SAMENVATTING
De Kunrader en Maastrichtse kalksteen bestaat voornamelijk uit skeletresten van subtropische zeedieren in de zandkorrelfractie. De kalksteen wordt gekenmerkt door een afwisseling van enkele decimeters dikke, hardere en zachtere lagen. In de hardere lagen zijn de kalkkorrels sterk verkit door kleine kristallen. De korrels en kristallen zijn van calciet. Kristallen zijn al ontstaan kort na de afzetting van de korrels. Het calciumcarbonaat van de calcietkristallen is afkomstig van aragoniet skeletresten, die al oplosten tijdens de afzetting van de kalksteen, en alleen holtes en afdrukken achterlieten.
Aragoniet heeft dezelfde samenstelling als calciet, maar een andere kristalstructuur. Het loste gemakkelijker op door koolzuur in de omgewoelde, zuurstofrijke bodem van de Krijt-zee. In een zuurstofloze, koolzuurarme, rustige zone eronder, vormden de opgeloste calcium en carbonaat ionen calcietkristallen, die kalkkorrels aan elkaar cementeerden, ofwel kitten.
De regelmatige afwisseling van de harde en zachte lagen in het kalksteenpakket is ontstaan door een regelmatige af- en toename van de afzettingssnelheid van de kalksteen.
De variatie van afzettingssnelheid was het gevolg van klimaatverandering, die werd veroorzaakt door zogenaamde Milankovitch cycli. Dat zijn periodieke veranderingen in de beweging van de aarde om haar as en om de zon.
Het contrast in de afwisseling van harde en zachte lagen is veel later, vanaf de ijstijden, nog eens versterkt. Dit gebeurde door percolerend, zuur, kalksteen-oplossend bodemwater. Na daling van de grondwaterspiegel, loste dit bij voorkeur de meer doorlatende, poreuzere en zachtere lagen op.
INLEIDING
De kalksteen van Kunrade en Maastricht bestaat voor het grootste gedeelte uit skeletfragmenten van subtropische zeedieren. Door de sorterende werking van watergolven zijn het vooral korrels in de fijne zandfractie, met plaatselijk meer grofkorrelig fossielgruis (Felder, 1978; fig. a).
De korrels zijn van calciet , een regelmatige rangschikking van positieve calcium (Ca2+) en negatieve carbonaat (CO32-) ionen. Deze vormen een kristallijne stapeling van calciumcarbonaatmoleculen, met een vaak afgeronde vorm, door de organische oorsprong.
Naast dit door organismen gemaakte calciet, vinden we ook kleine puntige en hoekige calcietkristallen, die spontaan zijn gegroeid in het poriewater tussen de korrels.
Harde lagen bevatten veel calcietkristallen die de korrels stevig aan elkaar kitten, zoals goed te zien is in slijpplaatjes, dunne doorschijnende doorsneden van het gesteente (Umbgrove, 1925; fig. b). De harde lagen kun je gebruiken om er bouwsteen van te zagen (Kunrader Steengroeve) of om er ongebluste kalk van te branden in kalkovens (Nillesen, 1989).
Zachte lagen bevatten veel minder calcietkristallen, je kunt deze kalksteen met je handen breken, en makkelijk malen voor het 'mergelen' van landbouwgrond.
HET ONTSTAAN VAN CALCIETKRISTALLEN
Oorspronkelijk bestonden de fossielen uit twee typen calciumcarbonaat, met dezelfde samenstelling, maar met verschillende kristalstructuren. De ene is het calciet dat we nog steeds terugvinden en dat afkomstig is van organismen zoals oesters, zee-egels en mosdiertjes. De andere was aragoniet, dat helemaal is opgelost en waarvan we alleen nog maar holten en afdrukken terugvinden, zoals van slakkenhuizen, schelpen en koralen. Aragoniet is onder normale druk en temperatuur minder stabiel en meer oplosbaar dan calciet.
Bij een mengsel van uitsluitend calcietkorrels met daartussen poriën gevuld met water, stelt zich een chemisch evenwicht in. Er lossen na verloop van tijd evenveel calcium- en carbonaationen op in het poriewater, als er vanuit het poriewater weer kristalliseren op het oppervlak van calcietkorrels. Het mengsel van enkel calciet en water is stabiel.
