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Hintergrund: Der schwäbische Ölschiefer - Vorbemerkungen

Jura und Jurameer

Als Jura wird ein System des Mesozoikums (Erdmittelalter) bezeichnet, das vor 206 Millionen Jahren begann und vor 144 Millionen Jahren endete. Ablagerungen dieser Zeit bauen u.a. die Schwäbische Alb und ihr Vorland auf, die im 19. Jahrhundert durch Friedrich August Quenstedt zum klassischen Forschungsgebiet des Jura wurde. Nach den vorherrschenden Gesteinsfarben gliederte Leopold v. Buch (1837) die Juraformation in drei Abteilungen: Den Schwarzen Jura, den Braunen Jura und den Weißen Jura (Lias, Dogger, Malm). Quenstedt, der ein Schüler von Leopold v. Buch war, teilte jede dieser Abteilungen in jeweils sechs Stufen auf, die er mit den ersten Buchstaben des griechischen Alphabets - Alpha bis Zeta benannte. Einige dieser Stufen unterteilte er noch weiter in einzelne Schichten, den Lias epsilon z.B. in Seegrasschiefer, eigentlichen Posidonienschiefer (Ölschiefer) und Leberboden. Quenstedts methodisches Vorgehen im Schwäbischen Jura, das die Möglichkeiten einer stratigraphischen Feingliederung zeigte, wurde zum Vorbild für Untersuchungen in anderen Gebieten und Formationseinheiten.

In der Triaszeit war Süddeutschland weitgehend Festland, auf dem zuletzt die Tone, Mergel und Sandsteine des Keuper in einem weit verzweigten Flußnetz abgelagert wurden. Am Anfang der Jurazeit aber wurde Süddeutschland vom Meer überspült, das aus dem Gebiet der heutigen Nordsee vordrang. Dieses neu entstandene Schelfmeer hatte im Südwesten Verbindung zum damaligen Mittelmeer (Tethys). Dieses war sehr viel ausgedehnter als heute und überflutete weite Teile Frankreichs. Das Vindelizische Festland, das sich ungefähr auf der Höhe des Bodensees nach Osten erstreckte, wo heute die nördlichen Alpen liegen, bildete die südliche Grenze. Die Böhmische Masse, ein ausgedehntes Festland, bildete die Ostküste.

  • Zeitleiste Jura (vor 190-136 Mio. Jahren)

Erdzeitalter

Zeitalter Beginn Formation (Dauer in Mio. Jahren)
Erdneuzeit vor 65 Mio. Jahren Quartär (2), Tertiär (63)
Erdmitelalter (Zeitalter der Saurier) vor 210 Mio. Jahren Kreide (65), Jura (35), Trias (45)
Erdaltertum vor 600 Mio. Jahren Perm (45), Karbon (80), Devon (50), Silur (40), Ordovizium (80), Kambrium (95)
Urzeit Entstehung der Erde vor etwa 4 1/2 Milliarden Jahren

Entstehung des Ölschiefers

In sauerstoffreichem Oberflächenwasser entwickelten sich bei warmem Klima in starkem Maße pflanzliche und tierische Planktonorganismen. Nach dem Absterben sanken sie in sauerstoffarmes, wenig bewegtes Tiefenwasser ab und konnten am Meeresboden nicht mehr oxidativ abgebaut werden. Sie verwesten unter Wirkung anaerober Bakterien unvollständig. Unter solchen Bedingungen entsteht gleichzeitig der für höhere Lebewesen giftige Schwefelwasserstoff und es werden überdies vergleichsweise große Mengen an Schwermetallen als Sulfide gefällt und in die Sedimente eingebaut.

Der organische Inhalt besteht zu 80-90% aus Kerogenen (Bitumen), die in langen Zeiträumen aus organischen Bestandteilen "reifen". Kerogene sind komplexe und unterschiedlich zusammengesetzte Mischungen schwer definierbarer (hochpolymerer) Substanzen, die in organischen und anorganischen Lösungsmitteln unlöslich sind. Das Posidonienschiefergestein ist durch diesen Bitumengehalt, Feinschichtung und millimeterdicke Lagen voller submikroskopischer Kalkplättchen planktonischer Algen gekennzeichnet. Ölschiefergesteine gehen allgemein aus schlammigen Sedimenten hervor, die reich an organischem Material sind. Ihre Verfestigung läuft bei niedrigen Temperaturen und unter dem Druck überlagernder Schichten ab.

