Ursachen und Zyklizität
von Massensterben
Inhalt:
1. Die größten
Krisen
Frasne-Famenne-Grenze
Kreide-Tertiär-Grenze
2. Zyklizität von Massensterben
Flutbasalte
Asteroideneinschläge
Meeresspiegelschwankungen
3.
Literaturnachweis
I. Die
größten Krisen
Die Frasne-Famenne-Grenze
Allgemein
Diese Krise
wirkte sich hauptsächlich im marinen Lebensraum aus.
Die höheren Pflanzen, die sich im Laufe des Devons an Land entabliet
hatten, wurden anscheinend nicht betroffen. Zu den schwer in Mitleidenschaft
gezogenen marinen Gruppen gehörten bestimmte Formen
von:
Weniger
betroffen hingegen wurden:
Ein Kernpunkt
in der Diskussion um die Frasne-Famenne-Krise ist der
zeitliche Ablauf: War es ein graduelles Streben oder ein katastrophales
Ereignis?
In
Oberdevonischen Schichten Nordamerikas ist das Massensterben in Gesteinsserien
dokumentiert, die einen Zeitraum von etwa 7 Mio. Jahren einschließen
Vereisungen
Während andere
Gruppen von marinen Lebewesen starke Verluste
erlitten, entwickelte die Gruppe der Kieselschwämme eine große Vielfalt. Diese
Tiere gedeihen bevorzugt in kühlen Gewässern. In heutigen Meeren leben sie oft
in beträchtlichen Tiefen, aber im Devon waren sie in Flachmeeren Zuhause. Eine
Abkühlung kam diesen Schwämmen zum Vorteil, auf Kosten jener Gruppen, die zuvor
in Blüte standen und an wärmere Bedingungen angepaßt
waren.
Auch das
Aussterbemuster der Brachiopoden läßt
auf eine Abkühlung schließen:
Im Famenne geht in den Schelfgebiet
die Bildung von Kalksteinen stark zurück.
Die
Vereisungen, als Folge einer allgemeinen Abkühlung, sind ein Beleg für einen
langwierigen Prozeß, der ein graduelles Aussterben
verursachte, daß an der Frasne-Famenne-Grenze
den Höhepunkt erreicht. Die Abkühlung verursachte eine Absenkung des
Meeresspiegel (Abb.9).
Die
Vereisungen sind durch glaziale Sedimente im Norden Südamerikas (Brasilien)
belegt, ein Bereich Gondwanas, der sich im Oberdevon
in polarer Region befand. Bei diesen Sedimenten handelt es sich um fossile
Algen, die ihre glaziale Herkunft durch eingelagerte Schotter und Findlinge
bestätigen. Diese Schotter sind geschliffen und geritzt worden. Außerdem
enthalten die mit den Gletschergeröllen vorkommenden Schiefer "dropstones": isolierte Kiesel und Findlinge, die ihren
Ablagerungsort im küstenfernen Stillwasser nur
erreicht haben können, in dem sie in Treibeis eingeschlossen durch das Wasser
trieben.
Auslöser für
die Vereisungen war die Kollision von Laurasia und Gondwana. Sie hatte eine Unterbindung der Westmeeresströme
zur Folge und verursachte somit eine Abkühlung der Weltmeere: Es gelangte nun
kaltes Wasser in niedrigere Breiten.
Eine weiterer Auslöser für die Abkühlung im Frasne
könnte die Ausbreitung der ersten großen Wälder sein. Sie entzogen der
Atmosphäre das Treibhausgas CO2 und bewirken somit ein Absinken der
Temperatur.
Anoxische Bedingungen
Schichten mit
schwarzem Schiefer auf dem Dach der Riffablagerungen könnten auf anoxische Bedingungen an der Frasne-Famenne-Grenze
hinweisen. Bei Sauerstoffmangel
wird der
Kohlenstoff im organischen Material nicht durch Bakterien oxidiert, so daß es zu einer schwarzen Färbung des Schlammes kommt
(Stanley,1988).
Die Anoxia spiegeln sich im oberen Kellwasserhorizont
(OKWK) wieder. Der Kellwasserhorizont wird von
dunklen, dolomitischen Mudstones
gebildet, die eine positive d C13 Anomalie aufweisen und somit die anoxischen Bedingungen belegen.
Impakt
Im Oberdevon
wurde nur an einer Stelle eine erhöhte Iridiumkonzentration gefunden. Es
handelt sich um eine australische Riffabfolge, in der allerdings das Iridium in
einer isolierten Zone in einer Stromatolithenschicht
auftritt. Diese Schicht liegt zudem noch stratigrafisch
höher und ist damit jünger als die Frasne-Famenne-Grenze.
Darüber hinaus gehören diese Algen zu einer Sorte, die typischerweise
Schwermetalle binden. Diese Ir-Anomalie scheint deshalb keine Beziehung zum
Aussterbeereignis zu haben.
In einem
Profil in China wurden etwa 1,5 bis 2,0 Mio. Jahren
über der Frasne-Famenne-Grenze eine Schicht mit
glasigen Spheruliten entdeckt. Diese Schicht liegt stratigrafisch auf der gleichen Ebene wie das oben genannte
Canning Becken (Australien), in der die kleine
Ir-Anomalie festgestellt wurde(300pg/g). In Belgien liegt eine Schicht aus
feinem schwarzem Tonstein mit Spheruliten sogar nur
wenige Zentimeter über der F-F-Grenze und weist z.T.
eine geringe Erhöhung an Iridium auf (bis 83pg/g) (Claeys
und andere, 1996)
Fazit
Es gibt viele
Hinweise dafür, daß diese Krise hauptsächlich auf
eine weitverbreitete Abkühlung zurückzuführen ist,
die eine Periode kontinentaler Vereisungen einleitete. Beweise für einen Impakt, der so ein weitreichendes
Aussterbeereignis erzeugt haben könnte, fehlen weitgehend.
