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Bohrung ins Mantelgestein geglückt

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 04.02.2016 13:20

47 Tage auf See hat im vergangenen Herbst ein aus Geologen, Mikrobiologen und Ingenieuren gemischtes Forscherteam verbracht, um aus dem Atlantis-Massiv im Atlantik Bohrkerne zu gewinnen. Trotz widrigen Wetters und großer technischer Herausforderungen kam die Gruppe mit reicher Kernbeute wieder zurück. Am Bremer MARUM traf sich in den vergangenen 14 Tagen das gesamte Team, um die Bohrkerne aufzusägen, sie näher zu untersuchen und den Forschungsplan für die spätere Detailuntersuchungen festzulegen. Das Projekt ist ein europäischer Beitrag zum Internationalen Meeresbohrprogramm IODP.

Gretchen Früh-Green, Co-Chefwissenschaftlerin der IODP-Mission 357, katalogisiert die Bohrkerne. (Bild: ECORD/Carol Cotterill)Ein Bergmassiv, mindestens so ausgedehnt wie die bekannte Dreiergruppe Mönch, Eiger und Jungfrau im Berner Oberland und vermutlich sogar ein paar Hundert Meter höher, war das Ziel einer Expedition von Geologen und Mikrobiologen im vergangenen Spätherbst. Doch statt mit Bergstiefeln, Rucksack und Kletterausrüstung kamen sie mit dem britischen Forschungsschiff "James Cook". Die obersten Gipfel des Atlantis-Massiv genannten Gebirges liegen immer noch 750 Meter unter der Oberfläche des Atlantischen Ozeans. Der Bergstock befindet sich ziemlich genau auf halbem Weg zwischen Europa und Amerika, wo sich der Mittelatlantische Rücken und die in Ost-West-Richtung verlaufende Atlantis-Störung kreuzen.

Das Besondere an diesem Gebirge: Es besteht aus Mantelgestein, das aufgrund tektonischer Prozesse an die Oberfläche gehoben wird und dort zum ersten Mal mit Wasser in Kontakt kommt. Mantelgestein und Wasser reagieren in einem Prozess, der Serpentinisierung genannt wird, und dabei entstehen Wasserstoff und Methan. "Wir wollen herausfinden, wie das Wasser durch das Gestein fließt, wie diese Reaktion vor sich geht und welcher chemische Austausch stattfindet", erklärte Gretchen Früh-Green, Petrologie-Professorin an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und eine der Expeditionsleiterinnen.

Zwei Meeresbodenbohrgeräte mit an Bord

Das deutsche Meeresbodenbohrgerät MeBo70 wird ausgesetzt. (Bild: ECORD/Dave Smith)Dafür hatten Früh-Green und ihre Kollegen gleich zwei Meeresbodenbohrgeräte mit an Bord, mit denen sie die oberen Schichten des Atlantis-Massiv beproben konnten. Das Meeresbodenbohrgerät RD2 des British Geological Survey kann bis zu 50 Meter tief bohren, das MeBo70 des Bremer Zentrums für marine Umweltwissenschaften MARUM sogar bis 70 Meter. Am harten, heterogenen und brüchigen Gestein des Atlantis-Massivs bissen sich beide Bohrgeräte allerdings schnell die Zähne aus, die tiefsten Bohrlöcher erreichten 17 Meter. "Der Untergrund war für beide Bohrgeräte eine wirkliche Herausforderung", so Früh-Green. Hinzu kam noch das stürmische Wetter. Mehrfach mussten Arbeiten abgebrochen werden, weil der Wellengang zu hoch für den Einsatz und vor allem die sichere Bergung der Bohrgeräte zu werden drohte. "Wir waren ganz in der Nähe der Zone, durch die viele Sturmtiefs gezogen sind", erzählte Missions-Managerin Carol Cotterill vom Britischen Geologischen Dienst, "deren Ausläufer haben wir als extrem starken Wellengang mitbekommen." Einmal sogar musste das Schiff Hals über Kopf vor einem Sturm fliehen, der direkten Kurs auf das Einsatzgebiet hielt.

