Zeitliche Entwicklung globaler biogeochemischer Kreisläufe
Die Geochemie der Stabilen Isotope von Schwefel, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff in Sedimenten und Sedimentgesteinen, Biomineralen, organischem Material und Wässern steht im Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Forschungsschwerpunkt ist die Dokumentation und Interpretation räumlich-zeitlicher Variationen der verschiedenen Isotopensignaturen, die als Proxy-Signale für geologische und biologisch gesteuerte Prozesse eingesetzt werden. Diese geochemischen Fingerabdrücke dokumentieren die Interaktion zwischen Atmosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und Lithosphäre, also die Wechselwirkungen innerhalb des Systems Erde.
Hier finden Sie eine Zusammenfassung ausgewählter Forschungsprojekte:
Schwefelumsatz in Subduktionszonen
Submariner Hydrothermalismus an intraozeanischen Plattengrenzen und in Back-Arc-Becken zeigt eine deutlich höhere Variabilität als an mittelozeanischen Rücken, resultierend aus den grundsätzlichen Unterschieden im plattentektonischen Kontext. Schwefel als wichtige Komponente in Hydrothermalsystemen ist ebenfalls sehr variabel im Hinblick auf Konzentration, Speziierung (Sulfid, Sulfat, elementarer Schwefel, intermediäre Schwefelspezies) und Isotopenzusammensetzung. Dabei reflektieren die Schwefelisotope hydrothermaler Fluide und Präzipitate die verschiedenen Schwefelquellen und Schwefelumsatzprozesse. Prinzipielle Quellen sind das Meerwassersulfat, Schwefel in Ozeanbodengesteinen sowie ein direkter magmatischer Beitrag wie etwa Schwefeldioxyd. Umsatzprozesse sind thermochemische Sulfatreduktion, Wasser-Gesteins-Wechselwirkung, SO2-Disproportionierung und mikrobieller Schwefelumsatz.
Im Zentrum des Projekts stehen die multiplen Schwefelisotope (32S, 33S, 34S, und 36S) ausgewählter Hydrothermalsysteme entlang des Kermadec-Tonga Inselbogensystems im Westpazifik. Ziele sind die (isotopen)geochemische Charakterisierung der hydrothermalen Fluide und Präzipitate, die Identifikation der verschiedenen Schwefelquellen und Schwefelumsatzprozesse, mit einem Fokus auf dem mikrobiellen Schwefelumsatz. Hierzu wurden umfangreiche Probensätze im Rahmen von zwei Ausfahrten entlang des Kermadec-Tonga Inselbogens und des Nordöstlichen Lau-Beckens gewonnen (F/S SONNE Fahrten SO253 und SO263). Proben umfassen hydrothermale Fluide und Präzipitate (verschiedene Sulfide, Sulfate, elementarer Schwefel), hydrothermale Plumes, Meerwasser, lithologisch variable Ozeanbodengesteine und biologische Proben. Es ist das übergeordnete Ziel der Studie, unsere Erkenntnisse über die Hydrothermalsysteme an intraozeanischen Plattengrenzen und in Back-Arc-Becken zu erweitern, wobei der Fokus auf dem Schwefel als wichtigem Element in anorganischen und mikrobiell gesteuerten Umsatzprozessen liegt.
