Mit detaillierten sedimentologischen und geochemischen Analysen sollen die kleinskaligen Klimaänderungen und ihre Auswirkung auf Sedimentexport analysiert werden. Neben Gezeiten und Hurricanes erzeugen die Passage von Kaltwasserfronten einen wichtigen Transportmechanismus für die Verfrachtung von Karbonatschlämmen von einer flachen Karbonatplattform in tiefere Hangbereiche. Die Anwendung von Magnesium-Thermometrie für die Berechnung von Paläo-Oberflächentemperaturen wird die klimatischen Rahmenbedingungen gut charakterisieren können. Das hier beantragte Vorhaben konzentriert sich auf die Auswertung von Sedimentmaterial, das im Rahmen der fünften Expedition des internationalen IMAGES Projektes im Juni in der Nähe der Großen Bahama Bank gewonnen wurde. Feinskalige sedimentologische und geochemische Profile sollen für das Holozän entlang eines 38 m langen Sedimentkernes erstellt werden. Damit sollen kurzfristige Variabilitäten in der Karbonatproduktion der Großen Bahama Bank in Bezug zu hochfrequenten Klimaänderungen gesetzt werden.
Glaziologische Studien (Geophysik, Geodaesie, Fliessmodelle) werden auf dem Colle Gnifetti (Monte Rosa, kalter Firn) und am Piz Corvatsch (Oberengadin, Permafrost) durchgefuehrt. Die Resultate dienen als Grundlage fuer die Analyse von Bohrkernen in Firn, Eis und Permafrost. Anhand dieser Bohrkerne wird die Geschichte der Atmosphaerenzusammensetzung (v.a. Luftverschmutzung) und der Grundwassercharakteristik vor der Zeit direkter Messungen rekonstruiert. Dabei geht es in erster Linie um Basiswerte aus der vorindustriellen Zeit. Die Glaziologie betrachtet in diesem Rahmen vor allem Einbettungsverhaeltnisse der gespeicherten Umweltinformation und die involvierten Zeitskalen.
Der Melvillesee ist ein Fjordsee, der sich in der letzten Eiszeit am Rande des hochdynamischen Laurentidischen Eisschildes (LIS) befand. Die obersten 10 m der insgesamt ca. 300-400 m Seesedimente haben die postglaziale Geschichte der letzten 10000 Jahre aufgezeichnet. In diesem dicken Sedimentpaket dürfte der See die Klimageschichte bis weit zurück vor das letzte Glazial gespeichert haben und würde sich daher als exzellentes Klimaarchiv anbieten. Um diesen Sachverhalt zu klären, wurde im Sommer 2019 eine Expedition mit dem FS Maria S. Merian (MSM84) unternommen. Während dieser Expedition wurden Sedimentkerne gezogen sowie ein dichtes Netz von hydroakustischen Messungen durchgeführt. Anhang der Sedimentkerne und der Sedimentecholot-Daten kann man fünf verschiedene Schichten im Untergrund des Sees erkennen: (I) post-glaziale Sedimente; (II) Sedimente aus der Zeit des Eisrückzuges; (III) Sedimente, die mit großer Wahrscheinlichkeit in einem subglazialen See unterhalb des aufschwimmenden LIS abgelagert wurden. Darunter finden sich (IV) wiederum schön geschichtete Sedimente, die aus einem früheren eisfreien Zeitraum stammen dürften, vermutlich MIS5, MIS4 oder die erste Hälfte des MIS3. Als unterste Schichte ist das Grundgestein (V) zu erkennen. Unsere Sedimentkerne enthalten Sedimente aus I und II sowie aus dem obersten Bereich von III. Im Rahmen dieses Projektes schlagen wir vor, die post-glazialen Sedimente sowie diejenige vom Rückzug des LIS genauer zu untersuchen, um daran Paläoklimaschwankungen sowie die Rückzugsgeschichte des LIS zu rekonstruieren. In einem zweiten Schritt möchten wir auch die Sedimente analysieren, die vom subglazialen See zu stammen, um diesen besser zu charakterisieren und um zu testen, ob auch diese Sedimente Klimaschwankungen aufgezeichnet haben. Um diese Fragen zu beantworten, werden wir die Sedimentkerne zuerst mit zerstörungsfreien Methoden wie CT-Scanning, Multisensor-Core-Logging und XRF-Scanning untersuchen. Danach werden ausgewählte Kernabschnitte beprobt. Mit Hilfe von Radiokarbondatierungen und paläomagnetischen Messungen werden wir ein Altersmodell erstellen können. Mit einer Kombination der zerstörungsfreien Messungen mit Einzelprobenmessungen (TIC, TOC, Korngröße, XRD, WD-XRF) werden wir die in den Kernen enthaltene paläoklimatologische Information entschlüsseln. Hierbei werden wir einen Schwerpunkt auf die Entwicklung von Proxies legen, die geeignet sind, die vergangenen Vorstöße und Rückzüge des LIS zu rekonstruieren. Falls wir zeigen können, dass die Sedimente des Melvillesees tatsächlich ein Archiv für Klimageschichte auch jenseits des Holozäns sind, dann empfiehlt sich der See als ein Hauptziel einer zukünftigen amphibischen Tiefbohrung von IODP und ICDP. Diese würde mit dem Ziel abgeteuft, die Dynamik des LIS zu rekonstruieren.
