Von Kristallen zum Klima: Erste genaue Datieren des Columbia Flutbasaltausbruchs

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Stellen Sie sich einen riesigen Vulkan vor, der im pazifischen Nordwesten ausbricht und dessen Lava Washington, Oregon und Idaho bedeckt. Stellen Sie sich vor, wie die Lava solange fließt, bis sich Flusstäler füllen. Bis die Büsche und Sträucher in flüssigem Gestein begraben sind. Bis die höchsten Bäume vollständig bedeckt sind. Vor etwa 16 Millionen Jahren ist genau das passiert. Forscher der Princeton University haben dies Ereignis nun zum ersten Mal genau datieren können. 

Lava brach impulsartig aus und begrub die Region schließlich bis auf die Höhe eines 30-stöckigen Gebäudes. Wenn sich die Lava gleichmäßig über die unteren 48 Staaten ausgebreitet hätte, statt konzentriert im Nordwesten zu bleiben, hätte sie das Land mit einer etwa 24 Meter dicken Schicht bedeckt.

Bislang glaubten die meisten Geologen, dass es fast 2 Millionen Jahre gedauert hat, bis diese Menge an Lava eruptiert ist, die heute als “Columbia River Flutbasalte” bekannt sind. Princeton-Forscher veröffentlichen jetzt Ergebnisse, die zeigen, dass es mehr als doppelt so schnell passiert ist, wie bisher angenommen, wobei 95 Prozent innerhalb eines 750.000-Jahres-Fensters ausgebrochen sind.

Flutbasalte faszinieren Geologen seit Jahrhunderten. Als die größten vulkanischen Ereignisse auf der Erde sind sie in Massensterben involviert, wie zum Beispiel bei dem größten Aussterbeereignis in der Erdgeschichte vor 252 Millionen Jahren. Vor 16 Millionen Jahren gab es kein Massensterben, aber ein großes Klimaereignis, das als “Klimaoptimum des Mittelmiozän” (MMCO) bekannt ist, ein Ereignis der globalen Erwärmung mit hohen Temperaturen und erhöhtem Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre.

Wenn Vulkane ausbrechen, stoßen sie nicht nur flüssiges Gestein aus, sondern auch Treibhausgase, daher haben sich Geologen gefragt, ob es eine Verbindung zwischen den Flutbasalten und dem MMCO-Ereignis der globalen Erwärmung gibt. Es gibt nur ein Problem: Bis jetzt war sich niemand sicher, wann es zum Ausbruch der Columbia River Flutbasalte kam.

“Um die Frage zu beantworten, ob die Columbia River Flutbasalte das MMCO verursacht haben, müssen wir die Zeitpunkte von Eruptionen und Klimaschwankungen so präzise wie möglich kennen”, sagte Blair Schoene, Professor für Geowissenschaften.

“Um es einfach auszudrücken: Die Wissenschaftler wussten nicht genau wann oder wie lange die Columbia River Flutbasalte ausgebrochen sind, was es schwierig machte, eine kausale Beziehung zu dem MMCO zu erforschen”, sagte Jennifer Kasbohm, eine Doktorandin und Hauptautorin der Veröffentlichung erscheint nun in der Zeitschrift Science Advances.

Um das Ausmaß der Eruptionen zu erklären, zeichnete Kasbohm eine Parallele zur Eruption des Eyjafjallajökull 2010 in Island. “Durch den isländischen Vulkanausbruch wurden eine Woche lang Flughäfen in Europa geschlossen, wovon 10 Millionen Reisende betroffen waren und im folgenden Monat kam es zu periodischen Störungen der Fluglinie”, sagte sie. “Stellen Sie sich vor, Sie hätten 750.000 Jahre lang alle 8 Monate so einen isländischen Vulkanausbruch. Dies würde Ihnen ein Bild geben für die von uns vorhergesagte Eruptionsrate für die Columbia River Flutbasalte geben.”

Drei Studenten begleiteten Kasbohm und Schoene im Labor und auf dem Feld und trugen zu ihrer Forschung bei, indem sie eigene Projekte fertigstellten. “Das Projekt umfasste sieben Wochen Feldforschung mit vielen Tagen über 37 Grad”, sagte Kasbohm. “Wir sind auf eine Handvoll Klapperschlangen und zahlreichen Spinnen gestoßen und haben es geschafft, den Waldbränden in der Region immer einen Schritt voraus zu sein.”

