Alstätte – eine wissenschaftliche Langzeitgrabung

Von August 2009 bis Juni 2012 führte die Sammlung immer wieder Grabungs- und Beprobungskampagnen in einer Tongrube nahe Ahaus in Westfalen durch, unmittelbar an der Grenze zu den Niederlanden. Da hier zuletzt in den 1960er Jahren Tonsteine der frühen Kreidezeit grossflächiger erschlossen waren, war die Abgrabung für die Abdeckung einer Mülldeponie in diesem Zeitraum ein grosser Glücksfall für die Wissenschaft. Unter modernen Gesichtspunkten konnte eine genaue Dokumentation der Befunde und Funde erfolgen und mit der Hilfe des lokalen Hobbygeologen Thomas Hemker wurden viele hundert Fossilfunde getätigt. Wie bedeutsam die Daten aus Ahaus-Alstätte im Rahmen der Klimageschichte der letzten 120 Millionen Jahre sind mag der folgende Bericht vermitteln.

Die Kreidezeit – Klimawandel vor Jahrmillionen
In Medien und Forschung ist der aktuelle Klimawandel ein sehr präsentes Thema. Das Klimasystem ist recht komplex und um ein System dieser Größe mit seinen unterschiedlichen Faktoren beziehungsweise deren Auswirkungen verstehen zu können, ist es sinnvoll sich Analogien aus der Erdgeschichte zu bedienen. Die Erde unterliegt seit ihrer Entstehung einem stetigen Wandlungsprozess, der durch geologische Überlieferung rekonstruierbar ist. So ist belegt, dass die Erde verschiedene Kalt- und Warmzeiten durchlaufen hat. Ein Bestandteil der Definition, ob eine Kalt- oder Warmzeit herrscht, sind eisbedeckte Polkappen. Demnach befinden wir uns zum jetzigen Zeitpunkt in einer Kaltzeit. Es gibt aber Indizien, die dafür sprechen, dass wir auf dem Weg in eine Warmzeit sind. Ob dies aufgrund menschlichen Verschuldens oder aufgrund natürlicher Prozesse geschieht, ist wahrscheinlich aber noch nicht ausreichend geklärt und bildet eine eigene Disziplin in den Naturwissenschaften.

Ein Beispiel für eine warme Periode in der Erdgeschichte stellt die Kreidezeit (144 – 65 Millionen Jahre vor heute) dar. Die frühe Kreide beginnt mit einer Kaltzeit, die sich aber kontinuierlich zu einer Warmzeit entwickelt. In der späten Kreide geht diese Entwicklung weiter und so bildet diese die wärmste Epoche in der Geschichte der belebten Erde.

Eine neue Tongrube in Westfalen – Glücksfall für die Wissenschaft
Wie und vor allem wie schnell sich das Klima der Kreidezeit auf kurzen Zeitskalen verändert hat und welche Konsequenzen für Flora und Fauna damit einhergehen, soll in diesem Projekt dargestellt werden. Denkt man an die Kreide, fallen einem sofort die Dinosaurier ein. Auch wenn es sich um beeindruckende Tiere handelt, die über ein ungeheures medienwirksames Potenzial verfügen, so ist ihre wissenschaftliche Aussagekraft bezüglich der Umweltbedingungen und dessen Veränderung eher gering. Anders verhält es sich mit marinen Organismen. Aufgrund ihrer weiten Verbreitung, Häufigkeit und guten Erhaltung in Sedimenten lassen sie detailliertere Ergebnisse zu. So sind kurzfristige Veränderungen des Lebensraumes innerhalb weniger Gesteinsschichten nachvollziehbar. Änderungen des marinen Lebensraumes sind die Konsequenzen ozeanographischer und klimatischer Änderungen, da Atmosphäre und Ozean in permanentem Austausch miteinander stehen.

