Das Afar-Dreieck im Norden Äthiopiens ist eine der rauesten und abgelegensten Umgebungen der Erde. In diesem tektonisch aktiven Gebiet gibt es Aufzeichnungen über das Auseinanderbrechen von Kontinenten, die Überflutung des Kontinents durch Meere und die Überreste von Korallenriffen, mikrobiellen Matten und anderen Salzwasserablagerungen, als Meere in regelmäßigen Abständen zu Solebecken und trockenem Land austrockneten.
Vorangegangene Untersuchungen haben Hinweise darauf geliefert, dass diese Region der jüngste Ozean der Erde sein könnte. Das Verständnis der Sedimentaufzeichnungen in dieser Region könnte Hinweise auf künftige Überflutungen und Karbonatbildung in extremen Umgebungen liefern.
Im Oktober 2013 taten sich Wissenschaftler der Universität Addis Abeba (Äthiopien), der Universität Freiburg (Schweiz) und der Universität Gent (Belgien) zusammen, um mehr über die Geschichte der Danakil-Senke im nördlichen Teil des Afar-Dreiecks zu erfahren. Das Team untersuchte insbesondere Sedimente, darunter uralte Korallenriffterrassen und versteinerte mikrobielle Matten, die von Salzablagerungen (Evaporiten) bedeckt waren, die sich aus verdunstenden Ozeanen und Seen gebildet hatten. Seitdem hat das Team daran gearbeitet, diese Abfolge von Sedimentgesteinen und die vergangenen Umgebungen, die sie gebildet haben, zu untersuchen und zu verstehen.
Nach Kenntnis des Teams ist dies die erste erneute Untersuchung der Karbonatablagerungen von Nord-Afar seit fast einem halben Jahrhundert. Im Anschluss an diese Expedition wurde das Afar Carbonate Research Consortium als Plattform für die weitere Erforschung der Sedimente in der Region gegründet. Eine wichtige Folgeexpedition begann Ende Januar 2015.
Afar: Ein geologisches Labor
Die Danakil-Senke grenzt im Westen an das äthiopische Plateau und im Osten an den Danakil-Horst, einen erhöhten, von normalen Verwerfungen begrenzten Landblock. Im südlichen Teil der Senke liegt das berühmte Erta-Ale-Gebirge, das einen der einzigen Lavaseen der Welt enthält.
Die Depression umfasst das abgelegene Dallol-Becken, das mit 130 Metern unter dem Meeresspiegel eine der niedrigsten Erhebungen der Erde darstellt (siehe Abbildung 1). In diesem Becken herrschen das ganze Jahr über Temperaturen, die zu den heißesten der Welt gehören. Als Überbleibsel einer vulkanischen Caldera ist Dallol mit heißen Quellen übersät, aus denen Sole sprudelt, sowie mit Geysiren, Schwefelhügeln, Salzsäulen und Säurebecken.
In den 1960er und 1970er Jahren wurden durch den Kalibergbau und koordinierte Studien des Centre National de la Recherche Scientifique in Frankreich und des Consiglio Nazionale delle Ricerche in Italien die sedimentären Merkmale der Danakil-Senke vorläufig kartiert. Seitdem hat sich die geowissenschaftliche Forschung weitgehend auf Tektonik, Vulkanologie und Geophysik konzentriert und nicht auf analytische Studien des Beckens, die Tektonik und Sedimentation integrieren.
Dieser Schwerpunkt auf Erdbeben und Vulkanen ist nicht überraschend: Afar ist einer der wenigen Orte auf der Erde, an dem sich Rifting am Boden eines frühen Ozeans auf das Land schleicht. Seit den Anfängen der Theorie der Kontinentalverschiebung haben Geologen das Afar-Dreieck als Feldlabor genutzt, in dem der Beginn der Kontinentalverschiebung und möglicherweise auch der ozeanischen Verschiebung im Detail untersucht werden konnte.
Frühere Forschungen haben eine grobe Geschichte dieser Verschiebung zusammengestellt. Vor etwa 30 Millionen Jahren sickerte Lava aus Rissen in der Erde, bedeckte das Land und läutete den Bruch zwischen Arabien und Afrika ein. Nach einer anfänglichen Auflösungsphase bildete das fortgesetzte Rifting im Dreieck mehrere Becken, die sich später schlossen und mit Sedimenten gefüllt wurden.
