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02/16/10

IODP | Bohrende Fragen, kernige Antworten

Beladen mit einem Bohrturm und einigen Kilometern Bohrgestänge würde das Science-Guide-Forschungsschiff wohl untergehen. Gut, dass die Forscher des Projekts IODP über eigens konstruierte Bohrschiffe verfügen. Die Proben, die die Wissenschaftler aus den Tiefen des Meeresbodens holen, geben Aufschluss über die Geschichte der Erde – und über künftige Bedrohungen.

Von Nora Schlüter

Hintergrund | Das Tagebuch der Erde
Im Labor werden die Bohrkerne aus dem Meeresboden analysiert. © Albert Gerdes, MARUM, Universität Bremen

Tief unter dem Meeresgrund, im Nankai-Graben vor der Küste Japans, grummelt und rumpelt es. In dieser sogenannten Subduktionszone schieben sich zwei Kontinentalplatten übereinander. Die Reibung der riesigen Gesteinsmassen ist Auslöser für Erdbeben und Tsunamis. Für die Küste Japans stellt der Unruheherd eine ständige Gefahr dar. Forscher des IOPD, des Integrated Ocean Drilling Program, bohren im Rahmen des Projekts NanTron SEIZE als Erste diese Erdbebenzone an. Sie wollen herausfinden, was genau die Beben auslöst.

Bisher fehlten die technischen Möglichkeiten, unter dem Meeresgrund in solch eine Zone vorzustoßen. Doch dank der japanischen Chikyu, des modernsten Bohrschiffs der Welt, soll bis zum Jahr 2013 der Vorstoß in über 5000 Meter Tiefe gelingen, wo die Platten aufeinander treffen. Auf 1600 Meter hat man sich bereits vorgebohrt. In den Löchern im Meeresgrund werden nun Sensoren installiert, die Druck, Erschütterungen und Verschiebungen messen. Sie werden Aufschluss darüber geben, ob man ein Beben tatsächlich vorhersagen kann – und könnten eines Tages ein effektives Frühwarnsystem bilden.

Die Forscher interessieren sich natürlich nicht nur für die Bohrlöcher, sondern auch für die Bohrkerne. Die Gesteins- und Sedimentschichten unter dem Meeresgrund bilden immerhin das Tagebuch der Erde. Die Zusammensetzung winziger Partikel, die sich im Laufe der Jahrtausende auf dem Grund abgelagert haben, gibt Aufschluss über erdgeschichtliche Ereignisse, wie beispielsweise Vulkanausbrüche, Meteoriteneinschläge oder Eiszeiten. Je tiefer man bohrt, desto weiter kann man in die Vergangenheit der Erde zurückblicken. Im Rahmen des Projekts IODP führen Forscher von der Arktis bis zur Südsee Bohrungen am Meeresboden durch, um mehr über die Vergangenheit und Gegenwart des Planeten zu erfahren – und präzisere Prognosen für seine Zukunft erstellen zu können.

Ziele | Chemiekünstler unter dem Meer
Das Bohrschiff Vidar Viking in der Arktis. © Martin Jakobsohn, IODP

Auch über die Geschichte des Meeres selbst geben Bohrkerne Aufschluss. So fanden Forscher aus den USA und Europa heraus, dass der Arktische Ozean in frühster Vergangenheit ringsum von Land umgeben war – ein riesiger See im hohen Norden. Erst vor 17,5 Millionen Jahren war seine Verwandlung in jenen Ozean, den wir heute kennen, vollendet. Die Bohrkerne, denen die Wissenschaftler diese Informationen entlockten, umfassen 428 Meter an Sedimenten und stammen vom Grund des Arktischen Ozeans. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 447, Juni 2007).