Um an diese Organismen zu gelangen, bedarf es Aufschlüssen, d.h. Orten wo entsprechende Gesteine offen zu Tage treten, bei denen unterschiedliche Voraussetzungen erfüllt sein müssen. So müssen unter anderem der richtige geologische Zeitabschnitt, beziehungsweise das richtige geologische Ereignis aufgeschlossen sein. Im Fall der Lokation Alstätte in Westfalen kam den Wissenschaftlern der Bau einer Deponie zur Hilfe, zu deren Abdichtung eine neue Tongrube entstand, so dass diese Gesteinsabfolge zum ersten Mal seit den 1960er Jahren für die Forschung zur Verfügung stand. Der Abbau legte die Schichten der Unterkreide-Zeit frei, genauer des Unteren Apt vor etwa 120 Millionen Jahren.

Darunter sind Schichten, die sehr reich an organischem Material sind. Diese werden im weiteren Verlauf als OAE1a oder auch “Fischschiefer” bezeichnet, da er Überreste von Knochenfischen enthält.

Tiere und Pflanzen leiden – ein Ökosystem im Stress
Ein Schwarzschiefer repräsentiert oft ein Ereignis der Verknappung bis hin zur völligen Abwesenheit von Sauerstoff im Ozean. Ein solches führt zu Sterbe- oder gar Aussterbeereignissen von marinen Organismen. Diese können regional in abgeschnürten Becken oder aber auch wie im Falle der Oceanic Anoxic Events (OAEs) der Kreidezeit global auftreten.

Die Probennahme erfolgte an dieser Lokalität “Schicht-für-Schicht”, d.h. alle Gesteinsproben und Fossilien wurden in ihrer Position innerhalb der Sedimentabfolge genau eingemessen. Mehr als 550 Makrofossilien wurden bisher präpariert und identifiziert, damit ist diese Sammlung die größte mit Fossilien aus Ahaus-Alstätte. Sie wird in der Geowissenschaftlichen Sammlung der Universität Bremen (GSUB) aufbewahrt.

Um nun die Umweltveränderungen zu ermitteln, besteht die Möglichkeit die Paläoozeanographie mit Hilfe der Organismen dieser Sammlung zu rekonstruieren. Hinter dem Begriff der Paläoozeanographie verbergen sich die marinen Umweltbedingungen, wie Temperatur und Wassertiefe aber auch Salzkonzentration, Sauerstoff-/ Nährstoffgehalt und Sedimenteintrag. Zu den Organismen, mit denen diese Rekonstruktion möglich ist und die vor Ort gefunden wurden, zählt eine Vielzahl an Ammoniten. Diese fungieren zum einen als “geologische Uhren”, da sie eine sehr exakte Datierung ermöglichen. Darüber hinaus zeigen sie einen vielfältigen Formenschatz. Ob diese Vielfalt in Zusammenhang mit den Änderungen der Paläoozeanographie steht soll in diesem Projekt untersucht werden.

Desweiteren zählen Mikrofossilien, wie die ästhetischen Gehäuse der benthischen, am oder im Meeresboden lebenden, und planktonischen, im Wasser schwebenden Foraminiferen und die winzigen Nannofossilien zu den vorkommenden Organismen. Während die benthischen Foraminiferen deshalb Aussagen über die Bedingungen am Meeresboden zulassen, spiegeln planktonische Foraminiferen die Bedingungen in der Wassersäule wider. Sie können Hinweise zum Sauerstoffgehalt geben, ob der Wasserkörper geschichtet war und es sind Abschätzungen der Wassertiefe möglich. Nannofossilien, als kleinste Lebewesen im Nahrungsnetz, ermöglichen Aussagen über die Veränderungen der Produktion organischen Materials in einem Ökosystem.

