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Neue Tiefsee-Bohrungen im Südatlantik haben gezeigt, dass zerbrochene Lavaablagerungen am Meeresboden weitaus mehr Kohlendioxid binden als bisher angenommen. Diese porösen Schuttlagen, als Lava-Brekzien bezeichnet, wirken als natürliche Kohlenstoffschwämme: Meerwasser strömt durch sie hindurch und führt zu Mineralisationsprozessen, die gelösten anorganischen Kohlenstoff in feste Minerale überführen.
Wie Schutt auf dem Meeresboden zu einem langfristigen Kohlenstoffspeicher wird
Stellen Sie sich riesige Haufen vulkanischen Gerölls vor, die langsam die Flanken eines Unterwasservulkans hinabgleiten. Über Millionen von Jahren werden diese Fragmente — die Breccien — verfrachtet, akkumuliert und im Meeresboden begraben. Sobald Meerwasser durch die poröse Schuttschicht sickert, reagiert es mit der vulkanischen Gesteinsmatrix und löst chemische Reaktionen aus, die CO₂ in feste Karbonatminerale, insbesondere Calciumcarbonat (Calcit/Aragonit), überführen.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der University of Southampton haben Probenkerne aus dem rund sechzig Millionen Jahre alten oberen ozeanischen Krustenmaterial im Südatlantik analysiert, um die Menge an gebundenem Kohlenstoff zu quantifizieren. Das Material stammt aus der International Ocean Discovery Program (IODP) Expedition 390, einschließlich Proben vom Bohrplatz Site U1557 an Bord des Forschungsschiffs Joides Resolution. Die bohrkerne geben Einblick in die langfristige Wechselwirkung zwischen Meerwasser, porösem Gestein und karbonatisierenden Prozessen entlang von Rückenflanken und Riftzonen.
Dr. Rosalind Coggon bei der Untersuchung von Kernen aus der oberen ozeanischen Kruste, entnommen während der IODP-Expedition 390. Credit: Alyssa Stephens, IODP JRSO
Was die Bohrungen ergaben — und warum es die Forschenden überraschte
Mineralogische Analysen und geochemische Messungen zeigen, dass diese Breccien-Ablagerungen zwischen zwei- und vierzigmal mehr CO₂ enthalten als zuvor untersuchte, ungestörte Lavaströme. Der Grund liegt in ihrer doppelten Eigenschaft als poröses und permeables Gestein: Die Hohlräume und verbundenen Porenräume ermöglichen einen fortlaufenden Durchfluss von Meerwasser über geologische Zeiten hinweg. Dieses zirkulierende Wasser bringt gelösten anorganischen Kohlenstoff in Form von DIC (dissolved inorganic carbon) in Kontakt mit reaktiven Oberflächen; dort fällt er als Karbonatmineral aus und zementiert nach und nach den Schutt.
Die erhöhte Speicherfähigkeit hängt von mehreren Faktoren ab: Porosität und Permeabilität der Breccie, Verfügbarkeit von Calcium- und anderen Kationen, lokale pH- und Redoxbedingungen, Temperatur sowie die Verweildauer von Meerwasser in den Poren. Untersuchungen mit Dünnschliffen, Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS), Röntgendiffraktometrie (XRD) und stabilen Kohlenstoffisotopen (δ13C) lieferten Hinweise auf die Art der Karbonate (z. B. feinkristallines Calcit, aragonitische Phasen und teilweise magnesianer Karbonate) und auf die sukzessive Verfestigung der Breccie durch Mineralneubildung.
Nach Aussage von Dr. Rosalind Coggon, Erstautorin und Royal Society Research Fellow an der University of Southampton: ‚Wir haben die ersten Kerne dieses Materials geborgen, nachdem es über Zehner von Millionen Jahren über den Meeresboden verfrachtet worden war. Diese porösen, permeablen Ablagerungen besitzen die Kapazität, große Mengen von CO₂ aus Meerwasser zu speichern, während sie allmählich durch Calciumcarbonat mineralisch verfestigt werden.‘ Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, heterogene Schuttzonen bei der Abschätzung geologischer Kohlenstoffsenken zu berücksichtigen.
Wissenschaftlicher Kontext: Der langfristige Kohlenstoffkreislauf und mittelozeanische Rücken
Der langfristige Kohlenstoffkreislauf reguliert atmosphärisches CO₂ über geologische Zeiträume, indem er Kohlenstoff zwischen dem Erdinneren, den Ozeanen und der Atmosphäre austauscht. Mittelozeanische Rücken sind tektonische Spreizungszonen, an denen neue ozeanische Kruste aufsteigt und basaltische Gesteine in großen Mengen gebildet werden. Wenn diese neu gebildete Kruste abkühlt, bricht sie auf, und Meerwasser kann tief in die Gesteinsschichten eindringen. Solche hydrothermalen und weitreichenden Durchströmungsprozesse steuern den Austausch von Elementen — darunter Kalzium, Magnesium, Silizium und Kohlenstoff — zwischen Ozean und Lithosphäre.
Bislang richtete sich ein Großteil der Forschung auf intakte basaltische Kruste, geschichtete („sheeted“) Intrusionen und massive Lavaströme. Die neue Studie hebt hervor, dass Breccien, die durch Erosion und mechanischen Zerfall an den Flanken von Rücken entstehen, ein bislang unterschätztes Reservoir darstellen. In gewisser Weise funktionieren diese Schuttablagerungen gleichzeitig als Schwamm und als langsame chemische Reaktionszone: Meerwasser liefert gelösten CO₂, Korrosions- und Alterungsprozesse setzen Ionen frei, und die anschließende Karbonatfällung entzieht dem Meerwasser dauerhaft anorganischen Kohlenstoff.
