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(Table DR1) Abundance of benthonic foraminifera in sediments from ODP Hole 113-690

A mass extinction of deep-sea benthic foraminifera has been documented globally, coeval with the negative carbon isotope excursion (CIE) at the Paleocene-Eocene boundary, which was probably caused by dissociation of methane hydrate. A detailed record of benthic foraminiferal faunal change over ~30 k.y. across the carbon isotopic excursion at the Ocean Drilling Program Site 690 (Southern Ocean) shows that shortly before the CIE absolute benthic foraminiferal abundance at that site started to increase. 'Doomed species' began to decrease in abundance at the CIE by a few thousand years. After the extinction faunas were dominated by small species, which resemble opportunistic taxa under high-productivity regions in the present oceans. Calcareous nannofossils (primary producers), however, show a transition to more oligotrophic nannofloras exactly where the benthic faunas show the opposite. Plankton and benthos is thus decoupled. Possibly, a larger fraction of food particles reached the seafloor after the CIE, so that food for benthos increased although productivity declined. Enhanced organic preservation might have resulted from low-oxygen conditions caused by oxidation of methane. Alternatively, and speculatively, there was a food-source at the ocean floor. Benthic foraminifera dominating the post-extinction fauna resemble living species that symbiotically use chemosynthetic bacteria at cold seeps. During increased, diffuse methane escape from hydrates, sulfate-reducing bacteria could have produced sulfide used by chemosynthetic bacteria, which in turn were used by the benthic foraminifera, causing extinction by a change in food supply.

Benthic foraminifera abundance in ODP Leg 155 holes

The general Pleistocene architecture of the Amazon Fan has been reconstructed using sediment recovered by Ocean Drilling Program Leg 155. Huge regional mass-transport deposits (MTDs) make up a significant component of the Amazon Fan. These deposits each cover an area over 15,000 km**2 (approximately the size of Jamaica), reach a maximum thickness of 200 m, and consist of ~5000 Gt of sediment. Benthic foraminiferal fauna analysis and sedimentology indicate that the MTDs originated on the continental slope, which is at least 200 km laterally and 1500 m above their present position. Each mass-failure event was formed by the catastrophic failure of the continental slope and has been dated and correlated with climate-induced changes in sea level. Studies of the benthic foraminiferal assemblages in the Amazon Fan has been essential to our reconstruction of the origin and cause of these failures. The MTDs contain rare shelf (Quinqueloculina cf. stalkeri, Brizalina aenariensis, Q. lamarckiana, and Pseudononion atlanticum) and dominant upper-middle bathyal species (cassidulinids and buliminids). We conclude that the MTD originated between 200 and 600 m water depth, approximately the same zone in which gas hydrates occur. We suggest that the glacial MTDs referred to as Deep Eastern MTD (35–37 ka) and Unit R MTD (41–45 ka) correlate with rapid drops in sea level which destabilized continental slope gas-hydrate reservoirs causing catastrophic slope failure. An alternative explanation is required for the deglacial MTDs referred to as Western and Eastern Debris Flows (13–14 ka) which occurred as sea level rose rapidly during the Bølling-Allerød period. We suggest that the deglaciation of the Andes and the consequent enhanced sediment supply coupled with a shift of the depo-centre to the continental shelf, caused over-burdening and thus slope failure. Evidence for a 2 per mil negative d13C shift in both planktonic foraminifera and organic matter coeval with these failures suggest that whatever the cause, there was a large release of methane hydrate associated with each failure.

M3: Zukunftweisendes Sonar-Monitoring von klimaschädlichem Methan an Gasemissionen des Meeresbodens - Ein Beitrag zum Verständnis globalen Wandels, Phase 2

Raman spectroscopic data from dissociation behavior of sI CH4 hydrates, sII CH4-C3H8 hydrates and multicomponent mixed gas hydrates in terms of thermal stimulation