Een mengsel van calciet- en daarnaast ook aragonietkorrels met poriewater is daarentegen instabiel. Er stelt zich pas een chemisch evenwicht in, als alle aragoniet is opgelost. Simpel gezegd, er gaan meer calcium- en carbonaationen van het beter oplosbare aragoniet in oplossing, dan van het slechter oplosbare calciet. . Het totaal aantal calcium- en carbonaationen dat in oplossing gaat, is minder dan in het geval van puur aragoniet en meer dan in het geval van puur calciet. De oplossing is daarom onder verzadigd voor aragoniet en oververzadigd voor calciet. Aragoniet lost per saldo op en calciet groeit per saldo aan.
Dit is de reden voor de oplossing van aragoniet en voor de omzetting in kristalletjes van calciet die de korrels in harde lagen aan elkaar kitten.
HET ONTSTAAN VAN HARDE EN ZACHTE LAGEN
Om dit te begrijpen, moeten we ook kijken naar andere componenten en naar de bio-geochemie in de bodem van de Krijt-zee. Naast de skeletresten van calciet en aragoniet met poriewater, bevat die ook nog organisch materiaal (CH2O) van afgestorven organismen en in het poriewater opgeloste zuurstof (O2), afkomstig uit het zeewater erboven.
Organisch materiaal reageert met zuurstof. Dat wordt als het ware verbrand, en daardoor ontstaat water (H2O) en koolstofdioxide (CO2). Het koolstofdioxide reageert weer met het water en vormt dan koolzuur (H2CO3), dat het calciumcarbonaat (CaCO3) versterkt oplost. Door de reactie tussen een koolzuur- en een calciumcarbonaatmolecuul komen er twee bicarbonaationen (2HCO3-) en een calciumion (Ca2+) vrij.
De zeebodem wordt tot enkele decimeters diepte voortdurend omgewoeld door gravende organismen en incidenteel door golfbeweging tijdens sterke stormen. Hierdoor blijven korrels in beweging en wordt verbruikt zuurstof ververst en lost vooral aragoniet op.
Onder deze zone zijn de korrels voorgoed begraven en is de zuurstof uit het poriewater verbruikt. Verkittende calcietkristalletjes kunnen hier in alle rust aangroeien, gevoed door calcium- en carbonaationen afkomstig van het oplossende aragoniet, uit de zuurdere, zuurstofrijke zone erboven.
Zo vormt zich na verloop van tijd een zachtere kalksteenlaag met daaronder een verkitte hardere kalksteen laag (Molenaar & Zijlstra, 1997).
WAAROM HARDE EN ZACHTE LAGEN ELKAAR AFWISSELEN
Wanneer er voortdurend korrels kalk worden toegevoegd aan de omgewoelde, zuurstofrijke bovenlaag van de zeebodem, evenveel als er door oxidatie van organisch materiaal en vorming van koolzuur worden opgelost, dan wordt er per saldo geen kalksteenpakket afgezet.
Er ontstaat dan slechts een zogenaamde condensatielaag, waarin het aandeel van minder oplosbare bestanddelen, zoals haaientanden, fosfaatknolletjes, klei en kwartskorrels steeds verder toeneemt. Daaronder ontwikkeld zich een steeds sterker verkitte laag (fig. d).
Een kalksteenpakket kan alleen ontstaan als er meer korrels kalk worden toegevoegd, dan er worden opgelost. Blijft hierbij de afzettingssnelheid constant, dan ontstaat er een homogeen kalksteenpakket dat overal even hard of zacht is, en waarbij een deel van de aragoniet kalkkorrels is opgelost en omgezet in verkittende calcietkristallen.
De afzettingssnelheid bepaalt hoe lang een kalkkorrel in de bovenste omgewoelde oplossingslaag verblijft, voordat deze terechtkomt in de verkittende laag eronder, voorgoed wordt begraven, en bijdraagt aan de groei van het kalksteenpakket.
Bij een hogere afzettingssnelheid neemt de verblijftijd af, lost er minder op en wordt er minder verkit. Bij een lagere afzettingssnelheid neemt de verblijftijd toe, lost er meer op, en wordt er meer verkit.
Bij regelmatig afwisselen van hogere en lagere afzettingssnelheden ontstaat dan een opeenvolging en afwisseling van meer en minder verkitte, hardere en zachtere lagen in het kalksteenpakket (Zijlstra, 1994e).
WAAROM AFZETTINGSSNELHEDEN VAN HET KALKSTEENPAKKET VARIEERDEN
De afwisseling van harde en zachte lagen in de Kunrader en Maastrichtse kalksteen is niet helemaal regelmatig. De dikten en de mate van verkitting van de harde en zachte lagen verschilt in de verticale opeenvolging, en, wat minder opvallend, ook in de horizontale verbreiding.
