Paleozoic extinction events - geomuseum.uni … · Kambrium (541-485 Ma) ... Diversitätsveränderungen über die 2 Phasen des Spät-Ordovizischen Massenaussterbens Gestrichelt: Früh-Silurische

Hadean

Archean

Neoproterozoic

Phanerozoic

Paleozoic extinction events

- Erdgeschichte 2016 -

Programm

1. Hadean World-Origin (13.04.; JR)

2. Archean World (20.04.; JPD)

3. Great Oxidation Event – Proterozoic world (27.04.; JR)

4. Cryogenian – Snowball Earth (04.05.; JPD)

5. „Garden of Ediacara“ (11.05.; JR)

6. „Cambrian Explosion“ (18.05.; JPD)

7. Paleozoic Extinction Events (25.05.; JPD)

8. Keine Vorlesung (01.06.)

9. Major evolutionary steps & terrestial environments (08.06.; JPD)

10. Triassic/Jurassic Event, Mesozoic Greenhouse (15.06.; JPD)

11. K/T boundary & Tertiary and Quaternary events(22.06.; AG)

12. Humans (29.06.; JPD)

13. Klausur (06.07.)

Rekapitulation

Kambrium (541-485 Ma)

- Älteste Periode des Phanerozoikums / Paläozoikums

- Basis des Kambriums: Erstauftreten des Spurenfossils Trichophycus pedum

- Öffnung des Iapetus Ozeans

- Gondwana umfasst die heutigen Südkontinente

- O2 ungefähr wie heute, CO2 aber bis zu 18 x höher

- Treibhauswelt, keine Vereisung

- Generell Meeresspiegelanstieg – viele Lebensräume auf Schelfen

(www.stratigraphy.org)

Entwicklung der Biosphäre

- Kambrische Explosion

- Agronomische Revolution

- Bereits initiale Entwicklungen davor:

- Spurenfossilien

- SSFs

(Marshall, 2006)

Small Shelly Fossil (SSFs)

- SSFs vorwiegend aus phosphatischen Hartteilen

- Häufig nur einzelne Skelettelemente erhalten

- Systematische Zugehörigkeit häufig unklar

- z.T. Metazoen

- Hohe Diversität und hoher Organisationsgrad

noch vor der eigentlichen „Explosion“

Schwämme! Mollusken? (Stanley, 2001; http://www.bio.miami.edu/)

Die „Agronomische Revolution“

(Seilacher, 2007)

Signifikante Veränderungen der Lebensweisen und Habitate vor der kambrischen Explosion

(Peng et al., 2012)

Die „Kambrische Explosion“

Nahezu gleichzeitiges Erstauftreten aller modernen Tierstämme zwischen ca. 530 - 515 Ma

Agnostida Paradoxides

Trilobiten; stellen einen charakteristischen Bestandteil der „Paläozoischen“ Fauna dar


Archaeocyathiden bilden mit Mikroben erste „echte“ Riffe; Ökosysteme mit extrem hoher Diversität

(Elicki, 2003 )

(Wood, 1999)


Burgess Shale-Typ Lagerstätten

(Babcock et al., 2001 )

- Wichtigste Beispiele:

- Chengjiang (~520 Ma)

- Burgess Shale (~506 Ma)

- Außergewöhnliche gute Erhaltung

- „Nur“ 3-20% der kambrischen Biota weist Hartteile auf

- Rapide Diversifikation mineralisierender und nicht-

mineralisierend Metazoen

- Unterstreicht Ausmaß der kambrischen Explosion!

Chengjiang Fossilien

Crustaceen (Anomalocaris)

Burgess Shale Fossilien

Pikaia – gehört zu den Chordata und ist damit ein

Vorläufer der Wirbeltiere!

Alle Maßstäbe = 5 mm

(Conway Morris & Caron 2012)

Diskutierte Gründe

- „Environmental triggers“, z.B.

- Hoher Meeresspiegel (Schelfgebiete als Habitate)

- Treibhaus-Klima

- Meerwasser-Chemismus

- Sauerstoff

- „Ecological triggers”, z.B.

- Aussterben der Ediacara biota

- „Ecosystem engineering“

- Trophische Eskalation und/oder Bioturbation

- Genetische und evolutionäre Innovationen

(molekulare Uhren)

(Wood, 1999)

Multikausalität…

(Wolfgang Oschmann)

Gegenseitige Beeinflussung von Prozessen der Geo- und Biosphäre (Geobiologie!)

