Das Ozean-Bohrprogramm ODP. Naturwissenschaftliche ... - BGR

ÜBERSICHT
Das Ozean-Bohrprogramm ODP
Bilanz und Ausblick
Im Oktober 2003 ist eine erfolgreiche und langjährige Phase der geologischen Erforschung
der Ozeane durch das Ozean-Bohrprogramm (Ocean Drilling Program, ODP) zu Ende gegangen.
Mit dem Bohrschiff JOIDES Resolution hat das ODP in den letzten Jahren neue Forschungsfelder
eröffnet, deren wissenschaftliche, wirtschaftliche sowie gesellschaftliche Bedeutung
sich zunehmend erschließt. Aufbauend auf den Ergebnissen des ODP sind die Ziele des
internationalen Integrated Ocean Drilling Program (IODP) definiert worden, das im Sommer
2004 mit neuen Bohrprojekten im Pazifik und dem Arktischen Ozean beginnt. Für dieses
Folgeprojekt werden in den kommenden Jahren Bohrschiffe aus Japan, den USA und Europa
bereitgestellt.
Mit vier Bohrkampagnen im Atlantik ist das Ocean
Drilling Program (ODP) im Oktober 2003 zu Ende
gegangen, und das langjährige Bohrschiff des
ODP, die JOIDES Resolution (Abb. 1), wurde vorläufig außer
Dienst gestellt. Dieses internationale Programm und seine
Vorläufer waren vor mehr als 25 Jahren mit dem Ziel angetreten,
die Hypothese der Plattentektonik zu überprüfen
(Siehe Kästen 1 und 2). Die Ergebnisse der Bohrvorhaben
haben schnell zur allgemeinen Akzeptanz der plattentektonischen
Modellvorstellungen geführt, so dass die folgenden
Untersuchungen darauf zielten, einzelne Prozesse der
plattentektonischen Bewegungen genauer beschreiben zu
können. Inzwischen prägen diese Ergebnisse ganz wesentlich
unser Bild von einer dynamischen Erde, das in jüngster
Zeit auch für die Deutung der langfristigen Entwicklung des
Mars und anderer Planeten unseres Sonnensystems benutzt
wird. Mit dem vertieften Verständnis geogener Prozesse
eröffnen sich neue, gesellschaftlich bedeutsame Fragestellungen
nach den letzten großen Lagerstätten von Erdgas
und Erdöl, den kritischen Georisiken, der Nutzung von
mikrobiologischen Prozessen und der Entwicklung des
Klimas der Erde. Im Folgenden werden neun Forschungsthemen
vorgestellt, die entscheidende Impulse durch die
Projekte des ODP erhalten haben.
1. Auseinanderbrechen kontinentaler Krusten und
das Entstehen neuer Ozeanbecken
Bei der Formulierung der Kontinentaldrift-Hypothese
durch Alfred Wegener (ab 1912) und in den ersten Konzepten
der Plattentektonik in den 60er Jahren waren die treibenden
Kräfte der plattentektonischen Bewegungen weitgehend unklar.
Dank gezielter Bohrungen in den Ozeanen wurden nicht
Hermann-Rudolf Kudrass, Jochen Erbacher,
Andrea Volbers, Hannover
nur letzte Einwände gegen die Kontinentaldrift widerlegt,
sondern auch Einzelheiten der geodynamischen Vorgänge
erkannt. Ein Beispiel ist die Entstehung von neuen Ozeanen,
die in der Regel durch lang anhaltende Phasen der Hebung
und Dehnung auch inmitten von Kontinentplatten eingeleitet
werden kann (Abb. 2). Die Ursachen sind langfristig
wirksame divergente Konvektionszellen im Erdmantel, über
denen die Erdkruste gehoben, ausgedünnt und schließlich
auseinander gerissen wird.
Diese Konvektion verursacht nach einer langen Phase der
Hebung mit der einsetzenden Drift ein langsames Absinken
der kontinentalen Landoberfläche. Die entstehenden flachen
Becken werden mit terrigenem Abtragungsschutt von den
beiden Rändern gefüllt; gelegentlich bildet sich auch ein
Randmeer, das unter ariden Bedingungen eintrocknet und
mächtige Salzschichten hinterlässt. Kommt es zum vollstän-
Abb. 1. Das amerikanische Forschungschiff JOIDES Resolution.
[http://www-odp.tamu.edu/public/slidesetthumbsA.html]
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Übersicht
KASTEN 1: GESCHICHTE DER.
FORSCHUNGSBOHRUNGEN IN DEN OZEANEN.
1964 Amerikanische Forschungsinstitute konzipieren das
MOHOLE-Projekt, um in den Ozeanen die Mohorovičić-Diskontinuität
(Grenze zum oberen Erdmantel)
zu erbohren.
1966 Beginn des Tiefsee-Bohrprojekts DSDP (Deep Sea
Drilling Project) mit dem Bohrschiff Glomar Challenger.
Die Forschungen werden von dem zunächst rein USamerikanischen
Forschungsverbund Joint Oceanographic
Insitutions for Deep Earth Sampling (JOIDES)
durchgeführt.
1974–1982 Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
(BGR) wird 1974 Mitglied von JOIDES und koordiniert
seitdem die deutsche Beteiligung zum
DSDP, ODP und IODP. Für die Vorbereitung und
Auswertung richtet die Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) das Schwerpunktprogramm
„ODP/DSDP“ ein, das jährlich mit ca. 2,6–2,9 Millionen
DM gefördert wurde. Mit dem Beitritt der Bundesrepublik
Deutschland, der UdSSR, Japan, England
und Frankreich begann die „International Phase of
Ocean Drilling“ (IPOD) des DSDP. Die deutsche Beteiligung
im DSDP und im nachfolgenden ODP (pro
Jahr 2–3 Mio. US-Dollar) wurde von der DFG und
vom Bundesministerium für Forschung und Technologie
(BMFT) gemeinsam finanziert.
1983–2003 Ocean Drilling Program (ODP) mit dem Bohrschiff
JOIDES Resolution. Neben den vorherigen Mitgliedern
(außer UdSSR) waren das „ESF Consortium for
Ocean Drilling“, bestehend aus 12 europäischen Ländern,
das „Pacific Rim Consortium“ (Australien, Kanada,
Taiwan und Südkorea) und China beteiligt.
Okt. 2003 Beginn des Integrated Ocean Drilling Program
(IODP) unter Beteiligung der USA, Japans und des
European Consortiums for Ocean Research Drilling
(ECORD), das derzeit aus 14 europäischen Staaten
besteht. Der in den nächsten Jahren bis auf 5,6 Millionen
US-Dollar steigende Beitrag für die deutsche
Vollmitgliedschaft im IODP wird im ersten Jahr zu
gleichen Teilen von der DFG und am IODP beteiligten
deutschen Forschungsinstituten finanziert. Im
IODP werden neben der JOIDES Resolution und dem
im Bau befindlichen japanischen Forschungsschiff
Chikyu auch missionsspezifische Bohrplattformen
eingesetzt. Mit der Chikyu wird man das ursprüngliche
MOHOLE-Projekt realisieren können.
digen Aufreißen der kontinentalen Kruste und damit zur Aufspaltung
einer Kontinentalplatte, so sinken deren Ränder
schnell unter den Meeresspiegel ab. Die Becken finden damit
Anschluss an die bestehenden Ozeane und nehmen in zunehmendem
Maß auch marine Ablagerungen auf. Die frühe
und mittlere Bildungsphase der Randbecken kann von einem
mehr oder weniger starken Vulkanismus begleitet sein,
der die Wärmeentwicklung in diesen Sedimentbecken nachhaltig
bestimmen kann. Die langsame Senkung der Becken
Abb. 2. Schematische Darstellung der Dehnungsprozesse beim
Auseinanderbrechen von kontinentaler Kruste, der Bildung von kontinentalen
Randbecken und neuer ozeanischer Kruste. Nach [1]
in der Spätphase wird im Wesentlichen durch die zunehmende
Sedimentauflast verursacht. Die Beckenkonfiguration, die
zeitlichen Veränderungen des Wärmestroms, die Paläoozeanographie
und das Klima bestimmen die Art der Sedimenteinträge
(terrestrischer Erosionsschutt, biogene marine
Sedimente) und damit das Potential, über biogeochemische
oder thermodynamische Prozesse Kohlenwasserstoffe zu
bilden.
