Zandkorrels vinden nooit rust

Om meteen maar één groot misverstand uit de weg te ruimen: op de bodems van zeeën en oceanen rust doorgaans geen zand maar slib. De term zand, zoals de geoloog die gebruikt, heeft namelijk uitsluitend betrekking op korreltjes waarvan de afmetingen uiteenlopen van 0,05 tot 2 mm. Grotere brokjes tussen 2 en 64 mm heten grind. Fijner materiaal wordt onderverdeeld in silt (0,05 tot 0,004 mm) en in klei (kleiner dan 0,004 mm).

Zand spoelt op de kust aan doordat de snelheid van de aankomende golven groter is dan die van de terugstromende. De grove korrels zand worden dus wel naar het strand meegevoerd, maar worden niet meer zwevend gehouden in de zeewaarts terugkerende stroom. Ze bezinken, en alleen de fijnere silt- en kleideeltjes worden door de golf mee teruggenomen. Die worden op den duur steeds verder zeewaarts gespoeld.

In het rustiger water, verder uit de kust, kan dit als slib tot bezinking komen. Deze beweging is dus tegengesteld aan die van het zand, waardoor langs het strand een zonering ontstaat van grof naar fijn in zeewaartse richting. Alleen aan de uiterste grens, tot waar de golven komen, gaat het iets anders.

De vooruitschuivende waterlaag wordt daar dunner en dunner, tot ze ineens door het zand opgezogen wordt. Langs deze grenslijn spoelen zelfs de fijnste deeltjes aan, want er is geen teruggaande stroom die ze weer mee kan voeren. Waar de rand van een golf verdwijnt ontstaat zo een “strandlijst”: een sierlijk opdrogend zoompje fijn zand en slib van een paar millimeter breedte, dat als het opdroogt helder afsteekt tegen het vochtiger, en daardoor donkerder, grove zand.

Bekijk zeezand eens onder een vergrootglas, liefst op een donkere achtergrond. Het bestaat uit allerlei onregelmatige korreltjes, waarvan de oudste door erosie het meest zijn afgerond. Verreweg het leeuwendeel van alle korrels bestaat uit kleurloos, half doorzichtig kwarts. Of ze zijn wit, geelachtig en rood tot bruin: veldspaat. Donkerzwarte korrels zijn magnetisch ijzeroxide of titaniumijzer.

Dat zoveel zanden vrijwel kwartszanden zijn, komt door langdurig of herhaald transport, waarbij al het andere, zachtere materiaal is opgeslepen. Vulkanische, recente zanden bevatten daarentegen zeer weinig kwarts, maar wel veel korrels olivijn, pyroxeen, ilmeniet en andere mineralen. Organisch zanden bestaan meestal uit kalkfragmenten van koralen, schelpen en mosdiertjes en komen op koraaleilanden voor.

Het zand van de Hollandse duinen is geelachtig, doordat elke korrel door een dun laagje ijzeroxide is bedekt. De vorming hiervan is een gevolg van de activiteit van micro-organismen en bacteriën. Langs sommige delen van de Noord-Hollandse kust en ook op de Waddeneilanden wordt het zand fijn en helderwit: zilverzand. Dit bestaat voor bijna 100% uit kwarts (SiO₂ of siliciumdioxide).

Ook in diepere aardlagen wordt in oorspronkelijke strandafzettingen zilverzand aangetroffen. Men veronderstelt dat agressief grondwater met humuszuren uit bovenliggend veenlagen alle andere bestanddelen van het zand heeft aangetast en afgevoerd.

Zand is een van de gewoonste materialen op aarde en onmisbaar voor tal van takken van industrie en dagelijks leven. Onder meer wordt zand gebruikt voor de bouw, voor de zuivering van water, voor het opsporen van voorraden olie en aardgas in diepere aardlagen, en voor de fabricage van glas. Door de geweldige hoeveelheden zand op aarde zal er nooit tekort aan zand ontstaan. Waar komt al dat zand vandaan?

Zand is ooit begonnen als rots. Elk stukje van het aardoppervlak staat bloot aan erosie (letterlijk: uitknaging) door wind en water, en inkrimping van en uitzetting door vorst en zonnewarmte. Ook planten helpen mee aan het verweringsproces. Met hun wortels banen ze zich een weg door spleten en kieren en drukken langzaam naar zeker hele rotsblokken uit elkaar.

Wind is op zich geen sterke erosiekracht. Wind is op zich geen sterke erosiekracht. Een kale rots waar stofvrije wind tegenaan blaast zal er na miljoenen jaren nog vrijwel als nieuw uitzien. Dat wordt anders als de wind op kale vlaktes ook zand en stof voor zich uit kan blazen. Zelfs harde rotsen zijn dan niet tegen die schuurmachine bestand. Wie bij storm over een strand loopt, weet dat uit ervaring. In zo’n situatie word je letterlijk gezandstraald.

