SPECIALARTIKLER
Kontinentale spændinger - matematiske modeller leverer ny viden.

Hjemtag (download) pdf-fil geologisk_nyt_4_2005_p4-7.pdf (~1 Mb)
Hvis du vil udskrive, så brug venligst pdf-filen
Kræver en pdf-læser, Acrobat GSview eller lignende

Artiklen bringes på GEUS' hjemmeside i anledning af at Søren Bom Nielsen modtog Danmarks Geologipris 2006
Danmarks Geologipris på 25.000 kr. uddeles én gang om året af GEUS efter indstilling fra bestyrelsen for Dansk Geologiske Forening.

4

GeologiskNyt 4/05

Af (adjunkt) David Lundbek Hansen og
(lektor) Søren Bom Nielsen, Geologisk
Institut, Aarhus Universitet

Indtil nu har geologer antaget, at
hævningsfaserne i de sedimentære
bassiner var ledsaget af en samtidig
øget tektonisk aktivitet ved plade-
randen, men nye computersimu-
lationer har nu vist, at bassinerne
også hæves, når den tektoniske akti-
vitet er på retur.

Den europæiske kontinentalplade har siden
kollisionen med den afrikanske kontinental-
plade begyndte i Kridttiden, hovedsageligt
været i en tilstand af kompression (sammen-
presning). Pyrenæerne, Alperne og Dinari-
derne er bjergkæder dannet tæt på den euro-
pæiske kontinentalplades rand som følge
heraf.

Men også i kontinentalpladens indre,

langt fra randen, har sammenstødet sat sine
spor. Her var det primært de sedimentære
bassiner som blev udsat for hævning og ef-
terfølgende erosion, da pladens rand blev
påvirket af kompressive spændinger. De
sedimentære bassiner, som findes spredt ud
over den europæiske plade, fungerer nemlig
som kontinentalpladens svage "buffer-zo-
ner" og i dem vil enhver større ændring af
spændingsfeltet ved pladens rand kunne
registreres. Ved at studere bassinernes
deformationshistorie er det altså omvendt
muligt at opnå viden om effekten og timin-

Kontinentale spændinger

- matematiske modeller leverer ny viden

gen af de tektoniske processer nær konti-
nentalpladens rand.

Hidtil har geologer ment, at enhver hæv-

ningsfase i de sedimentære bassiner er tegn
på samtidig øget tektonisk aktivitet ved pla-
dens rand. Men matematiske computer-
modeller har nu afsløret, at sedimentære
bassiner også hæves, når den tektoniske ak-
tivitet aftager og spændingerne mindskes.

Denne nye viden, som i foråret blev pub-

liceret i tidsskriftet "Nature", tvinger geolo-
gerne til at nytolke de sedimentære bassiners

signaler. Allerede nu står det klart, at de
hidtidige teorier om den europæiske plades
spændingsfelt siden Kridt må revideres.

Inversion af sedimentære bassiner
Et område som gennem geologisk tid har
oplevet indsynkning, og hvori store mængder
sedimentært materiale er aflejret, betegnes
et "sedimentært bassin". Ofte er et sedimen-
tært bassin opstået gennem strækning og
fortynding af den underliggende lithosfære,
hvorved overfladen synker og danner plads
til aflejringer. Mængden af sediment måles
her typisk på kilometer-skala, og indsynk-
ningsperioderne kan samlet være meget
lange (> 50 mio. år).

I mange sedimentære bassiner ses des-

uden spor efter perioder, hvori området mid-
lertidigt har oplevet hævning. I en sådan
hævningsperiode eroderes dele af det tidli-
gere aflejrede sediment, og man siger at
bassinet "inverterer". Hævnings- og ind-
synkningsperioderne kan dateres ved nøje at
kortlægge de forskellige aflejringers rumlige
og tidslige udbredelse. Dette arbejde baseres
på store mængder data indsamlet bl.a. ved
hjælp af seismiske metoder, borehulslogging
samt biostratigrafisk datering af kerneprøver
ved hjælp af mikrofossiler. I Europa er der
tale om to vigtige perioder hvori de fleste
sedimentære bassiner samtidigt blev udsat
for inversion; den første i sen Kridt (80 - 65

Inversionszone

Primært marginalt bassin

Sekundært marginalt bassin

Sedimentært bassin

Matematisk computermodel

Udsnit af matematisk computermodel. Figuren viser lithosfærens øverste del med et inverteret sedi-
mentært bassin. Modellen er vist, som den ser ud lige efter inversionens sekundære fase. På modellens
overflade eroderes den bløde topografi, mens floder og vandløb (fluviale netværk) sørger for at for-
dele det eroderede sediment. (Grafik: Forfatterne)

Matematiske modeller

Brugen af geodynamiske, matematiske
modeller har taget fart i takt med, at større
og hurtigere computere er blevet tilgænge-
lige. Modellerne er baseret på veletable-
rede fysiske principper som fx Newtons
love eller termodynamikkens regler. Ofte
inddrages viden fra forskellige fag som
fysik, geologi og kemi, ligesom der typisk
trækkes på erfaringer fra ingeniørkunsten.

