Karbon

Das Karbon ist in der Erdgeschichte das fünfte chronostratigraphische System bzw. die fünfte geochronologische Periode des Paläozoikums. Das Karbon begann vor etwa 359,2 Millionen Jahren und endete vor etwa 299 Millionen Jahren. Es wird vom Perm überlagert und vom Devon unterlagert.

Geschichte und Namensgebung

Das Karbon wurde bereits 1822 von William Daniel Conybeare und William Phillips in England als geologisches System (= Periode) eingeführt ("Carboniferous Series"). Namensgebend sind die weltweit verbreiteten Kohleflöze vor allem im Oberkarbon (lateinisch carbo - Kohle).

Definition und GSSP

Die Untergrenze des Karbon (und gleichzeitig auch der Mississippium-Serie und der Tournaisium-Stufe) wird das Erstauftreten der Conodonten-Art Siphonodella sulcata innerhalb der Entwicklungslinie von Siphonodella praesulcata zu Siphonodella sulcata definiert. Die Obergrenze und damit die Untergrenze des Perm bildet das Erstauftreten der Conodonten-Art Streptognathodus isolatus. Das offizielle Referenzprofil der Internationalen Kommission für Stratigraphie ("Global Stratotype Section and Point" = GSSP) für das Karbon ist das La Serre-Profil in der südöstlichen Montagne Noire (Frankreich). Es handelt sich um einen etwa 80 cm tiefen Schurf am Südabhang des Berges La Serre, ungefähr 125 m südlich des Gipfels (252 m), ungefähr 525 m östlich der Maison La Roquette, 2,5 km nordöstlich der Ortschaft Fontès (Dépt. Hérault, Cabrières, Frankreich).

Untergliederung des Karbon

Das Karbon wird international in zwei Serien mit insgesamt sieben Stufen unterteilt.

• Pennsylvanium
  • Gzhelium (rd. 299–303,9)
  • Kasimovium (rd. 303,9–306,5)
  • Moskovium (rd. 306,5–311,7)
  • Bashkirium (rd. 311,7–318,1)
• Mississippium
  • Serpukhovium (rd. 318,1–326,4)
  • Viséum (rd. 326,4–345,3)
  • Tournaisium (rd. 345,3–359,2)

Regional waren weitere Untergliederungen in Gebrauch. Das mitteleuropäische Karbon wurde in Dinantium ("Unterkarbon") und in Silesium ("Oberkarbon") unterteilt. Die Grenze zwischen mitteleuropäischem Unter- und Oberkarbon und internationalen Unter- und Oberkarbon differiert jedoch. Auch die Obergrenze des Silesium stimmt nicht mit der internationalen Karbon-Perm-Grenze überein, sondern liegt noch deutlich in der Gzhelium-Stufe der internationalen Gliederung. Das russische Karbon wurde in Ober-, Mittel- und Unterkarbon unterteilt.

Die biostratigraphische Zonengliederung beruht hauptsächlich auf marinen Wirbellosen: Goniatiten (eine Gruppe der Ammoniten), Conodonten (zahnähnliche Hartteile schädelloser Chordatiere), Armfüßer (Brachiopoda), Korallen und Großforaminiferen. Im Oberkarbon fußt die biostratigraphische Gliederung für die terrestrischen (festländischen) Ablagerungen zum Teil auch auf Landpflanzen.

Paläogeographie

Bereits im Silur war es zur Kollision der beiden Kontinentmassen Laurentia (Kontinent) (Nordamerika) und Baltica (Nordeuropa und Russische Tafel) gekommen. Dieses plattentektonische Ereignis bezeichnet man als kaledonische Orogenese. Der neu gebildete Kontinent trägt den Namen Laurussia oder auch "Old Red"-Kontinent. Zwischen Laurussia und dem weiter südlich liegenden Großkontinent von Gondwana (Afrika, Südamerika, Antarktis, Australien und Indien) befand sich ein durch verschiedene Terranes, kleinere Massen kontinentaler Kruste, gegliederter Meeresraum. Erste Kollisionen in diesem Bereich hatten schon im unteren Devon die variszische Orogenese eingeleitet. Im Verlauf des Unterkarbon setzte sich die Konvergenz von Laurussia und Gondwana fort und erreichte an der Wende von Unter- und Oberkarbon einen ersten Höhepunkt. Diese Kontinent/Kontinent-Kollision ist die Ursache der variszischen Orogenese in Europa. Im Oberkarbon schloss sich der Bereich zwischen Nordwestafrika und Nordamerika, die Bildung der Appalachen fand damit ihren Abschluss. Mit dem Anschluss des sibirischen und des Kasachstan-Kraton an Laurussia (dabei entstand das Ural-Gebirge) waren schließlich im Perm alle großen Kontinentmassen zu einem Superkontinent, der Pangaea, vereinigt. Der die Pangaea umgebende Ozean wird Panthalassa genannt.