Der Einfluss des Steinkohlebergbaus auf Atmosphäre, Böden, Oberflächen- und Grundwässer
Der Einfluss des Steinkohlebergbaus auf unsere Umwelt war und ist vielschichtig. Betroffen sind Oberflächen- und Grundwässer (Einleitung von Grubenwässern, Einsickern von Abbauprodukten der Koksproduktion), die Bodenzone (Wind-verblasenen Kohlestaub) und die Atmosphäre (Kohleverbrennung). Stofflich umfassen die diversen Belastungen neben den Elementen Kohlenstoff und Schwefel ein umfangreiches Spektrum organischer Schadstoffe und Metalle. Ziel der Untersuchungen ist stets die eindeutige Differenzierung der anthropogenen Belastungen vom natürlichen, geogenen Hintergrund. Geochemische Untersuchungsmethoden ermöglichen die Quantifizierung der Belastungen. Isotopengeochemische Untersuchungen dienen der eindeutigen Identifizierung der Herkunft gelöster oder partikulärer Belastungen sowie der Charakterisierung relevanter Umsatzprozesse. Ein entsprechender Ansatz multipler hydro-, geo- und isotopengeochemischer Analysemethoden ermöglicht auch die Feststellung natürlicher Schadensminimierung ("natural attenuation") oder der Kontrolle des Erfolges eingeleiteter Sanierungsmethoden. Zu diesem übergeordneten Thema finden Untersuchungen sowohl in Deutschland als auch in China statt.
Biogeochemie von Methanaustritten am Meeresboden
Viele Regionen des Meeresbodens sind durch der Austritt von Methan gekennzeichnet. Dieses Methan ist das Produkt des mikrobiellen und/oder thermischen Umsatzes von organischem Kohlenstoff im Sediment. Unter den richtigen Temperatur- und Druckbedingungen wird das Methan in Form sog. Methanhydrate im Sediment fixiert, oder das gasförmige Methan migriert in Richtung des Meeresbodens, um dann in die Wassersäule auszutreten. Im Sediment und in der Wassersäule wird das Methan unter wechselnden Redoxbedingungen zumeist mikrobiell umgesetzt. Unter anoxischen Bedingungen spielt vor allem der Prozess der Sulfat-gestützten anaeroben Methanoxidation eine wichtige Rolle. Dieser mikrobiell gesteuerte Prozess verknüpft den Schwefel- und den Kohlenstoffkreislauf. Erhaltungsfähige Produkte im Sediment, sog. authigene Mineralneubildungen, sind Karbonat und Pyrit. Isotopengeochemische Untersuchungen dieser Minerale belegen eindeutig die genannte Reaktion und ermöglichen eine Charakterisierung der vorherrschenden Umweltbedingungen. Zu diesem übergeordneten Thema finden Untersuchungen an Sedimentbohrkernen und Porenwässern des südchinesischen Meeres und der Marmara-See statt.
Saisonalität biogeochemischer Prozesse in stratifizierten Seen
Jahreszeitlich geschichtete Seen bieten die Möglichkeit, Veränderungen relevanter biogeochemischer Stoffumsätze unter wechselnden Redoxbedingungen zu studieren. Als natürliche Laboratorien bieten die beiden großen Stillgewässer (Großes Heiliges Meer und Erdfallsee) im Naturschutzgebiet "Heilliges Feld" bei Hopsten hierfür beste Untersuchungsbedingungen. In beiden Seen entwickelt sich aufgrund der Temperaturveränderung im Verlaufe des Frühsommers und Sommers eine stabile Schichtung der Wassersäule aus. Als Folge ist im Spätsommer/Herbst jeweils die untere Hälfte beider Seen sauerstofffrei. Hydrochemische und isotopengeochemische Vertikalprofile durch die Wassersäule und die Untersuchung von Sedimentkernen belegen deutlich den Umsatz des im See verfügbaren organischen Materials durch aerobe Respiration (in der oberen Hälfte) bzw. anaerobe Sulfatreduktion (in der unteren Hälfte). Methan in der Wassersäule und im Sediment belegt des Weiteren die mikrobielle Methanbildung im Sediment. Untersuchungen zu unterschiedlichen Jahreszeiten verdeutlichen den saisonalen Wechsel von Stagnation und Vollzirkulation und das damit verknüpfte Auf und Ab der Redoxzonierung und der relevanten biogeochemischen Stoffumsätze.
