Ontstaan van een Canyon in slechts drie dagen

Na extreem sterke regenval in juli 2002 kwam het bij het stuwmeer van Canyon Lake in het midden van Texas tot een stortvloed, die binnen drie dagen een 2,2 kilometer lange en gemiddeld zo’n zeven meter diepe canyon uit het onderliggende gesteente sleep: de nieuw ontstane Canyon Lake Gorge. De observaties bij het ontstaan van de Canyon Lake Gorge leverden waardevolle informatie: hoe door de snelle afvloeiing van opmerkelijke hoeveelheden water tijdens de overstroming in zeer korte tijd enorme en vlugge erosieprocessen worden veroorzaakt. Als gangbaar model voor het ontstaan van canyons wordt doorgaans een tijdsduur van vele miljoenen jaren verondersteld. Lamb en Fonstad (2010) lukte het echter aan de hand van bestudering van vele luchtopnamen, topografische analyses en metingen van het watervolume en de stroomsnelheid van de rivier de precieze ontstaanstijd voor de Canyon Lake Gorge op drie dagen te bepalen. Daarmee dagen zij ertoe uit de huidige modellen voor het ontstaan van dalen, kloven en landschappen opnieuw te overdenken (Ernst en Kotulla 2007).

Inhoud

•Inleiding
•Ontstaansmodellen tot nu toe voor dalen, canyons en landschappen
•Een snel ontstaan van Canyon Lake Gorge
•Welke nieuwe inzichten werden verkregen
•Conclusie en vooruitzicht
•Literatuur
•Internetlinks

Inleiding

Op 19 maart 1982 werd na een verdere uitbarsting van de vulkaan Mt. St. Helens waargenomen ho binnen een paar uur een krachtige modderstroom uit hete vulkaanas en gesmolten ijs en sneeuw ontstond. De naar beneden stromende, enorme modderstroom met zijn verwoestende lading van water, gesteente en modder stortte over het voormalige landschap, sneed er doorheen en schaafde daar met een bijzonder hoge erosiesnelheid de ondergrond, bestaand uit natuursteen, tot dertig meter diep uit, zodat de ‘Little Grand Canyon’ ontstond (Austin et al. 1994; Ernst & Kotulla 2004).

Tijdens het hoogwater in Sachsen, dat bekend staat als ‘de overstroming van de eeuw’, kwam het op 12 en 13 augustus 2002 tot extreme stortbuien, wat in meerdere dalen van het oostelijke Ertsgebergte tot catastrofale overstromingen leidde (Stephan 2003, 2004). Op de komgronden naast de Müglitz werd een zandlaag van zo’n dertig tot honderd centimeter afgezet (Ernst & Stephan 2007).

Deze en verdere waarnemingen bevestigden nog eens de eerst zeer omstreden catastrofale vloed-theorie van J. Harlen Bretz, die decennialang in de staat Washington de gevolgen van de Missoulavloed onderzocht had (Ernst & Kotulla 2007). Binnen enkele dagen werden hier dalen met tot wel 300 meter hoge en kaarsrechte wanden uit hard basalt en de ‘Channeled Scablands’ van het Columbiaplateau als met een zeer grote zandstraal uitgeschuurd.

Het nu door Lamb & Fonstad (2010) beschreven ontstaan van Canyon Lake Gorge (afb. 1) door een stortvloed binnen slechts drie dagen doet de discussie over de ontstaansvoorwaarden van kloven, canyons alsook ruimere landschap in recente tijden en gedurende de geschiedenis van de aarde herleven.

Ontstaansmodellen voor dalen, canyons en landschappen tot nu toe

Uit tegenwoordige onderzoeken blijkt dat de kracht van erosie en sedimentatie van een vloed afhangt van de helling en de stroomsnelheid. De conclusies die tot nu toe daaruit getrokken werden, gingen bijna altijd van ‘normale’, tegenwoordige verhoudingen uit – naar het spreekwoord: “de gestage drup holt de steen”. Onder zulke omstandigheden – met slechts af en toe catastrofen – wordt in de bovenloop van een rivier gesteente (gedeeltelijk grote blokken) geërodeerd, slechts over een korte afstand getransporteerd en dan weer afgezet. In de midden- en benedenloop zet de rivier haar steeds fijner wordende sediment (van kiezel naar zand naar klei) af, tot aan de monding in grote delta’s en in de open zee. De duur en de hoeveelheid water is dus in het bijzonder bepalend voor de hoeveelheid materiaal een rivier kan vervoeren en afzetten. Daarbij komen nog de hardheid en aard van het onderliggende gesteente.

