Das International Ocean Discovery Program (IODP) ist ein zehnjähriges globales Vorhaben zur Erkundung der Bereiche unter den Meeresböden durch Tiefbohrungen. Es hat im Oktober 2013 begonnen und baut auf früheren wissenschaftlichen Ozean-Bohrprogrammen, namentlich dem Deep Sea Drilling Project (DSDP, 1968 - 83), dem Ocean Drilling Program (ODP, 1983 - 2003) und dem Integrated Ocean Drilling Program (IODP, 2003 - 2013), auf. Die wissenschaftlichen Ziele des neuen Bohrprogramms sind im Wissenschaftsplan 'Illuminating Earth's Past Present and Future' zusammengefasst. Darin sind vier Forschungsschwerpunkte festgelegt, die ihrerseits in insgesamt 14 verschiedene wissenschaftliche 'Herausforderungen' unterteilt sind:1) 'Climate and Ocean Change': Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Herausforderungen ist es unser Verständnis für Änderungsraten und Ursachen globaler Klimaereignisse sowie deren Folgen zu verbessern. Die Erbohrung und Untersuchung von hochauflösenden Paläoklima-Archiven aus der Tiefsee erlauben Klimaänderungen und deren Rahmenbedingungen besser zu fassen und als Analogmodelle für den aktuellen Klimawandel sowie als Grundlage für numerische Modelle zur Vorhersage zukünftige Kimaänderungen heranzuziehen.2) 'Biosphere Frontiers': Eine weitere Herausforderung ist die Erforschung von Leben tief unterhalb des Meeresbodens, wo Mikroben isoliert von der photosynthetischen Welt an den Grenzbereichen theoretisch möglicher Lebensräume existieren. Die Erforschung dieser extremen Lebensräume erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf die Entstehung des Lebens auf der Erde, da zu dieser Zeit ähnlich extreme Bedingungen herrschten. Eine weitere wichtige Herausforderung im Rahmen dieses Schwerpunktes ist die Beziehung zwischen Biodiversität und schnellen Umweltveränderungen. Ihre Erforschung ermöglicht Vorhersagen, wie der derzeitige Umweltwandel die marine Biodiversität und die marinen Ökosysteme beeinflussen könnte.3) 'Earth Connections': In diesem Schwerpunkt wird auf die geochemischen Austauschprozesse zwischen der festen Erde, den Ozeanen und der Atmosphäre fokussiert. Eine wichtige Herausforderung sind Bohrungen in den Erdmantel. Dieses größte geochemische Reservoir der Erde ist immer noch weitgehend unerforscht. Weitere Herausforderungen sind unter anderem ein besseres Verständnis für die Produktion ozeanischer Kruste sowie die involvierten Alterationsprozesse voran zu treiben.4) 'Earth in Motion': Dieser Schwerpunkt fokussiert auf kurzfristige geodynamische Prozesse von unmittelbarer gesellschaftlicher Relevanz. Hierunter fallen z.B. Prozesse im Zusammenhang mit Erdbeben, Erdrutschen und Tsunamis. Ebenfalls unter diesen Schwerpunkt fallen Herausforderungen wie ein Verständnis für die Bildung und Stabilität von Gashydraten und das Potential für die Sequestierung großer Mengen Kohlendioxid in Gesteinen der Tiefsee sowie die Installation von Bohrlochobservatorien.
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.
Der Western Boundary Undercurrent (WBUC) ist eine kritische Komponente der globalen Umwälzzirkulation und wird durch Tiefenwasserbildung in der Grönland-, Labrador-, Island- und Norwegischen See angetrieben. Seismische Profile der Eirik Drift weisen auf eine hohe Variabilität der Geschwindigkeiten und Strömungspfade des WBUC seit dem frühen Miozän hin und geben Hinweise auf das Gebiet der Tiefenwasserbildung vom Miozän bis heute. Wir beabsichtigen die Mechanismen, welche in der Verschiebung der Gebiete der Tiefenwasserbildung und der Verschiebung der Strömungspfade des WBUC involviert sind, zu identifizieren. Korngrößen sind für ODP Leg 105 und die IODP Expedition 303 Sites U2305-2307 in der Eirik Drift verfügbar (iodp.tamu.edu). Die Unterscheidung in Ton (kleiner als 0.004 mm), Schlamm (0.004-0.063 mm) und Sand (mehr als 0.063 mm) ist ausreichend um Geschwindigkeiten des WBUC für verschiedene Zeitscheiben abzuleiten. Dreidimensionale Geschwindigkeiten und Sedimenttransporte werden mit dem Regional Ocean Modelling System (ROMS) simuliert. ROMS wird auf den Nordatlantik regionalisiert werden und dabei detaillierte Informationen über Gebiete der Tiefenwasserbildung und Ozeanzirkulation liefern. Seismische Profile aus der Eirik Drift (Uenzelmann-Neben (2013)) stellen Horizonttiefen, Schichtdicken und Position und Orientierung von Depozentren zur Verfügung. Diese sind in Kombination mit Korngrößen eine Validierungsmöglichkeit für den in ROMS modellierten Sedimenttransport. Durch den numerischen Ansatz ist es möglich, Prozesse hervorzuheben oder zu vernachlässigen. Hierdurch können Sensitivitätsstudien bezüglich des Einflusses sich verändernden Klimas und tektonischer Zustände auf die tiefe Ozeanzirkulation und den Sedimenttransport durchgeführt werden. Müller-Michaelis und Uenzelmann-Neben (2014) führten Variabilität im Sedimenttransport in der Eirik Drift auf Veränderungen in der Stärke und des Strömungspfades des WBUC zurück, welche durch unterschiedliche Gebiete der Tiefenwasserbildung hervorgerufen wurden. Diese Hypothese kann mit dem regionalen Model getestet werden und die klimatologischen Ursachen für die Veränderung der Gebiete der Tiefenwasserbildung können identifiziert werden. Der Strömungspfad des WBUC ist zusätzlich durch tektonische Veränderungen beeinflusst, z.B. die Subsidenz des Grönland-Schottland-Rückens oder der Schließung des Zentralamerikanischen Durchflusses. Der Einfluss tektonischer Veränderungen auf die Stärke und Strömungspfade des WBUC als auch auf Sedimentationsraten und Korngrößen wird in diesem Projekt betrachtet. Wir werden daher eine Verbindung zwischen Sedimentationsraten und Korngrößen, wie sie in den Bohrkernen von Sites 646 und U1305-1307 gemessen wurden, und klimatologisch und tektonisch hervorgerufener Änderungen der Geschwindigkeiten und Strömungspfade des WBUC herstellen.