Wegen des großen ökonomischen Interesses wurde die Erforschung
der nutzbaren Kohlenwasserstoffe vor allem von
der Erdölindustrie vorangetrieben, der wir wichtige Erkenntnisse
über die Architektur der Beckenfüllungen und damit
auch über die Geschichte der Meeresspiegelschwankungen
verdanken. Entsprechende Projekte des ODP wurden in enger
Kooperation mit der Industrie konzipiert. In verschiedenen
ODP-Vorhaben, zuletzt auf dem Marion-Plateau vor
Nordostaustralien (Abb. 3), wurde versucht, Ursachen und
genauere Amplituden der Meeresspiegelschwankungen zu
bestimmen. Dabei wurde erkannt, dass langfristige globale
Schwankungen im Tertiär durch die zunehmende Akkumulation
von Eis zuerst in der Antarktis und dann in den hohen
nördlichen Breiten begründet sind. Sehr schnelle Änderungen
des Meeresspiegels in warmen Perioden scheinen auch
auf lokale Eisakkumulation in den hohen Breiten hinzudeuten.
Für eine Ursachenforschung sind jedoch noch genauere
Bestimmungen der Amplituden des Meeresspiegels
478 Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 9, 2004

Kudrass, Erbacher, Volbers: Das Ozean-Bohrprogramm
Abb. 3. Seismisches Profil durch die miozänen Sedimente am Marion-
Plateau (Nordostaustralien). Das heute unter Sediment begrabene Riff
war im Miozän, kurz nach der Bildung durch eine Meeresspiegelabsenkung
von 50–120 m trocken gefallen. Der starke, rauhe Reflektor (horizontale
rote Linie oben) markiert die Oberfläche des ehemals exponierten
Riffes. Die Darstellung kombiniert ein West-Ost-Profil, das bei der
mittleren Bohrung (Site 1194) in südöstliche Richtung fortgesetzt wird.
Nach [2]
notwendig. Als Untersuchungsgebiete scheinen Meeresregionen
mit hohem Sedimenteintrag prädestiniert. Geeignet
sind bestimmte Riffstrukturen in tropischen Meeren und
rasch gefüllte Randbecken, wie dasjenige vor New Jersey an
der Ostküste der USA.
2. Fluidzirkulation an mittelozeanischen Rücken
Beruhten die ersten Vorstellungen über die geologischen
Prozesse an mittelozeanischen Rücken auf geomorphologischen
Befunden, so wurden die komplexen vulkanologischen,
geochemischen und – überraschenderweise – biologischen
Vorgänge erst durch die Tiefseebohrungen erkannt.
Eine besondere Rolle spielen dabei Fluide, wässrige Lösungen
unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung, die
entlang der mittelozeanischen Rücken in der Ozeankruste
zirkulieren und als heiße „Quellen“ austreten. Innerhalb von
nur einer Million Jahren wird das gesamte Meerwasser der
Ozeane einmal durch dieses Zirkulationssystem gepumpt,
das von direkt unter den mittelozeanischen Rücken liegenden
Magmakammern thermisch angetrieben wird. Das
Meerwasser, das auf breiter Front zu beiden Seiten der mittelozeanischen
Rücken in die zerklüftete Ozeankruste eindringt,
erwärmt sich mit der Annäherung an die Magmakammer
(Abb. 4). Dabei verändert es durch die Reaktion mit
dem Basalt seine Zusammensetzung in drastischer Weise.
Welche Rolle Bakterien bei dieser Reaktion des Meerwassers
mit der basaltischen Ozeankruste spielen, ist noch unbekannt.
Aus dem kalten Meerwasser entsteht eine über 400 °C
heiße, aggressive Lösung, die die ozeanische Kruste hydratisiert
und vor allem Schwermetalle, Silicium und Schwefel
auslaugt. Aufgrund der durch die Aufheizung verringerten
Dichte steigen diese hydrothermalen Lösungen auf, und bei
Kontakt mit dem kalten Meerwasser entstehen durch Fällung
der Schwermetalle typische Erzlagerstätten [4] (Abb. 5).
Ferner stellen die hydrothermalen Lösungen mit ihren redu-
KASTEN 2: MEILENSTEINE UND ENTDECKUNGEN.
1976 In Meeres-Sedimenten lassen sich Schichten unterschiedlicher
magnetischer Ausrichtung mit Hilfe
überlagernder Sedimente datieren. Hiermit wird ein
wesentliches Element der Plattentektonik gefunden.
1982 Erstmals gelingt es, unverfestigte bis leicht verfestigte
pelagische Sedimente aus größeren Meerestiefen
zu bergen und genaue physikalische Messungen aus
Bohrkernmaterial im Bohrloch durchzuführen. Der
Durchbruch gelang mit einem neuen Hydraulik-Kolbenlot,
das die paläoozeanographische Forschung
revolutioniert. Milankovitch-Zyklen können fast im
ganzen Tertiär nachgewiesen werden.
1985 Erstmalige Erbohrung vulkanisch geprägter Kontinentalränder
vor Norwegen.
1986 Erster Nachweis der Fluidzirkulation in einem Akkretionskeil
vor Barbados.
1987 Entdeckung submariner Flutbasalte des Kerguelen-
Plateaus, eines der großen Large Igneous Provinces
(LIPs) der Erde. Die Basalte sind vor 130 bis 110 Millionen
Jahren ausgetreten.
1989 Erbohrung der ältesten jurassischen ozeanischen
Kruste der Ozeane im Nordwestpazifik vor Japan.
1991 Nachweis einer tektonischen Erosion an Subduktionszonen
an der Chile Triple Junction.
1993 Die ozeanische Kruste wurde im östlichen Zentralpazifik
in mehreren Ansätzen bis über 2 km abgeteuft.
1994 Nachweis von hydrothermalen Lagerstätten mit starker
Stockwerkdifferenzierung.
1995 Erste systematische Erbohrung von Gashydraten am
Kontinentalhang vor Nordostamerika.
1997 Nachweis der Kreide-Tertiär-Grenze mit Spuren des
Meteoriteneinschlags und dem Aussterben der kreidezeitlichen
Faunen in allen Ozeanen.
2001 Hawaiianischer „Hot Spot“ ist nicht stabil; unterschiedliche
Bewegung von Erdkruste und Erdmantel
werden postuliert.
2002 Erste gezielte mikrobiologische Bohrungen weisen
bakterielle Besiedlung bis in 1000 m unter dem
Meeresboden nach.
