Varme ødelægger geologernes skatkammer

Jorden gemmer et væld af oplysninger om sin historie i et gigantisk kartotek af sedimenter, der består af mange skiftende lag af ler og sand. Sedimenterne har gennem millioner af år fyldt bassiner i Jordens overflade, der oprindeligt har været hav eller flodsletter. Hidtil har man troet, at sedimenterne udelukkende er opstået som et resultat af processer på jordoverfladen, enten i form af variationer i det globale havniveau eller ved at Jordens kontinentalplader har rykket sig i forhold til hinanden. Sedimenterne regnes derfor for at være forskernes vigtigste værktøj i deres kortlægning af, hvad der er sket på jordoverfladen gennem tiderne. Det værktøj stilles der nu spørgsmålstegn ved af nye computersimuleringer, som er udviklet af forskere ved Geologisk Institut på Aarhus Universitet. Simuleringerne modellerer varmetransporten fra Jordens indre og op til jordoverfladen. Varmen skaber konvektion dybt nede i Jordens kappe, der over lange tidsskalaer over millioner af år får jordoverfladen til lokalt at svuppe op og ned, og computersimuleringerne viser, at det også kan føre til dannelse af sedimenter.

Konvektionen kommer på den måde til at tilføre en form for støj til kartoteket, så det bliver betydeligt sværere for forskere at bruge. »Kappens livlige konvektion kan skabe signaler, der blander sig med de signaler, som forårsages af klimatiske og tektoniske processer på overfladen. Konvektionen danner altså en form for støj, der ikke umiddelbart kan sorteres fra. Derfor kan de sedimenter man finder i overfladen ikke alene forstås som en konsekvens af klimatiske svingninger eller pladetektoniske spændinger i kappen,« siger Kenni Dinesen Petersen fra Geologisk Institut på Aarhus Universitet, der har udviklet softwaren bag computersimuleringerne.

Resultater er netop blevet offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Science.

Bjergart opfører sig som sirup

opstår fordi varme fra Jordens indre konstant strømmer op i kappen og opvarmer dens bund, der først og fremmest består af bjergarten olivin. Ved stuetemperatur er olivin en fast bjergart, men når den bliver opvarmet tilstrækkeligt, opfører den sig som en ekstremt tyktflydende sirup, der i løbet af millioner af år trækker op mod jordoverfladen. Her køles det af, hvorefter det synker ned igen.

»Vores mål var at modellere hvordan bassinerne er opstået og er blevet fyldt med sedimenter igennem tiderne, og her har vi som de første i verden forsøgt at tage højde for konvektionen i kappen. Vores simuleringer viste, at konvektionen får havbunden ovenover til lokalt at løfte eller sænke sig. Den proces sætter gang i dannelsen af sedimenter, der laver en lagdeling, som minder om den, man finder i bassinerne,« siger Kenni Dinesen Petersen.

Simuleringerne viser, at konvektionen skaber sedimenter, der lægger sig i forskellige rækkefølger – også kaldet sekvenser – forskellige steder på jordoverfladen, selv dem, der ligger meget tæt på hinanden.

Den gængse teori har ellers været, at sedimenter forskellige steder dannes synkront, og at man derfor kan bruge dem til at sige noget generelt om Jordens geologiske og klimatiske udvikling.

Simuleringerne tyder ifølge forskerne på, at det er svært at forsøge at ryste Jordens geologiske og klimatiske historie ud af sedimenterne.

Forskere revser de fremherskende teorier

Konvektionen kan være den brik, som forskerne mangler i forståelsen af, hvordan sedimenterne er opstået.

Man ved fra studier af borekerner og seismik at sedimenterne er aflejret i et konstant skiftende miljø, hvor havets lokale vandstand har ændret sig.

Aflejringerne i form af ler og sand bliver ført ud i havet via floder, der afleverer sand langs med kysterne og ler på dybt vand. Når vandstanden i havene varierer, flytter kysten sig, så de områder, der før blev dækket af ler, nu bliver overskyllet med sand. Med tiden bygger lagene op, så de tilsammen danner et stribet kiksekage-agtigt mønster. Nærstuderer man mønstret, kan man se, at det er opbygget af karakteristiske sekvenser, der går igen og igen.

Disse sekvenser er dannet af forskellige geologiske processer, der løber over meget forskellige tidsskalaer fra få år til mange millioner af år.

De fleste af disse processer har man gode og velunderbyggede forklaringer på, men det gælder ikke dem, der løber over tidsskalaer på mellem to og 20 millioner år, som der er to konkurrerende teorier for.

Ændringer i havniveau:

De fleste forskere hælder til den teori, at de forskellige sedimentlag er formet af variationer i det globale havniveau på grund af afsmeltning af gletsjere.

Kontinentaldrift:

Nogle forskere mener, at sedimentlagene er et resultat af pladetekntonik, hvor to kontinentalplader flytter sig i forhold til hinanden og på den måde fører sedimentlag ind over hinanden.

