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Wochenberichte

Alle wissenschaftlichen Teilnehmer*innen der Expedition SO292/2 gingen am frühen Morgen des 23. Juni an Bord des Schiffes. Sie wurden nach ihrem jeweiligen Flug an Land in Nouméa und beim Betreten des Schiffes auf COVID getestet. Die Tests werden in den kommenden fünf Tagen fortgesetzt, um das Risiko einer Ansteckung zu minimieren. Die Container für die SO292/2 und die nachfolgende Expedition (SO293) trafen unmittelbar nach dem Anlegen des Schiffes am 21.06. ein und wurden entsprechend beladen. Aufgrund der verspäteten Ankunft mehrerer Gepäckstücke, sowohl der wissenschaftlichen als auch der Schiffsbesatzung, wurde die Abfahrt auf 22:00 Uhr am 24.06. verschoben.

Derzeit befinden wir uns zwischen Neukaledonien und den Salomonen auf dem Weg in den Zentralwestpazifik, wo wir die geodynamischen Prozesse und geochemischen Zyklen in der Subduktionszone des Marianengrabens untersuchen wollen. Schlammvulkane, Strukturen am Meeresboden, an denen Schlamm austritt, die über den Forearc verstreut sind, sind bekannte Merkmale in diesem Gebiet. Sie spielen eine entscheidende Rolle beim Wiederaufstieg von subduzierten Sedimenten und sogar hydratisiertem Forearc-Mantelmaterial zum Meeresboden. In der Region ist die Beschaffenheit der austretenden Sedimente (meist klastischer, dunkelblauer Serpentinitschlamm) und Fluide (hoher pH-Wert und variable Zusammensetzung mit zunehmender Entfernung vom Tiefseegraben) einzigartig und aufschlussreich für die Prozesse, die an der Plattengrenze in der Tiefe ablaufen. Während der Expedition werden wir ausgewählte Serpentinit-Schlammvulkane in unterschiedlichen Entfernungen vom Graben beproben, um die flüssigen und festen Endglieder des extrusiven Materials zu charakterisieren. Zu den wichtigsten Zielen der Fahrt gehört auch der Einsatz von zwei Langzeitinstrumenten, die verschiedene physikalische Parameter in den Sedimenten der Marianen-Schlammvulkane messen und während einer späteren Expedition geborgen werden sollen.

Der Transit zum ersten Arbeitsgebiet wird circa 2.600 NM betragen und etwa neun Tage dauern. In der Zwischenzeit ist die wissenschaftliche Besatzung damit beschäftigt, die gesamte wissenschaftliche Ausrüstung auszupacken, die Instrumente für den Transit zu laschen, die Labore einzurichten und bei verschiedenen wissenschaftlichen Treffen über ihre eigene Forschung zu diskutieren. An Bord sind 22 Wissenschaftler*innen, darunter Professoren, Postdocs, Techniker, Studierende und Doktorand*innen vom MARUM, der Universität Innsbruck, dem MPI-M, dem MPI-C, der Universität Szczecin, der HafenCity Universität und der Chiba Universität, die insgesamt sieben verschiedene Nationalitäten vertreten.

Während die Meeresgeolog*innen sich schon sehr darauf freuen mit ihren Forschungen zu beginnen und die ersten Sediment-/Gesteinsproben zu nehmen, haben die Meteorolog*innen und das Hydroakustik-Team, sobald wir in offenen Gewässern waren, mit der Datenerfassung begonnen. Dieser Transit vom Süd- zum Nordpazifik wird es ihnen ermöglichen, wertvolle Informationen über die atmosphärischen Eigenschaften von Aerosolen, Wolken und Spurengasen zu sammeln, die i) als Kalibrierungsdaten für Satelliten-Fernerkundungsdaten und ii) als Bewertungsdaten für (globale) Modellierung dienen werden.

Wir senden die besten Wünsche aus dem Südpazifik und danken an dieser Stelle insbesondere dem BMBF, dem PTJ, der Leitstelle Deutsche Forschungsschiffe, der Briese Reederei und der Besatzung der SONNE für die großartige Unterstützung bei der Vorbereitung der Reise.

