ICDP BASE

Was ist die Bedeutung der Moodies-Gruppe?

Die evolutionäre Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese ist eine Schlüsselfrage in der Erforschung der frühen Erde, denn sie war und ist verantwortlich für die tiefgreifende Veränderung der Oberflächenumgebungen auf unserem Planeten und ermöglichte die Entstehung von eukaryotischem und komplexem mehrzelligem Leben. Mehrere geochemische Hinweise deuten darauf hin, dass es zumindest vorübergehende Schwankungen des meist sehr niedrigen Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre um ~3 Ga gab. Dies stimmt mit den Ergebnissen neuerer Analysen molekularen Uhren überein, die auf den Beginn der sauerstofferzeugenden Photosynthese vor dieser Zeit hindeuten, wahrscheinlich durch mikrobielle Konsortien, zu denen auch hochproduktive benthische Cyanobakterien gehörten, die Küsten besiedelten. Die ältesten Schichten, die sich zum Testen der Hypothese einer – vielleicht lokalen und/oder vorübergehenden – Sauerstoffanreicherung eignen, sind die ca. 3,2 Milliarden Jahre alten sedimentären (und geringeren vulkanischen) Einheiten der Moodies Gruppe im Barberton Grünsteingürtel, Südafrika. Diese zeichnen Oberflächenprozesse in sehr gut erhaltenen und korrelierbaren fluvial bis prodeltaischen siliziklastischen Gesteinen auf; darüber hinaus bieten die ~3,7 km mächtigen Schichten eine extrem hohe Auflösung (im Mittel ~1 km/Ma) über einen relativ kurzen Zeitraum von 1 bis maximal 14 Ma. Trotz der starken regionalen Faltung liegt der metamorphe Grad nur in der unteren Grünschieferfazies (ca. 350°C), und aufgrund einer weit verbreiteten frühdiagenetischen Verkieselung gibt es fast keine Verformung. Dadurch sind zahlreiche primäre Mikro- und Makrotexturen erhalten geblieben. Geologische Kartierungen haben Paläosole, terrestrische Evaporite, potenziell äolische Ablagerungen, Flusssysteme, gezeitenabhängige mikrobielle Matten, Deltakomplexe und marine eisenhaltige Sedimente ("Banded iron formation", BIF) dokumentiert. diese Gesteine bieten in ihrer Gesamtheit eine weltweit einmalige Gelegenheit, die Prozesse und Bedingungen der frühen Bio-, Geo-, Atmo- und Hydrosphäre, insbesondere im Zusammenhang mit vielfältigen und gut dokumentierten mikrobiellen Leben, in einer bisher unerreichten regionalen und zeitlichen Auflösung und während eines kritischen Zeitraums der Erdgeschichte zu rekonstruieren.

Um die Auswirkungen der oxidativen Verwitterung zu vermeiden, die in feinkörnigen Schichten ein besonderes Problem darstellt, und um kontinuierliche Abschnitte zu erhalten, die sich für geochemische Analysen und Zeitreihenanalysen eignen, bohrten wir Nov. 2021 bis Juli 2022 acht Schrägbohrungen mit einer Länge von jeweils 280 bis 500 m in fünf Schlüsselregionen des Grünsteingürtels.  Ihre Auswertung findet ab Januar 2023 statt.

Warum benötigen wir Forschungsbohrungen?

Obwohl der Grad der Metamorphose in der Moodies Gruppe insgesamt gering ist, haben mehrere regionale Ereignisse nach der Ablagerung, nämlich tiefe Versenkung, Exhumierung (wahrscheinlich in der Kreidezeit) und tiefgründige Verwitterung die Zusammensetzung und Textur der an der Oberfläche aufgeschlossenen Gesteine beeinflusst. Daher können nur Bohrproben, die frei von Oberflächenveränderungen sind, helfen, zwischen primären, diagenetischen und Verwitterungseffekten zu unterscheiden.

Wissenschaftliche Zielsetzungen

Wir werden (1) terrestrische und marine Faziesübergänge als Umweltproxy untersuchen; (2) diagnostische Lithologien (wie Paläoböden, küstennahe BIFs, Evaporite und basaltische Laven) auf ihre ökologische Bedeutung hin untersuchen; (3) die Zusammensetzung, Fazies und morphologische Variabilität von mächtigen und lateral ausgedehnten mikrobiellen Matten dokumentieren; und (4) sedimentäre und mineralogische Reaktionen auf sich verändernde Oberflächenbedingungen, wie z.B. Gezeiten, Klima, mögliche Meteoriteneinschläge und Strahlung, insbesondere in Tiefwasserschichten, erforschen.

Zu den wichtigsten Fragen gehören:

• Wie war die Ökologie, die 3-D-Morphologie und der Stoffwechsel der (sauerstofferzeugenden, photosynthetischen?) mikrobiellen Matten aus, die in den schwach kompaktierten Sandsteinen der Gezeitenfazies erhalten sind? Sind diese Eigenschaften in ihrer C-Isotopen-Mikrostratigraphie aufgezeichnet? Wie waren die Erhaltungswege, die Ursprünge des frühen diagenetischen Chert und der Grad der thermischen Überprägung? Können wir die Netto-O2-Produktionsraten und den frühen Stickstoff-Zyklus eingrenzen?
• Wie sehen die (zyklo-)stratigraphischen und mikrofossilen Aufzeichnungen von feinkörnigen Meeres- und Prodeltasedimenten aus? Was ist der Ursprung der Tonminerale? In welchem Verhältnis stehen küstennahe BIFs und Jaspilite zu nahe gelegenen mikrobiellen Gezeitenmatten? Was sagen die magnetostratigraphischen Aufzeichnungen über die Stärke des paläoarchaischen Magnetfelds aus?
• Welche globalen Oberflächenbedingungen lassen sich ableiten? Wie war der Redoxzustand (Sulfat, redoxempfindliche Metallisotope), die Temperatur und die Zusammensetzung des Ozeanwassers, der frühen diagenetischen Fluide und der Atmosphäre?
• Was können wir über die Rolle und Bedeutung der terrestrischen Verwitterung aus den Proxies der physikalischen und geochemischen Verwitterung, der Zusammensetzung der Paläoböden, der Architektur äolischer Schichten und den Spuren von Evaporiten und mikrobiellem Stoffwechsel in terrestrischen Sedimenten ableiten?

Weitere Informationen finden Sie auf der ICDP BASE-WebsiteExterner Link oder bei Prof. Heubeck.