Der Einschlag des Dinosaurier-Asteroiden vor 66 Millionen Jahren war offenbar nicht nur ein einziger katastrophaler Tag, sondern der Beginn von zwei Jahrzehnten voller Beben und Tsunamis. Darauf deuten Ablagerungen an der Küste des heutigen US-Bundesstaats New Jersey hin, rund 2.500 Kilometer vom Krater entfernt. Dort wurden die Schichten nach dem Einschlag immer wieder aufgewühlt, verformt und neu abgelagert. Die Forscher sprechen von den „schlechten Jahrzehnten“ der Erde. Die Arbeit ist bislang ein Preprint, also noch nicht von unabhängigen Fachleuten begutachtet, und viele Zeitangaben beruhen auf Schätzungen und Modellen.
Dass ein rund 12 Kilometer großer Asteroid am Ende der Kreidezeit auf die heutige Halbinsel Yucatán in Mexiko stürzte und den rund 200 Kilometer breiten Chicxulub-Krater schuf, gilt als gesichert. Der Einschlag löste das Massenaussterben aus, dem die Dinosaurier mit Ausnahme der Vögel zum Opfer fielen. Ein Team um den Geologen Kenneth Miller von der Rutgers University in New Jersey hat nun zusammengetragen, was Bohrkerne und Aufschlüsse an mehreren Orten der Küstenebene von New Jersey über die Zeit danach verraten. Die Ergebnisse hat das Team auf der Jahrestagung der Geological Society of America vorgestellt und als Preprint auf dem Server EarthArXiv veröffentlicht.
Die Region eignet sich dafür besonders gut. Gegen Ende der Kreidezeit lag ein großer Teil des heutigen New Jersey unter einem flachen Meer, das von der Küste bis in etwa 100 Meter Tiefe abfiel. Weil die alten Fundstellen in unterschiedlicher Wassertiefe lagen, zeigen sie, wie sich die Folgen des Einschlags über einen ganzen Kontinentalschelf hinweg unterschieden.
Die tiefste der untersuchten Stellen ist eine Bohrung bei Bass River, die einst unter rund 100 Metern Wasser lag. Dort liegt direkt auf der Grenzschicht eine etwa 6 Zentimeter dicke, ungestörte Lage aus sogenannten Sphärulen. Das sind winzige Kügelchen, kleiner als ein Millimeter, die aus geschmolzenem oder verdampftem Gestein des Einschlagsorts entstanden und beim Flug durch die Atmosphäre erstarrten. Zusammen mit geschocktem Quarz und Abdrücken der Kügelchen im einst weichen Meeresschlamm zeigt die Schicht einen sehr schnellen Niederschlag des Auswurfs. Die Forscher deuten sie als Material, das binnen Minuten bis Stunden nach dem Einschlag eintraf und in etwa einer Stunde zum Meeresboden sank.
Den Ablauf dieses ersten Tages rekonstruiert das Team grob aus Berechnungen. Die ersten Erdbebenwellen erreichten New Jersey wohl nach 5 bis 6 Minuten, die Oberflächenwellen nach 10 bis 20 Minuten. Die Tsunami-Wellenfolge aus dem Golf von Mexiko traf nach den zitierten Simulationen erst 6 bis 8 Stunden nach dem Einschlag ein. In flacherem Wasser wirbelte sie die frisch abgelagerten Kügelchen wieder auf, an der tiefen Stelle bei Bass River blieben sie liegen.
Wie stark der Einschlag die Erde erschütterte, schätzt das Team über die Energie. Ein Asteroid dieser Größe setzte grob 10 hoch 23 Joule frei. Weil bei Erdbeben typischerweise etwa ein Prozent der Energie in seismische Wellen fließt, errechnen die Forscher ein Beben der Momenten-Magnitude 10 bis 11. Das passt zu anderen jüngeren Abschätzungen, die zwischen 9,4 und 11,3 liegen. Zum Vergleich: Das stärkste je gemessene Erdbeben, 1960 in Chile, erreichte eine Magnitude von 9,5, und jede volle Stufe der Skala steht für rund 32-mal mehr freigesetzte Energie.
