- Foraminiferenschale - USGS-public domain
Temperaturabschätzungen in der Erdgeschichte durchzuführen gelingt auf verschiedenem Wege. Ausgehend vom Uniformismus in den Naturwissenschaften, insbesondere in der Geologie, ändern sich die Naturgesetze nicht im Laufe der Zeit. So legen Korallenriffe, Salzablagerungszyklen oder Karbonatplattformen vergleichsweise hohe bis warme Temperaturen nahe. Gleiches gilt besonders für die jüngere Erdgeschichte, deren Fossilfunde teilweise einen Bezug zu rezenten Arten erlauben. Doch für die zahlreichen Fragestellungen der bedeutenden klimatischen Variabilität unserer jüngsten Erdgeschichte, die in ihren Auswirkungen unter dem Begriff „Klimawandel“ allseits bekannt sind, reichen diese relativen Zuordnungen nicht. Meeressedimente oder auch Gletscher sind die globalen Klimaarchive unserer Erde, die uns einen teilweise detaillierten Einblick in die jüngste Klimageschichte erlauben.
Sauerstoffisotope als Paläotemperaturmesser
Am häufigsten werden für die Bestimmung von Paläotemperaturen Sauerstoffisotope herangezogen. Gegenüber dem gewöhnlichen Sauerstoffatom, dessen Atomkern aus 16 Kernteilchen besteht, setzt sich das schwere Sauerstoffisotop aus 18 Kernteilchen zusammen. Beide haben die gleichen chemischen Eigenschaften und werden so beide von marinen Organismen in ihre Schalen eingebaut. Neben dem stabilen Sauerstoff-18-Isotop gibt es noch ein Sauerstoff-17-Isotop, dessen Vorkommen zu selten ist, um bei der Paläotemperaturbetrachtung mit herangezogen zu werden.
Das Verhältnis von Sauerstoffisotop und Sauerstoff
Das Verhältnis von Sauerstoff-18 zu dem herkömmlichen Sauerstoff-16 ist sowohl vom Salzgehalt als auch von der Temperatur abhängig. Unter der Annahme eines gleich bleibenden Salzgehaltes sinkt das Sauerstoff-18/Sauerstoff-16 Verhältnis linear mit steigender Temperatur bei der Verdunstung von Oberflächenwasser. Je niedriger die Temperatur desto höhere Sauerstoff-18 Werte sind andererseits zu erwarten. Die Ursachen liegen vereinfacht im Niederschlag und der Verdunstung begründet, die eine Gewichtsdifferenzierung der schwereren Sauerstoff-18 Isotops vom Sauerstoff-16 bedingen.
Paläotemperaturstudien über Kalkschalen
Die Untersuchung des Verhältnisses von Sauerstoff-18 zu -16 in den Schalen von planktonischen, also frei im Wasser treibenden Meeresorganismen lässt Aussagen zu Oberflächentemperaturen der Ozeane zu. Eine wichtige Rolle spielen hier Foraminiferen, die als einzellige Plankter in ihren Artenspektren eine globale Verbreitung erfahren. Foraminiferen sind mit ihren variablen Schalenformen auch Leitfossilien und zum Beispiel für die Erdölgeologie sehr wichtig. Die Nummuliten („Münzsteine“), die mit bis zu 7,5 cm außergewöhnlich große Exemplare als Ausgangsmaterial für die Bildung tertiärer Kalksteine darstellen, dürften die Bekanntesten sein. Da diese Kalksteine für den Bau der ägyptischen Pyramiden verwendet wurden, sind diese Fossilreste in Münzgröße recht früh bekannt. Der griechische Geschichtsschreiber Herodot interpretierte die Nummuliten sogar im 5. Jahrhundert als verschüttete und dann versteinerte Linsen. Die Sauerstoffisotopenbestimmung von Foraminiferenschalen in Tiefseesedimentbohrkernen wurde für die Oberkreide erfolgreich eingesetzt. Gleiches gilt für die paläoklimatischen Schwankungen im Pleistozän.
Einschränkungen in der Anwendung
Der Meeressalzgehalt ist in der Erdgeschichte eine Konstante. Ausnahmen treffen immer nur auf bestimmte Meeresgebiete zu, deren Wasseraustausch mit den Weltozeanen eingeschränkt ist, wie zum Beispiel heute bei der Ostsee und dem Schwarzen Meer. Voraussetzung für die Anwendung der Sauerstoffisotopenmethode ist die Konstanz des Salzgehaltes. Auf manche paläoökologischen Fragestellungen im Rahmen der Geologie und Geochemie trifft dies nicht zu. In hochsalinen Umgebungen dienen vor allem Bor und Bromid als temperaturabhängige Spurenelemente. Insbesondere der Anstieg von Magnesium und Strontium in Karbonatsedimenten steht für besonders heiße Bedingungen, wie sie heute zum Beispiel vor allem im Roten Meer verwirklicht sind dessen Salzgehalt von 40 Gramm pro Liter (40‰) vom globalen Meeressalzgehalt (35‰) abweicht.
Grenzen der Sauerstoffisotopenmethode für die Temperaturbestimmung
Das Sauerstoffisotopenverhältnis wird durch geologische Prozesse stark verändert. Das passiert zum Beispiel bei Fossilisierungsvorgängen. So wandelt sich das instabilere Kalziumkarbonat als Aragonitschale durch Rekristallisation in einen stabilen Kalzit mit gleichem Chemismus, aber anderem Kristallgitter um. Die Wahrscheinlichkeit, solche Schalen zu finden, sinkt mit zunehmendem erdgeschichtlichem Alter. Ursprüngliche Meeressedimente, die durch Meeresspiegelschwankungen Regenwasser ausgesetzt wurden, können zu diesen Untersuchungen nicht herangezogen werden. So eignen sich Sauerstoffisotopen-Untersuchung für die Bestimmung von Paläotemperaturen nur für die jüngere Erdgeschichte. Das Verhältnis dieser beiden Sauerstoffisotope ist stets abhängig von Temperatur und Salzgehalt und nicht zeitabhängig wie zum Beispiel das Verhältnis der langlebigen Isotope Rubidium und Strontium, die durchaus als eine geochemische Funktion der Evolution kontinentaler Kruste angesehen werden können. Das Verhältnis zwischen Sauerstoff-18 und -16 ist stets ein Temperaturzeiger bei einem entsprechenden Salzgehalt. So ist Ermittlung des Sauerstoffisotopenverhältnisses, zusammen mit anderen geowissenschaftlicher Methoden wichtig für klimatische Fragestellungen der jüngeren Erdgeschichte, besonders jedoch für die klimatischen Fragestellungen unserer geologischen Gegenwart.
Anwendung teilweise in der Mineralogie und Petrologie
Bei geochemischen beziehungsweise lagerstättenkundlichen Fragestellungen wird teilweise auch das Sauerstoffisotopenverhältnis oxidhaltiger Minerale bestimmt. Die Temperaturfelder bewegen sich hier jedoch etwa zwischen 200°C und 1000°C.
Andreas Toll - Ich habe Dies und Jenes irgendwann absolviert und bin somit beliebig. Deshalb nehme ich mich sehr ernst. Zeitgeist ist ein starkes Wort ...
