Isotopic study of the early Eocene paleoecology and paleoenvironment in Aktulagay; The Aktulagay Section, Kazakhstan

Foraminiferen vertellen hun verhaal over het verleden, 50 miljoen jaar geleden

Met de opwarming van de aarde volop in de media zouden we wel eens durven vergeten dat het aardse klimaat momenteel nog steeds behoort tot een van de koudere periodes uit de aardgeschiedenis. Het is dan ook interessant de warmere periodes van onze aardgeschiedenis te bestuderen met als einddoel beter te begrijpen wat de consequenties zijn van de stijgende globale temperatuur. Maar hoe slagen aardwetenschappers erin het klimaat en de omgeving op een gegeven locatie uit het geologische verleden gedetailleerd te bestuderen? Een uitstekende methode is het  chemische onderzoek op kalkschalige foraminiferen (microfossielen). In deze studie werden kalkschalige foraminiferen bestudeerd uit Aktulagay (Kazachstan), afkomstig uit 50 miljoen jaar oude kleiige sedimenten.

Foraminiferen zijn kleine diertjes die zelden groter worden dan een halve millimeter. Ze leven reeds 500 miljoen jaar in de zeëen en oceanen van onze planeet. Er zijn duizenden soorten foraminiferen met variabele levenswijzes. Het belangrijkste onderscheid wordt gemaakt tussen foraminiferen met een planktische levenswijze en foraminiferen met een benthische levenswijze. De planktische foraminiferen zweven op variabele diepte (soortafhankelijk) in de waterkolom terwijl de benthische foraminiferen leven op of in de zeebodem. Tijdens hun leven maken foraminiferen een kalkschaal aan. Wanneer ze  sterven worden ze in de juiste omstandigheden begraven in het sediment en resulteren ze in de microfossielen die geologen vandaag terug kunnen vinden in verscheidene sedimentaire gesteenten.

Waarom foraminiferen bestuderen?
Hoewel de vorm en de soort foraminifeer wat kan vertellen over het verleden, gaat onze interesse hoofdzakelijk naar de chemische samenstelling van de foraminiferen. Metingen van de chemische samenstelling van hun kalkschaal, meer specifiek de isotopische samenstelling, is waardevol omdat deze in de eerste plaats de temperatuur en het zoutgehalte van het water waarin de foraminiferen leefden weergeven. Daarnaast vertelt de isotopische samenstelling van hun schaal ook iets over hun levenswijze.

Wat zijn isotopen?
Isotopen zijn atomen van eenzelfde chemisch element, bijvoorbeeld koolstof. Ze hebben dus eenzelfde aantal protonen (positief geladen deeltjes). Echter isotopen verschillen van elkaar in hun massa doordat ze verschillen in hun aantal neutronen (neutraal geladen deeltjes). Door het kleine massaverschil tussen de verschillende isotopen, zullen ze anders reageren in bepaalde processen. Een belangrijk voorbeeld is de verdamping van water (H2O), waarbij de lichtere isotoop van zuurstof (O) makkelijker in waterdamp overgaat dan de zwaardere isotoop. Voor deze studie werden de isotopen van zuurstof en koolstof gemeten.

Kazachstan, 50 miljoen jaar geleden
50 miljoen jaar geleden, ruwweg zo’n 15 miljoen jaar na het uitsterven van de dinosauriërs, bevonden we ons in het vroege Eoceen. Het vroege Eoceen was een geologische tijdperk dat werd gekenmerkt door een bijzonder warm klimaat. Er kwamen destijds geen ijskappen voor op de Noord- en Zuidpool. Vanzelfsprekend was de zeespiegel in deze periode significant hoger en het grootste deel van het toenmalige België lag onder water. De isotopisch bestudeerde foraminiferen in deze studie zijn afkomstig uit het heuvelland van Aktulagay, een gebied in West Kazachstan. Ze zijn afkomstig van een 24 meter dik sedimentair interval dat een tijdsinterval vertegenwoordigt van ongeveer 4 miljoen jaar (54 tot 50 miljoen jaar geleden). Daardoor konden we de evolutie in het klimaat en de omgeving gedurende deze periode bestuderen. Deze sedimenten werden tijdens het vroege Eoceen afgezet op circa 125 tot 200 m waterdiepte in het noordoosten van een grote binnenzee, de Peri-Tethys, die uitstrekte van Italië tot Kazachstan.

De levenswijze
Dankzij de isotopische analyse van de kalkschaal van deze foraminiferen kon in eerste plaats informatie worden vergaard over de uitgestorven diertjes zelf. Zo kon voor 34 benthische soorten worden bepaald of ze op of in het sediment leefden. Daarnaast kon voor verschillende soorten bepaald worden of ze al dan niet gevoelig waren voor lage zuurstof-concentraties op de zeebodem. Tot slot konden enkele soorten worden geïdentificeerd met consequent afwijkende isotopenen. Er werd gesteld dat deze afwijkingen vermoedelijk een gevolg zijn van bijzonder hoge groeisnelheden onder deze soorten. Dit laatste resultaat was belangrijk om andere wetenschappers te waarschuwen dat deze soorten niet kunnen worden gebruikt voor temperatuur-reconstructies.

Het klimaat en de omgeving in Aktulagay
Naast deze biologische informatie over de diertjes werd ook waardevolle informatie afgeleid omtrent het klimaat. Zo werd berekend dat de gemiddelde zeebodem temperatuur in Aktulagay tijdens deze 4 miljoen jaar heeft gevarieerd tussen  19 °C en 24 °C (Met een onzekerheid van ±1.9 °C, welke eventueel nog kan worden verkleind met additioneel onderzoek). Deze berekende temperaturen zijn bijzonder hoog, zelf indien we zouden veronderstellen dat de waterdiepte overschat is en onze schattingen van het zoutgehalte verkeerd zijn. De positie van Aktulagay op ±48 graden noorderbreedte laat vandaag in geen geval zo een hoge tropische temperaturen toe en daardoor steunen onze metingen de stelling dat het vroege Eoceen wordt gekenmerkt door een extreem warm klimaat. Daarnaast laten onze metingen toe de temperatuursverdeling op aarde uit deze periode verder in kaart te brengen, een waardevolle aanwinst gezien de foraminifeer isotopendata uit deze periode in het noordelijk halfrond zeer schaars is. Tot slot werden sterke aanwijzingen gevonden voor sterke variatie in het zoutgehalte van het oppervlakte water, waarschijnlijk ten gevolge van periodes met de instroom van rivierwater. Daardoor werden temperatuursvoorspellingen van het oppervlaktewater sterk bemoeilijkt, hoewel additioneel onderzoek op onze stalen deze onzekerheden nog sterk zouden kunnen verkleinen.

Om de Eocene wereld beter te begrijpen is informatie vereist van locaties verspreid over de hele wereld. Door informatie te vergaren uit Kazachstan leverde deze studie zijn bijdrage tot het vormen van een globaal beeld.