Sie suchten nach Zirkonen, winzigen Mineralien, die Spuren von Uran enthalten. Im Laufe der Zeit zerfällt das natürlich radioaktive Material in Blei, sodass Geologen das Verhältnis von Uran zu Blei verwenden können, um genau zu berechnen, wie alt der Zirkon ist. Leider haben basaltische Lavaströme wie die Columbia River Flutbasalte nicht die richtige Chemie, um Zirkone herzustellen. Daher mussten sich Geologen mit Daten mit Unsicherheiten von über einer Million Jahren begnügen, die durch andere Datierungsmethoden erzeugt wurden.

“Um einen kausalen Zusammenhang zwischen Klima und Eruptionen zu untersuchen, ist eine Unsicherheit von einer Million Jahre nicht präzise genug”, sagte Schoene.

Die Forscher erkannten den Mangel an Zirkonen in den Lavafelsen, indem sie Schichten von Vulkanasche zwischen den Basaltschichten beobachteten. Die Asche kam von den nahe gelegenen Kaskadenvulkanen (einschließlich Mount Saint Helens), die Zirkon enthalten und etwa zur gleichen Zeit ausbrachen wie die Laven der Flutbasalte.

In ihrem Labor in Princeton trennten Kasbohm und Schoene 0,1 mm große Zirkone von den 16 Millionen Jahre alten Gesteinen, maßen die Isotopenverhältnisse von Uran und Blei und bestimmten das Alter einzelner Lavaströme auf einige Zehntausend von Jahren. “Diese Präzision ist im Grunde die beste, die man mit einem Chronometer für Proben dieses Alters machen kann – obwohl 10.000 Jahre nach viel klingen – unsere Methode ist der Goldstandard”, sagte sie.

“Dies ist die bedeutendste Veröffentlichung, die in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten über die Columbia Flutbasalte herauskommen wird”, sagte Stephen Reidel, ein Forschungsprofessor für Geologie an der Washington State University-Tri-Cities, der diese Lavaströme seit 1972 untersucht hat und zur Analyse beigetragen hat. “Jenn und Blair verdienen eine Menge Komplimente dafür, dass sie daran gedacht haben, die Zirkone in den Aschebetten zwischen den Basaltschichten zu betrachten… Natürlich müssen wir jetzt zurückgehen und alles neu berechnen, wo die alten Werte oder Eruptionsraten verwendet wurden. Das ist in Ordnung – das ist Teil des Spaßes.”

Kasbohm und Schoene haben nun mit ihrer präziseren Datierung gezeigt, dass der prähistorische Klimawandel kurz vor dem Beginn der Eruptionen begonnen hat, aber es bedarf weiterer Arbeiten, um die Verbindung zwischen ihnen herzustellen.

Dieser 16 Millionen Jahre alte Klimawandel ist das letzte Mal, dass die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre über 400 ppm angestiegen ist – bis zum letzten Jahrzehnt. 

“Das MMCO könnte eine Parallele zu unserem aktuellen Klima darstellen, und weitere Untersuchungen zum Zeitpunkt und zur Dauer dieses Ereignisses können uns mehr darüber berichten,  wie sich die Erde vom anthropogenen Klimawandel erholen wird”, sagte Kasbohm. Wenn zum Beispiel das Klima nach dem Ausbruch der Vulkane eine Million Jahre lang warm blieb, wie es jetzt möglich erscheint, könnte dies erhebliche Auswirkungen auf die Vorhersage haben, wie lange die Atmosphäre auf die vom Menschen verursachte globale Erwärmung reagieren wird.

“Die Zeit ist entscheidend”, sagte Kasbohm, “egal ob wir versuchen, etwas über die Vergangenheit oder über die Zukunft der Erde zu erfahren. Es ist sehr ermutigend, winzige Mineralien verwenden zu können, um die Geschichte dieser umfangreiche Gesteine zu erzählen.”


Veröffentlichung: Jennifer Kasbohm, Blair Schoene. Rapid eruption of the Columbia River flood basalt and correlation with the mid-Miocene climate optimumScience Advances, 2018; 4 (9): eaat8223 DOI: 10.1126/sciadv.aat8223#

Quelle: off. Pm der Princeton University

Titelbildunterschrift: Der Palouse Falls State Park in Washington präsentiert einen hervorragenden Einblick der Lavaströme des Wanapum Basalts, der zweitjüngsten Formation der Columbia River Flutbasalte. (Bild: Jennifer Kasbohm, Princeton University Department of Geosciences)


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.