Heiße Flecken in der Tiefsee

Teils lassen sich dort mehr als 300 verschiedene Arten finden, mit Millionen einzelnen Individuen. Dicht besiedelt werden die untermeerischen Schornsteine zum Beispiel von Muscheln, Krabben, Garnelen, Schnecken und Röhrenwürmern, die ausschließlich dort leben. Mitunter werden Hydrothermalquellen deshalb auch als „Hotspot des Lebens“ bezeichnet.

Massivsulfide als Rohstoffquelle

Die Massivsulfide der Schwarze Raucher machen sie jedoch auch für die Industrie interessant. In den Ablagerungen sind Metalle wie Kupfer, Zink und Eisen, aber auch Spuren von Gold, Silber, Indium, Germanium, Tellur und Wismut eingelagert – wenn auch je nach Meeresregion in deutlich unterschiedlichen Mengen und Zusammensetzungen.

Das Aufspüren der hydrothermalen Felder wie auch die Prüfung, ob der Abbau eines Massivsulfid-Vorkommens ökologisch vertretbar und ökonomisch rentabel wäre, ist mit einem großen Aufwand verbunden und teuer. Trotzdem laufen derzeit weltweit mehrere Erkundungsexpeditionen, die von Mitgliedsstaaten der Vereinten Nationen durchgeführt werden.

Die Hoffnung auf eine lohnende Ausbeute unter Wasser leitet sich von den an Land befindlichen Massivsulfid-Lagerstätten ab. An ihrer charakteristischen Struktur lässt sich erkennen, dass es sich dabei um vor vielen Millionen Jahren durch vulkanische Aktivität am Boden einstiger Meere entstandene Schwarze Raucher handelt.

Eine der größten sogenannten VHMS-Lagerstätten (die Abkürzung steht für „Volcanic hosted massive sulfide“) befindet sich in Kidd Creek, in der kanadischen Provinz Ontario. Dort werden seit 1966 Mineralien abgebaut. Heute reicht die Mine drei Kilometer tief. Durch Funde wie in Kanada ist bekannt, dass sich die größten Erzmengen unterhalb der einstigen Meeresboden-Kruste verbergen. Ein Grund dafür ist die Oxidation der Sulfide im Wasser. Dadurch werden die am Meeresboden liegenden Mineralien recht schnell unbrauchbar.

Lizenz zur Rohstoffsuche

Wer nach Rohstoffen an Schwarzen Rauchern suchen will, braucht dafür eine Lizenz. Diese vergibt die Internationale Meeresbodenbehörde ISA (International Seabed Authority). Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) hat im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums in Berlin 2015 einen Lizenzvertrag für eine langgestreckte, rund 1.000 Kilometer lange und 300 Kilometer breite Region im Indischen Ozean erworben. Diese Vereinbarung erlaubt es der BGR, innerhalb von 15 Jahren die dortigen Vorkommen im ?Detail zu erkunden. Sie verpflichtet die BGR gleichzeitig dazu, in diesem Rahmen auch Umweltstudien der Wassersäule und des Meeresbodens vorzunehmen – und vor allem die Biodiversität der dort lebenden Tiere zu untersuchen.

Die in Hannover ansässige BGR hat dafür das Projekt „Index“ (Indian Ocean Exploration) gestartet. Das deutsche Lizenzgebiet befindet sich südöstlich von Mauritius, wo der zentrale und der südöstliche Indische Rücken aufeinander treffen. Es umfasst rund 10.000 Quadratkilometer Tiefsee-Meeresboden. Mitarbeiter des Index-Projekts suchen dort nun nach bislang unbekannten Hydrothermalfeldern und führen die geforderten geologischen und biologischen Untersuchungen durch. Dabei ermitteln sie auch den Bedarf an Schutzgebieten und deren nötige Größe.

Daten sammeln für den Naturschutz

Der Lizenzvertrag sieht im Detail vor, dass für den Naturschutz wichtige Umweltdaten erhoben werden: zum Beispiel über die vorhandenen Wassermassen und deren jahreszeitliche Änderungen, zur Primärproduktion an Biomasse durch Photosynthese treibende Organismen an der Wasseroberfläche, zu Kohlenstoffkreisläufen und den am Tiefseeboden lebenden Tieren. Durch diese Vorgaben wird in einem großen Gebiet über lange Zeit hinweg fast lückenlose Grundlagenforschung betrieben.

