In der erdgeschichtlichen Vergangenheit haben Meeresspiegelschwankungen erheblichen Umfangs ständig stattgefunden. Für die Gestaltung der Erdoberfläche ist dies ein äußerst wirksamer Prozeß. Allerdings ist er erst im Laufe der letzten zwei Jahrzehnte in den Brennpunkt des geowissenschaftlichen Interesses gerückt. Heute stellt die Theorie der meeresspiegelabhängigen stetigen Umverteilung von Ablagerungen auf der Erdoberfläche eines der fundamentalen Konzepte der Geologie dar; es wird mit dem für Nichtgeologen unverständlichen Namen "Sequenzstratigraphie" bezeichnet. Für das Weltbild der Geowissenschaften war die Einführung dieses Konzeptes in den Siebziger Jahren ähnlich revolutionierend wie seinerzeit die Durchsetzung des Konzeptes der Plattentektonik in den Sechziger Jahren. Zum ersten Mal konnten Geologen nun die räumliche, zeitliche und stoffliche Verteilung von Ablagerungsgesteinen mit einem integralen Konzept erklären und damit auch (innerhalb gewisser Grenzen) ihre Verteilung im Untergrund vorhersagen. Es eröffnete sich eine ungeahnte Vielfalt von Anwendungen sowohl praktischer (Erdölprospektion) als auch theoretischer Natur (wie wirken die kontrollierenden Faktoren zusammen, wer kontrolliert wen ?). Wie so oft in solchen Fällen gab es anfänglich eine enthusiastische Akzeptanz, der im Augenblick eine Phase der Datenüberprüfung, des Vergleichens, Modellierens und der Veränderung folgt. Eine der Tagungen mit dieser Zielsetzung hat die "Geologische Vereinigung" unter der Leitung der Autoren im Februar 1992 an der Universität Stuttgart unter dem Titel "Sea-level changes: processes and products" durchgeführt. Sie wurde von knapp 500 Teilnehmern besucht und war Schauplatz eines spannenden Wettstreits wissenschaftlicher Ideen.
Aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit wissen wir mittlerweile mit hinreichender Genauigkeit, wann es Meeresspiegelschwankungen gab und welches Ausmaß sie hatten. Man unterscheidet Zyklen verschiedener Dauer: Größenordnung 108Jahre (1. Ordnung, Hunderte Millionen von Jahren), 107 Jahre (2. Ordnung, Zehner Millionen von Jahren), 106 Jahre (3. Ordnung; Millionen von Jahren) usw. bis hinab zu Zyklen 5. Ordnung (Größenordnung 104 Jahre, d.h. zehntausende von Jahren). Zyklen niedrigerer Ordnung sind bekannt, aber mit den bislang zur Verfügung stehenden Methoden der geologischen Altersbestimmung nur innerhalb der allerjüngsten geologischen Vergangenheit (das ist die letzte Eiszeit) nachweisbar. Zyklen 1.und 2. Ordnung allerdings kennt man mittlerweile zuverlässig aus dem gesamten Zeitraum der vergangenen 600 Millionen Jahre, in dem höheres Leben auf unserer Erde vorkommt (Abb. 6). Die fossilen Meeresspiegelschwankungen zeigen Ausschläge nach unten und oben zwischen +270 m und -150 m gegenüber dem heutigen Niveau.
Abb. 6: Die größeren globalen Meeresspiegelschwankungen (1. und 2. Ordnung) der letzten 600 Millionen Jahre (im wesentlichen nach HAQ et al., SEPM Spec. Publ. Nr. 42, 1988)
Bei einem Meeresspiegelanstieg verschiebt sich der Sedimentationsgürtel zwischen Festland und Schelf (mit den markanten sandigen Küstenablagerungen in der Mitte) in Richtung Kontinent. Eine solche landwärtige Verschiebung des Sedimentationsgürtels wird "Transgression" genannt. Eventuell vorhandene Täler werden geflutet, so daß Flußmündungen vorwiegend als Ästuare ausgebildet sind (Abb. 7) und das vom Kontinent durch die Flüsse angelieferte Sediment rückschreitend in den gefluteten Tälern abgelagert wird. In einem geologischen Schichtenprofil liegen in einem solchen Fall über Flußablagerungen des Tieflands Strandsande und darüber (meistens feinkörnige) Schelfablagerungen mit marinen Fossilien. Der Geologe kann daraus die rückschreitende ("retrogradierende") Verschiebung wichtiger paläogeographischer Merkmale wie zum Beispiel der Küstenlinie rekonstruieren und auch Aussagen über die Geschwindigkeit und den relativen Höhenunterschied der Meeresspiegelschwankung machen, wenn er das Alter der Ablagerungen und ihre Lagerungsbeziehungen kennt (Abb. 7).
