So sieht also eine "Dredge" aus – das Gerät, von dem an Bord des Forschungsschiffes "Sonne" oft die Rede ist. Mit seiner Hilfe gehen Reinhard Werner vom GEOMAR in Kiel und Kollegen dem Meeresboden einige hundert Kilometer vor der Küste Namibias auf die Pelle. Der rechteckige Kasten ist aus schwerem, dickem Stahl, vielleicht einen Meter lang und 40 Zentimeter breit, oben offen und endet an beiden Längsseiten in einer Reihe massiver, ein wenig rostig wirkender Zähne. An der ebenfalls offenen Unterseite hängt ein Sack, der wie ein mittelalterlicher Kettenpanzer aus einer schweren Eisenkette geflochten ist. "Weil der Kettensack handgeschmiedet ist, kostet eine solche Dredge mit 13 000 Euro so viel wie ein Kleinwagen", erklärt Kapitän Oliver Meyer.

Eine Dredge vor ihrem Einsatz
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Mit dem martialisch aussehenden, nicht ganz billigen Gerät holen die Forscher Proben von den Vulkanen des Walvis-Rückens, die heute mit Ausnahme weniger Inseln wie Tristan da Cunha längst tief unter Wasser liegen. Sind diese Tiefseeberge Teil eines gigantischen Schweißbrenners, den Geologen Hotspot nennen? Und was haben sie mit der Entstehung des Südatlantiks zu tun? Antworten auf diese Fragen soll das Material liefern, das die Forscher beim Dredgen von den längst erloschenen Tiefseevulkanen kratzen.

Karten von einem Gebirge unter Wasser

Bevor die große Winde des Forschungsschiffs "Sonne" das Kettenhemd samt Eisenmaul in die Tiefe lässt, sitzt Matthias Schroeder vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam unter Deck und beobachtet verschiedene Bildschirme. In blauen, grünen, gelben und roten Farbtönen taucht dort eine Grafik der Landschaft auf, die sich tief unter dem Kiel der "Sonne" im Atlantik verbirgt. Um diese Karte zu zeichnen, tasten Schallwellen den Grund ab. Das "Echolot" errechnet aus der Zeit, in der das Echo zurückkommt, wie tief das Wasser an dieser Stelle ist. Um eine Karte des Untergrunds zu erhalten, sendet ein spezielles Gerät einen Fächer von 191 Ultraschallstrahlen aus, die rechts und links zur Fahrtrichtung in Winkeln bis zu 75 Grad abgestrahlt werden. Dieses Fächerecholot misst so nicht nur die Tiefe direkt unter der "Sonne", sondern ermittelt bis in eine Tiefe von 12 000 Metern ein Profil des Meeresbodens auf beiden Seiten des Schiffs. Ein Computerprogramm setzt dann aus den Profilen online die Karte in den verschiedenen Farbtönen zusammen, die Matthias Schroeder auf den Bildschirmen sieht.

Arbeit am Fächerecholot
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GFZ-Forscher Matthias Schroeder beobachtet im Seismik-Labor des Forschungsschiffs "Sonne" die detailgenaue Karte, die das Fächerecholot gerade vom Meeresgrund am Walvis-Rücken im Südatlantik ermittelt.

Auch GEOMAR-Forscher Jörg Geldmacher schaut sich diese Karte aus gutem Grund genau an: "Wir wollen nur an steilen Hängen der alten Vulkan dredgen, weil die flacheren Stellen normalerweise von einer dicken Schicht Sediment bedeckt sind", erklärt der Geochemiker. Die Forscher aber wollen nicht dieses aus höheren Wasserschichten auf den Grund gefallene Material untersuchen, sondern die Lava, die einst aus dem Walvis-Rücken an die Oberfläche gequollen und dort wieder zu festem Gestein erstarrt ist. Weil an den steilen Hängen das herabfallende Sediment kaum liegen bleibt, sondern rasch in die Tiefe rutscht, schabt die Dredge dort gleich über das Lavagestein, das die Forscher an die Oberfläche holen wollen.

Dredgen: Eine Einführung

Erst einmal aber schwenkt der Bootsmann der "Sonne" Andreas Schrapel via Fernbedienung den riesigen Heckgalgen, über den das Kabel läuft, mit der die große Winde des Forschungsschiffs die Dredge hinter dem Hauptdeck ins Meer senkt. Dort verschwinden der Kettensack und der zahnbewehrte Eisenkasten rasch unter Wasser, beide werden von der Winde in jeder Sekunde einen Meter abgelassen. Liegt die Dredge am Hang, fährt die "Sonne" ein Stück vor und legt so das Kabel auf den Abhang. Dann zieht die Winde das Gerät langsam den Hang hinauf, und Eisenrahmen und Zähne schrammen wenige hundert Meter über das Gestein des Unterwasserbergs. Dabei werden immer wieder Felsbrocken abgerissen, die durch den Rahmen in den Kettensack fallen.

