Fossielen, bewaard in noordelijk vuursteen

Noordelijke vuursteenfossielen

In het noordelijk deel van Nederland is veel vuursteen te vinden en je kunt er prachtige fossielen in aantreffen. In 2023 publiceerde Mart Krook een boekje met een uitgebreid overzicht van vondsten uit de omgeving van Zuidwolde (dr). Al dit vuursteen is er tijdens de Saale-ijstijd terecht gekomen en in heel Noord-Nederland te vinden. Deze keer een artikel over hoe fossielen bewaard zijn gebleven in vuursteen.

Diagenese en fossielen

Veel zeedieren die tijdens het Krijt leefden, kwamen na hun dood op de zeebodem terecht. Bij een dode regulaire zee-egel, komen de stekels al vrij snel los van de schaal. Daarna verteert de dunne huid op de platen en het bindweefsel tussen de platen, zodat de corona uit elkaar valt. Voor conservering is het belangrijk dat de resten snel door laagjes sediment worden afgedekt. Hierdoor wordt voorkomen, dat delen van het dier door aaseters of door stromend water los van elkaar raken en dat het door bacteriën snel wordt afgebroken.

Soms worden hele skeletten vrij snel bedekt met zand, slib of kalkresten. Maar meestal vallen de delen van de schaal of andere delen van het dier na hun dood snel uit elkaar en verspreiden zich over de zeebodem. Doordat ook calcietresten van dode eencellige algen (coccolieten) en ander materiaal op de zeebodem terecht komen en er een laag vormen, wordt de zeebodem langzaam opgehoogd. Na verloop van tijd krijgen dierlijke resten, die zich al een tijdje onder het oppervlak bevinden, een vaste plek in de zeebodem en worden op deze manier opgenomen in het sediment.

Oplosbare mineralen, zoals calciumcarbonaat, kiezel (silicium) of ijzeroxide, kunnen uit het grondwater neerslaan en de poriën tussen de sedimentkorrels vullen. Calciumcarbonaat kan dan de poreuze ruimtes in sedimenten vullen en de fossielen stabiliseren. Dit leidt tot het binden van de korrels en de vorming van stevig gesteente. Mineralen kunnen dan opnieuw kristalliseren. Ze veranderen vaak van structuur als reactie op wisseling van temperatuur en druk.

De oorspronkelijke kalkrijke zeebodem verhard door druk van de bovenliggende lagen en temperatuur tot kalksteen. Dit proces noemen we diagenese, waarbij druk, temperatuur en chemische reacties een rol spelen. Hiermee wordt ook het conserveren van fossielen beïnvloed.
Soms worden er nieuwe mineralen gevormd en oude verdwijnen. Door dit hele proces versteent het geheel en kunnen de oorspronkelijke resten van het organisme door oplossing volledig verdwijnen. Een van de meest voorkomende manier van conservering is de vervanging van de oorspronkelijke resten door mineralen, zoals silicium of pyriet.
Bij krijtlagen in Noord-Duitsland, Denemarken maar ook Zuid-Limburg is calciet het belangrijkste bestanddeel, hét mineraal waaruit kalksteen bestaat.

Calciet en aragoniet

Kalksteen kan ook ontstaan wanneer zeewater een zo hoge concentratie aan carbonaten bevat dat deze op de zeebodem kristalliseren. Er vormt zich dan een verkitte laag met cement van calcietkristallen. Dit gesteente dat bestaat uit  calciumcarbonaat (CaCO3) is ontstaan door een ophoping van allerlei organische resten uit zee. Vaak met kleine hoeveelheden slib, klei, zand en allerlei mineralen.

We treffen in kalksteen een breed scala van zeedieren aan. Fragmenten van zee-egels, schelpen en andere dieren, zowel van calciet als van aragoniet, die meestal goed bewaard zijn in kalksteen. Ook delen van het exoskelet van kreeftachtigen, dat uit chitine bestaat, is redelijk goed geconserveerd. Dit geldt trouwens eveneens voor de haaientanden van apatiet. Oorspronkelijk zijn ze meestal wit, maar door het indringen van ijzer- of mangaanionen zijn ze in het sediment bruin of zwart geworden. In vuursteen zien we ze vaak weer wit door het uitlogen in de keileembodem met zuur en zuurstofarm water.

