Molecular and organic carbon isotopic evidence for the evolution of key metabolic pathways during the Archean-Proterozoic transition
Final Report Abstract
Der Übergang vom Archaikum zum Paläoproterozoikum und das frühe Paläoproterozoikum (ca. 2,5 – 1,9 Milliarden Jahre vor heute) sind durch deutliche Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Ozean-Atmosphäre-Systems charakterisiert, wobei vor allem der deutliche Anstieg im O2-Gehalt der Erdatmosphäre vor ca. 2,35 Milliarden Jahren weitreichende Konsequenzen für die Milieubedingungen und damit auch die Entwicklung des Lebens auf der Erde hatte. Einerseits änderte sich die Redoxstruktur sedimentärer Environments von einer komplett anoxischen zu einer vermutlich stratifizierten Wassersäule mit einem oberen oxischen und einem unteren anoxischen Teil. Andererseits änderte sich sicherlich auch das gesamte existierende biologische Netzwerk von autotropher C-Fixierung bis hin zu heterotrophem C-Umsatz, sowohl mit Blick auf die Diversität als auch die Position einzelner Stoffwechselpfade innerhalb der sedimentären Milieus. Sowohl C-Fixierung als auch C-Umsatz sind häufig mit einer charakteristischen Isotopenfraktionierung verknüpft und entsprechende Prozesse können mit Hilfe dieses Proxy-Signals rekonstruiert werden. Noch diagnostischer sind organische Moleküle als Biomarker für Organismen, individuelle Stoffwechselpfade oder als Milieucharakteristikum. Das Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, durch eine systematische Erfassung der organischen Kohlenstoffisotopie und darauf aufbauende detaillierte Biomarkeranalytik für ausgewählte stratigraphische Bereiche den Wechsel im biogeochemischen C-Umsatz als Folge des Anstiegs der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration zu rekonstruieren. Das Forschungsvorhaben war eingebettet in das multidisziplinäre und multinationale Vorhaben „Fennoscandian Arctic Russia – Drilling Early Earth Project (FAR-DEEP)“ welches im Rahmen des International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) im Norden Russlands 15 Bohrungen durch Gesteine vom Archaikum-Proterozoikums-Übergang bis in das Paläoproterozoikum hinein abteufte. Zielgebiete waren der Pechenga und der Imandra- Varzuga Greenstone Belt sowie das Onega Becken. Das resultierende Kernmaterial mit einer Gesamtlänge von 3650m stand für die erfolgten Untersuchungen zur Verfügung. Das Forschungsvorhaben beinhaltete zwei Schwerpunkte: die Erfassung zeitlicher Variationen in der Kohlenstoffisotopie des sedimentären organischen Kohlenstoffs und eine organisch-geochemische Bearbeitung der sehr Corg-reichen 2,0 Milliarden Jahre alten Zaonega Formation mit dem Ziel einer Biomarkerstudie. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde für den gesamten Zeitabschnitt, der in diesen Bohrungen aufgeschlossen ist, die Kohlenstoffisotopie des sedimentären organischen Kohlenstoffs bestimmt. Diese spiegelt die autotrophe Kohlenstofffixierung ebenso wider, wie die Respiration, aber auch die postsedimentäre thermische Aufarbeitung des sedimentären organischen Materials. Im Verbund mit der Kohlenstoffisotopie des karbonatischen Kohlenstoffs lässt sich erkennen, dass das organische Material klare zeitliche Variationen archiviert hat, die als Ausdruck zeitlicher Veränderungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs zu bewerten sind. Während die Kohlenstoffisotopie des organischen Materials als robustes Signal durchaus die Interpretation auch primärer Veränderungen des Kohlenstoffkreislaufs erlaubt, war die postsedimentäre thermische Überprägung des organischen Materials zu hoch für weitergehende organisch-geochemische Untersuchungen. Organisch-petrologische Befunde und die extrem niedrigen Mengen an freisetzbarem Bitumen sind Ausdruck eines hohen Reifegrades deutlich oberhalb des Gasfensters. Petrographische Befunde bestätigen die Bildung und Migration von Kohlenwasserstoffen. Als Konsequenz dieser starken thermischen Überprägung boten zumindest die Proben der drei untersuchten FAR-DEEP Bohrungen keine Möglichkeit einer weiterführenden Charakterisierung des organischen Materials mittels organisch-geochemischer Methoden.
Publications
- (2013) Biomarkers and Isotopic Tracers. In: Melezhik, V.A.; Prave, A.R.; Fallick, A.E.; Kump, L.R.; Strauss, H.; Lepland, A.; Hanski, E.J. (Eds.) Reading the Archive of Earth’s Oxygenation. Volume 3: Global Events and the Fennoscandian Arctic Russia - Drilling Early Earth Project; p.1395-1405
Summons, R.E., Illing, C.J., van Zuilen, M., Strauss, H.
- (2013) Enhanced Accumulation of Organic Matter – The Shunga Event. In: Melezhik, V.A.; Prave, A.R.; Fallick, A.E.; Kump, L.R.; Strauss, H.; Lepland, A.; Hanski, E.J. (Eds.) Reading the Archive of Earth’s Oxygenation. Volume 3: Global Events and the Fennoscandian Arctic Russia - Drilling Early Earth Project.; p. 1195-1273
Strauss, H., Melezhik, V.A., Lepland, A., Fallick, A.E., Hanski, E.J., Filippov, M.M., Deines, Y.E., Illing, C.J., Črne, A., Brasier, A.
- (2014) Airborne hydrocarbon contamination from laboratory atmospheres. Organic Geochemistry 76: 26-38
Illing, C., Hallmann, C., Miller, K.E., Summons, R.E., Strauss, H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2014.07.006)
