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Gestaltung: Lothar Bodingbauer, Redaktion: Renate Pliem.
Beschreibung:
Der Geologe Michael Strasser spricht über Expeditionen in die Tiefen des Meeres vor Japan, um die Entstehung von Erdbeben zu verstehen.
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Der Japangraben ist ein Tiefseegraben vor der Nordostküste Japans. In 8 km Tiefe taucht dort die pazifische Erdplatte unter Japan ab. Dieser Vorgang ist immer wieder von Erdbeben begleitet, die sich in ihrer Stärke (Magnitude) und Häufigkeit unterscheiden. Es geht um das Verständnis von Großerdbeben, das sind Seebeben, die Tsunamis auslösen können. Geolog:innen möchten verstehen, wie es zu diesen kommt, wie häufig es sie gibt, an welchen Orten der Welt es sie gibt.
Der Japangraben eignet sich besonders für Erdbebenforschung, weil dort 2011 das letzte Megabeben stattgefunden hat. Es wurden vorher, während des Bebens und nachher Messungen vorgenommen, und die Ergebnisse haben gezeigt, dass viele beobachtete Phänomene noch nicht umfassend gedeutet werden können. Bei Expeditionen werden Bohrkerne der Sedimente (Ablagerungen) gewonnen, die dann analysiert werden. Durch diese Ablagerungen baut sich ein Archiv auf, die Analysen "blättern" in diesem "Geschichtsbuch" zurück.
"Wenn man die Meere verstehen will, muss man die Berge erforschen", sagt Michael Strasser vom Institut für Geologie der Universität Innsbruck. Die Forschungsergebnisse der Untersuchungen im Japangraben eignen sich auch dafür, um geologische Vorgänge in unseren Breiten, in unseren Bergen zu verstehen, da viele dieser Berge ehemaliger Meeresgrund waren.
Interviewpartner: Univ.-Prof. Dr. Michael Strasser, Universität Innsbruck, Institut für Geologie
Teil 1: Filename: radio382_nat_japangraben_1 Wissenschaft zwischen den Zeiten
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Teil 2: Filename: radio382_nat_japangraben_2 Gesteinsbewegungen nach oben, unten und zur Seite
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Teil 3: Filename: radio382_nat_japangraben_3 Expedition zum tiefsten Grund des Meeres
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Teil 4: Filename: radio382_nat_japangraben_4 Was ein Bohrkern verrät
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Teil 5: Filename: radio382_nat_japangraben_5 Wer die Berge verstehen will, muss die Meere erforschen
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Inhalt
Teil 1: Wissenschaft zwischen den Zeiten
Es geht um das Verständnis von Großerdbeben. Das sind Seebeben, die tsunamis auslösen können. 2004, der große Indian Ocean Tsunami, 2011 in Japan, auch ein Großerdbeben. Groß bedeutet, Magnitude 9 und größer. In Japan vor 11 Jahren, das war auch jener Tsunami, der die Fukushima Nuklearkatastrophe ausgelöst hat. Das sind die "großen Biester". Wir wollen verstehen, wie es zu diesen kommt, wie häufig es sie gibt, wir wollen sie versehen, auch an welchen Orten der Welt sie gibt. Da ist der Japangraben unser Studienobjekt, deshalb studieren wir das.
Der Japangraben ist vor der NO-Küste von Japan, Honshu, die Insel von Tokyo nordwärts. In dieser Zone taucht die pazifische Erdplatte unter Japan ab. Die Wassertiefe geht bis 8 km Wasser. Der Japangraben eignet sich insbesondere deshalb, weil dort 2011 das letzte dieses Megabeben stattgefunden hat. Wir konnten vorher messen, während, nachher. Wir haben sehr viel gelernt, wir waren sehr überrascht, es gab Paradigmenwechsel, wir haben vorher gedacht, wir verstehen es, das Erdbeben hat uns aufgezeigt, wir verstehen es doch nicht. Das zeigt uns Wissenschaftler einfach auf, dass wir die Gesamtheit der Prozesse unseres Planeten, wie etwa Großerdbeben, das hängt dann auch mit der Plattentektonik zusammen, wie da unsere Erde bewegt, wie diese Erdbeben entstehen, dass wir da noch fundamentale Verständnislücken haben.
