Facies-dependent response of reef–shoal development to orbital pacing in the Changxing Formation, Sichuan Basin

Stellen Sie sich die Geschichte der Erde als einen riesigen, Zeitlupen-Film vor, der sich in Schichten aus Gestein abspielt. Geologen sind die Regisseure, die versuchen, das Drehbuch zu entschlüsseln, indem sie diese Schichten lesen. Eines der faszinierendendsten Drehbücher, die sie gefunden haben, ist in Kalkstein geschrieben, dem Gestein, das aus uralten Korallenriffen und Sandflächen entstand. Normalerweise denken wir, dass diese Riffe stetig wachsen, wie ein Baum, der jedes Jahr höher wird. Aber die Erde bewegt sich nicht immer in einem gleichmäßigen Tempo. Sie eiert.

Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne ist keine perfekte Kreisbahn; sie dehnt sich aus und zieht sich zusammen, und der Planet neigt sich und eiert in vorhersehbaren Mustern über Tausende von Jahren. Diese Bewegungen, genannt „Orbital Forcing“ (astronomische Forcierung), wirken wie ein kosmischer Metronom, der Rhythmen von Klimaveränderungen, Meeresspiegel und Ozeanchemie vorgibt. Wenn sich die Erde in einer bestimmten Weise neigt oder eiert, kann dies den Ozean wärmer oder kühler machen oder verändern, wie viel Schlamm ins Meer gespült wird. Diese Veränderungen können das Wachstum von Riffen beschleunigen oder verlangsamen. Wissenschaftler nennen das Studium dieser Gesteinsrhythmen „Zyklostratigraphie“. Es ist, als versuche man, den Takt eines Liedes zu hören, indem man die Fußabdrücke im Schlamm betrachtet. Das Verständnis dessen ist entscheidend, denn es hilft uns zu verstehen, wann genau Dinge in der Vergangenheit geschahen, was der einzige Weg ist, um zu begreifen, wie sich unser Planet über Millionen von Jahren hinweg klimatisch verändert hat.

Lassen Sie uns nun in eine spezifische Szene aus diesem antiken Film zoomen: das Sichuan-Becken in China, vor etwa 252 Millionen Jahren. Dies war eine Zeit, in der massive Riffe und Sandflächen im Ozean entstanden. Ein Team von Forschern beschloss zu untersuchen, wie diese Riffe auf diesen kosmischen Metronom reagierten. Sie untersuchten zwei verschiedene Orte, die durch zwei tief in den Boden gebohrte Brunnen repräiert wurden: einer namens PS10 und der andere namens PS2. Betrachten Sie diese Brunnen als zwei verschiedene Kameras, die dasselbe Konzert von unterschiedlichen Sitzen aus filmen. Eine Kamera (PS10) saß direkt in der Mitte der Bühne, auf einer kleinen Insel aus Hochland in der Mitte der Plattform. Die andere Kamera (PS2) saß direkt am Rand der Bühne, an dem steilen Abhang, wo die Plattform auf den tiefen Ozean traf.

Die Forscher wollten wissen: Wenn die Erdumlaufbahn den gleichen Rhythmus für jeden vorgibt, warum sehen die Gesteine an diesen zwei Orten unterschiedlich aus? Wuchsen die Riffe in der Mitte in einem stetigen, vertikalen Stapel oder wackelten sie am Rand hin und her?

Hier ist das, was sie fanden. Sie verwendeten eine hochtechnisierte Version eines „Gesteinsscanners“ (Gamma-Strahlen-Logs), um die Gesteinsschichten in beiden Brunnen zu messen. Durch die Analyse der Muster im Gestein bestätigten sie, dass die orbitalen Rhythmen der Erde tatsächlich der Dirigent waren. Sie fanden klare Beweise für vier spezifische kosmische Schläge: einen langen Schlag alle 405.000 Jahre, einen mittleren Schlag alle 125.000 oder 95.000 Jahre, einen Neigungsschlag alle 41.000 Jahre und einen Eiertakt alle 23.700 Jahre. Beide Brunnen hörten exakt dieselbe Musik.

