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Auf Datenjagd zum Gondwana-Puzzle ­ eine seismische Meßfahrt nach Antarktika

Die Tektonik des ostantarktischen Kontinentalrandes ist wegen der schwierigen Eisbedingungen, der weiten Anreise und der damit verbundenen hohen Kosten noch wenig erforscht. Eine seismische Expedition, die €Polar Queen"-Kampagne 1996, hat jetzt neue Informationen zur Historie des sechsten Kontinents erbracht.

Antarktika, der von einem mächtigen Eispanzer bedeckte Kontinent des Südpolargebiets, war im Erdaltertum mit den Festlandkernen Südamerikas, Afrikas, Australiens und Vorderindiens zu dem Großkontinent Gondwana verbunden. Vor etwa 160 oder 180 Millionen Jahren brach diese riesige Landmasse in die heutigen Kontinente auf. Die Wissenschaftler versuchen aus vielerlei Indizien die Form Gondwanas und den Krustenaufbruch zu rekonstruieren. Bei diesem Puzzle aus tektonischen Platten streiten sie sich über die Zugehörigkeit von Randstrukturen; doch über weite Bereiche der Antarktis liegen überhaupt keine seismischen Daten vor, aus denen die genaue Begrenzung der zugehörigen Platte hervorginge.

In dieser Hinsicht noch am besten erkundet sind das Ross-Meer auf der pazifischen Seite der Antarktis und die Bransfield-Straße (Bild 1); beide werden mittlerweile als aktive Grabenstrukturen – sogenannte Rifts – interpretiert. Geophysikalische Untersuchungen im atlantischen Sektor, wie sie in den siebziger und achtziger Jahren durchgeführt wurden, galten indes vor allem den Sedimenten. Man suchte dabei sowohl nach Lagerstätten fossiler Brennstoffe (die nicht gefunden wurden) als auch nach Hinweisen auf die Vereisungsgeschichte der Antarktis. Den glaziologischen Forschungen gilt heute das besondere Interesse, weil aus ihnen wichtige Informationen über die mögliche weitere Entwicklung des globalen Klimas abgeleitet werden können. (Die Suche nach Rohstoffen und deren Abbau in der Antarktis wurden mit der Unterzeichnung des Umweltschutzprotokolls zum Antarktisvertrag ab 1991 für 50 Jahre verboten.)

Über die Krustenränder Antarktikas hingegen weiß man recht wenig. Gerade aus ihnen könnte man jedoch vieles über das Auseinanderbrechen Gondwanas lernen. Erkenntnisse darüber sind nicht nur für die Grundlagenforschung von Bedeutung, die sich mit der Entstehung und Entwicklung unseres Planeten befaßt, sondern sie helfen auch den Geologen, das Auftreten und die Struktur bestimmter Gesteinsformationen auf den ehemals benachbarten Kontinenten Südamerika, Afrika, Indien und Australien zu beschreiben und zu extrapolieren. Bis man die Tektonik und den geologischen Aufbau in Grenzbereichen zwischen Ozeanen und Kontinenten zu überschauen vermag, müssen freilich noch umfangreiche Arbeiten durchgeführt werden.

Eben zu diesem Zweck hatten die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover und das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven die 1995 in Dienst gestellte "Polar Queen" gechartert (Bild 2 links). Dieses eisbrechende Versorgungsschiff ist mit modernster Technik ausgestattet und verfügt sowohl über ein Hubschrauberdeck als auch über ausreichend Laderaum, was für die umfangreichen logistischen Transfers während der Polarkampagne 1995/96 besonders vorteilhaft war.


Unvorhergesehene Widrigkeiten

Die seismische Expedition begann am 5. Januar 1996 in Kapstadt. Als erstes sollte ein tiefenseismisches Profil längs über den Astrid-Rücken aufgenommen werden. Diese unterseeische Erhebung vor der Prinzessin-Astrid-Küste ist eine ungewöhnliche Struktur am mehr oder weniger gerade verlaufenden ostantarktischen Kontinentalrand; ihren Ursprung kennt man noch nicht. Der 50 bis 70 Kilometer breite Rücken ragt fast rechtwinklig zur Küstenlinie nahezu 400 Kilometer weit in das atlantischindische Südpolarbecken hinein und knickt dann in einem flacher werdenden Ausläufer ostwärts ab, bevor er sich schließlich in der Tiefsee verliert (Bild 4).

