Forschende haben das Gestein des Mweru-Grabensystems untersucht, um Jahrmillionen der Landschaftsentwicklung nachzuvollziehen. Sie machten sich dabei bestimmte Elemente zunutze, die durch den Einfluss kosmischer Strahlung entstehen, so genannte kosmogene Nuklide. Der Mweru-Graben ist die südwestliche Erweiterung des Ostafrikanischen Grabensystems und beherbergte einst einen riesigen See. Dessen Ausdehnung haben die Forschenden anhand kosmogener Nuklide erstmals bestimmt.

Der Ostafrikanische Graben (East African Rift System, EARS) ist einer der am besten untersuchten, aktiven intrakontinentalen Gräben der Erde. Er ist mehr als 3.000 Kilometer lang und war während des gesamten Neogens aktiv, d.h. seit mindestens rund 25 Millionen Jahren. Forschende haben hier die einzigartige Gelegenheit, die Entwicklung eines kontinentalen Grabenbruchs zu untersuchen: vom anfänglichen Aufbrechen der Erdkruste bis zum beginnenden ozeanischen Rifting und schließlich zur Öffnung zukünftiger Ozeane.

Bisher war über die Entwicklung der Landschaft des westlichen Zweiges des Ostafrikanischen Grabens und der dort entstandenen Seen, die sich über tausend Kilometer erstrecken, nur wenig bekannt. Die gerade im Wissenschaftsjournal „Geomorphology“ erschienene Studie von Spiros Olivotos und seinen Kollegen*innen untersuchte Schlüsselmechanismen der dortigen Landschaftsentwicklung. Dabei betrachteten die Forscher*innen die heutigen Seen Mweru und Mweru Wantipa, die zwischen der ‚Northern Province‘ von Sambia und der südöstlichen Katanga-Provinz der Demokratischen Republik Kongo liegen.

Es wurde wissenschaftlich schon länger vermutet, dass der ursprüngliche Mweru-See, der Gegenstand dieser Forschung war, einen großen Stausee bildete. Doch keine wissenschaftliche Feldarbeit und/oder geomorphologische Analyse hat bisher die genaue Ausdehnung und Dauer eines größeren Paläosees Mweru erforscht. Einige große und tiefe Paläoseen während des Plio-Pleistozäns sind in der Region schon gut belegt, so zum Beispiel die Paläoseen Turkana, Edward-Albert, Obweruka, Bangweulu, Magadi, Thamalakane oder auch Tanganyika.

Kosmogene Nuklide

Das Team arbeitete im Rahmen seiner Untersuchungen nun mit sogenannten kosmogenen Nukliden. Sie nutzten Beryllium (¹⁰Be) und Aluminium (²⁶Al), welche zu den sechs am häufigsten verwendeten Nukliden gehören: ³He, ¹⁰Be, ¹⁴C, ²¹Ne, ²⁶Al und ³⁶Cl. Diese werden durch Einwirkung der kosmischen Strahlung, einer energiereichen Partikelstrahlung aus dem All, in Gesteinen der Erdoberfläche produziert und machen es daher möglich, die Freilegung von Gesteinsoberflächen zu datieren. Zurückschauen kann man mit dieser Methode in einen Zeitraum von vor ca. 100 bis zu 10 Millionen Jahren.

Die Methode der in-situ terrestrischen kosmogenen Nuklide revolutioniert gerade die Art und Weise, wie Wissenschaftler*innen über lange geologische Zeiträume die Entwicklung von Landschaften untersuchen können. Dabei können jeweils einzelne oder auch mehrere Nuklide einer Gesteinsoberfläche mit Hilfe der Beschleuniger-Massenspektrometrie oder Edelgas-Massenspektrometrie gemessen werden. Es wird so das Verhältnis eines (Radio-)Isotops zu einem anderen – stabilen – Isotop desselben Elements gemessen. Man macht sich die Halbwertszeiten zunutze: ¹⁰ Be hat beispielsweise eine Halbwertszeit von 1,39 Millionen Jahren, ²⁶Al eine Halbwertszeit von 705.000 Jahren.