Der 200-km große Chicxulub-Einschlagskrater in Yucatán, Mexiko, wurde im Rahmen der IODP-ICDP Expedition 364 erbohrt. Die Bohrung hat zum ersten Mal eine zentrale Ringstruktur (Peak Ring) erfasst, welche ein gebirgiger Ring ist, der in großen Impaktstrukturen auftritt und sich innerhalb des Kraterrands über die Topographie des Kraterbodens erhebt. Dieser Antrag befasst sich mit zwei Hauptfragen, die im Rahmen der Expedition 364 gestellt wurden: 1) Welche Eigenschaften und Bildungsmechanismen sind für Peak Rings wichtig? 2) Wie werden Gesteine während großer Impakte entfestig, um dabei den Kollaps und die Bildung relativ weiter, flacher Krater zu ermöglichen?In Bezug auf die erste Frage gibt es zwei konkurrierende Modelle der Peak Ring-Bildung: i) Ein konzeptionelles geologisches Modell, das auf geologische und fernerkundliche Beobachtungen des Mondes und anderer planetarer Körper fußt, und die Rolle eines großen Anteils an Impaktschmelze für die Peak Ring-Bildung betont, und ii) ein numerisches Modell, das Hydrocode-Simulationen einsetzt, um die Peak Ring-Bildung zu berechnen. Die zwei Modelle prognostizieren deutlich unterschiedliche kinematische Pfade und strukturelle Deformationsmerkmale in den Peak Rings, und eine Voruntersuchung der Kerne von Expedition 364 zeigt, dass diese Merkmale grundsätzlich vorhanden sind. Wir werden die Kerne mit quantitativen mikro- und makrostrukturellen Methoden untersuchen, um die Deformationsgeschichte des Peak Rings zu entschlüsseln und damit Grundsatzdaten liefern, die diese Modelle bestätigen.Die zweite Frage spricht die Problematik der vorübergehenden Schwächung des Targets an, die für die Kraterbildung nötig ist, und ein fortwährendes Problem der Kratermechanik darstellt. Drei Modelle liegen vor: 1) Akustische Fluidisierung sieht die Reduktion der Reibung durch seismische Erschütterungen vor. 2) Thermal Softening postuliert eine Erhitzung durch Stoßwellen und plastische Verformung. 3) Strain Rate Weakening/Frictional Melting setzt z.B. eine lokale Herabsetzung der Reibung durch Schmelzen voraus. Die Bohrkerne ermöglichen es uns, die Relevanz der drei Modelle einzuschätzen. Wir werden die die Kerne auf spezifische mikrostrukturelle Merkmale untersuchen, um zwischen den Schwächungsmechanismen zu unterscheiden. Zudem wird die Entfestigung durch Impaktschädigung mittels mechanischer Versuche im Labor untersucht. Wir werden die Bedeutung der ratenabhängigen Spröddeformation auswerten als ein Prozess, der durch Pulverisierung die Gesteinsfestigkeit beeinflusst.Unsere makro- und mikrostrukturellen Analysen werden wir zu einem kinematischen Modell für den Chicxulub-Peak Ring zusammenführen. Als Beitrag zu einem vertieften Verständnis der Peak Ring-Bildung im Sonnensystem kann dies zu einer verbesserten Interpretation von Fernerkundungsstudien an großen Kratern führen. Potentiell werden hierdurch auch die speziellen Prozesse des Chicxulub-Impakts besser verstanden, die das K-Pg Aussterbeereignis auslösten.
