De Holzmaden fossielen

In de gangen die naar de ingang van de museumzaal leiden zijn een zestal wandplaten met fossiele organismen te bezichtigen, namelijk:

• Pentacrinus subangularis Mill. sp. (zeelelie),
• Stenopterygius quadriscissus Qu (vishagedis),
• Hybodus Hauffianus (haai),
• Lepidotus elvensis (beenvis),
• Pachycormus spec. nov. (beenvis),
• Mystriosaurus bollensis Cuvier sp. (krokodil).

Mystriosaurus bollensis Cuvier sp. (zeekrokodil)

Deze fossielen zijn allen afkomstig uit de Posidonia-schalie die in de omgeving van Holzmaden, Jurassic Alb, Duitsland, aan het oppervlak komt. Deze schalie werd wereldberoemd vanwege haar zeer goed bewaarde fossielen. Al in het begin van de vorige eeuw werden deze fossielen naar waarde geschat en zorgvuldig uitgeprepareerd door Bernard Hauff sr.

De Posidonia schalie is in de Jura ontstaan. De Jura (206 - 144 miljoen jaar geleden) wordt onderverdeeld in de Lias, Dogger, en Malm. In Zuid-Duitsland worden deze perioden in de Jura ook wel respectievelijk de zwarte Jura, de bruine Jura en de witte Jura genoemd, een duidelijke verwijzing naar de kleur van de gesteenten die in deze perioden ontstaan zijn. De Lias, Dogger en Malm worden ieder op hun beurt weer onderverdeeld in zes kleinere eenheden die aangeduid worden met de eerste letters van het griekse alfabet (alpha t/m zeta). De Posidonia-schalies die bij Holzmaden dagzomen, hebben een zwarte kleur, zij zijn ontstaan in de Lias, de zwarte Jura, en wel in de Lias epsilon. De schalies zijn over ongeveer 150 km goed ontsloten en hebben een dikte van circa 10 meter.

De Posidonia-schalie heeft zijn naam te danken aan het veelvuldig voorkomen van fossielen van de schelp Posidonia Bronni. De schalie wordt ter plekke ook wel Ölschiefer, olieschalie, genoemd. Eigenlijk is dit een foutieve naam. Het gesteente bevat wel veel organische bestanddelen (doorgaans 3-7 %, op enkele plaatsen 10% of nog hoger - max. 20%)), maar geen olie. Deze organische bestanddelen bestaan voor 80-90% uit kerogeen (naam betekent "het brandbare"), complexe organische verbindingen die na verhitting olieachtige produkten geven.

Fossielen uit Holzmaden in het museum

Zeelelies

In de Jura zee kwamen zeelelies zeer algemeen voor. Deze zeelelies hechtten zich aan ronddrijvende boomstammen en dreven zo mee. In de gang naast de lift hangt een 2 meter hoge zeelelie Pentacrinus. De afbeelding links geeft een eerste impressie. Deze soort komt echter niet meer in de lijsten voor. Waarschijnlijk is deze soort intussen ondergebracht in een andere groep en heet hij nu Seirocrinus subangularis.

Ichthyosauriers

De Ichthyosauriers waren in het water levende reptielen. Het waren hoog ontwikkelde reptielen die zijn voortgekomen uit de soort Diapsida, eveneens de vroege voorouders van de dinosaurussen. Veel reptielen legden eieren op het land, maar de Ichthyosauriers baarden levende jongen in het water. Ichthyosaurussen waren zeer algemeen. De Stenopterygius kwam het meeste voor. Het was een relatief klein beest, hij werd zelden groter dan 3 a 4 meter. Ichthyosauriers zijn in het Krijt uitgestorven.

Vissen

In de Posidonia schalie van Holzmaden zijn meer dan 2000 soorten vissen gevonden. Interessant is dat de vissen eigenlijk een ontwikkeling van de beenvissen laten zien. Lepidotus is een voorbeeld van een relatief ouderwetse beenvis. Deze vissen kwamen in de Jura het meeste voor. Het inwendige skelet stelde nog niet veel voor, de verbindingen tussen de botjes waren nog maar zwak. De vis beschermde zich zelf door een goed ontwikkeld pantser dat uit harde schubben bestond. Deze schubben waren met een glanzende laag "emaille" bedekt. Het waren trage zwemmers die zich het liefst in rustig water ophielden. Alleen grotere reptielen konden door dit pantser heen komen. Lepidotus was de grootste van deze zogenaamde "Schmelzschuppenfische", hij kon ongeveer 1 meter lang worden.