Norddeutschland unter Wasser – eine Landkarte von vor 120 Millionen Jahren
Bedingt durch die höheren Temperaturen in der Kreidezeit war weniger Wasser durch das Eis in den Hochgebirgen und an den Polen gebunden und so lag der Meersspiegel deutlich höher als heute. Norddeutschland lag größtenteils unter Wasser und über lange Zeit lag die Küstenlinie entlang des nördlichen Sauerlandes bzw. südlichen Ruhrgebietes. Als sich die Sedimente vor 120 Millionen Jahren in Ahaus-Alstätte ablagerten erreichte das Meer sogar noch eine geringere Verbreitung und mit der Alstätter Bucht gab es in Form eines Meeresarmes eine besondere regionale Situation. Durch die hier abgelagerten Sedimente wissen wir dass die Alstätter Bucht schmal war, aber dennoch eine Meerestiefe von vermutlich mehr als 70 Metern gehabt haben dürfte, denn Stürme haben den Meeresgrund nur kurzfristig erreicht und die Ablagerungen durcheinanderwirbeln können.

Methoden
Damit die einzelnen Ergebnisse der Untersuchungen richtig gedeutet werden können, müssen sie exakt datiert sein. Eine Methode, das Alter der vorliegenden Schichten zu datieren, bietet die Biostratigraphie. Die Biostratigraphie funktioniert mit Hilfe von Index- oder Leitfossilien, dieses sind fossile Tier- oder Pflanzenarten, die für eine Schicht bzw. Schichtenfolge der Erdgeschichte charakteristisch sind. Damit eine Art oder Gattung als Leitfossil bezeichnet werden kann, muss sie möglichst kurzlebig sein und eine möglichst große Verbreitung in unterschiedlichsten Lebensräumen haben. Zu den 550 Makrofossilien, die die Sammlung von der Fundstelle Alstätte beinhaltet, zählen über 300 Ammoniten und über 200 Belemniten, die sich zum Teil für biostratigraphische Untersuchungen eignen. Nach der Bergung der Fossilien bedarf es zunächst einiger handwerklicher Schritte bevor die Auswertung beginnen kann, um sie von dem umgebenden tonigen Sediment zu befreien. Manche Fossilien liegen bereits gebrochen im Gesteinsverband vor, andere zerbrechen bei der Bergung im Gelände. Bevor mit der Freilegung im Labor begonnen werden kann, werden die Bruchstellen mit Sekundenkleber gefestigt. Ist dieser erhärtet kommen mechanische Geräte wie Pressluftmeißel oder Sandstrahlgeräte, zum Einsatz. Sind die Fossilien freigelegt, können sie mit Hilfe von wissenschaftlichen Veröffentlichungen identifiziert werden.

Neben den Fossilien stehen den Wissenschaftlern unter anderem noch chemische Daten zur Analyse der Gesteinsschichten zur Verfügung. Eine Methode um nachzuweisen, dass sich Veränderungen im Lebensraum der marinen Organismen ereignet haben die den Kohlenstoffhaushalt veränderten, ist das Messen von δ¹³C-Isotopen. Isotope sind Varianten eines Elements mit verschiedene Anzahlen von Neutronen.

Der δ¹³C-Wert beschreibt das Verhältnis der beiden stabilen Kohlenstoffisotope ¹²C und ¹³C und wird hauptsächlich durch die Primärproduktion und die Einlagerung organischen Materials in Sedimenten beeinflusst. Da Pflanzen ausschließlich das leichtere ¹²C einbauen, hat ihre Einbettung ins Sediment einen positiven Einfluss auf den δ¹³C-Wert, da sich nun im Verhältnis mehr schweres ¹³C in der Atmosphäre Ein negativer Wert ist unter anderem auf Ausgasungen von Methan, eine Verbindung aus Wasserstoff und dem leichten ¹²C, zurückzuführen. Die Kohlenstoff-Isotope können am Kohlenstoff des Karbonat, oder am organischen Material gemessen werden. Letzteres ist zwar aufwändiger, hat aber den Vorteil, dass zum Beispiel spätere chemische Reaktion bei der Bildung von Kalkstein, bei dem das Kalzium durch Magnesium ersetzt wird, keinen Einfluss auf das Resultat hat. Verfügt man über eine Messreihe von δ¹³C-Isotopenwerten eines aufgeschlossenen Profils, ist es möglich, daraus eine Kurve über die geologische Zeit zu erstellen und diese mit bereits bestehenden und datierten Kurven in Zusammenhang zu bringen.

