Selbst in tiefen Sedimentschichten unter z.T. mehreren Kilometern mächtiger Sedimentbedeckung finden sich noch aktive Mikroorganismen. Mit zunehmender Tiefe steigt die Temperatur im Untergrund an und überschreitet irgendwann die Grenze bis zu welcher Leben möglich ist. Die bisher festgestellte Temperaturobergrenze von Leben auf der Erde wurden an Mikroorganismen von hydrothermalen Systemen, sogenannten Schwarzen Rauchern gemessen und liegt bei ca. 120 Grad C. In Sedimenten hingegen liegt die Grenze deutlich niedriger. Messdaten aus Ölfeldern deuten auf eine Grenze von ca. 80 Grad C hin. Diese Diskrepanz zwischen hydrothermalen und sedimentären Systemen wurde dadurch erklärt, dass die Mikroorganismen in Sedimenten nicht genügend Energie gewinnen können um die bei hohen Temperaturen verstärkt notwendigen Reparaturen ihrer Zellbestandteile wie DNA und Proteinen durchzuführen. Interessanterweise lässt sich metabolische Aktivität bei extrem hohen Temperaturen nur dann nachweisen, wenn die Experimente unter hohem Druck stattfinden. IODP Expedition 370 wurde spezifisch zur Klärung der Frage nach dem Temperaturlimit von Leben in sedimentären Systemen durchgeführt. Im Nankai Graben vor der Küste Japans herrscht ein recht hoher geothermischer Gradient von ca. 100 Grad C/km, d.h. das gesamte Temperaturspektrum in dem Leben möglich ist erstreckt sich über ein Tiefeninterval von etwas mehr als einem Kilometer. Durch modernste Bohr- und Labortechniken war es möglich, Proben von höchster Qualität zu gewinnen, welche garantiert frei von Kontamination sind. Die Expedition hat einen stark interdisziplinären Charakter, so dass eine Vielzahl von biologischen und chemischen Parameter gemessen wurde, welche eine detaillierte Charakterisierung des Sediments erlauben. Das beantragte Projekt ist ein wichtiger Teil der Expedition, da Sulfatreduktion der quantitativ wichtigste anaerobe Prozess für den Abbau von organischem Material im Meeresboden ist. Im Rahmen einer MSc Arbeit wurden bereits erste Messungen durchgeführt. Diese konnten zeigen das Sulfatreduktion über die gesamte Kernlänge messbar ist, wenn auch z.T. mit extrem geringen Raten. Im Rahmen des beantragten Projekts sollen weitere Messungen durchgeführt werden, unter anderem auch unter hohem Druck. Dazu soll ein Hochdruck Temperatur-Gradientenblock gebaut und betrieben werden. Neben Sedimenten von IODP Exp. 370 sollen weitere Experimente mit hydrothermal beeinflusstem Sediment aus dem Guaymas Becken durchgeführt werden. Ein Vergleich zwischen diesen beiden Sedimenten soll weitere Einblicke in einen der wichtigsten biologischen Prozesse im Meeresboden liefern und ein besseres Verständnis über die Grenzen von Leben im allgemeinen.
Dieses Projekt konzentriert sich auf die Quellen und Raten atmosphärischer Deposition, sowie die Art und Kinetik von Phasenübergängen. Nitrate und Sulfate sind Ziele für die Bestimmung ihrer Quellen und Ablagerungsraten. Die wasserhaltigen und wasserfreien Polymorphe von Calciumsulfat sind das Hauptziel, um Phasenbeziehungen (als Funktion der Temperatur und der Wassermobilität) und die Kinetik der Transformation (Lösung/Fällung, Phasentransformation) zu untersuchen. Oberflächenelemente und untiefe Bodenelemente (Polygone, Krusten, Knollen, Keile) deuten auf die weit verbreitete, klimabedingte Transformationen von Sulfaten hin, die es zu untersuchen gilt.
