Vorlesung Chemische SedimenteWintersemester 2002/2003, Freie Universität Berlin |
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Der Begriff kommt ursprünglich aus der Seefahrt und wird dort für jedwede Form von Untiefe benutzt, ob biogen oder nicht, so z.B. das Scharhörn-Riff, eine Sandbank in der Nordsee. Hier soll es ausschließlich um Karbonat-Gesteinskörper gehen, die durch die Interaktion verschiedener Organismen als Einheiten gebildet wurden, die deutlich vom umliegenden Sedimentgestein abgesetzt sind und ein gewisses topographisches Relief besitzen. Wichtig ist, daß es sich um ein "organic framework" handelt, also das Grundgerüst durch Organismen erschaffen wird. Derartige Riffe werden überwiegend im Flachwasserbereich gebildet, es gibt jedoch auch Tief- und Kaltwasser-Riffe. Die obige Riffdefinition gilt für alle möglichen Typen von Riffen, sofort kann man anfangen zu unterscheiden: Riffe, die eine deutliche vertikale Ausdehnung haben und aufragen, weil sie als lokal begrenzte Struktur nach oben gewachsen sind werden als Bioherme bezeichnet ("carbonate buildups"). Bioherme können im Gestein sehr auffällig sein, wenn sie lateral ausgedehnte Sedimentschichten, etwa pelagische Sedimente unterbrechen. Diese Konfiguration ist nicht selten, da große Bioherme in tropischen Meeren den Ablagerungsraum strukturieren und dazwischenliegende Becken abgrenzen können, in denen Stillwasserablagerungen vorherrschen. Biostrome sind dagegen flache Riffkörper, z.B Schwamm-"Rasenbänken" im Jura. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bezieht sich darauf, ob Riffe durch das Wachstum gerüstbildender Organismen, etwa Korallen gebildet wurde, also ein internes festes Gerüst besitzen (skeletal reefs oder frame built reefs) oder nicht. Riffe, die als Anhäufungen von nicht primär miteinander verbundenem bioklastischem Material entstanden sind, werden dagegen als reef mounds bezeichnet.
Im allgemeinen denkt man bei Riffen sofort an Korallenriffe, jedoch sind erstens auch bei Korallenriffen andere Organismen wesentlich an der Lieferung des Materials und der Zementierung zu einem Riffkörper beteiligt und zweitens sind auch andere Organismen in der Lage, große und kleine Riffkörper zu bilden (siehe Kapitel riffbildende Organismen). Das gilt besonders in der Erdvergangenheit (siehe Kapitel Riffe in der Erdgeschichte).
Aufgrund ihrer Ausdehnung und der durch den Gerüstbau bedingeten primären Porosität sind Riffkörper als Speichergestein für Erdöl und Erdgas höchst interessant - ein Grund dafür, daß sie relativ gut erforscht sind. Ein anderer interessanter Aspekt besteht darin, daß solche Riffe, die in unmittelbarer Nähe der Meeresoberfläche wachsen aus diesem Grund von Schwankungen des Meeresspiegels besonders betroffen sind und diese Variationen durch ihre Wachstumsgeschichte rekonstruierbar machen. Große Korallenstöcke speichern darüber hinaus Informationen über die Umweltbedingungen (etwa die Temperatur) in einer ähnlichen Weise wie Bäume und ihre Wachstumsringe. Dies ist besonders nützlich für das monitoring von schleichenden Veränderungen des rezenten Klimas wie der Häufigkeit und Intensität von el nino - Ereignissen
Das Wachstum von Riffkörpern wird durch die gleichzeitig ablaufenden vier Prozesse Aufbau, Abbau, Sedimentation und Zementation bestimmt:
Die Rate der Subsidenz (Absenkung) und die Rate des Meeresspiegelanstiegs bestimmen zusammen die Abnahme oder Zunahme des "accomodation space". Wenn die Sedimentzufuhr die Zunahme des accomodation space übersteigt, wird der Karbonatrand, also die Kante des Riffs oder der Karbonatplattform seewärts wachsen.