2003 Weltweiter Nachweis einer tertiären Temperaturanomalie,
die durch Freisetzung von Gashydraten
erklärt wird.
zierten Schwefelverbindungen eine Energiequelle dar, auf
die ein einzigartiges Ökosystem aufbaut. Primärproduzenten
sind darin chemolithotrophe Bakterien, die mit Hilfe chemischer
Energie organische Substanzen aus anorganischen
aufbauen.
3. Fluidzirkulation in Subduktionszonen
Fluide zirkulieren nicht nur an den Wärmedomen der
mittelozeanischen Rücken, sondern auch an den Plattenrändern,
wo durch die Bewegung der Konvektionszellen des
Erdmantels die ozeanische Kruste mitsamt aufliegendem Sediment
unter kontinentale Kruste geschoben (subduziert)
wird. Entlang der meisten Subduktionszonen wird das über
der ozeanischen Kruste liegende Sediment in der Kontaktzo-
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Übersicht
Rauchfahne
vertäute
Mess-Stationen
Magma
Forschungsschiff
Wärmeflussmessung
und
Meeresbodenbeprobung
ne der beiden Platten sukzessiv abgeschert und zu prismenförmigen
Großstrukturen zusammengeschoben, die man als
Akkretionskeile bezeichnet (Abb. 6). In den Akkretionskeilen
und in den subduzierten Sedimenten wird durch die tektonische
Verdichtung (Kompaktion) zunächst das Porenwasser
der subduzierten Sedimente ausgepresst, das als kaltes Fluid
entlang der beiden aneinander vorbeigleitenden Gesteinskörper
entweicht.
Das aufsteigende Wasser besteht im Wesentlichen aus
Meerwasser und transportiert häufig das im Sediment mikrobiell
gebildete Methan. Diese Fluide bestimmen die mechanischen
und sediment-physikalischen Eigenschaften der akkretierten
und subduzierten Sedimente und sind wesentlich an
der Entwicklung von Schlammvulkanen beteiligt [7], die charakteristisch
für viele konvergente Plattenränder sind. In
größerer Tiefe des Subduktionskanals wird dann durch zunehmende
Kompaktion und metamorphe Mineralumwandlungen
weiteres Poren- und Kristallwasser freigesetzt (Abb. 6).
In welchem Maß die unter hohem Druck stehenden Fluide
die Basis der Kontinentalränder durch hydraulische Frakturen
tektonisch erodieren und damit auch an der Entstehung von
Erdbeben beteiligt sind, wird derzeit diskutiert. Die Arbeiten
des ODP geben hierauf Hinweise, die nur durch tiefere Bohrungen
überprüft werden können.
4. Seismogene Zone in Subduktionszonen
Die langfristig wirksamen und die Erdoberfläche gestaltenden
Prozesse werden vom Energie- und Materialfluss aus
dem Inneren der Erde gesteuert. In dem Maße, in dem sich
entlang der mittelozeanischen Rücken neue Ozeankruste bildet,
wird von Sedimenten bedeckte, alte Ozeankruste
zunächst unter die kontinentale Kruste und dann in den Erdmantel
subduziert (Abb. 6). Entlang von vielen Subduktionszonen
sind die gegenläufigen Bewegungen der beiden tektonischen
Platten temporär „eingefroren“ oder gekoppelt und
die durch Plattendrift und Reibung aufgebaute Spannung
Druck- und
Temperaturmesser
basaltische ozeanische
Kruste
Abb. 4. Schematischer Querschnitt durch
das Zirkulationssystem in ozeanischen
Basalten an einer mittelozeanischen
Spreizungszone. Im Graben sind die Fluidaustritte
über der Magmaquelle fokussiert
(weiße Pfeile). Dort wachsen auch Erzschlote
und bilden hydrothermale Erzlagerstätten,
und von dort breiten sich warme, metallreiche
Suspensionen aus. An den Flanken der
Spreizungszone sind die Basalte teilweise von
marinen Ablagerungen abgedichtet, so dass
Fluide nur an wenigen Stellen austreten oder
sich horizontal ausbreiten. Der diffuse
Wärme- und Fluidfluss ist durch unterbrochene
gelbe Pfeile angedeutet. Beobachtungsstationen
auf dem Meeresboden und in der
Wassersäule sowie die in den Bohrlöchern
installierten Sonden (CORKs) dienen dazu,
Druck, Temperatur und Zusammensetzung
der Fluide zu messen. Nach [3]
entlädt sich gelegentlich in Erdbeben, die zu den stärksten
Beben der Erde zählen und häufig besonders dicht besiedelte,
wirtschaftliche Zentren in den Küstenregionen bedrohen. Im
Gegensatz zu Beben im kontinentalen Bereich, die innerhalb
einer Kontinentplatte meist in geringen Tiefen ausgelöst werden,
entstehen Erdbeben in Subduktionszonen vornehmlich
in der seismogenen Zone in einem Tiefenbereich von 10 bis
50 km. Beben, die in dieser seismogen Zone ausgelöst werden,
führen häufig zu Hangrutschungen und verheerenden
Meereswellen (Tsunamis), weil durch den plötzlichen Spannungsabfall
an der Plattengrenze hohe Beschleunigungen
auftreten. Beben aus diesen tief liegenden Herden strahlen
ihre Bewegungsenergie über einen Fächer von Bahnen und
Verwerfungen bis an die Meeresbodenoberfläche am Kontinentalhang
aus und entwickeln dort stark destruktive Kräfte.
Von der Rauhigkeit und Festigkeit der ozeanischen Platte
und den darüber lagernden, in die Subduktion einbezogenen
Sedimenten hängt die regionale Ausdehnung der Erdbebenherde
und der Intensität der Bewegungen ab. Die wasserreichen
tonigen Sedimente wirken in der oberen Subduktionszone
als Schmiermittel, während in den tieferen Abschnitten
die freigesetzten Fluide die Wegsamkeit und den internen
Fluiddruck stark beeinflussen. Die untere Grenze der seismogenen
Zone scheint bei Temperaturen von 300 bis 350 °C
durch den Kontakt der abtauchenden Platte mit dem hydratisierten
Mantelkeil der oberen, meist kontinentalen Platte
bestimmt zu sein (Abb. 6). Nach anderen Überlegungen
hängt diese Grenze von dem abrupten Wechsel der mechanischen
Eigenschaften ab, und zwar von dem wesentlich Temperatur-gesteuerten
Übergang von spröden und leicht verformbaren
Gesteinszuständen [8].
