Proterozoikum

Proterozoikum, die jüngere der beiden Abteilungen der präkambrischen Zeit, die ältere ist das Archaikum. Der Äon des Proterozoikums erstreckte sich von vor 2,5 Milliarden bis vor 541 Millionen Jahren und wird häufig in das Paläoproterozoikum (vor 2,5 Milliarden bis 1,6 Milliarden Jahren), das Mesoproterozoikum (vor 1,6 Milliarden bis 1 Milliarde Jahren) und das Neoproterozoikum (vor 1 Milliarde bis 541 Millionen Jahren) unterteilt. Gesteine aus dem Proterozoikum wurden auf allen Kontinenten gefunden und stellen häufig wichtige Quellen für metallische Erze dar, insbesondere für Eisen, Gold, Kupfer, Uran und Nickel. Während des Proterozoikums veränderten sich die Atmosphäre und die Ozeane erheblich. Die Gesteine des Proterozoikums enthalten viele eindeutige Spuren von primitiven Lebensformen – fossile Überreste von Bakterien und Blaualgen sowie von den ersten sauerstoffabhängigen Tieren, der Ediacara-Fauna.

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Sauerstoff ist ein Nebenprodukt der Photosynthese. Der freie Sauerstoff in der Atmosphäre nahm infolge der biologischen Aktivität während des Proterozoikums erheblich zu. Der wichtigste Zeitraum der Veränderung liegt zwischen 2,3 Milliarden und 1,8 Milliarden Jahren, als sich freier Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte. Der Sauerstoffgehalt schwankte in dieser Zeit und fiel mit dem Höhepunkt der Ablagerung von Bändereisen-Formationen zusammen, die der Atmosphäre weltweit überschüssigen Sauerstoff entzogen. Das Eiseneisen (Fe2+) in den Ozeanen verband sich mit dem Luftsauerstoff und fiel nach der Oxidation zu Fe2O3 als Mineral Hämatit auf dem Meeresboden aus. Durch die fortgesetzte biologische Aktivität stieg die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre an.

Als sich Eukaryoten in der Umwelt etablierten, war der atmosphärische Sauerstoffdruck von niedrigen Werten auf etwa 10 Prozent des heutigen atmosphärischen Niveaus (PAL) angestiegen. Megaskopische Eukaryoten traten erstmals vor etwa 2,3 Milliarden Jahren auf und waren vor etwa 1,8 Milliarden Jahren weit verbreitet. Eukaryoten verfügten über eine Form der Atmung und des oxidativen Stoffwechsels; sie besaßen einen zentralen Kern, der sich in getrennte Geschlechtszellen aufspalten konnte, so dass zum ersten Mal ein gemischter und variabler genetischer Code an jüngere Generationen weitergegeben werden konnte.

Frühe Organismen auf der Erde gediehen am leichtesten im flachen Wasser der Kontinentalränder. Solche stabilen Kontinentalschelfumgebungen, die im Archaikum selten waren, entwickelten sich nach 2,5 Milliarden Jahren und erleichterten das Wachstum photosynthetischer Organismen und damit die Sauerstoffproduktion. Ein Beweis für den raschen Anstieg des Sauerstoffgehalts ist das erstmalige Auftreten von roten Sandsteinen an den Kontinentalrändern. Ihre Farbe wird durch die Umhüllung der Quarzkörner mit Hämatit verursacht. Ein weiteres Indiz ist das Auftreten hämatitreicher fossiler Bodenschichten, die auf die Zeit vor etwa 2,5 Milliarden Jahren datiert werden. Die Bildung dieser Schichten steht im Einklang mit einem drastischen Anstieg des Sauerstoffdrucks auf 0,1 Atmosphären (100 Millibar) zwischen 2,2 Milliarden und 2,0 Milliarden Jahren.

Vor 600 bis 543 Millionen Jahren tauchte die mehrzellige Ediacara-Fauna auf; dies waren die ersten Metazoen (Tiere, die aus mehr als einer Art von Zelle bestehen), die für ihr Wachstum Sauerstoff benötigten. Die Ediacara-Fauna mit ihren weichen Körpern war der Vorläufer der Organismen mit Skelett, deren Auftreten das Ende des Proterozoikums und den Beginn des Phanerozoikums markiert.

