Präkambrium (4.600 bis 545 Ma)

Herkunft des Namens Paläogeographie global Paläogeographie Mitteleuropa Orogenese Klima Fossilien Typische Gesteinsserien

Der Name stammt von Vorkambrium.

Archaikum:

Vor etwa 4 Ga (Milliarden Jahre) bildete sich die erste überwiegend simatische feste Erdkruste mit einer Mächtigkeit von ~ 3km. Sie wurde durchströmt von granitischen und basaltischen Laven. Diese Flut anorogener Granite ist typisch für das Archaikum. Sie entstand durch Fraktionierungsvorgänge im oberen Mantel. Eine Bildung der ersten Protokontinente fand statt.

Die Erde war zu etwa 1/3 mit kontinentaler Kruste bedeckt. Es bestanden vermutlich mehr und kleinere Schollen als heute. Es gab einen höheren Wärmestrom und damit erhöhte Mantelkonvektion und verstärkte Krustenmobilität (Permobile Ära der Erdgeschichte). Die mafische Kruste wurde subduziert und es kam zur partiellen Anatexis felsischer Minerale, was zur Produktion felsischer Magmen führte.

Proterozoikum:

Schottland und Afrika lagen in hohen Paläobreiten. S-Norwegen, E-Grönland und SW-Australien zeigen äquatornahe Pollagen. Radiometrisch datierte Vereisungen fallen mit Orogenesen zusammen. Die Koinzidenz der Daten bei ~ 2.000 Ma, 1.100 Ma und 600 Ma kann für eine Kollision der Kontinente sprechen. Bei 1.100 Ma kam es zur Bildung eines mesoproterozoischen Superkontinents (Rodinia) und eines neoproterozoischen Superkontinents (Vendia) im jüngsten Proterozoikum bei ~ 600 Ma. Hinweise dafür sind:

• paläomagnetische Daten
• radiometrische Altersdaten
• tektonische Daten über Streichen und Fallen
• proterozoische Gebirge sind an heutigen Küsten abgeschnitten und müssen sich demnach irgendwohin fortgesetzt haben

Am Ende des Präkambriums gab es fünf Kratone:

• Laurentia (Nordamerika, Grönland, W-Norwegen, N-Schottland, NW-Irland)
• Fennosarmatia (Europa, Neuengland, SE-Neufundland)
• Sibiria (Sibirien)
• Cathaysia (= Sinia) (China, Korea, Vietnam, gesamte E-asiatische Inselwelt)
• Gondwana (S- und Mittelamerika, Afrika, Arabien, Madagaskar, Indien,Ceylon, Antarktis, Australien, Neuseeland, Neukaledonien, Neuguinea, Florida,S-Europa)

Sie waren am Ende des Präkambriums zum Großkontinent Gondwana vereinigt.

In Mitteleuropa ist heute keine zusammenhängende präkambrische Kristallinbasis erhalten. Reste einer solchen finden sich in der Bretagne und eventuell in der Böhmischen Masse (Moldanubikum). Jüngere präkambrische Sedimente findet man metamorph in den Sudeten, der Lausitz, im Erzgebirge, in Thüringen, im Schwarzwald, in den Vogesen, im französischen Zentralmassiv und in Spanien. In Schottland findet man 6000 m mächtige Rotsedimente des Jungproterozoikums. Vier archaische Schilde in Europa sind Anabar und Aldan (Sibirische Plattform), das Ukrainische Massiv (Russische Plattform) und der Baltische Schild (Skandinavien). Am Ende des Proterozoikums kam es zur cadomischen Faltung.

• 1000 Ma (spätarchaisch bis frühproterozoisch): prä-grenvillian (z.B. Belomoriden, Saamiden)
• 1100 bis 850 (mittelproterozoisch): grenvillian – dalslandian (Laurentia + Baltica (Fennoscandia)ergibt Protolaurasia)
• 650 bis 500 (spätproterozoisch bis frühkambrisch): cadomisch

Es kam am Ende des Präkambrium zur Kollision der Sibirischen mit der Russischen Plattform unter Bildung des Urals.

Das Klima im Präkambrium ist der Wissenschaft noch relativ unbekannt. Es ist aber sehr wahrscheinlich, dass es sehr warm und heiß gewesen sein muss. An den Polen gibt es zu dieser Zeit keine Spuren von Vereisung. In den Meeren gibt es schon einfaches Leben. Die Wassertemperaturen dürften bei 28 bis 30°C gelegen haben.

Die Ur-Atmosphäre war vorwiegend zusammengesetzt aus Wasserdampf, Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickstoff und Kohlendioxid, was man aus der Zusammensetzung der Gase heutiger Vulkanausbrüche ableitet. Freier Sauerstoff fehlte noch.