Untersuchungen zum Schwefelkreislauf in Hydrothermalsystemen des Tyrrhenischen Meeres
Basierend auf den Erkenntnissen zum Schwefelkreislauf an mittelozeanischen Rücken (eigene Untersuchungen am Mittelatlantischen Rücken) werden multiple Schwefelisotope in hydrothermalen Fluiden, Massivsulfiden und –sulfaten sowie Sedimenten und Porenwässern eingesetzt, um Herkunft und Umsatzprozesse des Schwefels in zwei Zielregionen im Tyrrhenischem Meer zu charakterisieren: die submarinen hydrothermalen Exhalationen und Massivsulfide bei Palinuro und bei Panarea. Vor allem in den Sedimenten geht es um die Abgrenzung zwischen klar hydrothermalen Präzipitaten und mikrobiellem Schwefelumsatz.
Peering into the Cradle of Life
Eine der spannendsten Fragen in den Erd- und Lebenswissenschaften ist, wo und wann das Leben auf unserem Planeten seinen Anfang nahm. Gut erhaltene Sedimentgesteine mit einem Alter von 3,5 Milliarden Jahren enthalten bereits klare Lebensspuren: mikroskopisch kleine Strukturen kohligen Materials, die als Mikrofossilien interpretiert werden, Stromatolite sowie geochemische und isotopengeochemische Belege für ein komplexes mikrobielles Ökosystem bereits in der Frühphase der Erdgeschichte. Ältere Zeugnisse fehlen aufgrund der deutlichen Überprägung eines ohnehin spärlichen Gesteinsarchivs.
Der Barberton Greenstone Belt im südlichen Afrika repräsentiert eine der am besten erhaltenen Abfolgen suprakrustaler Gesteine auf der Erde mit einem Alter zwischen 3,5 und 3,2 Milliarden Jahren. Die Gesteinsabfolge erlaubt damit einen Einblick in die physiko-chemischen Rahmenbedingungen erdoberflächennaher Habitate, in denen sich das frühe Leben entwickelte. Unter dem Schirm des International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) erfolgten im Rahmen des Projektes „Peering into the Cradle of Life“ in 2011 und 2012 Bohrungen in diese Gesteinsabfolge, um gut erhaltenes Probenmaterial für ein breites Spektrum geowissenschaftlicher Untersuchungen eines internationalen Forscherteams zu gewinnen.
Multiple Schwefelisotope sind als eindeutige Biosignatur etabliert, sowohl in heutigen als vor allem in geologisch alten Systemen einschließlich der gut erhaltenen Sedimentfolgen im Barberton Greenstone Belt. Hinzu kommt, dass die massenunabhängige Fraktionierung der Schwefelisotope ein Anzeiger für die Atmosphärenzusammensetzung ist, vor allem mit Blick auf die Sauerstoffkonzentration. Konsequenterweise sollen multiple Schwefelisotope und ergänzende geochemische Untersuchungen Anwendung finden um einen Blick in die Wiege des Lebens zu werfen.
Weiterführende Links: Barberton Drilling Project - 1 und Barberton Drilling Project - 2Peering into the Cradle of Life
International Innovation, published by Research Media, is the leading global dissemination resource for the wider scientific, technology and research communities, dedicated to disseminating the latest science, research and technological innovations on a global level. More information and a complimentary subscription offer to the publication can be found at: www.researchmedia.eu
Multiple Schwefelisotopenuntersuchungen als Spiegel der Atmosphäre-Ozean-Entwicklung im Archaikum und Paläoproterozoikum
Ein sehr deutlicher Zuwachs in unserem Verständnis über die Funktionsweise des globalen Schwefelkreislaufs in der frühen Erdgeschichte lässt sich durch die Analyse multipler Schwefelisotope in archaischen und früh-paläoproterozoischen Sedimentgesteinen erreichen. Mögliche Implikationen liegen dabei deutlich über denen, die durch die klassischen δ34S Daten gewonnen wurden/werden können. Im Sinne eines chemostratigraphischen Ansatzes werden hierzu wichtige sedimentäre Abfolgen im südlichen Afrika, in Westaustralien und in Kanada mit einem geologischen Alter >2000 Ma untersucht. Entsprechende Isotopenzeitreihen aus der simultanen Messung aller vier stabilen Schwefelisotope (32S, 33S, 34S, und 36S) werden es ermöglichen, kritische Fragen zur frühen Erdgeschichte in bisher nicht möglichem Detail zu beleuchten: zeitliche Variationen in der Atmosphärenzusammensetzung, die Evolution von Stoffwechselpfaden des Schwefels, sowie die Funktionsweise des globalen Schwefelkreislaufs im Ganzen. All diese Informationen werden unser Gesamtverständnis über die Funktion des Systems Erde in der frühen Erdgeschichte deutlich vorantreiben.
