Giftige gasser kan forklare eldgammel gåte

Det er lett å se at Sverre Planke vet forskjellen på et godt og et dårlig måltid.

– Det er flere faktorer som bestemmer resultatet. Ingrediensene er én av dem. Koketemperaturen en annen, avslører han, mens han slikker seg rundt munnen, nipper til et glass rødvin og tørker fingrene på det lange, hvite forkleet.

Sammen med sin gamle venn og kollega Henrik Svensen har han tatt på seg rollen som kokk.

Vi har blitt med geologene på kjøkkenet. Utekjøkkenet, altså. Det som bare består av en enkel grill og en masse kull. Ingrediensene de setter frem er mel (dødt organisk materiale), salt (evaporitter), kattesand (silikater), eggeskall (karbonater), olje (hydrokarboner) og vann (porevæske). Det er synd å si at blandingen stimulerer smaksorganene. Men de vekker i alle fall nysgjerrighet.

Men så er det altså ikke et ganske vanlig måltid de er i gang med. Med de stolte murbygningene på Blindern som akademisk alibi, steller forskerne i stand et eksperiment. Hele poenget er å la oss få lukte på gassene som blir utviklet under kokingen.

– Det lukter ikke godt, forteller Svensen megetsigende, mens den sure, svarte røyken driver forbi neseborene.

– Det er sikkert ikke sunt heller, legger Planke til, for det var akkurat det han ville demonstrere.

Vi gnir oss intenst i øynene. Det er lett å tro dem. Planke og Svensen tar av seg de elegante kokkeluene, innkjøpt for anledningen, og nikker fornøyd. De to kollegaene er skjønt enige om at det ikke er nødvendig å være dødsseriøse absolutt hele tiden. Litt moro må de kunne unne seg tid til i mellom de vitenskapelige slagene. [1]

[1]Forskningen som her er omtalt er utført som en del av prosjektet «Processes in volcanic basins and the implications for global warming and mass extinctions», finansiert av NFR/SFF/PetroMaks/YFF.

Fem store utslettelser

De aller fleste plante- og dyreartene som har levd på Jorda – mer enn 90 prosent – er allerede forsvunnet. De har «dødd ut». De er borte for alltid.

Dødeligheten er imidlertid langt fra konstant opp gjennom geologisk tid, og på enkelte tidsrom i Jordas historie har det forsvunnet så mange arter at begrepet masseutdøing, eller masseutslettelse («mass extinction»), har oppstått.

Gjennom fanerozoikum er fem store masseutdøinger kjent. Disse skjedde i slutten av ordovicium, devon, perm, trias og kritt (se tidsskala side 8) og karakteriseres av at mer enn 50 prosent, og opp til 90 prosent, av alle artene forsvant i løpet av svært kort tid.

Årsaken(e) til masseutdøingene er ikke kjent. Et meteorittnedslag knyttes riktignok til masseutdøingen i slutten av kritt (GEO 04/2012), men det er lite sannsynlig at de andre utdøingene er forårsaket av tilsvarende nedslag.

Massutdøingene gjorde et kraftig innhugg i antall arter og individer. Samtidig åpnet de opp for at nye arter av både planter og dyr utviklet seg. På drastisk vis endret de livets utvikling. Dinosaurene oppstod for eksempel etter den permiske masseutdøingen, og pattedyrene akselererte utviklingen etter at dinosaurene forsvant i slutten av kritt.

Oppvarmingen gir giftige gasser

Likevel. Det uhøytidelige kjøkkeneksperimentet var alvorlig ment. Poenget var å vise at vi på en enkel måte kan etterligne naturens egne prosesser, samt lære litt om hva naturen selv kan stelle i stand under gitte betingelser.

Grillkullet (varmekilden) kan erstattes med glødende magma, og ingrediensene (en særegen blanding som ikke bør prøves på kjøkkenet hjemme) kan byttes ut med forskjellige sedimentære bergarter: sandsteiner, kalksteiner, skifre og evaporitter. Spesielt evaporitter (salt).