Die Faktoren, die den Spannungsaufbau, den Bruch und
die Ausbreitung der seismischen Energie bestimmen, sind
nur unzureichend bekannt, da die bisherigen seismischen
Vermessungen, bei denen Minibeben in weiter Ferne von der
erdbebenaktiven Zone durch Zündung von Sprengkörpern
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Bohrschiff
Diffuser Wärme- und Fluid-Fluss
Wärmeflussmesser
CORK CORK
CORK
Wärme- und Fluid-Fluss
hydrothermale
Zirkulation
Reaktionszone
hydrothermale
Erzlagerstätte

Kudrass, Erbacher, Volbers: Das Ozean-Bohrprogramm
Abb. 5. Schematischer Aufbau einer Hydrothermallagerstätte am Mittelatlantischen
Rücken. TAG 1 – 5 = Bohrung 1 bis 5. Nach [5]
erzeugt werden, nur undeutliche Abbilder der seismogenen
Zone liefern (vgl. NR 6/2002, S. 293). Die Beobachtung und
Analyse natürlicher Erdbebenwellen mit den Methoden der
passiven Seismologie erlauben es aber, die Erdbebenherde
zumindest exakt zu lokalisieren und die ablaufenden Bewegungen
annähernd zu beschreiben. Über den Einfluss von
hydraulischen Kräften der Fluide, über sprunghafte physikalische
Phasenveränderungen, geochemische Umwandlungen
und Metamorphosen im Spannungsfeld und an den Be-
wegungsflächen gibt es bislang nur Hypothesen. Die Erdbebenherde
in der Subduktionszone werden in Zukunft von
See her durch Bohrungen technisch erreichbar sein. Mit einem
erheblich größeren Bohrschiff sind im Rahmen des Nachfolgeprogrammes
von ODP langfristige Beobachtungsstationen
und Experimente in sehr tiefen Bohrlöchern anzustreben,
um den Aufbau der Spannungsfelder und das Auslösen von
Erdbeben verstehen und eventuell vorhersagen zu können.
5. Bildung und Zusammensetzung
der ozeanischen Kruste
Mehr als zwei Drittel der festen Erdoberfläche besteht aus
ozeanischer Kruste. Deren Aufbau beschreibt nach gängiger
Lehrmeinung das „Ophiolith-Modell“, dessen Aussagen über
den strukturellen und petrologischen Aufbau der ozeanischen
Kruste auf einigen wenigen, durch Gebirgsbildungsprozesse
zutage getretenen Krustenteilen und der Interpretation
geophysikalischer Daten beruhen (Abb. 7). Im Rahmen
des ODP wurden erstmals Kenntnisse über die heutige ozeanische
Kruste gewonnen, wenn auch die Bohrungen lediglich
die obere Kruste durchteuften. Selbst das bisher tiefste
Bohrloch in die ozeanische Kruste, die Bohrung 504B im
Zentralpazifik, erschließt mit einer Länge von 2 111m nur das
oberste vulkanische Drittel der gesamten Krusten-Abfolge
[9], so dass die Petrologie der unteren ozeanischen Kruste
weitgehend unbekannt ist.
Das Ophiolith-Modell beschreibt die untere ozeanische
Kruste als eine mächtige Abfolge von Gabbros, die einen charakteristischen
magmatischen Lagenbau aufweisen [10]. Als
Basis der ozeanischen Kruste wird die Mohorovičić-Diskontinuität
angesehen. Diese zwischen Kruste und Erdmantel liegende
Zone ist durch einen sprunghaften Wechsel geophysikalischer
Eigenschaften gekennzeichnet und wirkt als ein
deutlicher seismischer Reflektor. Dem bisherigen Modell zufolge
entspräche sie dem Übergang der Gabbros in die peridotitischen
Gesteine des oberen Mantels.
Abb. 6. Querschnitt durch eine Subduktionszone
vom Tiefseegraben über den Akkretionskeil
bis zur Kette der Inselbogenvulkane, die
dem Kontinent vorgelagert sind. Die ozeanische
Kruste (hellblau) schiebt sich unter die
kontinentale Kruste (rosa). Nach [6]
Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 9, 2004 481

Übersicht
Abb. 7. Geplantes Tiefbohrvorhaben durch die gesamte ozeanische
Kruste (21 st Century Mohole; Mohole = Bohrloch durch die
Mohorovičic´-Diskontinuität, Moho). Der Aufbau der ozeanische Kruste
entspricht dem „klassischen“ Ophiolith-Modell mit lagigen Gabbros und
magmatischem Gestein. Nach [6]
Die ODP-Bohrungen deuten jedoch auf markante großregionale
Unterschiede im Aufbau der ozeanischen Kruste hin,
die eine Revision des Modells erforderlich machen. Danach
unterscheidet sich ozeanische Kruste an schnell spreizenden
Rückensystemen deutlich von der Kruste, die an langsam
divergierenden Rücken gebildet wird. Dem klassischen
Ophiolith-Modell entsprechende ozeanische Kruste mit charakteristischen
lagigen Gabbros ist demnach nur an den
schnell spreizenden mittelozeanischen Rücken zu erwarten
[11]. Die einzige ODP-Bohrung in die gabbroide Kruste eines
schnell spreizenden Rückensystems (Bohrung 894 im Ostpazifik)
durchdrang lediglich die obersten 150 m – zu wenig,
um überhaupt in den Bereich mit lagigen Gabbros zu gelangen.
Die langsam divergierenden Rücken zeichnen sich dagegen
durch Zonen mit nur geringfügiger magmatischer Aktivität
aus, in denen die Tiefseesedimente zum Teil direkt auf Mantelgestein
liegen. Für solche „amagmatischen“ Bereiche wird
diskutiert, ob überhaupt basaltische Kruste produziert wird
oder ob die am Meeresboden anstehende Kruste hier nicht
nur aus umgewandeltem Mantelgestein besteht [12]. Mangels
Magma wird offensichtlich ein Teil der Dehnung durch
tektonische Prozesse mit flachliegenden Zerscherungsbahnen
ausgeglichen. Eine durchgreifende, plastische Deformation
der Minerale in solchen Gabbros, die speziell in langsam
spreizender Kruste erbohrt wurden, kann in dieser Weise gedeutet
werden.
Als Ursache für die geringe magmatische Aktivität wird ein
geringerer Aufschmelzgrad der Mantel-Peridotite angesehen
[13], der auf geringere Hebungsraten des Erdmantels zurückzuführen
ist. Dies geht einher mit einer Abkühlung des Man-
telmaterials und der Ausbildung diskreter und chemisch unterschiedlicher
Magmakammern.
Auch über die basaltische Kruste der riesigen submarinen
vulkanischen Plateaus wissen wir bislang nur wenig, wenngleich
auch hierzu die Bohrungen des ODP wichtige Erkenntnisse
beigetragen haben. Diese Large Igneous Provinces
(LIPs) haben eine andere Genese als die Basalte der mittelozeanischen
Rücken. Die größten LIPs wie das Ontong-Java-
Plateau (nördl. der Salomon-Inseln) im Pazifik oder das
Kerguelen-Plateau im Indischen Ozean erreichen eine Krustendicke
von bis zu 30 km und Dimensionen von mehreren
1000 km 2. Sie entstanden während der Kreidezeit vor 120 bis
80 Millionen Jahren durch kurzfristige und großflächige vulkanische
Eruptionen. Die LIPs wurden durch schnelle Aufschmelzprozesse
des Mantels und den raschen Aufstieg
großer Magmamengen gebildet [14], wodurch riesige Massen
und Energien vom Erdinneren an die Oberfläche transportiert
wurden. Während heute rund 95% des Massen- und
Energietransports zwischen Mantel und Kruste an den mittelozeanischen
Rücken stattfinden, ging dieser Anteil während
der Zeiten der LIP-Aktivitäten in der Kreide auf bis zu 50%
zurück. Solche Phasen verstärkten Magmatismus werden
heute in Verbindung mit dramatischen Umweltveränderungen
wie globalen Temperaturanstiegen und damit einhergehenden
Massensterben gesehen [15]. Unzweifelhaft besteht
auch ein Zusammenhang zwischen LIP-Aktivitäten und dem
Erdmagnetfeld, denn gleichzeitig mit der Phase stärkster globaler
LIP-Aktivität in der mittleren Kreidezeit fanden
während eines Zeitraumes von etwa 40 Millionen Jahren keine
Umkehrungen des Erdmagnetfeldes statt. Die durchschnittliche
Häufigkeit von Umkehrungen des Erdmagnetfeldes
liegen sonst bei 40 pro 10 Millionen Jahren. Bohrkampagnen
des ODP erbrachten wichtige Erkenntnisse über das
genaue Alter der LIPs des Shatsky-Rises im Nordwestpazifik,
des Ontong-Java-Plateaus im zentralen Westpazifik und des
Kerguelen-Plateaus im südlichen Indischen Ozean [16]. Informationen
über die Petrologie der Basalte liegen jedoch lediglich
aus den obersten hundert Metern vor, da die LIPs meist
durch mächtige Sedimentabfolgen bedeckt sind und die Vulkangesteine
daher nur an wenigen Erosionsfenstern zugänglich
sind [17].