Calciet treffen we aan in skeletten van zee-egels, zeesterren, zeelelies, oesters, de meeste brachiopoden en bryozoën. Het is het meest voorkomende mineraal in de aardkorst en is in zuivere vorm helder en kleurloos. Door inmenging van andere elementen kan het allerlei kleuren aannemen.
Aragoniet treffen we aan in het skelet van slakken, de meeste tweekleppigen, ammonieten en van sommige fossiele koralen.
Bij belemnieten zien we dat het rostrum van calciet is, maar daarentegen het fragmocoon van hetzelfde dier weer van aragoniet. Bij ringwormen bestaan de kokers vaak uit een mengsel van calciet en aragoniet.

In kalksteen zie je dat de schelp van een slak (gastropode), die uit aragoniet bestaat, niet altijd in het gesteente is bewaard, maar soms is opgelost. Er is dan alleen nog een kern en een afdruk van de schelp te vinden. Het aragoniet is vermoedelijk in een zure omgeving opgelost en er rest dan nog een smalle holle ruimte.
De zuurgraad van het sediment, de aanwezigheid van organisch materiaal en de diepte van het sediment kunnen allemaal invloed hebben op de conservering van schelpen.
Kalk lost enigszins op in regenwater, dat een beetje zuur is. Dit komt doordat water zowel in de lucht als in de bodem koolstofdioxide opneemt. Als het water oplost en dit kalkrijke water haar koolzuur weer kwijtraakt, dan kan onder bepaalde omstandigheden ook calciet neerslaan. Een goed voorbeeld zijn de druipsteengrotten met stalactieten en stalagmieten.

Calciet en aragoniet zijn twee mineralen die veel op elkaar lijken. De kristalstructuur van beide is verschillend, maar het is allebei calciumcarbonaat (CaCO₃). Calciet heeft een trigonale structuur en aragoniet een orthorombische kristalstructuur. Door dit verschil is aragoniet veel minder stabiel dan calciet. Beide mineralen lossen op in een zure omgeving zoals zuur water, maar aragoniet veel sneller.
Wat ook kan gebeuren, is dat de fossiele schaaldelen van aragoniet onder lage druk kunnen rekristalliseren naar calciet.

Vuursteen en fossielen

In vuursteen kunnen fossielen uitstekend bewaard blijven vanwege een aantal unieke eigenschappen van dit gesteente. Vuursteen is ontstaan door oplossing van silica uit omringend sediment en de daaropvolgende neerslag in een geconcentreerde vorm, vaak in de buurt van organische resten, zoals fossielen. Dit proces kan fossielen inkapselen en ze in de tijd fixeren. Een mooi voorbeeld hiervan zijn de foraminiferen.

Vuursteen is een vorm van kwarts (silica), die fijnkorrelig en microkristallijn is, wat eraan bijdraagt dat fossielen goed bewaard blijven.
Vuursteen reageert nauwelijks op andere stoffen, het is chemisch inert, dus stabiel. Het beschermt tegen chemische erosie. Verder is het een heel hard gesteente (7 op de schaal van Mohs) en voorkomt zodoende beschadiging door mechanische krachten zoals breken, wrijving of botsing. Dit geldt natuurlijk minder voor de zwerfstenen van vuursteen die tijdens het Saalien vanuit het Baltisch gebied als grondmorene in Noord-Nederland werd afgezet. Veel ervan verbrokkelde of versplinterde tijdens de lange weg door het botsen en schuren tegen andere stenen. Vaak ontstonden er haarscheurtjes en andere beschadigingen in stenen, waardoor deze soms onder invloed van water en vorst nog verder uit elkaar vielen.
De dichte microkristallijne structuur van vuursteen zorgt ervoor dat er weinig porositeit is. Hierdoor wordt de toegang van water en lucht beperkt. Anders zouden deze invloeden het fossiel kunnen aantasten. Door deze eigenschappen blijven zelfs details van fossielen vaak goed bewaard in vuursteen.