Enkele jaren geleden werd nog aangenomen dat de verwoestingskracht alleen door de stroomenergie van de rivier wordt bepaald. Nu is bekend dat de hoeveelheid en aard van de meegevoerde keistenen de eigenlijke erosiesnelheid bepalen. Meer of minder grote brokken steen worden door het stromende water in de bedding vooruitgeschoven en -gerold, stuiteren op de bodem en botsen tegen elkaar, tot zij tenslotte bij een lagere stroomsnelheid op de bodem worden afgezet. Door experimenten is vastgesteld welke afstand nodig is om gesteenten van verschillende hardheid in een beek met een verval van 0,2% te verpulveren. De onderzoeken laten zien dat een brok zacht zandsteen al na 1,5 km van 20 cm naar 2 cm doorsnede tot steenslag verkleind wordt, terwijl een even groot stuk hard graniet hiervoor over een afstand van elf kilometer moet worden getransporteerd.¹

In de tot nu toe gebruikelijke ontstaansmodellen van dalen en landschappen worden verschillende parameters in een raamwerk van een lange tijd met verschillende weging gezet. De veronderstelde lange duur van de stromingsgeschiedenis speelt daarbij een cruciale rol, aangezien hoogwaterstanden en overstromingen onder huidige omstandigheden slechts af en toe voorkomen. Bovendien zijn de stabiliteit en breukvastheid van het onderliggende gesteente (zie boven) bij voortdurende waterbalansverhoudingen en stroomsnelheden enz. bepalende vereisten voor de modelberekeningen. Zo slaagden overeenkomstige ontstaansmodellen erin grote kloven en canyons door een langzaam ontstaan in de loop van miljoenen jaren te doen ontstaa

Snel ontstaan van Canyon Lake Gorge

Extreem sterke regenval zorgde in juli 2002 rond de stad San Antonio in het midden van Texas (VS) voor een zeer snel stijgende waterspiegel van het 50-60 km noordoostelijk gelegen Canyon Lake en zorgde voor het overlopen van het stuwmeer.²³ Door de enorme waterdruk van het waterreservoir dreigde ook de dam te breken. Ter ontlasting van het stuwmeer had men al voor de overstroming voor noodgevallen een kanaal aangelegd, om voor een afvoer naar de verder dalafwaartse rivier Guadeloupe River te zorgen. Deze maatregel was echter niet genoeg om de watermassa’s af te voeren. In zes weken tijd stroomden enorme watermassa’s in het dal; er stierven negen mensen en de materiële schade bedroeg 1 miljard dollar.

De uitgevloeide watermassa’s zetten op turbulente wijze het dal van de Guadeloupe River in drie dagen tijd onder water: de volledige vegetatie (bomen en struiken) evenals de bodem en het gesteente van de ondergrond werden geërodeerd en weggevoerd. De modderstroom verwoestte een brug en schuurde een 2,2 kilometer lange en meerdere meters diepe canyon voor het eerst uit het onderliggende gesteente uit (afb. 2, Lamb & Fonstad 2010, 1). Er bleven opvallende structuren achter die in de onderliggende rots zichtbaar zijn: Canyon Lake Gorge was ontstaan (afb. 2).

Welke nieuwe inzichten werden verkregen?

De observaties bij het ontstaan van Canyon Lake Gorge leverden waardevolle inzichten: hoe door de snelle afvloeiing van opmerkelijke hoeveelheden water tijdens de overstroming in zeer korte tijd enorme en vlugge erosieprocessen worden veroorzaakt. Lamb & Fonstad hebben bij de canyon infrarood- en luchtopnamen voor en na de overstroming alsook afvoervolumes tijdens de overstroming en verdere veldwaarnemingen voor het sedimenttransportmodel geëvalueerd.

Aan de hand van deze data konden Lamb & Fonstad hun voorgaande modelberekeningen en in het bijzonder de hydrologische en topografische waarden bij het ontstaan van andere canyons controleren en daarmee aantonen, hoe kloven ontstaan. Bijzonder verbazingwekkend was het dat de overstroming metersgrote blokken transporteerde alsook binnen drie dagen een circa zeven meter diepe kloof uit het onderliggende kalksteen uit het Krijt uitgebeiteld had.