Doch der Tanz war ein völlig anderer, je nachdem, wo man stand.

Am mittleren Ort (PS10) verhielt sich das Riff wie ein entschlossener Baumeister, der Ziegel gerade nach oben stapelt. Wenn der kosmische Rhythmus günstig war, wuchs das Riff vertikal, häufte körnigen Sand auf und baute einen soliden Kern auf. Wenn der Rhythmus ungünstig wurde, pausierte der Bau, und eine dünne Schicht Hintergrundschlamm lagerte sich darüber ab. Aber wenn der Rhythmus wieder gut wurde, begannen die Baumeister genau an derselben Stelle wieder mit dem Aufbau und stapelten eine weitere Sandschicht auf den Schlamm. Über die Zeit entstand so ein hoher, vertikaler Turm aus Riff und Sand, der durchschnittlich etwa 7,7 Zentimeter pro tausend Jahre wuchs. Es war eine Geschichte der vertikalen Vererbung – man blieb an einem Ort und baute in die Höhe.

Am Rand-Ort (PS2) verhielt sich das Riff wie ein rastloser Surfer. Wenn der Rhythmus gut war, dehnte sich die Sandfläche nach außen aus und drang in das tiefere Wasser vor. Doch sobald der Rhythmus schlecht wurde, zog sich der Sand zurück, und das Gebiet wurde schnell mit feinkörnigem Schlamm und Ablagerungen aus dem Gezeitenbereich gefüllt. Das Riff stapelte sich nicht an einem Ort auf; es wanderte hin und her. Dies erzeugte ein Muster aus wechselnden Schichten: eine dicke Sandschicht, dann eine Schlammschicht, dann wieder Sand. Da dieser Bereich auch viel Schlamm ansammelte, wenn das Riff gerade nicht baute, häufte sich die gesamte Gesteinstiefe schneller an – etwa 11,2 Zentimeter pro tausend Jahre – aber es war eine Mischung aus Sand und Schlamm, kein reiner Riftturm.

Das Paper legt nahe, dass dieser Unterschied nicht darauf basierte, dass sich die Erdumlaufbahn für einen Brunnen anders änderte als für den anderen. Die „Musik“ war dieselbe. Stattdessen wurde der Unterschied durch „Facies Filtering“ (Fazies-Filterung) verursacht. Stellen Sie sich den orbitalen Rhythmus als einen Trommelschlag vor. Wenn man in einem kleinen, geschlossenen Raum auf eine Trommel schlägt (das Hochland in der Mitte bei PS10), prallt der Schall ab und baut sich auf, was ein anhaltendes, vertikales Echo erzeugt. Wenn man dieselbe Trommel an einer windigen Klippe schlägt (der Plattformrand bei PS2), wird der Schall gestreut und mit Wind und Wellen vermischt, was einen unruhigen, hin- und hergehenden Rhythmus erzeugt. Der Standort des Riffs bestimmte, wie das orbitale Signal im Gestein aufgezeichnet wurde.

Die Forscher bemerkten auch, dass dieser gesamte Prozess stattfand, während die Erde wärmer wurde und die Ozeane an Sauerstoff verloren – ein globaler Trend, der schließlich zu einem massiven Aussterbeereignis führte. Die Riffe bei PS10 zeigten, dass das lokale Riff selbst während der globalen Umweltverschlechterung versuchte, in Pulsen zu wachsen und sich an die veränderten Bedingungen anzupassen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass zwar die Erdumlaufbahn das Tempo des Riffwachstums vorgibt, die lokale Geografie jedoch entscheidet, ob dieses Wachstum wie ein hoher, gestapelter Turm oder wie eine wackelnde, wandernde Sandbank aussieht. Es ist eine Erinnerung daran, dass in der Geologie dieselbe Ursache sehr unterschiedliche Wirkungen haben kann, je nachdem, wo man sich befindet.