Die gewonnenen Erkenntnisse sollen der ISA helfen, Rahmenbedingungen für einen potenziellen Abbau von Rohstoffen zu schaffen, die einen nachhaltigen Schutz der Fauna um die Hydrothermalquellen herum gewährleisten. Und darüber hinaus: Ein umfassend umweltverträglicher Tiefseebergbau müsste neben den möglichen Auswirkungen direkt am Meeresboden auch auf Wanderrouten von Meeressäugern, Meeresschildkröten, Haien und Meeresvögeln Rücksicht nehmen. Bislang ist jedoch über die natürlichen Ökosysteme und Dynamiken in diesen Bereichen so wenig bekannt, dass über Art und Umfang möglicher Störungen keine belastbaren Aussagen möglich sind.

Als positives Zeichen für Abbaupläne weisen Forschungsergebnisse der letzten Jahre darauf hin, dass bei aktiven Feldern, die nahe beieinander liegen, ein reger Austausch der Tiere stattfindet und somit eine recht schnelle Wiederbesiedlung nach einer Störung stattfinden könnte. Allerdings haben solche „jungen“ Schlote vermutlich nur recht geringe Einlagerungen an relevanten Sulfiderzen. Wirtschaftlich wesentlich interessanter sind die inaktiven Hydrothermalfelder, die erloschene Schwarze Raucher beherbergen.

Erdkruste auf Wanderschaft

Der Grund für das Erlöschen von Schwarzen Rauchern liegt in der Plattentektonik. Magmakammern in der Tiefe der Erde, die heiße Quellen mit Wärme versorgen, sind stationär. Sie bleiben an einem festen Ort unter der Erdkruste, während diese darüber hinweg „wandert“. Kanäle, die sich dabei zum Meeresboden hin formen, ermöglichen ständig die Entstehung neuer Schwarzer Raucher. Zugleich trennt die Bewegung der Erdkruste die bereits bestehenden hydrothermalen Felder von der Wärmequelle im Untergrund ab, sodass sie allmählich auskühlen – und ihre Aktivität nachlässt. Zudem verstopfen die Ablagerungen von Sulfiden die Schlote, was das Ende ihrer Aktivität noch beschleunigt.

Um herauszufinden, welche Mengen an Massivsulfiden in den darunter verborgenen „Schatzkammern“ lagern, sind Testbohrungen erforderlich.

„In den kommenden Jahren sieht auch das Index-Projekt Testbohrungen im kleinen Maßstab vor“, sagt der an dem Projekt beteiligte Biologe Klaas Meyn. „Dabei werden wir in einem umwelttechnisch detailliert untersuchten Gebiet vergleichen, ob die tatsächlichen mit den erwarteten Störungen übereinstimmen.“

Stetig verbesserte Suchmethoden

Allein im Indischen Ozean wurden bislang 14 Hydrothermalfelder entdeckt, die sowohl aktive als auch inaktive schwarze Raucher enthalten. Oft mutet vor allem die Suche nach inaktiven Feldern wie die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen an. Doch die Forscher verbessern ihre Methoden, Techniken und Kenntnisse stetig. So wissen sie, dass es im Wasser über aktiven Hydrothermalquellen messbare Anomalien gibt, die sich etwa durch hydroakustische und geochemische Sensoren erkennen lassen. Hinweise gibt auch die Temperatur in unterschiedlichen Wassertiefen. Zeigen sich in den Messungen der Forscher charakteristische Muster, weist das oft auf aktive Hydrothermalfelder hin. Haben die Wissenschaftler ein verdächtiges Gebiet aufgespürt, schicken sie Videoschlitten oder ferngesteuerte Tauchroboter in die Tiefe, um es genauer zu erkunden.

Da sich inaktive und aktive Felder oft in direkter Nachbarschaft befinden, werden außerdem hochaufgelöste bathymetrische Karten der Unterwasserregion erstellt. Sie zeigen das Relief des Meeresbodens. Dazu vermessen die Forscher seine Topografie per tiefgeschlepptem Sonar so genau wie möglich. Störungen für Organismen in der Wassersäule werden dabei so gering wie möglich gehalten. Hochentwickelte Multisensor-Geräte können durch elektromagnetische und hydroakustische Signale zusätzliche Daten liefern, die darüber Aufschluss geben, was unter der Oberfläche liegt. Das ist besonders wichtig, da inaktive Felder von Sediment und Schutt überdeckt und dadurch unsichtbar sein können. Die empfindlichen Messgeräte lassen dann dennoch erste Rückschlüsse über ein Massivsulfid-Vorkommen und seine mögliche Größe zu.