1. Ten tijde van de hoogste afwateringssnelheid werd de maximale erosiesnelheid bereikt tijdens de drie dagen durende stortvloed. Hoewel de watermassa’s gedurende meerdere weken wegstroomden, vond de maximale afwatering in slechts drie dagen plaats. In deze korte tijd vond het grootste deel van de erosie plaats. Het water van de overstroming schoot eerst onder de stuwdam door het slechts ca. 115 meter korte en 365 meter brede betonnen afvoerkanaal. Daarna werd het smalle dalletje (met een verhang van 2-8%) richting de Guadeloupe River volledig overstroomd. Het geweld van de watermassa’s erodeerde de gehele vegetatie met de bodemlaag tot het gesteente in de ondergrond erbij en vormde daarmee een zeer dynamische modderstroom, die zich metersdiep in het onderliggende kalksteen insneed. De voormalige beekbedding werd over een groot deel van de lengte van de canyon veertig tot zestig meter verbreed en gemiddeld zeven meter diep ingesneden.

2. Afvoerweg en -hoeveelheden. De modderstroommassa’s stroomden, het reliëf volgende, door kanalen en over terrassen met een hoge erosiesnelheid stroomafwaarts (afb. 4). In totaal erodeerde de stortvloed rond de 230.000 m3 materiaal, waarbij bijna de helft uit het onderliggende kalksteen uit het Krijt bestond (Lamb & Fonstad 2010).⁴

3. Opvallende structuren na de stortvloed. De door de hydraulische werveling van de stortvloed (vergelijkbaar de draaikolk die je bij een afvoerputje ziet) uitgebeitelde rotsblokken werden meegetrokken en na afname van de heftige stroming in de benedenloop van de canyon dakpansgewijs afgezet (overlapping; afb. 5). Het uitrukken van zulke grote brokken uit het rotsgesteente was vooral daar mogelijk, waar het al door spleten en verstoringen breekbaar was. De vorm van de canyon ontstond afhankelijk van het onderliggende gesteente: op de plaatsen waar het harde gesteente (kalk uit het Krijt met dolomieten en mergels van de Glen Rose Formation) uit de ondergrond gerukt werd, ontstonden watervallen. Daarentegen zijn door de erosie van de jongere lagen uit het Kwartair in de canyon afvoerkanalen met nissen en kolkgaten gevormd. Verder werden uitgebreide terrassen, puinrepen en gestroomlijnde puineilanden opgehoopt. De hoge erosiesnelheid werd door het zogenaamde ‘plucking’ (het uitrukken van blokken uit het gesteente) verkregen. De geweldige modderstromen kerfden diepe sneden in de vorm van watervallen tot wel twaalf meter hoog uit (Lamb & Fonstad 2010, 2). Opvallend is het dat aan de voet van de watervallen zogenaamde kolkgaten (potholes) met een doorsnede van 10-25 meter in de rots uitgehold werden, die tegenwoordig als vijvers met water gevuld zijn (afb. 6). Hier was de erosiesnelheid door het uitslaan van blokken gesteente bijzonder hoog. Bovendien werden dalafwaarts gestroomlijnde puineilanden (afb. 6) opgehoopt. Zulke structuren had J.H. Bretz al bij de Missoula-vloed (verg. Ernst & Kotulla 2007, 26-28) als belangrijke aanwijzingen voor catastrofale stortvloeden gezien.

4. Niet de stabiliteit en de breekbaarheid van het onderliggende gesteente, maar de transportcapaciteit van het water is bepalend voor de erosiesnelheid. De analyse van Lamb & Fonstad (2010) laat verder zien dat een verder stijgen van de erosiesnelheid alleen maar door de transportcapaciteit van het water werd begrensd. Modellen die tot nu toe gebruikt werden, namen daarentegen aan dat de stabiliteit en breekbaarheid van het gesteente belangrijk is (zie boven).

Conclusie en vooruitzicht

In de gangbare ontstaansmodellen van canyons werd tot nu toe aangenomen dat gewoonlijk in een periode van vele miljoenen jaren ontstaan. Lamb & Fonstad 2010 lukte het daarentegen aan de hand van de evaluatie van talrijke luchtopnamen, topografische analyses, metingen van het watervolume en de stroomsnelheid van de vloed de precieze ontstaansduur van Canyon Lake Gorge op slechts drie dagen te bepalen. Daarmee dagen zij ertoe uit de ontstaansmodellen die tot nu toe gebruikt werden opnieuw te overdenken.⁵

Bij de reconstructie van de aardgeschiedenis wordt intussen – in het bijzonder in de zogenaamde event-stratigrafie (stratigrafie op grond van geologische gebeurtenissen) – verscheidene overstromingen met grotere omvang (verg. Ernst & Kotulla 2007) een groter belang toegekend. Zo ontstaan bijvoorbeeld door een wereldwijde zeespiegelstijging zogenaamde transgressievlakten (transgressie is het landinwaarts verschuiven van de kustlijn). Na de grote tsunami op 26 december 2004 heeft men bijvoorbeeld kunnen zien hoe in een paar uur de hele kustlijn geërodeerd en opnieuw vormgegeven werd. Zeer indrukwekkend was het om de oostkust van Ceylon te bestuderen.