Nichtmischbare Sulfidschmelzen sind in der ozeanischen Kruste als magmatische Sulfide erhalten und zeichnen die Entwicklung von S und chalkophilen Elementen im magmatischen System auf. Neuste Ergebnisse zeigen systematische Unterschiede in deren Mineralogie und Chemie zwischen konvergenten und divergenten Plattengrenzen, die Prozesse die hierfür verantwortlich sind, sowie deren Einfluss auf die Verteilung chalkophiler Elemente sind jedoch weitestgehend unbekannt. Faktoren die die Löslichkeit von S in Silikatschmelzen kontrollieren beinhalten: (1) Temperatur, (2) Druck, (3) Sauerstofffugazität und (4) Fraktionierungsgrad. Die Bedingungen bei der Aufschmelzung des oberen Mantels und der Differentiation von Magmen in der Kruste unterscheiden sich zwischen Mittelozeanischen Rücken und Subduktionszonen, der Einfluss dieser Prozesse auf die Verteilung von S, Metallen und Halbmetallen in Magmen ist jedoch schlecht verstanden. Diese Prozesse kontrollieren die Entwicklung und den Kreislauf von S und chalkophilen Elementen in der ozeanischen Lithosphäre, die Zusammensetzung hydrothermaler Sulfide am Meeresboden, die Bildung der kontinentalen Kruste, die Zusammensetzung von vulkanischen Gasen und möglicherweise von epithermal-porphyrischen Lagerstätten.Diese Fragen sollen im Rahmen des Projekts bearbeitet werden, indem der magmatische Fluss von Metallen und Halbmetallen (z.B. Co, Ni, Cu, Se, Ag, Te, PGE, Au, Bi) durch die ozeanische Lithosphäre an Mittelozeanischen Rücken und ozeanischen Subduktionszonen untersucht wird. Neuste Methoden ermöglichen es die Spurenelementgehalte in magmatischen Sulfiden aus allen Abschnitten der ozeanischen Lithosphäre erstmals aus einer globalen Perspektive und unter Berücksichtigung des plattentektonischen Milieus und der zeitlichen Entwicklung des Systems zu messen. Proben die die initiale Phase ozeanischer Spreizung beim Zerbrechen eines Kontinents, sowie heutige vulkanische Aktivität an Mittelozeanischen Rücken dokumentierend ermöglichen es zusammen mit einer Abfolge von den jüngsten Laven am Meeresboden zu den ältesten am Übergang zu den Sheeted Dykes, die zeitliche Entwicklung des magmatischen Systems in hoher Auflösung zu untersuchen. Hierfür ist eine kontinuierliche Beprobung vom oberen Lithosphärenmantel bis in die oberste Kruste notwendig, was nur mit Bohrkernen aus DSPD, ODP und IODP Expeditionen möglich ist. Wir haben entsprechende Bohrkerne identifiziert und zusammen mit Proben vom Meeresboden und aus alter ozeanischer Lithosphäre (z.B. Troodos Ophiolith) kann ein vollständiges Spektrum von Perdiotiten des oberen Mantels, Grabbros der unteren Kruste, Sheeted Dykes und Laven basaltischer bis rhyolitischer Zusammensetzung untersucht werden. Magmatische Sulfide sind in vielen dieser Proben bekannt. Durch diesen Ansatz können erstmals Modelle entwickelt werden die den magmatischen Kreislauf chalkophiler Spurenelemente durch die gesamte ozeanische Lithosphäre an konvergenten und divergenten Plattengrenzen abbilden.
Da trotz zahlreicher historischer Berichte über zerstörerische Tsunamis(Seebebenwellen) im Mittelmeergebiet bis auf kleine Schotterreste des durch Instrumentenbeobachtungen abgesicherten Amorgostsunamis von 1956 bisher keine auch nur annähernd vollständige Analyse der sedimentologischen und geomorphologischen Folgen eines solchen Ereignisses großer Augenblicksleistung vorliegt, sollen die neu entdeckten Ablagerungen und Formen im Westen Zyperns diesbezüglich beispielhaft dokumentiert werden. Reichweite des Wellen-run up, Transportkapazität und Qualität und Quantität der geomorphologischen Wirksamkeit im Vergleich zu ständig aktiven küstenmorphologischen Prozessen sind zu erfassen. Neben der Suche nach absolut datierbarem Material wie begrabenen Boden- und Vegetationsresten oder aufgeworfenen Mollusken und Trottoirbruchstücken sollen auch die nachträglichen Verwitterungs- und sonstigen Umbildungsprozesse wie Überformung durch Tafonierung und Verkarstung, Bodenbildung und Verschüttung vom Hang bzw. junge Formenbildung an durch das Wellenereignis veränderten Kliffen oder Stränden bei der Identifizierung des Alters der Tsunami mit einbezogen werden.
