Sedimentkerne: das Klimaarchiv am Grund des Baikalsees

Was ist das Baikal Drilling Project?

Das Baikal Drilling Project war ein internationales Bohrprogramm, das in den 1990er-Jahren die Klima- und Erdgeschichte am Grund des Baikals erschloss. Beteiligt waren russische Institute in Irkutsk und Nowosibirsk, Universitäten und der Geologische Dienst der USA sowie japanische Forschungseinrichtungen; eine führende Rolle spielte auf russischer Seite der Geochemiker Michail Kusmin, Direktor des Instituts für Geochemie in Irkutsk. Ziel war es, zwei Fragen zugleich zu beantworten: wie sich das Klima im Inneren Asiens über Millionen Jahre verändert hat und wie sich der Grabenbruch unter dem See entwickelt hat.

Zwischen 1993 und 1999 wurden an verschiedenen Stellen des Sees fünf Gruppen von Bohrlöchern niedergebracht. Die Standorte wählten die Forscher nach seismischen Profilen aus, die zuvor amerikanische und russische Schiffe aufgenommen hatten. Gesucht waren Stellen, an denen sich Schlamm über lange Zeit ungestört abgelagert hat, ohne dass Flüsse grobes Material einschwemmten oder Rutschungen die Schichten durcheinanderbrachten.

Wie bohrt man vom Eis aus in den Seeboden?

Man bohrt im Spätwinter, wenn die Eisdecke trägt, von einer Barke aus, die an der Bohrstelle im Eis festfriert. So steht die Anlage still über dem Bohrloch, ohne dass ein Schiff gegen Wind und Wellen die Position halten muss. Im März 1993 kam auf diese Weise erstmals ein Bohrsystem über dem Buguldeika-Sattel zum Einsatz. Für die tiefe Bohrung von 1998 montierte ein russisches Bohrunternehmen eine größere Anlage auf eine 1.300 Tonnen schwere Barke, die das Schiff „Baikal“ zur Bohrstelle schleppte.

Die oberen Meter wurden mit einem hydraulischen Kolbenlot gewonnen, das den weichen Schlamm in Kunststoffrohren nahezu ungestört herausstanzt; bei BDP-98 reichte dieses Verfahren bis 270 Meter, darunter wurde drehend gebohrt. Erstmals am Baikal kam dabei ein einzementiertes Steigrohr zum Einsatz, das das Bohrloch stützte und eine geschlossene Spülung erlaubte. Aus drei Bohrlöchern setzten die Forscher einen durchgehenden Kern von 600 Metern zusammen; im Mittel wurden 95 Prozent des Materials geborgen. Die oberste, nur Zentimeter dicke Schicht mit ihrer Eisen-Mangan-Kruste holten sie zusätzlich mit kurzen Kolbenloten.

Nach der Bohrung wurde das Bohrloch vermessen, unter anderem mit Gammastrahlung und Schallwellen. Damit ließen sich die Schichten des Kerns mit den seismischen Profilen verbinden: Erst jetzt war bekannt, in welcher Tiefe unter dem Seeboden ein bestimmter Reflektor liegt und wie alt er ist.

Warum wurde gerade auf dem Akademikerrücken gebohrt?

Der Akademikerrücken ist eine unterseeische Schwelle zwischen Mittel- und Nordbecken, auf der sich Schlamm seit Millionen Jahren langsam und ungestört ablagert. Sein Kamm liegt im Mittel 300 bis 350 Meter unter der Oberfläche und überragt den Seeboden im Nordwesten um 500 und im Südosten um mehr als 1.000 Meter. Weil der Rücken als stabiler Block aus dem Becken herausragt, erreichen ihn weder die Trübeströme, die in die Becken hinabfließen, noch der Schutt der großen Flüsse. Auf seinem Grundgebirge liegen nur 1.000 bis 1.500 Meter Sediment, in den tiefen Becken daneben ist es ein Vielfaches.