Geologerne fra Aarhus Universitet anerkender disse mekanismer, men mener, at de kun kan forklare dannelsen af nogle sedimenter.

Århusforskerne påpeger det problem, at Jordens klima i lange perioder var så varmt, at udbredelsen af glestjere har været for beskeden til at give tilstrækkelige ændringer i globalt havniveau. Dertil kommer, at mange områder ikke har haft nogen videre geologisk aktivitet i lange perioder.

»Vores modeller viser, at man ikke bare kan antage, at ændringer i det sedimentære miljø afspejler tektonik eller variationer i globalt havniveau. Konvektionen i kappen skaber støj, som er vigtig at tage betragtning, og som har afgørende betydning for den videnskabelige metode inden for ovennævnte felter,« siger Kenni Dinesen Petersen.

Konkurrenter er skeptiske

Århus-forskernes resultater kan bl.a. få en stor betydning for klimaforskningen, hvor man forsøger at blive klogere på fortidens klimaændringer ud fra ændringer i den globale vandstand gennem tiderne. Her går man ud fra, at svarene er nedfældet i de sedimenter, der findes i ‘rolige’ bassiner, som ikke har været udsat for pladetektonik.

Men den fremgangsmåde duer altså ikke, hvis der er hold i de nye computersimuleringer. »De nye resultater viser, at ingen bassiner er rolige, da konvektionen i Jordens kappe bliver ved med at lave mere eller mindre tilfældige ændringer i lokal vandstand,« siger han.

Simuleringerne vækker stor opsigt på verdensplan og bliver mødt med skepsis af forskere, der bruger de værktøjer i deres forskning.

En af de kritiske røster er professor Erik Rasmussen, der kommer fra en konkurrerende forskningsinstitution GEUS, og som arbejder ud fra den tese, at sedimenterne er skabt af pladetektonik.

»Det er en god modellering, århusgruppen har lavet, men det er velkendt, at lokale processer, som f.eks. er sat i gang af konvektion, påvirker dannelsen af sedimenterne, og det er vi gode til at tage højde for. Så i bund og grund mener jeg ikke, at århusforskernes resultater kan bruges til noget,« siger han.

‘Fundamental ny forståelse’

Nyheden om de nye computersimuleringer rumsterer ikke kun rundt på danske universiteter, men er også nået helt til USA, hvor de bliver diskuteret af forskellige forskergrupper.

En af de mest fremtrædende forskergrupper findes på Institut for Earth and Plenetary Sciences på Rutges University og ledes af professor Kenneth Miller. Han er forbeholden overfor århusforskernes påstand om, at rækkefølgen af lagene i sedimenterne ikke er globale. »Det er dokumenteret, at mange sedimentsekvenser er globalt synkrone, så derfor er jeg umidelbart skeptisk overfor resultatet. Men det er helt klart interessant, at konvektionen kan producere sådanne sedimentsekvenser, og det er nu op til stratigrafer at dokumentere, at sekvenser rent faktisk er globale, som hidtil antaget, med præcise kronologier,« siger han.

I dagens udgave af Science udtaler professor Dietmar Müller fra Sydney Universitet sig om de nye simuleringer, og han har publiceret adskillige artikler om emnet i velansete tidsskrifter.

Han vurderer at Aaarhus-gruppens resultater vil have meget stor betydning for, hvordan man fremover kan bruge sedimenter til at rekonstruere Jordens historie.

»Ændringer i havniveau gennem Jordens historie har påvirket jordoverfladen, hvilket har betydet at kystlinjen har flyttet sig frem og tilbage i en cyklus. En forståelse af den bagvedliggende mekanisme i de voldsomme skift i kystlinjerne og det tilsvarende mønster i sedimentaflejringerne over forskellige tidsskalaer, er helt afgørende i arbejdet med at kortlægge Jordens tektoniske og klimatiske historie. Artiklen i Science i dag giver et radikalt nyt syn på dannelsen af sedimentsekvenserne over lange tidsskalaer og tyder på, at de er drevet af konvektion i kappen,« skriver han.

Århusgruppens computersimuleringer kan ses her.

Oliebranchen bruger sedimentsekvenser i jagten på nye olieforekomster. De bruger sedimentsekvenserne til at regne sig frem til hvor der er sand og hvor der er ler.

»Når man bruger en masse penge på at bore, så vil man gerne bore ned dér, hvor der er sand, ellers kan man ikke få olien op,« fortæller Kenni Dienesen Petersen.

Kortlægningen af sedimentsekvenserne kan kaste lys over det, og her arbejder man typisk ud fra den antagelse, at det globale havniveau langt hen ad vejen har styret processerne.

»Først kortlægger man sedimenterne, så man ved hvor der er sand og hvor der er ler, og så laver man en detaljeret model for et bassin, der kan vise vej til olieforekomster. Vores computersimuleringer tyder imidlertid på, at oliebranchen arbejder ud fra forkerte antagelser, så oliejagten ikke er optimal,« slutter han.