Taiwan besteht im östlichen Teil aus einem Gebirge mit mehr als 20 über 3000 m hohen Gebirgsstöcken, gipfelnd am Wendekreis im Yu Shan (3952 m). TANAKO und KANO (1934) und PANZER (1935) beschrieben glazigene Formen: u.a. Kare am Nanhuta Shan, Kritzungen, Rundhöcker und einen glazialen Talschluß am Hsueh Shan, eine Seitenmoräne am Yu Shan. Interpretationen von Luftbildern, luftbildgestützten Karten und topographischen Karten dienten der Auswahl dreier Untersuchungsgebiete, in denen die aktuelle hydrologische Situation den Erhalt glazialer Formen und Sedimente ermöglicht. Glazigene Ablagerungen und deren maximale Ausdehnung sind bisher nicht durch Feldarbeiten untersucht. Die geplanten Geländearbeiten dienen Erkundung und Kartierung von glazialen und glaziafluvialen Sedimenten, fossilen Böden sowie von gletschergeformten Gesteinsoberflächen. Die Feldbefunde und dabei gewonnene Proben sollen Aufschluß über die Ergiebigkeit der Untersuchungsgebiete im Hinblick auf Datierungsmöglichkeiten geben. Das Projekt ist ein Pilotprojekt für mögliche weitere, gezielte Arbeiten, die der Rekonstruktion der jungpleistozänen Schneegrenze und der Zeitstellung der Talgletscherbildung dienen. Der Beitrag bildet einen Mosaikstein in der Forschung über die Klimaentwicklung im monsunalen System Ostasiens.
Exp. 370 diente der Erforschung des oberen Temperaturlimits der Tiefen Biosphäre vor dem Kap Muroto im Nankai Graben vor Japan. Dieser Standort ist charakterisiert durch einen extrem hohen Wärmefluss und sehr hohe Temperaturen, die an der Grenzfläche des Sediments zur Kruste bis zu 120 Grad C erreichen können. Dies entspricht der Maximaltemperatur bei der Leben bisher im Labor nachgewiesen wurde. Dieser Temperaturbereich umfasst ebenfalls den Bereich in dem Katagenese stattfindet, der thermische Zerfall von organischem Material zu flüssigen und flüchtigen Kohlenwasserstoffen. Es wird vermutet, dass dieses durch Katagenese gebildete labile und sauerstoffreiche oxidierte organische Material eine direkte Nahrungsquelle für die Mikrobengemeinschaften in diesen Sedimenten ist und somit eine direkte Kopplung der abiotischen und biotischen Zone darstellt. Die Hauptfragen in diesem Projekt sind: Welche und wieviele Mikroorganismen befinden sich in den Sedimenten nahe des Temperaturmaximums mikrobiellen Lebens? Bis in welche Tiefe, und können diese nachgewiesen werden? Wie ist mikrobielles Leben an diese extremen Bedingungen angepasst? Welche bioverfügbaren Verbindungen werden bei erhöhten Temperaturen aus dem organischen Material freigesetzt und inwieweit stellen diese eine Verknüpfung der tiefen Geo- und Biosphäre im Nankai Graben dar? Hierfür wird ein umfassender geochemischer Ansatz vorgeschlagen, der zum einen das Erstellen von Tiefenprofilen molekularer Lebenssignaturen vorsieht und zum anderen diese mit einer detaillierten Charakterisierung von löslichem und unlöslichem organischen Material (Kerogen) verknüpft. Diagnostische Biomoleküle wie z.B. intakte polare Membranlipide und Chinone werden hierbei mittels ultra-sensitiven massenspektrometrischen Methoden identifiziert und quantifiziert. Qualität und Bioverfügbarkeit des organischen Materials bei erhöhten Temperaturen soll mit einer Kombination aus Elementaranalyse und massenspektrometrischen, spektroskopischen und pyrolytischen Methoden untersucht werden. Zusätzlich wird die Bildung von potentiellen organische Substrate für die Mikrobengemeinschaften mittels wässriger Pyrolyse in Laborversuchen getestet. Diese Arbeiten stehen im direkten Bezug zu fundamentalen Fragen der Erforschung der Tiefen Biosphäre und versprechen wichtige Einblicke in Hinblick auf die Verteilung von tief versenktem Leben und der Faktoren welche dessen Ausbreitung limitiert.