Unser grundlegendes Verständnis über die Entwicklung physikalischer Prozesse, die während der ein- und mehrphasigen Strömung in zerklüfteten porösen Medien ablaufen, ist für die Wissenschaft von großer Bedeutung. Im Hinblick auf die praktischen Auswirkungen bedeutet es verbesserte Anwendungen in den Bereichen unterirdischer Hydrologie, Geophysik, Reservoir Engineering und Biomechanik. Während niedrige Geschwindigkeiten im Bereich von Kriechströmungen am besten durch die Darcy-Gleichung beschrieben werden, muss man für deutlich höhere Geschwindigkeiten Terme höherer Ordnung zusätzlich berücksichtigen, wie von Forchheimer vorgeschlagen. Es gibt eine große Anzahl von Arbeiten über das reine Kriechströmungs- und das rein turbulente Strömungsregime, aber nicht für den Bereich dazwischen, d.h. für das „weak-inertia“ Regime. In Anbetracht dieses Mangels an experimentellen Beweisen wollen wir genau für diesen Bereich Fließfelder in Systemen zunehmender Komplexität von 2D bis 3D räumlich hochaufgelöst abbilden. Zunächst untersuchen wir 2D-Micromodelle mit einem einzelnen Kanal, einer sich wiederholenden Kanal-Poren-Einheit und einem 2D-Riß mit rauen Porenoberflächen. Diese Micromodelle erlauben die Kombination der 2D Mikro-Partikel-Imaging-Velocimetry (micro-PIV) mit 3D flusssensitiver Magnetresonanztomographie (MRT). Um die Auflösungen beider Methoden anzupassen, werden mit der MRT auch ortsaufgelöste Propagatoren bestimmt, die eine Auflösung der Geschwindigkeitsfelder innerhalb eines Voxels erlauben. Sie dienen dann als Proxys für Geschwindigkeitsfelder und können auf 3D- und undurchsichtige Systeme angewendet werden. In einem zweiten Schritt untersuchen wir das erste 3D-System, einen homogenen porösen Glaszylinder. Bei kleinen Geschwindigkeiten erwartet man „bulk“-Effekte durch alle Poren im Sinne der Darcy-Beziehung. Steigen die Reynoldszahlen an, bilden sich immer größere Strömungsschatten kombiniert mit gestreckten Fließpfaden aus. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse werden nun im 2. Hauptteil des Projekts für die Untersuchung von Bohrkernen mit Rissen genutzt. Um die Strömung zu untersuchen, wird ein natürlicher Gesteinskern vertikal gefrackt, eine Technik, die an der Universität Stuttgart nun zur Verfügung steht. In Bezug auf die MRT wird die Verwendung einer multi-slice Pulssequenz mit bipolaren Gradientenpaaren notwendig. Der Unterschied zu den bisher untersuchten Modellsystemen besteht darin, dass die Strömung durch Wasseraustausch zwischen Porensystem und Riß kontrolliert wird. Es ist daher zu erwarten, daß sich beim Übergang vom Darcy- zum „weak-inertia“ Regime präferentielle Fließmuster neben stationären Bereichen entwickeln. Diese experimentell gewonnenen 3D-Fließfelder stehen dann zur Verfügung, um theoretische Ansätze wie die Forchheimer-Relation auf ihre Gültigkeit und ihre Grenzen zu prüfen und weiter zu entwickeln.
