Ein Plädoyer für die schnelle Bildung von kalkhaltigen Konkretionen

von Michael J. Oard, übersetzt von Markus Blietz

Eine „Konkretion“ ist: „Eine harte, kompakte Substanz bzw. ein mineralisches Aggregat, in der Regel halbkugelförmig, jedoch meistens abgeplattet, in Form einer Scheibe oder auch irregulär, mit eigenartigen oder fantastischen Konturen; gebildet durch Abscheidung aus wässriger Lösung um einen Kern oder ein Zentrum herum, wie z.B. ein Blatt, eine Schale, einen Knochen oder ein Fossil, in Poren von sedimentärem oder bruchstückförmigem vulkanischem Gestein, und im Allgemeinen von einer Zusammensetzung, die sich stark von dem Gestein unterscheidet, in der man es findet, und von dem es ziemlich scharf getrennt ist.“¹ Manchmal weisen Konkretionen Risse aufgrund von Schrumpfungen auf [sog. Schwindrisse; Anm. d. Übers.], die mit anderen chemischen Verbindungen gefüllt sind, wie z.B. Kalzit.² Konkretionen kommen isoliert im Sedimentgestein vor und stellen normalerweise nur einen geringen Bruchteil des gesamten umgebenden Gesteins oder der zementierenden Chemikalien dar. Sie haben eine Größe von kleinen Pellets [d.h. einen Durchmesser von einigen Zentimetern; Anm. d. Übers.] bis hin zu 3 Metern Durchmesser oder mehr.

Man geht davon aus, dass sich Konkretionen während der Diagenese und kurz nach der Sedimentablagerung gebildet haben. „Diagenese“ bezieht sich auf: „Alle chemischen, physikalischen und biologischen Veränderungen, die ein Sediment nach seiner anfänglichen Ablagerung und während und nach seiner Lithifizierung [d.h. seiner Umwandlung in Festgestein; Anm. d. Übers.] durchlaufen hat, mit Ausnahme von Oberflächenveränderungen (Verwitterung) und Metamorphose [d.h. die spezielle Umwandlung unter gesteigerter Temperatur und/oder gesteigertem Druck; Anm. d. Übers.]“.³ Die Diagenese umfasst die Diffusion [d.h. den Ausgleich von Konzentrationsunterschieden; Anm. d. Übers.] und schnelle Ablagerungsreaktionen mit organischen Molekülen und anderen Bestandteilen des in den Poren befindlichen Wassers. Allerdings gibt es auch noch unbeantwortete Fragen zur Entstehung von Konkretionen.⁴

Konkretionen sind in Sedimentgesteinen auf der ganzen Welt recht häufig, insbesondere in feinkörnigem Meeresgestein. Oft werden Fossilien in der Mitte der Konkretionen gefunden. Manchmal werden sie für Dinosauriereier, Fossilien, menschliche Artefakte oder gar außerirdische Objekte gehalten. Abbildung 1 zeigt mehrere kanonenkugelförmige Konkretionen in einem Sandstein aus der Nähe von Winnett im Osten von Montana, USA. Abbildung 2 ist ein Querschnitt durch eine dieser Konkretionen, und verdeutlicht die kugelförmige Ablagerung.

Da Konkretionen härter sind als das umgebende Sedimentgestein, können sie verwittern oder erodieren und sich am Boden sammeln. In diesem Zustand hat man ihnen verschiedene Namen gegeben, wie z.B. die Moeraki Boulders entlang der Küste der Südinsel Neuseelands, die Kouto Bolders entlang der Küste der Nordinsel Neuseelands, die Moqui Marbles, die aus dem Navajo-Sandstein im Südosten Utahs erodiert sind, und die Coin Stones oder die Curling Stones aus der Lias-Formation in Dorset, England.

Obwohl heute nicht beobachtbar, sollen sich Konkretionen langsam bilden

Konkretionen bilden sich nicht in modernen Sedimenten, was – neben vielen anderen Phänomenen – dem Unformitarismus widerspricht:

“Eines der großen Rätsel der frühen Diagenese ist, dass – obwohl Konkretionen in Gesteinen sehr häufig vorkommen und als wichtige Produkte der frühen Diagenese betrachtet werden – in modernen Sedimenten keine Konkretionen beobachtet wurden, die denen in Gesteinen ähneln (Raiswell und Fisher, 2000). In der Tat bezeichnen Colman und Raiswell (1993) diese Diskrepanz als eine der grundlegenden Herausforderungen des Uniformitarismus.”⁵