De matematiske modeller kan benyttes

på flere forskellige måder. Ind imellem
ønsker man blot at samle allerede etableret
viden i en overskuelig og pædagogisk præ-

sentation, som for eksempel en computer-
animation, men mere interessant er det, når
modellerne anvendes direkte i videnskabe-
lig sammenhæng. Her er det nødvendigt at
bringe modellerne i spil på en sådan måde,
at de bidrager med ny viden. Eller sagt med
andre ord, at mere information kommer ud
af modellerne, end man putter ind i dem.

Det sidstnævnte er ofte den største

udfordring for modelløren, men at det kan
lykkes, er historien om bassininversion og
det palæocæne spændingsfelt et godt ek-
sempel på.

5

GeologiskNyt 4/05

mio. år) og den anden i midt Paleocæn (~ 60
mio. år).

På grund af aflejringerne leverer de sedi-

mentære bassiner uundværlig information om
kontinentalpladernes tektoniske historie. For
at forstå de sedimentære bassiners signaler
om indsynkning og hævning i detalje, kræves
kendskab til bassin-områdernes mekanik.
Det er nødvendigt at vide nøjagtigt hvad der
forårsager hævning, og hvad der forårsager
indsynkning. Hidtil har man forklaret
hævningsperioderne (både den i sen Kridt og
den i midt Paleocæn) med kompression;
altså en sammenpresning af lithosfæren un-
der de sedimentære bassiner. Omvendt har
indsynkning været tilskrevet strækning og
fortynding.

De matematiske modeller har imidlertid

afsløret, at bassinernes mekaniske opførsel
er mere kompliceret end som så. Modellerne
forudsiger nemlig, at fænomenet bassin-
inversion er opdelt i tOForskellige faser. Den
første inversionsfase er ganske rigtigt for-
bundet med kompression og fortykning af
lithosfæren, gennem bl.a. reaktivering af
gamle normalforkastninger i overskydninger.
Men den anden og nyligt opdagede fase er
derimod relateret til afslapning af de eksiste-
rende kompressive spændinger i bassinet, og
er ikke associeret med betydelig
forkastningsaktivitet. De to inversionsfaser
er forbundne, og vi taler nu om den primære
og den sekundære inversionsfase.

Lithosfærens stivhed, og dens evne til at

"bøje" som et elastisk lag, er af central be-
tydning for mekanismen bag inversions-
fænomenet. Når et sedimentært bassin
sammenpresses i den primære inversions-
fase, deformerer skorpen under sedimen-
terne vha. forkastninger. Skorpen fortykkes
derved og sedimenter løftes op over hav-
overfladen, hvor de udsættes for erosion.
Derudover belaster den fortykkede skorpe

den underliggende øverste kappe, som udgør
lithosfærens stærkeste og mest elastiske del.
Kappen synker under skorpens forøgede
vægt, men pga. kappens elasticitet er ind-
synkningen udbredt, og der dannes plads til
såkaldte primære marginale bassiner ved
flankerne af det fortykkede bassinområde.
De primære marginale sediment-bassiner er
let genkendelige ved at de bliver dybere ind
mod den inverterede zone. De flankerer
langt de fleste sedimentære bassiner på den
europæiske kontinentalplade og er hovedsa-
geligt fyldt med kridt; et tegn på at inver-
sionsperioden i sen-Kridt udgør den primære
inversionsfase.

De primære marginale bassiner er såle-

des et direkte signal om, at lithosfærens ela-
stiske del er nedbøjet pga. vægten fra den
fortykkede skorpe under det inverterede
sedimentære bassin. Nedbøjningen bliver
yderligere forstærket af de horisontale

kompressive spændinger, der driver den pri-
mære inversionsfase. Man skal her forstille
sig, at det inverterede bassin bliver fastholdt
i en ligevægtssituation, hvor kappens ned-
bøjning er en smule større end den ville
være, hvis bassinet ikke blev trykket på.
Hvis de horisontale spændinger nu reduceres
eller helt forsvinder, vil bassinet søge mod
en ny ligevægtstilstand med mindre kappe-
nedbøjning. Denne ændring i bassinets
ligevægtstilstand er den nyopdagede sekun-
dære inversionsfase. Under denne ændring
hæves bassinets centrale dele igen, men som
en blød bakke uden betydelig forkastnings-
aktivitet. Topografien er således blød og af
regional karakter, i modsætning til topogra-
fien under den primære inversionsfase, hvor
bassinets hævning er styret af få afgrænsede
forkastninger. Som under den primære
inversionsfase opstår der også marginale
bassiner ­ de sekundære marginale bassiner