Klima

Zu Beginn des Karbon befand sich die Südspitze Afrikas im Bereich des Südpols. Im weiteren Verlauf des Karbon drehte sich Gondwana im Uhrzeigersinn, zu Beginn des Perm befand sich die Antarktis über dem Südpol. Im Unterkarbon bildeten sich bereits erste Vergletscherungen, die Eisausbreitung fand allerdings erst an der Grenze Karbon/Perm ihren Höhepunkt. Hinweise auf diese permo-karbone-Vereisung finden sich auf allen Teilen des Gondwana-Kontinents in Form von Tilliten (Moränenablagerungen) in mehreren sedimentären Horizonten. Dies lässt auf einen mehrfachen Wechsel von Warm- und Kaltzeiten schließen. Eine Ursache in den weitverbreiteten Kohleablagerungen des Oberkarbon kann in glazio-eustatischen Meeresspiegelschwankungen gesehen werden, die durch wiederholte Bildung großer Inlandseismassen im Südbereich von Gondwana hervorgerufen wurden.

Entwicklung der Fauna

Am Ende des Devon war es zu einem Massenaussterben gekommen, bei dem 50 % aller Arten ausgestorben waren, darunter einige Fische, Korallen und Trilobiten. Es starben auch etliche "Riffbauer" unter den Korallen. Das hatte zur Folge, dass die Zahl der Korallenriffe abnahm. Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass dadurch der Sauerstoffgehalt im Wasser sank. Dies könnte einen Anstoß für die Entwicklungslinie der Amphibien gegeben haben. Erst im mittleren Unterkarbon kam es wieder zu einer größeren Radiation. Die fossilienarme Zeit von vor 360 Millionen bis vor 345 Millionen Jahren wird nach dem Paläontologen Alfred Romer als „Romer-Lücke“ (engl. Romer-Gap) bezeichnet.

Leben in den Ozeanen

Die Placodermi, die in den Ozeanen des Devon die vorherrschende Gruppe waren, erholten sich nicht vom Massenausterben an der Wende Devon/Karbon. Die Entwicklung verlief hin zu beweglicheren Formen der Strahlenflosser. Auch die Trilobiten, die seit dem Kambrium wichtige Leitfossilien waren, überlebten im Karbon nur mit wenigen Arten und verloren ihre bisherige Bedeutung.

Andere gesteinsbildende Organismengruppen waren Moostierchen (Bryozoa, verästelte oder fächerförmige, koloniebildende Tiere) und Formen der Foraminiferen, die Großforaminiferen (vor allem die Gattungen Schwagerina und Fusulina). Großforaminiferen sind einzellige, benthisch lebende, amöboide Lebewesen, die jedoch bis 10 cm Größe erreichen.

Die Ammonoideen, eine Gruppe der Kopffüßer (Cephalopoda), entwickelten im Karbon eine große Diversität. Die Biostratigraphie des Karbon beruht zum großen Teil auf dieser Gruppe. Die ersten innenschaligen Cephalopoden (Tintenfische oder Coleoidea) erscheinen.

Leben auf dem Land

Die ältesten, flügellosen Insekten (Insecta) sind bereits aus dem Unterdevon bekannt. Die ältesten geflügelten Insekten stammen aus dem Oberdevon. Im Oberkarbon waren die geflügelten Insekten bereits sehr divers entwickelt.