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.
Während der IODP Expeditionen 372 und 375 wurden die Ursachen und Auswirkungen von 'Slow Slip' Erdbeben sowie große untermeerische Hangrutsche und assoziierte Gashydrate vor der Nordinsel Neuseeland untersucht. Sedimente bis in die Kreide welche eingeschaltete Tephralagen vom Miozän bis Holozän enthalten wurden erbohrt und beprobt. Die Bohrlokationen befinden sich im Pazifik, ca. 250 km in der Windrichtung der vulkanischen Taupo Zone (TVZ), einer der größten und am häufigsten aktiven silizischen Zentren der Welt, und befinden sich auch nahe der Coromandel Vulkanfront (CVZ) einem spärlich untersuchten Neogenen vulkanischen Inselbogen. Die Tephreninventare dieser intermediär entfernten Bohrlokationen stellen das fehlende Glied zwischen den proximalen Land- und sehr distalen ODP-Aufschlüssen dar, um eine nahezu komplette Eruptionshistorie für den Neuseeländischen explosiven Vulkanismus vom Miozän bis Holozän zu etablieren. Deshalb liegt der Fokus dieses Projektes auf den vulkanischen Produkten Neogener und Quartärer neuseeländischer explosiven Eruptionen. Tephraablagerungen der Expeditionen 372&375, ergänzt durch terrestrische Abalgerungen und Tephren in älteren und distaleren ODP Bohrlokationen ergeben die einmalige Gelegenheit die Geschichte des hochexplosiven Vulkanismuses beider Inselbogensysteme sowie ihrer Spuren in den marinen Sedimente über eine Zeitspanne von mindestens 12 Ma zu untersuchen und zu vergleichen. Um quantitative und qualitative Aussagen über die Herkunft und Eruptionsabfolge, einschließlich als Kryptotephren überlieferter kleinere Eruptionen, machen zu können werden geochemische, petrologische, sowie vulkanologische Herangehensweisen und Methoden angewendet. Vor allem die kritische Lücke nicht vorhandener Spurenelement-Zusammensetzungen in terrestrischen Vergleichsproben, als auch distaler mariner Tephren, wird geschlossen werden. Diese Daten werden durch absolute Alterdatierungen unterstützt um die existierenden Altersmodelle zu bestätigen. Stabile Altersmodelle sind wichtig um dann räumliche und zeitliche Veränderungen von Eruptionsprozessen, Magnituden und Frequenzen von großen Vulkaneruptionen beider Vulkansysteme, TVZ und CVZ, zu untersuchen. Schließlich werden die somit gewonnenen Zusammensetzungsdaten und die Eruptionsabfolgen dazu dienen um Fragen hinsichtlich der Widerkehrrate und Zyklizität in beiden Systemen zu beantworten und damit auch das erste Mal überhaupt eine Neogene Zweitserie diesbezüglich heranziehen. Die Daten werden es auch ermöglichen die zeitliche und räumliche Sedimentzusammensetzung am Kontentalhang und der hereinkommenden Platte in Bezug auf den vulkaniklastischen Eintrag hin zu charakterisieren und die Frage beantworten wie diese sich auf mechanische, kohäsive, und hydrogeologische Eigenschaften der Sedimente auswirken. Zusätzlich ermöglichen die Sedimentgeochemie und der Tephralagen, intakte gerutschte Sedimentblöcke wieder in ihre ursprüngliche stratigraphische Abfolge zurückzuordnen.