Die Ablagerungsrate ist dort gering: Für die letzten 5 Millionen Jahre ermittelten die Forscher rund 4 Zentimeter in 1.000 Jahren. Das ist ideal für einen langen Rückblick, weil schon wenige Hundert Meter Kern viele Millionen Jahre umfassen. Der Buguldeika-Sattel im Südbecken bietet das Gegenstück: Dort lagert sich Schlamm schneller ab, die Kerne reichen weniger weit zurück, lösen die Zeit aber feiner auf. Nach einer Zusammenfassung des Projekts erreichen die Kerne dort eine zeitliche Auflösung von 25 bis 100 Jahren, auf dem Akademikerrücken von 250 bis 500 Jahren.

Die Kerne vom Rücken erzählen auch die Geschichte des Grabens. Im unteren Teil von BDP-98 finden sich Sand, Kies und verkohlte Pflanzenreste: Vor rund 10 Millionen Jahren lag die Bohrstelle am Rand eines Deltas, das ein Vorläufer des Bargusin schüttete. Erst als sich das Becken weitete und vertiefte, wurde der Block zur Schwelle, und spätestens vor 7 bis 5 Millionen Jahren lagerte sich dort nur noch feiner Schlamm aus dem Wasser ab. Wie der Graben entstand und warum er sich bis heute weitet, beschreibt die Seite über die Baikal-Riftzone; die bis zu 7 Kilometer mächtigen Ablagerungen in den tiefen Becken hat noch keine Bohrung durchstoßen.

Wie zeigen Kieselalgen Warm- und Kaltzeiten an?

Kieselalgen bilden Schalen aus Kieselsäure, die sich nach dem Absterben am Grund ablagern. In Warmzeiten blühen sie stark und hinterlassen hellen, kieselreichen Schlamm; in Kaltzeiten, wenn der See lange zugefroren ist und Gletscher in den Bergen feines Gesteinsmehl liefern, setzt sich fast reiner Ton ab. Der Anteil der sogenannten biogenen Kieselsäure im Kern ist deshalb ein Maß dafür, wie warm es war. Kalkschalen, mit denen man in Meereskernen arbeitet, bleiben im sehr weichen Baikalwasser nicht erhalten.

In den Kernen wechseln diese Schichten im Rhythmus der Erdbahn. Der serbische Mathematiker Milutin Milanković hatte errechnet, dass sich die Sonneneinstrahlung durch Schwankungen der Erdbahn in Zyklen von rund 100.000, 41.000 und 23.000 bis 19.000 Jahren ändert. Eine Auswertung der Kieselsäure über die letzten 250.000 Jahre zeigte 1995 alle drei Zyklen, wobei der 100.000-Jahre-Rhythmus der großen Eiszeiten überwog. Über 5 Millionen Jahre hinweg fanden Douglas Williams und Kollegen 1997, dass der 41.000-Jahre-Zyklus zwischen 1,8 und 0,8 Millionen Jahren besonders stark war und erst danach der 100.000-Jahre-Zyklus dominierte, genau wie in Meereskernen.

Dieselbe Reihe zeigt zwei große Abkühlungen, vor 2,8 bis 2,6 und vor 1,8 bis 1,6 Millionen Jahren. In BDP-98 tauchen die ersten Lagen reinen Gletschertons in rund 100 Metern Kerntiefe auf, an der Grenze zweier Magnetfeldepochen vor etwa 2,6 Millionen Jahren. Damit belegt der Kern regionale Vergletscherungen deutlich früher, als Ablagerungen an Land vermuten ließen. Wie sich der See in der heutigen Erwärmung verändert, beschreibt die Seite zum Klimawandel am Baikalsee.

Was verraten Pollen und andere Spuren im Kern?

Pollen zeigen, welche Pflanzen rund um den See wuchsen. Aus dem Kern BDP-99 von der Possolskaja-Bank, einer unterseeischen Erhebung nahe dem Selenga-Delta, gewannen Forscher für die letzten 130.000 Jahre eine dichte Pollenreihe, die die Klimawechsel in der Baikalregion und in Transbaikalien abbildet. Derselbe Kern enthält in 134 Metern Tiefe eine Lücke von rund 200.000 Jahren, die erste in einem Baikalkern; sie belegt tektonische Bewegungen im Gebiet der Selenga vor rund 1 bis 0,82 Millionen Jahren, als sich die Primorski-Kette hob.

