Ulrich Schwarz-Schampera (Projekt- und Fahrtleiter) mit einer aktuellen Probe aus 2400 m Tiefe Quelle: BGR

Ulrich Schwarz-Schampera, Projektleiter „Exploration Polymetallische Sulfide“ und Fahrtleiter der Ausfahrt INDEX2016 informiert:

Die BGR hat für die Bundesrepublik Deutschland nach vierjährigen Vorarbeiten ein Explorationsgebiet im Indischen Ozean erworben. Was bedeutet dies?
Die Ausfahrt INDEX2016 ist nach der Unterzeichnung des Lizenzvertrages im Mai 2015 bereits die zweite Explorationsausfahrt. Seit Mai vergangenen Jahres läuft der 15-jährige Vertrag mit der Internationalen Meeresbodenbehörde (ISA) in Kingston, Jamaika. Der Vertrag mit dieser internationalen Organisation mit 166 Mitgliedsstaaten sieht die Erkundung des Meeresbodens nach Erzvorkommen für so wichtige Metalle wie Kupfer, Zink, Blei, Gold und Silber sowie wirtschaftsstrategische Metalle wie Indium, Tellur, Selen, Germanium, Gallium und Antimon vor. Der Aufsuchung dieser Vorkommen und Bestimmung ihrer Größe und Verteilung sind die Arbeiten in den kommenden Jahren gewidmet.

Welche Rolle spielen Umweltaspekte bei dieser Suche?
Umweltarbeiten sind wesentlicher Inhalt der Explorationslizenz. Diese Arbeiten sind zwingend vorgeschrieben und machen mehr als 50% der Arbeiten und finanziellen Aufwendungen aus. Auftreten und Verteilung mariner Lebewesen, ihre Abhängigkeit von Lösungsaustritten an sogenannten Schwarzen Rauchern und die generelle Biodiversität an ozeanischen Spreizungszentren sowie im weiteren Umfeld und in der Wassersäule sind wesentliche Bestandteile unserer Arbeiten. Hierbei werden wir als BGR von einschlägigen wissenschaftlichen Zentren und Universitäten wie dem Deutschen Zentrum für Marine Biodiversitätsforschung in Wilhelmshaven sowie der Universität Hamburg und der Jacobs-Universität in Bremen unterstützt. Die hohe Intensität dieser Arbeiten trägt wesentlich zu einem Kenntnisfortschritt in der marinen Umweltforschung bei, die ohne die Lizenzarbeiten so nicht möglich wäre.

Welche Arbeiten sind während der jetzigen Ausfahrt INDEX 2016 vorgesehen?
Im Rahmen unserer Arbeiten haben wir schon bisher eine Vielzahl von inaktiven Sulfidfeldern neu aufgefunden. Solche Systeme sind auf natürlichem Wege erloschen, die Metallanreicherung ist abgeschlossen und die Lebensgrundlage der hydrothermalen Lebewelt entzogen. Diesen Feldern gilt das Interesse, und während INDEX2016 werden weitere Gebiete mit einem Potential für das Auftreten dieser inaktiven Sulfidanreicherungen getestet. Gleichzeitig wird die marine Fauna in diesen Gebieten untersucht und beprobt, um die Biodiversität von Mikroben bis zur Megafauna zu untersuchen und zu dokumentieren. Hierbei hilft uns der Einsatz des französischen Tiefseetauchroboters VICTOR für eine detaillierte und kleinskalige Beprobung. Unser Forschungsschiff, die N/O POURQUOI PAS? des französischen marinen Forschungszentrums Ifremer in Brest, Frankreich, ist sehr gut für unsere Arbeiten geeignet und bietet hervorragende Labore für die wissenschaftlich Bearbeitung.

Udo Barckhausen und Bernd Schreckenberger von der BGR beim Einholen der Magnetiksonden Quelle: BGR

Anworten von Udo Barckhausen und Ingo Heyde

Was kann man mit magnetischen Messungen über polymetallische Sulfide am Meeresboden herausfinden?
Der Meeresboden besteht ganz überwiegend aus Basaltgestein, das einen relativ hohen Gehalt an magnetischen Mineralien hat und damit auch eine deutliche magnetische Signatur. An Stellen, an denen über längere Zeit heißes Wasser durch das Gestein geflossen ist (der sogenannte Hydrothermalismus), ist der Basalt chemisch verändert, wobei insbesondere auch die magnetischen Minerale so umgewandelt werden, dass sie ihre ferromagnetischen Eigenschaften verlieren. Durch magnetische Messungen kann man diese hydrothermal alterierten Gesteinsbereiche identifizieren, denn sie verraten sich in der Regel durch ein abgeschwächtes Magnetfeld. Da die Bildung der polymetallischen Sulfide am Meeresboden in direktem Zusammenhang mit Hydrothermalimus erfolgt, sind die magnetischen Anomalien der alterierten Basalte ein indirekter Hinweis auf mögliche Lagerstätten.

