Der Beginn von pelagischen Kalzifikation und sein Einfluss auf die Meerwasser-Chemie

Die Auswirkungen des Klimawandels auf das marine Ökosystem und die möglichen Rückkopplungsmechanismen, positiv oder negativ, auf klimarelevante Prozesse sind eine der größten Unbekannten in unserem Verständnis des zukünftigen Klimawandels. Eine zentrale Frage ist, wie die Aufnahme von erhöhtem atmosphärischen CO2 in den Ozean das marine Ökosystem beeinflusst. Die Lösung des atmosphärischen CO2-Überschusses im Ozean senkt der pH-Wert und reduziert die CaCO3 Sättigung. Dieser Prozess wird ozeanische Versauerung genannt. Allerdings mischt die Bildung von kalkigen Skeletten in der ozeanischen Oberfläche und ihre Post-mortem Versenkung in die Tiefe die Alkalinität des Ozeans. Das führt zu einer Änderung der Kalzifizierungsrate, und diese wirkt sich auf den Luft / Meer CO2-Austausch und damit auch auf die CO2-Konzentration in der Atmosphäre aus. Coccolithophoriden, eine Gruppe einzelliges Phytoplankton, gelten als produktivste verkalkende Organismen auf der Erde und spielen somit eine wichtige Rolle im marinen Kohlenstoffkreislauf, als biologische Pumpe und Mischer der ozeanischen Alkalinität. Labor-und in situ Versuche zeigen, dass kalkbildende Organismen als Antwort auf die ozeanische Versauerung ihre Verkalkung sowohl verstärken als auch reduzieren können. Der geologische Rekord kann aktuelle Beobachtungsdaten durch Integration von längerfristigen evolutionären Reaktionen auf erhöhte pCO2 ergänzen. Ein wichtiger Punkt ist die Entstehung des verkalkenden Planktons im Ozean. Diese verschiebt die Hauptkarbonatproduktion aus dem Flachwasser in den offenen Ozean. Dieser Paradigmenwechsel in der Meerwasser-Chemie, von Modellen vorhergesagt, wird "Mitte-Mesozoikum Meerwasser Revolution" genannt. Neuere Studien haben diese wichtige Entwicklung in die Obertrias, genauer auf die Norium-Rhätium Grenze beschränkt. Zu dieser Zeit treten erstmals die Coccolitophoriden auf, und anderes kalkige Nannoplankton und die Korallenriffe erleben eine Blüte. Gleichzeitig findet ein wichtiges Aussterben unter den höheren nektonischen Organismen statt. Kurz danach, während des Trias-Massensterbens, starb das kalkige Nannoplankton fast aus, und es breitet sich im Unterjura wieder aus. In dieser kurzen Zeitspanne können wir zweimal den Effekt der Entstehung des verkalkten Planktons und die Wirkung seines Verschwindens auf die Meerwasser Chemie beobachten. Dieses Projekt hat das Ziel, den Zeitpunkt der Entstehung des kalkigen Nannoplanktons und dessen Einfluss auf die Meerwasser-Chemie besser zu verstehen. Dafür ist eine multidisziplinäre und multi- Proxy Studie entwickelt worden. Das Projekt verbindet paläontologische Studien über das kalkige Nannoplankton, Geochemie auf traditionellen (Ccarb, Corg) und nicht-traditionellen Isotopensystemen (Ca, Mg, Sr) und Klimamodellierung. Um die Paläo-Breite und bathymetrische Wirkung auf diese Isotopensysteme besser zu verstehen, werden zwei flach-zu-tief Transekt in der Tethys, in den Nördlichen Kalkalpen Österreichs (20N Paläo-Breite) und im Oman analysiert (20S Paläo-Breite), sowie Profilen aus der Paläo-Äquator (Turkey). Endziel des Projektes ist es, die Wirkung von der Entstehung der modernen biologischen Pumpe auf den atmosphärischen pCO2 besser zu verstehen und damit eine bessere Abschätzung der Auswirkungen des kalkigen Planktons auf das Klima vornehmen zu können.

Kalkiges Nannoplankton ist heute die wichtigste Gruppe kalkproduzierender Organismen mit einem enormen Einfluss auf das Klima und die Meerwasserchemie. Vorhersehbare Veränderungen in ihrer Kalzifizierungsrate aufgrund des anthropogenen Klimawandels werden den CO2-Austausch zwischen Luft und Meer direkt beeinflussen. Das Ziel dieser Studie war es, die Hypothese zu testen, dass die Entwicklung des kalkigen Nannoplanktons bereits in einem frühen Stadium seiner Evolution (Spät-Trias) einen signifikanten Einfluss auf die Meerwasserchemie hatte. Dies ist von hohem Interesse für das Verständnis der Auswirkung von steigendem anthropogenem CO2 auf das kalkbildende Nannoplankton und auf die Ozeanversauerung und wird die Modelle der vergangenen Ozeane besser einschränken. Dafür hat dieses Projekt mengenmäßige Vorkommen kalkiger Nannofossilien in österreichischen Profilen in der Späten Trias untersucht. Parallel zu den mikropaläontologischen Untersuchungen wurden Haupt-, Neben- und Spurenelementmessungen (zB. Hg Konzentration), Isotopenmessungen (Strontium, Kalzium, Karbon, Sauerstoff) und mineralogische Bestimmungen durchgeführt. Die geochemischen Analysen deckten den Zeitraum vom Norium bis zum Hettangium (~218-199 Millionen Jahre (Ma)) in Aufschlüssen in Österreich, in der Türkei und in Oman ab, um ein globales Signal zu erreichen. Zwischen der Häufigkeit der kalkigen Nannofossilien und der Isotopenzusammensetzung konnte keine Korrelation beobachtet werden. Aufgrund dieses fehlenden Zusammenhangs konnte die ursprüngliche Hypothese dieser Studie falsifiziert werden, weil die Bedeutung des kalkigen Nannoplanktons für globale geochemische Zyklen in der Späten Trias von geringer Bedeutung war. Die mikropaläontologischen Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes haben die Erkenntnisse über die frühe Evolution von kalkigen Nannofossilien erheblich verbessert, und das Vorkommen der ältesten Coccolithen konnte ins mittlere Norium (ungefähr vor 215 Ma) datiert werden. Die Beobachtungen deuten auf eine eher langsame Evolution der ersten Coccolithophoriden hin. Die Isotopen-Proxies zeigten wichtige paläoökologische Veränderungen. Isotopenuntersuchungen von Strontium und Kalzium wiesen auf den möglichen Einfluss von mächtigen Karbonat- und Evaporitlösungen auf die chemische Zusammensetzung des Meerwassers hin. Diese Lösungen sind auf den starken Meeresspiegelsabfall an der Norium-Rhaetium Grenze (~208 Ma) zurückzuführen. Die längerfristigen Strontium und Karbon Isotopentrends stimmen mit dem beginnenden Zerfall des Superkontinents Pangaea überein (~204-201 Ma). Die Bildung der Zentralatlantischen Magmatischen Provinz (~201 Ma), eine der größten magmatischen Provinzen der Erdgeschichte, prägte alle untersuchten Isotopensysteme am Ende der Trias. In dem untersuchten Zeitraum vor der Bildung der Zentralatlantischen Magmatischen Provinz wurden keine Hinweise auf ein weiteres signifikantes vulkanisches Ereignis gefunden.