Neuartige Sensorpakete bestanden Ersteinsatz

Das britische Meeresbodenbohrgerät RD2 wird seitlich vom Forschungsschiff James Cook ausgesetzt. (Bild: ECORD/Dave Smith)Dennoch sind die Expeditionsteilnehmer froh über ihren Ertrag. Sogar hochzufrieden ist Marvin Lilley, Professor an der Abteilung für Ozeanographie der Universität von Washington in Seattle. In seiner Arbeitsgruppe wurden Sensorpakete entwickelt, um physikalische und chemische Eigenschaften des Bohrwassers zu messen. Die beiden Bohrgeräte an Bord der "James Cook" waren die ersten, die mit den Messgeräten bestückt worden waren. "Wir haben kontinuierlich gemessen, um so viele Informationen wie möglich über die Wässer in den Gesteinen zu erhalten", sagt Lilley. Die Sensoren sind in einem eigenen Gehäuse untergebracht, das am Rahmen des Bohrgerätes verankert ist. Durch Schläuche werden die Flüssigkeiten direkt aus dem Bohrloch zu den Messinstrumenten gepumpt.

Blick in den Steuercontainer eines Meeresbodenbohrgeräts an Bord der James Cook. (Bild: ECORD/Dave Smith)Erhoben wurden grundsätzliche Daten wie Salzgehalt, Temperatur und Druck, außerdem Methan- und Wasserstoffgehalt, der pH-Wert oder das Redox-Potenzial u. Derzeit sitzen Lilley und seine Mitarbeiter daran, die Sensorprotokolle mit den Bohraufzeichnungen zu korrelieren, um ihre Messwerte mit den Befunden aus den Bohrkernen zu verbinden. Einige vorläufige Ergebnisse sind jedoch schon verfügbar: "Wir haben einen beträchtlichen Anstieg des Wasserstoffgehalts gesehen, je tiefer wir kamen, was wegen der Reaktion zwischen Meerwasser und Gestein auch Sinn macht", so Lilley, "wir haben Temperaturausschläge bemerkt, die nicht nur mit der Hitze der Bohrung zusammenhängen und wir haben starke Schwankungen beim Sauerstoffgehalt gesehen." Jetzt warten auf den Wissenschaftler und seine Mitarbeiter noch zahlreiche Stunden akribischer Auswertung.

Wissenschaftliche Arbeit beginnt erst jetzt

Akribisch untersuchen die Wissenschaftler während ihres Treffens am Bremer MARUM die Bohrkerne. (Bild: MARUM/Volker Diekamp)Auch die Geologen sind mit ihren Bohrkernen erst am Anfang. Bei der ersten Begutachtung im Kernlager des MARUMs fanden sie Beispiele für intensiven Austausch zwischen Mantelgestein und Ozeanwasser. "Wir sehen Prozesse, die bei über 400 Grad ablaufen, und solche bei niedrigen Temperaturen bis hin zur Verwitterung bei normaler Wassertemperatur", so Früh-Green. Das legt nach Ansicht der Geochemikerin nahe, dass das Wasser das noch sehr heiße Mantelgestein schon in einem frühen Stadium des Aufstiegs erreichte. Sogar vollkommen unverändertes Gestein aus der Tiefe des Erdmantels kam in den Kernen zutage. Interessanterweise stießen die Bohrer nur wenige Meter unterhalb des Meeresbodens auf das Material. Es muss den ganzen Aufstieg vollkommen isoliert gegenüber der Meeresumgebung mitgemacht haben.

Die ersten Dünnschliffe aus den Bohrkernen werden am Bremer MARUM unter dem Mikroskop untersucht. (Bild: MARUM/Volker Diekamp)"Das Gestein hat eine lange Reise hinter sich gebracht", erklärt Gretchen Früh-Green, "innerhalb von etwa einer Million Jahre ist es aus rund sechs Kilometern Tiefe an den Meeresboden emporgehoben worden." Die Rolle des "Aufzugs" übernahm in dem Fall der Mittelatlantische Rücken, an dem die ozeanischen Platten des östlichen und westlichen Atlantiks auseinanderweichen. Solche Rücken ziehen sich durch alle Weltmeere, sie sind sozusagen die "Fabriken" für ozeanische Erdkruste: An ihnen tritt normalerweise vulkanischer Basalt zutage und lässt so die Krustenplatten wachsen. "Aber hier gab es nicht genug Magma, um einen Vulkan zu bilden", sagt Früh-Green. Die Lücke zwischen den auseinander weichenden Krustenplatten wurde von dem tiefer liegenden Mantelgestein gefüllt.