Welche Messungen lassen sich besonders gut mit der Pourquoi Pas? durchführen?
Die Pourquoi Pas? ist hervorragend für den Betrieb des ROV Victor 6000 ausgerüstet. Dieses läßt sich nicht nur zur Beprobung von Gesteinen, Fluiden, usw. einsetzen, sondern kann alternativ auch mit einem sogenannten Bathymetriemodul ausgerüstet werden. Dieses besteht im Wesentlichen aus einem Fächerecholotsystem, welches den Meeresboden hochauflösend kartiert. Dieses Modul haben wir zusätzlich um unser Fluxgate Gradiometersystem erweitert, um den Untergrund auch hochauflösend magnetisch zu vermessen. Wir haben so Daten einer Fläche von 1,5 km x 3,3 km im erweiterten Bereich des Kairei Hydrothermalfeldes in einem konstanten Abstand von 50 m über Grund gewonnen. In Kombination mit der Bathymetrie ist das ein einzigartiger Datensatz, der eine hochgenaue Karte des Magnetfeldes dieses Rückenbereiches liefert. Die Interpretation der gemessenen magnetischen Minima und Maxima in Hinblick auf vulkanische Strukturen aber vor allem aktiver und inaktiver Sulfidvorkommen wird außerordentlich spannend. Zunächst müssen die Magnetfelddaten jedoch bearbeitet werden, um z. B. den magnetischen Störeinfluss des ROV selbst herauszurechnen.
Diese Auflösung ist mit nahe der Meeresoberfläche geschleppten Sensoren bei einer Wassertiefe von 2500 m bis 3000 m nicht erreichbar. Zu berücksichtigen ist auch, daß das Magnetfeld eines Störkörpers mit zunehmendem Abstand d mit 1/d³ sehr schnell abnimmt. Das verdeutlicht die Möglichkeiten, die sich aus dicht an den magnetischen Quellen erfolgten Messungen ergeben.

Was für Magnetometer kommen bei der Ausfahrt INDEX2016 zum Einsatz?
Insgesamt sind vier Magnetometersysteme teilweise gleichzeitig im Einsatz. Traditionell zum Standard bei geophysikalischen Vermessungen gehört das etwa 600 m hinter dem Schiff geschleppte Gradientenmagnetometer. Es besteht aus zwei 150 m voneinander entfernten hochgenauen skalaren Magnetometern, die nur die Stärke des Magnetfeldes messen. Aus der Differenz der Ablesungen können dann später die leider oft vorhandenen Störungen im Magnetfeld beseitigt werden, die ihre Ursache in von der Sonne verursachten Strömen in der höheren Erdatmosphäre haben.
Ebenfalls im geschleppten System integriert ist ein Magnetometer, das zusätzlich die Vektorkomponenten des Feldes misst, also wie stark das Feld jeweils in Fahrtrichtung und quer dazu, bzw. in Nord-, Ost-Richtung und in der Z-Richtung, d.h. nach oben oder unten ist. Damit erhält man zusätzliche Informationen über die magnetischen Körper unter dem Meeresboden, wie z.B. ihre Orientierung.
Dass man diese Systeme mit einigem Aufwand in einem Abstand von mehreren Schiffslängen hinter dem Schiff schleppt, hat natürlich einen Grund. Man will von der großen Eisenmasse des Schiffes weg kommen, die magnetische Messungen ganz erheblich stört.
Ganz im Gegensatz zu diesem Prinzip sind auch zwei baugleiche Vektormagnetometer auf dem Peildeck des Schiffes montiert, die ununterbrochen während der ganzen Ausfahrt registrieren. Die Auswertung ist schwieriger und nicht so genau, aber nicht unmöglich und bietet auch Vorteile gegenüber dem geschleppten System.
Zuletzt haben wir noch zwei Vektormagnetometer, die in einem bis 6000 m Wassertiefe druckfesten Titangehäuse eingebaut sind. Auf der INDEX2016 Ausfahrt ist dieses System am ROV Victor montiert und vermisst das Magnetfeld etwa 50 m über dem Meeresboden. Diese Technologie ist bisher noch nicht häufig zum Einsatz gekommen, bietet aber große Chancen und ist die einzige Möglichkeit zur Untersuchung kleinräumiger magnetischer Körper, wie z.B. Sulfidfeldern, in größerer Wassertiefe.

Was kann man mit gravimetrischen Messungen über polymetallische Sulfide am Meeresboden herausfinden?
Schiffsbasierte Schweredaten erlauben vor allem mittels Dichtemodellierungen Aussagen zu Variationen im strukturellen Aufbau der ozeanischen Kruste. So können Gebiete identifiziert werden in denen die ozeanische Kruste besonders mächtig oder auch besonders dünn ist. Dieses erlaubt Rückschlüsse auf die mögliche Bildung von polymetallischen Sulfiden in dem entsprechenden Bereich. Bei Wassertiefen von über 4000 m ist die räumliche Auflösung jedoch sehr begrenzt und Aussagen zu einzelnen Vorkommen sind nicht möglich. Dazu müssten gravimetrische Messungen entweder am Meeresboden direkt oder dicht über dem Boden z. B. in einem AUV (Autonomous Underwater Vehicle) durchgeführt werden.

Was für Gravimeter kommen bei der Ausfahrt INDEX 2016 zum Einsatz?
Wir haben das BGR Seegravimetersystem KSS32M der Firma BGGS aus Meersburg nahe der Schiffsmitte auf einem dafür vorgesehenen festen Sockel installiert. Es handelt sich um ein Skalargravimeter, d. h. wir messen allein die Vertikalkomponente der Schwerebeschleunigung. Dazu ist der Schweresensor auf einer kreiselstabilisierten Plattform installiert, die die dynamische Horizontierung sicherstellt. In unmittelbarer Nähe befindet sich das ältere, schiffseigene KSS31 System, welches neben dem Kreiseltisch mit dem Schweresensor noch ein umfangreiches Elektronikrack zur Versorgung und Steuerung des Systems umfasst. Die parallelen Messungen vergrößern die Datenbasis und erlauben den Vergleich der beiden Systeme in Hinblick auf die Datenqualität.

