Wie Klimaschwankungen den Vulkanismus an mittelozeanischen Rücken beeinflussen

Haben Klimaschwankungen Einfluss auf den Vulkanismus an mittelozeanischen Rücken? Dieser Frage geht ein internationales Forschungsteam unter Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel auf der Expedition SO321 mit dem Forschungsschiff SONNE nach. Das Team ist nun von Vancouver, Kanada, in Richtung des Cleft-Segments vor der Küste der USA aufgebrochen.

Längste Gebirgskette der Welt

Das System der mittelozeanischen Rücken ist die längste Gebirgskette der Welt und zugleich noch wenig erforscht. Es umspannt die gesamte Erde und erstreckt sich über rund 65.000 Kilometer. Mehr als 90 Prozent davon liegen in der Tiefsee, in einer durchschnittlichen Wassertiefe von etwa 2,5 Kilometern. 

An mittelozeanischen Rücken driften zwei tektonische Platten auseinander. Dabei steigt heißes Material aus dem Erdmantel auf, wodurch neue Ozeankruste und Unterwasservulkane entstehen. Ein Großteil der weltweiten vulkanischen Aktivitäten findet entlang der mittelozeanischen Rücken statt. Im Untersuchungsgebiet der Expedition SO321, dem Cleft-Segment des südlichen Juan-de-Fuca-Rückens, bewegen sich die Platten mit fünf bis sechs Zentimetern pro Jahr auseinander. Aktuell ist die zentrale Spalte des Cleft-Segments 30 bis 50 Meter breit und zehn Meter tief. 

In den vergangenen Jahrmillionen hat sich der Meeresspiegel durch das Wachsen und Abschmelzen von Eisschilden und Gletschern immer wieder um bis zu 130 Meter verändert. Mit steigendem oder sinkendem Meeresspiegel verändert sich auch der Druck auf den Meeresboden und das darunterliegende Erdinnere. Modellrechnungen legen nahe, dass der Vulkanismus an mittelozeanischen Rücken auf diese Druckschwankungen reagiert. 

Inwiefern verschiedene klimatische Zustände den Vulkanismus unter Wasser tatsächlich beeinflussen, ist bislang jedoch nicht ausreichend überprüft. Bisherige Studien konzentrieren sich vor allem auf Proben, die nur Informationen über kurze Zeiträume liefern. Ältere Sedimente und vulkanische Gesteine, die während vergangener glazialer Zyklen entstanden sind, sind dagegen schwer zugänglich, da sie mit der Zeit von jüngeren Sedimenten überdeckt wurden.

1,5 Millionen Jahre alte Sedimentproben

„Wir wollen die Sedimente bis in die Epoche des Pleistozäns vor 1,5 Millionen Jahren untersuchen“, erklärt Dr. Christian Timm, Meeresgeologe am GEOMAR und Fahrtleiter des ersten Fahrtabschnitts. „Diese Zeit war geprägt von einem wiederkehrenden Wechsel von Kalt- und Warmzeiten und eignet sich daher besonders gut für die Untersuchung unserer Fragestellung. Dafür entnehmen wir in engem Abstand in etwa 3.000 Metern Wassertiefe mit dem Schwerelot Sedimentkerne – das sind bis zu 25 Meter lange zylindrische Rohre, die in die Sedimentablagerungen auf dem Meeresboden gerammt werden. So gewinnen wir Informationen aus Schichten, die bis zum basaltischen Basement reichen.“

Die Sedimentkerne sind die Archive der Erd- und Meeresgeschichte. In ihnen finden sich beispielsweise vulkanische Glasbruchstücke und verschiedene Metallverbindungen. Diese geben Aufschluss darüber, wie aktiv Vulkane und heiße Quellen am Meeresboden (sogenannte hydrothermale Systeme) in der Vergangenheit waren. Um herauszufinden, woher die Metalle einer Schicht stammen, vergleichen die Forschenden das Verhältnis verschiedener Formen (Isotope) von Blei. Diese Verhältnisse funktionieren wie ein chemischer Fingerabdruck. Verändert sich die Isotopensignatur in den Sedimenten, kann dies darauf hindeuten, dass sich die Herkunft oder das Mischungsverhältnis der durch Vulkanismus eingetragenen Metalle verändert hat. Die Forschenden wollen so rekonstruieren, ob und wie sich der hydrothermale Metallfluss im Laufe der vergangenen 1,5 Millionen Jahre verändert hat und ob diese Veränderungen mit den zyklischen Schwankungen der klimatischen Bedingungen zusammenhängen.

Entnahme von Vulkangläsern

Insbesondere Vulkangläser zeichnen die ursprüngliche chemische Zusammensetzung des Magmas sehr gut auf. Sie geben zusätzlich Aufschluss darüber, wie sich die Magmenbildung und die Entstehung neuer Ozeankruste infolge von Meeresspiegelschwankungen verändert haben könnte. An sedimentfreien Stellen kann frisch entstandenes vulkanisches Glas mit einem sogenannten Waxcorer wie mit einer Art Stempel entnommen werden.

„Unsere Expedition knüpft an eine sehr gute Datengrundlage aus dem Untersuchungsgebiet an, die im vergangenen Jahr während einer gemeinsamen Expedition unter Leitung der Harvard Universität und der Woods Hole Oceanographic Institution erstellt wurde. Das Forschungsteam hat während der Expedition mit dem autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV) Sentry eine detaillierte hochauflösende Karte des Meeresbodens erstellt. Diese gibt uns nun Aufschluss darüber, wo wir unsere Proben entnehmen können“, sagt Christian Timm. 

Dr. Heidrun Kopp, Professorin für Marine Geodäsie am GEOMAR, leitet den zweiten Fahrtabschnitt dieser SONNE-Expedition. Sie sagt: „Die Erforschung der Frage, ob Klima und Vulkanismus an mittelozeanischen Rücken zusammenhängen, kann dazu beitragen, die Wechselwirkungen zwischen Erdinnerem, Ozean und Klima besser zu verstehen. Wenn die vulkanische Aktivität zunimmt, können sich auch die Einträge von CO₂, gelösten Stoffen und Spurenelementen in den Ozean verändern. Das kann Auswirkungen auf die Biogeochemie und die Ökosysteme des Ozeans haben. Unsere Erkenntnisse lassen sich dann auch auf andere Abschnitte des globalen mittelozeanischen Rückensystems übertragen.“

Expedition in Kürze:

Name: SO321/1 T‐SECTOR Cleft
Fahrtzeitraum: 07.08.2026–23.08.2026
Fahrtleitung: Dr. Christian Timm
Fahrtgebiet: Vancouver–Longview

Name: SO321/2 T‐SECTOR Cleft
Fahrtzeitraum: 26.08.2026–16.09.2026
Fahrtleitung: Prof. Dr. Heidrun Kopp
Fahrtgebiet: Longview–Vancouver

Hintergrund:

Die Expeditionen SO321/1 und SO321/2 sind zwei von mehreren Expeditionen zu mittelozeanischen Rücken und Teil des groß angelegten europäischen ERC Synergy Projekts T-SECTOR (Testing Solid Earth - Climate Connections). Diese widmet sich der Frage, wie eng die Prozesse in Atmosphäre, Ozean und Erdinnerem miteinander verknüpft sind. An diesem Projekt ist neben den Arbeitsgruppen von Martin Frank, Heidrun Kopp und Kaj Hoernle vom GEOMAR auch Charles Langmuir von der Harvard University (USA) beteiligt. An der Expedition nehmen außerdem Wissenschaftler:innen der Universität Hamburg teil.