Astronomical calibration of the Jurassic–Cretaceous transition links cooling, calcification events, and Boreal–Tethyan carbon-cycle decoupling

Diepe tijd is een uitgestrekt, vaak wazig landschap. Geologen weten al lang dat de geschiedenis van de Aarde is geschreven in lagen gesteente, waarbij elke laag een doorsnede van de tijd vertegenwoordigt. Om deze geschiedenis accuraat te lezen, hebben wetenschappers een precieze kalender nodig, een kalender die hen precies kan vertellen wanneer een specifieke laag is afgezet. Voor de meest recente paar miljoen jaar wordt deze kalender gevormd door de voorspelbare wiebel van de as van de Aarde en haar baan om de zon, wat ritmische patronen in het sediment achterlaat. Echter, wanneer we verder terugkijken, naar het tijdperk van de dinosaurussen, wordt deze kalender moeilijk af te lezen. De overgang tussen de Jura- en de Krijtperioden, ongeveer 145 miljoen jaar geleden, is een van de meest verwarrende hoofdstukken in de geschiedenis van de Aarde geweest. Het is een tijd van grote verschuivingen in klimaat, oceaanchemie en leven, maar zonder een betrouwbare tijdlijn hebben wetenschappers moeite gehad om te begrijpen hoe deze gebeurtenissen met elkaar verbonden waren of hoe snel ze plaatsvonden. Was de afkoeling van de planeet een langzame drift of een plotselinge daling? Veranderden de oceanen vóór of na de klimaatverschuiving? Zonder een duidelijke sequentie blijft het verhaal gefragmenteerd.

Om dit puzzelstuk op te lossen, richtte een team van onderzoekers zich op een specifiek deel van gesteente in centraal Saoedi-Arabië. Ze boorden een diepe kern, waarbij ze een continue cilinder van oud kalksteen omhoog haalden die gevormd was op een ondiepe zeebodem tijdens de tijd van de dinosaurussen. Dit gesteenterecord, bekend als de Sulaiy-formatie, is opmerkelijk compleet en bewaart een lange, ononderbroken opeenvolging van lagen van de late Jura tot de vroege Krijt. De wetenschappers realiseerden zich dat dit gesteente een verborgen klok bevatte. Net zoals jaarringen de seizoenen registreren, legden de lagen van deze oude zeebodem de ritmische pulsen van de baan van de Aarde vast. Door deze orbitale cycli te tellen, konden ze een hoog-resolutie tijdlijn opbouren die hen eindelijk in staat zou stellen de gesteenten met precisie te dateren en de volgorde van gebeurtenissen te zien die onze planeet vormden.

De onderzoekers begonnen met het onderzoeken van de microscopische fossielen die in het gesteente gevangen zaten. Dit waren minuscule, eencellige organismen genaamd kalknannofossielen, die in de oeroceaan ronddreef. Naarmate het klimaat en de oceaanchemie veranderden, veranderden ook de soorten van deze fossielen. Het team vond een duidelijke overgang: de onderste lagen werden gedomineerd door oudere, Jura-stijl fossielen, terwijl de bovenste lagen gevuld waren met nieuwe, zwaar gepantserde Krijt-typen. Deze verschuiving markeerde een belangrijke reorganisatie van het microscopische leven in de oceaan. Maar om de timing van deze verandering te begrijpen, hadden ze meer nodig dan alleen de fossielen. Ze maten de chemische vingerafdrukken van het gesteente, specifiek de ratio's van koolstof- en zuurstofisotopen. Deze ratio's fungeren als een thermometer en een meter voor de wereldwijde koolstofcyclus, waardoor zij onthullen wanneer de oceanen afkoelden en hoe de balans van koolstof in de atmosfeer verschoof. Ze keken ook naar strontiumisotopen, die het verhaal vertellen over hoeveel gesteente er op de continenten verweerde en in de zee spoelde.

Met deze chemische en biologische aanwijzingen in handen, richtte het team zich op het ritme van het gesteente zelf. Ze analyseerden het gammastraalsignaal van de kern, een meting die de natuurlijke radioactiviteit van de sedimenten detecteert. Dit signaal onthulde een herhalend patroon van dikke en dunne lagen, als een partituur. De onderzoekers identificeerden een dominant ritme dat zich elke paar meter gesteente herhaalde. Door dit ritme te vergelijken met de bekende cycli van de baan van de Aarde, realiseerden ze zich dat ze de 405.000-jarige cyclus van orbitale excentriciteit hadden gevonden. Dit is een langdurige wiebel in de vorm van de baan van de Aarde, een stabiele metronoom die honderden miljoenen jaren lang heeft getikt. Door deze 405.000-jarige cycli van de onderkant van de kern naar de bovenkant te tellen, was het team in staat een precieze tijdlijn op te stellen. Ze ontdekten dat de gesteentensequentie ongeveer 12 miljoen jaar besloeg, de overgang van de Jura en het begin van de Krijt dekte.