So erfahren Forschende, was die Erosionsraten auf Geröll- und Felsoberflächen waren, mit welcher Geschwindigkeit sich Flüsse in die Landschaft schnitten, wie schnell einzelne Landformen oder ganze Einzugsgebiete freigelegt wurden (Denudationsraten). Es kann beleuchtet werden, wie Gesteinsoberflächen und Sedimente verschüttet wurden, aber auch wie sich Steilhänge zurückzogen, man erfährt die Verwerfungsraten und erhält Informationen zur Paläoseismologie und Paläoaltimetrie. Kurzum: Kosmogene Nuklide eröffnen ungeahnte Möglichkeiten.

Minimales Expositionsalter von Knickpunkten (Wasserfällen)

In dieser Studie von Spiros Olivotos wurde durch die Interpretation eines Netzwerks von Oberflächen-Expositionsdaten wichtiger Landformen das Alter der Entstehung des Paläosees Mweru und seiner Ausdehnung abgeleitet. Proben wurden jeweils auf den beiden Hochplateaus „Mporokoso-Plateau“ und „Kundelungu-Plateau“, welche den heute vorzufindenden See umgeben und begrenzen, gesammelt. Die Forschenden nahmen sehr viele Gesteinsproben an Wasserfällen, Geolog*innen sprechen von Knickpunkten.

Solche Knickpunkte steuern ganz wesentlich die geografische Verteilung von Leben (Biota), da sie als natürliche Barrieren für die Ausbreitung von Arten, insbesondere Fischen, fungieren. Populationen, die flussaufwärts bzw. flussabwärts solcher natürlichen Barrieren leben, entwickeln sich unterschiedlich. Geologisch sind solche Punkte besonders aussagekräftig, weil es möglich wird, das minimale Expositionsalter des Knickpunkts an seiner aktuellen Position zu bestimmen. Auch die Rückzugsraten des Knickpunkts und die maximalen Denudationsraten können bestimmt werden. Insgesamt wurden sechsundzwanzig Proben von quarzitischem Grundgestein genommen. Weitere wichtige Landschaftsformen für die Probenahme waren neben Wasserfällen (Knickpunkten) Flussbetten und Verwerfungslinien.

Ergebnisse der Studie

Die Analyse der Verwerfungen zeigt, dass seit dem Miozän Bewegungen entlang des aktiven Mweru-Mweru Wantipa Fault Systems für die Umstrukturierung der Landschaft und der Entwässerungsmuster im westlichen Zweig des EARS verantwortlich sind. Der Abgleich der beobachteten Verschüttungsmuster mit morphotektonischen und stratigraphischen Analyse zeigt die Existenz eines ausgedehnten Paläosees während des Pleistozäns. Durch hypsometrische Analysen der nun datierten Knickpunkte konnte der Wasserstand des Paläosees auf ~1200 m ü. NN eingegrenzt werden. Hohe Denudationsraten von bis zu ~40 Millimeter pro 1000 Jahre entlang des östlichen Kundelungu-Plateaus deuten darauf hin, dass die durch normale Verwerfungen hervorgerufene Hebung einen schnellen Einschnitt des Flusses verursachte und damit die Entwässerung des Paläosees kontrollierte.

Dieser nun identifizierte Paläo-See übertraf die Größe der heutigen Seen Mweru und Mweru Wantipa bei weitem. Eine Entstehung vor etwa 2,6 Millionen Jahren ist wahrscheinlich. Die Existenz des Sees stimmt auch mit den phylogenetischen Analysen der molekularen Uhr von endemischen Fischarten überein, die ebenfalls die Entstehung des Paläosees auf das späte Pliozän - frühe Pleistozän eingrenzen.

Originalstudie:
Spiros Olivotos, Samuel Niedermann, Tyrel Flügel, Vasiliki Mouslopoulou, Silke Merchel, Fenton Cotterill, Bodo Bookhagen, Andreas Gärtner, Georg Rugel, Andreas Scharf, Marie-Josée Nadeau, Régis Braucher, Martin Seiler (2021): Quaternary landscape evolution in a tectonically active rift basin (paleo-lake Mweru, south-central Africa), Geomorphology, Volume 381, 2021, 107669. Link

Die Studie ist Teil des Projekts: “Exploiting the Genomic Record of Living Biota to Reconstruct the Landscape Evolution of South Central Africa” (Förderung durch die VolkswagenStiftung)

Wissenschaftlicher Kontakt:
Spiros-Christos Olivotos
Anorganische und Isotopengeochemie (3.1)
Doktorand
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