Natural gas hydrates are non-stoichiometric crystalline compounds containing water and guest molecules such as CH4, C2H6, C3H8, CO2, etc. They are considered as a promising energy resource, a potential geohazard and a contributor to global climate warming. An accurate knowledge of the dissociation behavior of gas hydrates is a necessity for the recovery of natural gas hydrates and the assessment of potential risks of CH4 release from destabilized deposits. To explore the dissociation behavior of gas hydrates, Raman spectroscopy is regarded as a non-destructive and powerful tool. This technique enables to distinguish between guest molecules in the free gas or liquid phase, encased into a clathrate cavity or dissolved in an aqueous phase, therefore providing time-resolved information about the conditions of the guest molecules during the hydrate dissociation process. Experiments were carried out at the Micro-Raman Spectroscopy Laboratory, GFZ. Since the dissociation kinetics of sI hydrates may vary from that of sII hydrates, sI CH4 hydrates, sII binary hydrates and sII multicomponent mixed hydrates were investigated during the experiments. For the in situ Raman measurements, hydrates were synthesized in a high-pressure cell from pure water and the specific continuous gas flow which was the CH4-C3H8 gas mixture for binary hydrates and CH4-C2H6-C3H8-CO2 gas mixture for mixed hydrate system. The p-T condition of the experiment was initially set at 274 K and 7.0 MPa for the sI hydrates whereas 278 K and 3.0 MPa for sII hydrate systems. After the stabilization of the hydrates in the reactor, the temperature of the system was increased one step at a time to mimic global warming and initiate hydrate dissociation. In situ Raman spectroscopic measurements and microscopic observations were applied to record changes in hydrate compositions over the whole dissociation period until the hydrate phase was completely decomposed. Apart from this, hydrates were formed from ice powders and the specific gas/gas mixtures in batch pressure vessels for several weeks. Gas hydrates were recovered and placed into a Linkam cooling stage for further ex situ Raman spectroscopic measurements. Again, the temperature of the stage gradually increased from 168 K onwards to study the dissociation process. In all three hydrate systems, one in situ Raman measurements and at least two repetitions of ex situ Raman measurements (3 repetitions for the CH4 hydrate system) were carried out, therefore resulting in 10 separate experimental tests. This dataset encompasses raw Raman spectra of the 10 experimental tests (4 tests for CH4 hydrates, 3 tests for CH4-C3H8 hydrates and 3 for mixed gas hydrates) which contained Raman shifts and the respective measured intensities. Each Raman spectrum was fitted to Gauss/Lorentz function after an appropriate background correction to estimate the band areas and positions (Raman shift). The Raman band areas were then corrected with wavelength-independent cross-sections factors for each specific component. The concentration of each guest molecule in the hydrate phase was given as mol% in separate spreadsheets for three different hydrate systems as. Further details on the analytical setup, experimental procedures and composition calculation are provided in the following sections.

M3: Zukunftsweisendes Sonar-Monitoring von klimaschädlichem Methan an Gasemissionen des Meeresbodens - Ein Beitrag zum Verständnis globalen Wandels

Methan wirkt als starkes Treibhausgas, wenn es in die Atmosphäre gelangt. In den vergangenen Jahren wurden an vielen Kontinentalrändern weltweit submarine Methanquellen am Meeresboden mit Methanhydratabbau in den Sedimenten aufgrund von Temperaturerhöhungen in Zusammenhang gebracht. Ziel des Vorhabens ist es, das Wechselspiel von Gasblasenaustritten und Vorkommen von Gashydraten in einer Schlüsselregion, dem Hydratrücken nordwestlich der USA zu verstehen und die Menge an austretenden Gas zu bestimmen. Dazu sollen Sonar-Systeme sowie eine Kamera und eine CTD (Messung von Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff) am Meeresboden installiert und an das NSF finanzierte Tiefseekabelnetzwerk, der Ocean Observatory Initiative (OOI) angeschlossen werden. Damit sind langfristige Methanemissionsmessungen auf dem südlichen Hydratrücken erstmals möglich und werden hier vorgeschlagen. Gesamtziel des Vorhabens ist es, mittels modernster Sonarsysteme die Veränderungen der Gasblasenaustritte in Echtzeit zu dokumentieren und die Menge an austretenden Methan abzuschätzen. Das Projekt ist eine technologische Innovation und bindet sich ein in ein weltweit einmaliges Vorhaben, die Veränderungen in der Tiefsee mittels verkabelter Observatorien kontinuierlich zu beobachten. Es ist geplant zwei Sonarsysteme am Meeresboden zu installieren, um die Gasblasenaustritte am Hydratrücken kontinuierlich zu registrieren und zu quantifizieren. Die hochwertigen Geräte müssen in Rahmenkonstruktionen integriert und mit elektronischen Zusatzkomponenten für die Einbindung in das OOI Tiefseenetzwerk versehen werden. Die Geräte werden mit Hilfe eines Tauchroboters am Meeresboden installiert und in das Tiefseenetzwerk eingebunden, damit ist die kontinuierliche Messung in Echtzeit möglich. Weiterhin soll eine Visualisierung der Sonardaten in Echtzeit im Internet realisiert werden. Die kontinuierlichen Messungen am Meeresboden werden ergänzt durch Begleituntersuchungen im Rahmen von Schiffsexpeditionen.