Ein reflexionsseismisches Profil, das die BGR 1978 aufgenommen hatte, sowie begleitende Schweremessungen wiesen darauf hin, daß der Astrid-Rücken aus Gesteinen relativ geringer Dichte bestehen müsse. Seitdem gibt es zwei konkurrierende Hypothesen: Entweder ist diese Erhebung ein bei der Aufspaltung Gondwanas separierter Rest des Kontinentalrandes, dessen Position sich nur wenig durch die Driftbewegung änderte, oder sie war einst ein vulkanisch aktiver ozeanischer Rücken, also ein Herd der Krustenbildung, der im Laufe der Erdgeschichte zur Ruhe kam.

In diesen alternativen Erklärungen, die sich offenbar ebenfalls auf den weiter östlich gelegenen Gunnerus-Rücken anwenden lassen, liegt gewissermaßen ein Schlüssel zur Beantwortung der Frage, wie sich Afrika, Madagaskar und Indien vom antarktischen Kontinent gelöst haben. Um zwischen ihnen zu entscheiden, bedarf es zusätzlich zu reflexionsseismischen Untersuchungen der Tiefenseismik, bei der auch die Eigenschaften von an Grenzflächen gebrochenen Wellen analysiert werden. Entsprechendes Gerät hatten die Mitarbeiter des AWI an Bord der "Polar Queen" gebracht: Luftpulser verschiedener Größe und Leistung zum Auslösen der Schallwellen sowie Ozeanboden-Hydrophone und seismische Landstationen zu deren Registrierung. Das marine Profil sollte über das Schelfeis und einige aus dem Inlandeis herausragende Bergkuppen in Richtung des Wohlthat-Massivs im Hinterland der Prinzessin-Astrid-Küste verlängert werden, um herauszufinden, ob und wie die gemessenen Strukturen mit denen auf dem Festland korrellieren, wo zur gleichen Zeit die Geomaud-Expedition der BGR operierte.

Doch unsere Expedition mußte gleich zu Beginn einen Rückschlag hinnehmen: Das Aktionsgebiet war – selten für den antarktischen Sommer – bereits nördlich des 68. Breitengrades von dichten Treibeisfeldern bedeckt. Wie Donnerschlag hörte es sich an, wenn die Eisschollen gegen den Schiffsrumpf prallten. Die teuren Ozeanboden-Hydrophone unter solchen Bedingungen auszusetzen wäre viel zu riskant gewesen. Die Registrierung eines seismischen Profils über den Astrid-Rücken mußte – zur Enttäuschung manches Wissenschaftlers – aufgegeben werden.

Zum Strukturvergleich war ein weiteres Profil in der östlich des Astrid-Rückens gelegenen Riiser-Larsen-See vorgesehen. Der Satelliten-Eiskarte zufolge erstreckte sich jedoch auch in diesem Gebiet ein breiter Meereisgürtel. Und tatsächlich: Große, kantige Eisschollen dämpften dort die Dünungswellen. In einem weiten Halbrund reihte sich Eisberg an Eisberg; wir zählten ohne Mühe 76 dieser wie weißblaue Brillanten im kalten Meer liegenden Kolosse.

Die in Rußland gecharterte "Akademik Nemchinov", mit der wir in den nächsten Tagen zusammenarbeiten wollten, befand sich in einer ähnlichen Lage. Mit diesem Schiff führte Karl Hinz von der BGR, der Gesamtleiter der marinen Arbeiten und von Geomaud, reflexionsseismische, magnetische und gravimetrische Arbeiten aus. Doch weil sich die Naturgewalten als stärker erwiesen, mußte auch er auf eine wichtige Meßreihe verzichten.