Michelle DeWolfe und Harold Gibson von der Mount Royal University in Calgary, Kanada Quelle: BGR

Answers with Michelle DeWolfe

Who are you? What do you do?
I am an associate professor in the Earth and Environmental Science Department at Mount Royal University in Calgary, Canada. I have over 15 years of mapping experience in the Canadian Shield where my research has largely focused on ancient submarine volcanic successions hosting massive sulfide deposits. In particular my work focuses on reconstructing the volcanic environment in which massive sulfide deposits formed, including interpreting the volcanic and structural controls on mineralization.

Why are you here, on this cruise?
I was invited on Leg 1 INDEX2013, which was my introduction to research in modern seafloor settings, but there was no ROV on that cruise, and so I was very limited in what I could add to the volcanology of the project. This time around I am well pleased to be a part of a team (with Harold Gibson) that will create a seafloor map based on high definition video observation from the ROV. I am very excited at the opportunity to do this mapping, to transfer my expertise in mapping ancient deposits to the modern seafloor, and then of course, to use what I learn about the modern seafloor and apply that understanding to my research on ancient examples. I think I am in a unique and privileged position in the world to be able to study both modern and ancient volcanic-hosted massive sulfide deposits.

What will you contribute to BGR's INDEX project?
Together with Dr. Gibson we will create a detailed map of the seafloor at each study site showing the various lithologies, lithofacies and structures observed through study of the high definition video recorded by the ROV. We will map by hand on paper maps containing the bathymetry of the area as the ROV dive is in progress. When the cruise is done, our data will be digitized, joined with similar volcanological data obtained on previous cruises (on which Harold Gibson participated), and draped over the bathymetry for each study site. This will result in a detailed geological map of the seafloor for each study site, and a much improved understanding of the volcanological and structural controls on the massive sulfide deposits, which in turn will provide new and useful information that can be used in exploring for more seafloor massive sulfides.

Terue Kihara, Klaas Gerdes und Katharina Kniesz vom Senckenberg-Institut am Meer in Wilhelmshaven (DZMB) im Labor; Katharina Kniesz gehört auch zur Uni Hamburg Quelle: BGR

Welche Tiere kommen auf Schwarzen Rauchern („Black Smoker“) vor?
Katharina Kniesz:
Erstaunlicherweise findet sich in dieser sehr speziellen Umwelt eine recht hohe Artenvielfalt. Das Vorkommen der einzelnen Tierarten ist hier klar zoniert.
Wenn wir uns auf ein aktives Hydrothermalfeld zu bewegen, finden wir zuerst die meist weißen Seeanemonen, die nach bisherigem Wissen im Indischen Ozean auch als Indikator für ein Hydrothermalfeld gelten können. Sie kommen in bis zu 100m Entfernung um ein Hydrothermalfeld herum vor.
Kurz unterhalb des Rauchers beginnt die sogenannte Übergangszone, in welcher wir Muscheln, Schnecken, Borstenwürmer, Plattwürmer, verschiedene Krabben und mit Hydrothermalfeldern assoziierte Fische finden.
Die wohl wichtigsten Tiere an den Schwarzen Rauchern sind die Tiefseegarnelen. Sie sind hier quasi Primärproduzenten und kommen in sehr hoher Zahl vor und sitzen direkt auf den Rauchern.
Viele der Tiere hier weisen Abweichungen von anderswo bekannten Spezies auf. So zum Beispiel die „scaly foot snail“, welche durch Einlagerung von Eisensulfid einen harten, schuppigen Fuß zum Schutz gegen die raue Umwelt entwickelt hat. Andere führen eine Symbiose mit sulfidoxidierenden Bakterien und tragen sie unter dem Mantel, wie die Muschel Bathymodiolus und die Garnele Rimicaris.
Nicht vergessen darf man allerdings die Kleinstlebewesen (Meiofauna), die wir während der Ausfahrt INDEX2016 auch beproben werden.

Wovon ernähren sich die Tiere, die an den „Black Smokern“ leben?
Klaas Gerdes:
Alle Tiere, die wir an den „Black Smokern“ finden, sind von Bakterien abhängig. Diese leben sowohl freilebend an der Oberfläche der Schornsteine auf den Sulfiden, aber auch in Symbiose mit den höheren Organismen. Diese Symbiose finden wir unter anderem zwischen sulfidoxidierenden Bakterien und den Hydrothermalgarnelen Rimicaris kairei oder der Muschel Bathymodiolus marisindicus. Die Garnelen haben einen extra breiten Kopf (Carapax), in dem sich eine Art „Garten“ oder Aufzuchtort für die Bakterien befindet. Die Garnelen ernähren sich von diesen Bakterien, während die Bakterien im Gegenzug von den Garnelen nah genug an die Fluide mit dem für diese wichtigen Schwefelwasserstoff getragen werden, um sich zu vermehren. Die Muscheln tragen diese symbiotischen Bakterien auf der Oberfläche ihrer Kiemen. Neben diesen Beispielen gibt es weitere Tiere, die in Symbiose leben.
Die Garnelen sind die Primärproduzenten in diesem Ökosystem, von denen sich alle weiteren dort lebenden Tiere direkt oder indirekt ernähren.
Alle weiteren Organismen, allen voran die auffälligen Anemonen und Krabben ernähren sich von den Garnelen. Viele Schnecken oder Borstenwürmer fressen dagegen die Außenskelette der Garnelen und weiteren sogenannten Detritus. Kleinere Tiere fressen auch direkt die freilebenden Bakterien von der Oberfläche der Sulfide.