– Når vi varmer opp en blanding av organisk rike skifre og halitt (salt), til flere hundre grader, utvikles giftige gasser, og hvis de blir spyttet ut i atmosfæren i store nok mengder, kan det ha dødbringende konsekvenser for livet på Jorda, påstår Svensen.

– Vi har gjort vitenskapelige eksperimenter i laboratoriet som bekrefter denne antakelsen. Ved å utsette steinblandingen for 275 grader utvikles en rekke gasser som vi har analysert. Resultatet er ikke oppløftende, supplerer Planke.

Oppvarmingen og den påfølgende gassutviklingen fører til rask oppbygging av trykket i bergartene. Dermed sprekker de opp, og jo mer metan det er i skifrene, jo lettere sprekker de.

– Oppsprekkingen skjer raskt, og gassene strømmer med eksplosiv fart til overflaten gjennom det vi kaller avgassingspiper. Det er disse pipene som har kastet ut store mengder giftige gasser til atmosfæren.

– Gjennom modellering har vi vist at skifre og evaporitter danner store volumer av klimagassene karbondioksid og metan. Men det dannes også andre, ozon-nedbrytende gasser, som for eksempel halokarboner (forbindelse mellom karbon og fluor, klor, brom eller jod). Dessuten blir det frigjort svovel som kan forårsake nedkjøling av atmosfæren med påfølgende «vulkanske vintre».

Det er spesielt disse «andre» gassene herrene Planke og Svensen har interessert seg for.

Død og fordervelse

Bakgrunnen for det eksperimentet Planke og Svensen har stelt i stand er den aller største masseutdøingen på Jorda noen sinne. For ganske nøyaktig 252,2 millioner år siden forsvant det aller meste av livet på landjorda i løpet av et geologisk øyeblikk – bare 60 000 år. Opp til 96 prosent av alle artene som levde i havet kreperte, og 70 prosent av artene på landjorda måtte bøte med livet.

Dermed var den geologiske tidsperioden perm over. Det samme var den geologiske æraen paleozoikum (“gammelt liv”).

En ny tid kunne begynne, og det nye livet utviklet seg i den geologiske perioden trias og den geologiske æraen mesozoikum (“middellivet”). Men det tok bortimot ti millioner år før planter og dyr igjen fikk skikkelig fotfeste, både på landjorda og i havet. I all hovedsak var dette nye, til da ukjente livsformer, og snart dukket dinosaurene opp. Deretter tok det ikke lang tid før disse beistene regjerte kloden.[1]

Årsaken til masseutslettelsen har vært heftig debattert forskere i mellom. Som vanlig er det påstand mot påstand, og for sterke personligheter er det vanskelig å bli enige. Blant de mange forklaringene som har vært nevnt er meteorittnedslag (med referanse til meteoritten som utryddet dinosaurene), global oppvarming, global nedkjøling, nedbrytning av ozonlaget og giftige gasser.

Planke og Svensen har imidlertid tenkt nye tanker. I samarbeid med flere kollegaer ved Physics of Geological Processes (PGP,) et Senter for Fremragende Forskning ved Universitetet i Oslo, er de to godt i gang med å utvikle sin egen hypotese.

Store vulkanprovinser

Store vulkanprovinser (Large Igneous Provinces; LIP) dannes ved at smeltemasser (magma) fra mantelen spres over enorme landområder (millioner av kvadratkilometer) i løpet av relativt kort tid (0,5-1 millioner år). Den siste store vulkanprovinsen av denne typen oppstod for ca. 55 millioner år siden i forbindelse med åpningen av det nordøstlige Atlanterhavet.

Hvis smeltemassene passerer gjennom bassenger med sedimentære bergarter på vei mot overflaten, blir det dannet såkalte vulkanske bassenger. Disse karakteriseres av opp til flere hundre meter tykke lag-ganger («sills») som ligger mellom sedimentære bergarter.

Det viser seg at det er en statistisk sammenheng mellom tidspunktet for dannelsen av store vulkanprovinser og store miljøkriser på Jorda (global oppvarming og masseutryddelser). Overgangen mellom perm og trias er en av dem. Overgangen mellom trias og jura en annen.