Große Riffkomplexe bilden sich nur, wenn es Organismengruppen gibt, die als primäre Gerüstbildner das Grundgerüst schaffen. In der geologischen Vergangenheit war das nur während einiger Phasen der Fall (siehe Abschnitt Riffe in der Erdgeschichte). Wenn diese fehlen, entwickeln sich lediglich kleine fleckenhafte Riffe.
| Korallen: Coelenterata (Hohltiere), Stamm: Cnidaria (Nesseltiere), Klasse: Anthozoa (Blumentiere), Unterklasse: Zooantharia (Hexacorallia) bzw. Alcyonaria (Octocorallia). Von besonderer Bedeutung hierbei die Ordnung Scleractinia oder Steinkorallen. Scleractinien leben ausschließlich im Meer vom Flachwasser bis in 6000m Wassertiefe, von den Polarmeeren bis in die Tropen. Wie alle Antozoa besteht der Polyp aus einem röhrenförmigen Körper, der in einer von Tentakeln umgebenen Mundöffnung endet. Zwischen der Außenhaut (ectoderm) und der Außenhaut (endoderm) liegt die mesogloa-Schicht, in der die Skelettelemente eingelagert sind. Es gibt sowohl singuläre Spezies als auch kolonienbildende. Eine Kolonie besteht aus Einzelpolypen, die durch Gewebe miteinander verbunden sind. Die Mitglieder einer Kolonie sind durch vegetative Fortpflanzung (Knospung) aus einem ursprünglich sexuell reproduziertem Urpolypen hervorgegangen. Die symbiontischen Zooxanthellen bevölkern das Gewebe der Koralle und werden schon in den Eizellen der Korallen eingelagert. Durch die Photosynthese versorgen sie den Polyp mit Sauerstoff und fördern die Kalkabscheidung, da sie CO2 verbrauchen. Die Ectodermzellen scheiden Chitinfäden ab, die als Kristallisationskeime für die im Ectoderm übersättigte Kalzitlösung fungieren. Die Primärkristalle wachsen zu Fasern zusammen, die zu Balken und letztlich dem aragonitischen Steinskelett der Scleractinen. Unter günstigen Bedingungen kann die Wachstumsrate sehr hoch sein (bis 100m/ky). Für karibische Riffe wurden Werte von 9-15m/ky, für ds Barriereriff Werte zwischen 8 und 16m/ky bestimmt. |  |
| Schwämme (Porifera) bilden einen eigenen Stamm ,der sich schon sehr früh in der Erdgeschichte von anderen Metazoa abgetrennt hat. Fossile Schwämme gehören mit zu den ältesten Tieren und sind aus dem Späten Präkambrium bekannt. Seitdem waren sie in vielen fossilen Gemeinschaften vertreten. Zu den Porifera ("Porentragende") gehören Hexactinellida (Glas-Schwämme), Demospongia, und Calcarea (Kalkschwämme). Schwämme unterscheiden sich von allen anderen Lebewesen darin, daß sie keine Mundöffnung haben, sondern Wasser durch feine Poren in ihrer Außenwand nach innen saugen und ausfiltern. Siehe auch die Porifera web-page |  |
| Bryozoen (Moostierchen) Moostierchen leben in Kolonien von mehreren bis mehreren Millionen von individuellen Tieren von einer Größe < 1mm, die aber miteinander verbunden sind. Obwohl etwa 5000 rezente Arten und viel mehr fossile Arten dokumentiert sind, sind sie als Tiergattung nicht grade bekannt und werden oft mit Algen oder Korallen verwechselt. Bryozoen bilden vor allem kalkige Krusten auf Steinen, anderen Lebewesen oder Schiffsrümpfen (ein für die Seefahrt unwillkommener Aspekt), während andere Arten fächerförmige Strukturen bilden, die von in ihrer Größe bis zu mehreren Metern ausmachen können. Hartteile von Bryozoen sind seit dem Ordoviz bekannt. Die Gruppe der stenolaemate hatten eine rasche Verbreitung im frühen Paleozoikum und können dort einen hohen Anteil am Gehalt der Kalksteine ausmachen. Die ökologische Nische, die heute Korallen einnaehmen. Diese Gruppe wurde vom Massensterben des Perm bis auf wenige Arten ausgelöscht, die jedoch in einigen Zeitabschnitten eine weite Verbreitung hatten. Es gibt solide, folienartige und baumartige Formen. Mehr Informationen über Bryozoen gibt es u.A. auf dem Rechner der Universität von Berkeley, California und beim Forschungsinstitut Senckenberg. Photoquelle: Forschungsinstitut Senckenberg, Herr H.J. Lierl |
