College van de maand: De Dolomieten en de ontdekking van Dolomiet

Soms lijkt het net of bepaalde begrippen of verschijnselen waar we nu iets van af weten, altijd al vanzelfsprekend zijn geweest. Tot het moment dat je je iets meer gaat verdiepen in de geschiedenis van bijvoorbeeld een theorie of een mineraal. Een tijdje geleden moest ik een presentatie geven over de ontdekking van het mineraal dolomiet. In dit college van de maand zal ik jullie meer vertellen over dit mineraal, wanneer het ontdekt is en de verschillende verklaringen die wetenschappers hadden voor de vorming van dit mineraal. Daarnaast zal ik ook ingaan op hoe dikke pakketten dolomiet gesteente gevormd kunnen worden.

Dolomiet is een mineraal met de chemische formule CaMg(CO₃)₂ en behoord tot de carbonaten. Perfect euhedrisch gevormde kristallen zijn kleurloos of melkwit van kleur (ook andere kleuren komen voor, vaak veroorzaakt door insluitsels of bijmenging van vreemde elementen) en zijn hoekig van vorm (afb.1). Primaire dolomietvorming vindt in het heden nauwelijks plaats en als het om carbonaat houdende mineralen gaat, wordt calciet gevormd (CaCO₃) in plaats van dolomiet. In het verleden werd echter wel veel dolomiet gevormd en vond juist calcietvorming in mindere mate plaats (verderop meer over de oorzaken hiervan). Dolomiet komt over de hele wereld voor, zowel als mineraal in mooie kristalvorm en als bestandsdeel van gesteente (dolosteen) en is een van de meest bekende mineralen, maar dit is niet altijd zo geweest.

Dolomiet werd ontdekt in Oost-Tirol. Het mineraal werd voor het eerst beschreven door Déodat Guy Silvain Tancrède Gratet de Dolomieu, een geoloog die veel onderzoek deed in de Alpen. In 1791 gaf Nicolas Théodore de Saussure definitief de naam dolomiet aan het materiaal als eerbetoon aan Dolomieu. De naam van het gebergte Dolomieten is afgeleid van de mineraalnaam (afb.2).

In de jaren hierna werden veel theorieën ontwikkeld die de vorming van dolomiet zouden kunnen verklaren. De eerste theorie was gebaseerd op de ‘Coral Reef Theory’ oftewel de ‘Koraalrif theorie’ van Charles Darwin. De sedimentaire structuren van atollen (koraaleilanden) die door Darwin beschreven werden, leken erg op de structuren die men terug zag in de Dolomieten. Wetenschappers dachten daarom dat de Dolomieten bestonden uit koraalriffen die over de tijd versteend zijn geraakt en door tektonische krachten zijn gedeformeerd en omhoog gedrukt zodat hoge bergen konden vormen.

Later, in de 20e eeuw, begonnen wetenschappers hun twijfels te krijgen bij de Coral Reef Theory aangezien er nauwelijks fossielen te vinden waren in de Dolomieten. Als het gebergte van oorsprong een koraalrif was geweest, dan zouden geologen grote aantallen fossielen moeten kunnen vinden. Echter waren er in deze tijd nog onvoldoende uitgebreide analysetechnieken om verder onderzoek te doen naar hoe het gesteente dan wel gevormd kon zijn. Hierdoor moesten geologen helaas nog zo’n 50 jaar wachten op een betere verklaring.

In het begin van de 21e eeuw kon er meer onderzoek gedaan worden naar de vorming van dolomiet door vele technische ontwikkelingen. Onderzoekers deden veel experimenten en ontwikkelden de hypothese dat dolomiet vormde wanneer een calcium ion (Ca2+) in het kristalrooster van calciet werd vervangen door magnesium (Mg2+). Dolomiet zou een secundair mineraal zijn wat ontstaat door een chemische verandering van -in dit geval- calciet. Dit gebeurd bijvoorbeeld wanneer kalkrijk gesteente lange tijd wordt blootgesteld aan diagenese. Diagenese is het allesomvattende woord voor de processen die na afzetting en tijdens het begraven van kalkgesteente gebeuren. Het gesteente warmt op, wisselt componenten uit met vloeistoffen in de ondergrond en herkristalliseert.