Da die bisher
datierten Gletschersedimente Famenne-Alter haben, ist
es möglich, daß der Frasne-Anteil
des Massensterbens im Frühstadium der Klimaverschlechterung stattfand, also
noch vor der Entwicklung kontinentaler Gletscher. Die Klimaveränderungen
und damit verbundene Meeresspiegel- Schwankungen könnten eine Erhöhung der
"oxygene minimum zone" zur Folge gehabt haben und somit sauerstoffarmes
Wasser in die Schelfmeere gebracht haben. Letztendlich könnte Anoxia das Aussterben verursacht haben(OKWK).
Die anoxischen Bedingungen scheinen sich aber regional je nach
Geographie, Tiefe sowie andere Bedingungen ausgebreitet zu haben.
Es gibt
hingegen nur wenige Anzeichen für den Impact eines extraterrestrischen Körpers
als Ursache für das Massensterben an der Frasne-Famenne-Grenze.
Die Spherulite und die Ir-Anomalie könnten ein
Anzeichen für einen, bzw. zwei kleinere Impacts sein, die aber keine Globale
Krise ausgelöst haben können Ein regionales Ereignis könnte aber bei einer
schon gestreßten Fauna unter schlechten
Sauerstoffbedingungen ein Massenausterben verursachen
(P. Claeys et al. , 1996).
Bemerkenswert
ist, daß die Ereignisse im Oberdevon eine
Wiederholung derer im Oberordovizium sind. Auch
damals kam es auf Gondwana zu Vereisungen und zu
Massensterben im Meer, wobei auch hier der Schwerpunkt in den Tropen lag.
Es muß sich daher um ein graduelles Faunenaussterben über 7 –
10 Mio. Jahren gehandelt habe, mit einer relativ plötzlichen Kulmination an der
Frasne-Famenne-Grenze.
Perm-Trias-Grenze
Allgemein
Die
Oberdevonkrise hatte in den Ozeanen eine verarmte Fauna hinterlassen. Doch dank
eines neuen evolutionären Aufschwungs im Karbon und Perm
gelangte das marine Leben wieder zu großer
Formenvielfalt. Gleichzeitig bildete sich auf dem Festland ein kompliziertes
Ökosystem mit großen säugetierähnlichen Reptilien aus, das im Vergleich zu dem
im Oberdevon, als erstmals Wirbeltiere aufs Land krochen, weit
fortgeschrittener war. Im Oberperm kam es aber dann
zum verheerendsten Faunensterben des Phanerozoikums. Etwa die Hälfte aller Familien des marinen Lebensraumes verschwand, und auch die
Wirbeltierfaunen auf dem Land wurden dezimiert.
Auch diesmal
erlitten die tropischen Lebensformen meist die schwersten Verluste, und die
Rate der Ablagerung tropischer Kalke ging zurück.
Da sich aber
das Massensterben über etwa 10 Mio. Jahren hinzog, handelt es sich um ein
graduelles Faunensterben, dem immerhin 75 – 90 % aller damals vorhandenen marinen Arten zum Opfer fielen.
Zu den
Hauptopfern im Meer gehören:
Das Aussterben
war nicht auf die Schlußphase des Perms
beschränkt, sondern erstreckte sich über seine beiden letzten Stufen, so daß ein plötzliches Ereignis nicht in Frage kommt.
Auch auf dem
Festland, wo das Faunensterben die Landwirbeltiere traf, war diese Krise von
langer Dauer. So wurden die säugetierähnlichen Reptilien im Oberperm
von mehreren Aussterbewellen getroffen, wobei die großwüchsigen und herbivoren Taxa jedes Mal die stärksten Verluste erlitten und neue Taxa sich aus den überlebenden kleineren entwickelten. Dies
könnte mit einer Veränderung in der Pflanzenwelt im Zusammenhang mit
Klimaschwankungen verbunden sein, die den großen Tieren Nahrungseinschränkungen
auferlegten. Etwa 20 Familien der permischen Therapsiden gelang es nicht, bis in die Trias zu überleben.
Die Floren im Jungpaläozoikum gingen zum Teil zurück, weil das Klima
arider wurde, zum Ausgleich breiteten sich die Gymnospermenfloren
aus (z.B. Nadelhölzer). In den südlichen Gebieten von Pangäa
machte die Glossopteris-Flora der mesophytischen
Flora Platz (Stanley, 1988).
Vereisungen
und Abkühlung
Das permische Massenaussterben folgte dem Muster früherer
Krisen, so betraf es die niedrigen Breiten am stärksten und zerstörte dort die riffbildenden Lebensgemeinschaften und andere an tropische
Bedingungen angepaßte marine
Gruppe. Die geographische Verteilung mehrerer permischer
Taxa verengte sich vor dem Aussterben in Richtung zum
Äquator hin. Dieses Verhaltensmuster deuten darauf
hin, daß bei der Krise eine Abkühlung des Klimas eine
erhebliche Rolle spielte. Auch nach dieser Krise war die Kalkabscheidung
gering. Darüber hinaus erscheinen zwei wichtige Typen von permischen
Riffbauern, die aus der Schichtfolge der unteren Trias nicht bekannt sind, in
den Gesteinen der mittleren Trias wieder als Riffbildner. Es handelt sich hier
um die Kalkalge Tubiphytes und den Kalkschwamm
Girtyocoelia.
Eine Tatsache
ist die, daß es, obwohl die Gletscher auf der
südlichen Hemisphäre generell im Rückzug waren, an beiden Polen im Oberperm noch immer sehr kalt waren.
Dies hängt mit
dem Wegdriften von Gondwana von den Polregionen
zusammen.
Ein weiterer
entscheidender Hinweis ist das Vorkommen von marinen
Kalksteinen unter den glazial-marinen Ablagerungen.
Diese ungewöhnliche Schichtfolge zeugt von einem plötzlichen und heftigen
Temperaturabfall gegenüber dem für Gebiete mit Kalksteinbildung typischen
warmen Klima.