So weit die Theorie. In der Praxis taucht immer wieder das eine oder andere Problem auf. So kann sich die Dredge irgendwo in der Tiefe verhaken. GEOMAR-Forscher Stephan Homrighausen aber sitzt im Geologielabor auf dem Hauptdeck und sieht davon gar nichts. Nur drei gezackte Linien auf einem Bildschirm lassen ihn ahnen, was in der Tiefe gerade passiert. Eine zeigt, wie tief der Meeresgrund ist, eine verrät die ausgelassene Länge des Kabels, und die dritte übermittelt die Kraft, mit der die Winde die Dredge gerade zieht. Steigt diese Kraft immer weiter an, könnte sich das Eisenmaul zum Beispiel gerade tief in weiches Karbonatgestein wühlen und festfressen. Vielleicht hängt die Dredge aber auch an einem vorhängenden Lavafelsen fest? Der junge Wissenschaftler kann nur vermuten, was 3000 Meter unter dem Kiel der "Sonne" gerade passiert.

Nur gut, dass die Mannschaft der "Sonne" und die Wissenschaftler an Bord solche Situation kennen und meist rasch eine Lösung finden. Spätestens mit geschickten Manövern des Schiffs kommt das Gerät im Normalfall wieder frei. Stephan Homrighausen an Deck hofft derweil inständig, dass die Winde eine Dredge voller Steine nach oben hievt. Schließlich braucht er sie für seine Doktorarbeit.

Die richtigen Steine

Ob sein Wunsch in Erfüllung geht, erfährt er aber erst einige Zeit später. Schließlich dauert es ein wenig, bis die Winde die Dredge aus vielleicht 3000 Meter Tiefe mit einem Tempo von einem Meter in der Sekunde bis ganz nach oben holt. Dann tauchen Rahmen und Kettensack triefend aus den Fluten auf, zwei Männer der Besatzung bugsieren alles aufs Hauptdeck, und einer von ihnen fischt die Beute aus den Ketten. Diesmal sind es ein richtig großer und vier kleinere Steine. Im Labor gleich neben dem Hauptdeck sägen die Geoforscher jeden Stein in zwei Hälften und schauen sich die Schnittflächen genauer an. Ihre Mienen haben vorher ein wenig angespannt gewirkt, jetzt gehen die Mundwinkel freudig nach oben. "Die Steine eignen sich gut für unsere Analysen", erklärt Reinhard Werner nach einem kritischen Blick durch die Lupe auf die Schnittfläche des gerade zersägten Steins vom Walvis-Rücken.

Entstanden ist dieser lange Bergrücken unter Wasser wahrscheinlich durch einen Hotspot. Dabei steigt eine Säule heißen Gesteins tief aus dem Erdinneren im Erdmantel nach oben und brennt sich wie ein überdimensionaler Schweißbrenner durch die Erdkruste, die darüberliegt. Die Hitze aus der Tiefe bläht die Kruste natürlich auf. Dringt das zähflüssige Magma oben durch die Erdkruste an die Oberfläche, bricht im Südatlantik unter Wasser ein Vulkan aus. Kommt genug Nachschub aus dem Erdinneren, wächst dieser Berg langsam weiter und kann als neue Vulkaninsel die Wasseroberfläche durchbrechen.

Eine heiße Spur

Geoforscher nehmen an, dass ein solcher Hotspot immer an der gleichen Stelle bleibt, während die Erdkruste langsam über ihn hinweggleitet. Nach einiger Zeit trägt sie den Vulkan daher vom Hotspot weg, der Nachschub an Magma bleibt aus, und der Vulkan erlischt. Da Wind und Wellen über dem Wasserspiegel an der zurückgebliebenen Insel nagen, wird sie langsam abgetragen und flacht ab. Gleichzeitig kühlt die aufgeheizte und aufgequollene Erdkruste ab und sinkt nach und nach tiefer. Dadurch sinkt das Plateau am Gipfel immer tiefer unter den Wasserspiegel. Wie ein riesiger Tafelberg liegt ein solcher "seamount" jetzt für das bloße Auge unsichtbar in der ewigen Dunkelheit, 1600 Meter unter Wasser. Fast nichts mehr erinnert an einen aktiven Vulkan.

Ein Stück weiter brennt sich der Hotspot erneut durch die Erdkruste, bald bricht dort ein neuer Vulkan aus. Hat die Erdplatte ihn ein wenig weitergerückt, verschwindet auch er wieder unter den Wellen, während viele Kilometer weiter schon längst der nächste Vulkan aktiv ist. Im Lauf vieler Jahrmillionen entsteht so eine lange Kette von Vulkanen, die an einem Ende noch aktiv, am anderen Ende aber längst erloschen und tief unter die Meeresoberfläche gesunken sind. Genauso sieht der Walvis-Rücken aus: Von der Nordküste Namibias aus zieht sich eine Kette längst erloschener Vulkane tief unter Wasser nach Südwesten. Der letzte dieser Reihe aber ragt als aktiver Vulkan noch als Insel Tristan da Cunha aus den Fluten des Atlantiks. Anscheinend hat sich dieser Hotspot im Südatlantik jedoch vor vielen Millionen Jahren in zwei Spuren aufgespalten. Jedenfalls gibt es bald 400 Kilometer südöstlich von Tristan da Cunha den ebenfalls noch aktiven Inselvulkan Gough, zu dem eine zweite Hotspot-Spur führt, die offensichtlich von der Tristan-da-Cunha-Spur abzweigt. Das bestätigen die von der "Sonne" gewonnenen Echolotdaten.