Dieses Projekt trägt zu Forschungsfragen der IODP Expedition 370: T-Limit of the Deep Biosphere off Muroto bei. Die Temperatur an Site C0023 (Nankai Trog, Japan) steigt bis 1.2 km Tiefe auf ca. 120 Grad C an - das Maximum dessen, was potentiell von Mikroorganismen toleriert werden kann. Nährstoffarme tiefe Sedimente werden wahrscheinlich bei 80-90 Grad C sterilisiert. Ziel der Expedition war es, herauszufinden, wie und gesteuert durch welche Faktoren sich die Mikroorganismen-Vergesellschaftung mit der Tiefe ändert und wo Leben erlischt. Teil des wissenschaftlichen Programms ist die Untersuchung mikrobiell nutzbarer Substrate und eindeutiger geochemischer und mikrobieller Signaturen, die eine Identifizierung von biotischem und abiotischem Bereich bzw. dessen Übergang ermöglichen. Es wurden hochauflösende und präzise Porenwasserdaten gewonnen, die Reaktionsfronten, potentielle mikrobielle Aktivität und hydrothermale Überprägung anzeigen. Ein Teil der Sedimente ist Methan- und Sulfat-frei. Mikrobielle Aktivität hängt also von anderen Elektonenakzeptoren als Sulfat ab. Aktuelle Studien zeigen, dass die klassische Redoxkaskade durch Fe- und Mn-Reduktion in methanführenden Sedimenten ergänzt werden muss und, dass biogeochemische Prozesse in natürlichen Systemen stärker durch Mineralogie als durch eine strikte Abfolge von Reaktionen, die sich aus theoretischen Berechnungen ergibt, bestimmt sind. Fe(III)-Reduktion ist eine der ältesten Formen der mikrobiellen Respiration. Eisenreduzierer können unter hohen T- und Druckbedingungen wachsen, was nahelegt, dass diese einen Großteil der tiefen Biosphäre ausmachen. Fe- und Mn wird in Sedimenten von Lokation C0023 freigesetzt. Durch sequentielle Extraktionen soll aufgezeigt werden, welche Fe- und Mn-Phasen als Elektronenakzeptoren verfügbar sind und wie stark primäre Minerale diagenetisch überprägt wurden. Von besonderem Interesse sind Aschelagen, die an anderer Stelle bereits als Hotspots für mikrobielles Leben identifiziert wurden. Diese sind zahlreich in C0023 Sedimenten und typischerweise reich an Fe und Mn. Mikrobielle Fe-Reduktion führt zu einer Anreicherung von 54Fe im Porenwasser und sich daraus bildenden authigenen Mineralen (z.B. Siderit, Magnetit). Dementgegen führen abiotische Reaktionen mit Sulfid zu einer Anreicherung von 56Fe in der gelösten Phase. Stabile Fe-Isotope von gelöstem Fe2+ und reaktivem Fe in der Festphase sollen genutzt werden, um biologische und abiotische Fe-Reduktion zu unterscheiden. Die d56Fe Signatur wird an Karbonat-gebundenem Fe, der Ferrihydrit+Lepidkrokit-Fraktion, Goethit+Hämatit sowie Magnetit gemessen. Weiterhin soll das Ausmaß der Sulfidisierung, die Auswirkungen auf die Interpretation von Daten zu magnetischen Eigenschaften hat, durch sequentielle Extraktion von Fe-Monosulfiden und Pyrit erfasst werden. Ziel des Projekts ist es, die Rolle von Eisenoxiden für mikrobielle Respiration und entsprechende diagenetische Alterationen in tiefen Sedimenten von Site C0023 zu erfa
