Das Geheimnis des Zirkons: Ich weiß, was Dinosaurierfossilien durchgemacht haben

Vor mehr als 70 Millionen Jahren lebten Zehntausende Entenschnabeldinosaurier in der Region Zhucheng (heute Stadt Weifang, Provinz Shandong) und erlebten später ein katastrophales Massensterben, wobei ihre Überreste freigelegt wurden und in der Wildnis verrotteten. Unter dem Einfluss des Erdrutsches sammelten sich diese Überreste in tiefer gelegenen Gebieten wie dem Dinosaur Stream und Zangjiazhuang und wurden schnell begraben.

Dinosaurierfossiliengalerie im Dinosaur Stream (90 % der Fossilien sind Entenschnabeldinosaurier)

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Die Überreste verwandelten sich nach einer langen Zeit der Diagenese in Fossilien. Viele Jahre später wurden diese Fossilien durch Erdkrustenbewegungen an die Oberfläche gebracht und durch die Ausgrabungen der Wissenschaftler wurde ihr Geheimnis nach und nach gelüftet.

**Nach und nach tauchen neue Fragen auf: Auf welchem ​​Weg wurden die Dinosaurierfossilien „transportiert“? **Da es so lange her ist, scheint es unmöglich, diese Frage zu überprüfen. Die Zirkon-Datierung, eine neue Methode zur Altersbestimmung von Gesteinen, hat das Rätsel jedoch gelöst.

Zirkon: Ein wertvolles Mineral aus magmatischen Gesteinen

Bevor wir uns mit der Datierung von Zirkonen befassen, schauen wir uns zunächst an, was Zirkon ist.

Zirkon ist ein Silikatmineral, das als akzessorisches Mineral in verschiedenen magmatischen Gesteinen (Gesteine, die beim Abkühlen von Magma entstehen) vorkommt. Es ist auch das wichtigste Erz zur Gewinnung von metallischem Zirkonium. Zirkon ist chemisch stabil und bleibt häufig in Treibsanden erhalten und kommt als detritisches Material in Sedimentgesteinen und sedimentär metamorphen Gesteinen vor.

Roter Zirkon (Bildquelle: Wikipedia)

Es gibt viele Arten von Zirkon, und verschiedene Zirkone haben unterschiedliche Farben, darunter Weiß, Orange, Braun, Grün oder farblos und transparent usw. Zirkon in Edelsteinqualität sieht nach dem Schleifen Diamanten sehr ähnlich.

Wie funktioniert die „Zirkon-Datierungsmethode“?

Da Zirkon weit verbreitet ist und stabile chemische Eigenschaften besitzt, wird es häufig bei der „Isotopen-Datierung“ verwendet, um das Alter von Gesteinen zu bestimmen.

Grundlage der Isotopendatierung ist das Gesetz des radioaktiven Zerfalls. Durch Messung des Isotopengehalts des Mutterkörpers und seiner durch Zerfall entstandenen Tochterkörper kann mit Hilfe des Zerfallsgesetzes die Zeit seit der Entstehung, also das „Alter“, berechnet werden.

In der Natur gibt es zwei Arten von Isotopen: radioaktive Isotope (Mutterisotope), die spontan zerfallen können und andere Isotope (Tochterisotope) bilden. Dieser Vorgang wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet.

Der andere Typ sind stabile Isotope, die nicht spontan zu anderen Isotopen zerfallen oder deren Isotopenhäufigkeitsänderungen aufgrund ihrer langen Zerfallsperiode vernachlässigbar sind. Der radioaktive Zerfall hat eine gewisse Periode und verändert sich im Allgemeinen nicht mit der Umgebung, weshalb Radioaktivität zur Altersbestimmung verwendet werden kann.

Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls besagt, dass die Anzahl der Atome, die pro Zeiteinheit zerfallen, proportional zur Anzahl der Atome des vorhandenen radioaktiven Mutterkörpers ist.

Durch einfaches Messen des genauen Mutter-/Tochterisotopenverhältnisses kann das Alter des Materials berechnet werden.

Die „Zirkon-Datierungsmethode“ nutzt das Prinzip, dass U- und Th-Isotope in Zirkon in Pb-Isotope zerfallen.

Zirkon ist relativ reich an radioaktiven Elementen wie U und Th und enthält anfangs fast kein Pb. Pb entsteht erst nach dem Zerfall. Zirkon ist außerdem sehr widerstandsfähig gegen Erosion und daher das beste Mineral zur Datierung. Es wird häufig verwendet, um das Spitzenalter verschiedener hochgradiger Metamorphosen und das Kristallisationsalter magmatischer Gesteine ​​zu bestimmen und liefert chronologische Informationen zu regionalen tektonischen magmatischen Aktivitäten.