Deze nieuwe tijdlijn stelde hen in staat om het exacte moment van de grens tussen de twee geologische perioden vast te leggen. Ze plaatsten de Jura-Krijt-grens op ongeveer 143,1 miljoen jaar geleden. Deze datum helpt een langlopend debat op te lossen, aangezien eerdere schattingen aanzienlijk varieerden. Belangrijker nog, de tijdlijn onthulde de sequentie van gebeurtenissen die plaatsvonden tijdens dit cruciale interval. De gegevens toonden aan dat een periode van significante afkoeling, waarbij de wereldwijde temperaturen daalden en ijskappen waarschijnlijk aan de polen uitbreidden, plaatsvond tussen ongeveer 146 en 140 miljoen jaar geleden. Deze afkoelingsfase viel samen met een vreemd en krachtig signaal in het gesteente: een versterkte invloed van de axiale kanteling van de Aarde, of obliquiteit. Hoewel deze kanteling meestal het sterkste effect heeft op klimaten in hoge breedtegraden, vonden de onderzoekers de signatuur ervan duidelijk geregistreerd in de tropische gesteenten van Saoedi-Arabië. Dit suggereert dat de afkoeling zo intens was dat het de invloed van de kanteling versterkte, waardoor klimaatsignalen van de polen naar de evenaar werden gestuurd.

De studie verduidelijkte ook de timing van twee belangrijke gebeurtenissen in de geschiedenis van het mariene leven, bekend als nannofossiel-verkalkingsgebeurtenissen. Dit waren momenten waarop minuscule mariene organismen plotseling veel dikkere, zwaardere schelpen begonnen te bouwen, wat leidde tot een massale toename in de productie van carbonaatgesteente in de oceanen. De onderzoekers ontdekten dat deze gebeurtenissen niet allemaal tegelijkertijd plaatsvonden. De eerste gebeurtenis, waarbij een specifieke groep organismen betrokken was, vond plaats tijdens een periode van afkoeling, gevolgd door een tweede gebeurtenis waarbij een andere groep zwaar gepantserde fossielen de overhand nam. Cruciaal was dat de tijdlijn aantoonde dat deze biologische explosies in stap met de afkoelende klimaat en specifieke verschuivingen in de koolstofcyclus gebeurden, in plaats van willekeurige of geïsoleerde incidenten te zijn. De gegevens onthulden ook dat de koolstofcyclus niet overal op dezelfde manier functioneerde. Terwijl de tropische oceanen een gestage, geleidelijke daling van de koolstofniveaus vertoonden, ervoeren de koudere noordelijke oceanen veel wildere schommelingen. Deze "ontkoppeling" suggereert dat de noordelijke en zuidelijke oceanen verschillend reageerden op dezelfde wereldwijde veranderingen, waarschijnlijk door verschillen in hoe de oceanen met elkaar verbonden waren en hoe koolstof in de sedimenten werd begraven.

Door de fossiele overlevering, de chemische signaturen en de orbitale klok te integreren, hebben de onderzoekers een robuust kader gecreëerd voor het begrijpen van dit cruciale tijdperk. Ze hebben aangetoond dat de overgang van de Jura naar de Krijt geen chaotische bijeenkomst van gebeurtenissen was, maar een nauw afgestemde sequentie gedreven door de baan van de Aarde. Het afkoelende klimaat, de expansie van het ijs, de veranderingen in de oceaanchemie en de evolutie van het mariene leven vonden allemaal plaats binnen een specifieke, goed gedefinieerde tijdspanne. Deze nieuwe chronologie biedt niet alleen een datum; het biedt een verhaal. Het vertelt ons dat het klimaatsysteem van de Aarde gevoelig is voor orbitale forcering, in staat om kleine veranderingen te versterken tot wereldwijde verschuivingen die de oceanen en het leven daarin hervormen. Het werk bevestigt dat de 405.000-jarige cyclus een betrouwbaar instrument is voor het lezen van de diepe tijd, en biedt een helder pad voor het begrijpen van andere kritieke momenten in de geschiedenis van de Aarde waar het verleden moeilijk te ontcijferen was.