Abfolge der Verkieselungsstadien in fossilführenden Hornsteinen
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Beobachtungen an Hornsteinen und an Kieselhölzern können zum Verständnis des mehrstufigen Verkieselungsprozesses beitragen. Vieles weist darauf hin, dass die Verkieselung nicht überall gleichzeitig erfolgte: Manche Bereiche waren zu Kieselgel geworden, als andere daneben noch flüssig waren. Das erkennt man an breiten Rissen im ehemaligen Gel, die plötzlich an der ehemaligen Grenze zwischen Gel und Flüssigkeit enden. Andere Belege für die Koexistenz von Gel und Wasser in frühen Stadien der Verkieselung sieht man gelegentlich bei geschrumpften Pflanzen, deren ursprüngliche Kontur im Gel erhalten geblieben war. Beispiele dafür werden hier gegeben.    
Rhynia shrunk away from its contour
Abb.1: Querschnitte zylindrischer Hohlformen im Hornstein von Rhynie, entstanden durch Bildung von Kieselgel im Wasser, das die Sprosse der frühen Landpflanze Rhynia überflutet hatte; danach Rhynia ohne Gel im Wasser degradiert und geschrumpft, später alles verkieselt. Bildbreite 3.5mm.

Die Erscheinungen in Abb.1 werden in Rhynie Chert News 31 ausführlich erläutert und deshalb hier nur mit zwei Sätzen erklärt:
Übersättigte Kieselsäurelösung kann schnell zu Kieselgel werden, aber die Kutikula als Diffusionsbarriere auf der Epidermis kann die Verkieselung überfluteter Pflanzen [1] sehr verzögern. Weil das meiste anfangs gelöste SiO2 im umgebenden Gel gebunden ist, kann es lange dauern, bis das verbliebene gelöste SiO2 durch die Poren in der Kutikula der zerfallenden und schrumpfenden Pflanze in solcher Menge eindiffundiert ist, dass es in der Pflanze zu Gel wird und damit das Schrumpfen endet.
Der Nachschub von SiO2 kann so langsam sein, dass die zerfallende Pflanze verschwindet und nur ein Hohlraum im Gel übrig bleibt, der zunächst mit Wasser gefüllt ist (Abb.2).
fungus hyphae coated with chalcedony
Abb.2: Querschnitt eines ehemaligen Hohlraumes, entstanden durch Zersetzung eines
zylindrischen Pflanzensprosses, zunächst mit Wasser gefüllt, darin Hyphen eines wasserbewohnenden Pilzes, alles mehrfach mit Kieselgel beschichtet und zu Chalzedon verkieselt, dann grobe klare Quarzkristalle im restlichen Hohlraum gewachsen.

Es gibt noch einen andere merkwürdigen Verkieselungseffekt in wassergefüllten Hohlräumen. Wenn schrumpfendes Pflanzengewebe sich von der zylindrischen Hohlform ablöst, diffundieren Wasser und SiO2 in die entstehenden Hohlräume ein. Wenn die Lösung nicht so stark übersättigt ist, dass Gel entsteht, können SiO2-Cluster entstehen, die so groß sind, dass die Wärmebewegung sie nicht gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt halten kann. Die Cluster setzen sich ab und bilden eine schwere Emulsion mit waagerechter Grenzfläche zur übrigen Flüssigkeit. Das kann mit oder ohne geschrumpfte Pflanze im Hohlraum geschehen.
Der Endzustand, mit geschrumpfter Pflanze, Emulsion und Wasser, alles zu festem Chalzedon geworden, ist in Abb.3 zu sehen. Anders als in Abb.1 ist hier der geschrumpfte Spross noch zylindrisch, und entsprechend geformt ist der Spalt. Dieser enthielt Wasser und Emulsion, die beide zu Gel und dann zu milchigem und dunklem Chalzedon wurden. Die Störung links oben ist ein Bruch mit Verschiebung bezüglich der Schnittfläche.
 Rhynia shrunken before silicification

Abb.3 (rechts): Schräger Querschnitt von Rhynia (?) mit gut erhaltenem Gewebe, gleichmäßig geschrumpft und abgelöst von der Wand des 2mm breiten zylindrischen Hohlraums im Kieselgel, mit Symbiosepilz in dunklen Zellen. Man beachte die abgesetzte dunkle Emulsion mit zwei Grenzflächen in gleicher Ebene, dunkel wahrscheinlich durch organische Reste.