Aus geochemischer Sicht verbindet dieser Mechanismus die Oberflächenwelt (ozeanisches CO₂) mit Festgesteinsprotokollen, die als dauerhafte Kohlenstoffsenken dienen können. Darüber hinaus veranschaulicht die Wechselwirkung von Porenraumhydraulik, Mineralogie und Fluidchemie die Komplexität von Prozessen, die zur Mineralisierung von Kohlenstoff in der ozeanischen Kruste beitragen.
Forschungsschiff Joides Resolution. Credit: Dr. Rosalind Coggon
Folgen für Klimageschichte und Kohlenstoffbilanzen
Die Erkenntnis, dass Breccien deutlich mehr CO₂ binden können, beeinflusst die Abschätzungen der festen Erde (solid-Earth) als Kohlenstoffsenke. Wenn solche Ablagerungen verbreitet sind, könnten sie Rekonstruktionen vergangener atmosphärischer CO₂-Konzentrationen verändern und Modelle zur klimatischen Steuerung über geologische Zeiten hinweg verfeinern. Das ist besonders relevant, wenn Forscherinnen und Forscher vulkanische CO₂-Emissionsraten an Rücken mit der Fähigkeit der Ozeane vergleichen, diesen Kohlenstoff langfristig zu entfernen und geologisch zu speichern.
Für die Paläoklimatologie bedeuten größere geologische Speicherpotenziale, dass die Ozeane und die ozeanische Kruste möglicherweise einen größeren Einfluss auf langzeitliche CO₂-Schwankungen hatten als bislang angenommen. Für gegenwärtige Kohlenstoffbilanzen kann dies die Schätzung des natürlichen Gleichgewichts zwischen Emissionen und Senken verändern, was wiederum Rückwirkungen auf Klimamodelle und auf die Bewertung natürlicher versus menschgemachter CO₂-Quellen hat.
Über die Klimageschichte hinaus bietet die Entdeckung eine verfeinerte Grundlage für Überlegungen zur geologischen CO₂-Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) und zu deren natürlichen Analogien. Die natürliche Mineralisierung in durchlässigem Gestein durch Meerwasser zeigt ein funktionierendes Beispiel für effiziente, langfristige Kohlenstofffixierung und kann Lehren für technische Strategien zur CO₂-Speicherung in geologischen Formationen liefern — insbesondere hinsichtlich der Bedeutung von Porosität, Permeabilität, Fluidchemie und mineralogischer Reaktivität.
Was die Expedition beinhaltete
- Bohrungen und Kernerfassung am IODP-Bohrplatz U1557 während Expedition 390, mit Probenahme der oberen ozeanischen Kruste und assoziierter Breccien.
- Petrographische Untersuchungen (Dünnschliffe, Lichtmikroskopie) und geochemische Analysen (XRD, SEM-EDS, ICP-MS, stabile Isotopenanalysen), um Karbonatgehalte zu quantifizieren und CO₂-Speicherkapazitäten abzuschätzen.
- Vergleichende Bewertung gegenüber zuvor entnommenen, intakten Lavaströmen, um den Anstieg des gespeicherten Kohlenstoffs zu messen (Faktor 2–40).
Expertinnen- und Experteneinschätzung
„Diese Entdeckung schließt eine wichtige Wissenslücke in unserem Verständnis der Kohlenstoffsenken am Meeresboden“, sagt Dr. Maya Singh, Meeresgeochemikerin am Woods Hole Oceanographic Institution. „Breccien-Schichten sind heterogen und werden oft übersehen, doch sie bieten ausgedehnte Porennetzwerke, in denen Mineralisation über geologische Zeiträume fortschreiten kann. Wenn man sie in globale Kohlenstoffbilanzen integriert, wird unser Bild von der langfristigen Klimaregulierung der Erde deutlich präziser.“
Die Fortsetzung von Kartierungen zur Alteration der ozeanischen Kruste, detaillierten Messreihen zu porösen Reservoiren und eine flächendeckendere Probenahme sind notwendige Schritte, um die Rolle dieser Breccien im globalen Kohlenstoffkreislauf vollständig zu bewerten. Techniken wie Hochauflösungs-3D-Computertomographie (µCT) zur Porenanalyse, quantitative Bildanalyse zur Abschätzung verbundener Permeabilität sowie Langzeit-Fluidexpositionsexperimente im Labor können helfen, Mechanismen und Raten der Karbonatbildung in situ zu bestimmen.
Während Forschende weiterhin ozeanische Krustenalteration kartieren und mineralisierten Kohlenstoff quantifizieren, werden diese Schuttreservoire ein kritisches Puzzleteil bleiben — eine Erinnerung daran, dass kleine Gesteinsfragmente, gegeben Zeit und chemische Bedingungen, enorme Mengen an Kohlenstoff speichern können. Ihre Berücksichtigung verbessert nicht nur unsere wissenschaftliche Grundlage, sondern kann auch die Entwicklung praktikabler Strategien für die langfristige CO₂-Reduktion unterstützen.
Quelle: scitechdaily
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