Kalte Quellen im Golf von Mexiko

von Gerhard Bohrmann, Heiko Sahling und Fritz Abegg
Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen

Dieser Artikel erschien in der Broschüre "20 Jahre Fachbereich Geowissenschaften - Einblicke in die aktuelle Forschung", herausgegeben vom FB Geowissenschaften der Universität Bremen im Mai 2006.

Zusätzlich zu dem Wasser der Ozeane existieren große Wassermengen in den darunterliegenden Sedimenten und Krustengesteinen. Aufgrund unterschiedlicher geologischer Prozesse können die Fluide an Kalten Quellen, häufig als Cold Seeps oder Cold Vents bezeichnet, am Meeresboden austreten. Diese sind im Unterschied zu den Heißen Quellen der Hydro­ther­mal­systeme durch deutlich geringe Temperaturen gekennzeichnet. Während an Hydro­ther­mal­quellen der Mittelozeanischen Rücken Temperaturen von 100-400°C auftreten sind Fluide der Kalten Quellen nur durch geringe Temperaturerhöhungen von wenigen Grad über den Bodenwassertemperaturen charakterisiert. Auch sind die Austrittsgeschwindigkeiten an Cold Seeps deutlich geringer als an Hydro­thermalquellen. Trotzdem sind die Kalten Quellen für den Stoffhaushalt des Ozeans von globaler Bedeutung. Weiterhin sind die aktiven Fluid­aus­trittsstellen der Kalten Quellen in Wassertiefen von mehr als 300-400 m durch speziell angepasste Ökosysteme gekennzeichnet, die chemische Verbindungen mit Hilfe der Chemo­syn­these zum Leben nutzen. Die chemische Energie wird dabei entweder direkt aus den Kohlenwasserstoffen, wie z.B. Methan, von in Symbiose lebenden Bakterien gewonnen oder indirekt über die anaerobe Methan­oxidation in Form von Schwefelwasserstoff.

Der nördliche Golf von Mexiko

Der Golf von Mexiko ist nach den ersten Entdeckungen der Cold Seeps in den frühen 80iger Jahren des letzten Jahrhunderts zu einem der wichtigsten Untersuchungsgebiete aktiver Fluid­aus­trittstellen geworden. Er ist Teil eines Mittelmeeres, welches sich als Becken während der letzten 240 Millionen Jahre entwickelt hat, in dem mehr als 10 km mächtige Sedimente unterschiedlicher Fazies­räume abgelagert wurden. Mäch­tige juras­si­­sche Salzablagerungen entlang des nördlichen Kontinentalrandes und im Süden in der Campeche Bucht spielen aufgrund ihrer Halo­ki­nese und den damit verbundenen Kohlen­wasser­stoff­fallen eine wichtige Bedeutung für die Erdöl- und Erdgasgewinnung. Solche Salzstrukturen sind aus Texas und Louisiana an Land bekannt und reichen über den Schelf und einen sehr breiten und extrem flach einfallenden Kon­ti­nen­tal­hang bis an den Kontinentalfuß, wo die Salzabla­ge­rungen des nördlichen Golfs in einer Salz­kissenfront enden. An den Flanken der Salz­dia­pire und Salzwälle, sowie im Dachbereich treten Kohlenwasserstoffe in Form von Fluiden und Gasen entlang von Störungssystemen zum Meeresboden aus, wo sie aktive Seepgebiete nähren. Das am ältesten bekannte Seep im Golf von Mexiko ist Bush Hill im Pachtblock Green Canyon 185 welches u.a. durch seine gewaltigen Büschel von Bartwürmern (Vestimentifera) charakterisiert ist. Die Bartwürmer bilden neben den Muscheln die bedeutendsten Organismengrup­pen, welche mit chemo­auto­tro­phen Bakterien in Symbiose leben und so die reduzierten Fluide der Cold Seeps für ihren Stoffwechsel nutzen. Im nördlichen Golf sind heute etwa 50 Seeps aus Beobachtungen mit Tauch-Booten und -Robotern bekannt, wobei die Zahl der tatsächlich vorkommenden Seeps mindestens 10 mal so hoch liegt, wenn man die aus Satellitenbeobachtungen bekannten Ölteppiche zugrunde legt, die sich permanent auf der Wasseroberfläche nachweisen lassen. Solche natürlichen Ölteppiche entstehen aus Öltropfen, die sich vom Meeresboden lösen, durch das Wasser aufsteigen und auf der Meeresoberfläche durch eine hauchdünne Lage die Wasseroberfläche glätten, so dass ihr Auftreten und ihre Verdriftung auf Satelliten-Bildern auskartiert werden kann.