Mot en ny hypotese

– Arbeidshypotesen vår er at et gigantisk vulkanutbrudd i Sibir utviklet giftige gasser som ble dannet da rødglødende magma trengte inn i de sedimentære bergartene, og at det er disse – ikke de glohete lavastrømmene på overflaten – som forårsaket masseutslettelsen, forklarer Svensen.

Gassene ble dannet nede i dypet, men de sprengte seg vei opp gjennom selvlagede piper med diameter opp til 5-600 meter. Mer enn 200 slike avgassingspiper er funnet. En mengde kratre vitner om at pipene kollapset etter utbruddene.

– Her har det vært voldsomme krefter på gang. Vi kjenner ikke til tilsvarende utbrudd opp gjennom historisk tid. Ingen av disse er i nærheten av dette, påpeker Svensen.

Mot slutten av perm kan vi derfor se for oss at rødglødende lava renner ut over det flate landskapet, akkompagnert av kraftige, øredøvende eksplosjoner, der svart, sur og illeluktende røyk blir slynget opp i luften fra hundrevis av innsunkne kratere.

Det er ikke mange livsformer som ville likt dette. Spørsmålet som Planke og Svensen har stilt er om de giftige gassene har påvirket livet globalt – ikke bare lokalt og regionalt.

– Gassene bidro til overoppheting av atmosfæren (global oppvarming), men modellberegninger vi har gjort viser at det i seg selv var ikke nok til å forårsake massedød. Floraen og faunaen fikk nådestøtet fordi gassene forgiftet atmosfæren og fordi ozonlaget ble ødelagt av gassene, mener de to forskerne.

Men tro ikke at Planke og Svensen bare har stått og lekt seg rundt grillen på vakre sommerkvelder. Det er bare hardt arbeid som teller. Og det har blant annet foregått i Sibir. Uendelig langt borte fra allfarvei. For ikke å si en velfylt kolonialbutikk. Feltarbeid kalles det.

En eksplosiv verden

Geologer forbinder Sibir med to-tre ting: store olje- og gassressurser, rike malmleier og enorme lavaplatåer. De siste er kjent som “Siberian Traps” (“De sibirske trappene”) og dekker et område på ufattelige fire millioner kvadratkilometer. Det er mer enn ti ganger Norges areal, og like stort som USAs 48 stater (Alaska ikke medregnet). Berømte vulkanutbrudd som Mt. Pinatubo (1991) og Mt. St. Helen (1980) blir bare som små oppkommer å regne mot de gamle vulkanene i Sibir.

– Lavalagene i Sibir er samlet sett opp til seks kilometer tykke, så det er ingen tvil om at det har vært et – mildt sagt – stort vulkanutbrudd, forteller Svensen.

– Det de færreste imidlertid vet, er at det under lavalagene, mellom de sedimentære bergartene, har trengt inn kokhet lava. De kan være opp til 250 meter tykke, og det er disse som har fanget vår interesse.

Årsaken er åpenbar. Når lavaen trenger inn i de sedimentære bergartene, begynner naturen sin egen “kokkelering” med kull, skifer, karbonater og klastiske bergarter som ingredienser. Lavaen er varmekilden, og varmen brer seg oppover og gjennom de sedimentære bergartene.

– Jeg tror ikke det ville vært lurt å være i nærheten av den grillen, smiler Planke. Han sikter til de giftige gassene som ble dannet og som sprengte seg opp gjennom lagrekken, før de til slutt ble ekspedert ut i atmosfæren med et voldsomt smell.

Hensikten med å dra til Sibir var derfor å prøve ut hypotesen om at vulkanismen med påfølgende utslipp av giftige gasser kunne ha forårsaket miljøkatastrofen på slutten av den geologiske tidsperioden perm.

– Vi måtte bli kjent med de sedimentære bergartene, spesielt organisk rike skifre og evaporitter, som lavaen strømmet inn i. Vi trengte prøvemateriale for å kunne analysere dem, og da måtte vi oppsøke både blotninger og gamle lagre med kjerneprøver.