Ergebnisse
Die Gesteine die in der Grube in Ahaus-Alstätte zu finden sind lassen sich in drei Intervalle einteilen. Das unterste und somit älteste Intervall besteht aus siltigem Tonstein, d.h. ein Ton der auch zahlreiche Komponenten der Korngröße von Silt (0,002 – 0,063 mm Durchmesser) enthält. Darüber folgen Tone die lagenweise Kalkstein enthalten (Bräunlicher Tonsteinabschnitt). Schichten aus eintönigen Tonsteinen bilden das abschließende, jüngste Intervall. Diese zunächst grob eingeteilten Intervalle lassen sich detaillierter in Schichten untergliedern. Dieser feinen Untergliederung liegen Wechsel von Korngröße und die Ausbildung der Schichtung zu Grunde. Es wurden Nummern für die einzelnen Schichten vergeben, die eine detaillierte Zuordnung der gefundenen Organismen oder chemischen Daten erleichtern.

Biostratigraphie
Belemniten kommen fast durchgehend in der Gesteinsabfolge vor und diese Tiergruppe stellt meist gute Leitfossilien. Dadurch war eine biostratigraphische Datierung möglich, d.h. eine relative Alterseinstufung aufgrund der Verbreitung alterstypischer Fossilien. Die beiden Belemnitenarten Neohibolites ewaldi und Oxyteuthis depressa sind aus dem oberen Barreme und Apt bekannt, die Belemniten sind meist zwischen 2 und 10 cm lang.

Da manche der Funde noch den Phragmokonus, also den Auftriebsapparat erhalten haben, sind zumindest manche der Belemnitentiere direkt vor Ort eingebettet worden.

In den höheren Schichten 101 bis 103 finden sich jedoch Belemniten die Aufarbeitungsspuren zeigen. Aufarbeitungen sind meist ein Anzeichen für Veränderungen des Meeresspiegels. Mit sinkendem Meeresspiegel erreicht die Wellenbasis bzw. Sturmwellenbasis den Meeresgrund und kann Sediment und darin enthaltene Organismenreste aufarbeiten und umlagern. Einige Belemniten, gefunden in Schicht 109, gehören der Art Duvalia grasiana an. Diese existierte über einen langen Zeitraum, aber das Auftreten ist in diesem Fall ist bemerkenswert da sie in wärmeren Regionen vorkommt. Diese Gattung ist vor allem im warmen Meer das sich damals entlang des Äquators ersteckt bekannt, aus der Tethys. Das Vorkommen und lässt demnach den Rückschluss zu, dass während der Ablagerung des Fundhorizontes eine Verbindung der Alstätter Bucht zur Tethys bestanden haben muss bzw. das wärmere Meeresströmungen bis nach Norddeutschland reichten.

Die in der Alstätter Bucht aufgefundenen Ammoniten, lassen sich Deshayesites zuordnen, eine Gattung die im unteren Apt wichtige Leitfossilien sind. Neben den Ammoniten der Gattung Prodeshayesites kommen in Schicht 107 häufig Ammoniten der Gattung Aconeceras hinzu. Diese sind vor allem für das Tethysmeer typisch. Dies unterstützt die bereits bei den Belemniten getroffene Aussage, dass eine Verbindung des Niedersächsischen Beckens zur Tethys bestanden haben muss. Das Auffinden von marinen Organismen, wie Muscheln oder Schnecken, durch den Fischschiefer hindurch schließt die vollständige Abwesenheit von Sauerstoff im Bodenwasser und auf dem Meeresgrund während des gesamten Zeitraumes der Ablagerung aus. Episodische Sauerstoffreduktion ist eine wahrscheinlichere Erklärung für das Auftreten von organisch reichen Schichten.

