Quantifizierung der Klimabedingungen für die Bildung von Kohlen und Verdunstungen

Kohlen wurden ursprünglich aus Pflanzen gebildet, die viel Wasser oder Niederschlag benötigen. Daher waren Regionen mit Kohle nass und warm. Im Gegensatz dazu wurden Evaporite in trockenen und heißen Regionen gebildet, in denen die Verdunstung stark ist. Daher werden Kohlen und Evaporite üblicherweise als qualitative Indikatoren für feuchte bzw. trockene Klimabedingungen in Tiefenzeit-Klimastudien verwendet. Quantitative Beziehungen von Kohlen und Evaporiten mit Temperatur und Niederschlag wurden jedoch nie hergestellt.

In einer Studie veröffentlicht in National Science Review und unter der Leitung von Prof. Yongyun Hu (Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, China) kombinierten die Autoren geologische Aufzeichnungen geologischer Aufzeichnungen mit Klimasimulationen und stellten quantitative Beziehungen von Kohlen und Evaporiten zu Temperatur und Niederschlag während fest das Phanerozoikum.

Sie zeigten, dass Kohlen im späten Paläozoikum überwiegend in der Äquatorregion vorkamen. Denn Pteridophyten waren die dominierenden Pflanzen im Paläozoikum, die eine eher schwache Wassertransportkapazität hatten und bevorzugt in den Tropen wuchsen, wo das Klima warm und feucht war. Kohlen wurden also hauptsächlich in den Tropen im späten Paläozoikum gebildet, und die damit verbundenen mittleren Jahresmitteltemperaturen und -niederschläge betragen 25 ° C bzw. 1300 mm.

Im Mesozoikum wurden Gymnospermen dominant. Das interne Wassertransportsystem der Gymnospermen – sekundäres Xylem – war entwickelt worden, sodass sie sich besser an trockenere und kühlere Bedingungen anpassen konnten als Pteridophyten. Als sich die Kontinente allmählich in die nördliche Hemisphäre bewegten, breiteten sich Pflanzen in der regnerischen gemäßigten Zone in höheren Breiten der nördlichen Hemisphäre aus. So begann sich im Mesozoikum rund 50°N Kohlen zu bilden, mit einer mittleren Jahresmitteltemperatur und einem Niederschlag von 10°C bzw. 900 mm.

Gleichzeitig sorgten Weißfäulepilze, die Lignin fressenden Mikroben, für den schnellen Abbau von Lignin. Infolgedessen gab es im Mesozoikum seltene Kohlen in den Tropen.

Das Klima hat sich im Känozoikum systematisch abgekühlt, und auch die Niederschläge gingen zurück. In dieser Zeit setzten sich Angiospermen durch, die an das kühlere und trockenere Klima im Känozoikum angepasst sind. Daher sind die Fundorte von Kohlen und die damit verbundenen Temperaturen und Niederschläge denen im Mesozoikum ähnlich.

Evaporite bildeten sich immer in den subtropischen Trockenzonen der nördlichen und südlichen Hemisphäre im Phanerozoikum. Vor dem frühen Karbon bildeten sich fast alle Evaporite in den südlichen Subtropen, da sich auf der Nordhalbkugel nur wenig Landmasse befand. Das Vorkommen von Evaporiten verlagerte sich seit dem späten Paläozoikum aufgrund der Nordwärtsbewegung des Superkontinents Pangäa in die nördlichen Subtropen. Die zugehörige Jahresmitteltemperatur und der Niederschlag betragen 27 °C bzw. 800 mm.

Das bemerkenswerteste Ergebnis der Studie ist, dass der Nettoniederschlag (Niederschlag-Verdunstung) im Zusammenhang mit Kohlen und Evaporiten über die Zeit nahezu konstant blieb, trotz radikaler Veränderungen des globalen Klimas während der Treibhaus- und Eishausintervalle im Phanerozoikum. Der Medianwert des Nettoniederschlags betrug für Kohleaufzeichnungen 300 mm pro Jahr und für Evaporitaufzeichnungen 100 mm pro Jahr. Dies weist darauf hin, dass die physikalischen und chemischen Prozesse, die für die Kohle- und Verdunstungsbildung verantwortlich sind, zeitinvariant sind.

Die Aufstellung dieser quantitativen Beziehungen kann auch zur „Vorhersage“ der Fundorte von Kohlen und Verdunstungen im Phanerozoikum genutzt werden. Mehr als 80 % der Kohle- und Verdunstungsaufzeichnungen werden erfolgreich vorhergesagt. Die Ergebnisse haben auch wichtige Implikationen für die Quantifizierung der Klimabedingungen für andere lithologische Klimaindikatoren und für die Vorhersage exogene Erzvorkommen.