Für die Bestimmung der multiplen Schwefelisotope werden die verschiedenen Schwefelspezies zunächst aus der Originalprobe extrahiert und als Silbersulfid präzipiert. Dieses wird dann für die massenspektrometrische Messung zu Schwefelhexafluorid umgesetzt. Im Rahmen eines DFG-geförderten Forschungsvorhabens wurden die erforderlichen analytischen Methoden etabliert, im Speziellen eine Fluorinierungsanlage und die damit gekoppelte Massenspektrometrie.
FAR-DEEP: Auf der Suche nach dem Sauerstoff in Nordrussland
Der Übergang vom Archaikum zum Proterozoikum (ca. 2500 Millionen Jahre vor heute) ist durch vielfältige geologische, geochemische und klimatische Veränderungen gekennzeichnet. Teil dieser Sequenz von durchgreifenden Änderungen im System Erde war ein deutlicher Anstieg in der Sauerstoffkonzentration des Atmosphäre-Ozean-Systems im frühen Paläoproterozoikum vor ca. 2350 Millionen Jahren (G.O.E. - Great Oxidation Event). Diese Veränderung in der Atmosphärenzusammensetzung führte zum Beginn der oxidativen Verwitterung auf den Kontinenten, zum Anstieg der Sauerstoffkonzentration zumindest im oberflächennahen Ozean und als Konsequenz dessen zu einer räumlichen Verschiebung der biologisch gesteuerten Redoxprozesse in der Wassersäule. Die bisher vorwiegend anaeroben Prozesse verlagerten sich in das anoxische Tiefenwasser oder das Sediment.
Im Rahmen des Internationalen Kontinentalen Tiefbohrprogramms (ICDP) werden im Projekt FAR-DEEP (Fennoscandian Arctic Russia - Drilling Early Earth Project) in 2007 in drei Regionen Nordrusslands und Kareliens 15 Bohrungen mit einer vorgesehenen Gesamtkernlänge von 3740 m durchgeführt. Diese Bohrungen werden die genannten Veränderungen im Übergang vom Archaikum zum Proterozoikum erschließen und frisches Gesteinsmaterial für weiterführende geologische und vor allem geochemische Untersuchungen liefern. Finanziert werden die Arbeiten auch durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Weiterführende Links: FAR-DEEP Homepage und Spiegel-Online ArtikelRekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des marinen Schwefelkreislaufs, reflektiert durch die Schwefelisotopie von strukturell gebundenem Spurensulfat in biogenen Karbonaten und anorganischen Kalksteinen.
Aussagen zur zeitlichen Entwicklung des marinen Schwefelkreislaufs werden durch eine Betrachtung der Schwefelisotopie des Meerwassers ermöglicht. Der klassische Ansatz dazu ist die Analyse mariner Evaporite aus der geologischen Vergangenheit. Sulfate repräsentieren als chemische Sedimente die Isotopensignatur des gelösten Meerwassersulfats, welches zur Ablagerung gekommen ist. Begründet vornehmlich durch die hohe Verwitterbarkeit der Evaporite, aber auch Zeiten der Nichtablagerung, ist die zeitliche Auflösung im Verlauf der Erdgeschichte jedoch sehr fragmentarisch. Hinzu kommt, dass die zeitliche Einstufung der Evaporite häufig mit großen Fehlern behaftet ist. Marine Karbonate enthalten Sulfat, welches während der Karbonatabscheidung strukturell eingebaut wird. Dabei werden vor allem in biogenen Karbonaten Konzentrationen erreicht, die die Analyse der Schwefelisotopie dieses Spurensulfats ermöglichen. Gleichzeitig können die kalkschaligen Fossilien für eine biostratigraphische Einstufung herangezogen werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Erstellung einer neuen zeitlichen Entwicklungskurve für die Schwefelisotopie des phanerozoischen Meerwassers. Die bessere zeitliche Auflösung und größere Vollständigkeit für diesen Datensatz resultiert in der Dokumentation bisher nicht bekannter zeitlicher Variationen. Die Untersuchungen zur Schwefelisotopie der Spurensulfate werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.