Zonder zand kan de wind het aanzien van de aarde niet echt veranderen. Water kan dat wel. Hoe harder dat stroomt, des te groter is zijn slijpende werking. Vooral in de bergen, waar de hoogteverschillen het grootst zijn, stormt het water het hardst en begint het echte sloopwerk. Mede geholpen door temperatuursverschillen en eventuele gletsjerbewegingen brokkelen bergen af tot rotsblokken, rotsblokken tot keien, keien tot grind, grind tot zand en zand tot slib.

Wie de loop van een bergrivier volgt, kan zien dat in de bergen grote rotsblokken en kleien overheersen. Grind vind je voornamelijk stroomafwaarts, waar de rivier in een vallei uitstroomt. Toch is die sortering in grootte niet een gevolg van voortgaande erosie.

De echte reden voor de afname in korrelgrootte stroomafwaarts is de selectie die optreedt tijdens het transport. Als het verval van de rivier geleidelijk minder wordt in de richting van de benedenloop, neemt namelijk ook de stroomsnelheid af en bezinken steeds kleinere deeltjes onderweg. Totdat aan de mond van een rivier alleen het fijnste zand wordt aangetroffen. Silt en klei worden meegevoerd naar zee.

Wie aan de voet van gebergten dus beter kijkt, zal zien dat daar ook zand in overvloed is. Alleen vallen de grotere erosieproducten zoals keien en stenen door hun afmetingen eerder op.

Een gemiddelde rivier doet er ongeveer een miljoen jaar over om zandkorrels over een afstand van 100 km stroomafwaarts te verplaatsen. De zandkorrels rollen en kaatsen daarbij over de bodem en komen vaak tot rust aan de lijzijde van een grote steen. Pas na lange tijd worden ze van daaruit verder vervoerd.

Maar weinig grote rivieren dragen dan ook voldoende zand naar de zee, en in feite gaat het daar om zand dat is afgezet tijdens de ijstijden, toen het zeeniveau veel lager was dan nu. Ook ontstond nieuw zand tijdens de daaropvolgende erosie van de kust, toen het zeeniveau weer steeg.

Op het strand staat het zand bloot aan de werking van zowel golven als wind. De golfwerking is – in de eerste plaats door de getijden – niet altijd op hetzelfde deel van het strand van invloed. Er is een bepaalde zone die bij eb steeds droogvalt en bij vloed wordt overstroomd. In deze getijdenzone tussen gemiddeld laag- en hoogwater ontstaat een laagwaterterras dat slechts zeer gering zeewaarts helt. De zandkorrels rollen hier voortdurend heen en weer.

Bovendien treedt als gevolg van de steeds wisselende stromingssterkte een buitengewoon goede sortering op. Zo ontstaat een zandpakket dat is opgebouwd uit zeer dunne laagjes, die elk zandkorrels van een bepaalde grootte of een bepaalde dichtheid (soortelijk gewicht) bevatten. Soms ontstaan hierbij ook laagjes met zware-mineralenconcentraties.

Deze korrels worden immers veel moeilijker vervoerd dan de kwartskorrels die het overgrote deel van het zand uitmaken. Maar het mooist kan iedereen de sortering tussen fijn en grof zand zien als door de golfwerking een ribbelpatroon ontstaat van het bij vloed overspoelde laagwaterterras. Dit ribbelpatroon valt bij eb droog.

Wie langs het zeestrand wandelt herkent ze gauw, de sierlijke rimpelingen in het zand, met hun karakteristieke bergen en dalen. Vaak zijn tegelijkertijd twee typen ribbels te zien: stroomribbels, die in lange, evenwijdige banen voorkomen en die schuin, als elkaar liggende dakpannen, zijn opgebouwd, en golfribbels, die vaak veel kortere, kronkelende banen vertonen en die scherpere symmetrische toppen hebben met aan weerszijden holle dalen.

De eerste ontstaan als het water in één richting over het zand stroomt. De tweede, als het klotsen van de golven een heen- en terugstromen van het water veroorzaakt. In dit laatste geval bestaan de toppen uit fijn zand, de dalen uit grover korrels. Door de herhaalde golfslag en de waterwervelingen in de dalen zijn de lichtere zandkorrels opgeheven en afgezet op de ribbeltoppen.

Zowel stroom- als golfribbels zijn vaak prachtig vertegenwoordigd in de plassen achtergebleven zeewater die met de naam “zwin” worden aangeduid. Die komen vrijwel overal langs een glooiend zandstrand voor. Is bij eb het water van het zwin weer naar zee gestroomd door zogenaamde “muien”, dan valt te zien hoe de golfribbels in het eigenlijke zwin overheersen, terwijl in de muien zelf de stroomribbels geheel de overhand hebben.

Ook buiten het zwin komen stroomribbels voor. En wel bij de hoogwaterlijn, waar alleen de laatste uitlopers van golven gekomen zijn en zich geen heen- en weergaande golven hebben kunnen ontwikkelen. Meer naar zee toe beginnen dan meestal weer de golfribbels.