Mekanismen bag bassininversion er her illustreret vha. en skitse. a) Bassinet før inversion, b) efter
den primære fase og c) efter den sekundære fase. Kappens elasticitet er repræsenteret ved en tynd
elastisk plade (skraveret område), som bøjer under vertikalt og horisontalt tryk. De matematiske
modeller opererer dog med en mere kompliceret nedre skorpe- og kappe-mekanik, idet duktil
krypning såvel som plastiske brud og opdriftskræfter tages i betragtning. De horisontale pile i b)
indikerer det kompressive spændingsfelt, som driver den primære inversionsfase. I c) fjernes
spændingsfeltet. Skorpen er typisk omkring 35-40 km tyk under et bassin med ca. 6 km sedimenter.
(Grafik: Forfatterne)

Sedimentært bassin

Sediment

Skorpe

Erosion

Kappens elasticitet

Primært
marginalt bassin

Sekundært
marginalt bassin

Erosion

a)

b)

c)

Bassininversion

6

GeologiskNyt 4/05

­ som dog er mere symmetriske og mindre
dybe end de primære marginale bassiner.

Data bl.a. fra det danske område
Den sekundære inversionsfase blev som
nævnt opdaget ved brugen af computer-
modeller, og det skete ved lidt af et tilfælde.
Modellerne var designet til at beregne effek-
ten af at sammentrykke et sedimentært bas-
sin og skulle altså levere en realistisk simule-
ring af den primære inversionsfase. Herigen-
nem fik man bl.a. styr på sammenhængen
mellem hævningen af selve inversionszonen
og de primære marginale bassiner.
Men som en sidegevinst viste modellerne, at
der teoretisk set burde eksistere en sekun-
dær inversionsfase, som ingen dog kendte til.
Grundige studier af data fra inversions-
zonerne skulle nu afsløre, om modellerne var
rigtige i deres forudsigelse.

Et vigtigt datasæt fra det danske område

blev leveret af lektor Erik Thomsen (Geolo-
gisk Institut, Aarhus Universitet). Det bestod
af geologiske profiler samt nøje daterede
kerneprøver fra boringer sydvest for den
inverterede Sorgenfrei-Tornquist Zone. Her
blev det hurtigt klart, at områdets vertikale
bevægelser i midt-Paleocæn passede forbav-
sende godt med modellernes forudsigelser af
den sekundære inversionsfase. Den bløde
hævning og resulterende erosion kan ses på
de geologiske tværsnit, mens et sekundært
marginalt bassin med paleocæne aflejringer
findes på Sjælland og i Kattegat på lokalite-
ter som forudsagt af de matematiske model-
ler. Lektor Ole Rønø Clausen (Geologisk
Institut, Aarhus Universitet) kunne supplere
med lignende eksempler fra det danske og
hollandske Nordsøområde. Yderligere data
fra sedimentære bassiner i Polen, Tyskland,

Holland og det sydlige England bekræftede
herefter endeligt at den sekundære inversions-
fase var et generelt og samtidigt fænomen.

Nytolkning
Eksistensen af den sekundære inversions-
fase er som sagt en ny erkendelse. Derfor
er alle tegn på generelle inversionsperioder
(i Europa både den i sen Kridt og den i midt
Paleocæn) tidligere blevet forklaret med for-
øget tektonisk aktivitet ved pladens rand og
opbygningen af kompressive horisontale
spændinger, som det er tilfældet under den
primære inversionsfase. De sedimentære
bassiners "tektoniske signal" er dermed ble-
vet delvist fejlfortolket.

Nu ved vi imidlertid at inversionsperioden

i midt Paleocæn ikke var en selvstændig
inversionsperiode, men derimod den sekun-
dære inversionsfase efterfølgende den pri-

Udsnit af datasæt

A'

A

Sekundært marginalt bassin

Primært marginalt bassin

Danmark

R.-F. H.

A'

A

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Sverige

0

100 km

Sorgenfrei-
tornquist Zone
Område med
stor inversion
Forkastning

N

1

2

3

4

5

6

7 8

9

m. og s.
Campanien

Coniacien,
Turonien Cenomanien

Maastrichtien

t. Campanien-,
s. Santonien

m. og s.
Santonien

1. Glamsbjerg-1
2. Ullerslev-1-1
3. Storebælt 32
4. Storebælt 18
5. Slagelse-1
6. Stenlille-1
7. Mårum
8. Lavø-1
9. Hesselø