Archaikum:

Im Archaikum gab es eine sauerstofffreie Atmosphäre, da Sauerstoff sich erst mit Entwicklung des Lebens gebildet hat. Reaktionen in der Uratmosphäre (photochemische Dissoziation):

• Zerlegung von Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff:
  2H₂O + UV-Strahlung ergibt 2H₂ + O₂(H₂ entweicht ins All)
• Neu entstandenes O₂ reagiert mit Methan und bildet Kohlendioxid und Wasserdampf:
  2O₂ + CH₄ ergibt CO₂ + 2H₂O
• Sauerstoff reagiert auch mit Ammoniak unter Bildung von Stickstoff und Wasser:
  4NH₃ + 3O₂ ergibt 2N₂ + 6H₂O
• Sauerstoff reichert sich also zunächst nicht an, sondern geht neue Verbindungen ein.

Häufige Spuren von Vereisungen gibt es zwischen 1.000 und 600 Ma. In Afrika gab es mindestens fünf Vereisungsperioden. Atlantische Vereisungen zeigen bei 670 bis 550 Ma die Varanger-Eiszeit an. Zur Entstehung einer sauerstoffreichen Atmosphäre kam es wahrscheinlich bei ~ 2.000 Ma. Hinweise dafür sind:

• erste bekannte Paläo-Böden
• Häufung der Red Beds (oxidierende Verwitterung)
• Wahrscheinlich sprunghafter Anstieg der Bildungsrate von BIFs
• Keine Bildung von U-Au-Konglomeraten, die nur ohne Sauerstoff abgelagert werden können.

Im jüngeren Proterozoikum (1.900 Ma) wurde ein Sauerstoffgehalt von 1% des heutigen O₂-Gehaltes erreicht (Pasteur-Pegel). Dies ist die Vorraussetzung für den Übergang zur Sauerstoffatmung. Im Jungpräkambrium fand eine Klimadifferenzierung statt, die sich in der Ablagerung biogener Kalke widerspiegelt (Voraussetzung: warme Meere). Ab 1.900 Ma entstanden Stromatolithenkarbonate und Gesteine aus oxidativer Verwitterung (Red Beds).

Archaikum:

Die Entstehung des Lebens wird entweder auf eine Ursuppe oder auf Meteoriten (Panspermie) zurückgeführt. Im Präkambrium kam es zur Bildung erster komplexer organischer Verbindungen. Es handelte sich dabei um primitive Lebensformen ohne überlieferbare Hartteile.

• 3.800 Ma: Es gibt 3.800 Ma alte Gesteine von Isua, Grönland, die einzellige ?? Lebewesen zeigen.
• 3.560 Ma: Im Warrawoona Grünsteingürtel treten stromatolithartige Strukturen auf, die mit 3.560 Ma datiert wurden. Älteste bekannte Cyanophyceen aus SW-Australien. Sie enthalten Chlorophyll.
• 3.300 Ma: Erste procaryote (zellkernlose) Organismen traten vor ca. 3.300 – 3.000 Ma auf (z.B. Grönland und Rhodesien, Spuren von Blau-Grünalgen).

Reaktion der Photosynthese: 6CO₂ + 6H₂O + Licht ergibt 6O₂ + C₆H ₁₂O₆ (Traubenzucker)

Proterozoikum:

Die ältesten sicher bestimmten Eukaryonten aus N-China (N-Gelber Fluss) sind mehrere mm lange eukaryontische Algen, die auf 1.800 Ma datiert wurden. Zu diesen ältesten Eukaryonten zählen die Acritarchen (2 Ga Gunflint Formation, Kanada). Zwischen 670 und 550 Ma trat die Ediacara-Fauna auf (Ediacara Hills der Flinders Ranges in SW-Australien). Sie setzte sich zusammen aus:

• 67% Cnidaria
• 25% Annelida
• 5% Arthropoda
• 3% ungewisser Zuordnung

Sie besaßen keinen Kalk- oder Chitinpanzer. Gegen Ende der Epoche traten auch erste inarticulate hornschalige Brachiopoden auf.

Archaikum:

Archaische Gesteine treten oft in Alten Schilden (Kratone) auf. Diese findet man auf allen Kontinenten. Es gibt früh-präkambrische ultramafische Gesteine, deren Extrusionstemperaturen um 400°C höher lagen als heute. Bandered Ironstone Formation (BIF) konnte nur in schwach sauerstoffhaltiger Atmosphäre entstehen, da Eisen sonst komplett aufoxidiert. Das Eisen liegt in verschiedenen Oxidationsstufen vor und spricht für verschiedene Sauerstoffbedingungen in den entsprechenden Ablagerungsräumen.