6. Klimageschichte
Während es unbestritten ist, dass wir Zeuge einer Erwärmung
des Erdklimas sind, besteht keine Einigkeit darüber, ob
diese lediglich auf den anthropogenen Anstieg des CO 2-
Treibhausgases in der Atmosphäre oder zusätzlich durch
natürliche Veränderungen in der Sonnenaktivität verursacht
sein könnte [18]. Eine eindeutige Identifikation der Ursache
hätte massive wirtschaftliche und soziale Konsequenzen. Die
Unsicherheit beruht unter anderem darauf, dass nur für die
letzten 100 Jahre exakte Messungen vorhanden sind, die zudem
nur an wenigen Punkten an Land erfolgten. In den Weltmeeren
sind vergleichbare Daten nur in den letzten Jahrzehnten
erhoben worden. Damit fehlt ein verlässliches Maß
für die natürliche Variabilität des Klimas. Allerdings sind in
482 Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 9, 2004

Kudrass, Erbacher, Volbers: Das Ozean-Bohrprogramm
Abb. 8. Abb. 8. Meeressedimente als
Klimaarchiv. Die Bohrung ODP Site 882 aus
dem subarktischen Nordwest-Pazifik liefert
eine paläoozeanographische Zeitreihe für die
letzten 6 Millionen Jahre. – Unten. Magnetische
Suszeptibilität des vom Eis transportierten
Materials im Sediment. Der massive
Anstieg bei 2,73 Millionen Jahren vor heute
entspricht dem Einsetzen der Nordhemisphärenvereisung,
einer der größten Klimawenden
der Erdgeschichte. – Oben. Chemische
und Isotopen-chemische Sedimentanalyse.
Die grüne Kurve zeigt die Akkumulationsraten
des vom Phytoplankton (Kieselalgen)
gebildeten Opals und spiegelt damit
die Schwankungen in der Produktivität wider.
Die abrupte Abnahme der Opal-Sedimentation
vor 2,73 Millionen Jahren deutet auf eine
effizientere biologische Pumpe hin: Das Silicium
wird rasch wieder in biologische Kreisläufe
eingeschleust und nicht als Opal sedimentiert.
Ähnliches zeigt sich an den Stickstoff-
Isotopenwerten (δ 15 N; schwarze Messwerte):
Das häufigere, leichtere 14 N-Isotop wird von
den Organismen bevorzugt aufgenommen;
infolge biogener Kreisläufe wird es rasch inkorporiert und bleibt zunehmend im Wasserkörper. Im Sediment ist folglich das 14 N-Isotop abgereichert,
das 15 N-Isotop angereichert (Anstieg von 3 auf 5). Die Änderung der ökologischen Kreisläufe ist auf das Einsetzen der heute dominanten, von dem
Salzgehalt der Wasserkörper abhängigen Stratifizierung zurückzuführen [19].
den Sedimenten der Ozeane weit in die Vergangenheit
zurück reichende Informationen über das Klima aller Klimazonen
enthalten. Sie geben auch Einblick in Perioden, in
denen ganz andere Prozesse das Klima bestimmten.
Die Klimaforscher des ODP haben erfolgreich damit begonnen,
diese Sedimentarchive weltweit zu erschließen und
deren Faunen- und Florenbestandteile, Sauerstoff- und Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse
sowie andere geochemische
Kennzeichen auszuwerten. Eine wesentliche Erkenntnis ist,
dass das Klima in der Erdgeschichte nur selten über längere
Perioden stabil geblieben ist und dass ständige Klimaveränderungen
auf verschiedenen Zeitskalen mit unterschiedlich
hohen Amplituden die Regel sind. Wie die Bohrungen in den
Ozeanen gezeigt haben, sind langfristige Klimaveränderungen
durch Gebirgshebungen (z.B. Himalaya) oder durch Öffnung
und Schließung von Meeresstraßen verursacht [19]. Ein
Beispiel dafür ist die Öffnung der Tasman-Straße und der
Drake-Straße südlich von Australien und Feuerland, die den
zirkumpolaren Strom etablierte und dadurch die Antarktis
abkühlte [20]. Das Auftauchen der mittelamerikanischen
Landbrücke hatte globale Folgen nicht nur für den Golfstrom
und den Nordatlantik [19].
Diesen langfristigen Entwicklungen sind höher frequente
Klimazyklen aufgeprägt. In den kontinuierlich abgelagerten
Sedimentsequenzen der Weltmeere ließ sich nachweisen,
dass die Schwingungen der Erdumlaufbahn und die Kreiselbewegungen
der Erdachse durch minimale Veränderungen
der Sonneneinstrahlung das Klima der Erde bestimmen [21].
Die Klimaveränderungen, die aus diesen globalen Insolationsveränderungen
von nur ca. 0,2 % resultieren, reichen von
dem kalten Extrem der Eiszeiten bis zu den relativ kurzen
warmen Perioden der heutigen Zeit. Die Tatsache, dass minimale
Veränderungen so starke Klimareaktionen verursachen,
zeigt, dass das Klimasystem der Erde sehr sensibel mit eigenen
Schwingungen auf die Anregung von außen reagiert
(Abb. 8). Ohne zur Zeit erkennbare Ursache wechselte die
wichtigste Eigenschwingung des Erdklimas von einem
41000-Jahre-Zyklus vor 750000 Jahren zu einem 100000-Jahre-
Zyklus mit erheblich größeren Amplituden [22] (Abb. 9).
Hochauflösende Zeitserien aus verschiedenen Ozeanen zeigen,
dass die astronomisch gesteuerten Zyklen von kurzfristigen
Veränderungen überlagert werden, die innerhalb weniger
Jahrzehnte regionale Klimate enorm verändert haben.
Auch die seit 10 000 Jahren andauernde Warmzeit weist erhebliche
Variationen auf, wie die Kerne aus den Eisschilden
Grönlands und einige hochauflösende Meeresablagerungen
des Zentralatlantiks und Nordostpazifiks beweisen [23]. Von
welchen Faktoren diese Variationen abhängen, ist ungeklärt,
was die Deutung der jüngsten atmosphärischen Erwärmung
erschwert. Die astronomischen Variationen mit Frequenzen
von bis zu 100 000 Jahren sind für die letzten 40 Millionen
Jahre nachgewiesen [24] und erlauben in kontinuierlich abgelagerten
Serien eine sehr genaue zeitliche Zuordnung. Die
Bedeutung dieser genauen Zeitskala für die Untersuchung
evolutionärer Prozesse, klimatischer Variabilität und paläomagnetischer
Veränderungen wird erst langsam sichtbar.