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| Rudisten (rudis, lat.: rauh, wegen der rauhen Oberfläche der Schalen) sind große Muscheln des Oberen Jura und (vor allem) der gesamten Kreidezeit. Die Schale ist durch zwei deutlich verschiedene Klappen gekennzeichnet (Eistüte mit Mützchen). Beide Muschelklappen sind meist unterschiedlich groß und unterschiedlich gestaltet: rübenartig, kegelförmig, hörnerartig gekrümmt oder spiralig gedreht - immer mit passendem Deckel. Rudisten konnten bis zu zwei Meter groß werden, lebten liegend oder aufrecht am Boden und bildeten auch Riffkolonien. Rudisten fielen dem Massensterben an der Kreide-Tertiär-Grenze zum Opfer. |  |
| Koralline Rotalgen |  |
Korallenriffe gelten zusammen mit dem tropischen Regenwald als das Biosystem mit der höchsten Diversität von Organismen - manche stellen sie in dieser Beziehung auch an die erste Stelle. Ein Beispiel: das Barriereriff vor Queensland, Australien beherbergt über 300 Arten von Korallen, 1500 Fischarten und mehr als 4000 Molluskenarten. Das Riff nimmt etwa 0.1% der Gesamtfläche der Ozeane ein, beherbergt aber 8% der Fisch-spezies der Weltmeere. Einen Überblick bieten verschiedene Seiten, vor allem von xx
Korallenriffe sind die größten biologischen Strukturen auf der Erde und können sogar aus dem All betrachtet werden (siehe unten). Ökologisch gesehen sind Korallenriffe deshalb sehr interessant, weil sie wie Oasen in der Wüste wirken: Im allgemeinen sind die lnadfernen Bereiche der tropische Meere Nährstoff-verarmt und haben daher eine geringe Bioproduktion - deshalb das schöne klare und blaue Wasser. Korallenriffe sind hier eine Ausnahme. In diesem Falle schaffen sich Organismen ihren eigenen Lebensraum inmitten einer ansonsten relativ lebensfeindlichen Umwelt.
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Ausschnitt des Great Barrier Reef, Queensland, Australien. Das Great Barrier Reef ist ein Komplex von hunderten individueller Korallenriffe die sich entlang der Küste von Quensland über etwa 2000 km Länge erstrecken. Im rechten Bild sind die deutlich unterschiedenen Zonen des äußeren Riffs (Bogen von regelmäßig unterbrochenen Riffen) und die eher fleckenhaft verteilten Korallenkolonien auf dem flachen Schelf zu erkennen. Die Bilder zeigen jeweils eine Kantenlänge von etwa 100 km. Die Bilder stammen von der Photo-Gallerie der NASA. |
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Die Korallenriffe, die rezent der verbreitetste Rifftyp sind, werden in ihrem Grundgerüst von hermatypen scleractinen Korallen gebildet, welche in Symbiose mit Zooxanthellen leben. Da die Zooxanthellen Photosynthese betreiben, sind die Korallen an die photische Zone, also an den Flachwassserbereich <100m, meist sogar <20m gebunden. Außerdem hängt die Verbreitung von Korallenriffen eng mit der Wassertemperatur zusammen: der Temperaturbereich liegt zwischen 16°C und 36°C, bevorzugt jedoch im engen Bereich zwischen 25°C und 26°C. Werden Korallen längere Zeit höheren Wassertemperaturen ausgesetzt, dann werden die Zooxanthellen ausgestoßen, das Riff bleicht aus und stirbt ab. Insofern sind die in den letzten Jahren beobachteten Korallenbleichen unter Umständen ein Anzeiger global erhöhter Temperaturen. In der Verbreitung von Korallenriffen bildet sich die Asymmetrie der Oberflächentemperaturen der Ozeane ab: An den östlichen Rändern der Ozeane wird kaltes Wasser von Strömungen wie dem Benguelastrom und Kanarenstrom im Atlantik und dem Californienstrom und Humboldstrom im Pazifik weit in Äquatornähe gebracht, die Isothermen biegen in Richtung Äquator um. An den westlichen Rändern der Ozeane wird warmes Oberflächenwasser von Strömungen wie dem Golfstrom im Atlantik und dem Kuroshio im Pazifik in hohe Breiten transportiert Dementsprechend gibt es ind den westlichen Bereichen der Ozeane Korallen bis in mittlere Breiten, in den östlichen Bereichen der Ozeane nur in Äquatornähe, vor der Westküste von Afrika fehlen große Korallenriffe sogar. Die Verbreitung fällt ziemlich gut mit der 20°C-Isochryme zusammen. Das nördlichste und südlichste Auftreten von Korallenriffen ist bei Bermuda und Rio de Janeiro bzw. Okinawa und Brisbane.
