Organic Geochemistry of Shale Outcrop From the Morro Do Chaves Formation, Lowercretaceous, Sergipe-Alagoas Basin, Northeastern Brazil

Die tiefe Zeit hinterlässt ihre Fingerabdrücke nicht nur in den Knochen von Dinosauriern oder den Schalen urzeitlicher Kreaturen, sondern in der eigentlichen Chemie der Gesteine, in denen sie lebten. Dieses Feld, bekannt als organische Geochemie, behandelt Sedimentgestein wie ein chemisches Archiv. Wenn Pflanzen, Algen und winzige Organismen sterben und sich am Boden eines Sees oder Ozeans absetzen, können ihre Überreste im Schlamm gefangen werden. Über Millionen von Jahren verwandelt sich diese organische Substanz in Kerogen, eine wachsartige Substanz, die die Erinnerung an die Umgebung bewahrt, in der sie begraben wurde. Durch die Analyse der spezifischen Arten von Kohlenstoffmolekülen und der Verhältnisse verschiedener Elemente innerhalb dieser Gesteine können Wissenschaftler antike Klimata rekonstruieren, bestimmen, ob das Wasser Süß- oder Salzwasser war, und herausfinden, ob der Boden des Sees sauerstoffreich oder völlig leer an Luft war. Das Verständnis dieser Bedingungen ist entscheidend, da es offenbart, wie das Leben in der Vergangenheit überlebte, und Geologen hilft, die antiken Umgebungen zu lokalisieren, in denen Öl und Gas entstehen könnten.

Im Nordosten Brasiliens erzählt ein bestimmter Gesteinsabschnitt eine dramatische Geschichte eines Sees, der ständig seine Meinung änderte. Die Morro do Chaves Formation, die aus der Unterkreide stammt, liegt in einer Region, die einst Teil eines massiven Rift-Tals war, als der Superkontinent Gondwana begann, auseinanderzubrechen. Jahrzehntelang haben Geologen die berühmten Muschelschichten hier untersucht, die als Coquinas bekannt sind und vollgepackt sind mit den Überresten von Muscheln und Schnecken. Diese Muschelschichten wurden lange Zeit als in flachen, stürmischen Seewasser entstanden betrachtet. Doch die dunklen, schlammigen Schieferlagen, die mit den Muscheln vermischt gefunden wurden, blieben ein Rätsel. Während die Muscheln die Aufmerksamkeit auf sich ziehen, halten die Schiefer den Schlüssel zur Chemie des Wassers und zu den ruhigen Momenten zwischen den Stürmen bereit. Ein Team von Forschern der State University of Rio de Janeiro und Petrobras beschloss, diese übersehenen Tonsteine genauer zu untersuchen, um zu verstehen, was für eine Welt sie abgelagert hatten.

Die Forscher konzentrierten ihre Studie auf einen Steinbruch im Bundesstaat Alagoas, einem Ort, an dem die Gesteinsschichten in einer vertikalen Wand sichtbar sind, die über einen Kilometer reicht. Sie sammelten sorgfältig vierzehn Schieferproben aus elf verschiedenen Ebenen innerhalb der Gesteinswand, die vom Boden der Aufschlussebene bis zum Gipfel reichten. Im Labor unterzogen sie diese Gesteine einer Reihe von Tests, die darauf ausgelegt waren, ihre chemische Geschichte zu lesen. Sie maßen die Gesamtmenge an organischem Kohlenstoff, der als Maßstab dafür dient, wie viel Leben im Schlamm konserviert wurde. Sie erhitzten die Gesteine auch in einer kontrollierten Umgebung, um zu sehen, welche Art von Kohlenwasserstoffen sie freisetzen, ein Prozess, der die Art des Lebens offenbart, das ursprünglich dort starb. Schließlich nutzten sie fortschrittliche chemische Trenntechniken, um spezifische molekulare Marker, sogenannte Biomarker, zu isolieren. Diese Moleküle sind wie chemische Fossilien; sie bewahren die strukturelle Signatur der spezifischen Organismen, die sie erzeugt haben, was es Wissenschaftlern ermöglicht, zwischen Algen, Bakterien und Landpflanzen zu unterscheiden.