  • Das Absinken , die Verwesung, die Einbettung und die Fossilisation eines Ichthyosauriers

Grafik: Land und Meer im Lias epsilon

Die Ablagerung von Ölschiefersedimenten muß sich in einem zumindest zeitweise sauerstoffarmen oder -freien, also lebensfeindlichen Milieu, und bei geringer Wasserbewegung abgespielt haben. Das beweisen:

  • die hohen Anteile vergleichsweise wenig zersetzten organischen Materials,
  • der Sulfidgehalt, der seine Ursache im Ausfällen des anaerob bakteriell produzierten Schwefelwasserstoffs hat,
  • das weitgehende Fehlen von auf oder im Sediment lebenden Organismen oder ihrer Spuren,
  • die oft im Millimeterbereich ausgeprägte Feinschichtung
  • die meist vorzügliche Erhaltung vieler Makrofossilien (z.B. Wirbeltierskelette).

Unzureichende Wasserzirkulation und hohe biologische Produktivität sind verantwortlich für die Herausbildung mangelhaft durchlüfteter Zonen am und unmittelbar über dem Grund von Seen oder Meeren. Becken, die mit dem freien Ozean nicht in ganzer Tiefe, sondern nur über seichtere Schwellen in Verbindung stehen, sind Bedingung. Eine Wasserschichtung kann sich ausbilden. In der warmen Jahreszeit erhöht sich die Zahl planktonischer Organismen (vor allem einzelliger Algen) im Oberflächenwasser. Da dieses sich zugleich erwärmt und dadurch leichter wird, gibt es keinen vertikalen Wasseraustausch mehr. In dem kühleren Wasserkörper unterhalb der Sprungschicht wird deshalb der durch Oxidation des absinkenden Planktons verbrauchte Sauerstoff nicht mehr ergänzt, und es tritt Sauerstoffmangel und Schwefelwasserstoff-Vergiftung (siehe Faulschlamm) ein. Das Bodenleben erliegt, der Leichenzerfall wird verlangsamt, die Durchwühlung des Sediments verhindert; eine Kalenderschichtung kann sich erhalten.

Im Laufe von Jahrmillionen verfestigte sich das aus Fäulnisstoffen, Tonen, Schluffen und kalkigen Bestandteilen zusammengesetzte Sediment diagenetisch und wurde zu Ölschiefer. Während andernorts in solchen Erdölmuttergesteinen durch höheren Druck und höhere Temperaturen leichter flüchtige Kohlenwasserstoffe, also Erdöl und Erdgas entstanden, blieb eine solche Entwicklung im Lias epsilon aus. Es bildeten sich hier lediglich bituminöse, pyritführende und fossilreiche Mergelschiefer in die verschiedentlich Kalkkonkretionen, wie z.B. die Laibsteinbank eingelagert sind.

Kalksteineinlagerungen im Ölschiefer entstanden durch verschiedene chemische Vorgänge. Bei der Zersetzung von organischem Material entstehen Kohlenstoff- und Schwefelverbindungen. Daraus bildet sich im sauerstoffarmen Bodenschlamm Hydrogencarbonat (HCO3-) und Schwefelwasserstoff (H2S). Bei der Zersetzung toter Tiere entsteht auch Ammoniak (NH3). Dies führt zu einer Erhöhung des pH-Wertes und bewirkt, daß der im Bodenschlamm als Calcium-Hydrogencarbonat (Ca2+ und HCO3-) gelöste Kalk abgeschieden wird. Als harter Kalkstein lagert er sich nun um den Kadaver ab, wodurch dieser vor einer Verformung geschützt ist. Kalkkonkretionen treten in verschiedenen Formen auf. Die aus dem Lias epsilon stammenden, brotlaibförmigen Konkretionen werden im Albvorland als "Laibsteine" bezeichnet. Die Wechsellagerung morphologisch harter und weicher Gesteine (Kalkbänke, Mergel) führte zur Ausbildung markanter Schichtstufen im Vorland der Schwäbischen Alb. Über dem Ölschiefer und den übrigen Sedimenten des Schwarzen Jura lagerten sich die Schichten des Braunen und Weißen Jura ab.