Es war das
erste mal im Phanerozoikum, daß beide Polarregionen der Erde gleichzeitig von Eis
bedeckt waren. Außerdem fiel im Oberperm der
Meeresspiegel beträchtlich ab, was die warmen Schelfmeere zum Verschwinden
brachte (Abb.9). Ein weiterer Grund für die Abkühlung
könnte eine erhöhte Reflektion der Sonnenstrahlen durch die großen Eisflächen
an den Polkappen sein.
Die Evaporite des Zechsteins und die "Red Beds" des Rotliegenden
deuten auf eine Erwärmung des Klimas während des Perms
hin. Wahrscheinlich kam es zu einer Steigung des thermischen Gradienten, wobei
es gegen Ende des Paläozoikums insgesamt kühler
wurde.
Die
Sibirischen Flutbasalte
Der Einfluß auf die Umwelt der Flutbasalte hängt in erster
Linie von der Größe der Eruption, der geographischen Lage, der chemischen
Zusammensetzung der Laven und Gase, u.a., ab. (Abb.2)
Die
Sibirischen Traps, mit etwa 2,000,000 km3 einer der größten magmatischen Ereignissen der
Erdgeschichte, wurden innerhalb von 1 Mio. Jahre gefördert. Einzelne Decken,
die bis etwa 1,000 km3 groß sind, konnten innerhalb von Wochen
entstehen (Courtillot, 1996). Die Sibirischen
Eruptionen waren höchstwahrscheinlich explosiv und reich an schwefeldioxid- und
schwefelsäurehaltigen Aerosolen.
Das so
produzierte SO2 könnte:
Dabei ist es
entscheidend, daß die Sibirischen, wie die Deccan Traps auch, auf dem Festland ausbrachen und somit
die Gasemissionen freien Weg in die Atmosphäre hatten.
Etwa 1012
kg schwefelsäurehaltige Aerosole können eine Abkühlung um 3° bis 4° verursachen
(H. Sigurdsson, 1990).
Allgemein
braucht man zur Förderung solch einer Menge an SO2:
Da die Lösung
von Schwefel an den Eisengehalt im Magma gebunden ist, fördern Basalteruptionen
größere Mengen an SO2 in die Atmosphäre als andere Eruptionstypen
und haben somit das höchste Gefährdungspotential für eine Klimaänderung.
Eine
Langzeitfolge einer großen Eruption wie die der Traps könnte die Erwärmung der
Erde durch einen erhöhten Treibhauseffekt infolge des CO2 in der
Atmosphäre sein (McLean, 1982).
Bildung
von Pangäa
Die Bildung
von Pangäa war im späten Perm
abgeschlossen und hatte die Zerstörung großer Schelfbereich zur Folge. Die
Reduzierung dieser Flachwasserbereiche erhöhte die Konkurrenz zwischen den marinen Organismen um Lebensraum und Nahrung.
Das Timing
zwischen der Bildung von Pangäa und dem Massensterben
paßt aber nicht genau, da die Bildung des
Superkontinents vor dem Aussterbeereignis abgeschlossen war. (Abb.1)
Die riesige
Fläche von Pangäa hatte auch Auswirkung für das Leben
auf dem Land. Weite Teile im Zentrum des Superkontinents waren so weit vom Meer
weg, daß sie von jeglicher Wasserversorgung
ausgeschlossen blieben. Es muß ein ähnliche Umwelt
wie in der heutigen Gobi Wüste geherrscht haben, für die meisten Lebewesen
lebensfeindlich. Es kommt auch auf dem Land zu einer Einengung der Lebensräume
und zu einer Erhöhung des Wettbewerbs um Nahrung.
Im Inneren von
Pangäa kam es zu großen klimatischen Unterschieden
zwischen den Jahreszeiten, was den Streß in der
Tierwelt empfindlich erhöht hat.
In den höheren
Breiten von Gondwana kam es zu Temperaturschwankungen
zwischen etwa 45° im Sommer und 0-5° im Winter (Crowley,
1987)
Anoxia
Eine Anoxia en der P-T könnte durch das Aufsteigen von
kohlensäurehaltigem Wasser aus de Tiefe der Ozeane verursacht worden sein. Bei
solchen Upwellings könnten auch Sulfide mitgefördert
werden, die das Wasser weiter vergifteten.
Ist zuviel CO2
im Wasser, so gelangt das Gas in das Blut, der ph-Wert
wird bei einem CO2-Uberschuß verringert, die Fähig zum
Sauerstofftransport des Hämoglobins herabsetzt und das Tier stirbt ("Hypercapnia"). Davon werden vor allem marine Tiere mit einem geringen Metabolismus betroffen.
Einige Autoren meinen den Kohlenstoff aus dem CO2 in der
Grenzschicht an der P-T-Grenze gefunden zu habe. Der Kohlenstoffgehalt in
dieser Schicht liegt bei 8%, so daß es möglich ist, daß zum Zeitpunkt der P-T der Ozeanboden des Superozeans Panthalassa mit organischem Kohlenstoff bedeckt wurde.
Impakt
Geologen gehen
allgemein nicht davon ausgegangen, daß ein Meteorit
die permische Krise ausgelöst hat. Es fehlen eine
größere Ir-Anomalie sowie ein passender Impaktkrater.
Fazit
Die Ursachen
für das größte Massenstreben des Phanerozoikum bleiben
unklar. Wie auch schon bei der Frasne-Famenne-Grenze
trifft es in erster Linie die Faunen in den niedrigen Breiten. Nur muß man in diesem Fall zwei außergewöhnliche Umstände bei
der Beurteilung berücksichtigen:
Anoxische Bedingungen könnten den schon stark reduzierten Lebensraum
in den Schelfgebieten weiter zerstört haben und somit den Streß
auf die dezimierten Faunen erhöht haben.
