Had het Messelmeer een kortstondig bestaan?

door Michael Kotulla

Afb. 1

Samenvatting: De Groeve Messel is als vindplaats van fossielen niet alleen bekend bij professionals. Sinds 1995 staat het na een verzoek van de deelstaat Hessen op de werelderfgoedlijst van UNESCO en is het toegankelijk voor het publiek. De sedimenten van het meer, met hun fossielen, zouden zich gedurende een periode van 1 miljoen jaar hebben gevormd – als seizoen afzettingen in een jaarlijks ritme. Deze tijdsduur kan echter niet simpel worden afgeleid uit de geologische gegevens – integendeel.

Inleiding: Vorming van het Eocene Messelmeer en verlanding

Met de voldoende diepe onderzoeksboring Messel 2001 (tot 433 m diepte) in het centrum van de Messel groeve (afb. 2) zou het bewezen kunnen worden, dat de holle vorm van Messel vulkanisch is en niet zoals lang beweerd werd – van tektonische oorsprong. De volgorde van gebeurtenissen kan nu zoveel mogelijk worden gereconstrueerd via de uit de boring verkregen gesteenten (gedeeltelijk volgens Felder & Harms 2004; zie Tab. 1 en afb. 3):

Het begint als omhoog geperste gesmolten gesteentemassa nabij het aardoppervlak op grondwater stuit. Heftige magma-stoomexplosies vormen een trechtervormige kraterpijp (diatreem). Die wordt tijdens de uitbarsting of direct daarna eerst gedeeltelijk gevuld met vallend materiaal (diatreem-breccie, 373-433 m). Onmiddellijk daarna leidt uitgestoten, terugvallend of instortend materiaal (as, lapilli, tufsteen), dat zich ook nog vermengt met aangrenzend gesteente, tot een verdere opvulling van de kraterpijp (zogenaamde pyroclastica, voornamelijk lapilli-tufsteen; 228-373 m). De resterende holle vorm, een bekken met een diameter van max. 1.500 meter en een diepte van max. 300 meter wordt snel gevuld met grondwater en mogelijk ook met oppervlaktewater. De eerste lagen sedimenten van het meer ontstaan hoofdzakelijk door zware herschikkingen van het materiaal van de kraterwanden en de tufstenen muur, de zogenaamde resedimenten* (143-228 m).

Aan de basis door dikke resedimenten onderbroken, bevindt zich in het midden van het bekken zwarte peliet (een andere, oudere aanduiding is Messelse olieschalie; 0-143 m), die getuigt van een accumulatie van fijnkorrelig, organisch-rijk materiaal. Bij de bekkeninhoud moet ook de gedolven olieschalie met een laagdikte van ongeveer 55 meter worden meegerekend. Uit deze hoogste sectie zijn de zeer goed bewaard gebleven faunale- en florale fossielen¹ verkregen.

Het vulkaanmeer van Messel was zo tot een kleinschalige val voor sedimenten en organismen tot het moment dat hij was dichtgeslibd. De afsluitende fase van het meer is niet bewaard; het bovenste deel van de kraterrand en de tufstenen wand zijn verwijderd. En de voorheen bovenop liggende, meters dikke bont-geschakeerde lagen oliehoudende schalie zijn grotendeels verwijderd door mijnbouw.

Afb. 2

De olieschalie – een seizoensafhankelijk sediment!?

De Messeler olieschalie is een gedeeltelijk gelamineerde of fijn gelaagde, schalie rijk aan organisch materiaal (zwarte peliet). Het bevat in vochtige toestand ongeveer 35 gewichtsprocent kleimineralen, ca. 25 gewichtsprocent organische stoffen (voornamelijk algenresten) en ca. 40 gewichtsprocent water.

De fijne gelaagdheid of laminering van de oliehoudende schalie wordt voornamelijk toegeschreven aan een wisseling van algenrijke en algenarme lagen of een opeenvolging van algen- en kleilagen. Deze wisseling wordt gekoppeld aan een seizoensgebonden, jaarlijks ritme (Matthes 1966, Irion 1977, Goth 1990, Lenz et al. 2010).