Die Ergebnisse zeichneten das Bild eines komplexen und sich ständig verändernden Ökosystems. Die Analyse zeigte, dass die organische Substanz in den Schiefern nicht einheitlich war; sie variierte signifikant von einer Schicht zur anderen. Einige Schichten enthielten hohe Mengen an organischem Kohlenstoff, während andere sehr arm daran waren. Die chemischen Signaturen deuteten darauf hin, dass das in diesen Gesteinen konservierte Leben aus zwei Hauptquellen stammte: Süßwasseralgen und Landpflanzen. In mehreren Proben fanden die Forscher ein starkes Vorkommen von Kerogen des Typs I und II. In einfachen Worten bedeutet dies, dass die organische Substanz weitgehend von Algen und anderen Wasserorganismen abstammte, die in einer Umgebung mit sehr wenig Sauerstoff konserviert wurden. Das Vorhandensen von Pyrit, einem Mineral, das nur in sauerstoffarmen Gewässern entsteht, bestätigte, dass der Boden dieses antiken Sees oft stehend und anoxisch war.

Die Geschichte war jedoch nicht die eines einfachen, isolierten Sees. Die chemischen Daten deuteten darauf hin, dass sich die Wasserchemie ständig veränderte. In einigen Schichten deuteten die molekularen Marker auf eine rein süßwassergeprägte Umgebung hin, die von Landpflanzen dominiert wurde. In anderen Schichten deuteten die Marker auf eine Mischung aus Süß- und Salzwasser hin, was darauf schließen lässt, dass der See periodisch vom Meer infiltriert wurde. Die Forscher fanden Belege für marine Intrusionen, bei denen Meerwasser in das Seebecken drang, wahrscheinlich verursacht durch den steigenden Meeresspiegel und tektonische Bewegungen im Zusammenhang mit der Öffnung des Südatlantiks. Diese Ereignisse hätten eine brackige, lagunenartige Umgebung geschaffen, in der marine Fische und Brackwasser-Weichtiere mit Süßwasserarten koexistieren konnten. Die chemischen Verhältnisse bestimmter Moleküle, wie etwa das Verhältnis zwischen Pristan und Phytan, halfen dem Team, zwischen diesen ruhigen, feuchten Perioden und den trockeneren, wärmeren Zeiten zu unterscheiden, in denen der See schrumpfte und das Wasser konzentrierter wurde.

Einer der interessantesten Funde stammte aus einer spezifischen Probe, die als P05 bezeichnet wurde. Diese Schicht zeigte eine einzigartige chemische Signatur, die von mittelgroßen Kohlenstoffketten dominiert wurde, die typischerweise durch Bakterien entstehen, die auf Algenmaterial einwirken. Dies deutet darauf an, dass die Umgebung während der Ablagerung dieser Schicht besonders ruhig und feucht war, mit einer tiefen, stabilen Wassersäule, die eine andere Art der biologischen Verarbeitung ermöglichte. Im Gegensatz dazu zeigten andere Schichten Anzeichen von hochenergetischen Ereignissen, wie etwa Stürmen oder schnellen Wasserstandsschwankungen, die wahrscheinlich einen Großteil der organischen Substanz weggespült hatten, was den geringen Kohlenstoffgehalt in diesen Proben erklärte. Die thermischen Reifigkeitstests, die messen, wie viel Hitze die Gesteine im Laufe der Zeit ausgesetzt waren, ergaben, dass die Gesteine geologisch gesehen noch relativ jung waren und nicht genug „gekocht“ worden waren, um sich in Öl zu verwandeln, wodurch die empfindlichen chemischen Strukturen, die für diese Analyse nötig sind, erhalten blieben.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Morro do Chaves Formation eine gestörte und dynamische Paläoumwelt darstellt. Es war kein statischer See, sondern ein System, das zwischen Süßwasser-, Brackwasser- und Meerwasserbedingungen oszillierte. Die Schiefer zeichnen eine Geschichte von periodischen marinen Intrusionen nach, die den See in eine Lagune verwandelten und so ein einzigartiges Habitat schufen, in dem vielfältige Lebensformen gedeihen und sterben konnten. Das Vorhandensein sowohl kontinentaler als auch mariner organischer Materie sowie die chemischen Belege für schwankende Sauerstoffgehalte stützen die Vorstellung, dass dieses Gebiet eine Übergangszone war, in der die Kräfte des aufbrechenden Kontinents und des herannahenden Ozeans aufeinandertrafen. Durch das Lesen der Chemie dieser Tonsteine haben die Forscher die Lücken gefüllt, die die berühmten Muschelschichten hinterlassen haben, und eine komplexe Geschichte von Klimaschwankungen, tektonischer Aktivität und dem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Süß- und Salzwasser enthüllt, das das Leben in diesem Winkel des antiken Brasilien prägte.