Projekte und Arbeitsgebiete

Aktive Überschiebungen auf dem Mittelmeerrücken

Für die Region südlich von Kreta liegt seit 1999 ein Bohrvorschlag vor, einen aktiven Schlammvulkan und zwei fluidführende Störungssysteme zu erbohren. Die Kurzfassung des Vorhabens Nr. 555 findet sich auf der Website des IOPD (Integrated Ocean Drilling Program) unter folgendem Link:
Bohrvorschlag IODP 555full

Expedition P336 mit FS Poseidon (Mai 2006), MSM 15/3 mit FS Merian (Juni/Juli 2010)

Die Expedition P336 CRESTS (=CREtan Sea Tectonics and Sedimentology) mit dem deutschen FS Poseidon führte in die Kretische See. Diese ist nördlich der Insel Kreta gelegen, die eine exhumierte Forearc-Hochlage im Kompressionsgürtel des Hellenischen Bogens darstellt. CRESTS hatte zum Ziel, Sedimentstabilität am nördlichen Kontinentalhangs Kretas und den angrenzenden Becken zu studieren. Das Gebiet ist im Norden von den Ägäischen Vulkaninseln begrenzt, die ebenfalls Orte von Hangrutschungen darstellen. Die wissenschaftliche Crew bestand aus Experten in Geophysik, Geotechnik, Geologie und Modellierung, die grösstenteils vom RCOM Bremen, aber auch von der ETH Zürich (Schweiz) und dem HCMR (Griechenland) kamen.

Das Hauptinteresse an der Region basiert auf der Tatsache, dass Kreta eines der neotektonisch aktivsten Gebiete der Erde darstellt, was unter anderem widergespiegelt wird durch
- Mikro-Seismizität und aktive Abschiebungen
- Grossmasstäbliche transpressive Verschiebungen
- Schnelle Sedimentation und Ablagerung von Turbiditen
- Episodische subaquatische Hangrutschungen.
Zudem war ein Ziel, aktiven Fluidausstrom zu finden, der evetuell mit den tief wurzelnden Störungssystemen unter Kreta in Verbindung stehen kann.

In weiteren Sinne steht die Fahrt P336 in Verbindung mit anderen Forschungsaktivitäten in der Hellenischen Subduktionszone. Kompressive Deformation ist in der Region akzentuiert, weil der nordafrikanische Kontinentrand mit einer Halbinsel Libyens kollidiert (siehe Bild: Hellenische Subduktionszone). Viele Expeditionen untersuchten bisher die Region südlich Kretas, wo die Ionische und Herodotus-Tiefseeebenen den Mittelmeerrücken-Akkretionskeil auftürmen. Die Arbeiten beinhaltenen nationale und internationale Kampagnen wie beispielsweise ODP Leg 160. Kreta selbst ist Ziel einer vom ICDP koordinierten Kontinentalbohrung, die geplant ist. Dem entgegen ist die Kretische See nördlich von Kreta der nördlichste Teil des Forearcs, und CRESTS untersuchte nun diesen bisher vernachlässigten Bereich der Hellenischen Subduktionszone.

Erstere Ergebnisse der Fahrt finden sich in einer Kurzfassung, die Teil eines umfangreichen Fahrtberichts erschien, der als Buch erhältlich ist:
Kopf, A. and cruise participants, 2006.
Report and preliminary results of POSEIDON Cruise P336, Heraklion - Heraklion, 28.04. – 17.05.2006. Berichte, Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen, No. 253, Bremen, 82 pp (plus Appendices und CD-ROM), ISSN 0931 800

Die Fahrt wird komplementiert mit einer Expedition zu ausgesuchten Hangrutschungen, die im Sommer 2010 mit dem MeBo Meeresboden-Bohrgerät des MARUM durchörtert und beprobt werden. Zudem werden Langzeitinstrumente zur bestimmung der Flussraten an Störungen und Schlammvulkanen auf dem Mittelmeer-Rücken Akkretionskeil ausgebracht. Letztere helfen Modelle zur Dynamik der Hellenischen Subduktionszone mit Daten zu stützen.

Das Projekt NanTroSEIZE (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment) des IODP stellt das bisher teuerste und ambitionierteste Vorhaben geowissenschaftlicher Grundlagenforschung dar. Mit dem Bohrschiff DV Chikyu wird ein Transekt von Löchern in den Nankai-Akkretionskeil gebohrt, deren tiefstes die seismogene Zone in ca. 5,5 bis 6 km Tiefe unterhalb des Meeresbodens erreichen wird.