Neben einer
Einengung der bewohnbaren Gebiete auf dem Land in den Randgebieten von Pangäa könnte ein erhöhter Treibhauseffekt die Landtiere
dezimiert haben. Aber einer solchen möglichen Erwärmung folgte in jedem Fall
eine Abkühlung und ein Abfall des Meeresspiegel (Abb.9). So bekommen wir folgende mögliche Gründe
für das Massensterben in den permischen Meeren:
Für das
Massensterben auf dem Festland könnten folgenden Ursachen in Betracht gezogen
werden:
Vieles sprich für die Klimaschwankungen als Hauptauslöser des
Massenaussterbens.
Kreide-Tertiär-Grenze
Allgemein
Kein Ereignis
der geologischen Geschichte ist so umstritten, wie das Aussterben am Ende des
Mesozoikums. Forschung, Ruhm und finanzielle Interessen haben die Debatte um
das Aussterben der Dinosauriern verzerrt und zu einer
Konkurrenz unterschiedlicher Ideen werden lassen. Dieser Wettlauf begann Anfang
der achtziger Jahre mit den unterschiedlichen Theorien:
Beide Theorien
sind in jeder Hinsicht gegensätzlich:
Viele Faktoren
haben verursacht, die kreidezeitliche Schlußkrise überzubewerten. Tatsächlich wirkte sie sich im Weltmeer
weit weniger zerstörerisch aus als die Katastrophe am Ende des Perms, die unter den marinen
Lebewesen einen mehr als zweimal so großen Prozentsatz an Familien
hinwegraffte.
Eine
bedeutende Frage hinsichtlich des Massenstrebens ist die zeitliche Einstufung.
Die Ir-Anomalie ist 65 Mio. Jahre alt. Einige wichtige Aussterbeereignisse
scheinen genau zur Zeit ihrer Ablagerung stattgefunden haben. Demgegenüber
setzte bei manchen Tiergruppen schon mehrere Mio. Jahre früher ein allmählicher
Artenschwund ein, bis am Ende der Periode schließlich keine Art mehr übrig
blieb (Keller, 1989). Dieses zeitliche Muster macht klar, daß
die Schlußkrise der Kreidezeit ein komplexer Prozeß gewesen ist, bei dem ein langer Zeitraum mit
erhöhten Aussterbequoten in einem möglichen letzten Schub mit besonders
schweren Verlusten endete.
Zu den
Hauptopfern dieser Krise gehören:
Die Rudisten
wurden etwa an der Basis des Obermaastricht dezimiert und die, die es bis zur
K-T schafften, zeigten ein formenarmes Dasein und bildeten nur noch kleine
Hügel.
Das Aussterben
im Meer verlagerte sich vom oberflächennahen Bereich immer mehr zum Ozeanboden
hin (Ward, 1994):
Diese
Entwicklung zeichnet die Ausbreitung einer Anoxia
nach.
Das
typische K-T-Profil
Beschrieben
nach Stanley (1988) & Surlyk (in Palaeobiology):
Grauduelles oder plötzliches Aussterben?
Die Diskussion
um den zeitlichen Ablauf der Krise hängt eng mit der Ursachensuche zusammen. So
muß man für ein graduelles Faunensterben (so wie es u.a. Gerta Keller postuliert) einen langwierigen Prozeß als Ursachen suchen. Anhänger eines plötzlichen
Sterben (wie es Jan Smit beweisen will) wollen
hingegen ein plötzliche Ereignis als Ursachen des
Massensterbens finden.
Für beide
Prozesse kommen zwei unterschiedliche, und auch gegensätzliche Theorien in
Frage: Vulkanismus oder Meteoritenimpakt.
Vulkanismus
und die Deccan Traps
Die Deccan Traps, einer der größten Mantel Plume
Ereignissen der Erdgeschichte, fallen zeitlich in die letzten 500.000 Jahre des
Maastrichts.(Abb.2) Diese Flutbasalte hatten einen ähnlichen Einfluß auf die Umwelt, wie die Sibirischen Traps an der
P-T-Grenze. Aber im Gegensatz zu der P-T-Grenze finden wir an der K-T-Grenze
die Ir-Anomalie. Diese könnte auch durch die Deccan
Traps verursacht worden sein (McLean, 1985). Der Hot Spot, der die Deccan Traps gefördert hat, ist heute noch aktiv. Der
dadurch verursachte Vulkanismus auf der Insel Reunion bringt eine erhöhte Menge
an Iridium in die Atmosphäre. Tatsächlich stimmen zwei der magmatischen
Lagen der Traps (Flow III und Flow
IV) mit der K-T überein. Sie zeigen mit 39Ar/40Ar
erforschte Alter von 65.1± 0.6 und 64.7± 1.5 Mio. Jahren an (Bhandari und andere, 1996)
Mehr als die
mögliche Eingabe von Iridium in die Atmosphäre hat ein erhöhter CO2 Zufluß das Klima im Maastricht verändert. Problematisch
hierbei ist, daß ein basaltischer
Vulkanismus gering explosiv ist, die geförderten Gase nicht so weit in die
Atmosphäre schleudert und nur schwer weltweite Verteilung dieser erreichen
kann.
Die erhöhte CO2
Eingabe hatte eine Erwärmung der Atmosphäre und somit langzeitlich eine
Dezimierung der Faunen zur Folge (McLean, 1985). Zwischen 400.000 und 200.000
Jahren vor der K-T gab es eine weltweite Erwärmung um 3°-4°, nach der es aber
während dem letzten Abschnitt des Maastricht zu einer
Abkühlung um 2°-3° kam (Keller, schriftliche Mitteilung, 1998).
Eine globale
Erwärmung der Umwelt hat großen Einfluß auf die
Fortpflanzung der Tiere: Die erhöhte Temperatur reduziert die Durchblutung in
der Gebärmutter und tötet so das Embryos schon vor der Geburt (McLean, 1979,
1981). Ein erhöhter Treibhauseffekt könnte auch das Massensterben nach der
letzten Eiszeit ausgelöst haben.