SO 241 - MAKS: Magmatisch-induzierter Kohlenstoffaustritt aus marinen Sedimenten als Klimaeinfluss - Guayamas Becken, Golf von Kalifornien

In der geologischen Vergangenheit kam es immer wieder zum Austritt großer Mengen Kohlenstoffes aus dem Erdsystem hinein in die Atmosphäre. So hat zum Beispiel der Austritt von etwa 2000 Gt Kohlenstoff während des Paleozän-Eozän-Thermischen Maximums (PETM) dazu geführt, dass sich das globale Klima um etwa 8 Grad Celsius im Laufe von wenigen zehntausend Jahren erwärmt hat. Um robuste Modelle für die weitere Entwicklung des Erdklimas zu erstellen, ist es von grundlegender Bedeutung herauszufinden, welche Prozesse diesen Kohlenstoffaustritt hervorgerufen haben. Hierzu möchten wir mit dem Forschungsschiff Sonne während einer 31-tägigen Reise die weltweit einzig bekannte Gegend untersuchen, in der magmatische Ganggesteine in Riftsedimente eindringen, die reich an organischem Material sind. Dies ist im Guaymas Becken im Golf von Kalifornien der Fall. Wir schlagen vor, die hier auftretenden Gänge dreidimensional zu kartieren, um ihre Größe und Mächtigkeit zu bestimmen und zu analysieren, wie der Kohlenstoff zum Meeresboden gelangt. Ferner wollen wir geochemisch untersuchen, wieviel Kohlenstoff in Abhängigkeit vom Ganggesteinsvolumen austritt. Hinzukommend wollen wir abschätzen, wie lange der Kohlenstoff hier schon austritt und inwieweit, z.B. aufgrund von Hydrothermalsystemen, sich das Guaymas Becken als analog für den Nordostatlantik zur Zeit des Paleozän-Eozän-Thermischen Maximums eignet. Die Arbeiten können ideal in die zweite Phase des Ozean der Zukunft Exzellenzclusters eingebunden werden und in Zusammenarbeit mit drei internationalen Partnern durchgeführt. Über die Grundlagenforschung-Aspekte hinaus erwarten wir uns einen weitreichenden Erkenntnisgewinn, welche Folgen das Eindringen magmatischer Gänge auf das Petroleumpotential von Sedimentbecken hat. Durch dreidimensionale seismische Kartierung und Sedimentbeprobung soll das Kohlenstoffsystem während einer FS Sonne Reise untersucht werden.

SUGAR_III_A - Strategien und Techniken zur Förderung von Erdgas aus Methanhydrat-Lagerstätten, Teilprojekt 3: Erdgasproduktion aus Gashydraten; Vorhaben: Effektive Sandkontrolle in Gashydratlagerstätten und Welltesting - TUBAF FT