Per Roboter bis 6.000 Meter Tiefe

Sind aktive und inaktive Hydrothermalfelder erst einmal entdeckt, werden sie ausgiebig erkundet. Für die Biologen ist dabei das wichtigste Gerät das „Remote Operating Vehicle“, kurz: ROV. Der unbemannte Tauchroboter ist über ein langes Kabel mit dem Forschungsschiff verbunden und lässt sich von dort steuern. Das ermöglicht es, bis zu einer Tiefe von etwa 6.000 Metern zahlreiche Proben und Daten zu sammeln.

Der Roboter ist ausgestattet mit diversen technischen Finessen: etwa hochauflösenden Kameras, etlichen Sensoren, etwa um Strömungen zu messen oder Chemikalien im Wasser aufzuspüren, sowie Geräten zur Probenentnahme. Namen wie Push Core, Kastengreifer, Suction Sampler, Niskin Bottles oder Fluidmesser, lassen erahnen, wozu die Geräte jeweils dienen. Mit ihnen lassen sich kleine Sedimentkerne, Wasser- oder chemische Proben einsammeln.

Mit den ferngesteuerten, feinfühligen Greifarmen des Tauchroboters lassen sich auch Tiere einfangen, beispielsweise kleine Krebse. Alle gesammelten Tiere werden genetisch untersucht, um Verwandtschaftsverhältnisse zwischen verschiedenen Arten zu erkennen und dadurch mögliche Szenarien für die Besiedlung rund um hydrothermale Felder entwickeln zu können.

Den Löwenanteil der biologischen Studien im Index-Projekt haben Meeresbiologen des Deutschen Zentrums für Marine Biodiversitätsforschung des Senckenberg Instituts in Wilhelmshaven übernommen. Der am Projekt beteiligte Biologe Klaas Meyn widmet sich dabei im Rahmen seiner Doktorarbeit minimalinvasiven Methoden zur Datenerfassung. Denn jede Probe, die aus dem Ökosystem entnommen wird, bedeutet einen Eingriff und damit eine mögliche Störung des Systems. Meyn hat deshalb ein Verfahren zur Erfassung der Tiere auf dem Tiefseeboden entwickelt, das auf Bild- und Videomaterial basiert. Dazu werden das ROV und der Videoschlitten gezielt über bestimmte Punkte geführt und die Kameras senkrecht auf den Meeresboden gerichtet, wo sie ständig hochauflösende Videos und Fotos aufnehmen.

Ein GPS für den Ozean

Da das satellitengestützte GPS im Meer nicht funktioniert, sind die Geräte mit einem speziellen Unterwasser-Navigationssystem ausgestattet. Es beruht auf akustischen Signalen, die an Empfänger auf dem Schiff gesendet werden. Aus der Schallgeschwindigkeit, dem genauen Zeitpunkt beim Aussenden des Signals sowie der GPS-Position des Schiffes lassen sich dann die Aufenthaltsorte und Wege der Tauchgeräte berechnen. Damit erstellen die Forscher Bildmosaike, die sich per Software aufbereiten lassen. Zusammen mit den visuellen und technischen Daten entstehen so letztlich detaillierte dreidimensionale Rekonstruktionen der Hydrothermalfelder.

Klaas Meyn verwendet zusätzlich statistische Analysen, um all diese Faktoren und ihren Einfluss auf die Zusammensetzung der Ökosysteme zu bestimmen. Viele Terabyte an Daten und unzählige Stunden am Rechner halfen dem Wissenschaftler, Arbeitsabläufe und Analysen zu etablieren, die sich zur Auswertung und Modellierung der Lebensräume an Schwarzen Rauchern nutzen lassen. Zudem haben es Meyns Studien ermöglicht, die Zusammensetzung der Arten dort mit einer Treffsicherheit von etwa 85 Prozent vorherzusagen.

Die Technik lässt sich auch einsetzen, um Massivsulfid-Lagerstätten auf ihre mögliche Rohstoff-Ausbeute hin zu erkunden. Der Biologe aus Wilhelmshaven bringt damit Artenschutz und Rohstoff-Exploration zusammen. Genau das ist Klaas Meyns wichtigstes Anliegen: „Neben dem Erkunden ökonomisch relevanter Lagerstätten in der Tiefsee müssen auch Erforschung und Schutz der Biodiversität im Fokus stehen – etwas, das in diesem Umfang erst das Index-Projekt ermöglicht hat.“