Im Meer wirkte
sich das CO2 des Deccan Vulkanismus durch
die Vergiftung des oberflächennahen Wassers aus, es kam zu "dead ocean" Bedingungen
durch eine Veränderung der Temperatur und des pH-Werts des Ozeanwassers. Ist
zuviel CO2 im Wasser, so gelangt das Gas in das Blut, daß bei einem CO2-Uberschuß den ph-Wert verringert, die Fähig zum Sauerstofftransport des
Hämoglobins herabsetzt und das Tier sterben läßt ("Hypercapnia"). Dieser Mechanismus hat bei
Säugetieren, Reptilien und Vögeln eine tödliche Wirkung und könnte das
Massenaussterben an der K-T eingeleitet haben
Ein langsamer,
und nicht kurzfristiger, Übergang der kretazischen zu
tertiären Faunen könnten auf eine langsame Normalisierung der Bedingungen im
Ozean hindeuten.
Neben den Deccan Traps in Indien gab es am Ende des Maastricht auch in den westlichen Vereinigten Staaten, in
Nordost Mexiko, in Großbritannien, Ostgrönland, der Hawaii-Region und im westlichen
Pazifik vulkanische Aktivität.
In Ne-Mexiko geben zeolithreiche
Schichten nahe der Basis der Unit 3 im Bereich der K-T Hinweise auf einen vulkanogenen Einfluß in der
Region. Der Vulkanismus hängt hier am Ende des Maastricht
mit der laramidischen Orogenese
in der Sierra Madre Oriental zusammen (Stinnesbeck und andere, 1996)
Einschlag
eines Asteroiden
Die Frage nach
einem Impakt an der K-T muß
in zwei Punkten untersucht werden:
Die
Befürworter dieser Theorie stützen sich in erster Linie auf drei Punkte:
Die
Alvarez-Gruppe hatte ursprünglich geschätzt, daß für
das Ausmaß der Ir-Anomalie ein Bolide von etwa 10 km Durchmesser erforderlich
gewesen wäre, der einen zwanzig mal breiteren Krater
hinterlassen hätte.
Physikalische
Modelle, die von einer kontinentalen Einschlagstelle ausgehen, sagen voraus, daß der in die Atmosphäre hinausgeschleuderte
Staub das Sonnenlicht so stark abgeschirmt haben muß,
daß sich die Erdoberfläche enorm abkühlte (Carl
Sagans "Impactwinter").
Befürworter
der Impakthypothese haben einen weiteren Beweis
geliefert: rußartige Kohlenstoffpartikel im Grenzton der Oberkreide, wie sie sich wohl nur in einem
heißen Gas oder einer Flamme bilden können. So kommt für die Bildung dieser Rußpartikel eine über weite Kontinentflächen hinwegfegende
Feuerwalze in Frage. Kritiker dieser Hypothese weisen darauf hin, daß Holzkohle in vielen Horizonten der terrestrischen
Oberkreide nichts Ungewöhnliches ist. Zudem haben sie festgestellt, daß der kohlenstofführende Grenzton in Gebieten wie Dänemark einen langen
Zeitabschnitt vertritt und nicht durch ein Kurzzeitereignis entstand.
Geschockte
Minerale an der K-T könnten ein weiterer Beweis für den Impakt
sein. Die Schockmerkmale dieser Körner sind Reihen von nahezu parallelen ebenen
Bruchflächen, die sich nur bei sehr schneller Einwirkung hoher Drucke bilden,
wie sie etwa beim Aufprall eines großen Meteoriten auf die Erde entstehen.
Durch vulkanische Aktivität geschockte Minerale sind weder so komplex noch so
deutlich ausgeprägt. Zudem sind die bei explosiven Vulkanausbrüche auftretende
Drücke mit etwa 500 Bar wesentlich geringer als die bei Meteoriteneinschlägen.
In
K-T-Profilen in Alberta (Kanada) wurden mikroskopische Diamanten gefunden; sie
stehen im 1,22:1 Verhältnis zum Iridium. Das Verhältnis ist ähnlich wie das in
Meteoriten. Weiterhin wurde festgestellt, daß der
Durchmesser der Kohlenstoffisotope in den Diamanten den im
interstellaren Staubs sehr ähnlich ist (Carlisle,
1991 und 1992).
Die
Ir-Anomalie:
Im Grenzton an der K-T steigt der Iridiumgehalt von den
normalen 0,076 ppb auf 114 ppb.
Weitere Peaks im Bereich der K-T liegen bei 0.3 ppb und 0.7 ppb (Brothers, 1996).
Dabei ist
bemerkenswert, daß die Iridiumanhäufung innerhalb
geologisch kürzester Zeit zu Anomalien hätten führen können, die sich in
Tiefseesedimenten über 30 bis 40 cm erstrecken. Weder grabende Tiere noch
physikalische Prozesse sind in der Lage, das Iridium so stark zu verteilen (Officer & Drake, 1985). Dagegen kann intensiver
Vulkanismus über einen Zeitraum von ein- oder zweihunderttausend Jahren
durchaus eine solch dicke Iridiumschicht erzeugen, nämlich durch den Fallout
dieses Elements während der Ablagerung von vielen Zentimetern Sediment. In
einigen Gebieten ist die iridiumführende Schicht
bemerkenswert reich an Arsen und Antimon, die in außerirdischen Körpern so
selten sind, daß ihre hohen Konzentrationen nur
vulkanischen Ursprungs sein können (Officer &
Drake, 1985).
Einem der Deccan Traps vergleichbarer Vulkanismus herrscht auf dem
Hawaii Archipel. Die dort geförderten Magmen stammen ebenfalls von einem Manteldiapir und weisen erhöhte Ir-Werte auf. So wurde
zwischen 1983 und 1985 an mehreren Messungen vulkanischer Dämpfen
Ir-Konzentrationen zwischen 104 und 105 über dem Wert der
hawaianischen magmatischen
Gesteinen festgestellt (Finnegan und andere, 1990).
Noch
komplizierter wird die Kontroverse durch Hinweise auf offenbar mehr als eine
Ir-Anomalie in manchen Grenzprofilen der Kreide. Der zweite Peak
befindet sich 40 cm unter der K-T und ist eine Größenordnung geringer als die
Ir-Anomalie an der K-T selber.