Im Namen des gesamten SO292/2 Teams
Walter Menapace (Fahrtleiter)

Die FS SONNE am Hafen in Nouméa, und die Gestelle der Meeresbodenobservatorien an Deck.
Die FS SONNE am Hafen in Nouméa, und die Gestelle der Meeresbodenobservatorien an Deck.
Die FS SONNE am Hafen in Nouméa, und die Gestelle der Meeresbodenobservatorien an Deck.
Stefan Kinne (oben) und Steffen Dörner messen auf dem Oberdeck des FS Sonne mit dem Sonnenphotometer bzw. dem MAX DOAS.
Stefan Kinne und Steffen Dörner messen auf dem Oberdeck des FS Sonne mit dem Sonnenphotometer bzw. dem MAX DOAS.
Stefan Kinne (oben) und Steffen Dörner messen auf dem Oberdeck des FS Sonne mit dem Sonnenphotometer bzw. dem MAX DOAS.

2. Wochenbericht (27.06-03.07.2022)

Den größten Teil der zweiten Woche an Bord von FS Sonne waren wir zum südlicheren unserer beiden Untersuchungsgebiete unterwegs, in den Mariana Forearc, nordöstlich von Guam. Der Transit, der am 25. Juni begann, wird diesen Sonntag mit der Einfahrt in die AWZ der Nördlichen Marianen enden.

Der Transit selbst gab uns die Möglichkeit, die verschiedenen geologischen Merkmale zu erörtern, denen wir auf unserem Weg nach Norden am Ozeanboden des Pazifischen Ozeans begegnet sind, wie zum Beispiel die tektonischen Gegebenheiten der Mikroplatte der Salomonensee, die Bildung von pazifischen Seebergen und Guyots sowie die Einlagerung des Ontong Java Plateaus. Diese LIP (Large Igneous Province) bildete sich vor etwa 120 Millionen Jahren, zeitgleich mit dem ozeanischen anoxischen Ereignis des frühen Aptiums (Tejada et al., 2009), das möglicherweise durch massive Basaltausschüttungen auf dem Meeresboden verursacht wurde.

Während der gesamten Woche hatten die Wissenschaftler:innen, die größtenteils neu auf dem Schiff sind, die Möglichkeit, sich mit dem Leben an Bord vertraut zu machen und an der obligatorischen Sicherheitsübung teilzunehmen, bei der eine Evakuierungssituation simuliert wurde. Auch die wissenschaftliche Arbeit hielt die SO292/2-Teilnehmer:innen auf Trab: Die Labore wurden für den ersten „Kern an Deck“ vorbereitet, im Konferenzraum wurden täglich wissenschaftliche Meetings abgehalten, und während der Fahrt wurden kontinuierlich Fächerecholot- und Parasound-Profile aufgenommen, um einen Beitrag zum DAM-Unterwegs-Bathymetrie-Projekt zu leisten.

Außerdem, spannende Daten werden derweil von den Atmosphärenforschern produziert: in der Nacht vom 28. zum 29. Juni 2022 wird gegen 21 Uhr Schiffszeit (UTC+11) zunächst in den Daten des Ceilometers ein erhöhtes Rückstreusignal in etwa 1.5 km Höhe ausgemacht, welches auf eine Aerosolfahne hindeutet. Als die Aerosolfahne die Oberkante der marinen Grenzschicht erreicht, kommt es verstärkt zur Wolkenbildung. Die gemessene Zeitreihe des Ceilometers zeigt im Laufe des Vormittags noch mehrere ähnliche Rückstreusignale zwischen 1.0 und 2.5 km Höhe. Als das Signal gegen 12 Uhr Schiffszeit nicht mehr vom Ceilometer detektiert werden kann, lässt auch die Bewölkung wieder deutlich nach. Die Cumulus-Bewölkung vom Typ L1/L2 wurde durch an Bord durchgeführte Wolkenbeobachtung bis etwa 12 Uhr bestätigt. Nach 12 Uhr herrschte vorwiegend Cirrusbewölkung vor, tiefe Wolken wurden nicht mehr beobachtet.