Spuren dieses Bebens finden sich auch vor der Küste. Unter dem heutigen Kontinentalschelf von New Jersey fehlen in Industriebohrungen große Abschnitte der Gesteinsabfolge aus der Zeit um den Einschlag. Solche Lücken entstehen, wenn Sediment an Hängen abrutscht und fortgespült wird. Miller und seine Kollegen führen sie auf das Megabeben zurück, ähnlich wie gewaltige Rutschmassen auf dem Bermuda-Rücken 700 bis 1.200 Kilometer vor der Küste, die frühere Studien dem Einschlag zuordneten. Im Golf von Mexiko selbst entstanden Tsunamis von der Höhe eines Kilometers.
Den wichtigsten Befund liefern zwei benachbarte Stellen weiter landeinwärts, die Campo-Grube und eine Bohrung in der angrenzenden Buck-Grube. Dort lag der Meeresboden damals nur etwa 20 bis 30 Meter tief. Über der Grenze folgt eine 30 bis 60 Zentimeter dicke Ereignisschicht aus einem roten Ton und einem darüberliegenden grünen Ton. Der rote Ton enthält umgelagerte Kügelchen, sogar in kleinen Tonbrocken, die schon einmal abgelagert und wieder losgerissen worden waren. Der grüne Ton zeigt eine Mischung aus zwei Korngrößen, mit Häufungen bei etwa 11 und 83 Mikrometern, und abwechselnd feiner und gröber werdende Lagen. Für die Forscher passt das zu wiederholtem Aufwirbeln durch Tsunamis, wobei sie stehende Wellen in abgeschlossenen Becken nicht ganz ausschließen.
Hinzu kommen Verformungen, die nur in weichem, wassergesättigtem Sediment entstehen, etwa kissenförmige Strukturen, wie sie starke Erschütterungen hervorrufen. Weil diese Verformungen auch den grünen Ton erfassen, der erst Jahre nach dem Einschlag abgelagert wurde, kann das ursprüngliche Einschlagsbeben sie nicht erzeugt haben. Die Forscher deuten sie als Spur eines großen Nachbebens, das ihrer Schätzung nach 10 bis 20 Jahre nach dem Einschlag stattfand. Im oberen Teil des grünen Tons liegen zudem fünf bis zehn dünne weiße Lagen. Sie könnten nach Vermutung des Teams einzelne, schwächer werdende Tsunamis aus einer späteren Phase festhalten.
An einer weiteren Fundstelle, dem Edelman Fossil Park, liegt rund 50 Zentimeter über der Grenze eine Fossilschicht mit Schildkröten, Krokodilen und Vögeln aus der Zeit kurz nach dem Aussterben. Nach Ansicht des Teams wurden diese Tiere von Sedimenten begraben, die Nachbeben in Bewegung gesetzt hatten. Dass manche Reptilien die Katastrophe überstanden, zeigen auch Fossilfunde, nach denen Krokodile am Äquator den Dinosaurier-Asteroiden überdauerten.
Um die Schichten zeitlich einzuordnen, nutzen die Forscher das seltene Metall Iridium. Es ist in Asteroiden viel häufiger als in der Erdkruste und gilt seit Langem als Fingerabdruck des Einschlags. In der Campo- und Buck-Grube erreicht der Iridiumgehalt an der Basis des grünen Tons einen deutlichen Höhepunkt. Nach Atmosphärenmodellen anderer Forschergruppen blieb feiner Einschlagsstaub mit Iridium höchstens 10 bis 20 Jahre in der Stratosphäre, bevor er sich weltweit absetzte. Das Team deutet den Iridium-Höhepunkt daher als Zeitmarke, die etwa 10 bis 20 Jahre nach dem Einschlag liegt. Alles darunter gehört demnach zur ersten Phase, alles darüber zur Zeit danach.
Aus solchen Modellen stammen auch die Angaben zu Dunkelheit und Kälte. Eine Mischung aus Staub, Ruß und Schwefel verdunkelte demnach den Himmel mindestens zwei Jahre lang, winterähnliche Bedingungen hielten bis zu 20 Jahre an. Danach setzte eine Erwärmung um etwa 5 Grad Celsius durch freigesetztes Kohlendioxid ein. Diese Zahlen haben Miller und seine Kollegen nicht selbst gemessen, sondern aus anderen Arbeiten in ihren Zeitplan übernommen.