Chicxulub:
Diese mögliche
Einschlagstelle auf der Yukatan Halbinsel wurde
erstmals etwa 1948 als konzentrische gravimetrische Anomalie erkannt. Damals
wurde von PEMEX (Petroleos Mexicanos)
im nördlichen Bereich der Halbinsel eine Reihe von Bohrungen durchgeführt. In
den Bohrkernen traten unübliche oberkretazische Brekzien und Kristallingesteine auf. Penfield
und Camargo schlugen 1981 mit diesen ersten Beweisen
vor, die Struktur entspreche einem Impaktkrater und
gaben somit der Alvarez-Gruppe den gesuchten Einschlagort
für den K-T Asteroiden. (Abb.3)
Chicxulub ist für die Forschung von großer Bedeutung, da sich der
mögliche Einschlag in einer Region ereignete, in der keine aktive Tektonik die
Struktur zerstören konnte.
Heutzutage ist
der Ursprung von Chicxulub weniger umstritten als die
Meinung über den Einfluß dieses möglichen Einschlags
auf die kretazische Umwelt. Letzte geophysikalische
Untersuchungen (1996) ergaben für die Struktur einen Durchmesser von etwa 83
km. Der Manson Krater (Iowa, USA) ist etwa 55 km breit. Sein Einschlag hatte
keinen Einfluß auf die spätkretazischen Umwelt.
Aus der
ursprünglich berechnet Größe der Struktur von etwa 300 km mal 180 km ergibt
sich, daß Chicxulub der
größte Einschlagskrater der inneren Solarsystems der letzten 4 Milliarden Jahre
wäre. Der Impakt soll etwa 20.000 km3 Material
mobilisiert haben.
Die gravimetrische
Untersuchung ergab (American Geophysical Union,
1995):
Solche
Multiringbecken sind von Kratern auf dem Mond bekannt (z.B. der Orientale
Krater). Es ist aber nicht sicher, ob diese Art von Becken in allen inneren
Planeten auftreten (Sharpton, 1996).
Petrologische Untersuchungen der Bohrkerne zeigten:
Aber gerade
diese Bohrkerne geben der Wissenschaft neue Rätsel bezüglich des Ursprungs der
Struktur auf: (Abb.4)
Die Theorie
des "Impaktwinter" geht von einem Einschlag
auf dem Festland aus, bei dem große Mengen an Staub in die Atmosphäre
geschleudert werden, die Sonneneinstrahlung unterbunden wird und die
Photosynthese ausfällt. Die Einschlagstelle von Chicxulub
war aber zum Zeitpunkt der K-T eine Karbonatplattform (Wassertiefen geringer
als 50m), so daß ein solches Szenario wahrscheinlich
nicht in Frage kommen kann. Dagegen wäre die Bildung großer Menge an CO2
durch den Impakt auf Karbonatgesteine möglich.
Diaplektische Gläser
Millimetergroße
Spherulite im Grenzton der
K-T-Grenze wurden in Aufschlüssen zwischen Alabama und Haiti gefunden (Abb.5). Diese runden bis tränenförmige Gebilde,
die den Tektiten, bzw. Mikrotektiten
ähneln, können auf verschiedene Wege gebildet werden:
Die
Befürworter der Impakthypothese geben eine Reihe von
Fakten an, mit der die Herkunft der Gläser bestätigt werden soll (American Geophysical Union, 1995):
Nach
Untersuchungen am Unit 1 in El Mimbral (NE-Mexiko) wurde dagegen vorgeschlagen, daß
die Spherulite auch einen multiplen Ursprung haben
könnten: Oolithe, Onkolithe,
Algenzysten und vulkanische Spherulite. Sie könnten
sich im Flachwasser des Golf von Mexiko gebildet und
angehäuft haben, bevor sie während der Regression im späten Maastricht in
tiefere Gewässer transportiert wurden. Ob es sich hierbei um ursprünglich
glasige Mikrotektite gehandelt hat, ist nicht
nachweisbar, da man Spherulite, die ursprünglich
glasig waren nicht von denen unterscheiden kann, die eine andere Herkunft haben
(Stinnesbeck und andere, 1996).
Der
Oxidationszustand vom Eisen und die Abwesenheit von Lechatelierit
(ein natürliches Kieselglas, daß bei Blitz- und Meteroiteneinschlägen gebildet wird) in Spheruliten
von Beloc (Haiti) könnte auf einen vulkanischen
Ursprung deuten (Lyons und Officer, 1992)
Tsunami Ablagerungen
Ein
wesentlicher Bestandteil der Impakthypothese ist das
Auftreten von Tsunamiablagerungen im Golf von Mexiko,
dem Einflußbereich des Chicxulubimpakts.
(Abb.5)
J. Smit stelle 1996 ein theoretische
Abfolge der Ereignisse im Zusammenhang mit den Ergebnissen seiner Feldarbeit
dar:
Es ist jedoch
umstritten, ob diese Ablagerungen tatsächlich in wenigen Tagen oder in
Hunderttausenden Jahren entstanden.
Weiterhin
stellt sich die Frage, ob solche Tsunamiablagerungen
chaotisch oder gut geschichtet sind.
Sequenzen, wie
sie Smit als Tsunamiablagerung
identifiziert hat, können innerhalb eines Meeresspiegeltiefstand, der gegen
Ende des Maastricht auftrat, als Kanalablagerung
entstehen (Stinnesbeck und andere, 1996).
Der größte
Widerspruch zur Tsunamitheorie liefert der
Fossilinhalt der Sandsteine: Die Fossilien in den klastischen Ablagerungen
weisen Obermaastricht, Frühdanium und Spätdanium Alter auf und erstrecken sich so über ein für
eine Tsunamiablagerung zu große Zeitspanne und können
nicht von einem einzigen Ereignis verursacht worden sein. An einigen
Aufschlüssen in NE-Mexiko (Mimbral)
kann man innerhalb der postulierten Tsunamiablagerung
unterschiedliche Lithologien erkennen, die auf
unterschiedliche Ablagerungsbedingungen deuten (Stinnesbeck
und andere, 1996).