Die Bildungsrate von Konkretionen ist ebenfalls nicht bekannt, aber wie fast jeder Aspekt der Geologie ging man von einem langsamen Prozess aus. Solche behaupteten „langsamen Prozesse“ sind einfach ein Resultat aus dem Glauben an den Uniformitarismus und an Jahrmillionen und Jahrmilliarden währende geologische Zeitalter. Man geht davon aus, dass die Konkretionen durch sehr langsame Zufuhr von Wasser während der Zementierungsphase verursacht werden,^2,4 die man ebenfalls für einen langwierigen Prozess hält. Bei Konkretionen, die hauptsächlich aus Kalzit bestehen, ist es jedoch schwierig, die steilen chemischen Gradienten des Kalzits an den Rändern der Konkretionen, die nahezu konstante Kalzitkonzentration innerhalb der Konkretionen und die konstante Porosität innerhalb der Konkretionen in dünnen Sedimentschichten zu erklären.⁶

Konkretionen bilden sich mindestens 1.000 bis 10.000 Mal schneller als früher gedacht

Yoshida und Mitarbeiter schätzten die Bildungsrate kalkhaltiger Konkretionen in feinkörnigem Sedimentgestein ab.⁶ Sie stellten zunächst fest, dass am Rand der Konkretionen ein Konzentrationsgradient von CaCO₃ (Kalziumkarbonat) vorhanden ist. Sie vermuteten, dass die Konkretionen während der frühen Phase der Diagenese, kurz nachdem sich das Sediment angesammelt hatte, gewachsen sein mussten. Aufgrund überall vorhandener sich zersetzender organischer Substanzen bildeten sich im Inneren der Konkretionen bzw. in ihren Zentren HCO₃^–-Ionen, die zum Rand der Konkretionen hin diffundierten. Der organische Ursprung des Kohlenstoffs in HCO₃^– wird unterstrichen durch die geringen prozentualen Anteile von Kohlenstoff-Isotopen, die man innerhalb der Konkretionen findet. Gleichzeitig diffundierte Ca aus der Umgebung in Richtung der organischen Substanz im Zentrum der Konkretionen. Dadurch bildete sich eine wachsende CaCO₃^– Front, die von innen nach außen wuchs. Die Breite dieser Front ist dabei proportional zum Durchmesser der wachsenden Konkretion.

Um die Wachstumsrate zu ermitteln, verwendeten die Forscher den Diffusionskoeffizienten im Boom Clay Westeuropas, der etwa 10^–6 cm²/s beträgt. Daraus ermittelten sie eine Wachstumsrate, die um mehr als 3–4 Größenordnungen (das 1.000- bis 10.000-fache) höher ist als ursprünglich angenommen. Es ergab sich eine Wachstumsrate von etwa 0,5 bis 50 cm/Jahr.

Konsequenzen für die Sintflutgeologie

Die Boom Clay Formation ist halbverfestigt; die Diffusion ist daher noch schneller, wenn die Sedimente unverfestigt sind. Der Diffusionskoeffizient unverfestigter Feinsedimente liegt daher eher bei 10^–5 cm²/s , ist also noch etwa zehnmal schneller.⁶ Daher hätte das Wachstum während der frühen Diagenese – noch bevor signifikante Verdichtung und Zementierung stattfand – wesentlich schneller sein können. Basierend auf Abbildung 5 von Yoshida und Mitarbeitern hätte die Wachstumsrate zwischen 5 und 500 cm/Jahr liegen können.⁷

Solche Zahlen passen gut in ein Sintflutszenario, wo sich die Sedimente während der Überschwemmungsphase der Flut schnell ansammelten.⁸ Es war genügend Zeit, um während der Überschwemmungs- und der Rückzugsphase, und möglicherweise auch kurz danach, Konkretionen zu bilden. Da Konkretionen von variabler Zusammensetzung und innerer Struktur sind, könnten darüber hinaus auch noch andere Sintflutmechanismen für ihre Bildung verantwortlich sein.

Überall auf der Erde zu findende Kalkkonkretionen weisen darauf hin, dass sich in den Sintflutsedimenten viel gelöstes Kalzit befand. Kalzit ist eines der wichtigsten Zementierungsmittel für Sedimentgesteine, und die Bildung kalkhaltiger Konkretionen deutet auf aktiv fließendes, kalzitreiches Wasser in den Poren des Sediments hin. Daher konnten die während der Überflutungsphase abgelagerten Sedimente leicht und schnell durch Kalzitzement verfestigt werden, wobei es natürlich auch noch andere mögliche Zementierungsstoffe gibt.