aardmantel gedrukt. Deze subductie gaat gepaard met een tegenstroom van opwellend magma uit de asthenosfeer (zie onderstaande figuur).

 

 

 

Door de oostwaartse beweging van Italië ontwikkelen zich twee diepzee bekkens - één tussen Spanje en Sardinië/Corsica en een tweede tussen de laatst genoemde eilanden en Italië. In onderstaande figuur oogt het bekken tussen Spanje en Sardinië/Corsica als een open wond.

 

 

De volgende figuur laat zien, dat het bekken van de Tyrreense Zee, tussen Italië en Sardinië/Corsica, anders is dan het gapende gat tussen Spanje en Sardinië en Corsica. Een reep continentale korst is door een magmagolf uit elkaar getrokken ('extention'), waardoor een onderzees landschap van naast elkaar gelegen horsten (hoogten) en slenken (depressies) is ontstaan. 

Het geologisch verschil tussen de beide naast elkaar gelegen bekkens heeft bepaald hoeveel zout in beide bekkens is neergeslagen: in het bekken tussen Spanje en Sardinië/Corsica is de aardkorst opengereten en zijn er vanuit de diepten van de aarde veel zouten vrijkomen, terwijl in de Tyrreense Zee de aardkorst alleen maar is uitgerekt, waardoor weinig materiaal uit het inwendige van de aarde aan het oppervlak is getreden.

 

 

 

Binnen het scenario dat de aarde tussen Spanje en Italië met geweld is opengereten zijn er drie mechanismen verantwoordelijk voor de extreme zoutaccumulaties in de Middellandse Zee bekkens.

1. Door het openbreken van de aardkorst komt pekelwater vrij dat op een diepte van 4 tot 15 km door het gesteente van de lithosfeer circuleert.

2. De jonge bodems van de nieuw gevormde diepzeebekkens tussen Spanje en Corsica/Sardinië bestaan uit amper gestold magma. Daar percoleert oceaanwater in grote hoeveelheden doorheen. Dit zeewater neemt zouten uit de nieuw gevormde oceaanbodem op. Daardoor ontstaan met zouten oververzadigde pekels.

Wanneer de superkritische pekels - afkomstig uit vrij stromend water in de korst (1.) of uit nieuwe oceaanbodems (2.) - opstijgen zal, door de drukontlasting en temperatuurdaling die daarbij optreden, eerst het opgeloste anhydriet neerslaan, gevolgd door haliet (M. Hovland, Numerical Modelling of Supercritical 'Out Salting' in the "Atlantic II Deep" (Red Sea) Hydrothermal System, 2007, The Open Geology Journal 11). 

3. Een nog belangrijker bron van zoutneerslag in de Middellandse Zee bekkens is het met zouten oververzadigde water dat rechtstreeks uit het opstijgend magma vrijkomt. De aanwezigheid van dit zoute water in het magma wordt aan de hand van onderstaande figuur toegelicht. 

 

 

De figuur laat zien, dat, door drukgolven van de imapct ten westen van Spanje, de gedelamineerde onderkorst van Spanje in de asthenosfeer is gezakt (meest linker blauwe vlek). Ook wordt in beeld gebracht, dat, door de afzinking van de Spaanse onderkorst en de subductie van de zeebodem van de Tethys (tweede blauwe vlek van links), er magma opwelt - dat zijn de rode bellen boven de blauwe vlekken. 

Dit opstijgend magma bevat veel zoutwater. Dat komt, omdat in de asthenosfeer en de lithosfeer daarboven veel water opgeslagen ligt - volgens sommige schattingen net zoveel als in alle oceanen bij elkaar. Deels gaat het om vrij stromend water dat zich in de porien van gesteenten bevindt. Een nog groter deel van dit water zit echter in het kristalrooster van de belangrijkste mineralen in het inwendige van de aarde: olivijn (Mg2SiO4) in de bovenkorst en orthopyroxeen (MgSiO3) in de onderkorst

Onder de afzinkende Spaanse onderkorst bestaat de aardkorst vooral uit orthopyroxeen, dat 1% van z'n massa aan water in het kristalrooster heeft zitten. Door de druk van de afzinkende Spaanse onderkorst treedt dit water uit het orthopyroxeen. Hierdoor wordt het magma meer vloeibaar, soepeler, lichter wat tot snellere opwelling leidt.

De afzinking van de Spaanse onderkorst heeft ook effect op het mineraal olivijn. Dat komt vooral voor in de hoger gelegen korst boven de wegzakkende Spaanse onderkorst. Ook olivijn heeft water in z'n kristalrooster opgenomen. Dit mineraal reageert echter anders op druk dan orthopyroxeen. Door het afzinken van de Spaanse onderkorst vermindert de druk op de continentale bovenkorst. Het is deze drukontlasting waardoor het olivijn water aan het opstijgend magma zal afstaan.

Door het vrijkomen van water uit orthopyroxeen en olivijn wordt het magma dat vanuit de asthenosfeer opstijgt steeds waterrijker, lichter en meer vloeibaar. Bereikt het magma het oppervlak dan treedt stolling op door contact met het water van de Middellandse Zee. Daarbij zal het inmiddels met zouten oververzadigd water uit het magma vrijkomen, wat resulteert in de ontwikkeling van superkritische pekels boven de nieuw gevormde oceanische korst.

Kortom: drukontwikkelingen onder en boven de afzinkende Spaanse onderkorst leiden tot chemische veranderingen: er ontstaan zeer waterrijke, zeer vloeibare, opwellende magma's; die vormen de voornaamste bron van de zoutaccumulatie in de Middellandse Zee bekkens (S.Duggen e.a., Deep Roots of the Messian Salinity Crisis, Nature 422, pp.602-606, 10 april 2003; M. van Nieuwstadt, Schollensmeermiddel, NRC 20-1-2007).

De conlusie luidt, dat de vorming van de geweldige Miocene gips en zoutafzettingen niet plausibel vanuit actualistische processen kan worden verklaard. Deze gigantische massa chemische sedimenten is het uiteindelijke resultaat van het openrijten van de aarde als gevolg van een puls van 'high speed' platentektoniek. Die is door impacts aan het eind van het Krijt in gang gezet. 'Runaway subduction' van oceanische korst in het Paleozoïcum vormde hierbij een belangrijke preconditie, omdat daardoor de opbouw van de aardmantel fundamenteel werd verstoord en er zich in het Mesozoïcum geweldige hoeveelheden magma, gassen en superkritische pekels in de asthenosfeer ophoopten. Toen de bovenliggende aardkorst vervolgens in het Tertiair door kosmische inslagen werd opengereten kwamen uit de opstijgende pekels en magma's zouten vrij die resulteerden in geweldige steenzoutophopingen.

Deze conclusie is van grote betekenis. Niet alleen, omdat de massale zoutvorming in de Middellandse Zee als een bijeffect kan worden gezien van de catastrofale platentektoniek en gebergtevorming in het Tertiair in deze regio. Maar ook omdat nu aannemelijk is gemaakt, dat de enorme zoutophopingen, die elders in de geologische kolom, b.v. in het Permische Zechstein, voorkomen, het product zijn van soortgelijke impact aangedreven 'high speed' plaatbewegingen. Steeds gaat het om zouten die via hydrothermische processen uit de opengereten aarde rechtstreeks vanuit de asthenosfeer en uit de nieuw gevormde oceaanbodems zijn vrij gekomen en in bekkens zijn neergeslagen.