  • Grafik: Sauerstoffmangel am MeeresbodenNährstoffreichtum und Algenwachstum führten im Lias epsilon zu Sauerstoffmangel am Meeresboden
  • Kalk-Konkretion im Unteren Schiefer, Durchmesser 21cm

An verschiedenen Stellen begann der Ölschiefer nach unvorsichtigem Feuerlegen da und dort zu brennen. Anfang der 50er Jahre unseres Jahrhunderts brannte eine Schieferhalde südlich von Balingen ca. 2 Jahre lang. Die Brände sind auf den natürlichen Gehalt des Ölschiefers an Bitumen (Kerogen) zurückzuführen, der in der Gegend von Balingen bei etwa 10% und noch darüber (bis 20%) liegen kann. Da der Schiefer, genetisch bedingt, neben den Kerogenen sehr hohe Mengen an Schwefelverbindungen enthält (z.B. Schwefelkies bis 8% und Pyrit), können bei der Verbrennung für Tiere, Pflanzen und Menschen giftige Schwefeloxide und saure Nebel entstehen. Durch den Brand einer Schieferhalde zwischen den Gemeinden Dormettingen und Dotternhausen wurde so die landwirtschaftliche Nutzung der angrenzenden Felder in den 50er Jahren unseres Jahrhunderts zeitweise unmöglich. Wie sehr viele andere Black Shales (Schwarzschiefer) enthält auch der Lias e zahlreiche sehr gut erhaltene Fossilien. Der Posidonienschiefer Südwestdeutschlands erlangte Weltruhm durch die hervorragend erhaltenen Fossilfunde bei Holzmaden (Fische, Ammoniten, Seelilien, Meereskrokodile u.v.a.).

Die Pflanzen und Tiere verwesten aufgrund des Sauerstoffmangels nicht, sondern sie verfaulten. Die Fäulnisprozesse verhinderten eine vollständige Zersetzung der zu Boden sinkenden Tiere, so daß als große Besonderheit u.a. Weichteile von Sauriern in Form eines schwarzen Belags erhalten sind, der z.B. die ungefähre Form von Ichthyosaurierflossen wiedergeben kann. Ferner können Bakterien, die sich auf Ichthyosaurier-Kadavern angesiedelt hatten, zu Calciumphosphat versteinert sein und dabei Strukturen von Bindegwebs- und Muskulaturteilen nachzeichnen. Wegen des fehlenden Sauerstoffs konnten sich auch keine Aasfresser am Boden aufhalten. Deshalb sind die Skelette z.B. von Fischen, Sauriern, Krokodilen und Seelilien oftmals unbeschädigt und noch vollständig erhalten. Besonders Überreste von Ammoniten sind im Ölschiefer sehr häufig zu finden. Bei diesen fällt auf, daß sie goldbraun und in der Regel völlig flachgedrückt sind. Die flachgedrückte Erhaltung kommt daher, daß die kalkigen Gehäuse aufgelöst wurden. Was von den Ammoniten heute noch übrig ist, das ist eine hauchdünne Haut, das Periostracum (Conchiolin), von der das Gehäuse eingehüllt war. Ammonitengehäuse blieben im Ölschiefer nur dann vor Verdrückung bewahrt, wenn sie rechtzeitig mit Materialien wie Kalk oder Pyrit umhüllt oder ausgefüllt wurden. Im wässrigen Bodenschlamm bildete sich Pyrit (FeS2), das auch Schwefelkies oder, wegen dem goldenen Glanz, "Katzengold" genannt wird.

  • HCO3-
  • H2S
  • NH3
  • Ca2+
  • FeS2

Verbreitung und Eigenschaften des Ölschiefers

Im Albvorland stehen die Ölschiefer des Lias e (Posidonienschiefer) auf etwa 150 km Länge über Tage an. Trotz einer geringen Mächtigkeit von etwa 10 Metern nimmt der Posidonienschiefer auf der geologischen Karte Süddeutschlands einen verhältnismäßig großen Raum ein, da manche seiner Sedimentlagen eine höhere Widerständigkeit aufweisen, als Stufenbildner wirken und oft auch die Verebnungen am Fuß der Schwäbischen Alb bilden.

Seinen Namen bekam der Posidonienschiefer nach der in einigen Lagen weit verbreiteten Muschel (Posidonia Bronni). Der Name "Ölschiefer" ist eigentlich irreführend, denn zum einen sind diese Sedimente keine Schiefer im geologischen Sinn, noch enthalten sie Öl. Ihr organischer Inhalt besteht vielmehr zu 80 - 90% aus Kerogen, was griechisch "das Brennbare" bedeutet. Dabei handelt es sich um sehr kompliziert aufgebaute, hochpolymere Substanzen, die in organischen Lösungsmitteln und Mineralsäuren unlöslich sind. Erst durch Erhitzen entstehen aus diesen makromolekularen Stoffen (den Kerogenen) niedermolekulare Verbindungen, die dann erdölartige Eigenschaften zeigen. Der Ölschiefer gehört zur Juraformation und dort in den Lias oder Schwarzen Jura.