Die obersten
25 cm der klastischen Ablagerung sind gerippelte
sandige Kalksteine. In diesen Gesteinen findet man Grabgänge von Chondrites (El Peñon), Thalassinoides, Zoophycos
und Ophiomorpha. Die planktonischen
Foraminiferen Mayoensis
und Hantkeninoides weisen auf eine Ablagerung
der Sedimente während des Obermaastricht hin. In der Füllung der Bohrkerne
wurden keine tertiären Foraminiferen gefunden, so daß diese Bohrgänge noch während des Maastricht
entstanden. In dieser Einheit treten mehrere Grabganghorizonte, bzw. Horizonte
mit Bioturbation, auf (Stinnesbeck
und Ekdale, 1994),.so daß zwischen der Ablagerung der verschiedenen Schichten
genügend Zeit für biotische Aktivität vorhanden
gewesen sein muß.
Diese
klastische Ablagerung wird in einigen Aufschlüssen von NE-Mexiko
von eine 5-10 cm mächtigen Mergelschicht überlagert in der die typische Hantkeninoides Faunen- zusammensetzung
entdeckt wurde. Smit (1994) dagegen hat diese
Mergelschicht als die gradierte Schicht interpretiert (s.o.).
In den Mergeln ist aber weder diese gradierte Schichtung, noch eine Sortierung
der Foraminiferen nach der Größe zu beobachten (Stinnesbeck und andere, 1996).
Die oben
beschriebenen lithologisch und z.T.
mineralogisch unterschiedlichen klastischen Einheiten an der K-T sind über
200-300 km korrelierbar und stammen wahrscheinlich nicht von einem durch einen Impakt verursachten Tsunami (Stinnesbeck und andere, 1996).
Senkung des Meeresspiegel
Zwischen
400.000 und 200.000 Jahren vor der K-T gab es eine weltweite Erwärmung um
3°-4°, nach der es aber während dem letzten Abschnitt des Maastricht
zu einer Abkühlung um 2°-3° kam (Keller, schriftliche Mitteilung, 1998). Diese
führte zu einer Regression gegen Ende des Maastricht (Abb.9). Dieser Trend könnte mit der vulkanischen
Aktivität zusammenhängen: Die höheren Temperaturen könnten während eines
erhöhten Treibhauseffekts infolge der CO2 und SO2
Emissionen geherrscht haben. Eine zu hohe Menge dieser Gase in der Atmosphäre
könnte die Sonneneinstrahlung blockiert haben und die Temperaturen wiederum
sinken lassen. (Abb.6) Der Trapvulkanismus
könnte ein Abwechseln beider Zustände und somit die Temperaturschwankungen im
Maastricht verursacht haben.
Das kretazische Massenaussterben folgte dem Muster früherer
Krisen wie die F-F oder die P-T, so betraf es die niedrigen Breiten am
stärksten und zerstörte dort die riffbildende
Lebensgemeinschaften, wie die Rudisten, und andere an tropische
Bedingungen angepaßte marine
Gruppe. Eine Meeresspielgelsenkung kann die Faunen in
den Tropen dezimiert haben, in dem sie den Lebensraum der Tiere im Flachwasser
einengte.
Ein Indiz für
eine Abkühlung liefert die Flora an der K-T-Grenze: Die jüngste Kreideflora,
die vorwiegend aus Angiospermen und Koniferen
bestand, machte abrupt einer von Farnen beherrschten Flora Platz. Diese Farne
erinnern an die opportunistische Ausbreitung von Farnen über die karge
Oberfläche eines neuen Vulkans.
Das Abrupte
Aussterben vor dem "Farnereignis" verlief in niedrigen Breiten viel
dramatischer als in hohen Breiten ab. Diese Abhängigkeit der Aussterberaten von
der geographischen Breite legt eine klimatische Ursache für die Krise nahe,
denn die tropischen, weniger anpassungsfähigen Oberkreideflora dürfte für eine
Abkühlung anfälliger gewesen sein als die gemäßigte Flora im Norden (Wolfe und Upchurch, 1986).
Fazit
Die oben
beschriebenen Merkmale lassen vermuten, daß ein
möglicher Meteoriteneinschlag oder eine gesteigerte vulkanische Aktivität am
Ende des Maastricht lediglich für eine Aussterbewelle in einem Zeitabschnitt
verantwortlich gemacht werden kann, der eine jahrmillionenlange allgemeine biotische Schwächung mit sich brachte:
Wie in den
ersten beiden beschriebenen Krisen deutet auch bei der K-T-Grenze vieles auf
Klimaänderungen als Hauptauslöser des Massensterbens hin. Die Verknüpfung
zwischen großen Landtieren, Vegetation und Klima ist derart eng, daß es nahe liegt, für den Rückgang der Dinosaurier eine
Erklärung im Wechsel der Floren und damit des Klimas zu suchen.
Aus den
Sauerstoffisotopen in marinen Fossilien lassen sich
auch Rückschlüsse auf eine Abkühlung ziehen. So zeigt das Isotopenverhältnis in
Schalen von planktonischen Foraminiferen
und des kalkigen Nannoplankton eine beachtliche
Abkühlungstendenz, die im Maastricht ihren Höhepunkt erreicht (Stanley, 1988).
Zuletzt
bestätigen schwerere Verluste in den tropischen als in gemäßigten Faunen die
Vorstellung der klimatischen Abkühlung als Hauptauslöser.
Die Beweise
für einen einzige Auslöser für die Schlußkrise
im Maastricht erweisen sich bei näherer Betrachtung als nicht haltbar.
Wissenschaftlich
umstrittene Fakten:
1)
Meteoriteneinschlag:
2)
Vulkanismus:
Vieles spricht
jedoch für einen lang anhaltenden Prozeß als Auslöser
der Klimaschwankungen. Auch die anoxischen
Bedingungen, die sich im Meer ausbreiten und mit atmosphärischem CO2
zusammenhängen, deuten auf eine erhöhte vulkanische Aktivität hin.