Goth (1990, 84) verklaart het ontstaan van de gelamineerde olieschalie, die hij ook als algenlaminiet kenmerkt, als volgt: „De opeenhoping van algenresten² als gevolg van de seizoensafhankelijke algengroei veroorzaakt de fijne laminering van de olieschalie. De horizonten tussen de algenrijke lagen vertegenwoordigen de achtergrondsedimentatie* van vrijwel een heel jaar tussen twee algenbloei-perioden. Dit sedimentatiepatroon is detecteerbaar over de gehele dikte van de olieschalie. De externe omstandigheden moeten tijdens de gehele periode van het bestaan van het Messelmeer constant zijn gebleven.“ Bijgevolg vertegenwoordigen twee opeenvolgende lagen (couplet) één „jaarlaag“ ofwel één „olieschalie warve“.

Door coupletten („jaarlagen“) in enkele dunne secties te tellen, berekende Goth (1990, 84) een gemiddelde sedimentatiesnelheid van 0,1 tot 0,2 mm per [warve-] jaar, die hij vervolgens toepast op de totale laag. Gebaseerd op een geschatte totale dikte van de olieschalie van 190 m, gecorrigeerd voor sedimentaccumulatie door aardverschuivingen, berekent hij een „ontstaansperiode van het Messelmeer (…) van bijna een miljoen jaar.“ Als de sedimentatiesnelheid van Goth gemiddeld 0,15 mm per [warve-] jaar bedroeg over een totale dikte van ongeveer 155 m (Felder & Harms 2004, gemiddelde Messel-formatie), resulteert dit in 1.033.333 [warven-] jaren. 1 Miljoen jaar – dat is dan ook de vormingstijd van de oliehoudende schalieafzettingen die in het bezoekerscentrum van de Messel groeve (opening 2010) wordt gerapporteerd (afb. 4).³

Goth (1990) heeft echter geen bewijs geleverd van een seizoenskarakter. Integendeel, zijn „sedimentatiepatroon“ is afgeleid van een theorie-gestuurd sedimentatiemodel. Zijn idee van een seizoensgebonden, jaarlijks gebeuren („olieschalie warve“) drukte hij op de gehele olieschalie kolom. Deze benadering, waarbij herhalende wisselingen van lichte en donkere fijn gelamineerde lagen worden toegeschreven aan jaren – zonder enig bewijs van een seizoensgebonden gebeuren te leveren – is een gangbare praktijk in de geochronologie (Kotulla 2014, 3-01 e.v.).

Door gebeurtenissen veroorzaakte sedimentatie

Vorming van de zwarte peliet

Volgens Irion (1977) zijn de fijne laminaatlagen gemiddeld ongeveer 0,1 mm dik. Bij microscopische bestudering van slijpplaatjes is vaak een onduidelijke ontwikkeling van het laminaat waar te nemen (bijvoorbeeld in de illustraties van Irion 1977, Goth 1990 en Lenz et al. 2010); de overgangen zijn onscherp, golvend of aderig. De deeltjesophopingen zien er uit als troebele geklonterde wolken en zelfs over de kleine breedte van slechts 1 cm worden de „laminae“ vaak dunner of ze verdwijnen zelfs. Weber (1988, 59) gebruikt daarom de term „pseudo-laminatie“.

De vorming van de Messelse olieschalie is uiterst divers in detail.

Afb. 3

De gedetailleerde macroscopische beschrijving van het 101 m lange kerndeel van de onderzoeksboring 2001 (zwarte peliet van de middelste Messel-formatie) toont ongeveer 2000 afzonderlijke onderdelen, vaak in het cm-bereik (Felder & Harms 2004, bijlage 2). Naast een fijn gelamineerde vorming van zwarte peliet (meer dan 800 vermeldingen) ligt een aderige vorming vrijwel net zo voor de hand. Bovendien is de zwarte peliet gedeeltelijk massief (homogeen) gevormd (ongeveer 100 vermeldingen). Ook duikt er vaak een grovere klastische, zanderige vorm op (meer dan 700 vermeldingen). Een macroscopisch opvallende tracé van klasten (rotsfragmenten) wordt meer dan 500 keer vermeld, de korrelgrootte „grind/grindachtig“, vaak in verband met de klasten, meer dan 400 maal.

Het is opmerkelijk dat meer dan 1.000 maal de term „gradueel verlopend“ (een significante toe- of afname in korrelgrootte) wordt gebruikt. Roodbruine laagjes, vermoedelijk alginiet laagjes, worden (vaak in meervoud) slechts meer dan 80 keer vermeld.