Phanerozoische Aussterbe-Ereignisse

Aussterbeereignisse – die „Big Five“

(Sepkoski, 1990; Droser & Finnegan 2003)

Paläozoische Fauna

Moderne Fauna

Kambrische Fauna

1 2 3

4

5

Gründe für Aussterbe-Ereignisse

Ordovizium (485-443 Ma)

#1: Ordovizisches Massenaussterben

(by Karen Carr)


Ordovizium (ca. 458 Ma)

Laurentia, Baltica, Siberia und Gondwana durch Ozeane (Iapetus, Panthalassischer Ozean, etc.) getrennt

(www.scotese.com)

Klima & Meeresspiegel

Frühes Ordovizium Treibhaus, dann Abkühlung und Eishaus-Situation im späten Ordovizium

Eishausbedingungen

Was sind mögliche Evidenzen, wie rekonstruierbar?

Oberordovizische Vereisung

Auftreten und Verbreitung glazialer Ablagerungen

Glaziale Ablagerungen in der Sahara (u.a.)

In Europa z.B. Dropstones im Barrandium (Böhmen) und Thüringen



Genauere Differenzierung durch Bioprovinzen - Evolutionäre Adaption an Klima

(Sheehan, 2001) Warmwasser Fauna Kaltwasser Fauna

Vereisungen (Kontinente & Meere)

(www.snowballearth.org/)

Rote Linien markieren: Massenausterben

Quintessenz: Südliche Bereiche Gondwanas waren weiträumig vereist!

Gründe für die Vereisung

Möglichkeit #1: Wanderung Gondwanas über den Pol

(Sheehan, 2001) Warmwasser Fauna Kaltwasser Fauna


(www3.geosc.psu.edu; adapted from Kasting & Catling, 2003) (Berner, 2003)

Möglichkeit #2: Abkühlung durch verstärkte (Silikat-) Verwitterung (CO2-Senke!)


- Einsetzen thermohaliner Zirkulation durch Abkühlung

- Eutrophierung (Upwelling nährstoffreicher Tiefenwässer)

- Steigende Primärproduktivität

- Abnahme des atmosphärischen pCO2 (7 - 10 PAL)

Möglichkeit #3: Erhöhte Produktivität (CO2-Senke!)

(Berner, 2003)

Exkurs: „Upwelling“

(http://www.jpl.nasa.gov)

Auftrieb von Tiefenwasser durch thermohaline Zirkulation (Dichtegradienten)


(Gerlinde Jung, MARUM Bremen)

Auftrieb von Tiefenwasser durch Windsysteme


Upwelling nährstoffreicher Tiefenwässer führt häufig zu erhöhter Primärproduktion (CO2-Senke)!

http://www.seos-project.eu/

Biosphäre & Evolution

(Stanley, 2001)

Aussterbe-ereignisse

Terminales Oberordovizium

Zwei Aussterbephasen & Ende der kambrischen Fauna (ca. 85% der marinen Arten sterben aus)


Paläozoische Fauna

Moderne Fauna

Kambrische Fauna

1 2 3

4

5

Terminales Oberordovizium

(Brenchley 2003)

Diversitätsveränderungen über die 2 Phasen des Spät-Ordovizischen Massenaussterbens

Gestrichelt:

Früh-Silurische Radiation

Gestreift:

“Zwischen-Fauna”

Blank:

Prä-Aussterbefauna

Isotopen-Record

(Stanley, 2001)

δ13C-Signaturen von Brachiopoden-Schalen (repräsent. Meerwasser)- wie ist diese Entwicklung zu erklären?

Exkurs: Stabile Kohlenstoffisotopien

(Schidlowski, 2001)

- 2 stabile Kohlenstoffisotope (12C, 13C)

‐ Bei Photosynthese bevorzugte Inkorporation von 12C

‐ Biomasse:

‐ Angereichert in 12C

‐ Niedrige δ13C-Werte in organischem Material

- Wichtigste terrestrische Kohlenstoff-Reservoirs:

- Biogenes organisches Material

- Sedimentäre Karbonate

- Häufige Folge hoher Primärproduktion in Environment:

- Relative Abreicherung von 12C im Wasser

- Relative Anreicherung von 13C im Wasser

- Höheren C-Isotopien von Karbonaten

Reading the Ordovician record

(Stanley, 2001)

Während der Vereisung erhöhte Produktivität aufgrund verstärkter Eutrophierung?