Daarnaast zou dolomiet in het verleden ook als primair mineraal afgezet kunnen zijn. Dit was mogelijk wanneer het Mg2+ gehalte in de oceanen hoog was. De samenstelling van de oceanen op Aarde varieert van magnesiumrijke perioden (ook wel calciet gedomineerde oceanen genoemd) tot calciumrijk (aragoniet gedomineerde oceanen) (Afb.3). Dit heeft te maken met toevoeging van elementen door hydrothermale systemen in de korst en erosie van continenten. Beide factoren kunnen door de tijd heen variëren. Gedurende de magnesiumrijke periodes zou op grote schaal dolomiet gesteente gevormd kunnen worden, in tegenstelling tot de magnesiumarme periodes. Echter is deze theorie moeilijk te bewijzen en onderzoekers weten nog niet precies hoe deze chemische afwisseling zorgt voor periodes van veel dolomietvorming of juist geen dolomietvorming.

Verder onderzoek wordt gedaan naar de invloed van bacteriën en microben op dolomietvorming. Specifieke bacteriën zouden namelijk kunnen zorgen voor de precipitatie (neerslaan vanuit het (zee)water) van dolomiet, zelfs onder hele extreme omstandigheden zoals hoge saliniteit en watertemperatuur. Bacteriën kunnen ook een symbiose vormen met een dolomiet kristal, waardoor het kristal wordt omringd met een zogenaamde ‘bio film’, een soort membraam (afb.4). Deze bio film is vervolgens weer een nucleus (kern) voor verdere dolomiet neerslag/kristallisatie. Echter is ook deze theorie in volle ontwikkeling en laat een duidelijke verklaring waarschijnlijk nog even op zich wachten.

Afb. 3: De wisselende samenstelling van de oceanen door de tijd heen (Precambrium tot Kenozoïcum). A. laat de zeespiegel zien, B. laat zien wanneer er een aragoniet gedomineerde oceaan is en wanneer er een calciet gedomineerde oceaan is. Een Aragoniet oceaan houdt in dat er nauwelijks dolomiet gevormd wordt. In een calciet oceaan wordt er wel grootschalig dolomiet afgezet. McKenzie & Vasconcelos, 2009.

Tot slot wil ik nog kort ingaan op plekken op Aarde waar vandaag de dag dolomiet gevormd wordt e. Er zijn maar weinig plekken in de wereld waar dit gebeurd. Een van die plekken is het Manito meer in Canada. Ook in Australië, Saudi-Arabië en Brazilië zijn er gebieden gevonden waar kleinschalige dolomietvorming plaatsvindt. Deze plekken worden veel onderzocht, en het is gebleken dat dolomiet makkelijker vormt wanneer de pH van het water hoog is (8-9), de temperaturen hoog zijn en de Mg²⁺:Ca²⁺-ratio hoog is. Andere factoren, waaronder de aanwezigheid van sulfaat (SO₄^2-) en hydrothermale systemen kunnen de dolomietvorming mogelijk verder beïnvloeden.

Kortom, met moderne onderzoekstechnieken, laboratoria die experimenten kunnen nabootsen en bemonstering van dolomiet uit het heden en het verleden, kunnen we hopelijk snel de vraag beantwoorden hoe dolomietgevormd wordt en welke factoren hier invloed op hebben. Tot vandaag de dag blijft dolomiet echter een van de meest mysterieuze mineralen op onze Aarde. Voor mijn Master Thesis ben houd ik me onder andere bezig met dolomiet gevormd in het Archeïcum en welke invloed bacteriën hebben gehad in een wereld zonder zuurstof. In de loop van mijn onderzoek hoop ik dan ook wat meer te leren over hoe deze dolomiet gevormd is en wat het ons kan vertellen over de wereld zoals hij vroeger (ongeveer 3 miljard jaar geleden) was. Wilt u hier meer over weten, lees dan mijn voorgaande college van de maand over Zuid-Afrika, Botswana en de eerste zuurstof in de atmosfeer.

Bron

• McKenzie, J. A., & Vasconcelos, C. (2009). Dolomite Mountains and the origin of the dolomite rock of which they mainly consist: historical developments and new perspectives. Sedimentology, 56(1), 205-219. doi.