7. Extrem warme Klimaperioden
Die geologischen Archive in den Ozeanen dokumentieren
einen langfristigen Wandel von extrem warmem Klima im
Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 9, 2004 483

Übersicht
späten Mesozoikum vor 90 Millionen Jahren zu immer kühleren
Perioden, bis schließlich vor 2 Millionen Jahren die kalten
Perioden der bipolaren Vereisungsphasen des Quartärs erreicht
wurden [24]. In den extrem warmen Perioden der Kreide
und des Alttertiärs hat das Klimasystem wahrscheinlich unter
den Treibhausbedingungen mit stark erhöhten CO 2-Konzentrationen
in einem völlig anderen „Betriebszustand“
funktioniert. Eine schwache, ozeanische Zirkulation führte
zur weltweiten Verbreitung sauerstoffarmer Tiefenwässer, die
die Erhaltung organischer Substanzen und damit die Ablagerung
von Gesteinen begünstigte, die reich an organischem
Kohlenstoff sind, so genannte Schwarzschiefer [25]. Aus
dieser Zeit stammt der Großteil der reichen Kohlenwasserstoffvorkommen,
die heute in Form von Erdöl und Erdgas
Ma AGE
92
94
96
98
100
102
104
106
108
110
112
114
116
118
120
122
124
CENOMAN. TURON.
ALBIAN
late
middle
early
APTIAN
BARREM.
early late
0.7072
87 86
Sr/ Sr
0.7073 0.7074 0.7075
13
δ Ccarb
1 2 3 4
SEA LEVEL
Long- & Short-Term
Eustatic Cycles
Fall Rise
ONTONG JAVA &
CARIBBEAN (94-88 Ma)
from Erbacher et al., 1996
J
J
J J OAE 2
13
JJ δ C J J
carb J J
JJ
JJ "Bonarelli"
20%
22%
49%
58%
J
J
J
J J
JJ
JJ
J
J J
JJJ JJ
JJ
JJ
J J
J
J J
JJJ JJ J
J JJ
J
J
JJ J JJJ
J JJ J
J JJJ
JJ
J
J
J
J JJ JJ
J
J
J J
J
J
J
J J
J
OAE?
OAE 1d
OAE 1c
"Breistroffer"
23%
extinction
26% 30%
27%
32%
20%
26%
23%
28%
J J J
KERGUELEN
J J
J
J
J
J
J
J J
speciation
27%
J
J
J
J
J
J
J J
J J
"Urbino"
ONTONG JAVA-
MANIHIKI &
NOVA-CANTON
TROUGH
J J
J J OAE 1b
J J
J
J
J
J J
J
J J
JJ J
J J J
J
J
J
J
J
J J
J J
J J J J
J J
J J
JJ
OAE?
J J J J
J J
J J
J
J J J J
J JJJ
J
13
J
J J J
J J
δ C
JJ
J J
org J J J
J J
J J J J
J JJ JJ
J
J
J J
J
JJ
J J J
J
J J
J J OAE 1a
J JJ JJ
J
J JJ
JJ J
J
J
"Paquier"
"M.te Nerone"
"Jacob"
"113"
short-term cycles
long-term cycles
"Goguel"
"Selli"
29% 36%
42%
26%
41%
Erbacher and
from Bralower et al., 1997 from Bralower et al., 1999 from Haq et al., 1988
Thurow, 1997
29%
69% 23%
31%
30% 20%
27% 27%
PLANKTON EVOLUTIONARY EVENTS
(Speciation and Extinction)
CALCAREOUS PLANKTIC
NANNOFOSSILS FORAMINIFERA RADIOLARIANS
6%
9% 6%
5%
5%
5%
7%
7%
7%
7%
5%
Leckie et al., 2002
13
-26 -25 -24 -23
δ C
org
Abb. 9. Variationen der Sauerstoff-Isotopie
( 18 O/ 16 O) in den
Kalkgehäusen benthischer Foraminiferen
während der letzten 5
Millionen Jahre im östlichen äquatorialen
Pazifik. (Der VPDB-Wert
ist ein geologischer Standardwert;
der Isotopeneinbau ist Temperaturabhängig).
Der Trend zu positiveren
Werten (kälter oder mehr
Eis) begann vor 4,2 Millionen Jahren.
Auffällig ist der Wechsel vom
41 000-Jahre-Zyklus zum 100 000-
Jahre-Zyklus vor 0,75 Millionen
Jahren. Aus [6]
gefördert werden. Phasen rascher lokaler Erwärmungen,
verursacht durch Umlenkung warmer Meeresströmungen,
führten zu einer massiven Freisetzung von Methan in den
Ozeanen und damit zur Dissoziation von Gashydraten. Die
ozeanographischen Ereignisse im oberen Paläozän und auch
einige Schwarzschiefer-Bildungen der mittleren Kreide werden
entsprechend gedeutet [27, 28]. Bohrungen in die mehrere
hundert Meter mächtigen Ablagerungen aus dieser Zeit
erlauben einen genaueren Einblick in die Dynamik des von
Treibhausgasen erwärmten Erdklimas und ermöglichen
Rückschlüsse auf die zukünftige Entwicklung der Erde [29].
Die Erforschung dieser alten Klimaarchive bringt wichtige
Erkenntnisse über das Verhalten des Systems Erde in vergleichbaren
Extremsituationen. Globale Temperaturen, wie
Abb. 10. Die Aussterbe- und Radiationsmuster
von marinem
Plankton während der mittleren
Kreide. Dargestellt sind die Perioden
mit massiven vulkanischen
Exhalationen in den großen vulkanischen
Provinzen (links, schwarze
Balken), das Strontium-Isotopenverhältnis
des Meerwassers als Indikation
für die weltweite vulkanische
Aktivität, die Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse
in den marinen
Sedimenten und die globale Meeresspiegelkurve
mit zeitgleichen,
weltweit auftretenden Perioden
von Sauerstoffarmut in den Ozeanen
(Oceanic Anoxic Events, OAE).
Aus [29]
484 Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 9, 2004

Kudrass, Erbacher, Volbers: Das Ozean-Bohrprogramm
sie für das Jahr 2150 vorausgesagt werden, herrschten das
letzte Mal im Eozän, vor 50 Millionen Jahren [24].
In den vergangenen Jahren konzentrierte sich das Interesse
auf die Zyklizität der kreidezeitlichen und tertiären (speziell
paläogenen) Ablagerungen, auf die Synchronität der
Schwarzschieferbildungen in der mittleren Kreidezeit und
auf die zahlreichen Beispiele von dramatischen und weltweiten
Aussterbeereignissen der Kreide und des Alttertiärs. Mit
Hilfe der Feinstratigraphie paläogener und kretazischer Ablagerungen
gelang es, die Geschwindigkeit der Klimaveränderungen
abzuschätzen. Danach haben sich drastische Umschwünge
innerhalb von nur wenigen 1000 Jahren abgespielt.