Die kürzlich beendete IODP Exp. 385 (Guaymas Basin Tectonics and Biosphere, Sept.-Nov. 2019) bohrte acht Stellen im Guaymas Basin, einem jungen Rift Becken im Golf von Kalifornien, das sich durch aktiven Vulkanismus und hohe Ablagerungsraten von organisch reichen Sedimente auszeichnet, bedingt durch die hohe Primärproduktivität im darüber liegenden Wasser, sowie dem starken Eintrag von terrigenen Sedimenten. Die Expedition erbohrte Kerne mit organisch reichen Sedimenten die von vulkanischen Sills unterbrochen werden. Die Mikrobiologie war eines der zentralen Forschungsthemen dieser Expedition. Ein großer Probensatz zur Quantifizierung von Sulfatreduktionsraten, dem quantitativ wichtigsten Elektronenakzeptorprozess in marinen Sedimenten, wurde gesammelt und befindet sich nun am GFZ. Das vorgeschlagene ThermoSill-Projekt wird sich zunächst auf die allgemeinen Eigenschaften der mikrobiellen Sulfatreduktion in diesen Kernen sowie auf die Auswirkungen von Druck und Temperatur konzentrieren. Die Bohrkerne wiesen sehr unterschiedliche geothermische Gradienten von 200 bis über 800 Grad C / km auf, und die an Bord gemessenen geochemischen Daten weisen bereits auf eine große Vielfalt biogeochemischer Prozesse hin. In Tiefseesedimenten, insbesondere solchen, die solche in großer Sedimenttiefe und daher hoher in-situ Temperatur, sind organische Substrate wie kurzkettige organische Säuren im Allgemeinen ein begrenzender Faktor. Da die Sedimente im Guaymas-Becken hydrothermal beeinflusst werden, liefert die thermogene Aufspaltung von makromolekularen organischen Substanzen im Sediment reichlich mikrobielle Substrate. ThermoSill wird untersuchen, ob dieses große Angebot an Substraten zu einem bevorzugten Abbau bestimmter Substrate führt und damit wird damit einen Beitrag zum Verständnis der Prozesse an der oberen Temperaturgrenze des Lebens liefern. Besonderes Augenmerk wird auf die anaerobe Oxidation von Methan gelegt. Im letzten Teil des Projekts wird das Eindringen von Sills in Sedimente und der damit einhergehende Temperaturanstieg im umgebenden Sediment durch Heizexperimente simuliert. Diese Experimente werden von Pyrolyseexperimenten und kinetischen Modellen begleitet, um zu testen, ob eine solche kurzzeitige Erwärmung die mikrobielle Gemeinschaft über geologische Zeitskalen hinweg beeinflussen kann. Das vorgeschlagene Projekt ist direkt relevant für die Ziele der Expedition. Es ist auch eine Ergänzung zu einem laufenden Projekt, das die Auswirkungen von Druck und Temperatur auf die mikrobielle Sulfatreduktion in nicht hydrothermal beeinflussten Sedimenten aus dem Nankai-Trog (IODP. Exp. 370) untersucht.
Die atlantische meridionale Zirkulation (AMOC) ist wesentlicher Bestandteil der Wärmeflüsse im Klimasystem, deren Veränderung in Bezug auf den künftigen Klimawandel nur schwer vorherzusagen ist. In diesem Projekt richten wir unseren Blick in die Vergangenheit auf das Marine Isotopenstadium (MIS) 11, dass vor rund 410,000 Jahren mit ähnlichen Orbitalparametern zu einer rund 30,000 Jahre andauernden Warmzeit geführt hat. Ein großer Teil des Grönländischen Eisschilds war abgeschmolzen und folglich der Meeresspiegel deutlich gegenüber heute erhöht. Traditionelle Nährstoff-Spurenstoffe liefern Hinweise auf eine starke Tiefenwasserbildung zu dieser besonderen Warmzeit. Um die Herkunft der Wassermassen, deren Strömungswege sowie die Mischungsverhältnisse zu rekonstruieren, hat sich das Isotopenverhältnis 143Nd/144Nd in der authigenen Phase von Tiefseesedimenten als sehr nützlicher Spurenstoff erwiesen. Im Rahmen dieses Projekts, haben wir die Nd-Isotopie aus authigenen Fe-Mn Ablagerungen an zahlreichen ODP/IODP Sedimentkernen, für die Dauer des MIS-11 und der vorangegangenen Eiszeit MIS-12 extrahiert. Im Atlantik ist eine deutliche Zunahme weniger radiogenen Neodyms meßbar, die wahrscheinlich eine stärkere Tiefenwasserbildung selbst in Zeiten einen verstärkten Eisverlustes in Grönland aufweist. Die untersuchten Sedimente