Erdbeben als Motor für den Kohlenstoffkreislauf in der Tiefsee

In einer soeben in externe Seite Nature Communications erschienenen Publikation pr?sentiert der Geologe Michael Strasser erste Erkenntnisse einer einmonatigen Forschungsexpedition vor Japan, die im M?rz 2012 vom ?MARUM ¨C Zentrum f¨¹r Marine Umweltwissenschaften? organisierte wurde. Strasser, bis 2015 Assistenzprofessor f¨¹r Sedimentdynamik an der ETH Z¨¹rich und aktuell Professor f¨¹r Sedimentgeologie an der Universit?t Innsbruck, untersuchte vor Ort mit einem internationalen Team dynamische, durch Erdbeben ausgel?ste Verteilungs- und Umschichtungsprozesse von Sedimenten.

Die Forschenden entnahmen auf einer Tiefe von 7542 Meter unter Meer einen Bohrkern aus dem sogenannten Japangraben, einer 800 km langen Tiefseerinne im nordwestlichen Teil des Pazifischen Ozeans. Der Japangraben ist seismisch aktiv. Dort ereignete sich unter anderem das Tohoku-oki-Erdbeben von 2011, das vor allem aufgrund der Nuklearkatastrophe von Fukushima Schlagzeilen machte. Bei solchen Erdbeben werden enorme Mengen an organischem Material vom flachen Wasser in die Tiefsee gesp¨¹lt. Die so entstandenen Sedimentschichten geben deshalb sp?ter Aufschluss ¨¹ber die Geschichte von Erdbeben und den Kohlenstoffkreislauf in der Tiefsee.

Neue Methoden f¨¹r Altersbestimmungen in Tiefsee

Mit der aktuellen Studie gelang den Forschenden ein Durchbruch. Sie analysierten die kohlenstoffhaltigen Sedimente n?mlich mittels Radiokarbonmethode. Zwar wird die Bestimmung des Gehalts an organischem Kohlenstoff sowie die Messung von radioaktivem Kohlenstoff (¹⁴C) an mineralisierten Verbindungen in einzelnen Ablagerungsschichten schon lange zur Altersbestimmung von Sedimenten eingesetzt. Doch bislang war die Analyse von Proben aus mehr als 5000 Metern unter Meer nicht m?glich, weil sich unter zunehmendem Wasserdruck die mineralisierten Verbindungen aufl?sen.

Strasser und sein Team mussten deshalb neue Methoden f¨¹r die Analytik einsetzen. Eine davon war die so genannte Online-Gas-Radiokarbonmethode, die vom Labor f¨¹r Ionenstrahlphysik in Zusammenarbeit mit dem ETH-Doktoranden Rui Bao und der Biogeoscience Group der ETH Z¨¹rich entwickelt wurde. Damit k?nnen f¨¹r einen einzigen Bohrkern h?chst effizient mehr als hundert ¹⁴C-Altersbestim?mungen direkt an der im Sediment enthaltenen organischen Substanz durchgef¨¹hrt werden.

Die Forschenden wendeten zudem erstmals die Methode der ?Ramped PyrOx?-Messungen (Pyrolyse) f¨¹r die Datierung von Sedimentschichten aus der Tiefsee an. Dies gemeinsam mit dem amerikanischen Woods Hole Oceanographic Institute, welches die Methode entwickelt hat. Dabei wird organisches Material bei unterschiedlichen Temperaturen verbrannt. Da ?ltere organische Materialien st?rkere chemische Verbindungen aufweisen, sind bei ihrer Verbrennung h?here Temperaturen erforderlich. Die Neuigkeit besteht darin, dass die relativen Altersabweichungen der einzelnen Temperaturfraktionen zwischen zwei Proben die Altersunterschiede zwischen Sedimentschichten in der Tiefsee sehr genau eingrenzen.

Erdbeben datieren f¨¹r genauere Prognosen

?ber diese beiden methodischen Innovationen liess sich das relative Alter der organischen Substanz in den einzelnen Sedimentschichten ?usserst exakt bestimmen. Der untersuchte Bohrkern weist an drei Stellen ?lteres organisches Material sowie erh?hte Raten der Kohlenstoffzufuhr in die Tiefsee auf. Diese Stellen entsprechen den drei historisch dokumentierten, jedoch teilweise bislang ungenau datierten, Erdbebenereignissen im Japangraben: das Tohoku-oki-Erdbeben von 2011, ein unbenanntes Erdbeben von 1454 und das Jogan-Erdbeben von 869.    

Aktuell arbeitet Strasser an der grossfl?chigen geologischen Aufzeichnung der Herkunft und H?ufigkeit von Sedimenten in Tiefseegr?ben. Dazu analysiert er mehrere, w?hrend einer Folgeexpedition im Jahr 2016 entnommene Bohrkerne aus dem Japangraben. ?Die Identifizierung und Datierung erdbebenbedingter Ablagerungen ist auch f¨¹r k¨¹nftige Prognosen ¨¹ber die Wahrscheinlichkeit von Erdbeben wichtig?, sagt Strasser. ?Denn aufgrund unserer neuen Methoden k?nnen wir die Wiederkehrrate von Erdbeben wesentlich genauer bestimmen.?