Und der Japangraben eignet sich deswegen besonders gut, weil wir in die Sedimente der Tiefsee hineinblicken. Wir können Ablagerungen von diesen aufgewühlten Gesteinspartikeln, oder im Ozean, fast jährlich da Schlamm am Meeresboden abgelagert wird. Das baut uns ein Archiv auf. Also mit der Zeit werden da kontinuierlich Sedimente abgelagert. Und wenn solche Großerdbeben entstehen, dann wird das Sediment aufgewühlt, es gibt große untermeerische Lawinen durch die Erschütterung. Und die werden mit der Gravitationskraft in die tiefste Badewanne unseres Ozeans, diese Tiefseegräben eingeschichtet, abgelagert. Das geschieht zeit für Zeit, Jahrhunderte, Jahrtausende, 10.000-100.000e Jahre.
Wenn wir in diese Gräben gehen, wir eben im Japangraben Proben entnehmen können, können wir dieses Geschichtsbuch, dieses Geschichtsbuch unserer Ozeanablagerungen studieren, und so können wir in die Vergangenheit schauen, rekonstruieren, wie häufig gab es dann in der Vergangenheit solche Erdbeben. Sie treten nur alle paar hundert Jahre auf. Wir können abschätzen, war das wir erlebt haben, vor 11 Jahren, war das schon das größtmögliche Erdbeben, oder gab es in der Vergangenheit noch größere Erdbeben. Man spricht immer vom 100-jährigen Hochwasserereignis. Da ist ja Statistik dahinter. Bei der Erdbebenforschung ist es genau gleich, das ist das 100-jährige Erdbeben, das 1000-jährige Erdbeben. Aber um diese Statistiken zu machen, brauchen wir Daten, Observationen, Beobachtungen aus dem Archiv unserer Erde, um das richtig robust und gut zu machen, so dass wir auch die Zukunft vorhersagen können, und sagen, wie groß ist die Wahrscheinlichkeit von so einem Großereignis, und was sind deren Konsequenzen.
Teil 2: Gesteinsbewegungen nach oben, unten und zur Seite
Faszination Tiefsee: Ein Ort wo es erstmal einfach nur dunkel ist. Das Licht geht nur die obersten 20-30-40 Meter, vielleicht 200 Meter Restlicht. Sonst ist es da dunkel. Der Druck nimmt mit jedem Meter Tiefe zu. Das sind enorme Drücke, die da unten herrschen. Aber im Prinzip ist es mehr oder weniger Wasser, 4 Grad kalt. Dort wo das Wasser am dichtesten ist.
Der bekannteste ist der Marianengraben. Der tiefste Ort unseres Planeten. Um die 11 km. Der Japangraben ist 8 km tief an seiner tiefsten Stelle. Man stelle sich das mal vor, das ist zwei mal der Großglockner, und vielleicht ein bisschen mehr von der Adria aus gesehen.
Die Plattentektonik auf unserer Erde. Das sind diese Erdplatten die bewegen sich, weil tief in unserer Erde die Prozesse von geschmolzenem Gestein, großen Walzen, so bewegen sich alle unsere Platten mit ein paar cm pro Jahr. Das ist so schnell, wie unsere Fingernägeln wachsen bewegt sic hier beim Japangraben konkret die pazifische Platte gegen Westen unter Japan hinab. Und da taucht diese pazifische Ozeanplatte, so ein paar cam pro Jahr, langsam unter Japan ab und dabei verbiegt sie sich und geht tief, tief in das Erdinnere, in den Erdmantel hinein, und die überliegende Platte, so ein Teil der Eurasischen Platte, wo Japan ist, da verhaken sich diese Erdplatten einfach. Da entsteht Reibung. Solange die Festigkeit des Gesteins der Platten hält, hält das auch zusammen und eben alle paar, wir wissen es nicht, 1000 Jahre, wird die Reibung freigesetzt und es entstehen diese Riesenerdbeben. Und eben durch dieses Runtertauchen zieht der Meeresboden tief rein, und da sind diese Tiefseerinnen, die größtenteils so um den Pazifik herum sind. Das ist eigentlich da, wo schlussendlich alles Material, feinstkörnige Sedimentpartikel, zum Beispiel vom Land herkommen, oder mit dem Wind eingetragen werden, oder als kleine Fossilien, die von Lebewesen, die im Ozean absterben. Das sammelt sich schlussendlich in diesen Tiefsee-Rinnen. Das ist wie eine Badewanne, oder ein See bei uns in den Bergen, da fließt einfach alles rein, wird da abgelagert und bleibt da auch erhalten und baut dann diese Geschichtsarchive auf, die uns dann erlauben, in die Vergangenheit zu schauen.