Ook kunnen de afzonderlijke beschrijvingen van Goth (1990), die betrekking hebben op kortere profielen van de voormalige dagbouw-mijn, als volgt worden samengevat: de zwarte peliet sediment-sequentie is heterogeen in detail. Een duidelijke fijn-laminering lijkt niet de overhand te hebben. In de door hem gedefinieerde normale vorming (normale facies) van de olieschalie verkrijgt het anorganische sediment (pas) door „ritmische afzetting van algenomhulsels“ zijn laminering, waardoor de discrete (begrensbare) vorming van een algenlaag zelden voorkomt (pag. 42).

Interpretatie

Goth (1990) interpreteerde de secties van de zwarte peliet-sequenties van de voormalige bovengrondse mijn al als turbidieten, als (snelle) gebeurtenis-afzettingen van troebelingstromen* (turbidity currents). Een duidelijk onderscheid alsook een kwantificering lijkt hier echter problematisch. Hij beschrijft o.a. „gegradeerde lagen“, „opgeloste/verstoorde fijne stratificatie“ en „opgewerkte olieschalie flarden“ en classificeert deze verschijnselen als „turbiditische olieschalie lagen“ of „klastische turbidieten“.

Felder & Harms (2004) daarentegen gebruiken het begrip turbidiet niet in hun interpretatie van de zwarte peliet sequentie. Ze gaan noch in op de 1000-voudige gradering, een indicatie van turbiditische afzettingen, noch op de waargenomen onregelmatige sedimentveranderingen met tussenpozen van minder dan één tot ongeveer 20 cm. De dunne aderige zwarte peliet laagjes worden echter geïnterpreteerd als herschikkingen van binnen het bekken (p. 173), dus ook als (micro-)resedimenten.

Daarnaast is het vermeldenswaard, dat Pirrung (1998, 15) „onduidelijk gelaagde, deels aderige, massieve of homogene klei en silt“ van het Döttinger vulkaanmeer (Eifel) interpreteert als distale turbidieten (verder weg van de plaats van oorsprong).

Zover kan (en moet) op grond van sedimentkenmerken (snelle) sedimentatie of resedimentatie worden aangenomen voor het grootste deel van de zwarte peliet. Het transport van het materiaal naar het bekkencentrum gebeurde hoofdzakelijk via troebelingsstromen en ongeordende puinstromen* van verschillende dimensies. 

Bovendien kunnen troebelingsstromen ook een primaire laminering veroorzaken, die alle vormen kan hebben van fijn en regelmatig naar fijn en onregelmatig tot onduidelijk (Shanmugam 2000; klassieke turbidietsequenties volgens Bouma 1962 en fijnkorrelige turbidietsequenties volgens Stow & Shanmugam 1980). Dat betekent (overgezet op het Messelse bekken): Niet alleen de grovere lagen en de gegradeerde sequenties, niet alleen de homogene (massieve) en aderig gelamineerde secties (zowel micro- als macroscopisch) kunnen beschouwd worden als in stroming gevormd, maar ook de respectievelijke duidelijk gelamineerde segmenten van zwarte peliet; namelijk, als distale turbidieten of als in een bekken eindigende horizontale of verticale uiteinden van een turbidietsequentie. Als zodanig completeren de duidelijk gelamineerde gebieden het algemene beeld in de richting, dat de sedimentatie waarschijnlijk doorgaans primair door gebeurtenissen was geïnduceerd.

Op soortgelijke wijze worden ook de gelamineerde sedimenten van het Eckfelder vulkaanmeer geïnterpreteerd; zowel Bullwinkel (2003) als Nickel (1996) sluiten een vorming van de onderzochte laminieten in een jaarritme uit. Dit in tegenstelling tot Mingram (bijv. 1994), die warven veronderstelt. Nickel (1996, 102) interpreteert de Eckfelder laminieten als bovenste deel van een Bouma-sequentie (zie ook Kotulla 2014, 3-40).

De gebeurtenissen

Afb. 4

Er mag worden verondersteld, dat de ontwikkeling van het Messelmeer voornamelijk werd beïnvloed door de omstandigheden na de eruptie: o.a. de toestand van het bekken (instabiliteit, hoog reliëf), de omringende topografie, de tektoniek en het klimaat (subtropisch/tropisch).

Een hoog niveau van persisterende klastische sedimentaanvoer kan worden veroorzaakt door gebeurtenissen met grote neerslag door (zware) regenval (van alle kanten wegspoelen van kraterrand en tefrawand), aardverschuivingen (op uitgebreidere schaal vergeleken met de randafkalvingen van kleiner formaat) als gevolg van kraterinstabiliteit (of tektonisch geïnduceerd) alsmede eventueel een tijdelijke (?) verbinding met een waternetwerk. De toestand van het bekken is direct of indirect gerelateerd aan gebeurtenissen binnen het bekken, zoals gravitatie-gerelateerde processen (aardverschuivingen op meerdere niveaus), verzakking en doorweking (fluïdisatie).