In Teilprojekt 3: Erdgasproduktion aus Gashydraten, sollen Erschließungs- und Produktionstechniken für marine Gashydratlagerstätten entwickelt werden. Dies soll am konkreten Beispiel der Gashydratvorkommen im Donau-Tiefseefächer erfolgen, da die in der 3. Projektphase geplanten Entwicklungen zum einen konkrete Spezifikationen der Gegebenheiten einer Lagerstätte erfordern und zum anderen der Donau-Tiefseefächer als Zielgebiet für den Feldtest im Rahmen eines Europäischen Projekts im Anschluss an die 3. Projektphase angedacht ist. Es soll gezeigt werden, dass die Erdgasgewinnung aus diesen Gashydrat-Lagerstätten nicht nur technisch machbar sondern auch wirtschaftlich umsetzbar ist. Das Teilprojekt gliedert sich in drei Arbeitspakete: AP1, AP2 und AP3. Das AP2.1a beschäftigt sich mit der Erstellung von technischen Konzepten für Sandkontrollmaßnahmen. Ziel sollte es dabei vordringlich sein, neue praxisorientierte Systeme zu entwickeln, die eine kommerzielle Anwendung der Sandkontrolle beim Gashydrat ermöglichen. In AP2.1b wird gezielt ein optimales und geeignetes Förderhilfsmittel unter unterschiedlichen Bedingungen ausgesucht. In AP3.1 werden Welltest Modelle ermittelt und erweitert und letztendlich eine Auswertungssoftware entwickelt. In AP3.2 werden Wirtschaftlichkeitsberechnung zum Produktionsszenario durchgeführt.

SUGAR_III_A - Strategien und Techniken zur Förderung von Erdgas aus Methanhydrat-Lagerstätten, Teilprojekt 3: Erdgasproduktion aus Gashydraten; Vorhaben: Prüfanlage zur Analyse geomechanischer Prozesse bei der industriellen Entnahme von Methanhydraten

Prinzipielles Ziel ist die Entwicklung eines Triaxialsystems zur Analyse von Gashydratkernen unter in situ Bedingungen mittels hochauflösender Mikro-CT. Mit diesem System wird es erstmals möglich sein, Proben unter hohem Druck (hier 400 bar), Reservoir-Temperaturen (hier 0°C) im Mikrometerbereich zu analysieren. Im ersten Schritt des Projektes wird die prinzipielle Auslegung des Systems festgelegt. Dazu gehören die Dimensionierung der mechanischen, elektromechanischen und hydraulischen Komponenten, die Anpassung des innenliegenden Injektionssystems, als auch die daraus resultierende Konstruktion des CT-Systems. In diesen Zeitraum fällt auch die Entwicklung der Composite-Zelle, des Transfersystems (Corsyde), des Injektionssystems und der neuartigen CO2-Gas-/Fluidpumpe. Zu Beginn des Projektes sind CT-Testmessungen und Simulationen an Proben geplant, die eine ähnliche Struktur/Chemismus haben wie ein Hydratsystem, z.B. Sand/Eiswassergemische, um die prinzipielle Auslegung von Röntgenquelle und -detektor zu ermitteln. Aufgrund dieser Versuche und Simulationen wird das Setup und Design der Anlage in Abhängigkeit von den vorgegebenen Dimensionen des Triaxialsystems ermittelt. Anschließend muss ein Zeitraum von 4-8 Monaten für die Lieferung der Röntgenquelle und des Detektors eingeplant werden, in dem auch die Kinematik zur Führung des CT-Systems geplant und konstruiert wird. Nach der Planung der Gesamtkonstruktion des Triaxialsystems fällt eine mehrmonatige Phase der Fertigung der Einzelkomponenten an, an die eine je 4 wöchige Montage- und Testphase angeschlossen. In der Optimierungsphase werden die einzelnen Komponenten auf die speziellen Anforderungen in diesem Projekt angepasst. Die mögliche Dekomposition der Probe während des Versuchsablaufs erfordert eine Optimierung von mechanischen und elektromechanischen Komponenten, der Steuerungssoftware als auch des CT-Systems. Diese Phase wird in enger Kooperation mit dem GEOMAR durchgeführt.