Verdere vragen die nu gesteld moeten worden, zijn vragen naar de frequentie en aard van zulke catastrofes bij de reconstructie van relevante gebeurtenissen in de aardgeschiedenis. Lamb & Fonstad alsook andere onderzoekers vragen zich af of de gigantische kloven op de planeet Mars mogelijkerwijs door vergelijkbare gebeurtenissen en wellicht door water gevormd zijn. Op onze rode buurplaneet bestaan talrijke grote canyons, die tot zeven kilometer diep en tot drieduizend kilometer lang zijn.⁶⁷ Na de stortvloed in juli 2002 zijn de ontstaansvoorwaarden van Canyon Lake Gorge bekend. Factoren als watervolume, duur van de stortvloed en de topografische veranderingen voor en na de gebeurtenis kunnen helpen om betere modellen ter reconstructie van megaoverstromingen op aarde en Mars uit vroeger tijden te ontwikkelen.

Dank: Voor waardevolle opmerkingen bedank ik Manfred Stephan, Michael Kotulla en dr. Reinhard Junker. Afbeeldingen zijn mij vriendelijk door Nature Geoscience en Brian Greenstone ter beschikking gesteld.

Literatuur

Austin S., ed, 1994, Grand Canyon: Monument to Catastrophe (Santee: Institute for Creation Research).
Austin, S., Ernst, M., Fritzsche, T., Kotulla, M. & Wiskin, R., 1994, Der Ausbruch des Mount St. Helens und seine Folgen. Dokumentationsbilder mit ausführlichen Erläuterungen (Baiersbronn: SG Wort und Wissen).
Ernst, M. & Kotulla, M., 2004, Vancouver, Vancouver, this is it, Factum 8/2004, 28-39.
Ernst, M. & Kotulla, M., 2007, Die Lake-Missoula-Flut, Factum 8/2007, 22-30.
Ernst, M. & Stephan, M., 2007, Rezente Hochflutsedimente der Müglitz südlich Dresden (Erzgebirge, Sachsen) im Vergleich mit Sandsteinbänken der Erdgeschichte. Jber. Mitt. Oberrhein., Geol. Ver. N.F. 89, 11-35.
Lamb, M.P. & Fonstad, M.A., 2010, Rapid formation of a modern bedrock canyon by a single flood event, Nature Geoscience 20 june 2010, DOI: 10.1038/NGEO894.
Stephan, M. 2003, Sedimentbildung bei der Hochwasserkatastrophe im Erzgebirge (Sachsen), Teil 1: Sandbank im Müglitztal zwischen Weesenstein und Dohna, Stud. Int. J. 10, 51-59.
Stephan, M., 2004, Sedimentbildung bei der Hochwasserkatastrophe im Erzgebirge (Sachsen), Teil 2: Enorme Transportvorgänge im Flußbett der Müglitz zwischen Glashütte und Oberschlottwitz, Stud. Int. J. 11, 11-19.
Stephan, M., Hg, 2010, Sintflut und Geologie. Schritte zu einer biblisch-urgeschichtlichen Geologie (Holzgerlingen: Hänssler).

Dit artikel is met toestemming overgenomen uit Studium Integrale Journal. De volledige bronvermelding luidt: Ernst, M., 2010, Bildung eines Canyons in nur 3 Tagen. Eine Herausforderung für traditionelle Entstehungshypothesen, Studium Integrale Journal 17 (2): 88-92. (Artikel).

1. http://www.scinexx.de/dossier-detail-212-4.html.
2. http://www.youtube.com/watch?v=HH_sf0-Er0c
3. http://www.youtube.com/watch?v=fycBI96nYsE
4. http://www.sciencenews.org/view/generic/id/60420/title/Even_a_newborn_canyon_is_big_in_Texas
5. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,701756,00.html
6. http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/0,1518,544095,00.html
7. http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-11829-2010-06-21.html