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Neue Tiefsee-Bohrungen im Südatlantik haben gezeigt, dass zerbrochene Lavaablagerungen auf dem Meeresboden deutlich mehr Kohlendioxid binden als bislang angenommen. Diese porösen Schuttlagen, als Lava‑Brekzien bezeichnet, wirken wie natürliche Kohlenstoffschwämme: Meerwasser zirkuliert durch sie und führt über geochemische Prozesse zur Mineralisierung von gelöstem CO2 in stabilen karbonatischen Mineralen.
How rubble on the seafloor becomes a long-term carbon store
Stellen Sie sich Haufen vulkanischen Schutts vor, die langsam die Flanken eines Unterwasserbergs hinabrutschen. Über Millionen von Jahren werden diese Fragmente – die als Brekzien bezeichnet werden – transportiert, akkumuliert und schließlich auf dem Meeresboden begraben. Sobald Meerwasser durch das poröse Gestein perkoliert, treten chemische Reaktionen in Gang: gelöster anorganischer Kohlenstoff reagiert mit Kalzium, Magnesium und anderen Ionen, so dass karbonatische Minerale, vor allem Calcit und Aragonit, ausfallen und den Schutt verkitten. Dieser Prozess immobilisiert CO2 langfristig in der Festphase und reduziert die Menge an gelöstem Kohlendioxid im Ozeanwasser.
Wissenschaftler der University of Southampton analysierten Probenkerne, die etwa sechzig Millionen Jahre alt sind und tief im Südatlantik entnommen wurden, um zu quantifizieren, wie viel Kohlenstoff durch diesen Mechanismus gebunden wird. Das Material stammt aus der International Ocean Discovery Program (IODP) Expedition 390, einschließlich Proben vom Standort U1557, gewonnen an Bord des Forschungsschiffs Joides Resolution. Die Bohrkerne enthalten eine Reihe von Brekzien‑Lagen, von lockerem vulkanischem Schutt bis zu partiell zementierten Abschnitten, die gute Archive für vergangene Meeresgeochemie darstellen.
Dr. Rosalind Coggon examining cores of upper ocean crust lavas cored during IODP Expedition 390. Credit: Alyssa Stephens, IODP JRSO
What the drilling found—and why it surprised scientists
Mineralogische Analysen, gekoppelt mit detaillierten geochemischen Messungen (z. B. Gesamtcarbonat‑Gehalte, Isotopensysteme wie δ13C, Spurenelementanalysen und Petrographie), zeigen, dass diese Brekzienablagerungen zwischen zwei- und vierzigfach mehr CO2 enthalten als vorher untersuchte, intakte Lavaflüsse. Der zugrunde liegende Grund ist physikalisch und chemisch: Brekzien weisen sowohl hohe Porosität als auch gute Permeabilität auf. Die Hohlräume und Verbindungskanäle ermöglichen eine langzeitige Zirkulation von Meerwasser – oft über Millionen von Jahren –, wodurch kontinuierlich gelöster anorganischer Kohlenstoff zu den Reaktionsflächen transportiert wird. Dort fallen karbonatische Minerale aus und verkitten das Fragmentgestein, wodurch der gebundene Kohlenstoff dauerhaft im Gestein verbleibt.
Wie Dr. Rosalind Coggon, leitende Autorin und Royal Society Research Fellow an der University of Southampton, erklärte: "Wir haben die ersten Kerne dieser spezifischen Materialtypen geborgen, nachdem sie über zig Millionen Jahre über den Meeresboden verfrachtet wurden. Diese porösen, permeablen Ablagerungen haben das Potenzial, große Mengen an im Meerwasser gelöstem CO2 zu speichern, da sie nach und nach durch kalziumreiche karbonatische Minerale verfestigt werden." Die Untersuchung nutzte eine Kombination aus makroskopischer Beschreibung, Dünnschliff‑Petrographie, Röntgendiffraktometrie (XRD) zur Mineralidentifikation und thermogravimetrischer Analyse (TGA) zur Quantifizierung des Carbonatgehalts.
Scientific context: The long-term carbon cycle and mid-ocean ridges
Der langfristige Kohlenstoffkreislauf steuert die atmosphärischen CO2‑Konzentrationen über geologische Zeiträume, indem er Kohlenstoff zwischen Erdinnerem, Ozean und Atmosphäre austauscht. Mittelozeanische Rücken – Verwerfungszonen, an denen tektonische Platten auseinanderdriften und neue ozeanische Kruste entsteht – produzieren große Mengen basaltischen Gesteins. Wenn frisch gebildete Kruste abkühlt und bricht, kann Meerwasser in die Klüfte eindringen und hydrothermale sowie diagenetische Reaktionen antreiben, die Elemente und Kohlenstoff zwischen Ozean und Lithosphäre umverteilen. Diese Prozesse beeinflussen langfristig den anorganischen Kohlenstoffhaushalt des Ozeans sowie die globale Klimaentwicklung.