1.000 m

50 km

Midt og sen
Palæocæn

Sen Danien

Tidlig og midt Danien

Sen Kridt

Sandsten

Kvartær
erosion

S.-T.
Zone

Udsnit af datasættet fra det danske område. Det seismiske profil starter på Fyn og ender lige syd-vest for den inverterede Sorgenfrei-Tornquist Zone og
dækker altså området syd-vest for en inversionszone. På profilet ses både et primært marginalt bassin, med op til 2 km sen-Kridt aflejringer, og et sekun-
dært med aflejringer fra Danien og Paleocæn. (Grafik: lektor Erik Thomsen, Geologisk Institut, Aarhus Universitet)

7

GeologiskNyt 4/05

mære fase i sen Kridt. Dette har vidtgående
konsekvenser for vores forståelse af den
europæiske kontinentalplades spændingsfelt i
midt Paleocæn. Modsat den primære inver-
sionsfase, er den sekundære nemlig relateret
til aftagende tektonisk aktivitet og aftagende
horisontale spændinger, hvilket betyder, at
kollisionen mellem Afrika og Europa snarere
ophørte for en periode i Paleocæn, end at
den accelererede som hidtil antaget.

Eller måske blev spændingernes retning

ændret af begivenheder nær den europæiske
plades nordvestlige rand, hvor Nordatlantens

Lithosfæren

Lithosfæren udgør Jordens yderste stive
skal. Her antager bjergarter en fast form,
og varme transporteres primært gennem
termisk ledning (varmeledning) i modsæt-
ning til den termiske konvektion (omrø-
ring), som dominerer den underliggende
flydende kappe.

Lithosfæren består af Jordens skorpe

samt den yderste del af kappen. Dens
tykkelse afhænger af termiske og mine-
ralogiske forhold og varierer betydeligt.
Således er lithosfæren tyndest under
oceaner og ved midt-oceaniske rygge er
den helt gennembrudt. Under kontinenter
er lithosfæren tykkest (> 200 km) i gamle

og kolde skjoldområder som det skandi-
naviske skjold, og tyndest (~100 km) under
sedimentære bassiner som Nordsø-bas-
sinet.

Lithosfærens mekaniske styrke og

egenskaber bestemmes bl.a. af tempera-
tur, tryk og mineralogiske forhold, hvilket
resulterer i en kompliceret lagdelt struktur
med vekslende stærke og svage lag. Mate-
matiske computermodeller er velegnede til
at håndtere det komplicerede samspil mel-
lem temperatur, tryk og mineralogi og har
derfor bidraget betydeligt til vores forstå-
else af lithosfærens opførsel på geologiske
tidsskalaer.

åbning tog fart. Under alle omstændigheder
står det klart, at den europæiske kontinent-
alplades tektoniske historie stadig udfordrer
os med uløste gåder. Gåder, som kendska-
bet til de sedimentære bassiners mekanik
måske kan hjælpe til at løse.

Litteratur:

Nielsen, S.B., Thomsen, E., Hansen, D.L. &
Clausen, O.R., 2005: Plate-wide stress
relaxation explains European Paleocene basin
inversions. Nature, 435, n. 7039, p. 195-198.

Havstigningskonference

Havet stiger over alt på jordkloden. Ingen ved, hvor meget det vil stige, eller hvornår stigningen
ophører. Teknologirådet anbefaler, at den offentlige og private planlægning regner med en
havstigning på ca. en halv meter på 100 år. Det vil få mange konsekvenser.

Konferencens forløb:

Eigil Holm, Horsens ­ Ren Fjord: Gen-
nemgang af kortet over de mulige hav-
stigninger.

Søren Gram, Teknologirådet: Om Tek-
nologirådets anbefalinger m.h.t. planlæg-
ning som følge af havstigningen.

Torben Vang, Vejle Amt: Virkningen af
havstigningen på miljøet i havet og fjorden.

Tony Bygballe, Vejle Amt: Havstigning-
ens påvirkning af vandløb og afvanding.

Bjarne Gregersen, Horsens kom-
mune: Konsekvenser for byplanlægning.

Peter Jensen, Horsens kommune:
Konsekvenser for kloakering.

Peter Vestergaard, Biologisk Institut,
Københavns Universitet: Havstigning-
ens konsekvenser for naturen, f. eks. over-
svømmelse af strandenge.

Opsummering

Diskussion efter hvert foredrag. Pause kl.
ca. 20.15.

Horsens ­ Ren Fjord
Eigil Holm, formand
for foreningen

Horsens Kommune
Jytte Holm, formand,
for Teknik og Miljø

Vejle Amt
Vilhelm Aamand Hansen,
formand for Teknik og Miljø

Arrangører:

Konferencen finder sted mandag d. 19. september kl. 19-22 på Ingeniørhøjskolen
(Vitus Bering), Chr. M. Østergårdsvej, Horsens. Alle er velkomne, mødet er of-
fentligt. Gratis adgang. Yderligere info: Eigil Holm, tlf. 7566 5130, eigil.holm@pc.dk