Volcanic-affinity compositional shifts obscure chemical weathering signals in black shales

Die tiefe Zeit ist ein gewaltiges, stilles Archiv, das in den Gesteinen der Erdkruste geschrieben steht. Um das Klima vor Millionen von Jahren zu lesen, wenden Geologen oft schwarze Schiefer an, eine Art dunkler, feinkörniger Gesteine, die in ruhigen, sauerstoffarmen Gewässern entstehen. Diese Gesteine sind besonders wertvoll, weil sie eine chemische Aufzeichnung des Landes speichern, das in sie erodierte. Wenn Regen auf Gestein fällt, baut er es in einem Prozess namens chemische Verwitterung ab, wobei bestimmte Elemente wie Natrium und Calcium weggewaschen werden, während andere, wie etwa Aluminium, zurückbleiben. Wissenschaftler haben mathematische Werkzeuge entwickelt, um zu messen, wie viel dieses Wegwaschens stattgefunden hat, indem sie das verbleibende Gleichgewicht der Elemente nutzen, um abzuschätzen, wie feucht oder trocken das antike Klima war. Wenn das Gestein zeigt, dass die meisten leicht löslichen Elemente verschwunden sind, deutet dies auf ein warmes, feuchtes Klima hin, das das Gestein gründlich abgebaut hat. Wenn diese Elemente verbleiben, deutet dies auf eine trockenere oder kältere Vergangenheit hin. Diese Methode ist zu einem Eckpfeiler für das Verständnis geworden, wie sich die Erdatmosphäre und der Kohlenstoffkreislauf über Äonen verändert haben.

Eine neue Studie deutet jedoch darauf an, dass diese chemische Aufzeichnung durch eine andere Art von geologischem Ereignis leicht verfälscht werden kann: das Eintreffen von frischem vulkanischem Material. Forscher der Peking-Universität analysierten 1.546 Schieferproben aus schwarzem Schiefer, die aus der wissenschaftlichen Literatur stammen, um zu sehen, ob das Vorhandensein von vulkanischem Schutt das chemische Signal eines trockenen Klimas imitieren kann. Sie fanden heraus, dass, wenn frisches vulkanisches Gestein, das reich an Mineralien wie Feldspat ist, sich mit dem Sediment vermischt, es die chemische Mischung mit Elementen flutet, die normalerweise während der Verwitterung verschwinden. Dieser Zustrom lässt das Gestein chemisch „frisch“ erscheinen, als wäre es überhaupt nicht verwittert worden, selbst wenn das antike Klima tatsächlich sehr feucht war. Die Studie zeigt, dass dieser vulkanische Einfluss das wahre Verwitterungssignal vollständig verschleiern kann, was dazu führt, dass Wissenschaftler die antike Umgebung falsch interpretieren.

Das Team konzentrierte sich auf eine spezifische Gruppe von Elementen – Aluminium, Calcium, Natrium und Kalium –, die zentral für diese Verwitterungsberechnungen sind. Sie bauten ein statistisches Modell auf, um die Proben danach zu ordnen, wie sehr sie vulkanischem Material im Vergleich zu typischem verwittertem Gestein ähnelten. Während sie sich durch die Proben bewegten, von denen, die gewöhnlichem verwittertem Gestein am ähnlichsten waren, bis hin zu denen, die dem frischen vulkanischen Schutt am ähnlichsten waren, beobachteten sie, wie sich die Verwitterungswerte änderten. Die Ergebnisse waren bemerkenswert. Die Standardwerte, die zur Messung der Verwitterungsintensität verwendet werden, fielen drastisch ab, sobald der vulkanische Einfluss zunahm. Mit anderen Worten: Je mehr vulkanisches Material vorhanden war, desto trockener erschien das Klima, ungeachtet dessen, wie das tatsächliche Wetter war. Dies geschah, weil die frischen vulkanischen Mineralien genau jene Elemente wieder hinzufügten, die der Regen normalerweise wegwäscht, wodurch die chemische Uhr zurückgesetzt wurde.

