Der Posidonienschiefer
(Toarcium, Unterer Jura)
von Dotternhausen
Der geologische
Rahmen
Im Toarcium vor 185 Millionen
Jahren bestand noch der Superkontinent
Pangaea, in dem alle Kontinente zu einer großen Landmasse
vereint waren.
Der Europäische Archipel zwischen Laurentia (Nordamerika und
Grönland), Baltika und Afrika bestand aus vielen Inseln bzw.
Kleinkontinenten, die aus einem relativ flachen Schelfmeer herausragten.
In Mittel- und Westeuropa
waren zwischen den Inseln tiefere Becken entwickelt, in denen es
zur Ablagerung von tonigem Schlamm mit viel organischem Material
kam. Aus diesem Schlamm bildeten sich die Gesteine des Posidonienschiefers.
Sedimentologie und Geochemie
des Posidonienschiefers
Der Posidonienschiefer besteht aus vier
Komponenten: Als Siliziklastika bezeichnet man den feinen Abtragungsschutt
von den Festländern. Kalk und organische Substanz stammen im
wesentlichen vom Phytoplankton, die organische Substanz zum Teil
auch von Bakterien. Winzige Kalkgehäuse und organische Zell-reste
sanken zum Meeresboden und gelangten in das Sediment. Pyrit entsteht
bei der Zersetzung der organischen Substanz bei Abwesenheit von
Sauerstoff. Die Gehalte der vier Komponenten wurden im Zentimeterabstand
gemessen. Aus dem Wechsel in der Zusammensetzung können wichtige
Rückschlüsse auf die Ablagerungsbedingungen gezogen werden.
Verteilung von Karbonat,
org. Kohlenstoff und Schwefel im Posidonienschiefer
Durch die Zirkulation des
Wassers werden die Meere durchmischt und Sauerstoff ist bis
in große Tiefen verfügbar (oxischer Lebensraum). Bei
schwacher Zirkulation werden die tieferen Wasserschichten nicht
mehr durchmischt. Der Wasserkörper bildet eine stabile Dichteschichtung
mit einem anoxischen Lebensraum (ohne Sauerstoff) im Tiefenwasser
aus. Nicht nur die Lebensbedingungen, sondern auch der chemische
Kreislauf von Kalk, organischer Substanz und Schwefel ist in beiden
Lebensräumen deutlich unterschiedlich.
Primärproduktion und Wasserdurchmischung haben Einfluß
auf die Sauerstoffwerte am und im Meeresboden
und damit auf die Besiedlung. Hohe Sauerstoffwerte erlauben reiches
Bodenleben mit vielen tiefgrabenden Formen. Bei niedrigen Sauerstoffwerten
wandert die Redox-Grenze nahe an die Sedimentoberfläche und
schränkt den Lebens-raum und die Lebensmöglichkeiten deutlich
ein. Ist der Sauerstoff völlig verbraucht, wandert die Redoxgrenze
in die Wassersäule. Bodenleben ist mit Ausnahme von Bakterien
nicht mehr möglich. Die jahres-zeitlichen Produktionsschwankungen
im Phytoplankton ziehen jahreszeit-liche Schwankungen der Redox-Grenze
nach sich.
Im Posidonienschiefer können sieben verschiedene Sauerstoffniveaus
zwischen langfristig anoxisch (1) und langfristig oxisch (7) unterschieden
werden.
Die sieben Sauerstoffniveaus
lassen sich für den Posidonienschiefer als zeitlicher Verlauf
der Sauerstoffverhältnisse darstellen. Es wird deutlich, daß
der Sauerstoffgehalt und die Lebensbedingungen am Meeresboden im Posidonienschiefer
starken Schwankungen unterworfen waren.
Durch den jahreszeitlichen Wechsel im Windregime wird das Klima
in Mitteleuropa im Sommer von einem feuchten Südwest-Monsun
(oben), im Winter von einem trockenen Nordost-Passat (unten) bestimmt.
Isotopenuntersuchungen im Posidonienschiefer zeigen für
Kohlenstoff (organischer Kohlenstoff braune Kurve, Kalk rote
Kurve) eine Abhängigkeit vom Meeresspiegel (blaue Kurve). Die
Höhe des Meeresspiegels regelt den Wasseraustausch zu den Nachbarmeeren,
vor allem zum Tethyschen Ozean im Süden. Bei hohem Meeresspiegel
kann viel, bei niedrigem kaum Wasser ausgetauscht werden. Die Sauerstoffisotopie
wird normalerweise zur Wassertemperaturbestimmung verwendet (grüne
Kurve). Die Werte liegen aber mit etwa 40 °C viel zu hoch und
zeigen, daß der Salzgehalt des Wassers geringer als im offenen
Ozean war. Temperatur und Salzgehalt des Posidonienschiefer-Meeres
können also nur näherungsweise bestimmt werden.
Ablagerungsmodell: Durch den jahreszeitlichen Wechsel von
Monsun-Regen im Sommer und Trockenheit mit hoher Verdunstungsrate
im Winter änderte sich auch die Zirkulation im Posidonienschiefer-Meer.
Während der Monsunregenzeit bildete sich eine Schichtung aus
mit leichterem Oberflächenwasser niedriger Salinität und
schwererem Wasser erhöhter Salinität, die durch die Zirkulation
nicht mehr vermischt wurde. In der Folge bildeten sich am Meeresboden
anoxische Verhältnisse. Trockenheit mit hoher Verdunstung während
der Wintermonate führte zum Absinken des Oberflächen-wassers.
Dadurch gelangte wieder Sauerstoff zum Meeresboden (A und B). Die
Erneuerung des Sauerstoffgehaltes im Bodenwasser während der
Wintermonate funktionierte aber nur bei ausreichendem Wasseraustausch
mit dem Tethysozean während eines hohen Meeresspiegelstandes.
Bei niedrigem Meeresspiegelstand war der Wasseraustausch zu gering.
Die Wasserschichtung blieb ganzjährig bestehen und führte
zu langfristig anoxischen Bedingungen in den tieferen Bereichen des
Posidonienschiefer-Beckens (C und D).