How do the animals survive at these high temperatures?
Terue Kihara:
Most of the animals within the hydrothermal vent fields are living in a temperature regime of 2°C, which is the ambient temperature in the deep sea in this area. Therefore many hydrothermal animals like anemones, barnacles, polychaetes and many more that do not live close to the active chimney complexes never have to deal with high temperatures at all. Only in areas of diffuse venting or directly at the orifices the temperature is rising. The fluids from the chimneys at hydrothermal vent fields can exceed even 380°C. But the sea water is conducting heat very fast and only a few centimeters apart from the exiting fluids the temperatures are decreasing to less than 100°C.
Therefore the animals do not have to deal with very high temperatures but rather with low oxygen levels and the toxicity of the fluid. The anemones for example are found in up to 20°C. Crabs and mussels have their range between 2°C and 20°C likewise. The hydrothermal shrimps, which occur closest to the chimney exits are found in seawater with temperatures reaching up to 40°C. Occasionally the animals are exposed to higher temperatures. To avoid being cooked alive some animals have modifications in their membranes and enzymes to resist higher fluctuations.

“Plume Hunter” Gary J. Massoth vor dem CTD-Schlitten Quelle: BGR

Gary J. Massoth

Why am I out here on the Indian Ocean?
I am here to assist BGR in focusing their exploration for active venting sites. The idea is that active venting sites will be associated with inactive metal sulfide deposits acceptable for marine mining in the future.

What specifically so I do onboard?
I am responsible for towing the CTD sledge over prospective seafloor segments to provide the first detection of active venting in the immediate area. This detection is then used to guide more resolving seafloor tools (such as the HomeSide system, towed cameras, ROVs) for most efficient discovery and characterization of metal sulfide deposits on the seafloor.

Why me?
I have 36 years of experience in plume hunting, starting only one year after the first high-temperature vents were discovered on the East Pacific Rise in 1979. I helped to develop the plume reconnaissance techniques employed world-wide today in the search for venting sites. I selected and help acquire the very newest and best tools for BGR to use for this regard.

More about Hydrothermal Plumes

Quelle: Gary J. Massoth

Unsere vier ISA Trainees: von links nach rechts Helen Wong, Emmanuel Quayson, Yanina Berbeglia und Mohamed Hassan Quelle: BGR

Die vier ISA-Trainees stellen sich vor:

WONG PEI SAN HELEN
I am a Research Assistant from Tropical Marine Science Institute and Keppel-NUS Corporate Laboratory, National University of Singapore. My project is to study the macrofauna composition within the Ocean Mineral Singapore claim site at Clarion-Clipperton fracture zone.
I am invited by the Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR), Hannover for this trainee program to survey the West Indian Ocean. My interest is to learn the survey method and equipment used for the study of the biodiversity in this area.

EMMANUEL QUAYSON
Emmanuel is a Mineral Engineering Graduate from the University of Mines and Technology in Ghana and is currently working on a collaborative research with the Organization of Advanced Science and Technology at Kobe University, Japan. His experience has been with mining on land in Ghana where his role has been at the exploitation stages of mining.
As an ISA trainee in this cruise, I look forward to understanding the mineralogy of the ores by working with geologists on board using ore microscopy procedures. It has been an exciting experience so far and look forward to having the best out it.

MOHAMED HASSAN
I am an Assistant Researcher at Marine Pollution Lab. in the National Institute of Oceanography and Fisheries, Alexandria, Egypt. I am here as one of the International Seabed Authority (ISA) trainees invited by the Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR) to participate in INDEX2016 cruise.
My area of interest is monitoring and assessment of organic and inorganic pollutants in marine and fresh waters and during this cruise I am involved in water sampling and analysis activities using CTD and also KIPS system from hydrothermal vent areas. However, I am very grateful for all BGR staff and my ISA colleagues that give me a great opportunity to be here.

YANINA BERBEGLIA
An Argentine geologist from the Buenos Aires University. She works at the Argentine National Commission of the Outer Limit of the Continental Shelf, where she studies the geomorphological, geological and geophysical aspects of the Argentine continental shelf and the deep sea, in particular the evolution of the passive volcanic margins and the different features identified between the continental and the oceanic crust.
On this cruise, she is here as an ISA trainee and she expects to get a better understanding on how the polymetallic sulfides are formed and the environment in which they develop, and to learn how a survey in this type of area is done and all the different aspects that have to be studied.

Dieter Garbe-Schönberg vor dem ROV. Links von ihm ist das KIPS am ROV befestigt Quelle: BGR

Dieter Garbe-Schönberg, Geochemiker, von der Christian-Albrechts-Universität aus Kiel, hat eine Apparatur zur Fluid-Probenentnahme für Unterwasserroboter entwickelt, das "KIPS". Mit dem KIPS kann man Proben direkt aus den heißen Quellen an Meeresgrund entnehmen und auch die Wassertemperatur messen.

Dieter Garbe-Schönberg stellt sich vor:

Was erforsche ich?

