Fossilisation
Nach dem Tod eines Organismus beginnt normalerweise dessen Zersetzung. Diese erfolgt vor allem bei Anwesenheit von Sauerstoff durch Mikroorganismen, denen die organische Substanz als Nahrung dient. Anorganische Substanz zerfällt zu Mineralstoffen, die von Pflanzen aufgenommen werden. Von dem Organismus bleibt schließlich nichts mehr übrig, was auf seine ehemalige Existenz hinweist. Es besteht somit ein Stoffkreislauf innerhalb der Biosphäre, der belebten Welt. Nur wenn dieser Stoffkreislauf unterbrochen wird, kann ein Organismusrest als Fossil langfristig erhalten bleiben. Die unterschiedlichen Vorgänge, die zum Erhalt eines Organismusrestes beitragen, fasst man mit dem Begriff Fossilisation zusammen. Kennzeichnend für die Fossilisation ist, dass der Organismusrest von der belebten Biosphäre ausgegrenzt und zu einem Bestandteil der Gesteinshülle der Erde geworden ist.
Verlauf der Fossilisation
Der Beginn der Fossilisation ist dadurch gekennzeichnet, dass der tote Organismus in den Untergrund eingebettet wird. Auf diese Weise ist er vor einem intensiven Kontakt mit Sauerstoff geschützt. Die meisten Mikroorganismen, die organische Substanz abbauen, sind auf Sauerstoff angewiesen. Am sauerstoffarmen Meeresgrund sind die Bedingungen für eine Erhaltung daher besonders günstig. So handelt es sich bei den meisten Fossilienfunden um die Überreste ehemaliger Meeresbewohner.
Im weiteren Verlauf wird der Organismuskörper mit Sedimenten wie Sand, Ton oder Kalkschlamm, bedeckt. Es gibt verschiedene Ablagerungsräume, meist Eintiefungen der Erdoberfläche wie Flussbetten oder Meeresbecken, in denen dies geschehen kann. Mit der Zeit entsteht eine Sedimentdecke, durch deren Poren Wasser (Sickerwasser, Grundwasser, Meerwasser) fließen kann. Die Weich- und Hartteile des Organismus reagieren mit dem Wasser und den darin gelösten Stoffen. Der Weichkörper wird meist vollständig abgebaut. Ist er von einer Schale umgeben, dann entsteht ein Hohlraum, der mit der Zeit durch Mineralneubildungen oder durch feine Sedimentkörner ausgefüllt werden kann. So können in organikreichen, sauerstofffreien Sedimenten Organismenreste durch das Eisensulfidmineral Pyrit ersetzt werden. Dieser Vorgang heisst Verkiesung (von „Kiese“ als Bezeichnung für sulfidische Erze). Poröse Organismenreste, wie zum Beispiel Holz, können von Kieselsäure durchtränkt werden. Härtet diese aus, dann bleibt die Gestalt des Organismusrestes konserviert. Man spricht dann von Verkieselung.
Hartteile erfahren oft eine Mineralumbildung, das heisst, das ursprüngliche Material nimmt in Wechselwirkung mit der Porenlösung oder durch den Einfluss von Druck und Temperatur eine andere stoffliche Zusammensetzung an. Die Gestalt der Hartteile bleibt dabei meist erhalten.
Mit wachsender Auflast der Sedimentdecke wird die unterlagernde Schicht mit dem Organismuskörper zusammengepresst und das Porenwasser herausgepresst. Das ehemals lockere Sediment wird zu einem festen Sedimentgestein, das entweder den Organismuskörper oder dessen Gestalt als Körperfossil beinhaltet. Manchmal findet man auch ein Spurenfossil, wobei es sich zum Beispiel um einen erhalten gebliebenen Fußabdruck, eine Wohnröhre (z. B. bei Wattwürmern) oder eine Weidespur (z. B. von Schnecken) handelt.
Fossilienformen als Ergebnis der Fossilisation
Steinkern
Steinkerne entstehen in Gehäuse- oder Schalenhohlräumen. Der Weichkörper des eingebetteten Organismus wird innerhalb seines Gehäuses vollständig zersetzt. Es entsteht ein Hohlraum, der z. B. mit Kalk, Kieselsäure oder Pyrit gefüllt wird. Die mineralischen Füllungen härten aus und bilden einen Steinkern, der ein innerer Ausguss des Organismusgehäuses darstellt. Beispiele hierfür sind Steinkerne von Seeigeln oder Ammoniten. Ein Steinkern kann auch entstehen, indem das Gehäuse durch feinkörniges Sediment (z. B. Feinsand) ausgefüllt wird, welches dann später aushärtet.
Wenn sich die Unebenheiten des Gehäuses (= Skulptur) auf den Steinkern übertragen, dann entsteht ein Skulptursteinkern.
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Skulptursteinkern eines Ammoniten der Art Stephanoceras sp. aus dem mittleren Jura (Dogger, mittleres Bajocien), Durchmesser: 1,35 cm. Der Fundort ist Goslar im Harz.Institut für angewandte Geowissenschaften, Technische Universität Berlin(Fotograf: Wolf Schuchardt)
Versteinerungen
Haben sich im Sedimentgestein anorganische Hartteile wie Schalen, Knochen, Zähne usw. erhalten, so nennt man dies eine echte Versteinerung.
Versteinerungen findet man vor allem in den Ablagerungen ehemaliger warmer Flachmeere. So bestehen z. B. Riffkalke, die auch fossil erhalten sind, fast ausschließlich aus Korallenkalk und Kalkschalenresten.
Abdruck
Geht der Organismuskörper im Laufe der Fossilisation vollständig verloren, so kann jedoch sein Abdruck, oder ein Abdruck seiner Lebensspur als Spurenfossil (Saurierfährte, Weidespuren von Weichtieren etc.) erhalten sein. Es wurden bisher nur sehr wenige Körperabdrücke von Tieren aus der Vorzeit gefunden, die keine Hartteile besaßen.
Einschluss
Eine besondere Form der Erhaltung ist der Einschluss in Bernstein, Salz oder Eis. Bei dieser Form wird organisches Material konserviert, sodass z. B. DNA-Proben entnommen werden können.
Mumifizierung
Die Einbettung toter Organismen unter Sauerstoffabschluss im Moor nennt man Mumifizierung.
Eine Mumifizierung im engeren Sinne liegt dann vor, wenn ein toter Körper austrocknet und dadurch vor dem Zerfall bewahrt bleibt. Diese Erhaltungsform, wie auch der oben genannte Einschluss in Eis, setzt voraus, dass sich die klimatischen Bedingungen über lange Zeiträume nicht ändern.
Inkohlung
Bei der Inkohlung werden unter Luftabschluss und dem Druck durch auflagernde Schichten organische Verbindungen mit dem Porenwasser abgeführt. Zurück bleibt elementarer Kohlenstoff, der sich somit relativ zu den übrigen Stoffen anreichert. Auf die Weise können feine Konturen von Pflanzenresten und Insekten abgebildet werden. Entsprechende Fossilien sind besonders in hellen Kalkgesteinen gut erkennbar.
Bei massenhaften Pflanzeneinlagerungen im Sediment bildet sich durch die Inkohlung, ausgehend von Torf, zunächst eine Braunkohleschicht. Nehmen Druck und Temperatur zu, bildet sich in einem weiteren Stadium Steinkohle. Kohleschichten werden Flöze genannt. Besonders aus den Pflanzenablagerungen des Karbon haben sich viele Flöze gebildet.