Bei einem Abfall der Meeresspiegels verschiebt sich der Sedimentationsgürtel zwischen Festland und Schelf in Richtung Schelfrand (Abb. 7). Eine solche meerwärtige Verschiebung des Sedimentationsgürtels wird "Regression" genannt. Das vom Kontinent angelieferte Sediment wird dabei voranschreitend ("progradierend") über vormals vom Meer bedeckten Flächen ausgebreitet. Die entsprechend verlängerten Flüsse schneiden sich in die vorher abgelagerten Schelf- oder Küstensedimente ein. Fällt der Meeresspiegel tief genug, so kann es zu einer verstärkten rückschreitenden Erosion kommen, die selbst im fernen Hinterland noch in Böden, Flußablagerungen und Seesedimenten als Abtragungsereignis zu erkennen ist. Auf dem äußeren Schelf oder an der Schelfkante kommt es in diesem Fall zur verstärkten Bildung delta-artiger Flußmündungen; überschüssiges Sediment, das auf dem Schelf keinen Platz mehr findet, gelangt entlang von submarinen Canyons mit turbulenten Strömungen hoher Partikelkonzentration hinab in die Tiefsee und wird dort in sogenannten "Tiefseefächern" aufgehäuft. In selteneren Fällen sinkt der Meeresspiegel auch einmal bis unter die Schelfkante. In diesem Fall gelangt das gesamte vom Kontinent kommende Sediment in die Tiefsee und auf den vom Meer freigegebenen Flächen wird nur noch abgetragen. In einem geologischen Schichtenprofil hat man im Falle einer schwachen Regression Strandsande und Flußablagerungen des Tieflands über Schelfablagerungen, im Falle einer starken Regression hat man nur noch ein unterschiedlich stark flächen- oder linienhaft abgetragenes älteres Schichtpaket (eine solche Erosionsfläche wird als "Diskordanz" bezeichnet). Wie im oben geschilderten Fall kann auch hier der Geologe die progradierende Verschiebung wichtiger paläogeographischer Merkmale wie zum Beispiel der Küstenlinie rekonstruieren und Aussagen über die Geschwindigkeit und den relativen Höhenunterschied der Regression machen (Abb. 7).
Abb. 7: Transgressionen und Regressionen in einem geologischen Schichtenprofil. (a) Bei sehr niedrigem Meeresspiegel entsteht eine sehr markante Abtragungsfläche (Diskordanz). (b) Steigt der Meeresspiegel an, so werden die vorher gebildeten Täler geflutet und Sediment in Ästuaren zurückgehalten. In den landfernen Gebieten herrscht Sedimentmangel ("kondensierte" Ablagerungen), manchmal sogar Sauerstoffstoffmangel. (c) Bei hohem und bereits schon wieder sinkendem Meeresspiegel baut sich der Sedimentstapel nach oben und meerwärts vor. Flußmündungen sind dann oft als Delta ausgebildet. (d) Sinkt der Meeresspiegel anschließend weiter, so findet erneut Erosion statt. Im Extremfall wird ein Zustand ähnlich wie in a) wiederhergestellt. Meistens bleibt jedoch (wie in d) gezeigt) etwas von der älteren Schichtfolge erhalten. In Aufschlüssen hat der Geologe meistens nur Einblick in begrenzte Profile wie z.B. A, B oder C. Er kann jedoch mit Hilfe der sequenstratigraphischen Methode die räumliche Verteilung und Beschaffenheit der Ablagerungen in den nicht zugänglichen Abschnitten vorhersagen
Die eben geschilderte Methode ist zwar einfach in der Anwendung, scheitert aber oft daran, daß nachfolgende geologische Ereignisse - in erster Linie natürlich die Abtragung - oft viel von dem auslöschen, was vorher durch Ablagerungen dokumentiert wurde. Soweit es möglich ist, versucht der Geologe deshalb, die mangelhafte Information, die ihm die Erdoberfläche bietet, durch indirekte Erkundung des Untergrunds mittels künstlicher seismischer Wellen wieder wettzumachen. Die oben genannten Diskordanzen beispielsweise werden durch die Reflexionen solcher Wellen in der Regel sehr genau wiedergegeben. Daraus kann man sich ein Bild des geometrischen Aufbaus von Gesteinspaketen im Untergrund machen und dieses mit Hilfe genauer Bohrloch- und Bohrkerndaten noch weiter abrunden. Verfügt man über genügend solide Eckdaten aus geologischer Feldarbeit und seismischer Erkundung, so kann man versuchen, die dreidimensionale Verbreitung und gesteinsmäßige Ausbildung der verschiedenen Ablagerungen für bestimmte Zeiten vorherzusagen. Mit einigem Glück kann man auf diese Weise Erdöl finden. Erdölgeologen waren es auch, die die Ergebnisse derartiger Untersuchungen - besonders hinsichtlich der Meeresspiegelschwankungen - verglichen haben und auf diese Weise globale Meeresspiegelschwankungen bis hinab zu Zyklen 3. Ordnung identifiziert haben. Über die letzten 200 Millionen Jahre (Mesozoikum und Känozoikum) weiß man in dieser Hinsicht nun schon recht gut Bescheid, obwohl über manche Details noch verbissen gestritten wird. Abb. 6 ist eine sehr stark vereinfachte Darstellung dieser Ergebnisse.