Mantelgestein tritt öfter am mittelozeanischen Rücken zutage

Beth Orcutt, Co-Chefwissenschaftlerin des IODP-Projektes, bei der Arbeit. (Bild: ECORD/Cotterill)Solche Stellen gibt es am mittelozeanischen Rücken mehrfach, und sie könnten eine große Rolle im Stoffkreislauf der Weltmeere spielen. "Diese Gesteine haben ursprünglich überhaupt kein Wasser", erklärt Früh-Green, "aber am Meeresboden gibt es Zonen, in denen es wahrscheinlich 16 Gewichtsprozent ausmacht." Die Bohrkerne der IODP-Expedition werden den Wissenschaftlern daher in den kommenden Monaten und Jahren bei der Rekonstruktion dieser chemischen Reaktionen in der Erdkruste helfen. "Am Schluss haben wir dann ein Gesamtbild davon, was bei der Serpentinisierung am Meeresgrund passiert", sagt die schon seit langem in der Schweiz lehrende US-Amerikanerin. Es gibt Berechnungen, dass das gesamte Volumen der Ozeane innerhalb von einer Million Jahre einmal durch die ozeanische Kruste strömt und dass dabei reger Stoffaustausch mit dem Gestein stattfindet.

Spektakulärstes Zeichen dieser Stoffströme am Atlantis-Massiv ist das einzigartige Hydrothermalfeld "Lost City" auf einem der Gipfel. Durch die Fluide aus dem Gestein ist hier eine "Stadt" mit gewaltigen Türmen aus Kalk entstanden. Ihre Bewohner sind zum allergrößten Teil Bakterien und Archäen, die sich von dem Methan und Wasserstoff ernähren, das bei der Reaktion von Meerwasser und Erdmantelgestein entsteht. Diese Organismengemeinschaften sind es, die die Mikrobiologen in der IODP-Arbeitsgruppe interessieren. Schon an Bord der "James Cook" haben sie versucht, aus den Bohrkernen Mikroben zu isolieren. "Marianne Quéméneur hat schon auf dem Schiff Kultivierungsexperimente unter Hochdruck und hohem pH-Wert begonnen und sie hat uns gestern auf Bildern von ihren Kulturen gezeigt, dass dort tatsächlich Organismen wachsen", erklärt Beth Orcutt vom Bigelow Ozeanographie-Labor in Maine, die zweite Chefwissenschaftlerin.

Mikrobiologen interessieren sich für Mikroben im Gestein

Mit der Gesteinslupe untersuchen die Mitglieder des IODP-Projektes 357 im Bremer Kernlager die Bohrkerne. (Bild: MARUM/Volker Diekamp)Noch ist es zu früh, um zu sagen, welche Arten von Mikroben in den unterschiedlichen Gesteinsformationen des Atlantis-Massivs leben, doch schon die simple Zellzählung an Bord des Schiffes machte große Unterschiede deutlich. "In einigen Bereichen der Bohrkerne lebten Hunderte Male mehr Zellen als in anderen", so Orcutt, "wir wollen nun herausfinden, wo sich in den Gesteinen die Mikroorganismen ansammeln, warum sie das tun — und wer eigentlich dort unten lebt." Geologen wie Biologen hoffen, schon auf der diesjährigen Herbsttagung der Amerikanischen Geophysikalischen Union AGU in San Francisco erste spektakuläre Ergebnisse präsentieren zu können. "Wahrscheinlich werden wir versuchen so viele Leute wie möglich von dieser Expedition zusammenzubringen", sagt Gretchen Früh-Green. Die im April stattfindende Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union in Wien kommt dafür wohl noch zu früh.

Die Bohrlöcher am Atlantis-Massiv wurden mit Stopfen verschlossen, damit sie wieder benutzt werden können, wenn die nächste Expedition das ungewöhnliche Gebirge aufsucht. "Dann wollen wir die Bohrlöcher öffnen und Proben aus dem ungestörten Wasser nehmen", sagt Gretchen Früh-Green. Termin und Finanzierung dieser Expedition stehen bereits fest: Anfang 2017 wird die US-amerikanische Nationale Wissenschaftsstiftung NSF ein Schiff unter Leitung von Wissenschaftlern der Universitäten von South Carolina und Utah entsenden. Gretchen Früh-Green wird ebenfalls an der Expedition teilnehmen. Mitfahren wird auch das Tieftauchboot "Jason", mit dem man die Bohrlöcher besuchen wird.