SUGAR_III_A - Strategien und Techniken zur Förderung von Erdgas aus Methanhydrat-Lagerstätten, Teilprojekt 4: Technologien und Strategien zur Umweltüberwachung; Vorhaben: Umweltbeobachtungssystem-COUBS

Ziel von Teilprojekt 4 im Rahmen von SUGAR-III ist die Entwicklung und der Test von Technologien und Strategien zur Umweltüberwachung für Gashydratexplorationsbohrungen und Gashydratförderung. Hierzu gehören einerseits schiffsbasierte Methoden (fächerecholotgestützte Gasblasenerkennung, kamerageführte CTD) als auch stationäre Messsysteme zur Leckagefrüherkennung und Leckagequantifizierung. CONTROS ist im Rahmen von TP4 federführend an der Anpassung der kamerageführten CTD, der Optimierung der CO2 und CH4 Sensoren, der Entwicklung eines Sensorsystems zur Überwachung der Fördereinrichtungen am Meeresboden und dem Aufbau eines stationären System zur Quantifizierung von Gasaustrittstellen beteiligt. Außerdem wird CONTROS eine Software aufbauen, die in der Lage sein wird, alle Sensordaten aller umweltrelevanten Sensoren aufzunehmen und in einer Datenbank abzulegen. Gleichzeitig werden die Daten online ausgewertet um eventuelle Leckageverdachtsstellen, basierend auf Daten aus der fächerecholotbasierten Blasenerkennung, in Echtzeit anzeigen und, basierend auf eventuell bereits existierenden historischen Daten, als bereits identifiziert einordnen zu können. Eine nachträgliche Analyse der Daten (zum Beispiel nach Bergung des Landersystems und Einspeisung der Daten in die Software) ist ebenfalls Bestandteils des Programms. Im Rahmen von COUBS werden zwei Arbeitspakete (AP 2-1 & AP 3-1) von Anfang bis Ende Parallel bearbeitet, da diese inhaltlich voneinander nicht abhängen. Auch die Entwicklung der Sensorpakete und des Landers (inklusive Messkette) sind nicht primär mit der Entwicklung Optimierung der pCO2 und CH4-Sensoren verknüpft da hier im Zweifelsfall die bereits bestehenden Sensoren verwendet werden können um die Systeme zumindest technisch aufzubauen und die jeweilige Firmware zu entwickeln.

SUGAR_III_A - Strategien und Techniken zur Förderung von Erdgas aus Methanhydrat-Lagerstätten, Teilprojekt 1: Geophysikalische Exploration und Datenauswertung; Vorhaben: Seismische Charakterisierung submariner Gashydrate durch Wellenforminversion

Die Wellenforminversion (engl. Full-Waveform-Inversion, FWI) ist eine neue Technologie, die den vollständigen Informationsgehalt seismischer Registrierungen nutzen kann. Es können mit dieser Technologie hochaufgelöste Multiparametermodelle der viskoelastischen Kenngrößen der durchschalten Sedimente rekonstruiert werden. Die am KIT erfolgreich erprobte FWI-Technologie wird im Rahmen von SUGAR auf die OBS-Daten der Ausfahrten MSM34&35 zur Charakterisierung der Gashydrate im SUGAR Feldlabor Donaudelta angewendet werden. Zur Generierung der Startmodelle und Randbedingungen für die FWI werden die Joint-Inversion von CSEM und Seismik sowie die Strukturmodelle der Reflexionsseismik einbezogen. Es kommen verschiedene FWI-Methoden mit zunehmender Komplexität zum Einsatz: a) die 2-D akustische FWI, b) die 2-D elastische FWI, c) die 2-D viskoelastische FWI und d) die 3-D akustische FWI. Das Potential einer kombinierten Inversion von P-Cable und OBS-Daten wird studiert und ggf. realisiert. Die mit der FWI rekonstruierten Multiparametermodelle der Wellengeschwindigkeiten von P- und S-Wellen, der Dämpfung sowie ggf. der Dichte ermöglichen eine weitergehende Reservoircharakterisierung, wie zum Beispiel die Abschätzung des Gasgehaltes sowie der Hydratsättigung im Bereich des BSSR. Die hochaufgelösten Geschwindigkeitsmodelle verbessern außerdem die Abbildung der sedimentären Strukturen im Messgebiet.

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