Im Kyffhäuser in Nordthüringen stecken Baumstämme in rötlichem Sandstein, die vor rund 300 Millionen Jahren an tropischen Flüssen wuchsen und heute vollständig aus Quarz bestehen. Ein deutsches Forschungsteam hat diese Kieselhölzer erstmals als geologisches Archiv gelesen. In den Kristallen steckt eine Abfolge, die in fossilem Holz bislang noch nie dokumentiert wurde. Winzige Flüssigkeitseinschlüsse bewahren darin Temperatur, Druck und Chemie jener Lösungen, aus denen sie einst wuchsen.
Versteinertes Holz gilt vielen als dekoratives Sammlerstück, als polierte Scheibe aus dem Museumsshop oder als Briefbeschwerer mit sichtbaren Wachstumszonen. Geologisch betrachtet handelt es sich um ein Sedimentgestein, das aus abgestorbenem Pflanzengewebe hervorgeht. Nachdem ein Stamm von Sand, Ton oder vulkanischer Asche überdeckt wurde, dringt gelöste Kieselsäure in das Gewebe ein, kleidet die Zellwände aus und bildet deren feinste anatomische Strukturen nach. Über Jahrmillionen kristallisiert dieses zunächst amorphe Material zu Quarz und ersetzt die ursprüngliche Substanz Schritt für Schritt. Zurück bleibt ein dreidimensionales Abbild aus Siliziumdioxid, in dem sich Zelltypen, Markstrahlen und Jahresringe noch unter dem Mikroskop bestimmen lassen. Diese Mineralisierung galt lange als vergleichsweise kurzer Vorgang, der kurz nach der Einbettung abläuft und danach zum Stillstand kommt. Fossilien dieser Art wurden deshalb vor allem botanisch ausgewertet und kaum als Quelle für die Entwicklung des umgebenden Gesteins betrachtet.
Eine jetzt im Fachjournal Scientific Reports veröffentlichte Untersuchung stellt diese Annahme grundlegend infrage. Ein Forschungsteam um den Geologen Steffen Trümper hat Kieselhölzer aus dem Kyffhäusergebirge in Nordthüringen analysiert und darin nicht eine, sondern fünf aufeinanderfolgende Generationen von Kieselsäure nachgewiesen. Jede dieser Generationen entstand unter anderen physikalischen und chemischen Bedingungen und speichert deshalb eigene Informationen über Temperatur, Druck und Zusammensetzung der Porenlösungen. Zusammengenommen decken sie eine Zeitspanne vom späten Karbon bis in die frühe Kreidezeit ab, also rund 200 Millionen Jahre. Rechnet man die anschließende Heraushebung an die Erdoberfläche hinzu, reicht das Protokoll bis in die Gegenwart und umfasst etwa 300 Millionen Jahre. Aus dem Schmuckstein wird damit ein Geoarchiv, das die Versenkung und spätere Hebung eines ganzen Sedimentbeckens dokumentiert und tektonische Ereignisse auf einer Zeitskala von Hundert Millionen Jahren sichtbar macht.
Um diese Abfolge zu entschlüsseln, kombinierte das Team ein ganzes Bündel analytischer Verfahren. Die Kathodolumineszenz macht in polierten Anschnitten sichtbar, welche Bereiche des Quarzes zu welcher Generation gehören, weil unterschiedlich gewachsene Kristalle unter dem Elektronenstrahl verschieden hell leuchten. Ergänzend kamen Messungen der Sauerstoff- und Siliziumisotope, eine Raman-Thermometrie, die Elektronenstrahlmikroanalyse und die Rasterelektronenmikroskopie zum Einsatz. Für die zeitliche Einordnung nutzten die Forscher eine In-situ-Uran-Blei-Datierung, mit der sich das Alter einzelner Mineralphasen direkt im Gesteinsschliff bestimmen lässt. Erst dieses Zusammenspiel erlaubte es, die fünf Stadien sauber voneinander zu trennen und in eine Reihenfolge zu bringen. Als besonders aussagekräftig erwiesen sich die Flüssigkeitseinschlüsse: oft nur wenige Mikrometer große Hohlräume, in denen beim Kristallwachstum ein Tropfen der umgebenden Lösung eingeschlossen wurde und seither unverändert erhalten blieb.
Die Auswertung dieser Einschlüsse ergab, dass Teile der Stämme zeitweise in drei bis fünfeinhalb Kilometern Tiefe lagen und dort Temperaturen zwischen 160 und 240 Grad Celsius ausgesetzt waren. Solche Werte würde man einem Fossil aus einem Flusssediment zunächst nicht zutrauen. Sie belegen, dass das Saale-Becken nach der Ablagerung der Stämme über lange Zeiträume weiter absank und von mächtigen jüngeren Schichten überdeckt wurde, bevor die Region wieder gehoben und abgetragen wurde. In diesen Zeitraum fällt unter anderem das größte Massenaussterben der Erdgeschichte an der Grenze zwischen Perm und Trias, das die Lebenswelt über dem Becken vollständig umbaute. Für die Beckenanalyse eröffnet das einen neuen Zugang, denn bislang stützt sich die Rekonstruktion solcher Versenkungsgeschichten vor allem auf Bohrkerne, seismische Profile und den Reifegrad organischer Substanz. Ein handgroßes Stück Holz liefert nun eine unabhängige Kontrolle.
Die Kieselhölzer des Kyffhäusers sind mindestens seit dem 18. Jahrhundert bekannt und bilden eines der umfangreichsten Vorkommen versteinerten Holzes auf der Nordhalbkugel. Einzelne Stämme erreichen Längen von bis zu 20 Metern und stecken in rötlichen Flussablagerungen, deren Farbe von eingelagerten Eisenoxiden stammt und auf ein warmes, saisonal trockenes Klima verweist. Die Bäume wuchsen in tropischen Trockenwäldern auf dem Superkontinent Pangaea, als die Region noch nahe am Äquator lag; es handelte sich um heute ausgestorbene Verwandte der Nadelbäume, die bei Hochwassern von Sediment begraben wurden. Ähnlich alte Wälder sind aus Europa nur in Ausnahmefällen überliefert, etwa dort, wo Forscher die Fossilien des ältesten Waldes der Erde geborgen haben. Weil vergleichbare Ablagerungen in zahlreichen europäischen Becken auftreten, gilt der Fundort weit über Thüringen hinaus als geologische Referenz.
Trümper ordnet den Befund vorsichtig ein: Die Eignung fossilen Holzes für die Beckenanalyse hänge weniger vom tektonischen Rahmen ab als von den klimatischen und sedimentologischen Bedingungen während der Einbettung. Nicht jedes Kieselholz taugt also als Archiv, und wie gut sich die Methode auf andere Regionen übertragen lässt, muss sich erst zeigen. Wie die Universität Münster mitteilt, sehen die Beteiligten das Potenzial dennoch als groß an, weil versteinertes Holz in Gesteinen weltweit vorkommt und damit vielerorts verfügbar ist. Praktische Bedeutung hätte das vor allem für Regionen wie das Zentraleuropäische Beckensystem, dessen Schichten bis heute Rohstoffe, Grundwasser und Potenzial für Geothermie enthalten. Ein Fossil, das bislang vor allem als Dekoration galt, könnte künftig helfen, den Untergrund unter Mitteleuropa genauer zu kartieren, und das weit über den Kyffhäuser hinaus.
Scientific Reports, Fossil wood cells recorded 300 million years of Europe's tectonic history; doi:10.1038/s41598-026-60054-3