Bislang richtete sich die meiste wissenschaftliche Aufmerksamkeit auf intakte basaltische Kruste und Alterationsprozesse in geschichteten (sheeted) und massiven Lavaflüssen. Diese Studie hebt hervor, dass Brekzien, die durch Erosion an den Flanken von Rücken entstehen, ein bisher unterschätztes Reservoir darstellen. Praktisch verhält sich dieser Schutt wie ein Filter und eine langsam arbeitende chemische Fabrik: Meerwasser liefert gelöstes CO2 und Ionen, während sukzessive Mineralneubildung den Kohlenstoff in stabilen Karbonaten fixiert. Solche Mechanismen sind relevant für die Meeresgeochemie, für Modelle der karbonatischen Sedimentation und für Schätzungen der langzeitlichen Kohlenstoffsenken in der Festen Erde (solid‑Earth sink).
Research vessel Joides Resolution. Credit: Dr. Rosalind Coggon
Implications for climate history and carbon budgets
Die Erkenntnis, dass Brekzien deutlich mehr CO2 binden können, hat direkte Folgen für die Art und Weise, wie Geowissenschaftler die Festland‑ und Festerd‑Kohlenstoffsenken berechnen. Werden diese porösen Ablagerungen in großem Umfang entlang mittelozeanischer Rücken oder an bestimmten tektonischen Settings gefunden, könnten sie Rekonstruktionen vergangener atmosphärischer CO2‑Werte beeinflussen und Modelle zur Klimaregulierung der Erde über geologische Zeiträume präzisieren. Insbesondere ist dies wichtig, wenn Forscher Emissionsraten von vulkanischem CO2 an Rücken mit der Kapazität des Ozeans vergleichen, dieses CO2 geologisch zu entfernen und zu speichern.
Über die Paläoklima‑Forschung hinaus liefert die Entdeckung eine verfeinerte Basisinformation, die für jede zukünftige Überlegung zu unterirdischen oder geologischen CO2‑Speicher‑Analogien relevant ist. Der natürliche Prozess – Meerwassergetriebene Mineralisierung in permeablem Gestein – zeigt ein reales Beispiel effizienter, langfristiger Kohlenstofffixierung. Solche natürlichen Analogien sind wertvoll für die Bewertung von Risiken, Stabilität und der Lebensdauer technischer CCS‑(Carbon Capture and Storage)‑Lösungen im Untergrund, weil sie reale geochemische Pfade und kinetische Grenzen aufzeigen.
What the expedition involved
- Drilling and coring at IODP Site U1557 during Expedition 390, sampling upper ocean crust and associated breccia. Die Expedition kombinierte seismische Vorerkundungen, präzise Positionierung des Bohrschiffs Joides Resolution und systematisches Kernen von Meeressedimenten und oberer Ozeankruste, um repräsentative Profile entlang der Rückenflanken zu erhalten.
- Petrographic and geochemical analyses to quantify carbonate content and estimate CO2 storage. Analytische Methoden umfassten Dünnschliffe, Rasterelektronenmikroskopie (SEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), Infrarotspektroskopie (FTIR) sowie Massenspektrometrie für Isotopenverhältnisse; daraus wurden Carbonatfraktionen und gebundene Kohlenstoffmengen abgeschätzt.
- Comparative assessment against previously sampled intact lavas to measure the increase in stored carbon (2–40x). Der Vergleich berücksichtigte strukturelle Unterschiede (Kluftraten, Porosität), Mineralphasen und die Geschichte der diagenetischen Zementation, um Unterschiede in der CO2‑Speicherung zwischen Brekzien und intakten Flüssen zu quantifizieren.
Expert Insight
'This discovery fills an important gap in our understanding of seafloor carbon sinks,' says Dr. Maya Singh, marine geochemist at the Woods Hole Oceanographic Institution. 'Breccia layers are heterogeneous and often overlooked, yet they offer extensive pore networks where mineralisation can proceed over geological timescales. Incorporating them into global carbon budgets will sharpen our view of Earth's long-term climate regulation.' Dr. Singh betonte außerdem, dass die Heterogenität der Brekzien – Variationen in Korngröße, Sortierung und Mineralbestand – sowohl die Geschwindigkeit als auch die Lokalisation der Mineralisationsprozesse steuert. Solche Feinheiten sind entscheidend, um regionale Schätzungen der Kohlenstoffspeicherung zu erstellen.
Während Wissenschaftler weiterhin die Veränderung der ozeanischen Kruste kartieren und mineralisierten Kohlenstoff quantifizieren, werden diese Schutt‑Reservoirs ein wichtiger Baustein im Gesamtbild sein – eine Erinnerung daran, dass kleine Gesteinsfragmente über lange Zeiträume und unter passenden chemischen Bedingungen enorme Mengen an Kohlenstoff speichern können. Für die Forschung bedeutet dies, dass integrierte Ansätze – die Geophysik, Petrologie, Geochemie und Modellierung verbinden – nötig sind, um das globale Ausmaß und die Dynamik dieser Kohlenstoffsenken zu verstehen. Die Ergebnisse der IODP Expedition 390 geben dabei wichtige Messpunkte und methodische Leitlinien für künftige Untersuchungen der Tiefsee und der karbonatischen Diagenese.
Quelle: scitechdaily
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