Aufgaben: Die geologische Zeitskala

Ordnen Sie diese Einheiten der geologischen Zeitskala nach abnehmender Dauer: Epoche, Äon, Periode und Ära. Nennen Sie für jede ein reales Beispiel.

Nennen Sie die drei Ären des Äons Phanerozoikum, ordnen Sie sie von der ältesten zur jüngsten und nennen Sie für jede eine charakteristische Gruppe von Lebewesen.

Ordnen Sie jedes dieser Ereignisse der Ära und, wenn möglich, der entsprechenden Periode zu: das Aussterben der Nicht-Vogel-Dinosaurier, das Auftreten der Gattung Homo und die „kambrische Explosion“ der Tiere.

Die geologische Zeitskala hat Intervalle von sehr ungleicher Dauer, anders als die Stunden einer Uhr. Erklären Sie, warum ihre Grenzen an Ereignisse (Aussterben, Veränderungen der Faunen) und nicht in gleich lange Zeitabschnitte gelegt werden.

Nennen Sie die vier Äonen der Erdgeschichte, ordnen Sie sie vom ältesten zum jüngsten und geben Sie an, in welchem wir leben und seit wann ungefähr.

Welches Ereignis markiert den Beginn des Äons Phanerozoikum und der Periode Kambrium? Erklären Sie, was die „kambrische Explosion“ war und welche Veränderung sie im Fossilbericht darstellt.

Ordnen Sie die Kreide zeitlich ein, indem Sie die folgenden Fragen beantworten:

1. a) Zu welcher Ära gehört sie?
2. b) Zwischen welchen ungefähren Zeitpunkten (in Millionen Jahren) erstreckt sie sich?
3. c) Welches Ereignis beendete sie?

Ordnen Sie diese Meilensteine vom ältesten zum jüngsten und geben Sie ihr Alter in Millionen Jahren an: Entstehung der Erde, Auftreten des Homo sapiens, kambrische Explosion, Aussterben der Dinosaurier und Ursprung des Lebens.

Das Äon Phanerozoikum begann vor $541$ Millionen Jahren und die Erde entstand vor etwa $4\,600$ Millionen Jahren. Berechnen Sie, welchen Prozentsatz der Erdgeschichte das Phanerozoikum einnimmt, und erklären Sie, warum die früheren Äonen (das „Präkambrium“) viel schlechter bekannt sind.

Erklären Sie, warum die Grenzen zwischen den Ären der geologischen Zeitskala mit Massenaussterben zusammenfallen, und nennen Sie als Beispiel die Grenze zwischen Mesozoikum und Känozoikum und geben Sie an, was sie verursacht hat.

Das Schema fasst die großen Intervalle der geologischen Zeit (Äonen und Ären) mit ihren Grenzaltern zusammen. Benennen Sie das mit „?“ markierte Intervall, geben Sie an, zwischen welchen Altern es sich erstreckt, und nennen Sie ein wichtiges biologisches Ereignis, das in dieser Zeit stattfand.

Das Massenaussterben am Ende des Perms war das größte der Erdgeschichte: Die Trilobiten und die überwiegende Mehrheit der Meeresarten verschwanden. Erklären Sie, welche Ära es beendete, welche Gruppen von der anschließend entstandenen ökologischen Lücke profitierten und welchen Zusammenhang diese Krise mit dem Beginn des Zeitalters der Dinosaurier hat.

Das Mesozoikum erstreckt sich von vor $252$ Millionen Jahren bis vor $66$ Millionen Jahren. Berechnen Sie seine Dauer und welchen Prozentsatz des Phanerozoikums ($541$ Millionen Jahre) es ausmacht, und runden Sie das Ergebnis.

Die offiziellen Grenzen der Zeitskala werden in bestimmten Profilen festgelegt, die Stratotypen oder „Golden Spikes“ (GSSP) genannt werden. Erklären Sie, was ein Golden Spike ist, warum für jede Grenze ein physischer Ort vereinbart werden muss und welche Eigenschaften ein solches Profil aufweisen muss.