• Archaische hochmetamorphe Gebiete: Die Archean high grade regions nehmen weite Flächen auf der Erde ein. Ihr Alter liegt bei 3.800 bis 2.500 Ma und sie bestehen hauptsächlich aus Gneisen und Migmatiten (Biotit-Plagioklas-Gneise und Migmatite aus Na-reichen Magmen, gegen Ende des Archaikum K-reiche Granite). Sie sind teilweise als ehemalige Sedimente zu erkennen, obwohl sie eine Hochtemperaturmetamorphose durchgemacht haben. Beispiel: Isua (Grönland)
• Mobile Zonen: Diese mobile belts sind präkambrische metamorphe Gürtel mit mittel- bis hochgradiger Metamorphose, Deformation und möglicher Aufarbeitung älterer Kruste. Beispiel: Limpopo Gürtel (südliches Afrika)
• Grünsteingürtel: Greenstone belts sind langgestreckte, gürtelartige oder irregulär geformte vulkanosedimentäre Becken in einer Umgebung aus Granit-Gneis-Arealen. Die vulkanischen Gesteine haben eine peridotitische und basaltische Zusammensetzung (ultramafisch bis mafisch); z.B. Barberton (Südafrika), Warrawoona (Westaustralien), Abitibi (Kanada). Charakteristisch sind Komatiite (MgO-reiche Basalte). Die Vulkanite der Grünsteinzone haben mafische bis ultramafische Zusammensetzungen und können sich auf ozeanischer Kruste gebildet haben (Reste der basaltischen Urkruste). Name wegen hohem Anteil an verwitterten basischen Gesteinen mit grünen Mineralen wie Olivin, Chlorit, Hornblende und Epidot. Im unteren Drittel der Abfolge eher basische Vulkanite (1650°C) gefolgt von basisch-intermediär-sauren Schmelzen (dazitisch bis rhyolitisch) und darüber Metasedimente (Kieselschiefer und Jaspilite, nach oben hin nehmen Grauwacken und Schiefer zu). Die Sedimente weisen Rippelmarken, Schrägschichtung und Gradierung auf, also wechselnde Ablagerung in aquatischen Becken. Meist nur schwache metamorphe Überprägung (Grünschieferfazies). Bildung der Grünsteingürtel hauptsächlich zwischen 2.700 und 2.800 Ma. Häufig kam es zur Bildung von Lagerstätten. Bei den Grünsteingürtel handelt es sich vermutlich um Reste ehemaligen Ozeanbodens.
• Aulakogene: Schmale, grabenartige, sedimentgefüllte Tröge in Kratonen. Durch Abschiebungen begrenzt.

Im Archaikum fehlen Karbonate und Ophiolithe völlig.

Übergang Archaikum/Proterozoikum:

Es gab keinen sprunghaften Übergang. Es traten weniger komatiitische Magmen und Greenstone Belts auf. Es kam zur Bildung flacher intermontaner Senken mit U-Au-Konglomeraten mit detritischem, gerundetem Pyrit und Uraninit (Uranpecherz = (U,Th)O₂ mit UO₃), die Sauerstoffarmut der Atmosphäre anzeigen. Beispiel: Witwatersrand (Südafrika).

Proterozoikum:

In der Zeit von 2,3 bis 1,8 Ga lag die Hauptentstehungsphase der BIFs (chemische Sedimente; Itabirite) an den Schelfbereichen. Es handelt sich dabei um eine Wechsellagerung von Eisenmineralen und sedimentären Kieselgesteinen (Cherts) oder Karbonaten (~50% SiO₂ oder Karbonat, 45% Fe₂O₃ und 5% Rest), die 15% der frühproterozoischen Sedimente ausmachen. Die Mächtigkeit der einzelnen Bänder liegt im mm- bis cm-Bereich (chemische Warven). Sie sprechen für einen ruhigen und stabilen Ablagerungsraum. Die Mächtigkeit beträgt 10 bis 50m. Die Quelle der Eisens und Art des Transports von Fe und Si sind umstritten, ebenso wie das Ablagerungsmilieu (Frisch-, Brack-, Salzwasser) und der Einfluss genetischer Prozesse. Beispiel: Hammersley (NW-Australien).

Im späteren Proterozoikum kam es zur Entstehung von Red Beds, Sandsteinen mit Hämatithäutchen um die Quarzkörner.

Literatur

Faupl,P. (2000): Historische Geologie.-UTB, Wilhelm Fink Verlag, 270 S.

Krömmelbein, K. (1991): Brinkmanns Abriss der Geologie, Historische Geologie.- Enke Verlag, 404 S.