Die einzigen an Land lebenden Wirbeltiere des Karbon waren basale Tetrapoden, Amphibien und die ersten Reptilien, darunter die Protorothyrididae. Viele Formen, wie Crassigyrinus behielten jedoch eine aquatische oder zumindest semiaquatische Lebensweise bei. Die Amphibien hatten an Land keinerlei Nahrungskonkurrenten und entwickelten mannigfaltige Formen. Manche Arten erreichten Größen von bis zu sechs Metern.

Die ersten den Reptilien zugeordneten Skelette sind an der Basis des Oberkarbon gefunden worden. Vermutlich während des Oberkarbon entwickelte sich auch das so genannte Amnion-Ei, mit fester Außenschale und zwei Dottersäcken. Da das Amnion-Ei in sich einen abgeschlossenen Flüssigkeitskörper darstellt, bedeutete es größere Unabhängigkeit vom Wasser bei der Fortpflanzung.

Entwicklung der Flora

Man kann das Karbon, zumindest das Oberkarbon, auch als das Zeitalter der Farne bezeichnen. In weitausgedehnten Kohlesümpfen entstanden die weltgrößten Vorräte an Steinkohlen. Die beherrschenden Vertreter der Flora in den Kohlesümpfen waren die Gattungen Schuppenbäume (Lepidodendron) und Siegelbäume (Sigillaria), baumartige Pflanzen, die zur Pflanzenabteilung der Bärlapppflanzen (Lycopodiopsida) gezählt werden. Die Vertreter beider Gattungen erreichten Größen von bis zu 40 Metern und Stammdurchmesser von über einem Meter.

Die Schachtelhalme (Equisetopsida) brachten mit den Kalamiten (Calamites) ebenfalls bis zu 20 Meter große Baumformen hervor (meist sind von den Stämmen nur Steinkerne der verholzten Markröhren erhalten).

Die bereits im Devon erschienene Gruppe der Gefäßsporenpflanzen (Pteridophyta) brachte mit Glossopteris (auf dem damaligen Südkontinent Gondwana) ebenfalls baumartige Formen hervor. Diese Pflanzen zeigten Jahresringe was auf die Gondwana-Vereisung im Oberkarbon zurückzuführen ist.

Seit dem Oberkarbon lassen sich die ersten Vertreter der Nacktsamigen Pflanzen (Gymnospermen, Nacktsamer) nachweisen. Bekannte Beispiele für karbonische Samenpflanzen sind die Farnsamer und die nadeltragenden Cordaiten. Die zu den Voltziales zählende, ebenfalls benadelten Gattungen Lebachia der Utrechtiaceae und Walchia treten erst im obersten Oberkarbon auf. Über die systematische Einordnung der beiden Gattungen existieren unterschiedliche Meinungen[4], teilweise wird z.B. der Gattungsname Lebachia durch Utrechtia ersetzt, Walchia wird oft als Formgattung für nicht sicher einordbare Fossilien geführt (im englischen auch als "walchian conifers" bekannt). Ebenfalls treten die Cordaiten erstmals gegen Ende des Karbons auf. Diese Wälder bildenden Nadelbäume überlebten das Massenaussterben im Perm nicht. Die Cordaiten und die im Unter-Jura ausgestorbenen Voltziales werden zu den Koniferen (Nadelbäume) gestellt.

Das Karbon in Mitteleuropa

Kohlenkalk-Fazies

Am Südrand von Laurussia (dem Kontinent, der sich im Silur durch die Kollision von Laurentia (Nordamerika) und Baltica (Nordeuropa und Russland) gebildet hatte) kam es im Unterkarbon zur Sedimentation von sehr fossilreichen Kalken. Der Bereich der sog. Kohlenkalk-Fazies erstreckte sich von Irland/England, Belgien und die Ardennen über das linksrheinische Schiefergebirge bis nach Polen. Im Bereich Englands wurde die marine Karbonatsedimentation durch mehrere Hochzonen gegliedert (vor allem das London-Brabanter-Massiv und die Normannische Schwelle). Zur Ablagerung kamen Moostierchen-Riffkalke, Schuttkalke und dunkle bituminöse Kalke. An Fossilien sind vor allem Bryozoen, Korallen, Armfüßer (Brachiopoda), Goniatiten und Crinoiden überliefert. Die Mächtigkeit des Kohlenkalk erreicht 300-700 Meter und ist zur südlich anschließenden Kulm-Fazies, siehe unten, durch Riffschutt und Kalkturbidite verzahnt.