Einige Wissenschaftler schlagen vor, eine neue Epoche anzuerkennen: das Anthropozän. Erklären Sie, welche geologischen Signale sie kennzeichnen würden (Radionuklide aus Atombomben, Kunststoffe, Kohleasche, Veränderung der Faunen) und warum sich andere Geologen gegen ihre Formalisierung sträuben.

Wenn wir jeweils $100$ Millionen Jahren $1$ Jahr zuordnen, wäre die Erde $46$ Jahre alt. Berechnen Sie, in welchem „Alter“ dieses Planeten-Menschen die Dinosaurier auftreten (vor $230$ Millionen Jahren) und der Homo sapiens (vor $0{,}3$ Millionen Jahren), und kommentieren Sie, was die Analogie zeigt.

Stellen Sie sich vor, die Geschichte der Erde ($4\,600$ Ma) werde auf einen Kalender mit einem natürlichen Jahr zusammengedrängt, das um Mitternacht des 31. Dezember endet.

1. a) Berechnen Sie, auf welches ungefähre Datum und welche Uhrzeit Sie drei grundlegende Meilensteine legen würden: das Große Oxidationsereignis (~$2\,400$ Ma), das Auftreten der ersten makroskopischen Fossilien mit Schale oder Skelett in der kambrischen Explosion (~$541$ Ma) und den Ursprung der Gattung Homo (~$2,5$ Ma). Zeigen Sie Ihre proportionalen Berechnungen.
2. b) Ein populärwissenschaftlicher Dokumentarfilm behauptet: „Die Geschichte der Erde ist im Wesentlichen die Geschichte der Tiere und der Landpflanzen, die den Planeten seit seinen Anfängen besiedelt haben und deren Höhepunkt das Erscheinen des Menschen ist." Widerlegen Sie diese Aussage Punkt für Punkt anhand der Zeitangaben aus Aufgabenteil a) und begründen Sie, warum die geologische Zeitskala jede anthropozentrische oder zoozentrische Sicht auf die Erdgeschichte widerlegt.

Ein geologisches Team untersucht zwei durchgehende stratigrafische Profile von 150 Metern Mächtigkeit: Profil A entstammt dem Jura ($201$-$145$ Ma), Profil B gehört zu einem Sedimentbecken des Archaikums ($3\,200$-$3\,000$ Ma).

1. a) Begründen Sie, warum in Profil A eine hochauflösende Chronologie möglich ist, bei der die Schichten in Biozonen von nur wenigen Hunderttausend Jahren unterteilt werden, während diese Methode in Profil B völlig unanwendbar ist. Welche biologischen und taphonomischen Bedingungen, die allein im Phanerozoikum vorliegen, erklären das?
2. b) Entwerfen Sie eine geochronologische Strategie, um die Schichten von Profil B zu datieren und zu korrelieren. Geben Sie an, welche isotopischen oder geochemischen Methoden Sie einsetzen würden und welche Hindernisse aus dem Gesteinskreislauf (Metamorphose, Diagenese, Tektonik) Sie wegen des hohen Alters des Materials einplanen müssen.
3. c) Widerlegen Sie die folgende Schlussfolgerung eines Schülers: „Da das Archaikum mehr als dreimal so lange dauerte wie das gesamte Phanerozoikum, müsste seine stratigrafische Überlieferung viel umfangreicher und leichter zu entschlüsseln sein als die des Jura."

Man schätzt, dass die Hintergrund-Aussterberate im Phanerozoikum bei 0,1 bis 1 Aussterbeereignissen pro Million Arten und Jahr (E/MSY) lag. Während der großen Krise am Ende des Perms (~$252$ Ma) starben etwa $95\ \%$ der marinen Arten in einem Zeitraum von rund $60\,000$ Jahren aus. Heute liegen die Schätzungen der durch menschliches Handeln verursachten Aussterberate zwischen 100 und $1\,000$ E/MSY.