Was nun die Ursachen anbetrifft, so sind zunächst einmal zwei theoretische Kategorien zu betrachten, die allerdings in der Praxis, wie wir gleich sehen werden, nur schwer auseinanderzuhalten sind: Meeresspiegelschwankungen, die durch das Klima (also durch eine Veränderung des Meerwasservolumens) ausgelöst werden und Meeresspiegelschwankungen, deren Ursache in Erdkrustenbewegungen liegt, die eine Änderungen der Form von Ozeanbecken zur Folge haben.
Die Hydrosphäre der Erde enthält 1,4 x 1024 g Wasser. Zur Zeit befinden sich 96% davon in den Ozeanen, die restlichen 4% verteilen sich zur einen Hälfte auf Eis und zur anderen Hälfte auf Grundwasser, atmosphärischen Wasserdampf, Seen und Flüsse. 80% des Eises bzw. 65% des Süßwassers der Erde befinden sich in der antarktischen Eiskalotte. Ein Abschmelzen des antarktischen Eises würde den Meeresspiegel weltweit um 60 m ansteigen lassen. Das in Sedimenten fixierte oder in Subduktionszonen verschluckte Wasser wird langfristig durch Metamorphose und Subduktionszonen-Vulkanismus wieder der Hydrosphäre zugeführt; es herrscht also ein Gleichgewichtszustand - ansonsten wären die Ozeane unserer Erde spätestens innerhalb von 15 Millionen Jahren "leergepumpt"...! Die Menge des als Grundwasser speicherbaren oder in Flüssen und Seen zirkulierenden Wassers ist im Verhältnis zu dem enormen Volumen des als Eis fixierbaren Wassers vernachlässigbar gering. Deshalb muß im Wachsen oder Abschmelzen der polaren Eiskappen und eventueller Inlandsvereisungen der wesentliche Mechanismus gesehen werden, der das Volumen des Meerwassers beträchtlich verändern kann. Während der letzten Hauptvereisung vor 18 000 Jahren zum Beispiel war der Meeresspiegel 130 m tiefer als heute (dies hatte einen gewaltigen Faunenaustausch zur Folge, unter anderem auch die Besiedlung der beiden Amerikas durch Menschen - lange vor Kolumbus!). Man bezeichnet diese Art von Meeresspiegelschwankungen deshalb auch als glazio-eustatisch. Schnelle Meeresspiegelschwankungen sind meistens glazio-eustatische Schwankungen; sie können Veränderungsraten bis zu 10 m pro 1 000 Jahren aufweisen und zeigen damit an, daß klimatische Systeme kollapsartig zusammenbrechen können. Die Steuerung solcher "hochfrequenten" Meeresspiegelschwankungen im Bereich von Zyklen 5. Ordnung kann vielfältige Ursachen haben:
Bei allen Zyklen höherer Ordnung (also >1 Million Jahre) sind andere als glazio-eustatische Ursachen zunehmend stärker beteiligt.