Die Verwerfungen, Vulkane und Magmaströme im nördlichen Teil des Dreiecks verlaufen parallel zum regionalen tektonischen Trend des Roten Meeres. Sie weisen auch eine Reihe von magnetischen Anomalien auf, die denen ähneln, die entlang der ozeanischen Spreizungsränder beobachtet werden. Geowissenschaftler vermuten, dass die Region auf dem Weg ist, der jüngste Ozean der Erde zu werden.
Aufzeichnungen früher und episodischer Meeresüberflutungen
Die Analyse von Sedimentproben, die während der Feldstudie 2013 entnommen wurden, deutet darauf hin, dass das Dallol-Gebiet irgendwann in den letzten paar hunderttausend Jahren vom Roten Meer bedeckt war. Als das Meerwasser die Region wiederholt überflutete, wurden entlang der Ränder der Danakil-Senke verschiedene karbonatreiche Einheiten abgelagert, die das darunter liegende Vulkangestein überdeckten. Im Zentrum des Beckens befinden sich 1000 Meter dicke, aufeinanderfolgende Evaporitabfolgen, die von der ständigen Verdunstung und Austrocknung der Solebecken zeugen.
Das Team untersuchte insbesondere Korallen- und Algenwucherungen, so genannte Korallenriffe, die aus der Zeit stammen, als die Region vom offenen Roten Meer bedeckt war. Andere Schichten, die reich an Evaporiten, mikrobiellen Riffablagerungen und Karbonaten aus heißen Quellen sind, zeigen, dass dieselbe Region zu verschiedenen Zeiten von hypersalinen Seen (Solebecken) bedeckt war (siehe Abbildung 2). Zwischen den Korallenriffen und den mikrobiellen Riffen wurden Muschelablagerungen von nur einer Muschel- und einer Schneckenart gefunden, was darauf hindeutet, dass in dieser Region abwechselnd Perioden mit eingeschränkten und offenen Meeresbedingungen herrschten.
Die vom Team untersuchten Meeresablagerungen bestehen aus mindestens vier übereinander liegenden Koralleneinheiten. Das Team fand Hinweise auf Perioden, in denen sich Saumriffe bildeten (siehe Abbildung 3), die durch erodierte Schichten getrennt sind, was auf lange Episoden ohne neue Ablagerungen und eine mögliche Exposition gegenüber der Luft hindeutet. Ausgedehnte Verdunstungsablagerungen zwischen den Riffkarbonaten sind ein weiterer Beweis dafür, dass die Ozeane in dieser Region periodisch austrockneten.
Future Studies
Vorangegangene Datierungsstudien auf der Grundlage von Kohlenstoff-14 (δ14C) und Isotopenverhältnissen von Uran und Thorium (230Th/234U) von Korallen und Muscheln aus dem Untersuchungsgebiet legen nahe, dass diese Fossilien zwischen 230.000 und 24.000 Jahre alt sind. Neue Ergebnisse der radioisotopischen Altersbestimmung werden dazu beitragen, den Zeitpunkt des Wechsels zwischen eingeschränkten und offenen Meeresbedingungen mit höherer Auflösung einzugrenzen und diese Aufzeichnungen mit relativen Meeresspiegeländerungen in Verbindung zu bringen.
Darüber hinaus wurden mikrobielle Mattenablagerungen – kleine Stromatolithen und Thrombolithen – nicht nur in Riffhängen und in Korallenriffhöhlen, sondern auch an den Rändern alter und neuerer hypersaliner Seen gefunden. Karbonate aus heißen Quellen, die den See umgeben, und Ablagerungen von Solebecken lassen darauf schließen, dass die Region während der Schließung der Depression von hydrothermalen Aktivitäten beeinflusst wurde. Die Untersuchung dieser gut exponierten mikrobiellen Ablagerungen wird es dem Team ermöglichen, besser zu verstehen, wie mikrobielle Prozesse die Karbonatausfällung sowohl in offenen marinen als auch in hypersalinen Umgebungen vermittelten.
Die Integration von Felddaten mit geophysikalischen Beobachtungen wird ein beckenweites Verständnis dafür liefern, wie Umweltschwankungen die Ablagerung von Sedimenten beeinflusst haben und wie diese Sedimente durch tektonische und magmatische Ereignisse beeinflusst wurden.
Danksagungen
Wir danken der Universität Freiburg, der Universität Gent und dem Coldwater Carbonate Reservoir Systems in Deep Environments-European Research Network (COCARDE-ERN) der European Science Foundation für ihre Unterstützung. Wir danken auch der School of Earth Sciences der Universität Addis Abeba für die Erleichterung der Feldarbeit.