Wie bei jeder
komplexen globalen Krise muß man von einer Verkettung
von Auslöser ausgehen. So könnte ein lang andauernder Vulkanismus und eine
Erhöhung der Temperatur und des CO2 Gehalt in der Atmosphäre die
Faunen geschwächt haben. Als es dann an der K-T-Grenze möglicherweise zu einem
Asteroideneinschlag kam, war es der Gnadenschuß für
viele dieser geschwächten Faunen. Aber alle Beweise und das Aussterbemuster
lassen eine Meteorit alleine als Auslöser der K-T-Krise nicht zu.
II.
Korrelierung der Massensterben
Die Suche nach
einer Periodizität der Ursachen für Massensterben ist in sofern für die
Forscher wichtig, da es den Schlüssel für das Verständnis der Ereignisse in der
geologischen Geschichte ermöglichen könnte. Dieses Ziel läßt
viele Forscher politisch bedingte, manipulierte und oft falsche Ergebnisse
publizieren. Dabei werden sie von einer Medienwelt unterstützt, die schon lange
Partei ergreifen hat ("Impactmafia").
Flutbasalte
Flutbasalte
gehören zu den endogenen Prozessen, die die Erdoberfläche und somit das Leben
beeinflussen. Da diese Form des Vulkanismus durch eine permanente Quelle im
Mantel verursacht wird, stellt sich die Frage der Periodizität für diesen
möglichen Auslöser von Massensterben auf eine andere Weise als bei exogenen
Prozessen.
Kommt es in
der geologischen Geschichte zu zyklischen Ausbrüchen größerer Mengen an
Flutbasalten? Wie hängen sie mit den Massenausstreben zusammen?
Vergleich man
das Alter der 12 bekannten Flutbasalteruptionen mit den
größten Massenaussterben, so stimmen 9 dieser Ausbrüche mit Massensterben
überein. Die drei bekanntesten Übereinstimmungen sind: (Abb.8)
Dabei stimmen
die beiden größten Flutbasalteruptionen mit zwei der größten Massenausterben des Phanerozoikums
überein (P-T und K-T).
Eine ungenaue Zyklizität läßt sich von den
Ausbruchsaltern der Flutbasalte errechnen. So liegen zwischen mehreren
Ereignissen etwa 25 Mio. Jahre. Andere Zeitspannen liegen bei etwa 40 oder 19
Mio. Jahren. Aus diesen beachtlichen Schwankungen läßt
sich keine feste Periodizität ableiten. (Abb.8)
Meteoriteneinschläge
Diese
Hypothese wurde unter dem Namen Nemesis bekannt.
Da diese
Hypothese einen exogenen Prozeß umschreibt, muß sie mit astronomischen Zyklen zusammenhängen: Die Auf-
und Abwärtsbewegung des Sonnensystems innerhalb der Milchstraße. Demnach kommt
das Sonnensystem alle 30 Mio. Jahre mit der Oort‘schen
Wolke in Kontakt. Astronomen vermuten, daß Kometen,
die das Sonnensystem passieren, von dieser Oort‘schen
Wolke stammen.
Gene Shoemaker, vom US Geological Survey, hat die Hypothese aufgestellt, daß
sich alle 100 Mio. Jahre ein großes Impactevent (der
Größe von Chicxulub) ereignet. Nach seiner Berechnung
wäre der Durchmesser eines solchen Asteroid etwa 10 Km und der verursachte
Krater etwa 20 mal größer. Dies würde bedeuten, daß es in den letzten 600 Mio. Jahren 6 große Einschläge
gab, was mit den 5 großen Massensterben überein- stimmen würde. Kleinere
Impacts von Asteroiden mit 5 bis 6 km Durchmesser ereignen sich etwa alle 20
bis 30 Mio. Jahren. Dies würde wiederum mit den 20 kleineren Aussterbeereinissen übereinstimmen. Aus dieser Hypothese
leitete Raup & Sepkoski
eine "Species Kill Curve"
her, in der die Zyklizität der Impacts und dessen
Beziehung zu Massensterben gezeigt wird. (Abb.7)
Geologische
Beweise fehlen aber weitgehend: Weder für die Frasne-Famenne-Grenze
noch für die Perm-Trias-Grenze wurde weder eine
wichtige Ir-Anomalie noch ein passender Impaktkrater
gefunden. Somit kann eine Korrelation der Meteroiteneinschläge
mit Massenausterben, sowie eine Zyklizität
ausgeschlossen werden. Lediglich ein Zusammenhang zwischen dem Chicxulub-Krater und der Kreide-Tertiär-Grenze konnte
hergestellt werden, aber auch dieser ist umstritten.
Trotz dieser
Fakten hat diese Hypothese in den letzten Jahren an Popularität gewonnen, nicht
zuletzt, weil sich die Fachpresse für diese Theorie entschieden hat.
Meeresspiegelschwankungen
Meeresspiegelschwankungen
sind eine Folge unterschiedlicher endogener Prozesse. Sie lösen als Folge
dieser Prozesse Massenstreben aus. Die Beziehung zwischen
Meeresspiegelabsenkungen und Massensterben ist jedoch sehr klar (Abb.9). An jeder wichtigen geologischen
Zeitgrenze, an der sich Aussterben ereignet, finden wir eine Absenkung des Meeresspiegel. So stimmen die sechs größten
Massensterben mit einer Senkungen des Meeresspiegel
überein.
Die Prozesse,
die Meeresspiegelschwankungen verursachen, sind:
Zusammen mit
den Meeresspiegelabsenkungen Diese breite Fächerung der möglichen Ursachen für
Meeresspiegelschwankungen schließt eine Periodizität praktisch aus, da sich
Kollision und Fragmentierung von kontinentalen Platten ohne ein gegebenes
Muster über die geologische Geschichte verteilen. (Abb.9)
III.Literaturnachweis
© 1999 Christian Fernandez-Gamio