Het staat wel vast, dat ijzerhoudend (grond)water  door infiltratie in de poriën van vuursteen is getrokken en geoxideerd. Daardoor is veel noordelijk vuursteen licht- of donkerbruin van kleur, in tegenstelling tot grijs of zwart vuursteen die we in Noord-Duitsland en Denemarken aantreffen. Ook andere mineralen kunnen op deze manier de verkleuring van vuursteen veroorzaakt hebben.

Er zijn enkele soorten fossielen die minder goed geconserveerd zijn in vuursteen. Dit komt doordat sommige resten uit materiaal bestaan, die minder stabiel zijn of gevoeliger voor chemische en fysieke veranderingen. Dit geldt voor zachte, weke weefsels van planten en dieren. Ze kunnen gemakkelijk afbreken en verteren meestal al in het sediment. Ook fossielen die oorspronkelijk uit kalksteen hebben bestaan, blijven minder goed bewaard doordat de chemische stabiliteit van kalksteen minder is dan van silica.
In het sediment worden nog goed bewaarde fossielen vaak gevonden met een schaal van calciet of aragoniet. Door invloeden van buitenaf is de vuursteen losgeraakt in het kalksteen en tijdens door het landijs naar het zuiden getransporteerd. Noordelijk vuursteen wordt blootgesteld aan water uit de lucht en in de grond. Je vindt bij deze zwerfstenen nog nauwelijks een schaal of schelp van aragoniet en calciet.

Al deze schaaldelen zijn meestal opgelost, vermoedelijk door een zure invloed. We moeten ermee rekening houden dat na het loskomen in het kalksteen, tijdens of na het transport van zwerfstenen naar het zuiden, deels onder invloed van zuur regen- en grondwater dit is gebeurd. De afdruk van de schaal bleef als kern (binnenkant) en als afdruk (buitenkant) achter in de vuursteen. Wat eerst schaal was, werd toen een holle ruimte in vuursteen.

Het opmerkelijke is dat in vuursteenzwerfstenen soms wel het fragmocoon van de belemniet wordt aangetroffen. De resten van het rostrum (calciet) zijn meestal volledig opgelost, terwijl het fragmocoon, dat oorspronkelijk van aragoniet was, bewaard is gebleven als fragmocoon van calciet.
We kunnen er naar gissen hoe dit gebeurd is. Een mogelijkheid is, dat het fragmocoon van aragoniet eerder dan het calciet van het rostrum verkiezelde. Het lost immers gemakkelijker op. Het verkiezelde fragmocoon bleef zo bewaard, terwijl het rostrum van calciet alsnog in zuur grondwater oploste en een holle ruimte achterliet…

Schaaldelen van noordelijke vuursteenfossielen worden in het vuursteen nauwelijks gevonden. Wat wel opvalt, is dat aan de buitenkant, in de cortex regelmatig wél schaaldelen worden gevonden.

Dit geldt voor onder meer voor regelmatige zee-egels, rostra van belemnieten, gastropoden en ook bryozoën. De verkiezeling heeft zeker plaats gevonden, maar het oorspronkelijke skelet van het dier bleef soms toch bewaard.

Het blijft een fascinerend gezicht om te zien hoe fossielen uit het Krijt en Paleoceen in vuursteen bewaard zijn gebleven. Chemische processen spelen bij de fossilisatie een rol. Een aantal fossielen zijn in vuursteen prachtig gefixeerd en verkiezeld, waardoor vormen goed bewaard blijven. Echter in een aantal gevallen, zoals bij bryozoën, heeft de verkiezeling zoveel invloed gehad, dat het skelet is opgelost en daardoor helaas niet meer te herkennen is. De opvullingen in vuursteen laten dan alleen nog maar de binnenruimte van de cellen zien en deze zijn voor heel veel soorten gelijk.
Het gaat in vuursteen meestal net even anders dan in het sediment, maar tóch heel boeiend!

Bronnen:

• Beuker J.R. Vakmanschap in vuursteen, 1983
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Fossiel
• Krook, M. Vuursteenfossielen van Zuidwolde, Drenthe, 2023
• Kutscher, M. e.a. Präparation von Stachelhäutern Im Feuerstein – eine kleine Handlungsanleitung, Geschiebekunde aktuell, 35, 2019, pg. 53-62
• Marquet, R. Fossielen Verzamelen Basiskennis en Technieken, 1993
• Moody, Richard. De prehistorische wereld, 1981