In den letzten Jahren haben Forscher die umfangreichen Altersinformationen in Zirkonen in Kombination mit den Eigenschaften der Muttergesteine ​​rund um das Becken genutzt, um die Materialquelle in verschiedenen Perioden innerhalb der Senke zu identifizieren, d. h. die Materialquelle für Sedimentgesteine ​​im Sedimentgebiet.

In einem Sedimentbecken muss die Alterskombination von Zirkonen in Sandkörpern aus derselben Quelle gleich sein, während die Alterskombination von Zirkonen in Sandkörpern aus verschiedenen Quellen deutliche Unterschiede aufweist.

Durch die Messung des U-Pb-Altersspektrums von Zirkon-Einzelkörnern in Sedimenten innerhalb eines Sedimentbeckens können wir den Hintergrund und die Eigenschaften des Quellgebiets effektiv zurückverfolgen und die intrinsische Verbindung zwischen der Beckenabsenkung und wichtigen tektonischen Zeiten ermitteln.

Die Bestimmung der Herkunft der Dinosaurierfossilienschicht von Zhucheng zeigt, dass die Zirkon-Datierungsmethode ihre Fähigkeit zeigt

Der zentrale Teil der Provinz Shandong wird durch die Tanlu-Verwerfungszone in Ost-Shandong und West-Shandong geteilt. Das Jiaolai-Becken liegt in der östlichen Region Shandong auf der Ostseite der Tanlu-Verwerfungszone. Der südöstliche Teil des Beckens ist das Sulu-Terran, der nördliche Teil das Jiaobei-Terran.

Der „Zhucheng Sag“ liegt im südlichen Teil des Jiaolai-Beckens, wo hauptsächlich die Schichten aus der Kreidezeit bis zum Känozoikum entwickelt sind. Das Kreidesystem besteht von unten nach oben hauptsächlich aus der Laiyang-Gruppe der Unterkreide, der Qingshan-Gruppe und der Wang-Gruppe der Oberkreide. Unter ihnen ist die Hongtuya-Formation der Wang-Gruppe aus der Oberkreide die wichtigste Grabschicht für Dinosaurierfossilien. Die mittleren und unteren Teile der Hongtuya-Formation bestehen aus Zwischenschichten aus Sand und Konglomerat aus alluvialen, fächerartig verflochtenen Flussphasen. Zahlreiche Fossilien von Dinosaurierknochen sind in Schlammlawinen und Ablagerungen in Überschwemmungsgebieten vergraben.

Verteilung magmatischer Gesteine ​​in der Provinz Shandong und Überblick über stratigraphische Aufschlüsse im Gebiet Zhucheng (Bildquelle: Geological Review)

Um die Hadrosaurierfossilien in der Region Zhucheng weiter zu erforschen, wählten die Geologen An Wei, Kuang Hongwei, Liu Yongqing und andere vom Institut für Geologie der Chinesischen Akademie der Geowissenschaften im Jahr 2016 sechs Sandsteinproben mit detritischen Zirkonen aus der Dinosaurierfossilienschicht am Boden der Red Soil Cliff Formation der Wang-Gruppe aus der Oberkreide in der Nähe des Kugou-Dinosaur Stream, Zangjiazhuang und Kugou aus, um sie auf detritische Zirkone zu datieren. (Die meisten Zirkonpartikel sind eckig bis fast eckig, was darauf hindeutet, dass sie nicht über weite Entfernungen transportiert wurden.)

Es sind diese sechs Sandsteinproben, die den Geologen dabei geholfen haben, den Ursprung der Dinosaurierfossilschicht von Zhucheng in vielerlei Hinsicht zu bestätigen.

Die Forschung zeigt, dass die Hauptquelle der Sedimente der Dinosaurierfossilienschicht der Wang-Gruppe im Gebiet Zhucheng die Vulkangesteine ​​der Qingshan-Gruppe in Laiyang im Norden und der Yishu-Verwerfungszone im Nordwesten sind, und dass die Vulkangesteine ​​der Qingshan-Gruppe am südlichen Rand des Zhucheng-Beckens das sekundäre Quellgebiet sind.

Beweis 1: 72 % der Zirkone in den 536 detritischen Zirkonkörnern der sechs Proben stammen aus dem Mesozoikum, was mit dem Alter der Vulkangesteine ​​der Qingshan-Gruppe und dem Alter der Granite im Norden und Süden übereinstimmt.

Beweis 2: Die Kieskomponenten im fossilhaltigen Konglomerat der Wang-Gruppe bestehen fast vollständig aus Vulkangestein und pyroklastischen Gesteinen, während die Qingshan-Gruppe ebenfalls aus Vulkangestein besteht, was die Möglichkeit ausschließt, dass die südlichen und nördlichen Granite die Quellgebiete sind.