1. a) Vergleichen Sie anhand dieser Daten die mittlere Aussterberate im Perm mit der heutigen Rate. Erklären Sie, warum die gegenwärtige Krise als mögliches „sechstes Massenaussterben" bezeichnet wird, obwohl die absolute Zahl der von der IUCN in den letzten Jahrhunderten dokumentierten ausgestorbenen Arten weit unter der der fünf großen geologischen Massenaussterben liegt.
2. b) Analysieren Sie die taphonomischen Verzerrungen des marinen Fossilberichts, die den direkten Vergleich zwischen den historischen Diversitätskurven (wie der von Sepkoski) und den modernen Erhebungen der terrestrischen Biodiversität erschweren.
3. c) Sagen Sie voraus, welche Biofazies und Lithofazies ein Paläontologe in 50 Millionen Jahren in den Sedimenten unserer Epoche finden würde, wenn sich der heutige Umfang der menschlichen Umgestaltung fortsetzt.

In einer durchgehenden stratigrafischen Bohrung durch die Grenze zwischen zwei geologischen Perioden, an der ein großes Massenaussterben stattfand, wurden folgende geochemische und sedimentologische Anomalien registriert:

1. Eine abrupte, globale negative Exkursion des $\delta^{13}\text{C}$ von mehr als $-5\ ‰$.

2. Ein plötzlicher Abfall des $\delta^{18}\text{O}$ in Karbonaten, der auf eine thermische Erwärmung der ozeanischen Wassersäule um $8\ \text{°C}$ bis $10\ \text{°C}$ hinweist.

3. Ein weitverbreiteter euxinischer Horizont (Schwarzschiefer mit Pyritframboiden und Anreicherung von Vanadium und Uran).

4. Völliges Fehlen von Iridiumanomalien, Impaktsphärulen oder Stoßwellenquarz im Ton des Grenzbereichs.

1. a) Leiten Sie ab, zu welchem der beiden am besten untersuchten Massenaussterben (Ende des Perms oder Ende der Kreide) diese Daten gehören. Begründen Sie Ihre Wahl und widerlegen Sie das andere mit zwei Argumenten, die sich auf die beschriebenen Befunde stützen.
2. b) Rekonstruieren Sie die biogeochemische Ursache-Wirkungs-Kette, die den Vulkanismus der kontinentalen Flutbasalte mit dem Abfall des $\delta^{13}\text{C}$, dem globalen Treibhauseffekt, der Destabilisierung von Methanhydraten und der Anoxie des Tiefenwassers der Meere verbindet.
3. c) Bewerten Sie ausgehend vom rekonstruierten Wirkmechanismus kritisch, warum dieses Ereignis der geologischen Vergangenheit ein deutlich näheres und besser vergleichbares Warnmodell für die aktuelle anthropogene Klimakrise darstellt als das Ereignis an der Kreide-Paläogen-Grenze.

Die Internationale Stratigraphische Kommission (ICS) legt die Grenzen zwischen den Einheiten der geologischen Zeitskala mithilfe globaler Grenzstratotypen (GSSP oder „Golden Spikes") fest.

Stellen Sie sich vor, Sie gehören dem Komitee an, das zwischen zwei Vorschlägen für die Basisgrenze einer neuen geologischen Stufe entscheiden muss:

• Vorschlag A: Ein Archiv aus einem Stalagmiten einer Karsthöhle, das ein auf planetarer Ebene synchrones $\delta^{18}\text{O}$-Signal zeigt (abrupte globale Megadürre) und mit sehr hoher radiometrischer Präzision mittels Uranreihen ($^{230}\text{Th}/^{234}\text{U}$) auf $4\,200$ Jahre vor heute datiert ist.

• Vorschlag B: Ein marines Sedimentprofil, das das lokale Verschwinden einer benthischen Foraminifere enthält, mit einer ungefähren Datierung durch biostratigrafische Korrelation auf $\pm 1,5$ Ma.