Der Anstieg des Meeresspiegels im Zuge des anthropogenen Klimawandels ist ein aktuelles Thema mit hoher gesellschaftlicher Relevanz. Um den künftigen Meeresspiegelanstieg zuverlässig prognostizieren zu können, ist es erforderlich, kurzfristige Meeresspiegelschwankungen, die dem Tempo des anthropogenen Klimawandels entsprechen, im Detail zu verstehen. Ebenso wichtig ist es, die grundlegenden Mechanismen hinter den niedriger-frequenten Meeresspiegelschwankungen zu verstehen, die den kurzfristigen Schwankung unterliegen. Solche Informationen können aus Intervallen der Erdgeschichte gewonnen werden, die der nahen Zukunft vergleichbare klimatische Rahmenbedingungen aufweisen. Vor diesem Hintergrund befasst sich dieses Projekt mit der Rekonstruktion kurzfristiger (auch für den aktuellen Klimawandel relevanten) Meeresspiegelschwankungen unter erdgeschichtlich wärmeren klimatischen Rahmenbedingungen. Der Untersuchungszeitraum umfasst das späte Pliozän bis frühe Pleistozän (3.35 bis 2.05 Mio Jahre, Marine Isotopenstadien MG1 bis 78), da dieser Zeitabschnitt alle klimatischen Rahmenbedingungen abdeckt, die für das Verständnis des fortschreitenden Klimawandels von Bedeutung sind. Verlässliche, quantitative Rekonstruktionen des Meeresspiegels sollen durch einen neuen, innovativen geochemischen Ansatz basierend auf Sauerstoffisotopen, Mg/Ca Verhältnissen und 'clumped isotopes' erzeugt werden. Hierzu werden Proben benthischer Foraminiferen aus dem östlichen äquatorialen Pazifik untersucht (ODP Site 849). Im Vergleich zur eher konventionellen Sauerstoffisotopen- und Mg/Ca-Methode macht dieser neue integrierte Ansatz einen weiteren notwendigen Schritt hin zu einer möglichst zuverlässigen Meeresspiegelrekonstruktion. Der vorgeschlagene Ansatz wird es erlauben, die Diskrepanzen aktuell verfügbarer Paläo-Meeresspiegelrekonstruktionen, die mehr als 500.000 Jahre zurückreichen, zu erklären. Darüber hinaus wird es durch die hohe zeitliche Auflösung erstmals möglich, die interne Struktur eines Glazials aus dem späten Pliozän/frühen Pleistozän mit der vergleichsweise gut verstandenen internen Anatomie spätpleistozäner Glaziale zu vergleichen.
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.
The changing composition of radiolarian faunas from late Neogene deep-sea sediments has been used in recent years as a proxy for changes in marine paleoproductivity. We examine radiolarian faunas, organic carbon content (TOC), opal and coarse-fraction components over the last 270,000 years in sediments from ODP Hole 1084A, drilled in a high productivity upwelling region within the Benguela Upwelling System off the west coast of Africa. Age control is provided by stable oxygen isotope measurements of benthic foraminifera. Prior research has established that late Pleistocene glacial intervals in this upwelling system generally had higher productivity than interglacials. The radiolarian WADE (water-depth ecology) paleoproductivity index correlates well with TOC and opal in these samples, and all three parameters change in synchrony with the benthic isotope curve over all but the MIS 5e–6 time interval. WADE inferred productivity is significantly higher in glacials than interglacials. We conclude that the WADE index is a useful proxy for paleoproductivity at this location, as are also opal and organic carbon accumulation rates. Carbonate and carbonate based indices such as the accumulation rate of benthic foraminifera (BFAR) by contrast do not correlate well either to productivity indices or to the glacial–interglacial cycle, and are interpreted to primarily reflect carbonate dissolution.
Hauptfragestellungen des IODP-Vorschlags 'Cenozoic climate, productivity, and sediment transport at the NW African continental margin' sind: i) das NW-Afrikanische Klima in einer wärmeren Welt und ii) die Reaktion hochproduktiver Ökosysteme auf andere Klimabedingungen als heute. Dazu sollen Sedimentkerne in sechs Gebieten vor NW-Afrika erbohrt werden. Eine zentrale Lokation für die Arbeiten liegt auf dem Kapverden Plateau in der Nähe der ODP-Bohrung 659. Für dieses Gebiet existieren jedoch keine modernen hochauflösenden seismischen Daten. Solche Daten werden im Rahmen der Meteor-Ausfahrt M155 im Zeitraum vom 26. Mai bis 30. Juni 2019 gesammelt. Hauptziel dieses DFG-Antrags ist die Bearbeitung und Interpretation der neuen seismischen Daten, um die Sedimente des Kapverden Plateaus seismisch-stratigraphisch einzuordnen. Die seismischen Untersuchungen zielen darauf ab, eine Lokation zu identifizieren, an dem das Plio-Pleistozän dünner und das Miozän mächtiger ist als in der ODP-Bohrung 659. Damit wäre es möglich mittels APC-XCB tiefer in das Miozän zu bohren, was von entscheidender Bedeutung für die Gewinnung von qualitativ hochwertigen Kernen für Paläoklimauntersuchungen ist.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 1074 |
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| Wissenschaft | 114 |
| Type | Count |
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| Daten und Messstellen | 105 |
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