Seit vielen Jahre interessiere ich mich für Hydrothermalsysteme im Meeresboden, in denen weit über 400°C heißes Wasser zirkuliert. Dieses „Fluid“ löst Stoffe aus dem Untergrund – der ozeanischen Kruste -, transportiert sie entlang von Spalten und anderen Wegsamkeiten nach oben zum Meeresboden, wo dann die gelösten Metalle und andere Stoffe entweder in den Ozean entlassen werden oder bei der Vermischung mit kaltem Meerwasser als Sulfiderze abgesetzt werden. Sichtbarstes Anzeichen für diese austretenden Fluide sind Schwarze Raucher – „Schornsteine“ aus kupferreichen Sulfiderzen. Die Fluide liefern mit ihren gelösten Stoffen aber auch die Lebensgrundlage für wahre Oasen von komplexen Lebensgemeinschaften aus Bakterien, Muscheln, Seeanemonen, Krabben, Shrimps und unzähligen Kleinstlebewesen mit vielen noch unbekannten Arten. Ich bestimme nun die chemische Zusammensetzung dieser Fluide, um damit die besonderen Bildungsbedingungen im Untergrund des jeweiligen Hydrothermalsystems erforschen zu können. Das hilft uns zu verstehen, welche Metalle unter welchen Bedingungen gelöst, angereichert und in den Fluiden transportiert werden. Gleichzeitig erfahren wir, welche der gelösten Metalle gleich an Ort und Stelle wieder als feste Erzminerale abgelagert werden oder aber weit in die Meeresumwelt verteilt werden, wo sie auch als (Mikro-)Nährstoffe dienen.

Was mache ich hier auf der "Pourquoi Pas?"?

Ich bin im Rahmen eines Auftrages der BGR an der Ausfahrt INDEX2016 beteiligt. Für die Entnahme von Wasserproben bzw. „Fluiden“ direkt aus sehr heißen Quellen wie den Schwarzen Rauchern in der Tiefsee habe ich ein Fluid-Probenentnahmesystem für Unterwasserroboter (ROV) entwickelt – das „KIPS“ – mit dem ich während der INDEX-Expedition Fluidproben entnehme. Diese werden dann später in meinem Heimat-Labor an der Uni Kiel auf viele Inhaltsstoffe und Spurenelemente analysiert. Unser heißestes Fluid bisher war 418°C heiß – Weltrekord! – und hatte einen viel höheren Salzgehalt als „normales“ Meerwasser.

Was sind für mich die Höhepunkte dieser Reise?

Diese Expeditionen gehören zu den schönsten Erlebnissen in meinem Arbeitsleben, weil hier auf engem Raum an Bord des Forschungsschiffes Wissenschaftler aus vielen Ländern und ganz verschiedenen Forschungseinrichtungen an einem gemeinsamen Thema arbeiten. Das ist eine ungemein kreative und anregende Umgebung mit einem sehr intensivem Austausch zwischen den Disziplinen, aber auch zwischen Jung und Alt. Auf dieser Reise haben wir Strukturgeologie, Vulkanologie, Lagerstättenkunde, Geophysik, Geochemie, Ozeanographie, Biologie und Mikrobiologie vertreten und die Teilnehmer kommen aus acht verschiedenen Ländern. Da gibt es viele Gesprächsthemen. Der ganz besondere Reiz dieser INDEX-Expedition besteht für mich auch darin, dass wir in der Tiefsee arbeiten und Neues entdecken, das noch niemand je gesehen hat. Die Arbeit mit Unterwasserrobotern wie dem VICTOR und seinem Team hat seinen ganz eigenen, besonderen Reiz, man ist sozusagen „live“ bei den Entdeckungen dabei. An den bizarren Unterwasserlandschaften und dem lebhaften Treiben der dicht-an-dicht lebenden Tiere bei den Schwarzen Rauchern kann ich mich noch lange nicht satt sehen.

Bordarzt Torsten Jänisch von der Medizinischen Hochschule Hannover Quelle: BGR

Thorsten Jänisch, Bordarzt (von der Medizinischen Hochschule Hannover) berichtet von seinem Einsatz

Warum ist ein Arzt auf Forschungsreisen wie der Ausfahrt INDEX2016 wichtig?
Um es einfach zu sagen, für ein sicheres Gefühl. Das allerdings ist zu einfach!
Die Unterstützung, die ein Arzt für solche Forschungsreisen liefern kann, ist von der Verfügbarkeit einer medizintechnischen Ausstattung und den Fähigkeiten des Arztes abhängig.
Im Fall eines schweren Unfalls ist ein gut ausgebildeter und erfahrener Rettungsmediziner die beste Lösung zur Sicherung des Lebens und um Folgeschäden möglichst gering zu halten. Obwohl auch ihm durch die beschränkte medizintechnische Ausstattung Grenzen gesetzt sind - keine Anästhesieeinheit – nicht mal ein Monitoring (Blutdruck, Pulse, EKG, Atmung), keine Blutuntersuchungen und kein Röntgen.
Auf der anderen Seite ist für die täglichen medizinischen Probleme, die auf einer längeren Forschungsreise ohne fremde Hilfe bewältigt werden müssen, eher ein Generalist mit Erfahrung in allen medizinischen Bereichen (Auge, Chirurgie, HNO, Gynäkologie, Urologie, allgemein internistisch und Zahnmedizin) hilfreich.

Gibt es Unterschiede bei den Explorationsschiffen?
Die Ausfahrten Ende 2015 und Anfang 2016 könnten von der Ausstattung nicht unterschiedlicher sein. Auf der Pelagia (Holländisches Forschungsschiff mit 66m Länge) befindet sich kein „Bordkrankenhaus“, nur ein Medizinschrank und ein Sauerstoffanschluss in der Kabine des ersten Offiziers und auf der Pourquoi Pas? (Französisches Forschungsschiff mit 107m Länge) gibt es ein eigenes Bordkrankenhaus mit OP-Leuchte, Autoklav und zwei Krankenbetten! Aber die Probleme sind auf beiden Schiffen gleich.