Nach Sonnenaufgang konnte das erhöhte Aerosolsignal auch durch das Sonnenphotometer bestätigt werden: Die aerosoloptische Dicke war um etwa 0.06 erhöht. Die Messungen des Tube MAX-DOAS Instruments konnten dann einen entscheidenden Hinweis auf den Ursprung dieser Aerosolschicht geben: Während die meisten Spurengase den zu erwartenden Tagesverlauf zeigen, sind in den Morgenstunden bis etwa 11:30 Uhr die schrägen Säulendichten (DSCDs) von Schwefeldioxid (SO2) signifikant erhöht. Die Tatsache, dass das Signal für alle Elevationswinkel ähnlich stark ausgeprägt ist, deutet auf eine erhöhte Schicht der SO2-Fahne, was zu den erhöhten Rückstreusignalen des Ceilometers passt. Die für anthropogene Quellen (z.B. Schiffsabgasfahnen) typische Erhöhung des Spurengases Stickstoffdioxid (NO2) konnte nicht detektiert werden, was auf eine Fahne natürlichen Ursprungs schließen lässt. Eine Vulkanfahne passt zu allen gezeigten Phänomenen und ein Blick auf die Liste aktiver Vulkane in der Umgebung zeigt den Bagana Vulkan mit mittlerer Aktivität als passende Quelle. Für genauere Aussagen müssen jedoch noch weitere Analysen durchgeführt werden.

Das wissenschaftliche Programm im Arbeitsgebiet steht in den Startlöchern, und alle Teilnehmenden der SO292/2 freuen sich darauf, ihren Beitrag zur Expedition zu leisten. Jede Person an Bord fühlt sich wohl und genießt die warmen Temperaturen sowie das schöne Wetter. Mehr wissenschaftlicher Inhalt wird in den nächsten Wochen kommen, es wird spannend!

Im Namen des gesamten SO292/2 Teams
Walter Menapace (Fahrtleiter)

Die teilnehmenden Wissenschaftler:innen beim täglichen Meeting im Konferenzraum.
Die teilnehmenden Wissenschaftler:innen beim täglichen Meeting im Konferenzraum.
Alle auszusetzende Geräte an Deck der FS SONNE.
Alle auszusetzende Geräte an Deck der FS SONNE.
Mona Lütjens am Abfeuern der XSV Sonde zur Messung der Schallgeschwindigkeit in der Wassersäule.
Mona Lütjens am Abfeuern der XSV Sonde zur Messung der Schallgeschwindigkeit in der Wassersäule.
Rückstreusignal des Ceilometers für den Zeitraum, in welchem ein erhöhtes Rückstreusignal gemessen werden konnte. Der Balken unter der Grafik stellt die Wolkenbeobachtungen dar.
Rückstreusignal des Ceilometers für den Zeitraum, in welchem ein erhöhtes Rückstreusignal gemessen werden konnte. Der Balken unter der Grafik stellt die Wolkenbeobachtungen dar.
Karte der Schiffsposition zwischen 21Uhr (UTC+11) am 28.06.2022 bis 13Uhr (UTC+11) am 29.06.2022.
Karte der Schiffsposition zwischen 21Uhr (UTC+11) am 28.06.2022 bis 13Uhr (UTC+11) am 29.06.2022.
Zeitverlauf der gemessenen differentiellen schrägen Säulendichte (DSCD) von SO2.
Zeitverlauf der gemessenen differentiellen schrägen Säulendichte (DSCD) von SO2.