Am und unter dem Meeresboden gibt es nicht nur leblose Ablagerungen: Neuesten Erkenntnissen zufolge ist er bevölkert von Kleinstlebewesen, die zum Teil unter extremen Bedingungen gedeihen. Kochende Hitze, hohe Drücke, eine nährstoffarme oder schwefelwasserstoffhaltige Umwelt schaden ihnen nicht. Ihr Stoffwechsel soll Anregungen für biotechnische Prozesse und die Herstellung neuer Biomaterialien liefern, denn die kleinen Organismen können etwas, wovon Bioingenieure träumen: chemische Reaktionen unter schwierigsten Bedingungen ablaufen lassen. Die Forscher wollen den Mikroben ihre Tricks abschauen und sich diese dann selbst zunutze machen.

Ein weiterer Schwerpunkt der IODP-Forschung ist das Erdklima, das sich durchaus wechselhaft gestaltete: Herrschte vor einigen zehntausend Jahren klirrende Kälte, war vor 55 Millionen Jahren sogar das Eis an den Polen vollständig abgeschmolzen. Anhand der Bohrkerne kann man Klimazyklen von einigen tausend Jahren bis zu einer halben Million Jahren nachverfolgen. Was löste sie aus, und welche Konsequenzen hatten sie für die Entwicklung des Lebens auf Erden? Diesen Fragen wird besonders an solchen Orten nachgegangen, von denen es bisher wenig Proben gibt, zum Beispiel an Korallenriffen oder im Arktischen Ozeanbecken. Was der Boden der Tiefsee über das Klima der Vergangenheit verrät, zeigt auch  dieses Video des Zentrums für Marine Umweltwissenschaft ( MARUM) und von Deutsche Welle TV.

Vorgehensweise | Explosive Forschung
Das Kernlager in Bremen lagern 135 Kilometer Bohrkerne aus dem Meeresboden. © Albert Gerdes, MARUM, Universität Bremen

Jede der IODP-Expeditionen – zwischen 2003 und 2008 waren es 15 – geht einer ganz bestimmten wissenschaftlichen Fragestellung nach. Und für verschiedene Fragen braucht man verschiedene Schiffe. Für IOPD stehen zur Verfügung: die japanische Chikyu, die amerikanische JOIDES Resolution und einige kleinere Schiffe für Expeditionen in schwer zugängliche Gebiete. Vor New Jersey, wo die Wassertiefe nicht mehr als 30 Meter beträgt, setzen die europäischen IODP-Partner sogar eine Bohrplattform ein, da Schiffe zu viel Tiefgang hätten.

Anderswo ist Tiefgang sehr gefragt: Das größte Schiff der Flotte, die Chikyu, kann in Wassertiefen von bis zu 2500 Metern bohren und verfügt über ein Sicherungssystem für den Fall, dass beispielsweise eine Erdgaslagerstätte angebohrt wird. Diese Lagerstätten stehen unter Druck – bohrt man sie an, ist das in etwa, als würde man mit einer Nadel in einen Luftballon stechen. Ein Rohr-in-Rohr-System für das Bohrgestänge und ein riesiges Druckventil am Eingang des Bohrlochs sollen verhindern, dass den Expeditionsteilnehmern die Bohranlage um die Ohren fliegt.

Während der Expeditionen werden Kerne aus über tausend Meter Tiefe genommen. Dazu wird am vorher festgelegten Bohrort zunächst ein Ortungsgerät angebracht, welches das Schiff trotz Strömung und Seegang auf Position hält. Das Bohrgestänge wird an Bord des Schiffes zu etwa 30 Meter langen Stücken vormontiert und schließlich durch den Bohrturm über ein Loch im Boden des Schiffes zu Wasser gelassen. Nach und nach wird so das Bohrgestänge zusammengebaut und zum Meeresgrund hinabgelassen. Sind nach 24 Stunden an die 5000 Meter montiert, wiegt die ganze Konstruktion über 270 Tonnen – so viel wie 60 afrikanische Elefanten. Nach der eigentlichen Bohrung werden die Bohrkerne an Deck sofort sortiert, beschriftet, begutachtet, archiviert. Sind die Kerne sicher an Land gebracht, werden sie in gekühlten Hallen gelagert und schließlich von Wissenschaftlern analysiert.


Interview | Drei Fragen an Dan Evans

© IOPD

Projektleiter von ECORD, British Geological Survey, Edinburgh, UK

science-guide.eu: Was macht das IODP-Projekt einzigartig?