bilden den gesamten tiefen Atlantik von Nord nach Süd ab, sowie einige Regionen mit direktem regionalen Einfluß auf die Nd-Isotopie. Neben einer starken Tiefenzirkulation während MIS-11 konnte auch ein wichtiger Beitrag von Wasser aus der Arktis (nahe der Island-Schottland-Schwelle), sowie ein langanhaltender Einfluss von Wasser der Labrador See nachgewiesen werden. Im tiefen Westatlantik sind über den gesamten Zeitraum des Interglazials sehr unradiogenen Nd Isotopenwerte vorzufinden. In diesem Fortsetzungsprojekt, möchten wir die zeitliche Auflösung der Nd-Isotopenuntersuchungen einiger Sedimentkerne aus der Labradorsee und dem Kapbecken verbessern und die Publikation der Ergebnisse mit Fokus auf den Vergleich von MIS-11 und einem zukünftig wärmeren Klima vorantreiben und bewerten.
Laboruntersuchungen der Bohrkerne des Tiefbohrprogramms der NAGRA in der NE Schweiz im Hinblick auf die Lagerung von hochradioaktiven Abfaellen.
In Folge des globalen Klimawandels hat sich die Meereisdecke in der Arktis dramatisch verändert. Im derzeitigen Zustand spielt die arktische Eisdecke eine wichtige Rolle; so schirmt sie das Oberflächenwasser, die sogenannte arktische Halokline (Salzgehaltsschichtung), von der Erwärmung durch die sommerliche Sonneneinstrahlung ab. Zudem wird die Halokline durch die Salze, welches beim Gefrierprozess des Meerwassers aus der Kristallstruktur austritt, gebildet und stabilisiert. Gleichzeitig wirkt die Halokline als Barriere zwischen der Eisdecke und dem darunter liegenden warmen atlantischen Wasser und trägt so zum Erhalt der arktischen Meereisdecke bei. Dieses Gleichgewicht ist nun durch die insgesamt wesentlich dünnere arktische Meereisdecke und ihre verringerte sommerliche Ausdehnung gestört. Im Meerwasser sind zudem Gase und biogeochemisch wichtige Spurenstoffen enthalten. Diese werden durch die Gefrierprozesse eingeschlossen, beeinflusst und wieder ausgestoßen. So beeinflusst die Meereisdecke die Gas- und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre, Eis und oberer Wasserschicht. Durch die Eisbewegung findet außerdem ein Transport statt z.B. in der sogenannten Transpolarendrift von den sibirischen Schelfgebieten, über den Nordpol, südwärts bis ins europäische Nordmeer. Nun wird mit den weitreichenden Veränderungen des globalen und arktischen Klimawandels bereits von der „neuen Arktis“ gesprochen, da angenommen wird, dass sich die Arktis bereits in einem neuen Funktionsmodus befindet. Dabei ist jedoch weitgehend unbekannt wie dieses neue System funktioniert, sich weiterentwickelt und wie sich dies auf die Eisbildungsprozesse und damit die Stabilität der Halokline und die damit verbundenen Gas- und Stoffflüsse auswirkt. Für solche Untersuchungen werden über den Jahresverlauf Proben der oberen Wassersäule und der Eisdecke benötigt. Ermöglicht wird dies durch die wissenschaftliche Initiative MOSAiC. Mithilfe der stabilen Isotope des Wassers (?18O und ?D) aus dem Eis und der Wassersäule kann Rückschlüsse auf die Herkunftswässer und den Gefrierprozess gezogen werden und diese Ergebnisse sollen in direkten Zusammenhang mit Gas- und biogeochemischen Stoffuntersuchungen (aus Partnerprojekten) gesetzt werden. Dabei können z.B. Stürme, Schmelzprozesse, Schneebedeckung, Teichbildung und Alterungseffekte des Eises eine Rolle spielen. Untersucht wird parallel die Veränderung der Wassersäule welche z.B. durch Wärmetransport, wiederum die Eisdecke beeinflussen kann.Diese prozessorientierten Untersuchungen der saisonalen Eisbildungsprozesse in Eis und Wassersäule der zentralen Arktis, werden einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Stabilität der arktischen Halokline und der arktischen Gas- und Stoffflüsse liefern. Da sich die Gase und Stoffe nicht-konservativ verhalten, während die Isotope im Gefrierprozess konservativ sind, erwarten wir aus der Diskrepanz wiederum wichtige Informationen z. B. über wiederholtes Einfrieren von Süßwasserbeimengungen ableiten zu können.