Schwefelisotopenuntersuchungen gelöster und fester Schwefelspezies in Fluiden, Mineralpräzipitaten, Sedimenten und Gesteinen des Mittelatlantischen Rückens
Hydrothermalsysteme an mittelozeanischen Rücken dokumentieren die Interaktionen zwischen Hydrosphäre, Lithosphäre und Biosphäre. Schwefel partizipiert sowohl in anorganischen als auch mikrobiell gesteuerten Prozessen in diesen Ventsystemen. Schwefelisotopenuntersuchungen liefern wichtige Informationen über Reaktionspfade des Schwefels. Die prinzipiellen Endglieder des Schwefelkreislaufs an mittelozeanischen Rückensystemen sind das Meerwassersulfat (δ34S von +21‰) und basaltischer Schwefel (δ34S von +0‰). Die Analyse der Schwefelisotopensignaturen der verschiedenen Schwefelverbindungen in Fluiden, hydrothermalen Präzipitaten, alterierten Mafiten und Ultramafiten sowie der assoziierten Ventfauna und eine Quantifizierung der Isotopenfraktionierung wird letztendlich zu einem umfassenden Verständnis der entsprechenden Stoffflüsse führen. Das Ziel des Projekts ist das qualitative und quantitative Verständnis des Schwefelkreislaufs am Mittelatlantischen Rücken. Ein wichtiger Aspekt dabei sind Langzeitbeobachtungen, um zeitliche Veränderungen in den physiko-chemischen Rahmenbedingungen und daraus folgende Änderungen in der chemischen und isotopischen Zusammensetzung der Ventfluide sowie des gesamten Ökosystems aufzuzeigen.
Die chemische Evolution des Ozean-Atmosphäre-Systems im späten Neoproterozoikum und frühen Kambrium
Das späte Neoproterozoikum (Cryogenium und Ediacarium) und der Übergang in das Kambrium sind durch umfangreiche Veränderungen in der Paläogeographie, in der chemischen Zusammensetzung des Ozean-Atmosphäre-Systems sowie in der Entwicklungsgeschichte des Lebens gekennzeichnet. Diese wirken prägend auf die globalen geochemischen Kreisläufe des Kohlenstoffs und des Schwefels. Auf der Basis geochemischer (C, S, Fe) und isotopengeochemischer (C, O, S) Untersuchungen relevanter sedimentärer Abfolgen in Südchina und Namibia sollen diese zeitlichen Variationen charakterisiert und quantifiziert werden.
Quantifizierung und geochemische Charakterisierung der Massenflüsse und chemischen Verwitterungsraten in Flusseinzugsgebieten des nördlichen Rheinischen Schiefergebirges
Die chemische Zusammensetzung von Flüssen spiegelt die Verwitterung im Bereich des Einzugsgebietes wider. Ziel einer Studie im nördlichen Rheinischen Schiefergebirge ist es, die rezenten Massenflüsse anhand von Abflussdaten und der chemischen Analyse der gelösten und partikulären Flussfracht zu quantifizieren. Hierzu werden eine Auswahl an Haupt- und Spurenelementen sowie einige stabile Isotope gemessen. Parallel zur chemischen Charakterisierung der Flussfracht erfolgt die Bestimmung der Erosionsraten mithilfe kosmogener Nuklide*, speziell der Untersuchung von 10Be in Quarzen aus Flusssedimenten. Die Raten für Erosion und Sedimenttransport sollen mit den Sedimentmengen verglichen werden, die sich über Jahrzehnte in Stauseen der Flusseinzugsgebiete abgelagert haben. Die geplanten Untersuchungen werden quantitative Aussagen zur spätquartären Landschaftsentwicklung eines typischen Mittelgebirges in Zentraleuropa sowie zum Einfluss von physikalischer und chemischer Verwitterung auf die Zusammensetzung von Flussfrachten erlauben.