Chemostratigraphie
Die untersten 2,5m des Aufschlusses zeigen recht stabile Isotopenwerte. Die Primärproduktion, also die Menge anorganischen Kohlenstoffs die in der Biomasse gebunden ist, und die Einbettung von Kohlenstoff stehen hier vermutlich im Gleichgewicht. Im darauffolgenden Teil wird ein negativer Trend deutlich. Der Anteil an leichtem ¹²C im Karbonat wird größer, dies spricht dafür, dass mehr organisches Material eingebettet als produziert worden ist. Das Minimum der Produktionsrate könnte im oberen Fischschiefer erreicht worden sein, möglicherweise erholte sich das Ökosystem danach und es fand wieder mehr Produktion statt, da die Kurve positiver wird.

Gefolgt wird dieser von einer Phase des Gleichgewichts, die Kurve zeigt ein “Plateau”. Der obere Teil der Isotopenkurve ist schwer zu deuten, jedoch zeigt hier der Vergleich mit Daten aus dem Alpenraum deutliche Übereinstimmungen so dass ein überregionales Signal dahinter steht.

Zusammenfassung
Die vorläufigen Ergebnisse der Untersuchungen an den marinen Organismen zeigen einheitlich eine Veränderung des Ökosystems der Alstätter Bucht in der Unteren Kreidezeit vor rund 120 Millionen Jahren.

Zu den an das nördliche, kühlere Klima angepassten Belemniten- und Ammonitenarten gesellen sich im Verlauf der Jahrmillionen immer mehr Arten die vorrangig aus der wärmeren Tethys bekannt sind. Diese Wanderung mag die Folge der Klimaerwärmung und/oder der Erhöhung des Meeresspiegels sein. Dass sich in diesem Zeitraum eine Veränderung des Ökosystems ereignet hat, wird auch in der Isotopen-Kurve deutlich.

Die Indizien muten wie in einem Kriminalfall an und ermöglichen eine Interpretation der Umweltveränderungen. Ob sich die jedoch wie folgt beschrieben hat ist nicht sicher zu beweisen: Ein wärmeres Klima führt zu einer Erwärmung der oberen Wasserschichten. Das wärmere und dadurch leichtere Wasser schwimmt wie ein Deckel oben auf. Dadurch ist die Zirkulation und somit der Sauerstoffaustausch im Becken reduziert. Dies hat einen Einbruch der Produktionsraten zur Folge, welcher sich in negativen Isotopenwerten niederschlägt. Erst der Meeresspiegelanstieg und die damit verbundene Entstehung der Wasserstraßen zur Tethys führen zu einem Wiedereinsetzen der Zirkulation und der Sauerstoffversorgung. Die Produktion erholt sich, erkennbar an dem positiven Trend der Isotopenkurve. Die darauffolgenden stabilen Werte zeigen an, dass sich zu diesem Zeitpunkt Primärproduktion und Einbettung wieder im Gleichgewicht befinden.

Literatur:

• Lehmann, J., Friedrich, O., von Bargen, D. & Hemker, T. 2012. Early Aptian bay deposits at the southern margin of the Lower Saxony Basin: Integrated stratigraphy, palaeoenvironment and OAE 1a. – Acta Geologica Polonica 62: 35-62.
• Stevens, G. R. 2010. Palaeobiological and morphological aspects of Jurassic Onychites (cephalopod hooks) and new records from the New Zealand Jurassic. – New Zealand Journal of Geology & Geophysics 53: 395-412.
• Walker, J. D. & Geissman, J. W. (2009). 2009 Geologic time scale, Geological Society of America; http://www.geosociety.org/science/timescale/