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Mittlere Wassertemperatur der Ozeanoberfläche (Sea Surface Temperature, SST). Man beachte den Unterschied zwischen den westlichen und östlichen Rändern der großen Ozeane: An den östlichen Rändern wird kaltes Wasser in Strömungen weit in Äquatornähe gebracht, die Isothermen biegen in Richtung Äquator. An den westlichen Rändern der Ozeane wird warmes Oberflächenwasser in Richtung hohe Breiten transportiert. |
Verbreitung von Korallenriffen in den Weltozeanen. Die Verbreitung zeichnet die durch Oberflächenströmungen erzeugte Asymmetrie der mittleren SST (sea surface temperature) in den Ozeanbecken nach. Abbildung übernommen mit Erlaubnis von Bill Prothero. |
Als weitere Lebensbedingungen brauchen Korallen eine gute Durchströmung, sowie relativ klares Wasser. Enthält das Wasser zu viel Sediment, werden die Polypen verstopft und sterben ab. Aus diesem Grund gibt es vor Flußmündungen (z.B. Golf von Bengalen, siehe Karte der Verbreitung oben) keine Korallenriffee. Das Korallenwachstum muß mit der Sedimentation Schritt halten können. Der bevorzugte Salinitätsbereich liegt bei 27-40 Promille mit einem Optimum bei 36 Promille.
Riffe wachsen bevorzugt auf topographischen Hochgebieten, da Flachwasserformen schneller als Tiefwasserformen wachsen können. Das Vorhandensein von schon existierenden Hochgebieten ist also für das Riffwachstum eine günstige Bedingung. Das können entweder ältere Riffe sein, die während der pleistozänen Meerestiefstände trocken fielen (Bermudas, Florida, Australien) oder untermeerische Vulkane (wie die meisten Atolle).
Da Riffe dicht unter der Meeresoberfläche wachsen, sind sie extrem anfällig für Meeresspiegelschwankungen (siehe online-Artikel von R. Leinfelder). Aufgegebene Riffe (abandoned reefs) enstehen, wenn der relative Meeresspiegelanstieg das Riffwachstum deutlich übersteigt. Bei langsamen Anstieg kann das Riff ausweichen, in einem Riffkomplex könnte man dann eine vertikale Stapelung der verschiedenen Riff-Phasen beobachten. Wenn der Meeresspiegelanstig geringer als das Riffwachstum ist, kann sich dieses ausbreiten und in das vorgelegene Becken progradieren. Durch einen relativen Meeresspiegelabfall werden Riffe der atmosphärischen Karstverwitterung ausgesetzt.
Form und Struktur und Verteilung der Riffe sind geprägt von:
Wir unterscheiden Schelfriffe, die auf dem Kontientalschelf entstanden sind und ozeanische Riffe, die sich im tiefem Wasser gebildet haben. Moderne Riffe werden im Allgemeinen nach Morphologie und der Beziehung zum Untergrund bzw. der nahegelegenen Küstensockel auf dem sie aufsitzen bezeichnet: Saumriff, Barriereriff, Fleckenriff, Plattformriff und Atoll. Von diesen Hauptformen können Unterformen abgeleitet werden
Atolle der Malediven-Inselgruppe im Indischen Ozean. Die Atolle der Malediven sitzen auf dem unterseeischen xx-Rücken auf. Die Bilder stammen von der Photo-Gallerie der NASA.
