BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

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SO240-FLUM: Fluidfluss und Manganknollen-Geochemie im äquatorialen Ostpazifik

Projektanfang: 01.02.2015

Projektende: 31.07.2017

Projektstand: 01.09.2016

Niedrig-thermale Fluidzirkulation zwischen Seamounts und hydrothermalen Senken: Wärmeflusssystem, Einfluss auf biogeochemische Prozesse und auf das Auftreten und die Zusammensetzung von Manganknollen im äquatorialen Ostpazifik


SO240/FLUM

Kurzbeschreibung

An Ausbissen durchlässiger (permeabler) basaltischer Kruste zwischen undurchlässigen (impermeablen) pelagischen Sedimenten kann Meerwasser in den Meeresboden eindringen, in der basaltischen Kruste zirkulieren und an anderen Stellen, chemisch verändert und leicht erwärmt, wieder austreten. Auf diese Weise werden der ozeanischen Lithosphäre signifikante Wärmemengen entzogen. Hinweise auf einen Eintrittsbereich von Meerwasser in den permeablen Basalt wurden am Fuß einer der zahlreichen untermeerischen Berge (sog. Seamounts) im Arbeitsgebiet im äquatorialen Ostpazifik durch Voruntersuchungen bereits gefunden. Perlschnurartig aufgereihte kleine Becken, wie sie für fossile Meerwasser-Austritte typisch sind, treten ebenfalls auf.

Es ist das Ziel des Projektes, die Lokationen von Ein- und Austrittsstellen des Meerwassers mit Hilfe von Wärmestrommessungen zu ermitteln und durch geochemische Analysen die Zusammensetzung des Porenwassers zu untersuchen. Im Umfeld von Fluideintrittsstellen kommt es zu einer nach oben gerichteten Sauerstoffdiffusion in die überlagernden Sedimente. Die dadurch bedingten oxischen Verhältnisse beeinflussen die biogeochemischen Prozesse in den Sedimenten und das Elementinventar von Manganknollen. Die Erfassung dieser Prozesse und deren Reichweite um die Eintrittsstellen ist eine weitere Aufgabe des Projektes. An vermuteten Fluidaustrittsstellen soll untersucht werden, ob Fluidzirkulation durch 21 Millionen Jahre alte Kruste Metalle mobilisieren kann, und ob dies einen Einfluss auf Metallflussraten in Sedimenten und Manganknollen hat.

Zum Erreichen der Vorhabenziele wurde im Mai – Juni 2015 die Forschungsexpedition SO-240 mit dem deutschen Forschungsschiff SONNE durchgeführt. Die gewonnenen Daten und Proben werden in den Laboren der am Vorhaben beteiligten Partner ausgewertet und analysiert. Die BGR-Auswertearbeiten umfassen die folgenden Methoden: Geochemische Gesamt- und Punktanalysen an Manganknollen mit RFA, ICP-OES/MS, Mikrosonde, PIXE, LA-ICPMS, XPS – Altersdatierungen von Einzellagen – Mineralogische Analysen mit RDA, TEM, Synchrotron – geochemische Modellierung mit PHREEQ-C sowie Publikation und Berichterstattung von Ergebnissen.

Geplante Fahrtroute und Arbeitsgebiet der SONNE-Expedition SO240 Abbildung 1.: Geplante Fahrtroute und Arbeitsgebiet der SONNE-Expedition SO240

Wissenschaftliches Programm

Die folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen stehen im Mittelpunkte des Projektes:

  1. Wie ist das Zirkulationsregime in der basaltischen Kruste im Arbeitsgebiet ausgebildet?

    Eines der wichtigsten Ziele der Forschungsfahrt ist das Auffinden und Vermessen von Meerwasser-Ein- und Austrittsstellen im Arbeitsgebiet in ca. 4200 m Wassertiefe. Diese Aufgabe wurde mittels systematischen Wärmestrommessungen realisiert. Dabei sind nicht nur die Ein- und Austrittsgebiete lokalisiert worden, sondern auch deren laterale Erstreckung. Einkanalseismik dient der Messung der Sedimentmächtigkeit, um den regionalen Wärmefluss berechnen zu können.

    Basierend auf den Ergebnissen der geophysikalischen Arbeiten wurden die Lokationen für die Sediment-, Porenwasser- und Manganknollenprobenahme festgelegt.

  2. Welchen Einfluss hat die Fluidzirkulation auf die Elementmobilität und die (bio)geo-chemischen Prozesse in den Sedimenten?

    In der Umgebung von Eintrittsstellen des oxischen Meerwassers in die basaltische Kruste diffundiert Sauerstoff aus den Basalten in die unmittelbar darüber liegenden Sedimente. Dies führt zu oxischen Bedingungen in den Sedimenten und im Porenwasser, was wiederum die mikrobielle Aktivität, den Erhalt von organischem Material und die Mobilität von Elementen wie Mn, Cd, Cu, Li, V etc. und der Isotopensysteme von Sr, Li, O, H in einem ansonsten sauerstoffarmen bis -freien Milieu beeinflusst.

    An den Austrittstellen des dann erwärmten und chemisch veränderten Meerwassers sollte das Porenwasser in den Sedimenten sowie die Sedimentzusammensetzung nachweisbare Veränderungen zeigen (z.B. erhöhte Mn, Ca, Ba, B, und Si-Werte).

    Über die Konzentration und das chemische Verhalten von Spuren- und Ultraspurenelementen in diesen Tiefseemilieus ist bislang wenig bekannt. Deren Untersuchung ist ein weiterer Schwerpunkt der biogeochemischen Arbeiten.

    Zur Realisierung dieses Programms wurden bis zu 14 Meter lange Sedimentkerne sowie Multicorer in Profilen an den Ein- und Austrittstellen des Meerwassers genommen.

  3. Welchen Einfluss hat die niedrig-thermale Fluidzirkulation auf das Auftreten und die Zusammensetzung von Manganknollen?

    Manganknollen bestehen aus Einzellagen, die im Wechsel aus oxischem Poren- und bodennahem Meerwasser oder aus suboxischem Porenwasser entstehen. Länger andauernde oxische Bedingungen, wie sie an Meerwasser-Eintrittsstellen vorherrschen, können zur Anreicherung von Eisen, Kobalt, Zirkon, Tellur und den Seltenen Erden-Elementen in den Knollen führen. Abgesehen von der ökonomischen Bedeutung dieser Metalle, sind deren geochemische An- und Abreicherungsprozesse unter lang andauernden oxischen Bedingungen im sedimentären Milieu der Tiefsee noch weitgehend unerforscht.

    Der Einfluss der Seamounts auf die Manganknollen, sei er bedingt durch die Fluidzirkulation oder durch die Beeinflussung der Hydrographie der Wassersäule, soll im Rahmen des Projektes untersucht werden. Dazu wurden Kastengreifer in Profilen an den Seamounts genommen und dazugehörige Videoprofile gefahren.

  4. Wie breitet sich Sedimenttrübe im Rahmen eines Manganknollenbergbaus aus?

    Am Ende der Expedition SO240 wurden vier Tage der Bergung von neun Wochen zuvor während der Expedition SO239 verankerten Landern und Strömungsmessketten gewidmet, um eine hochauflösende Zeitreihe zu gewinnen. Vier Strömungsmessketten wurden in 2014 von der BGR ausgesetzt und im Rahmen der SO240-Fahrt geborgen, die Daten ausgelesen, die Geräte gewartet und wieder ausgesetzt. Diese Arbeiten erfolgen im Rahmen des europäischen Verbundprojektes Joint Programming Initiative Oceans - Mining Impact (JPI-O) in einem möglichen zukünftigen Abbaugebiet für Manganknollen.


    Arbeitsgebiete des Projektes SO240Abbildung 2: Arbeitsgebiete des Projektes SO240-FLUM. Das wissenschaftliche Programm der SO240 fokussiert auf die Arbeitsgebiete WA 1 bis WA-4. In WA-5 werden Lander und Strömungsmessketten geborgen, die auf der SO239, im Rahmen des europäischen JPIO-Projektes EcoResponse (Assessing the Ecology, Connectivity, and Resilience of Polymetallic Nodule field Systems), ausgesetzt wurden. Bathymetrie aus Rühlemann et al. (2011)

Projektbeiträge:

Literatur:

Während der Expedition veröffentlicht die BGR ein Tagebuch über die Arbeit und das Leben der Forscher an Bord: SO240-FLUM-Tagebuch

Partner:

BGR
Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
Stilleweg 2
D-30655 Hannover / Germany
Internet: www.bgr.bund.de

JUB
Jacobs University Bremen
Campus Ring 8
D-28759 Bremen
Internet: www.jacobs-university.de

AWI
Alfred Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung
Am Handelshafen 12
D-27570 Bremerhaven / Germany
Internet: www.awi.de

GeoB
Fachbereich Geowissenschaften
Universität Bremen,
Postfach 330440
D-28334 Bremen
Internet: www.geo.uni-bremen.de

IUP
Institut für Umweltphysik, Ozeanographie
Universität Bremen
PF 330440
28334 Bremen / Germany
Internet: www.ocean.uni-bremen.de

DZMB
Deutsches Zentrum für Marine Biodiversitätsforschung
Senckenberg am Meer
Südstrand 44
D-26382 Wilhelmshaven / Germany
Internet: www.senckenberg.de

Förderungsnummer:

03G0240A (BMBF)

Kontakt:

    
Dr. Thomas Kuhn
Tel.: +49-(0)511-643-3780
Fax: +49-(0)511-643-2304

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