Rezente und subfossile Mikrobialithe westaustralischer Salzseen

Abstract

Die Erforschung von Verkalkungsprozessen an organischen Matrizen und Biofilmen ist seit Jahren im Fokus karbonatsedimentologischer und biogeochemischer Untersuchungen. Cyanobakterien-reichen Biofilmen werden dabei Schlüsselfunktionen zugeschrieben. Die Bildungsmechanismen und der Umfang von cyanobakterieller Beteiligung an mineralisierenden und gefügebildenden Prozessen, besonders im fossilen Bericht, beruhen vielfach nur auf Vermutungen, sind oftmals umstritten und werden kontrovers diskutiert. Untersuchungen an rezenten Mikrobialithen können zum besseren Verständnis der Bildungsprozesse und zur Rekonstruktion der Umweltbedingungen fossiler Mikrobialithe beitragen. So können eventuell Umweltbedingungen und Modelle über die an der Gesteinsbildung beteiligten Organismen innerhalb der verkalkenden Biofilme in den fossilen Bericht übertragen werden. Aktives Mikrobialith-Wachstum ist für wenige marine, aber für zahlreiche lakustrine Fallbeispiele belegt worden. Bekannte Vorkommen heutiger lakustriner Mikrobialithe sind unter anderem von den westaustralischen Salzseen beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wurden Stromatolith- und Thrombolith-Typen der westaustralischen Salzseen Lake Thetis und Lake Clifton sowie deren rezente Biofilme untersucht. Weitere westaustralische Seen und die marin-geprägte Shark Bay wurden zum Vergleich herangezogen. Das hydrochemische Milieu aller fünf Salzseen und der Shark Bay wurde charakterisiert. Es zeigte sich, dass alle Seen eine Na-Cl-Dominanz aufweisen. Die evaporativ geprägten Seen entsprechen in den Ionenverhältnissen dem Meerwasser, enthalten jedoch weniger Kalzium. Die Ca2+-Konzentrationen in den Seen Lake Thetis und Lake Clifton hängen zum einen mit Wechselwirkungen mit sublakustrinem Grundwasser, zum anderen mit subfossiler wie auch rezenter Karbonatfällung zusammen. Zur Charakterisierung der fossilen bis subfossilen Mikrobialithe wurde deren fossile Cyanobakterien-Vergesellschaftung und die geochemische Zusammensetzung (δ13C und δ18O, Haupt- und Spurenelemente, Kohlenstoff und Stickstoff, Biomarker) ermittelt. Die mikrobiellen Karbonate des Lake Thetis enthalten neben mikrokristallinem, klumpigem Aragonit, terrigenen Komponenten und Organomikrit"-Krusten sehr gut erhaltene Cyanobakterien (Phormidium sp., Scytonema sp., Entophysalis sp.). In jüngeren Stromatolithen des Lake Thetis sind Letztere in Form von Lamellen in Wechsellagerung überliefert. Stromatolith-Typen älterer Bioherme zeichnen sich durch geringere Anteile an Cyanobakterien und erhöhten terrigenen Eintrag aus. Eine amorphe Magnesium-Silizium-Phase ist in den subfossilen Stromatolithen des Lake Thetis in Form silifizierter Mikrofossilien (Scytonema-Scheiden) als unregelmäßige Lagen zwischen einschlussreichem Aragonit und feinlaminiertem Organomikrit" und als Rissfüllungen vertreten. Das Mg/Si-Molverhältnis der amorphen Phase beträgt 1 : 1,1. Rezente Biofilm-Karbonat-Oberflächen enthalten keine Mg-Si-Phase. Die Bildung der Mg-Si-Phase in den fossilen Stromatolithen lässt sich eventuell auf geänderte Umweltbedingungen zurückführen. Die subfossilen Thrombolithe des Lake Clifton wurden unter Beteiligung von Scytonema sp. gebildet. Rezent ist neben den Diatomeen vor allem Phormidium sp. in den Biofilmen dominierend. Eine amorphe Mg-Si-Phase (Mg/Si-Molverhältnis von 1 : 1,66) stabilisiert die subfossilen Thrombolithe. Sie ist aus früheren Arbeiten nicht bekannt und spiegelt Entwicklungen des Sees wider (Zunahme der Eutrophierung und der Salinität, Stagnation des Thrombolith-Wachstums), die erst nach 1993 einsetzten. Daten der stabilen C- und O-Isotope aus fossilen bis subfossilen Mikrobialith-Proben aller Seen