Korallenriffe und Tropfsteine in Höhlen sind wichtige Klimaarchive. Denn die Zusammensetzung des Kalks, aus dem sie aufgebaut sind, kann verraten, welche Temperaturen zum Zeitpunkt ihrer Entstehung auf der Erdoberfläche herrschten. Ein internationales Team von Geowissenschaftlern unter Federführung der Goethe-Universität Frankfurt hat jetzt ein neu entwickeltes Verfahren zur Kalk-Analyse an einer Reihe von Klimaarchiven getestet und dabei den Einfluss verschiedener chemischer Reaktionswege in der Kalkentstehung sichtbar gemacht. Das neue Verfahren erlaubt es, vergangene Erdoberflächen-Temperaturen zuverlässiger zu bestimmen und die Entstehungsprozesse von Kalkskeletten heute existierender sowie ausgestorbener Arten zu untersuchen.

Korallen bilden ihre Skelette aus im Wasser gelösten Kalzium und Karbonat, die sie zu Kalk (chemisch: Kalziumkarbonat) ausfällen. Aus diesem Kalziumkarbonat entstehen – Schicht für Schicht – in Jahrtausenden große Korallenriffe. Abhängig von der Temperatur bevorzugen Korallen dabei Karbonatgruppen mit bestimmten Varianten des Sauerstoffs (chemisches Symbol: O). So entsteht bei niedrigeren Wassertemperaturen vermehrt Kalziumkarbonat, das einen höheren Anteil einer schweren Sauerstoff-Variante enthält, des so genannten Isotops 18O.

Leider beeinflusst auch der 18O-Gehalt des Meerwassers die Mengen an 18O im Kalziumkarbonat – und dieser Einfluss lässt sich bei der Bestimmung der Temperatur vergangener Zeiten nicht mehr rekonstruieren.

Ein großer Fortschritt bestand in der Entdeckung, dass die Isotopenzusammensetzung einer Kalkschicht unabhängig von der Zusammensetzung des Wassers Rückschlüsse auf die Temperatur zulässt, wenn man die Häufigkeit einer bestimmten, sehr seltenen Karbonatgruppe misst. Diese Karbonatgruppe enthält zwei schwere Isotope, ein schweres Kohlenstoff-Isotop (13C) und ein schweres Sauerstoff-Isotop (18O). Fachleute sprechen von „gruppierten“ Isotopen („Clumped Isotopes“). Bei geringeren Umgebungstemperaturen werden Karbonatgruppen mit „Clumped Isotopes“ etwas häufiger gebildet.

Doch auch mit dieser Methode gab es noch ein Problem: Der Prozess der Kalkentstehung, der so genannte Mineralisationsprozess, kann über unterschiedliche Reaktionsmechanismen mit verschiedenen Reaktionsgeschwindigkeiten verlaufen, die ihrerseits ebenfalls Einfluss auf den Einbau schwerer Isotope in das Kalziumkarbonat nehmen (kinetische Effekte). Die Reaktionsmechanismen können sich zwischen Karbonaten verschiedenen Ursprungs unterscheiden, und die dazugehörigen Geschwindigkeiten selbst innerhalb eines Organismus variieren. Entsprechend können die mit dieser Methode ermittelten Temperaturen mit erheblichen Ungenauigkeiten behaftet sein. Dies gilt insbesondere für Klimaarchive wie Korallen und Tropfsteine.

Zur Lösung dieses Problems hat die Arbeitsgruppe von Prof. Jens Fiebig am Institut für Geowissenschaften der Goethe-Universität ein hochsensibles Verfahren entwickelt, mit dem zusätzlich zu der 13C-18O-haltigen Karbonatgruppe die Häufigkeit einer weiteren, noch selteneren Karbonatgruppe hoch präzise bestimmt werden kann. Diese Gruppe enthält ebenfalls zwei schwere Isotope, nämlich zwei schwere Sauerstoffisotope (18O).

Trägt man die theoretisch zu erwartenden Häufigkeiten dieser beiden seltenen Karbonatgruppen in einem Diagramm gegeneinander auf, lässt sich der zu erwartende Einfluss der Temperatur als Gerade darstellen. Wenn nun die tatsächlich gemessenen Häufigkeiten der beiden schweren Karbonatgruppen einen Punkt abseits der Geraden ergeben, ist dies auf den Einfluss des Mineralisationsprozesses zurückzuführen.

Fiebigs Doktorand David Bajnai hatte diese Verfahren erstmals auf verschiedene Klimaarchive angewendet und unter anderem verschiedene Korallenarten, Tropfsteine und das fossile Skelett eines Kalmar-ähnlichen Kopffüßlers (Belemnit) untersucht.

Dr. David Bajnai, heute Postdoc an der Universität zu Köln, erklärt: „Wir konnten zeigen, dass die Reaktionsmechanismen der Mineralisation zusätzlich zur Temperatur einen großen Einfluss auf die Zusammensetzung vieler untersuchter Karbonate haben. Für Tropfsteine und Korallen bestätigen die gemessenen Abweichungen Modellrechnungen zu den jeweiligen Mineralisationsprozessen, die unser Kooperationspartner Dr. Weifu Guo in der Woods Hole Oceanographic Institution in den USA durchgeführt hat. Das neue Verfahren ermöglicht es erstmals, den Einfluss der Mineralisation quantitativ zu erfassen. Bestenfalls kann man diesen Einfluss auf eine einfache Weise aus den gemessenen Werten herausrechnen und somit die genaue Temperatur bei der Kalkbildung unabhängig von dem verzerrenden Einfluss des Mineralisationsprozesses bestimmen.“

Prof. Jens Fiebig sieht in der Methode ein großes Zukunftspotenzial: „Wir wollen unser neues Verfahren weiter validieren und durch Vermessung moderner Proben Klimaarchive identifizieren, die besonders geeignet sind für eine genaue und hochpräzise Rekonstruktion vergangener Erdoberflächen-Temperaturen. Außerdem möchten wir das Verfahren nutzen um zu bestimmen, welche Effekte die Ozeanversauerung durch den vermehrten CO2-Eintrag auf die Mineralisation etwa bei Korallen hat. Eventuell erlaubt das neue Verfahren sogar, den pH-Wert vergangener Ozeane abzuschätzen.“ Wenn dies alles gelingt, ließe sich die Rekonstruktion ehemaliger Umweltbedingungen deutlich verbessern.

Publikation: David Bajnai, Weifu Guo, Christoph Spötl, Tyler B. Coplen, Katharina Methner, Niklas Löffler, Emilija Krsnik, Eberhard Gischler, Maximilian Hansen, Daniela Henkel, Gregory D Price, Jacek Raddatz, Denis Scholz, Jens Fiebig: Dual clumped isotope thermometry resolves kinetic biases in carbonate formation temperatures, Nature Communications, DOI 10.1038/s41467-020-17501-0, http://www.nature.com/ncomms