MSM125

Projekt EqTest-GoC

30.01. – 06.02.2024

Algeciras (Spanien) – Funchal (Madeira, Portugal)

Expedition MSM125 im Golf von Cádiz hatte zum Ziel, zwei am MARUM neu entwickelte Instrumente zur Untersuchung von Gaszusammensetzung und -quantität unter Tiefsee-Bedingungen zu testen. Die Vergabe der Schiffszeit erfolgte durch das Begutachtungspanel Forschungsschiffe, und ein Großteil der Mittel für Containertransporte, Reisen und Tagegelder wurde aus den Incentive Funds des Exzellenzclusters ‚Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde‘ bereitgestellt.

Mit dem in situ-Massenspektrometer (ISMS) werden Konzentrationen gelöster Gase (z.B. CH₄, H₂S, CO₂, O₂) an Tiefsee-Hydrothermalquellen und Kohlenwasserstoff-Austrittsstellen (seeps) in Tiefen bis zu 4500 m und Temperaturen bis zu 350°C gemessen. Das ISMS wird u.a. mit Remotely Operated Vehicles (ROVs) eingesetzt. Während MSM125 sollte neben seiner Funktion auch seine Integration als ‚Heavy Payload‘ in das ROV MARUM SQUID getestet werden.

Mit dem neugebauten Dynamischen Autoklav-Kolbenlot III werden unter in situ-Druck stehende Sedimentkerne ohne Verlust der freien Gasphase während des Aufstiegs aus der Tiefe an Bord des Forschungsschiffes gebracht. Diese bis zu 3m-langen Druckkerne ermöglichen die exakte Quantifizierung von gelösten und freien Gasen bzw. Gashydraten in Tiefsee-Sedimenten. Während MSM125 sollte insbesondere die Druckfestigkeit des Gesamtsystems, sein Verhalten während der Sediment-Beprobung, sowie seine Handhabung im Zuge des Einsatzes und der Vor- und Nachbereitung überprüft werden.

Der fDOM-Sensor eignet sich für ROV-Einsätze in der Tiefsee (<6000 m) und liefert somit Echtzeitinformationen und Anhalt für die Wasser- und Sedimentprobenahme.

Als Testgebiete wurden die drei Schlammvulkane (engl. mud volcanoes, MVs) Al Gacel MV (775 m Wassertiefe), Captain Arutyunov MV (1320 m) und Bonjardim MV (3060 m) gewählt, da bei früheren Ausfahrten Gas-Austrittstellen (seeps) und Gashydrat-Vorkommen an ihnen entdeckt worden sind. Somit boten sie ideale Bedingungen für die Tiefsee-Tests der Instrumente in unterschiedlichen Wassertiefen. Während der vier Arbeitstage wurden beide Instrumente mehrfach in verschiedenen Wassertiefen und mit verschiedenen Einstellungen getestet. Die Ergebnisse dieser Tests werden für Modifikationen und Anpassungen der Instrumente berücksichtigt und bilden somit die Grundlage für erfolgreiche Einsätze während zukünftiger wissenschaftlicher Schiffs-Expeditionen.

Vor den Einsätzen der Geräte wurde der Meeresboden an den Schlammvulkanen mit Hilfe der schiffseigenen hydroakustischen Systeme hochaufgelöst kartiert und die darüberliegende Wassersäule nach aufsteigenden Gasblasen abgesucht. Weiterhin wurde das schiffseigene CTD/Wasserschöpfer-System zur Bestimmung der physiko-chemischen Parameter in der Wassersäule und zum Gewinn von Wasserproben genutzt.

Ziele der Tests mit dem ISMS waren (i) den technischen Nachweis zu erbringen, dass das MARUM ROV SQUID als Plattform für Nutzlasten, die über die Standardspezifikationen des Fahrzeugs hinausgehen, verwendet werden kann, (ii) Arbeitsabläufe und Betriebsverfahren für das ISMS während der Tauchgänge zu entwickeln und (iii) das endgültige Design des ISMS im Hinblick auf die Installation und Handhabung auf ROV-Systemen festzulegen.