In de ontwikkeling van de beenvissen werd het inwendige skelet steviger, de verbindingen tussen de botjes werden steviger. De schubben worden kleiner en in de krachtige kaken verschijnen spitse tanden. De vissen ontwikkelden zich tot snelle, makkelijk wendbare, roofvissen. Een voorbeeld van een dergelijke vis is de Pachycormus, waarvan een fragment van diens wandplaat rechtsboven is afgebeeld.

Als zeldzaamheid zijn fossiele resten van de Hybodus, een haai, gevonden. Haaien behoren niet tot de beenvissen maar tot de kraakbeenvissen. Kraakbeen wordt zelden fossiel gevonden. De Hybodus kon maximaal ongeveer 2.5 meter lang worden. De huidige haaivarianten lijken qua skelet nog steeds heel erg op deze vormen uit de Lias.

Krokodillen

In de Lias zee leefden mariene krokodillen, voorouders van de huidige krokodillen. Er kwamen drie soorten voor, de Steneosauriers, de Pelagosauriers en de Platysuchus. De Platysuchus en de Steneosaurus behoren, met de Mystriosaurus tot de groep van de Teleosauriers. Een van de wandplaten toont een Mystriosaurus bollensis Cuvier sp. (zie onderstaande afbeelding). Deze soort komt echter niet meer in de lijsten voor. Waarschijnlijk is deze soort ondertussen in een andere groep terechtgekomen en heet hij nu Stenosaurus bollensis.

Mystriosaurus bollensis Cuvier sp. (zeekrokodil)

Het ontstaan van de Posidonia schalie

In de Trias, 245 tot 206 miljoen jaar geleden, was het grootste deel van Zuid-Duitsland vasteland. In het begin van de Jura werd het zuiden van Duitsland door een zee overspoeld. Deze ondiepe zee had een verbinding met de zuidelijker gelegen Tethys. Ten tijde van de Lias had deze streek te maken met een warm, tropisch klimaat. In deze zee leefden zeer veel eencellige planktonische algen met een submicroscopisch kalkskeletje. Na het afsterven van de organismen zakten de restanten naar de bodem. Tegelijkertijd voerden de rivieren uit het achterland klei naar deze zee. Op de bodem vormden zich modderachtige lagen die voornamelijk uit zeer kleine kalk- en kleideeltjes bestonden, en rijk waren aan organisch materiaal. Na miljoenen jaren zien wij deze modderachtige lagen als de zeer fijnkorrelige, fijn gelamineerde, zwarte mergelachtige schalie die Posidonia-schalie genoemd wordt.

Er leefden in deze zee, naast de algen, veel andere micro-organismen zoals foraminiferen, radiolariën, diatomeeën en ostracoden. Maar er leefden ook vele grotere organismen. Naast schelpen, zoals b.v. de Posidonia bronni, leefden er vele soorten kreeftjes, zee-egels, inktvissen, zeelelies, vele soorten vissen en zelfs grote reptielen zoals plesiosauriers, ichthyosauriers en krokodillen. Ook deze grote organismen zonken na hun dood naar de bodem en kwamen in de modderachtige lagen terecht. Van al deze soorten zijn prachtige, zeer gedetailleerde fossielen gevonden. Dat de situatie voor de preservering van de organismen ideaal was blijkt uit het feit dat in sommige gevallen zelfs de weke delen van het organisme bewaard zijn gebleven. Er was een unieke situatie aanwezig die leidde tot een uniek fossilisatieproces.