Shallow groundwater of the huge deltaic systems of Asia like the Red River Delta in Vietnam is often enriched in inorganic arsenic (As), threatening the health of millions of residents. The massive abstraction of groundwater in these areas locally causes an irreversible mixing of arsenic-free groundwater resources with arsenic-rich groundwater. Increased concentrations of competitive anions, especially phosphate (PO43-), decrease the immobilization capacity of the sediments. During transport, the mobility of dissolved As in local aquifers is strongly influenced by adsorption to sedimentary and ubiquitously occurring iron(oxyhydr)oxides. Additionally, arsenic-rich groundwater is often enriched in reduced iron (Fe2+) as well, which is capable to react with iron(oxyhydr)oxides, thereby inducing mineral transformations. Such transformations permanently affect the arsenic adsorption and immobilization capacity of the sediments.Within the scope of this research project, the underlying mechanisms related to As transport and the resulting threat to arsenic-free groundwater resources will be characterized in cooperation with the Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag). The research concept aims at assessing the complex interactions within the arsenic-iron-phosphate-system under field conditions at a study site next to the Red River. First, filtration experiments using local groundwater enriched in As and PO43- will be used to determine the As adsorption capacity of different and previously geochemically characterized iron(oxyhydr)oxides. In a second step, sample carrier containing As loaded iron(oxyhydr)oxides will be introduced into surface near aquifer parts of the study site (via existing groundwater monitoring wells). These samples will be exposed to local groundwater characterized by increased As, Fe2+ and PO43- concentrations for the following nine months. Using the in situ exposition of predefined iron(oxyhydr)oxides, it will be possible to distinguish potential mineral transformations and their influences on the As immobilization capacity of the respective iron(oxyhydr)oxides. By combining the results and outcomes of the field experiments, new and important conclusions regarding the mobility of As can be drawn. The data can be used to create a hydrochemical transport model describing reactive As transport within the investigation area. In addition, the results of the in situ exposition experiments will allow to draw conclusions in respective to the long term As immobilization capacity of different iron(oxyhydr)oxides, which is an essential information regarding in situ decontamination techniques.
Die Entstehung und das Wachstum der Archaischen Kerne von Kontinenten und die zeitliche und örtliche Entwicklung von Prozessen im subkratonischen Erdmantel und der darüber liegenden Kruste sind wichtige Eckpfeiler zum Verständnis der Stabilisierung von langlebigen kontinentalen Blöcken durch einen auftriebsfähigen Erdmantel. In einem vorherrschenden Modell wird der subkratonische Erdmantel als Restit von partiellem Schmelzen bei niedrigem Druck betrachtet, der durch Subduktion in Granatperidotit umgewandelt wurde. Eklogite und Granatperidotite des subkontinantalen lithosphärischen Mantels sind dementsprechend die subduzierten Schmelzprodukte. Um die Zeitlichkeit der partiellen Schmelzprozesse und von Wiederanreicherungsprozessen des Erdmantels unterhalb des Kaapvaalkratons einzugrenzen, haben wir bereits früher einzelne Körner von harzburgitischen, subkalzischen Granaten analysiert. Damit erhielten wir das Alter von definierten Ereignissen, die mit krustalen Ereignissen übereinstimmen und kein Kontinuum, wie es von Re Os Modellaltern angezeigt wird. Eklogite und Granatpyroxenite werden wie Peridotitxenolithe ebenfalls von Kimberliten durch die Archaische Kruste an die Erdoberfläche gefördert. Sie sind wegen ihrer möglichen