Das ist ein noch eigentlich völlig, also nicht völlig völlig, aber wenn man so vergleicht mit unserem Wissensstand, so unsere Wissensgesellschaft, wo wir denken, wir wissen immer alles, die Tiefsee ist eigentlich ganz schlecht erforscht. Ich würde fast behaupten, wir kennen die Mondoberfläche besser, als unsere eigenen Tiefseerinnen. Weil das bisher so tief war, es ist schwierig da mit Schallwellen hinzukommen. Es gibt ein paar Roboter, James Cameroon, der Hollywoodregisseur war mal mit einem U-Boot unten, aber das sind Extremprojekte.
Es sind die Archive, die es uns erlauben, Erdbeben auf höchstem wissenschaftlichen Niveau studieren. Da müssen wir ran, da müssen wir mit Technologien ran, damit wir diese Beprobung machen können. Einerseits nutzen wir Schallwellen vom Schiff aus, die senden wir aus, die werden dann am Meeresboden reflektiert bzw. die dringen ein bisschen in den Meeresboden ein und zeigen uns so, wie der Meeresboden geschichtet ist. Da kommt es natürlich dann zu Beprobungen. Da gehen wir mit Forschungsschiffen, technologisch war da die Challenge, diese Unmengen von Wassermassen einfach mal zu durchringen, um die Sedimente zu Tage zu fördern, damit wir sie in den Laboren studieren und analysieren können, damit wir die Erdgeschichte, eben im Japangraben die Erbebengeschichte, für die letzten 100.000 Jahre rekonstruieren können.
Teil 3: Expedition zum tiefsten Grund des Meeres
Es gibt viele Überlegungen, wie eigentlich Leben in der Tiefsee funktioniert. Es gibt dort kein Licht, es gibt hohen Druck mit 8 oder 10 km Wassersäule. Diese Expeditionen zeigen aber, dass es dort Leben gibt. Wir kennen diese "Limits of Life" nicht, die Grenzen des Lebens. Das ist neben der Erdbebenforschung in dieser Tiefsee auch eine Faszination, mitunter zum ersten mal in koordinierter internationaler Wissenschaftsprojekt mit vielen Wissenschaftler:innen mit unterschiedlichen Expertisen, systematisch eine solche Tiefseerinne zu beproben. Wir nehmen da an 15 Orten 40 m lange Bohrkerne, haben Unmengen, 800 Meter Probenmaterial, Bohrkerne, die wir studieren können. Da ist eben eine Fragestellung von unseren Biologen und Bio-Geo-Chemiker:innen, wie genau funktioniert eigentlich der Kohlenstoffkreiskauf in der Tiefsee. Wir wird Leben eigentlich in der Tiefsee unterhalten. Wo kommen die Nährstoffe her.
Das hat erst begonnen, aber ich könnte mir gut vorstellen, weil es bisher nur wenig Beprobung gab, das wir da ganz neue Überraschungen zutage fördern werden.
Es gibt so Kameraufnahmen von Fischen ohne Augen. Und all das. Es gibt aber bei Leben mehr auch das mikrobielle Leben. Also Mikroorganismen, Mikroben und was wir da aus dem Japangraben gelernt haben, jetzt bin ich wieder beim Erdbeben 2011 in Japan. Durch diese riesengroßen Bodenerschütterungen des Meeresboden wurde ganz viel Schlamm, Sedimentschlamm, Meeresbodenschlamm aufgewirbelt, und das hat auch ganz viel abgestorbenes Leben an der Oberfläche, Alge, Fische, oder all das, die absterben, die sedimentieren, lagern sich am Meeresboden ab. Am Abhang, diesen 8 km tiefen Unterwasserhängen. Wenn jetzt dieses Erdbeben das alles aufwühlt, da hat 2 Minuten der Boden vibriert. Da wirbelt sich dieses organisch reiche, kohlenstoffreiche Material, wird aufgewirbelt, und geht so in riesengroßen Unterwasserlawinen bis zuunterst in diese tiefsten tiefsten Becken, die wir jetzt beprobt haben. Wir konnten zeigen, dass da ganz viel Kohlenstoff durch solche Erdbeben in den Japan in den Japangraben runtergebracht werden.