3. Wochenbericht (04.07-10.07.2022)

Die Woche startete im südlichen Bereich des Marianen-Forearcs, des ersten unserer beiden Arbeitsgebiete. Während der Nacht konnten wir einen Schlammvulkan, der in 6.000 bis 7.000 Metern Wassertiefe liegt, ausführlich kartieren und erhielten eine gute Karte seiner Struktur. Am Montag, 4. Juli 2022, nutzten wir die guten Wetterbedingungen und leichten Seegang, um mehrere Stellen des Schlammvulkans mit dem Schwerelot zu beproben. Leider war die Beprobung des Schlammvulkans schwieriger als erwartet, denn nur kurze Kernsegmente konnten gewonnen werden. Wir fuhren trotzdem mit dem geplanten wissenschaftlichen Programm fort und setzten als nächstes eine Dredge ein, um den Schlammvulkan zu beproben. Die Dredge sammelte für uns verschiedene Gesteinsstücke ein, die sowohl von der oberen als auch von der subduzierten Platte stammen.

Darauf folgend benutzten wir das OFOS (Ocean Seafloor Observation System) der FS Sonne, um Foto- und Videomaterial von der Oberfläche des Schlammvulkans zu gewinnen. Die spektakulären Aufnahmen zeigen einen von Klasten bedeckten Ozeanboden, von Schlammströmen gebildete Terrassen und Brucit-Schlote. Dies bestätigte nicht nur, dass es sich bei der Struktur um einen Schlammvulkan handelt, sondern ermöglichte uns auch die Auswahl eines geeigneten Standorts für die Einrichtung eines langfristigen Druck- und Temperatur- (p-T) -Observatoriums, das wir am MARUM gebaut haben. Das NCB-Observatorium wurde dann am 5. Juli 2022 sicher auf dem Meeresboden ausgesetzt, um die p-T-Parameter der Schlammvulkansedimente in den kommenden Jahren bis zur späteren Bergung zu überwachen. Diese Parameter sind die Schlüssel zum Verständnis der Plattendynamik und der Rolle der Schlammvulkane im Flüssigkeits- und Feststoffkreislauf in der Marianen-Subduktionszone.

Anschließend fuhren wir in Richtung unseres zweiten Arbeitsgebiets, dem nördlichen Mariana Forearc, das wir am 6. Juli erreichten. Hier konzentrierten wir unsere Forschung auf mehrere Strukturen am Meeresboden: Den Pacman-Schlammvulkan, Cerulean Springs, Conical-Schlammvulkan, ein Tiefseebecken östlich von Conical und zwei neu entdeckte Schlammvulkane. 

Im Laufe der Woche wurden mehrere Schwerelotkerne entnommen, und zwar sowohl von bekannten Strukturen (Pacman, Conical und Cerulean Springs) als auch von zwei neuen Strukturen, die aufgrund der Beprobung von Serpentinitschlamm als Schlammvulkane identifiziert wurden. Diese Proben werden untersucht werden, um die geochemische Zusammensetzung des Porenwassers sowie das Vorhandensein von mikrobieller Aktivität zu bestimmen, um Aufschluss über den Ursprung der Fluide und die dort lebenden Organismen zu erhalten.

Finaler Teil eines Schlammstroms, aufgenommen während des OFOS Tauchgangs.
Finaler Teil eines Schlammstroms, aufgenommen während des OFOS Tauchgangs.
Typische Gesteinsstücke aus dem Arbeitsgebiet, alterierte Peridotite, gesammelt mit der Dredge.
Typische Gesteinsstücke aus dem Arbeitsgebiet, alterierte Peridotite, gesammelt mit der Dredge.
Bilder vom OFOS Tauchgang an Conical zeigen tiefe Spalten im Ozeanboden.
Bilder vom OFOS-Tauchgang an Conical zeigen tiefe Spalten im Ozeanboden:
Karte der Kuppe des Conical-Schlamm. Typische morphologische Merkmale von Schlammvulkanen sind gut sichtbar (Störungen, Schlammströme, Kuppe).
Karte der Kuppe des Conical-Schlamm. Typische morphologische Merkmale von Schlammvulkanen sind gut sichtbar (Störungen, Schlammströme, Kuppe).

