Experimental weathering of Aboriginal rock art from the Murujuga Peninsula, Western Australia

Abstract

One of Australia's most important cultural heritage sites is located on Murujuga in Western Australia. More than one million petroglyphs can be found there, some of which are up to 30,000 years old. They are visible due to the colour contrast between the thin, outermost surface layer, known as rock varnish, and the underlying weathered layer of the host rock. The petroglyphs remain of great cultural and spiritual significance to the local Aboriginal community and may soon become UNESCO World Heritage Site. <br /> As with many other cultural sites, there are concerns about a potential threat to the petroglyphs on Murujuga, as the ongoing industrial development on the peninsula has led to increased emissions of industrial pollutants, which may lower the rainwater pH. It is crucial to determine whether and how these pH changes may affect the rock surfaces on the peninsula. To date, there is no scientific consensus on this matter. Therefore, various experiments were conducted in this study to gain new insights and potentially answer the question of whether industrial emissions on Murujuga influence the weathering rates of rock surfaces and thereby pose a threat to the preservation of the petroglyphs. <br /> The mineralogical and chemical composition of the varnish was determined, revealing that the varnish mainly consists of birnessite, haematite, and kaolinite. Irrigation experiments were used to investigate the pH dependence of the dissolution rates of the main components of the varnish. It was shown that the dissolution rates of the Mn oxide phases increase significantly at pH values below 5. Haematite proved to be the most stable main component of the varnish, with dissolution rates increasing only at a pH below 4. <br /> The main part of this study involved a 12-month accelerated, semi-actualistic long-term weathering experiment, simulating six years of Murujuga-like conditions using rainwater with pH values of 5 and 7. The rock samples used were closely monitored using various analytical techniques to detect surface changes. In addition, DNA analyses were conducted to monitor the development of the microbial community. It was found that varnish weathering was already accelerated at pH 5. The weathering experiment also revealed significant differences between the various varnish types and their relative susceptibility to weathering. Furthermore, glass dosimeters provided by the Fraunhofer Institute for Silicate Research (ISC) were used in this long-term experiment to quantify the simulated conditions. <br /> The results suggest that the weathering of the rock varnish is most likely impacted by industrial pollution, with weathering rates very likely already accelerated. Moreover, it is highly probable that the weathering rates will continue to increase if the pH level continues to decline. Additionally, new insights were gained into the composition and microstructures of the varnish as well as into the microbial community on the varnish.

Eine der wichtigsten kulturellen Stätten Australiens befindet sich auf Murujuga. Dort finden sich mehr als eine Million Petroglyphen, die bis zu 30.000 Jahre alt sind. Sie sind aufgrund des Farbkontrasts zwischen der dünnen, abgetragenen Oberflächenschicht, dem sogenannten "Rock Varnish", und der darunter liegenden verwitterten Schicht des Wirtsgesteins sichtbar. Diese Sammlung von Felszeichnungen ist nach wie vor von großer kultureller und spiritueller Bedeutung für die örtliche Aborigine-Gemeinschaft und könnte in naher Zukunft zum UNESCO-Weltkulturerbe erklärt werden.<br /> Wie bei vielen anderen kulturellen Stätten gibt es Sorgen bezüglich einer möglichen Bedrohung der Petroglyphen auf Murujuga, da die kontinuierliche industrielle Entwicklung auf der Halbinsel zur zunehmenden Emission von Industrieschadstoffen geführt hat, die den pH-Wert des örtlichen Regenwassers senken. Es ist von entscheidender Bedeutung festzustellen, ob und wie sich diese pH-Veränderungen auf die Gesteinsoberflächen auf der Halbinsel auswirken. Darüber gibt es bis heute keinen wissenschaftlichen Konsens. In dieser Arbeit wurden daher verschiedene Experimente durchgeführt, um neue Erkenntnisse zu gewinnen und bestenfalls die Frage zu beantworten, ob industrielle Emissionen auf Murujuga die Verwitterungsraten der Gesteinsoberflächen beeinflussen und damit den Erhalt der Petroglyphen gefährden könnten. Die mineralogische und chemische Zusammensetzung des "Varnish" wurde bestimmt und es wurde gezeigt, dass der "Varnish" hauptsächlich aus Birnessit, Hämatit und Kaolinit besteht. Mit Beregnungsexperimenten wurde die pH-Abhängigkeit der Auflösungsraten der Hauptbestandteile des "Varnish" untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Auflösungsraten der Mn-Oxid-Phasen bei einem pH-Wert < 5 deutlich zugenommen haben. Hämatit erwies sich als die stabilste Hauptkomponente des "Varnish", wobei die Auflösungsraten nur bei einem pH Wert von < 4 zugenommen haben.<br /> Als Hauptteil dieser Arbeit wurde ein beschleunigtes, semi-aktualistisches Langzeit- Verwitterungsexperiment über 12 Monate durchgeführt, bei dem sechs Jahre Murujuga ähnlicher Bedingungen mit Regenwasser mit einem pH-Wert von 5 und 7 simuliert wurden. Die verwendeten Gesteinsproben wurden mit verschiedenen Analysetechniken genau überwacht, um Oberflächenveränderungen festzustellen. Zusätzlich wurden DNA-Analysen durchgeführt, um auch die Entwicklung der mikrobiellen Population zu überwachen. Es wurde festgestellt, dass die "Varnish"-Verwitterung bereits bei pH 5 beschleunigt ist. Das Verwitterungsexperiment hat auch signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen "Varnish"-Typen und ihrer relativen Anfälligkeit für Verwitterung gezeigt. Zusätzlich wurden in diesem Langzeitexperiment vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) zur Verfügung gestellte Glasdosimeter eingesetzt, um die simulierten Bedingungen zu quantifizieren.<br /> Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die Verwitterung des "Rock Varnish" höchstwahrscheinlich durch die industrielle Verschmutzung beeinflusst wird, wobei die Verwitterungsraten sehr wahrscheinlich bereits beschleunigt sind. Darüber hinaus ist es sehr wahrscheinlich, dass die Verwitterungsraten weiter zunehmen werden, wenn der pH-Wert weiter sinkt. Außerdem wurden neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung und die Mikrostrukturen des "Varnish" sowie über die mikrobielle Population auf dem "Varnish" gewonnen.