Durch die Klimaerwärmung der letzten Jahrzehnte hat sich der Eismassenverlust des Antarktischen Eisschildes (AIS) verstärkt. Das ist gesellschaftlich relevant, da der globale Meeresspiegel in naher Zukunft substantiell ansteigen könnte. Eine Reihe wissenschaftlicher Disziplinen versuchen daher den Istzustand des AIS besser zu verstehen, um fundierte Prognosen für die Zukunft liefern zu können. Im Projekt AIS-DIS würden wir gerne die Dynamik des AIS für Schlüsselzeiträume der Vergangenheit besser verstehen, damit Modelle kalibriert und künftige Vorhersagen verbessert werden können. Wir werden unsere Studien auf den letzten glazialen Zyklus konzentrieren, und zwar speziell auf die Terminationen 1 und 2, da der Eismassenverlust während dieser natürlichen Klimaerwärmungen am größten war. Unsere Untersuchen sollen sich auf die sog. Iceberg Alley konzentrieren. Es handelt sich dabei um ein einzigartiges Portal durch das die meisten Eisberge, die von der Antarktis abbrechen, hindurchdriften und dann über unseren Kernstationen abschmelzen. Deswegen ist dies die einzige Region, in der ein repräsentatives und integriertes Signal des Antarktischen Eismassenverlustes durch die Zeit hinweg gewonnen werden kann. Während der IODP Expedition 382 werden zum ersten mal lange Bohrkerne aus der Iceberg Alley entnommen. Wir möchten gerne die oberen 80-120 m an vier Kernstationen innerhalb des Scotia-Meeres untersuchen (zwei aus dem Pirie-Becken und zwei aus dem Dove-Becken). Unser Ziel ist es, Zeitpunkt, Geschwindigkeit und Ausmaß der Eismassenverlustes zu entschlüsseln. Das soll hauptsächlich dadurch erreicht werden, dass Eisberg transportiertes Material (IBRD) analysiert wird - grobkörnige Sedimentpartikel, die im Eisberg eingeschlossen sind, beim Schmelzen losgelassen werden, und schließlich im Sediment des tiefen Ozeans abgelagert und archiviert werden. Zunächst werden wir jüngst dokumentierte Staub-Klima Kopplungen implementieren und zwar durch die Korrelation von magnetischer Suszeptibilität, Ca und Fe zu Staubanzeigern antarktischer Eiskerne. Dadurch sollen hochauflösende Altersmodelle für die letzten ca. 140 ka etabliert werden. Anzeiger für IBRD sollen anhand von 2D-Radiographien, Korngrößenanalysen und XRF-Scandaten gewonnen werden. Um unsere Ergebnisse in einen größeren paläoklimatischen Kontext zu stellen, wollen wir weiterhin die sog. Fourier Transformierte Infrarot Spektroskopie sowie Farbreflexionsmessungen (L*a*b*) einsetzen. Durch die Zusammenarbeit mit weiteren Wissenschaftlern der IODP Expedition 382 sollen unabhängige Altersangaben anhand von Aschen und der Relativen Paläointensität geliefert werden sowie die Herkunft des IBRD mittels geochemischem Fingerabdruck entschlüsselt werden. Die Resultate des Projektes AIS-DIS sollen weiterhin in Eis-, Ozean-, und Klimamodelle implementiert, und die Ergebnisse als gemeinsame Leistung in hochangesehenen Journalen publiziert werden.
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