sehr unterschiedlichen Entstehung und möglicher späteren Überprägungen sehr heterogen. Quälende Fragen sind die Art der Protolithe, deren Alter und das Alter der Eklogitisierung und der Bezug zu den Peridotiten. Wir fanden durch unsere Untersuchungen von Eklogiten und Granatpyroxeniten von Bellsbank (Kaapvaalkraton), dass eine Anzahl davon chemisch fast nicht modifizierte Teile subduzierter ozeanischer Kruste darstellen (= fast unveränderte Schmelz-zusammensetzungen, Plagioklas- und Klinopyroxenreiche Kumulate). Deren rekonstruierte Gesamtgesteinszusammensetzungen bilden eine Aufreihung in einem Lu Hf Isochronendiagramm. Drei Proben ergeben ein Alter von 4.12 +- 0.06 Ga mit eHfi = 3 (+-7), d.h. dem Verhältnis des Erdmantels zu dieser Zeit. Ein so hohes Alter findet man bisher nicht in der Kruste oder als Re Modellverarmungs-alter im Erdmantel. Lu Hf Modellalter von Granaten sind Minimumalter. Sie ergeben aber bereits Alter bis zu 3,5 Mrd. Jahre, was die hohen Alter bestätigt. Wir wollen unsere Arbeiten an subkalzischen Granaten auf weitere Lokalitäten des Kaapvaalkratons ausdehnen, um die detaillierte Geschichte des subkratonischen Erdmantels weiter zu erforschen, d.h. die Unterscheidung verschiedener Schmelz-regime, deren Zeitlichkeit und die Zeit der Modifikation des Erdmantels durch Metasomatose. Ein zweites Ziel ist die Verifizierung der 4.1 Mrd. Jahre Eklogitisochrone mit weiteren Proben aus Bellsbank. Wenn sie sich als richtig erweist, würde sie das höchste Alter darstellen, das jemals von einer Eklogitserie erhalten wurde. Dies hätte großen Einfluss auf Modelle zur Entstehung hadäischer Kruste und ihrer Erhaltung im lithosphärischen Erdmantel.
Die magmatische Entwicklung von ozeanischen Inselbögen und ihre mögliche Bedeutung für das Verständnis von Subduktions-Initiierung sind momentan Schwerpunkte des IODP mit den Bohrfahrten 350, 351 und 352 im Izu-Bonin-Mariana (IBM) Inselbogen, forearc und rear-arc. Die meisten Modelle zur Subduktions-Initiierung basieren auf Untersuchungen am IBM, aber es ist nicht klar, ob diese auch für andere ozeanische Inselbögen gelten. Der New Hebrides Inselbogen (NHIA) ist einer der jüngsten der Erde und entstand durch Subduktions-Initiierung vor etwa 15 Millionen Jahren, als die Kollision des Ontong Java Plateaus einen Umschwung der Subduktionsrichtung erzwang. Das ODP Leg 134 erbohrte sieben Kerne mit Längen bis 1100 m im forearc und backarc des NHIA und förderte viele magmatische Gesteine und Aschenlagen mit vulkanischen Gläsern mit Altern bis in das mittlere Miozän. In diesem Projekt wollen wir die alten Proben mit modernen Methoden neu analysieren, um die magmatische Entwicklung des NHIA zu untersuchen und mit der des IBM zu vergleichen. Dazu wollen wir auch weitere bisher schlecht untersuchte submarine Proben analysieren und mit Geländearbeiten auf den Inseln des zentralen NHIA die Magmenbildung im Verlauf der Zeit bis mindestens 20 Ma definieren. Diese neuen Daten werden auch Einblicke in den Effekt der Subduktion des d'Entrecasteaux Rückens auf die Magmenbildung des NHIA geben, die vor etwa 2 Ma begann. Diese Untersuchungen sind wichtig für das globale Verständnis von Subduktionsprozessen und der damit einhergehenden Magmenbildung im Erdmantel.
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| Förderprogramm | 585 |
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| Keine | 142 |
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