Das ist bekannt mittlerweile. Durch Forschung in den letzten paar Jahren wurde das für die obersten paar Meter des Meeresuntergrundes. Durch unsere Expedition haben wir tief in den Untergrund reingebohrt. Wir konnten Proben sammeln, können genau testen, ob diese Zufuhr von Kohlenstoff aus dem flachen Meer in die Tiefsee vielleicht Leben ermöglicht. Wie bakterielle Prozesse sind, und vielleicht schlussendlich sogar, ob ein Teil von diesem Kohlenstoff, der am Meeresboden abgelagert wird, irgendwann subduziert wird: mit der Platte, jetzt bin ich wieder bei der Plattentektonik. Jetzt bin ich wieder bei den 2 cm pro Jahr, über Millionen von Jahren Kohlenstoff aus der Küste über Erdbeben in die Tiefsee wieder ins Erdinnere hinein, und dann vielleicht sogar schlussendlich über Vulkane ein paar Millionen Jahre später wieder über ads Gas in die Atmosphäre. Also der Langzeitkohlenstoffkreislauf, da geht es um das Erdsystemverständnis, aber ich meine, Kohlenstoffkreislauf ist heute ein Schlagwort auf kurzen Zeitskalen, weil es das Klima beeinflusst. Wenn wir da verstehen, wie der globale Kohlenstoffkreislauf funktioniert, können wir da vielleicht einen Teil dazu beitragen, unser Erdsystem besser zu verstehen.
Teil 4: Was ein Bohrkern verrät
Wir sind im 2. Stockwerk des Instituts für Geologie der Uni Innsbruck. Ich mache den Kühlschrank auf, ich gehe rein, ein begehbarer großer Kühlschrank. Da wird es kalt. Man hört die Lüftung. Wir lagern die Bohrkerne bei 4 Grad Temperatur. Das ist das, was in der Tiefsee die Temperatur ist. Wenn wir da ganz nach hinten gehen, da haben wir im Moment tatsächliche Bohrkerne von genau dieser Expedition nach Japan, wir haben uns die hierher transportieren lassen, wir analysieren sie hier.
Wir haben da dann die Labortüre, Sie sehen das Zeichen "Vorsicht radioaktive Strahlung", wir arbeiten hier mit ionisierender Strahlung, um diese Analysen zu machen, die wir hier auf diesen Bohrkernen, das ist wie das Geschichtsbuch lesen. Wenn wir diese Sedimente studieren, quasi eine Messung aus dem Sediment, aus der geologischen Ablagerungsgeschichte, die es uns erlaubt, dann Rückschlüsse auf Prozesse in der Vergangenheit, Temperaturen in der Vergangenheit oder eben Erdbebenstärke in der Vergangenheit zu rekonstruieren.
Das machen wir mit all den Messgeräten, die wir hier haben.
(ATMO)
Wir hören gerade, wie der Scanner vorbereitet wird. Da kann ich meinen Bohrkern hinlegen. Alle Universitäten Österreichs sind auch Partner hier. Das ist jetzt nicht einfach mein Forschungsspielzeug, das ist auch im Sinne von diesen Ozeanbohrprogrammen hier. Kollegen aus Graz, oder aus Wien, die mit Bohrkernen arbeiten, kommen hier hin und analysieren. Und dann schiebt der cm für cm den Bohrkern nach vorne, und macht physikalische Messungen, wie die Dichte, und die magnetische, die Magnetisierbarkeit. Wir messen das Ausbreiten der Geschwindigkeit von Erdbebenwellen durch das Material durch, und auf der anderen Seite messen wir chemische Elementspektren. Das ist so aufgebaut, dass wir da den Bohrkern Schritt für Schritt durch diese Sensorik durchlassen, mit Röntgenstrahlen auf den Bohrkern schießen und daraus entstehen entstehen ein paar chemische Prozesse, die Röntgenfluoreszenz nennt sich das, da wellen Elektronen von Elementen in einen höheren Orbit geschossen, wir messen das Spektrum, wir können so über die Bohrkerne verteilt, das Elementspektrum von Elementen, die schwer als Aluminium sind, messen. Das dauert dann etwa 4 Stunden pro Meter.
Wir haben jetzt in den letzten 3 Monaten 400 Meter aus dem Japangraben durchlassen. Jetzt sind wir dabei, das abzuschließen. Wir haben Unmengen an Daten generiert in dieser Höchstauflösung, wo wir da fast Jahr für Jahr wissen, welche Elemente wurden wo im Japangraben wie abgelagert. Und dann über Altersdatierungen, die wir in den Bohrkernen machen, haben wir andere internationale partner, die diese abgestorbenen Lebewesen anschauen, Mikrofossilien, wunderschön, wenn man die unter dem Mikroskop anschaut. Wie eine Kugel mit Stacheln, das ist eine Art amorphes Quarz, was einfach das Skelett dieser Mikroorganismen ist, Radiolarien nennen sie sie. Die werden, je nachdem, wie die Temperaturen, Nährstoffe in der Vergangenheit waren, da findet auch Evolution statt, Aussterben und all das. Das ist diese Mikropaläontologie. Unter dem Mikroskop studieren die Experten die Zusammensetzung von diesen Fossilien.