De vorming van de fossielen

Als gevolg van de tropische temperaturen werd de bovenste waterlaag in deze ondiepe zee verwarmd. Warm water is lichter dan koud water. Dit had tot gevolg dat er geen uitwisseling met lagere waterniveaus plaatsvond, de watercirculatie stagneerde. Hierdoor ontstond een temperatuurzonering.
In de warmere toplagen leefden de vele organismen. Na de dood van deze organismen zakten de organismen naar beneden. De zuurstof die in de lagere waterlagen aanwezig was zorgde voor een oxidatie van de organische resten. Door het ontbreken van een uitwisseling met de hogere waterlagen raakte de zuurstof echter snel op waardoor een zuurstofloos milieu ontstond. In dergelijke zuurstofarme en zuurstofloze milieus is leven zo goed als onmogelijk. Bodembewoners sterven af. Alleen bacteriën die geen zuurstof nodig hebben, de anaërobe bacteriën, voelen zich hier thuis. Deze anaërobe bacteriën verteren eveneens organisch materiaal waarbij giftige zwaveldampen (H2S) vrijkomen. Naast een temperatuurzonering ontstond dus ook een scheiding in een zuurstofrijke toplaag waarin zeer veel organismen leefden en een zuurstofloze bodemlaag waarin anaërobe bacteriën voor de produktie van zwaveldampen zorgden waardoor leven hier totaal onmogelijk werd.

Deze situatie is voor de ontwikkeling van een levendige bodemfauna fataal. Deze situatie is echter ideaal voor de conservatie van organismen:

• De dode organismen zakken naar de bodem. Doordat er geen bodemdieren aanwezig zijn en overige aaseters ook wegblijven, blijven de restanten intact.
• Het water staat stil, de circulatie is gestagneerd. Hierdoor worden de organismen niet meegevoerd door een stroming. Ze blijven roerloos op de bodem liggen en blijven intact.
• Door de afwezigheid van zuurstof vindt geen oxidatie plaats. Anaërobe bacteriën zorgen voor een onvolledige vertering van het organische materiaal. In sommige gevallen blijven echter zelfs de weke substantie van het organisme bewaard. De bacteriën produceren het giftige H2S, waardoor een steeds onvriendelijker leefmilieu ontstaat. De bacteriën vormden waarschijnlijk ook een soort slijmlaagje rond de lijken dat ook voor bescherming zorgde. Als de lijken door nieuw sediment bedekt werden kropen de bacteriën omhoog maar het slijmlaagje bleef achter.
• Door de grote toevoer van kalkdeeltjes (de afstervende algen) uit de bovenliggende lagen worden de restanten van de organismen relatief snel bedekt door nieuwe modderlagen. Door deze afscherming is verdere vervorming uitgesloten.

Bij de grotere organismen trad nog een ander chemisch proces op waardoor de restanten extra beschermd werden waardoor hun vorm nog beter bewaard bleef:
Bij de anaërobe omzetting van het organische materiaal ontstond koolstof en zwavelverbindingen. In een zuurstofloos milieu ontstaat hieruit HCO3- en H2S. Bij het wegrotten van organisch materiaal ontstaat ook ammoniak, NH3. Hierdoor stijgt de pH. Door de hogere pH gaan Ca2+ en HCO3- over in CaCO3. Deze CaCO3 slaat rond het kadaver neer en vormt een stevige, harde afscherming waardoor het lijk beschermd wordt tegen verdere vervormingen. Deze broodvormige kalkconcreties rond de organismen worden ter plaatse "Laibsteine", broodstenen, genoemd.

De hoeveelheid biologische activiteit varieerde met de temperatuur. In de warme, droge zomers leefden er meer organismen. Er ontstonden mergelige gesteenten, rijk aan kalkconcreties. Soms ontstonden zelfs kalksteenlagen. In de koelere, natte perioden was er minder biologische activiteit. Er werd meer klei vanaf het land aangevoerd en er ontstonden mergelige schalies. Deze seizoensgebonden afwisseling resulteerde in een afwisseling van hardere kalkrijke lagen en zachtere lagen met mergelige schalie. Doordat deze lagen niet even snel eroderen is deze afwisseling in het landschap goed zichtbaar.