De afwisseling is ook niet helemaal onregelmatig, maar vertoont vermoedelijk een zwak herkenbaar patroon. Hardere en zachtere lagen geven de indruk bundels te vormen van 4 tot 6 opeenvolgende lagen. Dit patroon doet denken aan het patroon van Milankovitch klimaatcycli, zoals bij de opeenvolging van ijstijden, die worden veroorzaakt door periodieke veranderingen in de stand van de aardas, en de aardbaan om de zon. Een harde en zachte laag van enige decimeters dikte zijn dan samen in ongeveer 20.000 jaar afgezet, met een gemiddelde snelheid in de orde van grootte van enkele centimeters per 1000 jaar.
In het Krijt waren er geen ijstijden, zodat er waarschijnlijk sprake was van een afwisseling van perioden met min of meer sterke en frequente (sub-)tropische stormen, door noord-zuid verschuivende klimaatzones.
Een regelmatig wisselende, gemiddelde storm- en zeewatergolfenergie, zorgde voor de afwisseling van hogere en lagere afzettingssnelheden tijdens de afzetting van de Kunrader en Maastrichtse kalksteen. Dit alles in een regelmatig oprukkende en terugtrekkende subtropische zee, meer dan 66 miljoen jaar geleden en zo'n 1300 km zuidelijker van het huidige Limburg gelegen, ongeveer op de hoogte van het tegenwoordige Sardinië (Van Hinsbergen et al., 2015; paleolatitude.org).
DE INVLOED VAN GRONDWATERDALING
Lang na de afzetting van de Kunrader en Maastrichtse kalksteen werd er nog veel kalk opgelost na het begin van de eerste ijstijd, zo'n 2,6 miljoen jaar geleden. Door de aangroei van de ijskappen daalde de zeespiegel en daarmee ook de grondwaterspiegel. Regenwater verrijkt met koolzuur, afkomstig van de afbraak van organisch materiaal uit de bodem op de drooggevallen kalksteen, percoleert dan voortdurend vanaf de oppervlakte, door de kalksteen heen, naar de grondwaterspiegel tot op tientallen meters diepte. Vooral rond geologische orgelpijpen (Rademakers, 1998), diepe oplossingsgaten vaak aangetroffen langs breuken, is door ijzerverkleuring goed zichtbaar, hoe het etsende grondwater bij voorkeur de zachtere lagen heeft opgelost. Een toename van porositeit en zachtheid van deze lagen, en daarmee een verhoging van contrast tussen zachte en harde lagen, door deze zogenaamde karst, is dan ook waarschijnlijk.
DISCUSSIE
Het bovenstaande schetst in grote lijnen het ontstaan van harde en zachte lagen in de Kunrader en Maastrichtse kalksteen. Verschillende details zijn hier niet behandeld. Zo speelt de verhoogde aanwezigheid van kleimineralen, vooral in de Kunrader kalksteen, een rol in het zachter maken van lagen, zonder dat dit doorslaggevend hoeft te zijn. Immers, een afwisseling van harde en zachte lagen komt ook voor in de nagenoeg pure Maastrichtse kalksteen. Ook de verkiezeling en vuursteenvorming zijn niet besproken, terwijl deze de hardheid van lagen mogelijk kunnen beïnvloeden, door oplossing en verdringing van calciet, eventueel begeleid door afzetting van verkittende calcietkristallen elders. Verder is er nog onderscheid te maken in de typen van verkitting van lagen, en hun ontwikkeling in de tijd, zoals van knollig rond graafgangen, naar massief, geërodeerd, en aangeboord of begroeid door organismen. Mogelijk is er ook nog sprake van oplossing en verkitting door indringend hydrothermaal water, langs breuken omhooggekomen vanuit de diepe ondergrond.
CONCLUSIE
Lagen in de Kunrader en Maastrichtse kalksteen kunnen zeer hard zijn door calcietkristalletjes die kalkkorrels aan elkaar kitten.
Het calciumcarbonaat van de calcietkristallen is afkomstig van al vroeg opgeloste aragoniet.
Door regelmatig veranderende afzettingssnelheden, ontstond een regelmatige afwisseling van harde en zachte lagen.
Patronen in de variatie van laagdikten verraden de invloed van astronomisch beïnvloede Milankovitch klimaatcycli op de afzettingssnelheden.
Het contrast tussen harde en zachte lagen wordt lang na de afzetting van de kalksteen, sinds de ijstijden, nog versterkt door karstvorming.