1. a) Begründen Sie, welcher der beiden Vorschläge die formalen geologischen Anforderungen erfüllt, um als GSSP angenommen zu werden (Auflösung, globale Korrelation, Isochronie und Erhaltung), und erklären Sie die Mängel des abgelehnten Vorschlags.
2. b) In den letzten Jahrzehnten wurde die Basis des Kambriums von etwa $570$ Ma auf $538,8 \pm 0,2$ Ma neu festgelegt. Erklären Sie, welche Fortschritte bei den radiometrischen Datierungsverfahren (z. B. ID-TIMS an eingelagerten vulkanischen Zirkonen) und in der Ichnostratigrafie (Treptichnus pedum) es ermöglicht haben, dieses Alter zu präzisieren, ohne die zuvor bekannte relative Abfolge der Schichten zu ändern.
3. c) Widerlegen Sie die Behauptung eines Kritikers der Geologie: „Dass sich das Alter des Kambriums mehrfach geändert hat, beweist, dass die Datierungsmethoden unseriös sind und die geologische Zeitskala nichts weiter als eine willkürliche Konvention ist."

Im März 2024 lehnte die Internationale Union der Geologischen Wissenschaften (IUGS) mit großer Mehrheit den Vorschlag ab, das „Anthropozän" als neue Epoche des Quartärs mit einem GSSP im Jahr 1952 zu formalisieren (markiert durch den Peak künstlicher Radioisotope aus Thermonuklearversuchen in den Sedimenten des Crawford Lake, Kanada).

1. a) Analysieren Sie die gewichtigen stratigrafischen Einwände, die diese Entscheidung begründeten: Warum übergeht die Beschränkung des Anthropozäns auf die letzten 70 Jahre die ausgeprägte Diachronie der globalen menschlichen Spuren (Beginn der neolithischen Landwirtschaft, massive Entwaldung, industrielle Revolution) und steht im Widerspruch zum stratigrafischen Prinzip der Isochronie, das für Einheiten im Rang einer Epoche gilt?
2. b) Vergleichen Sie das potenzielle Erhaltungspotenzial im künftigen Gesteinsarchiv (im Maßstab von Dutzenden Millionen Jahren) für den radioaktiven Impuls des $^{239}\text{Pu}$ und für die sogenannten „Technofossilien" (Kunststoffe, Beton) mit dem klassischer geologischer Grenzmarker wie Iridiumlagen oder globaler biologischer Massenaussterben.
3. c) Legen Sie dar, warum es methodisch überzeugender ist, den menschlichen Einfluss als „komplexes geologisches Ereignis" (analog zur Großen Oxidation oder zu ozeanischen Anoxie-Krisen) einzustufen, als seine Definition als formale Epoche mit einem punktuellen Golden Spike zu erzwingen.

In populärwissenschaftlichen Debatten wird häufig die Langlebigkeit der Nicht-Vogel-Dinosaurier (~$160$ Ma) mit der unserer Art (Homo sapiens, ~$0,3$ Ma) verglichen, um den „evolutiven Erfolg" zu beurteilen.

1. a) Benennen Sie den begrifflichen und taxonomischen Fehler, die Dauer einer vollständigen Klade höheren Ranges (Dinosauria, mit Hunderten Gattungen und aufeinanderfolgenden Linien) mit der Langlebigkeit einer einzigen biologischen Art zu vergleichen, und entkräften Sie ihn. Vergleichen Sie das heutige Alter von Homo sapiens mit der mittleren Lebensdauer einer Säugetierart im känozoischen Fossilbericht (~$1$ bis $2$ Ma) und beurteilen Sie, ob unsere Art ihre zu erwartende evolutive Lebensspanne erreicht hat oder nicht.
2. b) Erklären Sie zwei makroevolutive Mechanismen (adaptive Plastizität, trophische Diversifizierung und ökologische Redundanz), die es den Dinosauriern ermöglichten, sich nach dem Massenaussterben an der Trias-Jura-Grenze zu erholen und adaptiv zu radiieren, und vergleichen Sie diese mit der inneren Verletzlichkeit einer heutigen, extrem homogenisierten Biosphäre, die von einer einzigen dominanten Art abhängt.
3. c) Entwerfen Sie zwei begründete evolutive Hypothesen zum stratigrafischen Schicksal der Menschheit in den nächsten 5 Millionen Jahren: eine, die Kladogenese bzw. Artbildung berücksichtigt, und eine, die ein endgültiges biologisches Aussterben ohne Nachkommen berücksichtigt. Beschreiben Sie jeweils die Selektionsdrücke und Isolationsbedingungen, die sie möglich machen würden.