Links: Eiswurm Hesiocaeca methanicola (Fisher and MacDonald, 2000). Rechts: Eiswürmer im Gashydrat (Ian MacDonald, TAMU Corpus Christi)

Neben den Seep-spezifischen Organismen treten auch Mineralausfällungen auf, die unterschiedliche Formen von authigenen Festgesteinen bilden. Dies sind Karbonatformationen aus Aragonit und Magnesium-Calcit und hauptsächlich Baryt (Bariumsulfat), der in Form von Kaminen, Krusten und unregelmäßigen Ausfällungen auftritt. Der Austritt von freiem Gas an den Kalten Quellen sorgt auch dafür, dass massive Gashydrate, feste eisähnliche Verbindungen aus Gas und Wasser, am Meeresboden gebildet werden. Während reines Gashydrat weiß ist, färben Öle und Bitumen, die in den Poren der Gashydrate vorkommen, die Gashydrate gelb. Ein exotischer Vertreter der spezifisch angepassten Lebensform der Kalten Quellen ist der Eiswurm Hesiocaeca methanicola, der bisher nur in Nischen von Gashydratoberflächen aus dem Golf von Mexiko bekannt ist und bis heute in keiner anderen Region nachgewiesen werden konnte. Warum der Eiswurm dort lebt und welche spezielle Anpassung er an Gashydrate hat, ist bisher nicht geklärt.

Asphaltquellen des südlichen Golf von Mexiko

Eine besondere Form von Kalten Quellen wurde kürzlich im Zusammenhang mit großflächigen Austritten von Asphalt am Meeresboden entdeckt. Wie der nördliche Golf ist die Bucht von Campeche westlich der Halbinsel Yukatan durch Salztektonik im Untergrund bestimmt, welche mit Kohlenwasserstoffreservoiren assoziiert ist. Ein zusammenhängendes Salzgebiet reicht von Land aus zungenförmig nach Norden über den Kontinentalhang bis in das Zentrum der Tief­seeebene und umschließt die so genannten Sigs­bee-Tiefseehügel. Während einer Expedition mit dem Forschungsschiff Sonne wurde im unteren Hangbereich ein fast 7000 km2 großes Gebiet mit dem Fächerecholot detailliert kartiert. Diese neue Meeresbodentopographie zeigt, dass die Campe­che Tiefseehügel längliche topographische Erhebungen über Salz­strukturen von 5-10 km Länge und 450-800 m Höhe darstellen. An 9 von 22 Tiefseehügel wurden deutliche Krater und Abbruchkanten mit Stö­rungs­zonen und Rutschun­gen kartiert. Videobeo­bach­tungen an einem Tiefseehügel zeigten ausgedehnte Ober­flä­chen­be­deckung mit erstarrtem Asphalt, welcher sich vom südlichen Rand des Kraters ausgebreitet hat. Die Asphaltlagen sind unterschiedlich in der Oberflächenrauhig­keit, wobei oft mehrere Lagen mit ver­schie­dener Ober­­fläc­hen­ge­stal­tung wie unterschiedlich alte Lava­flüsse übereinander gestapelt sind. Auch einzelne Flüsse mit radialen Bruchstruk­tu­ren wurden beobachtet. Insgesamt wurden Asphalt­flüsse über eine Fläche von mehr als einem Quadratkilometer nachgewiesen.

Links: verschiedene Asphaltlagen überandergestapelt. Rechts: Bartwürmer besiedeln Asphalt am Meeresboden (RCOM / Uni Bremen)

Aufgrund der großen Verbreitung von Asphalt wurde der Hügel mit dem Namen Chapopote benannt, welches in der Aztekensprache das Wort für Asphalt bedeutet. Die Assoziation des As­phal­­tes mit den Krater- und Rutschungs­struk­tu­ren und die morphologische Ähnlichkeit der Asphaltlagen mit magmatischen Lavaflüssen hat dazu geführt, dass der Begriff Asphaltvul­ka­nis­mus eingeführt wurde, ohne dass der Prozess des Asphalt­austrittes bisher verstanden ist.
Die Videountersuchungen der Asphaltflüsse zeigten, dass diese vielfach von Bartwürmern be­siedelt sind, die in Rissen und unter den Asphalt­lagen wurzeln bzw. sogar teilweise von Asphalt umflossen wurden. Chemo­syn­the­ti­sche Muscheln der Familien Vesicomydae, Sole­myidae, Mytilidae sind, neben einer heterotrophen Fauna, wie z.B. galatheide Krebse und Holo­thu­rien, zwischen den Asphalt-Ablagerungen weit ver­brei­tet. Proben aus einem Greifer zeigen, dass ölhaltige Sedimente und Gashydrate mit den Seeps assoziiert sind, denen möglicherweise bei dem Prozess des Asphaltvulkanismus wichtige Bedeutung zukommt. Die detaillierte Entstehung des Asphaltvulkanismus, der aufgrund vieler Indizien wohl im südlichen Golf eine größere Verbreitung hat, und die Besiedlung durch chemosynthetische Organismen ist allerdings noch nicht geklärt und Gegenstand weiterer aktueller Forschung.

Weiterführende Literatur und Webseiten:
MacDonald et al., 1996; National Geographic Magazine, 190(4), 8697
MacDonald et al., 2004; Science, 304, 999-1002
http://www.gomr.mms.gov/homepg/regulate/environ/chemo/chemo.html
http://www.bio.psu.edu//cold_seeps/index.html