Diagenetisch weitgehend unüberprägte Serien, wie sie
auf vielen Expeditionen des ODP geborgen wurden, erlauben
den Einsatz moderner isotopen-geochemischer Untersuchungen
an carbonatischen Mikroorganismen und organischer
Substanz der marinen Ablagerungen und damit einen direkten
Vergleich mit modernen ozeanographischen und klimatischen
Verhältnissen. Mittlerweile gilt es als gesichert, dass sowohl
die Phasen der Ablagerung von Schwarzschiefern in der Kreide
(120–70 Millionen Jahre v. h.) als auch das gravierende Aussterbeereignis
im Paläozän (55 Millionen Jahre v. h.) im Zusammenhang
mit raschen Erwärmungen der Erde stehen
(Abb. 10) [30–32].
8. Tiefe Biosphäre
Fluide, die in den Klüften der ozeanischen Basalte und im
Porenraum der marinen Ablagerungen zirkulieren (Abb. 11),
beeinflussen physikalische, chemische und biologische Prozesse.
Diese Zirkulation kann Metalle anreichern, das Klima
beeinflussen, Erdgas und Erdöl bilden, Erdbeben auslösen
und Vulkanausbrüche initiieren. Thermophile Bakterien besiedeln
die fluiddurchströmten Gesteine, und zwar bis zu
Tiefen von 750 m unter der Meeresbodenoberfläche und bis
zu Temperaturen von 100 °C [33, 34]. Nach ersten Schätzungen
leben zwei Drittel aller Bakterien der Erde in den Meeresböden.
An der Grenze zwischen basaltischer Kruste und
überlagernden Sedimenten sind außerdem kürzlich den
Pilzen ähnliche Organismen entdeckt worden [35]. Mikrobiologen
und Geologen des ODP haben während der letzten
fünf Jahre begonnen, Techniken für die Erkundung der
Mikroben-Gemeinschaften zu erproben und anzuwenden
Abb. 11. Der Fluidstrom wird durch Dichteunterschiede, tektonische
Kompaktion oder topographische Unterschiede angetrieben und transportiert
große Wärmemengen und gelöste Substanzen sowohl innerhalb
der Kruste als auch zwischen der Kruste und dem Ozean. Fluide, die in
den Subduktionszonen in große Tiefen verschleppt werden, sind Voraussetzung
für den Vulkanismus entlang der Plattengrenzen. Nach [6]
Abb. 12.
Die Häufigkeit
von Bakterien
nimmt in Abhängigkeit
zur Tiefe
der Bohrproben
unter der
Meeresbodenoberfläche
ab.
Dargestellt sind
die Ergebnisse
von Bohrproben
des ODP.
Nach [33]
Abb. 13. Symbiose aus Archaea (rot) und sulfatreduzierenden Bakterien
(grün) in Aggregaten, die im Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie
in Bremen aus gashydrathaltigen Sedimenten vom Kontinentalhang
vor Oregon (USA), isoliert und markiert wurden. Aus [37]
[36]. Die ersten Resultate (Abb. 12 und 13) zeigen, dass Bakterien
die Gesteine unter dem Meeresboden in erstaunlich
großer Zahl und Diversität besiedeln. Thermophile und
barophile Bakterien wurden sowohl in der ozeanischen Kruste
als auch im Porenraum der Sedimente nachgewiesen. In der
nächsten Umgebung der hydrothermalen Sulfidlagerstätten
gedeihen bakterielle Lebensgemeinschaften bei Temperaturen
über 100 °C. Die stark reduzierenden Bedingungen der
tief in der Ozeankruste zirkulierenden Fluide begünstigen
methanogene Mikroben (Archaea, Abb. 13 u. 14), die bereits
stark degradierte organische Substanz weiter zu Methan zerlegen.
Der überwiegende Teil des Methans in den Gashydraten
wird wahrscheinlich durch diese Bakterien generiert. Die
Rolle der Bakterien in kohlenstoffreichen Sequenzen bei der
Produktion beziehungsweise Zerstörung von Erdgas und Erdöl
ist seit langen bekannt, jedoch fehlen Untersuchungen
der ökologischen Randbedingungen und der beteiligten Mikroben
[38].
Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 9, 2004 485

Übersicht
Abb. 14. Mikroskopische Aufnahme eines etwa 15 Millionen Jahre alten
vulkanischen Glases, das unterhalb einer Sedimentbedeckung von
340 m erbohrt wurde. Die gelbliche Zone ist eine tonige Spaltenfüllung,
von der aus feine und breite Kanäle in das nicht zersetzte Vulkanglas
ausgehen. Die Kanäle mit ihren dunklen Eisenoxidtapeten sind wahrscheinlich
auf die Besiedlung durch lithoautotrophe Bakterien zurückzuführen,
wie sie aus den tonigen Füllungen isoliert wurden. Nach [6]
9. Gashydrate
Es ist seit langem bekannt, dass Gashydrate weltweit in
marinen Sedimenten und in permanent vereisten Regionen
auftreten [39] (Abb. 15). Gashydrate sind eisähnliche Festkörper
(Abb. 16), in deren Gerüst von Wassermolekülen Gase
wie Methan, Ethan, Propan und Kohlendioxid gefangen sind.
Die Kristalle bilden sich in den Sedimenten bei ausreichend
hohen Gaskonzentrationen in Wassertiefen unter 300 m und
bei Temperaturen zwischen 4 °C und 10 °C. Nach der isotopischen
Signatur stammt der überwiegende Teil des Methans
aus der bakteriellen Zersetzung von organischer Substanz,
die bei Temperaturen bis zu 70 °C stattfindet. Aber auch thermisch
generierte Gase, die in Tiefenzonen bei Temperaturen
über 150 °C entstehen, können in den Gashydraten gebunden
sein. Gashydrate wurden von vielen aktiven und passiven
Kontinentalrändern nachgewiesen und sind in seismischen
Profilen durch markante Laufzeitunterschiede zu erkennen.
Die Grenze zwischen dem freien, aus dem Untergrund aufsteigenden
Gas und dem darüber liegenden „Deckel“ der
Gashydrate wirkt nämlich als markanter seismischer Reflektor
(Bottom Simulating Reflector, BSR, vgl. [39]) (Abb. 17). Die
Abb. 15. Weltkarte mit den seismisch nachgewiesenen Vorkommen
von Gashydraten, einschließlich der Vorkommen in den Permafrostgebieten.
Abb. 16. Gashydrat aus 700 m Wassertiefe vor Oregon (USA).
große Bedeutung der Gashydrate im Kohlenstoffkreislauf
wurde durch gezielte ODP-Bohrungen auf dem Blake Outer
Ridge im Atlantik östlich von Florida erkannt [40]. Zum
ersten Mal war es gelungen, durch Bohrungen die Verbreitung
und Konzentration von Gashydraten durch direkte und indirekte
Methoden nachzuweisen und die Gashydratmengen
in marinen Sedimenten abzuschätzen. Der überwiegende
Teil des globalen Kohlenstoffs ist in Gashydraten fixiert, die
damit wahrscheinlich das größte, jedoch weitgehend unbekannte
Kohlenstoffreservoir der Welt bilden. Bereits geringe
Veränderungen der Druck- und Temperatur-Bedingungen
im Meeresboden, beispielsweise durch einen sinkenden
Meeresspiegel und ansteigende Bodenwassertemperaturen,
verschieben das Stabilitätsfeld der Gashydrate im Sediment,
wodurch an der Basis der Gashydratlagen große Mengen an
Methan und Wasser im Sediment freigesetzt werden können.