Die Geschichte des Proterozoikums wird durch die Bildung und den Zerfall von Superkontinenten beherrscht. Zur Zeit der Archaisch-Proterozoischen Grenze vor etwa 2,5 Milliarden Jahren waren viele kleine Kratone (stabile innere Teile von Kontinenten), die von Inselbögen beherrscht wurden, zu einer großen Landmasse, dem Superkontinent, zusammengewachsen. Das Auseinanderbrechen dieser Landmasse wird durch die Intrusion zahlreicher transkontinentaler Doleritschwärme (eine Art feinkörniges Eruptivgestein) im Zeitraum vor 2,4 bis 2,2 Milliarden Jahren deutlich. Sie entstanden durch den Aufprall von Mantelplumes auf die Basis der kontinentalen Kruste. Dies war die Hauptursache für das Auseinanderbrechen des ursprünglichen Superkontinents. In der Zeit zwischen 2,1 Milliarden und 1,8 Milliarden Jahren vor heute verschmolzen diese Bruchstücke durch Kollisionstektonik zu einem neuen Superkontinent namens Kolumbien. Moderne plattentektonische Prozesse waren vor mindestens 2,1 bis 2,0 Milliarden Jahren in Gang, wie zwei der weltweit ältesten gut erhaltenen Ophiolite (Fragmente ozeanischer Kruste) im Purtuniq-Komplex in Labrador und im Jourma-Komplex in Finnland zeigen. Durch die Zersplitterung von Kolumbien entstanden viele kleinere Kontinente, die sich schließlich vor etwa 1,0 Milliarden Jahren zu einem weiteren Superkontinent oder zu einer Gruppe mehrerer großer Kontinentalteile in unmittelbarer Nähe zueinander zusammenschlossen. Dieser Zusammenschluss wird Rodinia genannt.

Rodinia wurde nach 1,0 Milliarden Jahren von zahlreichen Basaltstöcken durchdrungen. Diese Einbrüche trugen zur Zersplitterung des Superkontinents bei und waren mit der Bildung des Iapetus-Ozeans vor etwa 600 Millionen Jahren verbunden. Weitere Anzeichen für die Aktivität von Plumes und das Auseinanderbrechen des Kontinents sind riesige Basaltanhäufungen und transkontinentale Gräben. Ein wichtiges Beispiel ist der 1,1 Milliarden Jahre alte Keweenawan-Graben in Nordamerika, der sich von Michigan über den Lake Superior bis nach Kansas erstreckt. Dieser Graben, der 2.000 km lang und 160 km breit ist, enthält eine 25 km dicke Anhäufung basaltischer Laven.

Viele Gebirgsgürtel bildeten sich während des Proterozoikums, insbesondere in den Zeiträumen zwischen 2,1 und 1,8 Milliarden, 1,3 und 1,0 Milliarden sowie vor 800 und 500 Millionen Jahren, in Verbindung mit dem Auseinanderbrechen von Superkontinenten und der anschließenden Kollision ihrer Bruchstücke. Durch das Auseinanderdriften der Kontinente entstanden neue Ozeanbecken, die anschließend in Subduktionszonen, ähnlich denen unter dem heutigen Japan, zerstört wurden. Die Schließung dieser Ozeane ermöglichte das Zusammenstoßen von Kontinentalblöcken, wodurch große Gebirgsgürtel wie der Grenville-Gürtel im Osten Nordamerikas entstanden. Dieser Gürtel, der 1,3 bis 1,0 Milliarden Jahre alt und 4.000 km lang ist, ähnelt in seinem Ursprung dem Himalaya-Gebirge, das sich in jüngerer geologischer Zeit gebildet hat. Zu den anderen großen Gebirgsgürteln des Proterozoikums, die durch Kontinentalkollisionen entstanden sind, gehören der Wopmay-Orogen im Nordwesten Kanadas (2,1 Milliarden Jahre alt), der Trans-Hudson in Kanada (1,8 Milliarden Jahre alt), der Svecofennian in Finnland (1,9 bis 1,8 Milliarden Jahre alt), der Ketilidian-Orogen (1,8 Milliarden Jahre alt) im Südwesten Grönlands sowie der Braziliano-, der Namibia- und der Mosambik-Gürtel, die alle etwa 900 bis 500 Millionen Jahre alt sind. Im Gegensatz dazu entstanden Gebirgsgürtel wie das 2,1 Milliarden Jahre alte Birimian in Westafrika und die 1 Milliarde bis 500 Millionen Jahre alten Gürtel des Arabisch-Nubischen Schildes durch die Zugabe von neuem Material, das größtenteils aus dem Erdmantel stammt. Daher umfassen sie viele Inselbögen, die denen im heutigen Japan ähneln, sowie viele Ophiolith-Sequenzen.

Viele phanerozoische Becken enthalten dicke Sedimentschichten und liegen teilweise oder vollständig auf proterozoischen Gebirgsgürteln, wodurch die zugrunde liegenden geologischen Verhältnisse verschleiert werden. Einige Gebirgsgürtel des Phanerozoikums, wie z. B. der Himalaya, enthalten Blöcke aus proterozoischen Gesteinen von mehreren Dutzend Kilometern Größe, die durch spätere tektonische Aktivitäten stark überarbeitet wurden.