(WSDW = warm saline deep water) (Sheehan, 2001)

End-ordovizisches Aussterben

Während der Vereisung euxinia Aufstiegt toxischer Tiefenwässer (Euxinia)?

(Hammarlund et al., 2012) (WSDW = warm saline deep water) (Sheehan, 2001)

End-ordovizisches Aussterben

(Brenchley, 2003)

Vereisung von entscheidender Bedeutung

Vereisung von entscheidender Bedeutung

Phase I (Beginn der Vereisung)

- Meeresspiegel-Rückgang => Weniger Habitate (Schelfe, epikontinentale Meere)

- Abkühlung => Aussterben von Warmwasser-Taxa

- Möglicherweise Aufsteigen von toxischen Tiefenwässern (thermohaline Zirkulation)

Phase II (Ende der Vereisung)

- Erwärmung => Aussterben von Kaltwasser-Taxa

- Meeresspiegel-Anstieg

- Meereszirkulation

Silur (443-419 Ma)


(paleobotanical-photography.blogspot.com)

Silur (425 Ma)

Höhepunkt der Kaledonischen Orogenese

(u.a. Schließung des Iapetus, Kollision von Laurentia und Baltica, Bildung von Laurussia)

(www.scotese.com)

Biosphäre

(Stanley, 2001)

Schnelles „recovery“ nach dem ordovizischen Massensterben

Selbst gescannte Stanley-Abbildungen durch die aus Nadines “Major evolutionary steps and terrestrial environments” ersetzen (z.B. Silur)

Devon (419-359 Ma)

(by Zdeněk Burian)

#2: Frasne-Famenne Aussterben


Devon (390 Ma)

Schließung der Ozeane des frühen Paläozoikums

(www.scotese.com)


Sehr hoher Meeresspiegel; Vereisung nur zur Zeit des terminalen Oberdevons im südpolaren Gondwanas


(Stanley, 2001)


Erste Amphibien (Ichthyostega)

Devon (Frasne-Famenne)


Paläozoische Fauna

Moderne Fauna

Kambrische Fauna

1 2 3

4

5

Insb. tropische marine Faunen betroffen (20% aller Tier-Familien und 70% aller Spezies sterben aus)

Devon (Frasne-Famenne)

(McGhee Jr. 2003)

Das Aussterbeereignis verlief mehrphasig während des späten Frasniums und des frühen Famenniums

Diversität

Kellwasser – Typ-Lokalität

(GoogleEarth) (Buggisch, 1991)

Die Kellwasser-Krise

Betroffen sind (u.a.) Ammonoideen, Brachiopoden, Conodonten, Korallen, Stromatoporiden, Trilobiten

(Klapper et al., 1993)

Anoxische Bedingungen?

Ereignisse durch positive δ13C-Abweichungen gekennzeichnet

Exkurs: Korrelation

Walthersche Faziesregel: Primär nur Überlagerung von Fazies, die rezent nebeneinander zu beobachten sind

(Emery & Myers, 2001)

Schelf Küste Ozeanbecken

Exkurs: Korrelation

Litho- vs. Chronostratigraphie – Grad der Synchronität muss im Einzelfall geprüft & argumentiert werden!

(Emery & Myers, 2001)

Schelf Küste Ozeanbecken

Vereisungs-Hypothese



Passt gut, da insbesondere tropische marine Faunen betroffen sind

Impact evolutionärer Entwicklungen

Radiation der Gefäßpflanzen, Besiedlung des trockenen Festlandes, erste Wälder

(Stanley, 1999)

„Devonian Plant Hypothesis“

(Gibling & Davies, 2012)

Chemische Verwitterung => CO2-Rückgang in der Atmosphäre => Abkühlung und Sinken des Meeresspiegels

Meerespiegelschwankungen

Kritischer, durch zyklische Meeresspiegelschwankungen charakterisierter Zeitbereich

(McGhee Jr. 2003)

Diversität

(McGhee, 2001)

„Multiple Impacts Hypothesis“

Durch Impacts initiierte Treibhaus-Bedingungen - Aussterben durch anschließende Abkühlung?

(McGhee, 2001)

(Goehring, 2001)

Vulkanismus

(Racki, 2005)

Viluy Traps (360 -380 Ma, Sibirien) - warum sind aber nur flachmarine Organismen betroffen?