Um abzuschätzen, wie oft die Erde danach noch bebte, greift das Team auf das Omori-Gesetz zurück. Es beschreibt, wie die Zahl der Nachbeben nach einem großen tektonischen Erdbeben mit der Zeit abnimmt. Übertragen auf ein Hauptbeben der Magnitude 10,5 ergibt eine grobe Rechnung über zwei Jahrzehnte mehrere Nachbeben im Bereich der Magnitude 8 und Dutzende im Bereich der Magnitude 7, die meisten davon in den ersten Jahren. Die Forscher betonen selbst, dass diese Werte nur eine Orientierung sind und keine Vorhersage. Ein Asteroideneinschlag ist kein gewöhnliches Beben an einer Verwerfung.
Trotzdem halten die Forscher es für plausibel, dass die Erde über viele Jahre immer wieder bebte und dabei neue Tsunamis entstanden, die lockere Sedimente auf dem Schelf erneut aufwirbelten. Laut einem Bericht des Magazins New Scientist fasst Miller das so zusammen: Chicxulub habe die Glocke des Planeten geläutet, und sie habe danach jahrzehntelang weitergeklungen. Der Einschlagstag sei nur der Anfang der Geschichte gewesen. Wie groß das Risiko durch einschlagende Himmelskörper heute ist, haben andere Forscher für einen 500 Meter großen Asteroiden durchgespielt, der weit kleiner wäre als der Brocken von Chicxulub.
Eine Überraschung erlebte das Team bei den weißen Lagen im grünen Ton. Analysen zeigten, dass sie viel Kaolinit enthalten. Dieses weiße Tonmineral entsteht normalerweise über Jahrzehnte bis Jahrhunderte durch starke Verwitterung in warmen, feuchten Böden. Experimente haben allerdings gezeigt, dass Kaolinit in Gegenwart von Pilzen schon in Monaten bis Jahren entstehen kann. Zugleich gibt es Hinweise auf eine starke Vermehrung von Pilzen unmittelbar nach dem Einschlag.
Das Team entwirft daraus ein Szenario, das es ausdrücklich als Spekulation kennzeichnet. Während der jahrelangen Dunkelheit brach die Photosynthese zusammen, Pflanzen starben in großer Zahl ab, und an Land häufte sich verrottende Vegetation an. Davon könnten Pilze massenhaft gelebt und so die Bildung von Kaolinit beschleunigt haben. Ebenso möglich ist, dass die weißen Lagen stark verwitterte Kügelchen oder Material aus abklingenden Tsunamis sind. Beide Deutungen passen nach Ansicht der Forscher zum Bild der schlechten Jahrzehnte.
Aus allen Befunden leitet das Team einen Zeitplan ab. Auf den Einschlagstag folgt eine erste Phase bis etwa 15 Jahre danach, mit Staubregen, Dunkelheit, Kälte und wiederholten großen Nachbeben, in der sich der rote Ton ablagerte. In einer zweiten Phase, etwa 15 bis mehr als 20 Jahre nach dem Einschlag, wirbelten weitere Tsunamis den grünen Ton auf. Erst danach kehrte die normale Ablagerung im Meer zurück. Die Forscher nennen diesen Zeitplan selbst eine Arbeitshypothese, keine direkt datierte Zeitskala.
Unabhängige Fachleute, die New Scientist befragt hat, sehen in der Arbeit einen wertvollen Beitrag. Der Geologe Craig O'Neill von der Queensland University of Technology sagte dem Magazin, die Aufzeichnung erlaube es, wirklich auseinanderzunehmen, was unmittelbar nach dem Einschlag geschah. Annemarie Pickersgill von der University of Glasgow sieht darin einen weiteren Hinweis auf lang anhaltende Erdbebentätigkeit, die auch in anderen Regionen dokumentiert ist. Die Autoren fordern neue durchgehende Bohrkerne, genauere chemische Messungen und den Schutz der Fundstellen. Andere Studien widmen sich weiteren Fragen zum Einschlag, etwa der, woher der Dinosaurierkiller-Asteroid ursprünglich stammte.
EarthArXiv, Earth's Bad Decades: A Sedimentary Record of the Chicxulub Aftermath from the New Jersey Coastal Plain and Offshore; doi:10.31223/X5Z215
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