Det var altså nok å ta seg til. Derfor ble det ikke bare én tur. Hele tre ganger har “Team Planke/Svensen” vært i Sibir (2004, 2006, 2010).

Ser stort på det

Sverre Planke og Henrik Svensen, samt flere kollegaer ved Universitetet i Oslo, jobber med en hypotese om at store vulkanprovinser (eng: “Large Igneous Provinces”; LIP) er årsaken til de fleste masseutslettelsene i fanerozoisk tid (de siste 541 millioner år). Forklaringen er at giftige gasser har ødelagt både atmosfæren og ozonlaget. Utslipp av metangass kan samtidig ha gitt store klimaendringer.

De to har jobbet med disse problemstillingene i snart ti år. I løpet av denne tiden har de, sammen med en rekke medforfattere, publisert mer enn 20 vitenskapelige artikler i internasjonale tidsskrifter, og i løpet av 2012 vil det blir publisert enda flere.

Antall siteringer viser at kollegaer over hele verden har vist stor interesse for resultatene. Nye problemstillinger har også dukket opp, så selv om det opprinnelige forskningsprosjektet er avsluttet, har de to ivrige forskerne klart å skaffe mer penger til mer forskning. Norges forskningsråd har i så måte vært nyttig.

Allerede i 2004 publiserte de to en artikkel i det anerkjente vitenskapelige tidsskriftet Nature, hvor de la frem forskningsmateriale som ga støtte for at den store varmepulsen i overgangen mellom paleocen og eocen (“The Paleocene-Eocene Thermal Maximum”; PETM) skyldes utslipp av metan fra sedimentære bassenger rundt Nord-Atlanteren.

Utslippene ble relatert til åpningen av Norskehavet og tilhørende vulkanisme. Glødende lava trengte inn i de sedimentære lagpakkene, varmet opp skifrene, hvorpå metangass trengte gjennom lagpakken og ut i atmosfæren. Metan er en særdeles potent klimagass, og de store utslippene forårsaket derfor oppvarmingen.

Senere har Planke og Svensen interessert seg for masseutslettelsen ved overgangen mellom trias og jura (for 201,3 millioner år siden), og i Karroobassenget i Sør-Afrika har de funnet avgassingspiper som indikerer at denne utslettelsen kan forklares med samme hypotese som den 51 millioner år eldre utslettelsen ved overgangen fra perm til trias.

Feltarbeidet

Feltarbeid i det østlige Sibir er ingen enkel sak. Tillatelser må skaffes, helikopterpriser forhandles, og ikke minst: Det er viktig å ha is i magen når man først kommer dit.

Det er nemlig få steder der bergartene stikker opp over den flate taigaen, og man er derfor avhengig av borekjerner. Men det er aldri godt å vite om kjernene fortsatt ligger intakte i de provisoriske lagerskurene i skogen, eller om de er ødelagt av skogbranner som stadig herjer i området.

Sverre Planke og Henrik Svensen mener de har vært heldige. Det skyldes nok at de har fått mye god hjelp fra russiske kolleger. Kjerner ble lokalisert, logget og prøvetatt, og en bråte med stein ble brakt tilbake til Universitetet i Oslo.

Kort fortalt

Basert på en rekke analyser og undersøkelser har Svensen og Planke lansert en ny hypotese for å forklare masseutryddelsen på slutten av permtiden. Nøkkelpunktene i hypotesen kan oppsummeres slik: 1) lava (lagganger) trengte inn i bassenget for 252,2 millioner år siden, 2) varmen fra de vulkanske laggangene ga rask oppvarming av skifre, evaporitter og hydrokarboner som førte til store overtrykk og omdanning av organisk karbon til forskjellige gasser (CO₂, CH₄, CH₃Cl), som 3) ble spydd ut i atmosfæren gjennom enorme, vertikale utblåsningspiper. Utbruddene laget kilometerstore kratre på den permiske landoverflaten, og mengdene med gass var tilstrekkelige til å gjøre livet uutholdelig for de aller fleste artene på Jorda. Giftige gasser og UV-B-stråling gjorde jobben.