Am Ligurischen Kontinentalrand Südfrankreichs entsteht eines der wichtigsten Standbeine des European Seafloor Observatory Network (ESONET), einem EU-Exzellenzcluster. Kernpunkt bietet ein Ozeanbodenkabel zum ANTARES-Neutrinoteleskop, von dem aus verschiedene Ozeanbodeninstrumente und Bohrlochinstallationen geplant sind. Hauptziel der geologischen Untersuchungen ist das Verständnis der Auslösemechanismen von submarinen Hangrutschungen.

Im Jahr 2007 fanden zwei Expeditionen mit Beteiligung der AG Marine Geotechnik statt:
Meteor M73/1 (Juli-August)
L'Atalante PRISME (Okt-Nov).
Beide Fahrten hatten unter anderem zum Ziel, den oberen Hangbereich zu studieren, wo 1979 eine Hangrutschung den Flughafen in Nizza beschädigte und einen Tsunami auslöste. Andere Hangrutschung in Wassertiefen bis 2000 m sowie Sedimentationsereignisse im Var Canyon komplettierten das Untersuchungsprogramm.

Eine weitere Expedition fand im Sommer 2009 mit Poseidon (P386) statt, wo erstmals erfolgreich zwei Piezometer langzeitlich in die Flughafenrutschung und den benachbarten Hang eingebracht wurden. Zudem fanden Testmissionen im Rahmen von ESONET statt.

Langfristig ist geplant, in der Region wissenschaftlich zu bohren (IODP proposal 685full von Henry et al., sowie 748full von Stegmann et al., 2009).

Die Forschungsplattform FINO1, etwa 45 km nördlich von der Insel Borkum gelegen, dient der Untersuchung verschiedener Parameter zur späteren installation von Offshore-Windenergieanlagen. Vorrangig werden Langzeitdaten zum Windprofil, zu Plattformbewegungen und –verformungen unter Windlast sowie meteorologische, hydrographische und biologische Parameter erhoben. FINO1 ist in ca. 30 m Wassertiefe gegründet, hat eine eigene Stromversorgung und Datenübertragung in Echtzeit über eine Funkstrecke, und soll ca. 20 Jahre genutzt werden.

Das RCOM Bremen hat im Spätsommer 2006 ein Mini-Observatorium in unmittelbarer Meeresbodennähe an der Plattform installiert. Es besteht aus einer Ozeanboden-Basisstation, die bis zu 10 Geräten mit Energie versorgt und umgekehrt in Echtzeit Daten liefert. Angeschlossen ist zur Zeit eine Sensorlanze (ca. 2m Eindringung im Meeresboden), die die hochauflösende Erfassung von Änderungen in Porendruck und Neigung (Tilt) im Untergrund in Abhängigkeit von (a) dem Strain (Verformung) bedingt durch Plattformbewegungen, (b) Tide, und (c) Bodentransport/Auskolkung aufzeichnet.

Die Alpinen Verwerfung (Southern Alps, Neuseeland) stellt die aktive Plattengrenze zwischen Pazifischer und Australischer Platte dar. Sie kann Erdbeben z.T. grosser Magnituden generieren und ist durch schnelle Exhumierungsraten gekennzeichnet. Die Störung ist an Land gut aufgeschlossen und soll zukünftig vom Internationalen kontinentalen Tiefbohrprogramm (ICDP) wissenschaftlich untersucht werden. Pilotbohrungen bis 200-300m unter Geländeoberkante können helfen, diese Tiefbohrung vorzubereiten und ungestörte Bohrkerne aus der Störungszone zu bekommen. Am MARUM werden Störungsmaterialien der Alpinen Verwerfung mit dem Ringschergerät und der HYDSPA-Apparatur gesteinsmechanisch untersucht.

Die Expedition SO175, auch GAP (=Gibraltar Arc Processes), mit FS Sonne kehrte nach exakt 100 Ausfahrten und etwa zehn Jahren in den Golf von Cadiz zurück, der zuvor von der BGR geophysikalisch charakterisiert wurde. GAP ist Teil einer weit angelegten Kampagne auf nationaler und internationalerr Ebene. Sie umfasst Projekte wie TTR (bisher ein gutes halbes Dutzend Ausfahrten, e.g. TTR-9, TTR10, TTR-12), EU-Projekte wie Mediflux, Moundforce und Mvseis (sowie Einzelprojekte innerhalb HERMES in FP6), die Euromargins (EUROCORES)-Projekte SWIM, WestMed und Voltaire, sowie nationale Kampagnen wie TASYO (1998-2002) und MATESPRO, GADES (2003-2006), IMPULS (2005) und DELILA (2005), um nur einige zu nennen.
Neben den wissenschaftlichen Detail-Zielen hatte GAP auch die Aufgabe, mit einem multi-disziplinären Ansatz und einer multi-nationalen Mannschaft die existierende Wissens- bzw. Datenbasis zu komplementieren und durch Diskussion auf breiter Ebene zu vertiefen. Das ist insofern gelungen, als beispielsweise bis heute eine nahezu vollständige bathymetrische Karte vorliegt, zu der GAP einen entscheidenden Beitrag lieferte.