  • Ammonitenfund in einem Steinbruch bei Dotternhausen
  • Versteinerung Ichthyosaurier - Weibchen mit Embryonen

Eine Kleingartenkolonie bei Göppingen. Ein kleines Lagerfeuer entzündete den Ölschiefer. Stinkender Qualm stieg aus dem Boden, doch keine Flamme war zu sehen. Weder der Regen noch die Feuerwehr konnten das unterirdische Feuer löschen. Mit Baggern versuchte man, dem Brandherd zu Leibe zu rücken. Erfolglos. Der Ölschiefer schwelte monatelang weiter. Hier bei Erzingen wurden Schwelbrände früher absichtlich eingesetzt. Wo heute Büsche auf einem Erdwall stehen, war einst ein Meiler aus Ölschiefer, aufgeschüttet im 2. Weltkrieg, um Öl zu gewinnen.

  • SchwelbrandLagerfeuer entzündete den Ölschiefer
  • Im Labor des Zementwerks. Chemiker Dr. Peter Maisenbacher zeigt, welche Energie im Ölschiefer schlummert. Ohne großen Aufwand bringt er das Gestein zum Brennen.

Paläontologie und Museen

Ein Ölschiefer-Steinbruch bei Holzmaden. Hier gibt es so viele Fossilien, daß man mit Hammer und Meißel garantiert etwas findet.

Paläontologie

Die Firma Rohrbach Zement hat zwei Präparatoren und einen Paläontologen angestellt. Sie sollen die wertvollsten Fossilien vor dem Brecher retten. Die Werkstatt des Präparators. In mühsamer Kleinarbeit legt Rolf Uttenweiler urzeitliche Knochen frei. Zunächst entfernt er das Gestein rund um einen Saurierknochen. Die Feinarbeit erfolgt mit einem kleinen Schaber. Zum Glück sind die Überreste der Tiere etwas härter als der sie umgebende Stein.

Zitat: Rolf Uttenweiler: "So wird alles fein säuberlich abgeschabt, bis ich auf die erste Substanz komme von dem Fisch, und die zeigt sich dann meistens im grauen, etwas kalkiger Zug drauf, und jetzt weiß ich, jetzt bin ich auf dem Knochen, und dann wird die Präparation ganz fein ausgeführt. Stäubchen um Stäubchen, daß ja nichts verletzt wird."

Ein Laibstein, so genannt, weil er aussieht wie ein Brotlaib. Laibsteine bestehen aus massivem Kalk, der sich rund um Tierkadaver ansammelte. Vorsichtig befreit Rolf Uttenweiler das Fossil aus seinem Kalksarg, denn er weiß nicht, wo genau es sich befindet. Dieser Laibstein umhüllt einen Schmelzschuppenfisch.

  • Kinder beim Steineklopfen
  • Rolf Uttenweiler am Binokular
  • Präparator Rolf Uttenweiler zersägt Laibstein © SWF
  • Ichthyosaurier-Kopf

  • Ichthyosaurier-Platte

  • Präparator bohrt Saurier-Knochen frei

Museen

Ichthyosaurier-Modell - Stuttgart Naturkundemuseum Eine Rekonstruktion aus Fiberglas im Stuttgarter Naturkundemuseum. Die größten Ichthyosaurier waren 20 Meter lang. Es waren Reptilien - keine Fische. Dennoch besaßen sie einen stromlinienförmigen Körper und zu Flossen umgebildete Beine.

  • Ichthyosaurier-Modell
  • Seelilienkolonie - Urwelt-Museum Hauff

  • Versteinerung eines Seelilien-Kelchs

Fossilienmuseum im Werkforum des Zementwerks, dahinter Zementwerk. Versteinerungen aus der Jura-Zeit kann man in diesem Museum besichtigen, dem Werkforum der Firma Rohrbach in Dotternhausen. Ein Zementwerk als Museumsbesitzer, das ist kein Zufall. Denn Fossilienfunde sind ein interessantes Nebenprodukt bei der Zementherstellung.

  • Werkforum des Zementwerks