Kulm-Fazies

Die Kulm-Fazies schließt sich südlich an die Kohlenkalk-Fazies an, sie stellt eine synorogene Sedimentation dar, also Ablagerungen, die gleichzeitig mit der Gebirgsbildung der variszischen Orogenese erfolgten. Das klastische Material wurde dabei von der Mitteldeutschen Kristallinschwelle, damals ein Inselbogen, geliefert. Das Sedimentationsbecken, in dem die Kulm-Fazies zur Ablagerung kam, wurde durch diese Schwelle grob in einen nördlichen und einen südlichen Bereich geteilt. Der nördliche Bereich bildet heute das Rheinische Schiefergebirge. In diesem Beckenbereich kamen hauptsächlich Tonschiefer (mit der bivalven Muschel Posidonia becheri) und Radiolarien führende Kieselschiefer (Lydite) zur Ablagerung.

Im südlichen Bereich herrschte eine Flyschfazies mit turbiditischen Sandsteinen, Grauwacken und Olisthostromen vor. Die Kulm-Fazies erreichte in diesem südlichen Becken Mächtigkeiten von bis zu 3.000 Meter.

Die variszische Orogenese

Beim variszischen Gebirge handelt es sich um ein kompliziert gebautes Decken- und Faltengebirge. Die enorme Krustenverkürzung macht sich in starken Verfaltungen und internen Überschiebungen bemerkbar. Der Name stammt von den Variskern, einem im Vogtland ansässigen Volksstamm. Das mitteleuropäische Variszikum wird von Norden nach Süden in folgende Zonen eingeteilt:

• Das Subvariszikum stellt einen Molassetrog dar, der im Oberkarbon die Abtragungsprodukte des aufsteigenden Gebirges aufnahm. Im Subvariszikum, beziehungsweise an dessen Randbereich entwickelten sich außerdem im Oberkarbon die größte Masse der mitteleuropäischen Kohlevorkommen.
• Das Rhenoherzynikum umfasst Harz, Ardennen, Rheinisches Schiefergebirge und reicht bis Cornwall.
• Zum Saxothuringikum gehören die Sudeten, das Erzgebirge, Thüringer- und Frankenwald, Spessart und Odenwald und die nördlichen Bereiche der Vogesen und des Schwarzwalds, wobei Odenwald, Spessart und zudem Pfalz, Ruhla und Kyffhäuser zur mitteldeutschen Kristallinzone zählen, die der nördliche Teil des Saxothuringikums darstellt.
• Das Moldanubikum umfasst die Böhmische Masse, Schwarzwald und Vogesen.

Die ersten Kollisionen von Terranes (kleinere Massen kontinentaler Kruste) fanden bereits im Devon statt. Zur Hauptfaltungsphase der variszischen Orogenese kam es an der Grenze Unter/Oberkarbon, auch als sudetische Phase bezeichnet. Bis ins Perm ist in den mitteleuropäischen Varisziden tektonische Aktivität nachweisbar.

Oberkarbon - Die postvariszische Entwicklung

Während der Hauptphase der variszischen Gebirgsbildung waren große Teile Europas zu Festland und damit zu Abtragungsgebieten geworden. Die Sedimentation im Oberkarbon unterschied sich damit grundlegend von den Verhältnissen im Unterkarbon.

Subvariszikum

An den Rändern des Subvariszischen Beckens entwickelte sich hauptsächlich im Westfalium ein Gürtel mit ausgedehnten paralischen Kohlesümpfen (zur Entstehung paralischer Kohlen kommt es an Küstengebieten: durch wiederholten Anstieg und Abfall des Meeresspiegels werden Sumpfgebiete überschwemmt, von Schlamm überdeckt und wieder zu Festland, sodass sich neue Sumpfgebiete entwickeln ...). Dieser Gürtel paralischer Kohlesümpfe zog sich von Südengland über das Ruhrgebiet bis nach Polen. Im Ruhrgebiet erreicht das Oberkarbon eine maximale Mächtigkeit von 6000 Metern.