Die wissenschaftlcihen Ergebnisse der Fahrt sind hier in folgenden Punkten zusammengefasst:
- Kartierung und nachfolgende Beprobung erlaubte uns, 3 Schlammvulkane (SV) neu zu entdecken und ein halbes Dutzend weitere aufzuspüren, wobei wegen fehlender Beprobung unklar ist, ob tatsächlich Schlammbrekzie bis zum Meeresboden aufdrang.
- Erster erfolgreicher Einsatz von SAPPI (Satellite-linked autonomous pore pressure instrument), das auf dem aktiven, gashydratführenden Schlammvulkan Capt. Arutyunov in ca. 1500 m Wassertiefe ausgesetzt wurde. Das System misst für programmierten Zeitraum Temperatur und Porendruck, beides Indikatoren für Fluiddynamik, und koppelt dann eine Dateneinheit ab, die auftaucht. Sie sendete im Januar 2004 Daten, die transiente Schwankungen im Porenwasser-Innendruck im Bereich von einigen 100 Pa über die Zeit belegte. Details sind Kaul et al. (2004) zu entnehmen (siehe Manuskript Kaul et al., 2004, Sea Technology).
- Entdeckung eines Salzdiapirs im unteren, südwestlichen Teil des Gibraltar-Keils.
- Einige SVs mit Gashydratvorkommen und Methan- und Biomarkerwerten, die auf starke Aktivität schliessen lassen, wurden beprobt; die Porenwasserchemie unterstützt diese hydrogeologische Aktivität.
- In den untersuchen aktiven Schlammvulkanen wird sämtliches thermogenes Methan, höhere Kohlenwasserstoffe und Sulfat werden innerhalb der obersten Dezimeter unter anaeroben Bedingungen oxidiert (AOM). Vgl. Manuskript Niemann et al., 2006 (Geochimica Cosmochimica Acta).
- Nichtsdestotrotz ist der Grossteil der insgesamt 13 angesehen Strukturen momentan inaktiv. Chimneys (Karbonatschlote), die oft zoniert sind und die normalerweise im Sediment wachsen und das “Kanalsystem” des SV darstellen, liegen an der Oberfläche und wurden zu Dutzenden mit der TV-Greifer geborgen.
- Datierungen (14C, U/Th) und Isotopenmessungen laufen, um die Dynamik des Fluidflusses im Keil über die Zeit zu ergründen.
- Manche SVs und “mounds” mit Kaltwasserkorallen-Vorkommen, wobei der Grossteil der Organismen tot war.
- Wärmestrom über SVs unspektakulär (d.h. weder erhöht noch erniedrigt relativ zur Umgebung des Sedimentkeils), dafür aber an den Deformationfronten sowie an Überschiebungsrampen im Keil erniedrigt. Letzteres weist auf aktive Verschuppung durch tektonische Prozesse zum jetzigen Zeitpunkt hin (siehe hierzu ausführlich: Grevemeyer et al., 2005, im Abschnitt Literatur unten sowie im Anhang GAP-Publikationen). Trotzdem muss bis zum jetzigen Zeitpunkt offen bleiben, ob diese Überschiebung eine Subduktionszone ist (wie von Gutscher et al. 2002 gefordert), oder lediglich die Konsequenz der Kollision von Africa und Eurasia ist, in deren Folge Sediment im Bereich Gibraltars nach Westen verdrängt wird (siehe Abb. 1).
- Turbidite auf den Tiefseeebenen, vor allem im Norden des Studiengebietes, wo die aktive Marques de Pombal-Störung untersucht wurde; Datierung der Rutschungsablagerungen erfolgt über 14C und 210Pb.
- Rutschung hat vor extrem kurzer Zeit stattgefunden, zumindest die remobiliserte Zunge am Schlammstrom am SW-Ende, da dort die Porenwasserzusammensetzung noch im Ungleichgewicht mit der Umgebung ist. Die Rutschungssedimente sind ansonsten sedimentologisch einförmig und strukturlos, aber teilweise aufgrund hoher Tongehalte mechanisch wenig kompetent (siehe hierzu ausführlich: Minning et al., 2006, Norwegian Geological Journal)
- die Wärmestromwerte geben Hinweise darauf, dass der Sedimentkeil eher als 1755er Epizentrum in Frage kommt als die Marques de Pombal-Störung oder die Gorringe-Bank im Norden.

Ein ausführlicher Fahrtbericht ist erhältlich als:
Kopf, A. (ed.), 2004. GAP cruise report: Gibraltar Arc Processes, FS Sonne SO175, Berichte der Geowissenschaften Univ. HB, Bd. 228, 218pp.