Andere Spuren betreffen den See selbst. Im unteren Teil von BDP-98 kommen Karbonate vor, die sich im heutigen Baikal nicht erhalten, und es fehlen fast ganz die Knollen des Eisenphosphats Vivianit, die in den jüngeren Schichten häufig sind. Die Autoren halten es für möglich, dass das Wasser des frühen Baikals im warmen Klima des Miozäns schlechter durchmischt und sauerstoffarm war. In den oberen 100 Metern liegen dagegen kantige Kiesel von 2 bis 5 Zentimetern im feinen Schlamm, wohl von Eisschollen und Eisbergen verfrachtet. Pflanzenfunde aus Ablagerungen an Land zeigen, dass die Wälder um den See im mittleren Miozän heutigen Wäldern Südchinas ähnelten; wärmeliebende Gehölze wie Magnolie und Tulpenbaum verschwanden erst im späten Miozän.

Warum gilt der Baikal als kontinentales Gegenstück zu den Ozeankernen?

Weil er eine der ganz wenigen lückenlosen Klimareihen über Millionen Jahre aus dem Inneren eines Kontinents liefert. Fast alles, was über die Eiszeiten bekannt ist, stammt aus Bohrkernen der Ozeane, deren Sauerstoffisotope das Eisvolumen der Erde spiegeln. Ablagerungen an Land sind dagegen meist lückenhaft. Der Baikal dagegen liegt seit Millionen Jahren als tiefer See an derselben Stelle, und Gletscher haben seine Ablagerungen nie ausgeräumt.

Die Bohrungen bestätigten das. Die Kieselsäurereihe der Baikalkerne lässt sich Stufe für Stufe mit der Sauerstoffisotopenkurve der Meere verbinden, und nach einer Zusammenfassung von 2001 reagiert das Klima im Inneren Asiens dabei sogar deutlicher als die Ozeane. Das Limnologische Institut zählt die Rekonstruktion des Klimas der letzten 8 Millionen Jahre zu seinen wichtigsten Ergebnissen; welche Rolle das Institut in der Baikalforschung spielt, zeigt die Seite über die Limnologie am Baikalsee. Was die Kerne über das Alter des Sees aussagen und warum es 25 bis 30 Millionen Jahre beträgt, erklärt die Seite über Alter und Entstehung des Baikalsees.

Beim Alter der Kerne selbst sind sich die Fachleute nicht ganz einig. Die Projektgruppe datierte BDP-98 über Umkehrungen des Erdmagnetfelds vorläufig auf über 9 Millionen Jahre und nennt für den ganzen Kern rund 10 Millionen Jahre. Ein japanisches Team kam 2001 in der Zeitschrift Nature auf 12 Millionen Jahre, strich dafür aber einen Abschnitt von 100 Metern als fehlerhaft; Mitglieder der Projektgruppe hielten das 2002 für nicht gerechtfertigt. Nach den ausgewerteten Quellen folgte nach 1999 keine weitere Tiefbohrung dieser Größenordnung. Seither arbeiten die Forscher mit kürzeren Kernen vom Schiff und vom Eis aus, die das Limnologische Institut in einer Kerndatenbank seit 1990 verzeichnet, und werten das Material der Großbohrungen weiter aus.

Quellen: Antipin et al. (2001): The new BDP-98 600-m drill core from Lake Baikal, Quaternary International 80–81; Colman et al. (1997): First scientific drilling on Lake Baikal, Buguldeika site; Kuzmin et al. (2001): Deep drilling on Lake Baikal, main results; Bezrukova et al. (2004): BDP-99 core from Posol’sk Bank; Colman et al. (1995): Continental climate response to orbital forcing, Nature 378; U.S. Geological Survey: Lake Baikal – A Touchstone for Global Change and Rift Studies. Weitere: Williams et al. 1997 (Science 278), Kashiwaya et al. 2001 (Nature 410), Prokopenko et al. 2002 (Nature 415), Prokopenko et al. 2006 (Quaternary Science Reviews 25), Kuzmin et al. 2000 (International Journal of Earth Sciences 89), Limnologisches Institut SB RAS. Stand: Oktober 2026.