Zwei weitere OFOS-Tauchgänge wurden bei Cerulean Springs und Conical durchgeführt, wobei letzterer spektakuläre Bilder von Karbonatschloten, Ferromangan-Krusten und tiefen Spalten am Meeresboden lieferte. Darüber hinaus setzten wir die Dredge noch zwei weitere Male auf Conical und Pacman ein und erhielten unterschiedliche Menge an Proben, die für weitere petrologische Studien an Land verwendet werden sollen. Als Standort für die Einrichtung unseres zweiten Observatoriums wurde Cerulean Springs ausgewählt, da dieser Ort in der Vergangenheit als derjenige mit der höchsten Fluidströmungsemission des gesamten Forearcs identifiziert wurde (Mottl et al, 2003). Das zweite NCB-Observatorium wurde am 7. Juli 2022 an einem Ort eingerichtet, der anhand der Meeresbodenbilder des OFOS-Tauchgangs und eines senkrecht dazu verlaufenden Temperaturprofils ausgewählt wurde.

Schließlich gelang es uns auch, Sedimentkerne in einem Tiefseebecken des Forearcs und von zwei neuen Schlammvulkanen zu ziehen, in denen Turbiditablagerungen und ein wunderschöner blauer Serpentinitschlamm gefunden wurden. Trotz der begrenzten Zeit auf See und der schwierigen Ziele (Schlammvulkane sind bekanntermaßen schwierig zu kernen) hat die Expedition SO292/2 bereits mehrere Rekorde aufgestellt: i) längster OFOS-Tauchgang in maximaler Instrumententiefe (6000 m Wassertiefe), ii) tiefster Schlammvulkan, der je entdeckt, beprobt und mit einem Observatorium ausgestattet wurde, und schließlich iii) erste Aufzeichnung von Turbiditablagerungen des Marianen Forearcs nach DSDP Leg 60 im Jahr 1982.

Blauer Serpentinitschlamm von einem neu entdeckten Schlammvulkan im Schwerelot.
Blauer Serpentinitschlamm von einem neu entdeckten Schlammvulkan im Schwerelot.

Jedes wissenschaftliche Mitglied und jedes Mitglied der Besatzung trägt zum Erfolg dieser Expedition bei, und je mehr die Tage vergehen und die Maskenpflicht wegfiel, desto mehr wächst der Zusammenhalt des wissenschaftlichen Teams, was die Arbeit und das Leben an Bord sehr angenehm mach.

Im Namen des gesamten SO292/2 Teams
Walter Menapace (Fahrtleiter)

4. Wochenbericht (11.07-17.07.2022)

Anfang der Woche begannen wir den Rücktransit, welcher mit der Ankunft in Unalaska (Aleuten) enden wird. Während unseres Rücktransits hatten wir mehrere interessante Begegnungen, sowohl an der Wasseroberfläche als auch auf dem Meeresboden. Dabei drangen wir nach und nach in die kälteren, nährstoffreichen Gewässer des nördlichen Pazifiks vor, und entdeckten zunehmend Meeressäugetiere, während sich uns der Meeresboden durch verschiedene Strukturen offenbarte.

Nachdem wir am Montag den Marianengraben durchquert hatten, passierten wir den Marcus-Necker-Rücken, eine unterseeische Seamount-Kette, die unter die Philippinische Seeplatte subduziert und teilweise für die Krümmung des Marianenbogens verantwortlich ist (Miller et al., 2006). Anschließend überquerten wir den Shatsky-Rücken, eine riesige LIP, die einen der größten Vulkane des gesamten Sonnensystems aufweist (Sager et al., 2013). Gleich danach stießen wir auf die Emperor-Kette, den ältesten Teil der Hawaiianischen Seamount-Kette, die in Geologie-Lehrbüchern oft als Paradebeispiel für Hotspot-Vulkanismus und eine schnelle Richtungsänderung in der Plattenbewegung aufgeführt wird. Gegen Ende der Expedition werden wir den Aleutengraben überqueren und damit neben dem Neubritannien-, dem Melanesien- und dem Marianengraben den vierten ozeanischen Graben auf unserem Weg in den Norden durchqueren.