Da Gashydratlagen als Zementierung der Kontinentalhänge
fungieren, kann ihre Zerstörung riesige Sedimentmassen
destabilisieren, die an Kontinentalhängen abrutschen und
dabei das Treibhausgas Methan klimawirksam in die Atmosphäre
entweichen lassen [39, 41]. Ein Beispiel ist die Storegga-Rutschung,
bei der vor 8000 Jahren ein Sedimentpaket
von der Größe Schleswig-Holsteins vom oberen Kontinentalhang
vor Norwegen in die Tiefsee abglitt und eine Flutwelle
auslöste, die die benachbarten Küsten der Nordsee verheerend
überflutete (Abb. 18).
Ausblick
In den letzten Jahren wurde im Rahmen des ODP begonnen,
die geologischen und biologischen Prozesse direkt zu
vermessen und zu beobachten. Die Fluidzirkulation entlang
der mittelozeanischen Rücken, der Fluidaufstieg in den
Akkretionskeilen und die damit einhergehende bakterielle
Besiedlung und geochemische Veränderung, die Vorbereitung
von Erdbebenbeobachtung in der seismogenen Zone
und die Entstehung von Gashydraten waren neben der Klimageschichte
die Schwerpunkte der letzten Jahre. Die bisherigen
Untersuchungen haben aber auch gezeigt, dass die Steuerung
dieser komplexen Prozesse in vielen Fällen nur in An-
486 Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 9, 2004

Kudrass, Erbacher, Volbers: Das Ozean-Bohrprogramm
Abb. 17. Seismisches Profil am Kontinentalhang Indonesiens. Der
schichtparallele Aufbau wird durch einen auffällig starken Reflektorhorizont
unterbrochen, der im Wesentlichen parallel zum Meeresboden
verläuft (BSR: bottom simulating reflector). Dieser Reflektor markiert
eine starke Abnahme der Schallgeschwindigkeit an der Untergrenze der
Sedimente mit Gashydraten zu den tiefer liegenden Sedimenten mit freien
Kohlenwasserstoffgasen.
Abb. 18. Bathymetrische Karte der Storegga-Rutschung (in dunkelblau)
vor der Küste Norwegens. [Prof. Dr. G. Bohrmann, Universität Bremen]
sätzen erfasst werden kann. Dies gilt in besonderem Maß für
die Entstehung von Erdbeben in der seismogenen Zone und
für die Prozesse bei der Neubildung der ozeanischen Kruste.
Deshalb haben die Wissenschaftler im ODP, darunter auch
die Europäer mit starker deutscher Beteiligung, ein Nachfolgeprogramm
mit dem Namen Integrated Ocean Drilling Program
(IODP) entwickelt. Der deutsche Anteil an diesem deutlich
aufwendigeren Programm wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
(DFG), den am IODP beteiligten Institutionen
und vermutlich dem Bundesministerum für Bildung
und Forschung (BMBF) und seinen Institutionen finanziert.
Im Sommer 2004 wird das IODP unter europäischer
Leitung Bohrungen im zentralen Arktischen Ozean abteufen,
um zum ersten Mal auch die Rolle dieses heute eisbedeckten
Ozeans in der globalen Klimageschichte zu erkunden. Neue
Bohrtechnologien werden ab 2006 für die tiefen Bohrlöcher
in der seismogenen Zone und in erdöl- und erdgasführenden
Schichten mit der Indienststellung des riesigen japanischen
Bohrschiffes Chikyu (Erde; S. 474) zur Verfügung stehen. In
der Übergangsphase steht das bewährte amerikanische
Bohrschiff JOIDES Resolution für Bohrungen in die tiefen
Ozeanbecken und Kontinentalränder bereit. Die Kombination
der verschiedenen Technologien wird das Verständnis von
den geogenen und biogenen Prozessen unserer Umwelt
nachhaltig verbessern und vertiefen. Der von IODP erarbeitete
Wissenschaftsplan (www.bgr.de/ecord, www.iodp.org/
isp.html) wird dabei für die nächsten Jahre die Ziele für das
Programm vorgeben.
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Seepages Impact on Geology, Biology, and the Marine Environment.
Graham & Trotman. London 1988.
Dr. Jochen Erbacher, Dr. Andrea Volbers und Dr. Hermann-Rudolf
Kudrass (v. l.) bilden das wissenschaftliche Koordinationsteam des
Ocean Drilling Program und Integrated Ocean Drilling Program in
Deutschland. Neben ihrer Koordinationstätigkeit an der Bundesanstalt
für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover beschäftigen sich die
drei Wissenschaftler mit unterschiedlichen Fragestellungen der
Meeresgeologie und Paläoozeanographie und nahmen an zahlreichen
marinen Expeditionen teil. Bei Fragen zu den beiden Tiefseebohrprogrammen
wenden Sie sich bitte an: iodp@bgr.de. Weitere
Informationen zum Ozean-Bohrprogramm finden Sie im Internet unter
www.bgr.de/iodp.
Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Stilleweg 2, 30655
Hannover
Franz Steiner Verlag
Geographisches Taschenbuch 2003/2004
Danksagung
Folgende Personen, Institutionen und Verlage erteilten uns freundlicherweise
die Abdruckgenehmigung:
Brian J. Skinner und John Wiley & Sons (Abb. 2), Macmillan Magazines
Limited (Abb. 5, 8, 13), Yoshiyuki Tatsumi, Kyoto University (Abb. 6, 7),
Alan C. Mix, Oregon State University (Abb. 9), American Geophysical
Union (Abb. 10), Earl Davis, Geological Survey of Canada (Abb. 11), R. J.
Parkes, B. A. Cragg, P. Wellsbury und Springer-Verlag (Abb. 12), Martin
Fisk, Oregon State University (Abb. 13), Gerhard Bohrmann, Universität
Bremen (Abb. 18), JAMSTEC (Abb. S. 474).
Deutschlands Mitgliedschaft im IODP und seinen Vorgängerprogrammen
ODP und DSDP ist in großem Maße mit dem
Namen Helmut Beiersdorf verbunden. Seinem hohen und
beständigen Engagement ist es zu verdanken, dass sich
Deutschland seit über 25 Jahren mit wachsender Kompetenz
an der internationalen Erforschung der Tiefsee durch Bohrungen
beteiligen konnte und heute zu den führenden Nationen
geowissenschaftlicher Meeresforschung gehört. Prof.
Dr. Helmut Beiersdorf starb am 30. Mai 2004 im Alter von nur
65 Jahren. Seinem Andenken ist dieser Artikel gewidmet.
Für jeden, der sich mit Geographie befasst, ist dieses Nachschlagewerk von geographischen
Institutionen, Behörden, Organisationen und Geographen in Deutschland, Österreich
und der Schweiz ein nützlicher und unentbehrlicher Wegweiser durch das Fach
und seine Nachbardisziplinen.
„Mit ihren leicht handhabbaren Registern ist das Geographische Taschenbuch ein Wegweiser
durch die Geographie im deutschsprachigen Raum und deren Randgebieten.”
(Praxis Geographie)
Begründet von Emil Meynen. Herausgegeben von Andreas Dittmann.
27. Ausgabe. 469 Seiten mit Namenregister. Kartoniert. ISBN 3-515-08220-4
€ 36,-- [D] / sFr 57,60
Postfach 10 10 61 • 70009 Stuttgart • Telefon 0711 2582 341 • Fax 0711 2582 290
E-Mail: service@steiner-verlag.de • www.steiner-verlag.de
488 Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 9, 2004