Het gebruik van de Posidonia schalie

De schalie wordt al sinds lange tijd ontgonnen. Vooral platen uit de onderste harde kalksteenlagen ("Fleins") werden veel gebruikt als vensterplaten, bodemplaten etc. Rond 1600 werd voor het eerst uitgeprobeerd of het mogelijk was om uit deze schalie olie te winnen. Waarschijnlijk zonder succes.

Rond 1650 ontstond er, waarschijnlijk a.g.v. van een onzorgvuldig aangelegd vuurtje, brand in de bodem van een schalie groeve. Niemand was in staat de brand te blussen. Pas na 6 jaren hield de brand vanzelf op. Het gevolg van deze brand was dat er een olieachtige vloeistof uit de bodem vloeide, die door de mensen als "Schieferöl" verkocht werd. Halverwege de negentiende eeuw lukte het om olie uit de schalie te destilleren. Kort hierna werden de olievelden in Amerika ontdekt. De olieprijs zakte en het was niet meer rendabel om olie uit schalie te destilleren. Het proces werd echter niet meteen stilgezet. Men probeerde vanaf circa 1870 de oliewinning, de energiewinning en de cementfabrikage ter plaatse te combineren. Ook probeerde men uit de schalie en toegevoegde steenkool (schalie : steenkool = 5 : 1) het zogenaamde "Schiefergas" te produceren. Allerlei onderzoekingen hebben er echter geleid tot de conclusie dat het niet rendabel is om uit de schalie olie of gas te winnen. Afbouw van dergelijke schalies is op dit moment rendabel als het bitumengehalte 40% of meer is. Daar de olieschalies echter slechts een bitumengehalte hebben van 3 tot 7 % hebben zij wat dat betreft eigenlijk geen betekenis.

In de Tweede Wereldoorlog beleefde de olieschalie echter een revival. De ontginning van de olieschalies werd in 1944 hervat. De fabrikage van vliegtuigbenzine was het belangrijkste doel. Er waren drie processen bekend die tot de productie van olie uit de schalie konden lijden. In korte tijd werd er zo veel mogelijk schalie ontgonnen om tot een hoge produktie te komen. Dit gebeurde op vier verschillende plaatsen. Deze vier plaatsen opereerden allen onder de schuilnaam "Wüste" (W. 2, 4, 8 en 9). Voor de winning van de schalie werden bewoners van concentratiekampen ingezet. Deze concentratiekampen waren geen vernietigingskampen. Toch stierven er duizenden mensen, "vernichtet durch Arbeit". Een van de drie processen leek het beste (das Meilerverfahren). De technische problemen die er nog genoeg waren zouden opgelost worden als het proces grootschalig in gang gezet zou worden. Zover is het niet gekomen. Vanaf maart 1945, bij het beëindigen van WO II werden de activiteiten weer stopgezet.

Na de oorlog nam de Franse bezettingsmacht de oliewinning over. In 1948 werden er 500 tonnen olie per maand geproduceerd. De schalie werd nu gewonnen door Duitse gevangenen. Na deze Franse tijd probeerden de Duitsers de produktie op gang te houden, maar langzamerhand werd het een noodlijdend bedrijf. In de vijftiger jaren werden de gebouwen verkocht aan een elektrotechnische fabriek.

Op dit moment wordt de schalie in Dotternhausen ontgonnen door de Firma Rohrbach Zement ten behoeve van de fabrikage van "Portlandölschieferzement". Per dag worden hiervoor 800 tot 1000 ton schalie gewonnen. De schalievoorraad zal rond 2060 uitgeput zijn. De schalie wordt, samen met kalksteen en een beetje kwartszand en klei, in ovens verbrand bij een temperatuur van circa 1450 °C. De verbrandingsprodukten, de slakken, hebben goede hydraulische eigenschappen en worden gemalen en gemengd met toeslagmateriaal (o.a. gips) en vormen het cement. Bij de verbranding van de schalie wordt damp en stroom opgewekt. Het bedrijf heeft zijn eigen krachtcentrale en deze levert 95% van de energie die nodig is voor de cementfabricage. De fossielen die men tijdens de winning vindt worden uitgeprepareerd en in een eigen museum tentoon gesteld.