(*gemeinsames Forschungsvorhaben mit Prof. Dr. R. Hetzel)
Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf im Jungpaläozoikum.
Die Evolution der Landpflanzen und deren rasche Verbreitung auf den Kontinenten im Jungpaläozoikum führt zu entscheidenden Veränderungen innerhalb des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Dieser teilt sich in einen marinen und einen terrestrischen Teil, wobei die Charakterisierung und Quantifizierung des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs das zentrale Thema dieses Forschungsprojektes sind. Dieses erfolgt durch die Analyse der Kohlenstoffisotopie des organischen Kohlenstoffs, wobei vor allem gut erhaltene Pflanzenfossilien als Probenmaterial zur Verfügung stehen. Durch die Verknüpfungen des Kohlenstoffkreislaufs mit anderen geochemischen Kreisläufen ergeben sich aus der Besiedlung der Kontinente durch Landpflanzen und den Eintrag detritischer terrestrischer Organik in die randmarinen Sedimentationsräume interessante Wechselwirkungen. Die Untersuchungen zum terrestrischen Kohlenstoffkreislauf werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Dieses Projekt ist Teil des DFG Schwerpunktprogramms "Evolution des Systems Erde während des jüngeren Paläozoikums im Spiegel der Sedimentgeochemie".
Charakterisierung des sedimentären Schwefelkreislaufs im Paläozoikum.
Zeitliche Variationen des marinen Schwefelkreislaufs im Paläozoikum sollen durch die Analyse strukturell gebundenen Sulfats biogener Karbonate, sedimentärer Sulfide und organisch gebundenen Schwefels aufgezeigt werden. Vor allem die biologisch gesteuerten Prozesse stehen dabei im Zentrum der Untersuchungen, da sie durch teilweise substantielle Fraktionierungen der Schwefelisotopie eine entsprechende Identifizierung und Charakterisierung ermöglichen. Erste Ergebnisse belegen die detaillierten Interpretationsmöglichkeiten im Zusammenhang mit einer speziesabhängigen Differenzierung des sedimentären Schwefelpools. Die Wechselwirkung mit dem Kohlenstoffkreislauf führt vor allem im Hinblick auf die im Jungpaläozoikum erfolgende Besiedlung der Kontinente durch Landpflanzen zu interessanten Fragestellungen. Die Untersuchungen zum paläozoischen Schwefelkreislauf werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Dieses Projekt ist Teil des DFG Schwerpunktprogramms "Evolution des Systems Erde während des jüngeren Paläozoikums im Spiegel der Sedimentgeochemie". Die durchgeführten Studien dienen dem Ziel, die Geochemie der stabilen Isotopen von Kohlenstoff, Schwefel, Sauerstoff in Sedimenten und Sedimentgesteinen, Biomineralien und organischem Material über geologische Zeiträume hinweg zu dokumentieren. Diese Signaturen werden als Proxy-Signale, oder geochemische Fingerabdrücke eingesetzt, um wichtige Entwicklungen in Biosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre, und Atmosphäre zu rekonstruieren. In Kombination mit den stabilen Isotopen findet hier auch die Isotopie des Strontiums Anwendung.
Weitere Informationen
Für weitere Informationen zu diesen Forschungsschwerpunkten wenden Sie sich bitte an Prof. Dr. Harald Strauss.