Karbon (359-299 Ma)


Frühes Karbon (356 Ma)

Höhepunkt der variszischen Orogenese – Bildung von Pangaea

(www.scotese.com)

Spätes Karbon (306 Ma)

Höhepunkt der variszischen Orogenese – Bildung von Pangaea

(www.scotese.com)

Vereisungen (Kontinente & Meere)



Permokarbone Vereisung


Abkühlung und starke Meeresspiegel-Schwankungen

Biosphäre

Rückgang früh-paläozoischer Biota (Stromatoporen, tabulate Korallen, Trilobiten)

(Amnioten-Ei)

(Stanley, 2001)

Perm (299-252 Ma)


(Fotos: J.-P. Duda) (by Karen Carr)

#3: Das Perm-Trias Aussterben - Größtes bekanntes Aussterbe Ereignis des Phanerozoikums

Perm (255 Ma)

Superkontinent Pangaea

(www.scotese.com)


Übergang von Eishaus- zu Treibhaus Bedingungen



(Stanley, 2001)

Perm-Trias

90-96% aller marinen und 75% aller terrestrischen Arten sterben aus!


Paläozoische Fauna

Moderne Fauna

Kambrische Fauna

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4

5

Aussterben & Recovery

(Chen & Benton, 2012)

Ammonoideen

Im Paläozoikum Goniatiten, im Mesozoikum Ceratiten und Ammoniten

Vereisung

Abkühlung und Aridifizierung; Verringerung von Schelf-Habitaten

Bildung von Pangaea

Verringerung von Schelf-Habitaten

(www.scotese.com)

Bildung von Pangaea

Verminderte Ozeanzirkulation; Anoxische/euxinische Bedingungen in Ozeanen

(www.scotese.com)

Thermohaline Zirkulation heute

(http://www.jpl.nasa.gov)

Verminderte Zirkulation im Perm würde zu Paläogeographie und Klimaveränderung passen

Zusammenhang problematisch…

Warum dann Aussterbeereignis erst im oberen Perm, und warum auch terrestrische Ökosysteme betroffen?

(www.scotese.com)

Vulkanismus – Plateau Basalte

Welchen Einfluss könnte Vulkanismus gehabt haben?

(Reichow et al., 2009)

Sibirische Trap Basalte (ca. 251 Ma)

Vulkanismus – Plateau Basalte

Biogeochemische Kreisläufe? Verwitterung/Klima? Toxische Atmosphäre/Ozeane? Nuklearer Winter?

Impact-Hypothese

C60 – C400 Fullerene

Entstehen bei großen Waldbränden und sind In kosmischen Molekül-Wolken vorhanden

Impact-Strukturen

Australien (ca. 250my) Araguainha Dom (ca. 247 Ma, Brasilien)

Perm-Trias

(Wignall, 2003)

Zusammenfallen verschiedener kritischer Prozesse/Entwicklungen

Multikausalität!

(Wolfgang Oschmann)

Gegenseitige Beeinflussung von Prozessen der Geo- und Biosphäre (Geobiologie!)

Zum Ende…

… jedem Ereignis folgte bisher ein „Recovery“- wenn gleich auch nicht von allen Lebensformen!

(http://www.palges.de/)

„Early Life“ neu gegründet - bei Interesse bitte melden, gerne auch verbreiten!

Nächster Termin

1. Hadean World-Origin (13.04.; JR)

2. Archean World (20.04.; JPD)

3. Great Oxidation Event – Proterozoic world (27.04.; JR)

4. Cryogenian – Snowball Earth (04.05.; JPD)

5. „Garden of Ediacara“ (11.05.; JR)

6. „Cambrian Explosion“ (18.05.; JPD)

7. Paleozoic Extinction Events (25.05.; JPD)

8. Keine Vorlesung (01.06.)

9. Major evolutionary steps & terrestial environments (08.06.; JPD)

10. Triassic/Jurassic Event, Mesozoic Greenhouse (15.06.; JPD)

11. K/T boundary & Tertiary and Quaternary events(22.06.; AG)

12. Humans (29.06.; JPD)

13. Klausur (06.07.)

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Paleozoic extinction events - geomuseum.uni … · Kambrium (541-485 Ma) ... Diversitätsveränderungen über die 2 Phasen des Spät-Ordovizischen Massenaussterbens Gestrichelt: Früh-Silurische