Bathymetrische Karte des Shatsky-Rückens und tektonische Karte mit der SO292/2-Schiffsroute oben (Sager et al., 2013). Der graue Bereich (unten rechts) zeigt den Umriss des Olympus Mons (Mars) im gleichen Maßstab
Bathymetrische Karte des Shatsky-Rückens und tektonische Karte mit der SO292/2-Schiffsroute oben (Sager et al., 2013). Der graue Bereich (unten rechts) zeigt den Umriss des Olympus Mons (Mars) im gleichen Maßstab

In der Zwischenzeit laufen die Arbeiten an den in den Arbeitsgebieten gesammelten Proben weiter, wobei die Wissenschaftler*innen die Sedimentkerne und das erbeutete Material aus der Dredge untersuchen. Um die Proben in künftigen Veröffentlichungen verwenden zu können, muss alles gründlich katalogisiert und mit den entsprechenden Metadaten angemessen gespeichert werden. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass erhöhte pH-Werte (8-9) mit Porenwässern aus frisch eruptierten Schlämmflüssen an den Probenahmestellen in Verbindung stehen, und dass die beprobten Schlammvulkane möglicherweise verarmtes ultramafisches Mantelgestein eruptiert haben.

Ein aufgespaltener Sedimentkern, der das Auftreten eines Serpentinit-Schlammstroms zeigt
Ein aufgespaltener Sedimentkern, der das Auftreten eines Serpentinit-Schlammstroms zeigt und bereit zur Beschreibung ist
Rhizone, die Porenwasser aus einem Sedimentkern entnehmen
Rhizone, die Porenwasser aus einem Sedimentkern entnehmen

Die während der Fahrt aufgezeichneten atmosphärischen Messungen ergaben auch etwas Unerwartetes, weit inmitten des Pazifiks. Am 12. Juli verzeichneten die Instrumente stark erhöhte Werte für die Aerosol Optische Dicke (AOD) und auch leicht erhöhte Feinstoffanteile (FMF). Diese erhöhten Aerosoleigenschaften traten am frühen Morgen (12.07@20 UTC) bei etwa 31,5° N und 155,5° E auf. Als das Schiff weiter nach Norden fuhr, wurde das Signal langsam schwächer. Zu diesem Zeitpunkt war ein Frontensystem (mit heftigen Regenschauern) über uns hinweggezogen und hatte offenbar die Verschmutzung aus Ostasien mitgeführt. Diese Verschmutzungsadvektion wurde durch das NRL-Vorhersagemodell bestätigt.

Grafik: Erhöhte AOD und FMF an den Schiffspositionen
Erhöhte AOD und FMF an den Schiffspositionen (schwarzer Kreis) stimmen mit der NRL-Aerosolvorhersage überein (https://www.nrlmry.navy.mil/aerosol_web). Diese Vorhersage für [Bitte aktivieren Sie Javascript] UTC deutet auf den Transport von asiatischer Verschmutzung ("Sulfat"-Typ) zur Schiffsposition hin.
Grafik mit AOD-Werten zur Mittagszeit seit 01.06.2022
Erhöhte AOD-Werte zur Mittagszeit
Grafik mit FMF-Werten seit 01.06.2022
Erhöhte FMF-Werte zur Mittagszeit

Die Expedition SO292/2 neigt sich nun dem Ende zu. Nachdem die FS Sonne den gesamten Nordpazifik unbeschadet durchquert hat, läuft sie in die AWZ der Aleuten (USA) ein. Die Wissenschaftler*innen an Bord sind immer noch damit beschäftigt die Labore zu reinigen, zu packen, Ergebnisse abzubilden und die letzten Tage an Bord zu genießen, bevor sie am 21. Juli in Dutch Harbor (Unalaska) von Bord gehen. Abschließend möchte ich den Wissenschaftler*innen und der Schiffsbesatzung meine Anerkennung für ihre Arbeit aussprechen, die einen reibungslosen und erfolgreichen Abschluss dieser Forschungsexpedition ermöglichten.

Im Namen des gesamten SO292/2 Teams

Walter Menapace (Fahrtleiter)

aus der Ferne gesichteter Wal
aus der Ferne gesichteter Wal
(Bildnachweis: Palash Kumawat)