Alle stroomribbels staan loodrecht op de stroomrichting van het water. De ribbels vormen zich echter pas bij een zekere minimumsnelheid van het stromende water. Die moet voldoende zijn om de zandkorrels mee te voeren. Voor korreltjes met een diameter van 0,05 mm bedraagt deze stroomsnelheid 21 cm/s, voor 0,5 mm grote korrels 66 cm/s en voor 1 mm grote korrels 94 cm/s. Is aan een kleine oneffenheid in het zand eenmaal een ribbel ontstaan, dan zal de ribbelvorm zich stroomafwaarts verplaatsen.

Aan de glooiende voorzijde van de ribbel wordt daarbij fijn zand weggespoeld. Dat zet zich – mede door het terugwervelen van het water – in de dalen aan de steile lijzijde van de ribbel af. De voorzijde zal dus alleen maar uit grof zand bestaan. Alleen bij hogere stroomsnelheden van het water wordt dit beeld verstoord.

Bij stroomsnelheden in de buurt van 80 à 100 cm/s staan de ribbels stil en krijgen een vlak profiel. De gehele bovenlaag van het zand komt dan in beweging, wordt zwevende gehouden, en de ribbels worden weggeveegd. Beweegt het water nog sneller en is het ondiep – bijvoorbeeld in een mui – dan keren de ribbels hun steile zijde stroomopwaarts en bewegen in een breed front tegen de stroom in: zogenaamde anti-duinen.

De snelheid waarmee de ribbels zich verplaatsen kan dan wel 1 cm/s bedragen. Het stromende water is dan over zijn gehele diepte troebel door het opgewervelde zand.

Zandribbels kunnen ook op het droge strand, in duinen, zandverstuivingen en woestijnen worden aangetroffen. Dan zijn ze het gevolg van de wind. Ook hierbij staan de ribbels overal loodrecht op de windrichting en hebben ze hetzelfde profiel als de stroomribbels in water: zacht glooiend aan de windzijde en steil aan de lijzijde.

De kammen bestaan weer uit grover materiaal dan de dalen. Aan het strand zijn dat dikwijls stukjes van schelpen die er een typisch oranje kleur aan geven. De fijnere, ronde zandkorrels zijn allemaal door de wind naar de rustiger dalen geblazen en kleuren die bleekgeel. De snelheid die de wind moet hebben om ribbels te vormen is bijna 40 maal zo groot als de snelheid die een waterstroom daarvoor moet hebben.

Interessant is dat door de wind verstoven zand veel ronder is dan zeezand. Door rollen in het water treedt kennelijk minder slijtage op. Uit laboratoriumproeven en windtunneltesten is gebleken dat het inderdaad de wind is die de meeste invloed heeft op de vorm: 100 tot 1000 maal sterker dan het water. Woestijnzand, dat bijna voortdurend blootstaat aan de wind, is dan ook ronder dan welke andere soort zand.

Telkens als we een zandkorrel in handen hebben, beschikken we over een soort fossiel: een stukje oersubstantie van de aarde, dat gedurende miljoenen jaren door een rivier is meegesleept en dat al die tijd is blootgesteld aan de werking van water en wind. Maar dat geeft ons nog geen antwoord op de vraag hoeveel zand er op aarde is.

Tellen is natuurlijk ondoenlijk. Maar we kunnen natuurlijk een schatting maken. Als zandkorrels precies uit kubusjes zouden bestaan, gaan er minimaal 125 korrels in één kubieke centimeter (korrelgrootte 2 mm) en maximaal 8 miljoen korrels (korrelgrootte 0,05 mm). Bij gemiddelde korrelgrootte (0,5 mm) zijn het er 8000.

Zandwoestijnen zijn er op 1,3 miljoen km² van het aardoppervlak. Zandwoestijnen zijn minder dan 43 meter diep (hoogst gemeten zandduin in de Algerijnse Sahara). De woestijnen bevatten dus hooguit 4,4 × 10²⁴ zandkorrels van gemiddelde grootte.

De zandafzettingen op de bodem van de Noordzee (onder het slib) zijn 25 meter dik. Zou het gehele continentale plat op aarde (27,5 miljoen km²) een dergelijke zandafzetting kennen, dan zijn er nog eens 5,5 × 10²⁴ zandkorrels. Onder het landoppervlak op aarde (148,4 miljoen km²) bevinden zich echter ook zandafzettingen, en die schatten we op 1 km dik. Daarin zitten hooguit 1,19 × 10²⁷ zandkorrels. In totaal moeten er op aarde dus ongeveer 1,2 × 10²⁷, ofwel ruim een quadriljard zandkorrels zijn. Slechts een héél klein deel daarvan is ’s zomers aan het strand te zien.

Bronnen

Ph. H. Kuenen: Sand; Scientific American, April 1960. M. Minnaert: De vaste aarde; in ‘De natuurkunde van ’t vrije veld’, deel 3. W.J. Thieme & Cie, 1971. Jearl Walker: The Amateur Scientist; Scientific American, August 1982. Gerard Peeters: Berg > rotsblok > kei > grind > zand; KIJK, augustus 1997. Cees Laban: Halfedelstenen op het strand; Aarde&Kosmos, mei 1987.