Während der Tauchgänge wurden verschiedene Peripheriegeräte (z. B. Strömungssensor, pH-Sensor und In situ-Kalibrierungseinheit) getestet. Die ersten Versuche mit Prototypen während der Fahrten MSM109 und M190 waren vielversprechend, aber noch nicht zufriedenstellend. Basierend auf diesen Erfahrungen wurden die Prototypen erheblich modifiziert. Während des zweiten Tauchgangs mit dem ROV MARUM SQUID traten keine Probleme auf, nachdem kleinere Probleme während des ersten Tauchgangs behoben wurden.

Die gesammelten Erfahrungen und Informationen während der Fahrt werden genutzt, um diese Nutzlast als Standardwerkzeug für ROVs zu etablieren. Insbesondere für ROVs MARUM SQUID und das neue MARUM QUEST 5000 wird dies von Bedeutung sein. Des Weiteren wird die Möglichkeit, solche Nutzlasten auf einem kleineren ROV-System mit geringer Deckfläche, kleiner Besatzung und geringerem logistischem Aufwand zu verwenden, von großem Wert für die wissenschaftliche Gemeinschaft sein.

Während MSM125 wurde DAPC III dreimal am Captain Arutyunov MV und zweimal am Bonjardim MV bei in situ-hydrostatischen Drücken von ca. 130 und 305 bar getestet.

Die aktuelle geologisch-geochemische Situation an den Zielpositionen wurde vorab mit einem Schwerelot überprüft. Sowohl am Captain Arutyunov MV als auch am Bonjardim MV bestanden die Kerne aus einer typischen Schlammbrekzie. In einigen von diesen Kernen waren Gashydrat-Plättchen bzw. -Stücke eingelagert, so dass diese Lokationen als Zielpositionen für die DAPC III-Einsätze genutzt wurden.

Bei vier der fünf DAPC III Einsätze wurde bei Testung verschiedener System-Einstellungen ein Sedimentkern unter Druck geborgen. Bei diesen Einsätzen betrug der durchschnittliche Kerngewinn 85,4%. Bei einem der Einsätze wurde im direkten Anschluss an die Sediment-Beprobung ein Kugelventil, das der Abdichtung des Druckkerns dient, nicht geschlossen. Aus diesem Grund wurden untere Partien des Sedimentkerns aufgrund zunehmender Gasexpansion während der Bergung aus dem Kernliner gedrückt.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die MSM125-Testfahrt wichtige Erkenntnisse über die Funktionalität und Operationszeiten des neuen DAPC III in der Tiefsee, die mit den technischen Möglichkeiten an Land oder bei Fahrten in flache küstennahe Gebiete nicht hätten erzielt werden können, lieferte. Die weit überwiegend erfolgreichen Einsätze während MSM125 zeigten, dass das neue DAPC III für den Einsatz bei zukünftigen wissenschaftlichen Expeditionen bereit ist.

Während der MSM125 wurde ein optisches Einkanal-Fluorometer (ECO FL, Seabird Scientific) unter In situ-Bedingungen getestet. Das Fluorometer ist für den Nachweis fluoreszierender gelöster organischer Stoffe (fDOM) in Wassertiefen von bis zu 6000 m ausgelegt. Um ortsspezifische Messungen zu gewährleisten, wurde der neue Sensor in die Schlauchleitungen des ROV-Probenahmesystems integriert. Der Einlass des Schlauches wurde durch den Manipulator des ROV zum Ort der Probenahme geführt. Für diese Integration war die Entwicklung und Herstellung einer speziellen Durchflusszelle erforderlich.

Die Durchflusszelle wurde zusammen mit dem In situ-MS während der Tauchgänge getestet. Zusätzlich wurde der fDOM-Sensor während dreier CTD-Einsätze getestet, da der Sensor unkompliziert an die CTDs angeschlossen werden kann, die derzeit von der deutschen Forschungsflotte eingesetzt werden. Die Genauigkeit des fDOM-Sensors wird durch den Vergleich der Daten mit DOM-Analysen von Proben, die mit der CTD/Rosette genommen wurden, nach der Fahrt überprüft.