Gab es schwerere Krankenfälle an Bord?
Auf beiden Schiffen gab es je einen Patienten, der im Prinzip, auf Grund einer vor dem Auslaufen bestehenden Erkrankung nicht hätte an Bord sein dürfen.
Im ersten Fall war es ein Patient mit einer angefangenen Wurzelkanalbehandlung. Durch eine dreiwöchige Bereitschaft den entsprechenden Zahn zu eröffnen (zahnmedizinisches Equipment vom Arzt mitgeführt), konnte in diesem Fall durch eine dauerhafte hohe antibiotische Therapie Schlimmeres knapp abgewendet werden.
Und im zweiten Fall war es eine bestehende Ohrenentzündung, die durch mehrfaches Ohrenspülen und den Einsatz von sehr unterschiedlichen - dafür nicht konzeptionierten Medikamenten - kontrolliert werden konnte.
Die sonstige Tätigkeit beschränkte sich auf die Behandlung von kleineren Riss-Quetsch-Verletzungen, Erkältungskrankheiten, Seekrankheit und Kreislaufstörungen.

Daniela Zoch (BGR) und Nicole Adam (Uni Hamburg) beim Beproben von Sedimentkernen im Kühlraum Quelle: BGR

Daniela Zoch, technische Angestellte der BGR im Fachbereich Geochemie der Rohstoffe, Arbeitsbereich Geomikrobiologie. Der Arbeitsbereich Geomikrobiologie beteiligt sich am INDEX-Projekt mit mikrobiologischen Zellzahluntersuchungen.

Nicole Adam, Doktorandin in der Arbeitsgruppe „Molekularbiologie mikrobieller Konsortien“ von Jun. Prof. Dr. Mirjam Perner an der Universität Hamburg. Unsere Arbeitsgruppe führt im Auftrag der BGR mikrobielle Untersuchungen der aktiven und inaktiven Hydrothermalfelder im Rahmen des INDEX-Projekts der BGR durch.

Folgende Fragen sind Interesse:

Können Bakterien am Meeresboden überleben?
Bakterien sind beinahe überall auf der Erde anzutreffen. Sie besiedeln die unterschiedlichsten Lebensräume, sogenannte Habitate, bis hin zu solchen, die lebensfeindlich scheinen. Auch in hydrothermalen Tiefseequellen sind sie anzutreffen. Hier sind bestimmte Vertreter für den Aufbau von Biomasse zuständig. Sie können aus einfachen Kohlenstoffverbindungen wie z. B. Kohlendioxid organisches Material herstellen und sind dabei nicht auf Licht, sondern auf chemische Energie angewiesen. Durch diese Fähigkeit können sie die Grundlage für komplexe Ökosysteme in der ansonsten eher spärlich besiedelten Tiefsee bilden. Ihren Energiebedarf können die Mikroorganismen durch die Gewinnung von Elektronen aus reduzierten anorganischen Verbindungen, z.B. Wasserstoff oder Schwefelwasserstoff decken, die in hydrothermalen Tiefseequellen in großer Anzahl und Vielfalt vorhanden sind.

Mit welchen Lebensbedingungen müssen Bakterien in metallreichen Fluiden zurechtkommen?
Ein Leben in einem hydrothermal beeinflussten Tiefseelebensraum verlangt den dort angesiedelten Lebewesen die Anpassung an sehr extreme Lebensbedingungen ab: Sie müssen mit großen Temperaturunterschieden zurechtkommen (bis zu 400°C heiße Fluide und 2°C kaltes Umgebungswasser), es herrscht ein hoher Druck in über 3.000 m Tiefe und Bereiche mit und ohne Verfügbarkeit von Sauerstoff vermischen sich mitunter. Es ist daher wenig überraschend, dass die hier angesiedelten Mikroorganismen zum Teil hoch spezialisierte Stoffwechselwege und eine Reihe von Anpassungen in ihrem „Lebensstil“ aufweisen. Neben der Frage, welche Mikroorganismen in aktiven Hydrothermalsystemen im Indischen Ozean zu finden sind und welche Funktion sie dort haben, interessiert uns im Rahmen des INDEX-Projekts jedoch auch, welche Mikroorganismen in inaktiven Feldern zu finden sind und inwieweit sich die Populationen der aktiven und inaktiven Felder unterscheiden.

Wie findet die Probenahme statt, welche Laborarbeiten sind geplant?
Zur Untersuchung der unterschiedlichen mikrobiellen Gemeinschaften werden mit Hilfe des ROV Victor Proben von Fluiden, Schloten, Gesteinen und Sedimenten gewonnen, die an Bord der Pourquoi Pas? für die weitere Bearbeitung in Hamburg und Hannover vorbereitet werden. Es werden Proben gewonnen zur DNA-Extraktion, um das Erbmaterial der Mikroorganismen untersuchen zu können; wir versuchen jedoch auch schon direkt an Bord, die Mikroorganismen in unterschiedlichen Seewassermedien zu kultivieren bzw. anzureichern. Zudem werden Proben gesammelt, mit denen später eine Gesamtzellzahlbestimmung der Mikroorganismen durchgeführt werden soll. Für diesen Zweck werden die Proben hier zunächst „fixiert“, so dass die Zellen auf der anschließenden langen Reise nicht beschädigt werden, aber auch kein weiteres Wachstum stattfinden kann.