Abb.4 (unten): Querschnitt eines geschrumpften Sprosses von Horneophyton (?) im zylindrischen Hohlraum, der die originale Größe repräsentiert: Durchmesser 2.5mm. Man beachte die helle Emulsion am Grunde mit Grenzflächen in ungleicher Höhe.
early land plant shrunken before silicification
Was man hier als bläulichen Chalzedon sieht, war eine Sumpfgasblase, die die überflutete Pflanze nach oben drückte.
Als die Pflanze abgestorben war und schrumpfte, drückte die Gasblase nicht mehr, denn sie folgte nicht der Kontur der schrumpfenden Pflanze. Folglich muss zwischen Überfluten und Schrumpfen einige Zeit vergangen sein.
Die Gasblase muss durch Ausdiffundieren des Gases und Eindiffundieren von Wasser zu einer Wasserhöhle geworden sein, wo Mikroben gelebt haben, denn längs des Randes hatte sich eine dicke Schicht Mikrobenschleim gebildet. Durch eindiffundierendes SiO2 wurde das Wasser zu Gel, so dass die Mikrobenschicht nicht weiter wuchs. Die Gelbildung war kein einstufiger Prozess, was an den zwei kleinen Hohlräumen (unten) erkennbar ist, die zwischen dem schon vorhandenen Gel zunächst überdauerten. Dort bildeten sich SiO2 -Cluster, die sich als schwere Emulsion mit waagerechter Oberfläche absetzten, wie oben erläutert. Später wuchsen klare Quarzkristalle im restlichen Wasser.

 Ähnlich wie in Abb.3 ist auch hier interessant, was in dem wassergefüllten Spalt geschah, der in der Hohlform der originalen Pflanze, zylindrisch in Abb.4, und der noch nicht verkieselten schrumpfenden Pflanze entstanden war. Silica-Cluster bildeten auch hier eine schwere Emulsion, die sich am Boden des Hohlraums absetzte. Anders als in Abb.3 muss hier die zuunterst abgesetzte Emulsion nicht mehr flüssig gewesen sein,
so dass es im Spalt kein hydrostatisches Gleichgewicht mehr gab und die nachfolgend abgesetzte Emulsion waagerechte Oberflächen auf ungleicher Höhe bildete.
Nachdem alle Emulsion verfestigt war, schrumpfte die Pflanze nur sehr wenig weiter, sichtbar an dem schmalen dunklen Spalt neben der verfestigten hellen Emulsion im großen Spalt links. Das Schrumpfen endet mit der Stabilisierung der Pflanze durch Gel. Fortgesetztes Eindiffundieren von SiO2 verwandelte die geschrumpfte Pflanze samt Kieselgel in Chalzedon und ließ im übrigen Hohlraum grobkristallinen Quartz wachsen. Der lichtdurchlässige grob
kristalline Quarz erscheint im Auflicht dunkel, wie in Abb.2,4.    
Einige Fragen müssen auch hier unbeantwortet bleiben. Der Gegensatz von hellem Chalzedon oben in Abb.3 und unten in Abb.4 kann verwirrend sein. Man kann sich auch wundern, warum grobkristalliner Quarz in manchen Fällen entsteht (Abb.2,4,), in anderen nicht (Abb.1,3). Grobkristalliner Quarz im Hornstein repräsentiert anscheinend das letzte Stadium der Verkieselung, wie in Abb.2,4, aber es gibt gegenteilige Belege von Kieselholz: Millimetergroße Kristalle können zuerst entstehen, Chalzedon später. Siehe Fossil Wood News 1.
Fundstücke: Rhynie Chert (Unter-Devon). Abb.1:                         Abb.2: Rh12/154                        Abb.3: Rh3/71.2                       Abb.4:  Rh12/123.1      

H.-J. Weiss     2014,    
überarbeitet 2019


[1]  N.H. Trewin : The Rhynie cherts: an early Devonian ecosystem preserved by hydrothermal activity. 
      Scott. J. Geol. 28(1992), 37-47.
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