Der stratigrafische Befund nach Massenaussterben zeigt, dass die Biosphäre nach dem Zusammenbruch am Ende des Perms 5 bis 10 Millionen Jahre brauchte, um das Ausgangsniveau an taxonomischem Reichtum und struktureller Komplexität wiederzuerlangen. In der Untertrias beobachtet man den weitverbreiteten „Lilliput-Effekt", die massenhafte Ausbreitung von „Katastrophentaxa" wie dem Synapsiden Lystrosaurus und eine lang anhaltende „Riff-Lücke" von mehreren Millionen Jahren ohne korallenbasierte Riffbauten.

1. a) Begründen Sie ökologisch, warum die Erholung der Vielfalt nicht sofort explosionsartig erfolgt, obwohl Tausende ökologische Nischen leer stehen, und beschreiben Sie dabei die Rolle der Störung biogeochemischer Kreisläufe und des Zusammenbruchs mehrstufiger Nahrungsnetze.
2. b) Erklären Sie die physiologischen Anpassungen und ökologischen Strategien (r- vs. K-Strategen, Generalisten vs. Spezialisten), durch die Organismen wie Lystrosaurus in einem Planeten in der Krise dominant werden und die zeitweilige Verkleinerung der Körpergröße (Lilliput-Effekt) bewirken.
3. c) Angenommen, das aktuelle anthropogene Aussterben ließe die Korallenriffe und tropischen Regenwälder zusammenbrechen: Schätzen Sie, wie viele Menschengenerationen ($1\ \text{Generation} \approx 25\ \text{Jahre}$) nötig wären, bis die Biosphäre ökologische Strukturen gleicher Komplexität wiederhergestellt hat, ausgehend von einer Erholungszeit von 5 Millionen Jahren. Ziehen Sie eine Schlussfolgerung, warum die Betrachtung von Naturschutzentscheidungen unter dem Blickwinkel geologischer Zeit die Tragfähigkeit eines kurzfristigen Managements zunichtemacht.

Herausforderung zum Thema. Welche Geschichte erzählen die Gesteine unter Ihren Füßen? Werden Sie zum Wissenschaftsvermittler des Geologischen Dienstes und rekonstruieren Sie das geologische Gedächtnis Ihrer Umgebung.

1. Beschaffung realer Daten: Rufen Sie den kartografischen Viewer des Geologischen Dienstes auf (in NRW z. B. den des Geologischen Dienstes NRW). Suchen Sie Ihre Gemeinde (oder den nächstgelegenen Naturpark) und bestimmen Sie zwei benachbarte Gesteinsformationen. Notieren Sie ihre Lithologie und ihr chronostratigrafisches Alter (Erdzeitalter, Periode oder Epoche).

2. Zeitskala und Berechnung: Ordnen Sie beide Formationen in die geologische Zeitskala ein. Berechnen Sie, welchen prozentualen Anteil der Erdgeschichte ($4\,560\text{ Ma}$) das ältere Gestein ($t$ in $\text{Ma}$) ausmacht, indem Sie $\% = (t / 4\,560) \times 100$ anwenden und auf mindestens eine Nachkommastelle runden (zum Beispiel $12,5\,\%$).

3. Begründeter Vorschlag: Verfassen Sie einen kurzen Bericht, in dem Sie darlegen, welche stratigrafischen Prinzipien der relativen Datierung (Superposition, Durchschneidung oder Leitfossilien) es erlauben würden, die lokalen geologischen Ereignisse zu ordnen, und wählen Sie ein radiometrisches Verfahren der absoluten Datierung (wie $^{40}\text{K}/^{40}\text{Ar}$ oder $\text{U-Pb}$). Begründen Sie seine Eignung anhand der Lithologie und des geschätzten Alters.

Bewertet wird:

• Sorgfalt beim Entnehmen und Interpretieren der lithologischen und zeitlichen Daten aus dem Viewer des Geologischen Dienstes.

• Rechnerische Richtigkeit und Genauigkeit bei der Einordnung der Alter in die Zeitskala.

• Schlüssige Begründung der vorgeschlagenen relativen und absoluten Datierungsmethoden entsprechend dem geologischen Kontext.