ergeben keine für evaporative Systeme typische positive Kovarianz. Schwankungen innerhalb eines Lake Thetis-Stromatoliths mit ausgeprägter Wechsellagerung von Entophysalis"- und Scytonema-Phormidium"-Lamellen gehen nicht unmittelbar auf jahreszeitliche Schwankungen zurück. Die zum Teil negativen Kovarianzen gehen vermutlich auf eine Kombination von Evaporation, Überschichtung meteorischer Wässer und Schwankungen der Primärproduktion zurück. Die Biomarker-Analysen der subfossilen Lake Thetis-Stromatolithe zeigen Diatomeen und Cyanobakterien als Primärproduzenten organischen Materials an. Das Schwefelpurpurbakterien-reiche Seebeckensediment des Lake Thetis liefert als Hauptkomponente Vaccensäure, welche ebenfalls in den subfossilen Stromatolithen des Seerands enthalten ist. Vaccensäure konnte erstmalig sowohl in einem durch Mikrobialith-Wachstum dominierten lakustrinen Milieu als auch in subfossilen Stromatolithen nachgewiesen werden. Diatomeen dominieren jahreszeitenunabhängig die Flora des Seewasserkörpers und die Oberflächen der Bioherme, sowohl im Lake Thetis als auch im Lake Clifton. Rezente Verkalkungsprozesse in Lake Thetis laufen während der Regenzeit an Scytonema-besiedelten Oberflächen mit Kontakt zum Seewasser ab. Während der Trockenzeit sind die Präzipitationsfronten an die Grenzbereiche der Gloeocapsa-EPS gekoppelt. Gut definierte mikritische Cyanobakterien-Tuben, wie sie bei einer Photosynthese-gesteuerten Kalzifikation entstehen, kommen in den Seen nicht vor. Stattdessen finden im Lake Thetis Verkalkungen in Form mikrokristalliner, faseriger Aragonite an EPS-Randbereichen von Gloeocapsa-Kolonien, im Umfeld von Scytonema sp. und als zementierte Filamentspuren von Phormidium sp. statt. Im Fall des Lake Clifton sind Scytonema sp. und Phormidium sp. in Form von Filamentspuren im mikrokristallinen Aragonit erkennbar und am Aufbau der subfossilen Thrombolithe beteiligt. Eine amorphe Mg-Si-Phase stabilisiert die Thrombolithe und wird als bisher letzte Bildungsphase interpretiert. Um den Einfluss der Photosynthese auf eine Verschiebung des Karbonatgleichgewichtes abschätzen zu können, wurden Modellrechnungen (Programm PHREEQC) durchgeführt, welche einen photosynthetischen C-Entzug bei einem heutigen CO2-Partialdruck simulieren. Die Modellrechnungen zeigen, dass im Lake Clifton der Einfluss Photosynthese-gesteuerter CaCO3-Fällung im Seewasser vergleichsweise gering, in Mischwasserzonen allerdings höher ist. Das hier beobachtete Fehlen mikritischer Tuben geht auf die Pufferwirkung des Seewassers zurück, dessen zunehmende Eutrophierung vermutlich zu einer Dezimierung der Biofilmgemeinschaften (insbesondere Scytonema sp.) geführt hat. Im Fall des Lake Thetis gehen fehlende Cyanobakterien-Tuben vermutlich auf einen geringeren Ca2+-Eintrag und eine erhöhte pH-Pufferung zurück. Die Verkalkungen der Stromatolithe sind vermutlich auf Degradationsprozesse innerhalb der Biofilm-EPS zurückzuführen. Als fossiles Analogon der Mikrobialithe des Lake Thetis und des Lake Clifton können die Grünalgen-Stromatolith-Bioherme des miozänen Riessees angesehen werden. Insbesondere die sogenannten Sinterkrusten" dieser miozänen Bioherme (Nördlinger Ries, Süddeutschland) gleichen den Organomikrit"-Krusten des Lake Thetis. Zudem sind in jungen Ries-Ablagerungen Cyanobakterien gefunden worden, die morphologisch Scytonema sp. ähneln. Vom Riessee ist ein Wechsel vom Soda"-See über Playa-Stadien hin zu einem Aussüßungsstadium bekannt. Lake Thetis wird als rezentes Gegenstück für den oberen Teil der im Profil Hainsfarth" aufgeschlossenen Grünalgen-Stromatolith-Bioherme angesehen. Entsprechend ist für dieses Stadium des Riessees eine hydrochemische Zusammensetzung anzunehmen, welche der des heutigen Lake Thetis ähnlich war.