Beweis 3: In der Dinosaurierfossilienschicht der Wang-Gruppe in Zhucheng kam der ursprüngliche Wasserfluss hauptsächlich aus dem Norden und Nordwesten, ein kleiner Teil auch aus dem Süden. Die Vulkangesteine ​​der Qingshan-Gruppe sind hauptsächlich im nördlichen Laiyang-Gebiet von Shandong verbreitet, eine kleine Menge ist in der südlichen Zhucheng- und Yishu-Riftzone und sporadisch im westlichen Shandong verbreitet.

Darüber hinaus ähneln die zahlreichen Dinosaurierknochenfossilien, die in der Hongtuya-Formation der Wangshi-Gruppe in der Oberkreide im nördlich gelegenen Gebiet Laiyang erhalten geblieben sind, hinsichtlich der Fossilienarten und Grabschichten den Dinosaurierfossilien im Gebiet Zhucheng. Die Kategorien sind hauptsächlich Entenschnabeldinosaurier, darüber hinaus gibt es auch Horndinosaurier, Ankylosaurier, Coelurosaurier, Tyrannosaurus, Sauropoden und andere Kategorien.

Die Hauptschichten, in denen die Dinosaurierfossilien von Zhucheng vergraben sind, sind dieselben wie jene in der Gegend von Laiyang. Beide gehören zur Hongtuya-Formation und sind Schwemmfächerablagerungen. Die wichtigste Voraussetzung für die Bildung großer Schwemmfächer ist eine orogene Bewegung oder eine starke Blockbewegung. Tektonische Bewegungen führen zu verstärkter Erosion und erhöhter Flussenergie im Sedimentquellgebiet (Jiaobei-Massiv und Laiyang-Gebiet). Insbesondere wenn die Hebungsgeschwindigkeit die Schnittgeschwindigkeit des Flussbetts übersteigt, ist die Bildung extrem dicker Schwemmfächer begünstigt.

Anhand der Materialherkunft und der historischen Fließrichtung des Wassers in der Fossilienschicht der Wang-Gruppe im Gebiet Zhucheng lässt sich erkennen, dass während der Ablagerungsperiode der Wang-Gruppe in der Oberkreide der paläogeomorphe Hintergrund im Allgemeinen im Norden hoch und im Süden niedrig war. Insbesondere das Laiyang im Norden, die Yishu-Verwerfungszone im Nordwesten und die Vulkangesteine ​​der Qingshan-Gruppe aus der frühen Kreidezeit am südlichen Rand des Beckens könnten einer tektonischen Hebung ausgesetzt gewesen sein und so eine Erosionszone gebildet haben, die die Materialquelle für die Ablagerung der Dinosaurierfossilienschicht der Wang-Gruppe in der späten Kreidezeit darstellte.

Sedimentquellenkarte der Dinosaurierfossilienschicht der Wangshi-Gruppe in Zhucheng, Provinz Shandong (1 – Sedimentgebiet; 2 – Dinosaurierfossilien; 3 – Tanlu-Verwerfung (Tancheng-Lujiang); 4 – Provinzrichtung; 5 – Paläoerosionsgebiet; 6 – Paläoströmung; 7 – Kieskomponente. A – Andesit; B – Tuff; C – Rhyolith; D – Basaltandesit; E – Tuffsandstein; F – Tuffbrekzie)

(Bildquelle: Geological Review)

Dank der Zirkon-Datierungsmethode wurde die Geschichte dieser „armen“ Dinosaurierreste nach und nach klar: Am Ende der Oberkreidezeit kam es häufig zu Erdbeben und intensive vulkanische Aktivitäten führten zu häufigen Schlammlawinen. Infolgedessen bildeten sich entlang des Jiaobei-Körpers und des Laiyang-Gebiets auf der Nordseite in Richtung des Jiaolai-Beckens zahlreiche Schwemmfächer und verzweigte Flussablagerungen. In dieser rauen Umgebung wurden die Überreste der Dinosaurier, die in Gruppen starben, durch Überschwemmungen oder Erdlawinen von Norden nach Süden gespült und transportiert und schließlich gemeinsam in der Region Zhucheng begraben.

Die Welt hat sich dramatisch verändert. Dank des technologischen Fortschritts und der Bemühungen der Wissenschaftler sind wir heute in der Lage, die Einzelheiten dessen zu erforschen, was vor zig Millionen Jahren geschah.

Quellen:

1. An Wei, Kuang Hongwei, Liu Yongqing et al. Detritische Zirkon-Datierung und Herkunftsverfolgung der Dinosaurierfossilienlagerstätten der Wang-Gruppe aus der späten Kreidezeit in Zhucheng, Provinz Shandong[J]. Geological Review, 2016, 62(2): 453-471.

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Sun Jiafeng (Zhucheng Dinosaur Culture Research Center)

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften