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Explorationslog #7: Schnüffeln am Meeresboden

erstellt von Silvia Weber zuletzt verändert: 19.12.2016 10:22

Das Ziel des Teams der MARIA S. MERIAN ist, heiße und metallreiche Lösungsaustritte am Meeresboden aufzuspüren. Die entstehenden Trübeströme können jedoch aufgrund der dünnen Konzentration bei der Mischung mit dem Meerwasser nur schwer erkannt werden. Daher verwendet das Team drei unterschiedliche Echtzeitsensoren. Was dabei genau vor sich geht, berichtet es in einem Exkurs.

Der Sensorschlitten SOPHI zur Untersuchung von Trübe-, Temperatur- und Redoxanomalien in den deutschen Lizenzclustern. (Bild: U. Schwarz-Schampera, BGR)Stoffströme in der Ozeankruste können stoffliche Anomalien in der Wassersäule erzeugen, die auf heiße, metallreiche Lösungsaustritte am Meeresboden, sogenannten Hydrothermalismus, hinweisen. Ist die Morphologie des Meeresbodens bekannt, können auf diese Weise aktive Austrittszonen lokalisiert werden. Austretende Lösungen erzeugen aufgrund ihrer Temperaturen und physikochemischen Zusammensetzung sogenannte Plumes oder Trübeströme, die vertikal zwischen etwa 100 und 400 Meter hoch in die Wassersäule aufsteigen und sich dort horizontal entlang konstanter Dichtelagen verbreiten. Aufgrund der Mischung mit dem umgebenden Meerwasser sind die Konzentrationen der Trübeströme typischerweise  auf Einzehntausendstel (0.0001) der ursprünglichen Konzentrationen verdünnt. Trotz dieser geringen Konzentrationen stellt ein solcher Trübestrom mit mehreren Kilometern horizontaler Erstreckung ein wesentlich größeres Erkundungsziel dar als deren Ursprung, ein Hydrothermalfeld von lediglich hundert Meter Durchmesser. Dennoch – die geringen Konzentrationen erfordern eine äußerst effektive Sensorik für ihre Detektion in der Wassersäule. Sensorik und chemische Methoden für die Bestimmung wichtiger Elemente und Verbindungen (z.B. He, CH4, Fe, and Mn) existieren im Labormaßstab; die Messung in der Wassersäule selbst erfordert eine effektive und schnelle Bestimmung der Konzentrationen in Echtzeit.

Beispiele für Trübeströme (oben) und Redoxanomalien (unten) (Bild: U. Schwarz-Schampera, BGR)Aus diesem Grund nutzen wir während MSM59/2 drei Echtzeitsensoren, die an einem tiefgeschleppten Schlitten sowie am Schleppseil montiert sind und mit hoher Sensitivität und in Echtzeit die Daten aus der Wassersäule übermitteln. 

Der Licht-Rückstreusensor misst Licht, das von Trübepartikeln reflektiert wird, die charakteristisch für hydrothermale Trübeströme (Plumes) und „Schwarze Raucher“ sind – vor allem Fe-Oxyhydroxide und elementarer Schwefel. Das Trübestromsignal besitzt eine Intensität von weniger als 0.0002% der Messgenauigkeit/Messkapazität des Sensors. Trotz dieser sehr schwachen Intensitäten und Signale können Anomalien über eine Distanz von mehreren 10er Kilometern von der Quelle aufgespürt werden.

Der Redoxpotenzial- oder “ORP”-Sensor misst die Oxidations- und Reduktionspotenziale in der generell komplexen Chemikalien”suppe” Meerwasser. Die chemische Zusammensetzung garantiert unter normalen Bedingungen eine stabile Redoxbalance. Dieses Gleichgewicht wird durch Hydrothermalfluide und mit ihnen transportierte Komponenten wie reduziertes Eisen (Fe2+) und reduzierter Schwefel (H2S) gestört; reduzierte chemische Bestandteile befinden sich im Ungleichgewicht mit  dem sauerstoffreichen Meerwasser. Während das Meerwasser mit diesen chemischen Substanzen reagiert und sie sehr schnell ins Gleichgewicht bringt, können Redoxanomalien bis zu Größenordnungen von 0.00004% (20mV) des dynamischen Gleichgewichts bis über einen Kilometer von ihrer hydrothermalen Quelle entfernt bestimmt werden. Unsere ORP-Sensoren stellen somit einen exzellenten Indikator für die Nähe zu einem aktiven Hydrothermalfeld dar (Abb. 2).

Hydrothermalfluide können an ihrer Austrittsstelle eine Temperatur von über 400°C erreichen, werden in der Folge jedoch sehr schnell verdünnt. Hierdurch ergeben sich in horizontalen ausbreitenden Hydrothermalwolken Temperaturanomalien in einer Größenordnung zwischen 0.005°C bis 0.40°C, während das umgebende Meerwasser eine Temperatur von bis zu 2°C aufweist.  Es ergeben sich Anomalien zwischen etwa 0.000025% und 0.0002%. Um diese geringen Temperaturunterschiede aufzulösen, nutzen wir Temperatursensoren mit einer Auflösung von 0.0002°C und einer Genauigkeit von 0.001°C.


Maria S. MerianIm Rahmen der Ausfahrt MSM59 begeben sich Wissenschaftler der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe unter der Leitung von Ulrich Schwarz-Schampera in das Gebiet südöstlich von Madagaskar. Mit Hilfe moderner rohstoffgeologischer Explorationstechniken identifizieren sie Metallsulfidvorkommen an Schwarzen Rauchern. Die Geowissenschaftler berichten im Logbuch für planeterde direkt von Bord der MARIA S. MERIAN.

Eine Kooperation mit der BGR .