Ann Noowong beim Untersuchen einer Wasserprobe Quelle: BGR

Ann Noowong (PhD student in geochemistry at Jacobs University Bremen)

What I am working on?
Within the scope of a contract with the BGR, my duty is to investigate the bioavailability of metals in hydrothermal ecosystems in the BGR license area, namely the active Kairei and Pelagia vent fields.

Why is it important to investigate bioavailability of metals and trace elements in hydrothermal environments before any possible future deep sea mining activities?
Hydrothermal vents are one of the major sources of metals and trace elements in the deep ocean. When the water re-emerges and discharges as a hydrothermal fluid, the oxidation of reduced elements provides chemical energy for large communities of sub-surface and benthic microbes, which go on to feed vent-endemic ecosystems. Deep sea hydrothermal vents have high vent-specific biomass despite offering extreme environmental conditions to their inhabitants, such as high temperature, low oxygen, low pH, high pressure, high reducing gas content, absence of light and high concentrations of metals.
Metals and trace elements such as iron, copper, manganese, molybdenum and vanadium are essential for normal growth and development of living organisms but some of these elements can also be toxic when they are found in high concentrations (e.g. copper and manganese). Mobility, toxicity and bioavailability of these metals depend not only on the concentration but also on the form in which metals exist in hydrothermal environments and how much of it can be incorporated in vent organisms.

How does this project enhance our understanding in the hydrothermal environment and the impact of metals on microbes and animals?
The aim of the contract is to deliver a study report which includes the results of metal speciation data (from the hydrothermal source up to the mixing zones) and some potentially toxic metal contents in vent organisms that occur naturally. This data will give us a vivid idea about how hydrothermal vent animals can cope with this stress in natural conditions. This will also lead to a better understanding of whether future deep sea mining activities would have any effects on metal bioavailability or if they would increase metal stress to vent ecosystems. The study will be an important investigation for a better interpretation about the possible consequences of the future mining.

Auf dem Foto sieht man von links nach rechts Christian Wöhrl, Simone Sturm und Malte Junge beim Beproben eines Sedimentkerns Quelle: BGR

Ich bin Malte Junge und arbeite an der BGR im Arbeitsbereich Lagerstättenkunde.
Als Geologe beschäftige ich mich mit der Untersuchung von Gesteinen, Erzen und Sedimenten.
Während der Explorationsausfahrt INDEX-2016 werden mit dem Tauchroboter „Victor“ gezielt Gesteine, Erze und Sedimente aus verschiedenen Teilen des deutschen Lizenzgebietes genommen. Dies geschieht sowohl in aktiven und inaktiven Bereichen des Hydrothermalfeldes, als auch in dessen näherer Umgebung. Die erste Bearbeitung findet direkt an Bord statt.

Für eine bessere Untersuchung werden hierfür die Gesteins- und Erzproben von Frau Simone Sturm gesägt und dokumentiert.
Die anschließende geologische und mineralogische Beschreibung an Bord liefert erste Erkenntnisse über die Erze und Gesteine und verhilft direkt bei der weiteren Exploration.
Die weitere detaillierte geologische und mineralogische Untersuchung findet dann überwiegend im Anschluss an die Explorationsausfahrt in den Laboren der BGR statt.
Mithilfe verschiedener Analysemethoden werden hierfür Informationen über Anreicherungen von Metallen wie Kupfer, Zink und Blei und weiteren wertvollen Spurenelementen gewonnen. Zu diesen Analysegeräten gehört auch die Elektronenstrahlmikrosonde, mit der im Mikrometerbereich Daten über die Verteilung von Spurenelementen gewonnen werden. Seit wenigen Monaten ist die BGR im Besitz einer hochmodernen Elektronenstrahlmikrosonde, die in ihrer Konfiguration weltweit einzigartig ist.

In Zusammenarbeit mit Herrn Christian Wöhrl wird an der BGR diese entsprechende Arbeit durchgeführt. Neben der Elektronenstrahlmikrosonde werden außerdem diverse weitere Untersuchungsmethoden an den Gesteinen, Erzen und Sedimenten angewendet, welche sowohl Erkenntnisse über Umweltbedingungen, als auch über Metallgehalte der Erze und die geologische Entstehung der Vulkanite liefern.
Die gezielte Beprobung von Gesteinen, Erzen und Sedimenten während der Explorationsausfahrt trägt somit wesentlich zu unserem Verständnis von lagerstättenbildenden Prozessen und der zeitlichen Entwicklung von Hydrothermalsystemen bei und ermöglicht somit Aussagen über Metallanreicherungen und einer ökonomischen Nutzbarkeit der Erzvorkommen zu treffen. Zusätzlich verhelfen die gewonnenen Erkenntnisse die Entstehung von ähnlichen Lagerstättentypen an Land besser zu verstehen.

Quelle: BGR

Hans-Peter Damian

Ich arbeite für das Umweltbundesamt im Fachgebiet Meeresschutz. Im Rahmen meiner Tätigkeiten in diesem Fachgebiet beschäftige ich mich auch mit den Umweltauswirkungen eines (möglichen) zukünftigen Tiefseebergbaus.

Das Umweltbundesamt war am Verfahren zur Beantragung einer Lizenz über die Erkundung des Meeresbodens nach Erzvorkommen im Indischen Ozean beteiligt. Dieses Verfahren wurde von der antragstellenden Behörde, der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, sehr transparent durchgeführt. Der BGR ist es ein wichtiges Anliegen, diese Transparenz auch während der Explorationsdauer beizubehalten. Daraus entstand der Gedanke, einem Mitarbeiter des Umweltbundesamtes die Möglichkeit zu geben, an einer der Explorationsfahrten in den Indischen Ozean teilzunehmen.