Abb. 8: Szenarios für die Ablagerung bzw. Abtragung von Sedimenten bei hohem (oben) und tiefen (unten) Meeresspiegel. Die Modelle wurden für tertiärzeitliche Ablagerungen des südlichen mittelamerikanischen Inselbogensystems entwickelt (Forschungsprojekt Seyfried)
Formveränderungen von Ozeanbecken oder Änderungen im Schwimmgleichgewicht der Kontinente liegen plattentektonische Ursachen zugrunde. Sie haben selbstverständlich ebenfalls Meeresspiegelschwankungen zur Folge. Diese "tektono-eustatischen" Meeresspiegelschwankungen zeigen meistens Zyklen im Bereich der 2. bis 4. Ordnung. Als Ursachen kommen in Frage:
Abb. 9: Querschnitt durch die südliche mittelamerikanische Landbrücke zur Zeit des Alttertiärs. Bei hohem Meeresspiegel (oben) wird die Sedimentfracht nahe am Festland zurückgehalten; auf dem strukturellen Hochgebiet über der Subduktionszone wachsen Karbonatplattformen und auch die Sedimentation an der landwärtigen Flanke des Tiefseegrabens ist vorherrschend karbonatisch. Bei niedrigem Meeresspiegel (unten) taucht das strukturelle Hochgebiet über der Subduktionszone auf, die Karbonatplattform verkarstet und die sedimentären Massenströme aus dem Hinterland werden per "by-passing" über submarine Canyons bis weit nach vorne geleitet, wo sie sandige bis kiesige Tiefseefächer aufbauen (Forschungsprojekt Seyfried)
Beide, glazio-eustatische und tektono-eustatische Meeresspiegelschwankungen interferieren in der Weise, daß die höherfrequenten Schwingungen sich den niedrigerfrequenten überlagern. Dies führt zu unterschiedlich lange dauernden Verstärkungen, Aufhebungen oder gar Umkehrungen des jeweils vorherrschenden Trends. Mit anderen Worten: Auch während Treibhaus-Episoden kann es lokal oder regional zu Regressionen kommen und umgekehrt während Kühlhaus-Episoden zu Transgressionen. Wenn beispielsweise ein Schelfrand schneller sinkt als der globale Meeresspiegel, so kann es trotz fallenden Meeresspiegels in diesem Sektor zu einer Transgression kommen. Auch die Verkippung eines Krustensegmentes kann auf kleinstem Raum gegenläufige Ergebnisse zeitigen. Außerdem sorgen in tektonisch sehr beweglichen Gebieten wie zum Beispiel aktiven Kontinentalrändern oder Inselbögen die allfälligen raschen Hebungen und Senkungen zusammen mit dem dort üblichen Vulkanismus für einen stark wechselnden Sedimenteintrag ins Meer. Verläuft dieser Sedimenteintrag antizyklisch zur Meeresspiegelkurve, so kann auch hier der Trend umgekehrt werden. Ganz extrem wird die Sache im Falle der eingangs geschilderten Erdbeben an aktiven Plattenrändern. So hat beispielsweise ein Erdbeben der Magnitude 7,5 am 22.4.1991 in Costa Rica die Karibikküste nahe der Stadt Limón samt eines Korallenriffs innerhalb von Sekunden um 1,5 m angehoben. Durch dieses Auftauchen (es wäre auch im Fossilen leicht zu erkennen) wird ein schneller eustatischer Meeresspiegelabfall vorgetäuscht, der in Wirklichkeit gar nicht stattgefunden hat.
Daraus ergibt sich die Feststellung, daß eine Meeresspiegelanhebung nicht notwendigerweise eine Transgression zu Folge haben muß und umgekehrt eine Absenkung nicht unbedingt eine Regression ! Geologen sprechen deshalb lieber neutral von relativen Meeresspiegelschwankungen.
Aus diesen Verkomplizierungen ergeben sich Konsequenzen. Vier Forderungen müssen erfüllt sein, damit eine Interpretation fossiler Meeresspiegelschwankungen ernst genommen wird:
Trotz dieser Einschränkungen sind die Erkenntnisse über den Verlauf und das Ausmaß fossiler Meeresspiegelschwankungen in den letzten 10 Jahren sprunghaft angestiegen. Als ein Beispiel seien die Ergebnisse der Mittelamerika-Arbeitsgruppe des Stuttgart Instituts für Geologie und Paläontologie unter Leitung eines der Autoren (H. Seyfried) angeführt. Die heutige südliche mittelamerikanische Landbrücke ist, geologisch gesehen, ein sehr junges Gebilde, das erst seit etwa 5 Millionen Jahren besteht. Vorher war dieser Landstreifen ein vulkanischer Inselbogen, durch den hindurch ein freier Wasseraustausch zwischen Pazifik und Atlantik stattfand. Das Wachsen dieses Inselbogens im Laufe der vergangenen 100 Millionen Jahre zeigt exemplarisch das Zusammenwirken von Tektonik, Meeresspiegelschwankungen und Vulkanismus und ist eines der seltenen Beispiele, in denen glazio-eustatische und tektono-eustatische Signale getrennt erkannt werden können (Abb. 8 und 9).
|
Riffressourcen-Server | Schulmaterial |