De gebeurtenissen die sedimentatie veroorzaken, zijn niet onderworpen aan een jaarritme.

Onder de klimatologische, mogelijk ook post-eruptieve omstandigheden kan massavermenigvuldiging van algen meerdere keren per jaar of quasi-continu hebben plaatsgevonden. De afstervingsgebeurtenissen kunnen partieel hebben plaatsgevonden, zodat zelfs een quasi-continu neerslag van algenresten denkbaar is.

Met betrekking tot de frequentie van de verschillende gebeurtenissen kan worden uitgegaan van een tiental tot honderden keren per jaar.

Samenvatting en conclusies

De olieschalie van het Messelmeer bestaat uit een door gebeurtenissen veroorzaakte reeks afzettingen; de sedimentatie veroorzakende gebeurtenissen zijn niet onderworpen aan een jaarritme. De verschillende kenmerken van de afzettingen van zwarte peliet in het bekkencentrum, die kunnen worden aangeduid of geïnterpreteerd als laminieten, turbidieten en resedimenten, kunnen worden verklaard vanuit transport vlak over de bodem (troebellings- en puinstromen) met verschillende hydrodynamische energie en transport in suspensie (neerslag) evenals uit hun interactie en bedekkingen. Het is een complexe, onregelmatige sedimentatiegebeurtenis in een (beperkt)  quasi-circulair (meer-)bekken met hoog reliëf.

Het Messelmeer van na de uitbarsting was wellicht een kortdurend meertje, dat na tientallen of honderden jaren was gevuld en dichtgeslibd. De presentatie van een ontstaanstijd van de olieschalie van 1 miljoen, alsof het een feit is, zoals in het bezoekerscentrum Messel groeve, is misleidend.

Opmerkingen

¹ De fossielen van de Messel groeve vallen niet binnen het bestek van dit artikel. Toch, hun uitstekende conservering, in sommige organismen met „huid en haar“, duidt op een snelle bedekking door sediment en conservering. De gangbare aanname, dat het diepere water en de bodem van het meer vrij van zuurstof of zuurstofarm moeten zijn geweest, als voorwaarde voor de goede conservering, lijkt niet toereikend.

² Voornamelijk de groene algen Tetraedron en Botryococcus.

³ De in het bezoekerscentrum Groeve Messel aangegeven ontstaanstijd van de olieschalie van 1 miljoen jaar heeft betrekking op enerzijds (slechts) het geboorde gedeelte tot een diepte van 143 m (Afb. 4), anderzijds wordt in de objectbeschrijving van de olieschalieboorkern blijkbaar de totale olieschalie-sedimentatie bedoeld (met inbegrip van de extra 55 m dagbouw): „Voor de volgende 1 miljoen jaar, tot aan zijn verzanding, wordt voor het kratermeer de leefwereld van het Eoceen aangenomen “ (stand 2014).

Studium Integrale Journal, 22^e jaargang / Nummer 2 – oktober 2014, Pagina 109 – 113 (PDF-Download)

Woordenlijst

Achtergrondsedimentatie: Concept van een quasi-continue, maar uiterst langzame (verticale) deeltje-voor-deeltje sedimentatie van voornamelijk fijnkorrelig materiaal (klei). 

Resediment: Sediment, dat is gevormd door verwerking van bestaande sedimenten (bijvoorbeeld door aardverschuiving) en opnieuw af te zetten met aanvullende extra (nieuwe) bestanddelen. Felder & Harms (2004) maken onderscheid tussen turbiditische en detritische resedimenten (zie onder). 

Troebelingsstroom (Engels: turbidity current): door gebeurtenissen veroorzaakte, snel langs de bodem bewegende sedimentstroom met een gedefinieerde sedimentconcentratie van 1-23 volumeprocent. Sediment(gesteente): turbidiet. 

Puinstroom (Engels: debris flow): door gebeurtenissen veroorzaakte, elastische of plastische massatransportstroom met een gedefinieerde sedimentconcentratie van meer dan 25 volumeprocent sediment(gesteente).

Literatuur

Bouma AH (1962) Sedimentology of some Flysch deposits: A graphic approach to facies interpretation. Amsterdam.