Ich erhalte an Bord Gelegenheit die faszinierende Welt der Hydrothermalfelder auf vielfältige Weise kennenzulernen. Die Entstehungsgeschichte der Felder ist dabei ebenso beeindruckend wie die Ökologie, die Formenvielfalt und die Schönheit der sie bewohnenden Lebewesen.

(v. l. n. r.) Wilhelm Weinrebe (GEOMAR), Kai Schumann (BGR) und Ralf Freitag (BGR) Quelle: BGR

Wie werden Informationen über den Meeresboden gesammelt?
Die Oberflächenstrukturen des Meeresbodens werden in bathymetrischen Karten dargestellt. Zur Erstellung dieser Karten werden Fächerecholote eingesetzt. Diese sind in den Schiffsrumpf eingelassen und erzeugen akustische Signale. In einem gerichteten Schallfächer breiten sich akustische Wellen bis zum Meeresboden aus und werden zum Schiff zurück reflektiert. Ein Empfänger, der ebenfalls im Schiffsrumpf eingelassen ist, misst die Laufzeit der Schallwellen zum Meeresboden und zurück. Je nach Wassertiefe kann ein mehrere Kilometer breiter Streifen des Meeresbodens abgebildet werden. Da nur akustische Wellen in der Lage sind, den Wasserkörper in diesen Tiefen zu durchdringen, könnte man sagen, wir hören die Tiefe.

Was geschieht mit den Tiefeninformationen?
Um ein Gebiet genau kartieren zu können, werden mehrere Streifen zu einer Karte kombiniert. Dies geschieht mit spezieller Software, mit der die gewonnenen Echolotdaten bearbeitet werden können. Fehlerhafte Messwerte werden entfernt und als Ergebnis entstehen dreidimensionale Karten des Meeresbodens, die Grundlage für alle weiteren Arbeiten im Lizenzgebiet.
In einem Geoinformationssystem werden alle gewonnenen Ergebnisse der unterschiedlichen, zum Einsatz kommenden Methoden gesammelt und Geräteeinsätze werden im Detail dokumentiert. So entsteht eine umfassende Datenbank, die mit jeder Schiffsexpedition wächst und umfassendere Informationen enthält. Die gesammelten Daten können im Geoinformationssystem beliebig zusammengestellt, kombiniert und verschnitten werden. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen bei der Suche nach möglichen Explorationszielen. Für die Planung der Stationsarbeit sind detaillierte Karten unabdingbar. Zum Beispiel werden Höhenlinienkarten zur Orientierung bei Einsätzen des Tauchroboters benötigt. Piloten können auf den Karten abschätzen, auf welche Strukturen sie zufliegen. Wissenschaftler benötigen diese Karten für geologische Detailkartierung während der ROV-Tauchgänge. Die dadurch gewonnenen Informationen werden georeferenziert in der Datenbank abgelegt und helfen bei der strukturellen Interpretation der kartierten Gebiete, was zu einem besseren Verständnis der Geologie führt und somit auch zum Auffinden von Hydrothermalfeldern. Diese umfangreiche Datenbank findet nicht nur bei der Fahrtplanung Anwendung, sondern dient der BGR zur Auswertung der Fahrten und der durchgeführten Tätigkeiten sowie zur Berichterstattung, zum Beispiel gegenüber der Internationalen Meeresbodenbehörde (ISA).

Wer gehört zum Bathymetrieteam?
Wir arbeiten während der INDEX2016 Fahrt zu dritt.
Zum Team gehören:
Wilhelm Weinrebe, freiberuflicher Geophysiker aus Kiel. Wilhelm Weinrebe bringt durch seine langjährige Tätigkeit in der marinen Forschung viel Erfahrung ins Team. Während der Fahrt beschäftigt er sich hauptsächlich mit der Auswertung von sogenannten Wassersäulendaten. Wassersäulendaten werden ebenfalls mit Echoloten aufgenommen und zeigen Reflektionen in der Wassersäule. Diese können durch Plankton, Fischschwärme, aber auch größere Fische erzeugt werden. Mit der Auswertung dieser Daten können wir Fragen zu Umweltaspekten beantworten.

Ralf Freitag, Strukturgeologe bei der BGR. Ralf Freitag ist an Bord hauptsächlich mit der Bearbeitung der umfangreichen bathymetrischen Daten beschäftigt. Während dieser 4-wöchigen Ausfahrt werden enorme Datenmengen gesammelt die bearbeitet werden müssen. Fehlerhafte Daten können zum Teil mit Hilfe von Filtern bearbeitet werden. Da wir im INDEX-Projekt in einer Umgebung mit relativ viel Relief arbeiten und ganz besonders bei Detailkartierungen mit dem ROV auch einzelne Schwarze Raucher auf unseren Karten sehen möchten, müssen viele Daten manuell bereinigt werden. Dies verlangt ein geschultes Auge und viel Erfahrung.

Kai Schumann, Geologe bei der BGR, ist für die Pflege des Geoinformationssystems an Bord zuständig. Sämtliche Daten müssen an Bord direkt in das Geoinformationssystem eingepflegt werden, da viele Geräteeinsätze aufeinander aufbauen. Informationen müssen schnell dargestellt werden und für die Planung der nächsten Einsätze bereit stehen. Die Vor- und Nachbereitung von Geräteeinsätzen und die Verarbeitung im Geoinformationssystem verlangt eine sehr gute Kenntnis der entsprechenden Programme.