Die Forscher untersuchten auch, wie verschiedene Verwitterungsformeln auf diese Mischung reagierten. Sie fanden heraus, dass drei gängige Formeln in vollkommener Synchronität verliefen und alle sanken, um eine schwächere Verwitterung zu suggerieren, wenn das vulkanische Material zunahm. Eine vierte Formel verhielt sich anders und stieg leicht an, was der Erwartung entsprach, dass frische Gesteine bestimmte Elemente festhalten. Die Tatsache, dass diese drei Hauptformeln so perfekt übereinstimmten, war nicht, wie zuvor angenommen, ein Zeichen dafür, dass das Verwitterungssignal robust sei. Stattdessen zeigte die Studie, dass diese Übereinstimmung eine Illusion war, die durch die gemeinsame Bauweise dieser Formeln entstand. Sie alle stützen sich auf dieselbe Handvoll Elemente, sodass, wenn vulkanisches Material diese Elemente verschiebt, alle Formeln gemeinsam reagieren und so einen falschen Konsens erzeugen.

Um dies zu verstehen, trennten die Autoren zwei Dinge, die oft verwechselt werden: die Menge an vulkanischem Material in einem Gestein und die tatsächliche chemische Veränderung, die durch Verwitterung verursacht wurde. Sie fanden heraus, dass ein Gestein voller vulkanischen Schutts sein konnte und dennoch eine chemische Signatur aufwies, die normal aussah, oder dass es sehr wenig vulkanisches Material haben konnte und dennoch eine enorme chemische Veränderung zeigte. Dies bedeutet, dass ein niedriger Verwitterungswert allein nicht automatisch beweist, dass das Klima trocken war, noch ein hoher Wert garantiert, dass es feucht war. Das Vorhandensein von vulkanischem Material ist ein separater Faktor, der identifiziert werden muss, bevor die Geschichte der Verwitterung erzählt werden kann. Die Studie identifizierte, dass etwa 82 Prozent der untersuchten Proben immer noch zu den Standard-Verwitterungsmodellen passten, aber fast 18 Prozent signifikante Abweichungen zeigten, die nicht allein durch das Klima erklärt werden konnten.

Das Team blieb nicht bei Zahlen stehen; es ging zu einer spezifischen Gesteinsformation im Nordwesten Chinas, um zu sehen, was physisch im Boden geschieht. Unter Verwendung leistungsstarker Mikroskope und chemischer Scanner untersuchten sie dünne Schnitte des schwarzen Schiefers. Sie fanden heraus, dass die Gesteine signifikante Mengen an Feldspat und anderen Mineralien enthielten, die aus frischen vulkanischen Quellen stammen. Diese Mineralien waren physisch im Gestein vorhanden, was bestätigte, dass die chemischen Verschiebungen, die sie in den Daten sahen, durch echten, greifbaren vulkanischen Schutt verursacht wurden, der sich mit dem Sediment vermischte. Dieser physische Beweis stützte ihr Modell und zeigte, dass das „frische“ chemische Signal tatsächlich von vulkanischen Gesteinen kam, die noch nicht vom Regen verwittert worden waren.

Schließlich entwickelten die Forscher ein praktisches Werkzeug, das anderen Wissenschaftlern helfen soll, diese Falle zu vermeiden. Sie schufen ein System, das routinemäßige chemische Daten nutzt, die bereits für die meisten Gesteinsproben verfügbar sind, um abzuschätzen, wie groß der vulkanische Einfluss sein könnte. Dieses Werkzeug kann Proben markieren, die wahrscheinlich irreführend sind, und den Forschern signalisieren, innezuhalten und nach unabhängigen Belegen, wie etwa dem Vorhandensein von Ascheschichten oder spezifischen Mineralien, zu suchen, bevor sie Schlussfolgerungen über das antike Klima ziehen. Die Studie besagt nicht, dass Verwitterungssignale nutzlos sind, sondern besteht darauf, dass sie zuerst gegen die Möglichkeit einer vulkanischen Kontamination geprüft werden müssen. Indem sie zwischen dem chemischen Fingerabdruck eines feuchten Klimas und dem chemischen Fingerabdruck von frischem vulkanischem Gestein unterscheiden, bietet die Studie einen klareren Weg zum Lesen der tiefen Zeitgeschichte der Erde.