Am zentralchilenischen Kontinentalrand finden aufgrund variabler Sedimentationsraten, tektonischer Bewegungen im Zuge der Subduktion, Überschiebungserdbeben sowie Gashydratprozessen submarine Hangrutschungen statt.

In einer kombinierten Studie mit Kollegen der AG Prof. Heinrich Villinger wurden der Oberflächenwärmestrom sowie Scherfestigkeit und Porendruckverhalten der Hangsedimente entlang verschiedener Transekte bestimmt (siehe Karte).


In einer weiteren Studie wurde der Bereich des 1960er M9.1 Erdbebens bis hinunter zum Chile-Tripelpunkt sedimentphysikalisch und seismisch untersucht. Dazu fanden die Expedition SO181 mit FS Sonne statt. Die Studie hat ergeben, dass die Zusammensetzung der Tiefseebrabenfüllung mineralogisch systematisch von N-S variiert, was in der tieferen Subduktionszone zu variablen Reibungseigenschaften und, im Falle eines Erdbebens, Spannungsabbaus führt.

Der Dashgil Schlammvulkan ist einer der aktivsten und grössten der insgesamt über 200 Schlammdome in Aserbaidschan. Er ist direkt am kaspischen Meer gelegen und entgast kontinuierlich Gas (vornehmlich Methan). Da in historischen Überlieferungen die Ausbrüche solcher Schlammvulkane mit dem Auftreten grosser Erdbeben in Verbindung gebracht wurden, hat die BGR (Arbeitsgruppe Dr. Georg Delisle) seit einiger Zeit eine Monitoringplattform zur Quantifizierung des Gasausstroms auf einem der Kraterseen des Dashgil stationiert.

In dem Projekt wurde auch der zweite, grössere Kratersee instrumentiert. Dieser See ist etwa 28 m im Durchmesser und zeigt zwei Gasuastrittsstellen. Über im See versenkte Zelte wird der Gasstrom gebündelt und mittels auf kleinen Flössen montierter Gasflussmesser quantifiziert. Parallel dazu wurde eine Lanze zur Messung von Porendruck- und Temperaturschwankungen in den Grund des vermutlich durch eine Gasexplosion entstandenen Trichters gerammt. Die zu testende Hypothese ist, inwieweit, Porendruckvariationen und Gasausstromrate korrelieren, und ob diese Signale mit Mikroseismizität der Region in Zusammenhang stehen.

In einem gemeinsamen Projekt mit der ETH Zürich wurden in situ Messungen zur geotechnischen Charakterisierung von Hangsedimenten im Vierwaldstädter See durhgeführt. Aus der Region sind Hangrutschungen bekannt, die vermutlich durch Erdbeben in tiefen Stockwerken der Alpen zurückgehen und zum Teil Tsunamis in den Schweizer Seen auslösen.

Um Vorgänge im Porenraum während Deformationsexperimenten zu beobachten, werden am Kernspinresonanz (NMR) - Gerät den Wassergehalt als auch die Porengrössenverteilung zerstörungsfrei und quasi-kontinuierlich zu ermitteln. Die Schwierigkeit dabei besteht darin, den Druck auf die sich innerhalb des Permanentmagneten befindende Probe aufzugeben, ohne das Magnetfeld zu stören. Dazu wurde ein Modul bestehend aus einer Kolbenpumpe und einer Probenkammer aus glasfaserverstärktem Kunststoff entwickelt, mit dem die erforderlichen Druckbelastungen im Magneten an zylindrischen Gesteinsproben durchgeführt werden. Die Materialien werden sowohl statischen als auch dynamischen Druckbelastungen ausgesetzt, um die Veränderungen des Porenraumes bis zur Zerstörung der Probe mit Hilfe des NMR-Spektrometers zu analysieren.

Weiterhin werden Duplikate dieser Proben im dynamischen Triaxialversuch belastet (siehe Dynamischer Triaxialversuchsstand)

Wie zahlreiche tidal beeinflusste Ästuare in der Deutschen Bucht ist die Ems von hohem Schlickeintrag (sog. fluid mud) beeinflusst, der die schiffbare Tiefe der Fahrrinne verringert und jährlich ausgebaggert werden muss. Die Arbeitsgruppe Marine Geotechnik versucht mit in situ Messverfahren und der Entnahme von Proben, dem Phänomen der Fluid mud-Ablagerung auf den Grund zu gehen.
Zudem werden in Zusammenarbeit mit der Forschungsanstalt für Wasserschall und Geophysik, Kiel, werden zudem Studien zur Sedimentumlagerung bzw. Sedimentfestigkeit gemacht. Diese befassen sich vornehmlich mit Schlickgebieten in Nordsee und Ostsee, und den Einfluss gasreicher Lagen auf die Sedimentmobilität.