Biomarker und stabile Isotope in jungtertiären Kohlen

Forschungsprojekt P 14245Biomarker und stabile Isotope in jungtertiären KohlenReinhard GRATZER08.05.2000 Der Analytik freier Kohlenwasserstoffe in Kohlen als Biomarker zur Reduktion der Biosphäre unterschiedlicher Epochen der Erdgeschichte kommt steigende Bedeutung in der Palöoklimaforschung zu. In der Kombination mit C-Isotogenverhältnissen der organischen Substanz und Karbonaten liegt ein großes Potential zur Entschlüsselung der Palökologie und des Klimageschehens im Verlauf der jüngeren Erdgeschichte. Der Großteil organischer Substanz in Kohlen kann aus Landpflanzen hergeleitet werden, deren Relikte anhand der Mazeral-Analytik identifiziert werden können. Freie Kohlenwasserstoffe, die aus Biopolymeren (Harzen; Wachse; Zellulose) generiert werden, sind in Kohlen mit niedrigem Inkohlungsgrad (Weichbraunkohlen) inhoher Konzentration nachweisbar. Spezifische Verbidungen (insbesondere aus den Gruppen der trizyklischen und der pentazyklischen Diterpenoide) können als chemische Fossilien angesehen werden. Aus all diesen Gründen, wurden Weichbraunkohlen unterschiedlichen, jungtertiären Alters für die geplante interdisziplinäre Studie über die Kohlenwassrstoff-Zusammensetzung und die Isotopie des organischen Kohlenstoffs ausgewählt. Im Verlauf des beantragten Projektes sollen Variationen in der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe und im C-Isotopieverhältnis des gesamten organischen Kohlenstoffs, sowie spezifische Biopolymere (Harze, Zellolose), an einem eng-beprobten Kohleflöz der Lagerstätte Oberdorf untersucht werden. Anhand der Korrelation der Daten mit bestehenden Informationen zur Mazeral-Zusammensetzung und zur Palynologie, werden Informationen zu den wesentlichen Faktoren erwartet, die die C-Isotopie der organischen Substanz und der Karbonate beeinflussen. Umweltbedingungen im Verlauf des Jungtertiärs anhand der geplanten Untersuchungen der C-Isotopie und der Geochemie der organischen Substanz aus Weichbraunohlen unterschiedlichen Alters aus den Ostalpen und angrenzender Gebiete rekonstruiert werden. Es wird erwartet, daß die Kombination dieser Ergebnisse mit bereits bestehenden Klimaproxie-Daten und mit den Ergebnissen laufender Untersuchungen zur C- undO-Isotopie kalkschaliger Fossilien des Untersuchungsgebietes wesentliche Beiträge zur Entschlüsselung des biogeochemischen Kohlenstoff-Kreislaufes leisten werden.

Der kombinierte Einsatz organisch-geochemischer und isotopengeochemischer Daten als Proxies in der Palökologie und zur Rekonstruktion der klimatischen Entwicklung im Laufe der Erdgeschichte erlangt zunehmende Bedeutung. Tertiäre Braunkohle-Vorkommen (Weichbraunkohlen) oligozänen bis pliozänen Alters aus dem Bereich der Ostalpen und ihrer Randgebiete wurden im Rahmen einer interdisziplinären Studie hinsichtlich ihrer molekularen Zusammensetzung und der C-Isotopie der organischen Substanz untersucht. Die bisherigen Untersuchungen an eng-beprobten Kohleflözen miozäner Lagerstätten lassen Kovariationen zwischen Mazeralhäufigkeiten, organisch- geochemischer Parameter, Palynologie und den C-Isotopenzusammensetzungen der Kohlen und fossiler Hölzer erkennen. Die Ergebnisse liefern wichtige Informationen hinsichtlich der steuernden Faktoren der Isotopie des organischen Kohlenstoffs. Gute Korrelationen zwischen palynologischen Datensätzen, dem Verhältnis der Konzentrationen von Koniferen- zu Angiospermen-Biomarkern, und dem Gewebserhaltungsindex legen nahe, daß organisch-geochemische Analysen zur Rekonstruktion der kohlebildenden Vegetation beitragen können. Signifikante Unterschiede in der Pflanzenvergesellschaftung im Bereich der Moore konnten aufgrund der molekularen Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe der untersuchten Kohleflöze rekonstruiert werden. Die Unterschiede in der kohlebildenden Vegetation sind in erster Linie auf Variationen des Wasserspiegel und der pH-Werte im Ablagerungsraum zurückzuführen. Die jeweilige sedimentäre Fazies der untersuchten Kohleflöze wird durch deren Biomarker- Zusammensetzung bestätigt, da ein Zusammenhang mit der Intensität der Vergällung pflanzlichen Gewebes, dem Schwefelgehalt und der Azidität im Moorwasser hergestellt werden kann. Die Ergebnisse legen einen bedeutenden Beitrag anaerober Bakterien bei der Vergällung nahe. Ein genereller Einfluß der Pflanzenvergesellschaftung auf die C-Isotopie der Kohlen ist nachweisbar. Die Variabilität der C-Isotopien innerhalb der Kohleflöze ist höchstwahrscheinlich durch variierende Gehalte isotopisch leichter Lipide (z.B. aus Blattkutikulen, Kork, Harze) und der Aktivität anaerober Bakterien im Moor bedingt. Die C-Isotopendaten fossiler Hölzer sind in guter Übereinstimmung mit ihrer taxonomischen Klassifizierung als Koniferen bzw. Angiospermen basierend auf deren molekularer Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe. Die im Vergleich zu rezenten Bäumen erhöhte Differenz zwischen Holz und der daraus gewonnenen Zellulose kann auf die geringere Verarmung der Zellulose an 13C während deren Abbau zurückgeführt werden. Im Vergleich mit der Kohle und fossilen Hölzern wird die C-Isotopenzusammensetzung der Zellulose im Verlauf der Kohlebildung und Diagenese nur unwesentlich verändert. Die gemessenen C-Isotopien der extrahierten Zellulose aus fossilen Koniferen zeigen eine Tendenz zu isotopisch leichteren Werten im Zeitraum der bisher untersuchten Kohlevorkommen (Frühmiozän bis Pliozän). Diese Tendenz korrespondiert mit den anhand von palynologischen Datensätzen aus Kohleflözen Mitteldeutschlands gewonnen Informationen zu der Änderung in den Jahresmittelwerten der Temperatur und des Niederschlags im Verlauf des Tertiärs. Eine generelle Übereinstimmung besteht auch mit den an Baumstümpfen aus der Kohle der Niederrheinischen Bucht gemessenen Variationen der C-Isotopenzusammensetzung.