Schwächezonen

Aber handelt es sich beim Walvis-Rücken und den beiden Spuren zu den noch aktiven Vulkanen wirklich um die Spur eines Hotspots? "Schließlich diskutieren Geologen zumindest noch einen anderen Vorgang, der eine solche Vulkanspur hinterlassen könnte", erklärt Homrighausen. So gibt es Schwächezonen, an denen das starre Gestein der äußersten Schicht der Erde aufbrechen kann. Dadurch sinkt der Druck auf das Gestein des darunterliegenden Erdmantels, das zwar ebenfalls fest ist, aber ähnlich wie Knetgummi langsam verformt werden kann. Fehlt der Druck, schmilzt ein kleiner Teil des Gesteins. Das so entstandene Magma ist weniger dicht und damit leichter als das feste Gestein. Daher beginnt es, durch die Bruchzone nach oben zu steigen. Genau wie bei einem Hotspot bricht dann am Meeresgrund ein Vulkan aus.

Forschungsschiff Sonne
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Die aus einer solchen Schwächezone austretende Lava hat aber eine geringfügig andere Zusammensetzung als das Material, das ein Hotspot-Vulkan fördert. Es gibt noch einen zweiten wichtigen Unterschied: Sitzt in der Tiefe ein Hotspot, sollten die Vulkane und damit auch die von ihnen geförderte Lava umso älter werden, je weiter sie vom aktiven Vulkan an einem Ende seiner Spur entfernt sind. An einer Schwächezone dagegen sollte eine solche Staffelung des Alters nicht auftreten. Um zwischen den beiden Theorien zu entscheiden, müssen die GEOMAR-Forscher also die Lava der Vulkane untersuchen. Genau deshalb holen die Forscher an Bord der "Sonne" mit der Dredge Gesteinsproben aus den Bergen des Walvis-Rückens.

Das Alter der Lava

"In unseren Labors in Kiel wollen wir dann versuchen, die genaue Zusammensetzung und das Alter der Proben zu bestimmen", erklärt Reinhard Werner. Das klappt zum Beispiel mit Hilfe des Metalls Kalium, von dem ein Teil radioaktiv ist und zum Edelgas Argon zerfällt. Da dieser Zerfall sehr gleichmäßig abläuft, können die Forscher aus dem Argon, das seit dem Erstarren der Lava aus Kalium entstanden ist, das Alter des Gesteins ausrechnen. Da Kalium wiederum in verschiedenen Mineralien wie Feldspat reichlich vorkommt und solche Mineralien auch in Lava eingebettet werden, hat Homrighausen gute Chancen, das Alter der Unterwasservulkane des Walvis-Rückens zu erfahren. Damit wiederum kann er die Vermutung untermauern, dass sich dort unten ein Hotspot wie ein überdimensionaler Schweißbrenner durch die Erdkruste brennt.

Daneben will das Forscherteam die chemische Zusammensetzung der Lavaproben genau analysieren. Auch diese Daten sollten zeigen, welche der beiden konkurrierenden Theorien zutrifft. Zudem könnten sie Hinweise darauf geben, weshalb sich die Spur der Vulkane ungefähr auf halbem Weg zwischen der Küste und den noch aktiven Vulkanen mitten im Atlantik aufspaltet.

Gleichzeitig sollen die Erkenntnisse auch ein wenig Licht in das Dunkel der geologischen Hintergründe werfen, die vor sehr vielen Jahrmillionen Afrika und Südamerika auseinanderbrechen ließen. Schließlich führt die Vulkanspur von Tristan da Cunha über den Walvis-Rücken bis zur Küste genau zu einer großen Fläche so genannter Flutbasalte in Namibia. Diese oft mehr als einen Kilometer dicke Lavadecke entstand vor rund 135 Millionen Jahren. Vielleicht fraß sich damals ein gigantischer Hotspot durch die Kruste eines alten Riesenkontinents? Dieser Vorgang könnte den Startschuss für das Aufspalten dieser Landmasse in die beiden Kontinente Südamerika und Afrika gegeben haben. Dazwischen hat sich längst der Südatlantik gebildet. Der einstige gigantische Hotspot aber hat sich seither abgeschwächt und die Vulkanspur über den Walvis-Rücken bis fast in die Mitte des neuen Ozeans gezogen. Die GEOMAR-Forscher sind schon sehr gespannt, ob die Zusammensetzung der Gesteinsproben, die sie mit der Dredge an Bord der "Sonne" geholt haben, zu dieser Überlegung passt.