Bullwinkel V (2003) Organische Petrologie und Mikrofazies der mitteleozänen Seesedimente des Eckfelder Maares (Südwesteifel). Diss., Göttingen.

Felder M & Harms F-J (2004) Lithologie und genetische Interpretation der vulkano-sedimentären Ablagerungen aus der Grube Messel anhand der Forschungsbohrung Messel 2001 und weiterer Bohrungen (Eozän, Messel-Formation, Sprendlinger Horst, Südhessen). Courier Forschungsinstitut Senckenberg 252, 151-206.

Goth K (1990) Der Messeler Ölschiefer – ein Algenlaminit. Courier Forschungsinstitut Senckenberg 131, 1-143.

Irion G (1977) Der eozäne See von Messel. Natur und Museum 107, 213-218.

Kotulla M (2014) Gültigkeit und Grenzen geologischer Zeitbestimmung. Online-Loseblattsammlung, Stand: 1. Ergänzungslieferung 03/2014, www.wort-und-wissen.de/loseblattsammlung.html.

Lenz OK, Wilde V, Riegel W & Harms F-J (2010) A 600 k.y. record of El Nino-Southern Oscillation (ENSO): Evidence for persisting teleconnections during the Middle Eocene greenhouse climate of Central Europe. Geology 38, 627-630.

Matthes G (1966) Zur Geologie des Ölschiefervorkommens von Messel bei Darmstadt. Abh. Hess. L.-Amt Bodenforsch. 51, 1-87.

Mingram J (1994) Sedimentologie und Zyklizität laminierter eozäner Ölschiefer von Eckfeld/Eifel. In: Neuffer FO, Gruber G & Lutz H (Hg) Fossillagerstätte Eckfelder Maar. Mainzer naturwiss. Archiv, Beiheft 16, 55-86.

Nickel B (1996) Die mitteleozäne Mikroflora von Eckfeld bei Manderscheid/Eifel. Mainzer naturwiss. Archiv, Beiheft 18, 1-146.

Pirrung BM (1998) Zur Entstehung isolierter alttertiärer Seesedimente in Zentraleuropäischen Vulkanfeldern. Mainzer naturwiss. Archiv, Beiheft 20, 1-117.

Shanmugam G (2000) 50 years of the turbidite paradigm (1950s-1990s): deep-water processes and facies models – a critical perspective. Marine and Petroleum Geology 17, 285-342.

Stow DAV & Shanmugam G (1980) Sequence of structures in fine-grained turbidites: comparison of recent deep-sea and ancient flysch sediments. Sedimentary Geology 25, 23-42.

Weber J (1988) Sedimentpetrographische Untersuchungen in der eozänen Messel-Formation. Diss., Frankfurt.

Afb. 1: Oliehoudende schalie (Ölschiefer) in de Messel groeve, beeldhoogte ongeveer 50 cm. (Foto: M. Kotulla)

Tab. 1: Indeling van de opeenvolgende lagen van de onderzoeksboring Messel 2001. Rechter deel: presentatie in het bezoekerscentrum van de Messel groeve met ontstaansduur (stand 2014). Toelichting: zie tekst en aanvullende figuren 3 en 4.

Afb. 2: Wereldnatuurerfgoed Messel groeve; verlaten open schacht van olieschalie-dagbouw. De onderzoeksboring Messel 2001 (tot diepte 433 m) werd geboord in het midden van de voormalige zesde mijnbasis; daarboven is ongeveer 55 m olieschalie gedolven. (Foto: M. Kotulla)

Afb. 3: Boorkernen van de onderzoeksboring 2001 getoond in het bezoekerscentrum van Messel (telkens het midden van de boorkern, beeldbreedte ca. 10 cm, selectie van typerend gesteente). a Diatreem breccie: vermoedelijk amfiboliet- en granodioriet klasten in een zand-calciet matrix (grondmassa); sectie van diepte 384-385 m. b Lapilli-tufsteen met rots-fragmenten; sectie van diepte 305-306 m. c Resediment: zandsteen (overwegend massief) afgewisseld met silt en schalie (fijn gelamineerd); gedeelte van diepte 164-165 m. d Olieschalie: fijn gelamineerde zwarte peliet met geelachtige sideriet- en roodbruine laagjes. Luchtdichte afdichting van het oppervlak; sectie van diepte 32-33 m. (Foto’s: M. Kotulla)

Afb. 4: Korte beschrijving van de boorkern van de onderzoeksboring Messel 2001, sectie olieschalie; bezoekerscentrum Messel groeve. (Foto: M. Kotulla)