Das Habitat Korallenriff ist gefährdet. Schätzungen besagen, daß bisher bereits etwa 4-10% des Korallenbestands durch menschliches Einwirken zerstört worden ist. Das hat mehrere Gründe. Ein vermutlicher Grund ist die Verschmutzung der Ozeane insbesondere die Überdüngung, die zur Algenvermehrung und -überwucherung führt und erhöhte Sedimentfracht durch Bodenerosion. Physikalische Einwirkungen wie das wilde Ankern, Sprengstoff-fischen und antropogene Störungen des ökologischen Gleichgewichts, die sich in der ungehemmten Vermehrung von Freßfeinden der Korallen oder dem Ausbleiben von Feinden der Algen äußern sind andere Ursachen (dazu gibt es ein online-Buch von Peter Bryant, Kapitel endangered aquatic habitats). Eine relativ neue Beobachtung ist das Ausbleichen von ganzen Korallenstöcken und Riffen auf der ganzen Welt. Es kommt immer wieder vor, daß die mittlere Temperatur der Oberflächenwasser (Sea Surface Teperature, SST) in niedrigen Breiten und in warmen Sommern regional deutlich gegenüber dem sommerlichen Durchschnitt erhöht sind. Es scheint ein direkter Zusammenhang zwischen diesen abnormal hohen SST's und dem Ausbleichen von Korallen (bleaching events) zu geben. Schlimmstenfalls kommt es zum Absterben ganzer Riffkörper. Das Auftreten von solchen langlebigen Warmwasserzellen (sogenannter "hotspots") steht in Zusammenhang mit dem Auftreten des El Nino - Southern Oscillation (ENSO) - Phänomens (Glynn, 2000). Die SST kann vom Satelliten aus gemessen werden, Daten und auch Animationen, die den zeitlichen Ablauf von solchen hotspot-Warmwasser-Ereignissen zeigen, können vom Coral reef team des NOAA bezogen werden.
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Teilweise ausgeblichene Kolonie von Pavona clavus in 10 m Wassertiefe, Silva Island, Panamá. Photo von Dr. Glynn |
Korallenbleiche-Ereignisse in den Jahren 1996-98. Das Jahr 1998 war ein besonders verheerendes Jahr in dem weltweit so viele Korallenbleiche-ereignisse berichtet wurden wie nie (zu diesem Thema gibt es einige Aufsätze hier und hier) |
Neben den relativ gut bekannten Flachwasser-Riffen der tropischen und subtropischen Meere gibt es Riffbildungen auch in lichtlosen Kaltwasser-Regionen. Rezente Beispiele sind z.B. vom Kontinentlahang von Norwegen und dem Golf von Kalifornien bekannt. Bei den Riffen am Kontinentalhang von Norwegen handelt es sich sowohl um buildups als auch reef mounds, die im wesentlichen von skleractinen Korallen (Lophelia pertusa and Madrepora oculata) gebildet werden. Am Sula-Rücken am Mittelnorwegischen Schelf wurde z.B. ein Lophelia-Riff in etwa 300m Tiefe vermessen und zeigte eine Größe von 13 km Länge, 300 m Breite und bis 35 m Höhe (xx). Diese Korallentypen leben nicht in Symbiose mit Zooxanthellen, unter den Lichtbedingungen ist keine Photosynthese mehr möglich, daher wurden lange Zeit extrem langsame Wachstumsraten angenommen, jedoch scheinen einige der Riffe sich daran nicht halten zu wollen. Solitäre Korallen (Desmophyllum cristagalli) wachsen ebenfalls unter diesen Bedingungen. In den Kaltzeiten des Pleistozän waren derartige Tiefsee-Korallenbänke auch im Mittelmeer verbreitet und finden sich heute in Wassertiefen > 300m an Flanken von untersseischen Canyons und Tiefseekuppen. Zum Thema Kaltwasser-Riffe existiert ein online-Artikel mit vielen Literatur-Hinweisen von Andre Freiwaldt von der Universität Tübingen.
Ausstellung des Instituts für Geologie der Universität Kiel |
Die Bildung von Riffkörpern läßt sich über die ganze Erdgeschichte seit dem xx verfolgen. Es gab jedoch nur relativ wenige Phasen der Bildung großer Riffkomplexe. Die faunistische Zusammensetzung wechselt natürlich mit dem Entstehen neuer Arten und so gib es einzelne Phasen, in denen neu entstandene, offenbar effektivere Organismen ältere Gruppen aus deren ökologischer Nische verdrängen. Die Radiation neuer Arten ist natürlich besonders nach den Massenausterben von Arten zu beobachten. Bemerkenswert ist, daß es in bestimmten Zeitabschnitten Rifftypen gab, die so heute nicht mehr existieren, z,B. riesige Schwammriffe im oberen Jura. Die Gründe liegen in den Umweltbedingungen und der Evolution der Arten |
Zeit-Tafel der Erdgeschichte. Durch anklicken der einzelnen Felder erhalten Sie nähere Informationen zur Verbreitung von Riffen in den einzelnen Abschnitten der Zeitgeschichte und zu den damals verbreiteten Riffbildnern und Produzenten von biogenen Kalkgesteinen. |
auf den Server überspielt am 22.08.2002 David Völker