Teil 5: Wer die Berge verstehen will, muss die Meere erforschen
Wir haben hier einen solchen Bohrkern und eine bereits aufgeteilte Hälfte. Das ist alles schön gekühlt, damit da ja keine Kontaminationsprozesse stattfinden. Das ist eben das, was man sieht, wenn er zum ersten Mal geöffnet wird. Wo uns eine solche Erdgeschichte zum ersten Mal erschlossen wird, und das Geschulte Auge sieht so Schichten. Striemungen teilweise, Laminationen, unterschiedliche Farben, hellere hier, Sandkörner, groß, viel feinere so ein bisschen beige. Ein wenig gebändert. Das sind alles so unterschiedliche Ablagerungsprozesse zu unterschiedlichen Zeiten. So können wir das Archiv dann öffnen, beschreiben und dann eben unsere Forschungsfragen mit diesen hochauflösenden analytischen Methoden vermessen.
Was gerade im Japangraben eigentlich so faszinierend ist, dass da in dieser Tiefseerinne sehr sehr viele Sedimente pro Zeiteinheit abgelagert wird. Wir wissen schon aus diesen Voruntersuchungen, dass nur das Erdbeben 2011 bis zu 3 Meter mächtige Schlammschichten abgelagert hat. Die sind dann alle sehr homogen, quasi innerhalb von ein paar Monaten drei Meter. Wenn aber kein Erdbeben stattgefunden hat, dann sind es nur ein paar wenige Zentimeter pro 10 oder pro 100 Jahre. Das heißt, man kann nicht einfach, dieses Buch ist nicht linear, wie wir sagen, es ist nicht, dass man einfach pro Zentimeter eine regelmäßige Zeit in die Vergangenheit geht, sondern wir haben Intervalle, wie zum Beispiel dieses Gebänderte, das Gebänderte beinhaltet wahrscheinlich relativ viel Zeit. Man sieht teilweise auch Bioturbationsstrukturen. Das sind Lebewesen, die am Meeresboden leben, so kleine Shrimpse, Krebse, und so, die durchwühlen den Schlamm und fressen das organische Material, das da am Boden ist. Und die durchwühlen das, da sind man sogar Wühlspuren und so, das dürfte hier sein, mehre Dezimeter mächtig, ganz homogene Schichten. Unten sind sie sehr groß. Da sieht man auch, dass da viel Energie dabei gewesen sein muss, vielleicht größere solche Sedimentlawinen, die dann durch größere Erdbebenerschütterungen ausgeschüttet wurden.
Meinen Studenten sage ich immer, dieses CSI, die Detektivserien, die Forensik. Wir sind "CSI Geology". Wir müssen mit all diesen analytischen Methoden forensisch Detektivarbeit das jetzt rekonstruieren, was ist hier geschehen, wie viel Zeit ist hier drin. Dazu haben wir ein Riesenteam, das wird 2, 3, 4, 5 Jahre dauern, bis wir das alles zusammenhaben.
Da gibt es Hypothesen, dass das Leben vielleicht in der Tiefsee entstanden ist, wo Vulkane aus dem Meeresboden herauskommen.
Ich hatte als junger Student, wo ich eigentlich nur in den Bergen herumrennen wollte und die Berge verstehen wollte, dass mich jemand da darauf aufmerksam gemacht hat, dass wenn man die Berge verstehen will, muss man in den Ozean gehen, weil die meisten der Gesteine in den Bergen irgendwann in einem Ozean vor Millionen waren. Das sind die großen Kreisläufe der Geologie und unserer Erde, und ich hatte das Glück dass ich da auf einer solchen Expeditionen mitfahren darf, und ob es jetzt am Ozean ist, oder in den Bergen, ich glaube als Erdwissenschaftler ist das Studienobjekt in ihrer Gesamtheit und in der internationalen Forschungslandschaft studieret man die Prozesse da, wo die Beprobung möglich ist, sei das in Japan oder in Grönland, oder wo auch immer.