Dan Evans: IODP erlaubt es Wissenschaftlern auch europäischen Wissenschaftlern als einziges internationales Programm, Bohrungen am Meeresgrund durchzuführen und so wichtige Fragen der Wissenschaft zu beantworten.

science-guide.eu: Welche Expeditionen haben bisher unter Federführung von ECORD stattgefunden?

Evans: Bisher hat ECORD zwei Expeditionen in sehr unterschiedlichen Umgebungen durchgeführt: im Arktischen Ozean und in den Korallenriffen vor Tahiti. Beide waren aus wissenschaftlicher Sicht sehr spannend. Und aus technischer Sicht war die Expedition in die Arktis von besonderer Bedeutung: Dort fand die erste erfolgreiche Bohrung im arktischen Meereseis statt.

science-guide.eu: Welche Expeditionen sind in Zukunft geplant?

Evans: 2009 plant ECORD Expeditionen vor New Jersey und im australischen Great Barrier Reef. 2010 soll es weitergehen, aber noch sind keine konkreten Expeditionen geplant.


Dieser Beitrag entstand im Zuge des EuroScience Open Forum (ESOF) 2008.


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© Albert Gerdes, MARUM, Universität Bremen


Facts

Abkürzungen:
ECORD
= European Consortium for Ocean Research Drilling
IODP
= Intergrated Ocean Drilling Program
OPD
= Ocean Drilling Program

Das European Consortium for Ocean Research Drilling (ECORD) ist der europäische Partner des IODP. ECORD wurde von den europäischen Förderern des IODP-Vorgängerprojektes OPD (Ocean Drilling Program) ins Leben gerufen, da die europäischen Staaten beim IODP geschlossen als ein Partner auftreten wollten.

Projekt-Koordinator:
Dan Evans

Beteiligte Länder:
Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Island, Italien, Kanada, Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, Schweiz

Finanzierung:
Hauptsächlich über die ECORD-Mitglieder, 15 Mio. Euro im Jahr 2008

Laufzeit:
2003 bis 2013

Website:
 www.ecord.org;
 www.iodp.org

Kontakt:
devans@bgs.ac.uk


Der Tod der Dinosaurier

Auch als Bohrkern kann man Berühmtheit erlangen. Der Star des ODP, Vorgängerprogramm des IODP, stammt aus dem Atlantik, 300 Meilen nordöstlich von Florida, und hört auf den schlichten Namen ODP Leg 171B, Kern 1049A, Abschnitt 17X-2. Er zeigt Ablagerungen aus der Zeit des Übergangs zwischen Kreide und Tertiär, jenem Zeitpunkt vor etwa 65 Millionen Jahren, als die Dinosaurier plötzlich von der Erde verschwanden. Lange stritten sich die Gelehrten, was den Riesenechsen zum Verhängnis geworden sein könnte.

Der Bohrkern lieferte schließlich eindeutige Beweise für die Vermutung, ein Meteoriteneinschlag sei Schuld am Aussterben der Saurier. In den Schichten des Kernes sieht man über einer Lage überwiegend organischen Materials eine Schicht kleiner grüner Glaskügelchen, wie sie bei einem heftigen Aufprall entstehen. Auch Gesteinsschutt aus dem Chikxulub-Meteoritenkrater auf der mexikanischen Halbinsel Yucatan fanden Wissenschaftler hier. Sie interessieren sich jedoch besonders für die Schichten darüber – denn hier können sie erkennen, wie Lebewesen den Planeten nach der Katastrophe langsam wieder zurückeroberten. Bereits im Tertiär tummelten sich wieder viele, in diesem Kern gut erhaltene Mikroorganismen in den Ozeanen, die nach dem Einschlag fast ohne Leben waren.

ODP Leg 171B, Kern 1049A, Abschnitt 17X-2. © OPD. Übersetzung: Nora Schlüter. (Zur Vergrößerung auf der Bild klicken!)



Weitere spannende Geschichten zu besonderen Bohrkernen aus dem Ocean Drilling Program gibt es (auf Englisch)  hier.


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