Das Lasarew-Profil

Die Fahrtleiter der "Polar Queen", Wilfried Jokat vom AWI und Christian Reichert von der BGR, entschieden, das Vergleichsprofil westlich des Astrid-Rückens, in der Lasarew-See, aufzunehmen, wo die Eissituation besser zu sein schien. Von dieser Region – größer als die Fläche der Bundesrepublik Deutschland – gibt es nur ein grobes reflexionsseismisches Meßnetz der BGR sowie magnetische und gravimetrische Profile. Sie weist nach heutigen Erkenntnissen die (vermutete) Normalstruktur des ostantarktischen Kontinentalrandes auf. Über das tiefere Basement liegen so gut wie keine Daten vor. Es geht bei all diesen Untersuchungen darum, wie sich die heute passiven Krustenränder während des Gondwana-Aufbruchs gebildet haben, aus welchem Material sie bestehen, ja wo überhaupt die Grenze zwischen ozeanischer und kontinentaler Kruste zu ziehen ist. Mit verläßlichen Angaben über die Geschwindigkeiten seismischer Wellen in der tieferen Kruste könnte man einige der konkurrierenden Modelle ausschließen.

Am 15. Januar erreichte die "Polar Queen" wieder offenes Wasser, fuhr an der Treibeisgrenze entlang und bezog am nächsten Morgen die Ausgangsposition für ein 395 Kilometer langes Seismikprofil in nördlicher Richtung. In den Tagen zuvor hatte die kleine Crew der Seismiker wieder und wieder jedes Teil der sieben an Bord befindlichen Ozeanboden-Hydrophone geprüft. Diese so robusten wie sensiblen Geräte sehen Bojen ähnlich. Am meisten fällt ein knallgelber, eiförmiger Schaumstoffkörper auf, der das Hydrophon – fast das kleinste Teil der gesamten Anordnung – nach Abschluß der Registrierung wieder zur Meeresoberfläche bringt (Bild 3). Außerdem gehören ein Druckbehälter mit Stromquelle und Datenlogger dazu, eine elektronische Einrichtung zum Auslösen des Bodengewichts sowie – damit das Auffinden der Geräte erleichtert wird – ein kleiner Radiosender, eine Blitzlampe und schließlich eine rote Flagge.

Ozeanboden-Hydrophone sind eine eingeführte Technik für tiefenseismische Experimente im marinen Bereich. Der hier verwendete Gerätetyp besteht aus handelsüblichen Komponenten; in Polargebieten setzt ihn das Alfred-Wegener-Institut erst seit 1993 ein. Eines dieser Geräte kostet etwa 80000 Mark – verständlich, daß man sie im Treibeis lieber nicht zu Wasser läßt, zumal dann nicht einmal gewiß ist, ob man Daten erhält.

Das Aussetzen der Hydrophone ist Routine. Über Nacht hatten sich die Stahlplanken der "Polar Queen" mit einer dünnen, glitzernden Eisschicht überzogen. Die Männer bewegten sich vorsichtig, beinahe tänzerisch, auf dem glatten Belag. Mit um so flinkeren Händen montierten sie eines der Ozeanboden-Hydrophone. Ein Schwenk über die Reling, dann versank die kleine seismische Station auf eine Tiefe von mehr als 2000 Metern – ein Schallsensor am Ozeanboden, ein Horchposten in geologisch ferne Zeiten, sobald vom Schiff aus Druckimpulse gesendet werden.

Alle anderen Stationen wurden nun im Abstand von 20 Seemeilen auf 6 Grad östlicher Länge ausgebracht. Das Profil erstreckt sich von 66_00? bis 69_33? südlicher Breite (Bild 4 oben). Immer wieder die gleichen Tätigkeiten des Heranschleppens, Montierens, Testens der einzelnen Komponenten und schließlich das Ausbringen der Bojen an genau vorgegebenen Positionen. Gelegentlich schob sich ein Eisberg vorbei, was die Seismiker nicht gerne sahen, doch der Kurs konnte beibehalten werden. Als der Wind auffrischte, stampfte das Schiffmächtig und setzte manchem Besatzungsmitglied übel zu. Dennoch: Kurz vor Mitternacht befand sich das letzte Hydrophon auf dem Meeresgrund.

Die Schallimpulse dafür sollte die "Akademik Nemchinov" abgeben, der wir am nächsten Tag begegneten. Hinz hatte entlang der Treibeisgrenze ein reflexionsseismisches Profil in der Riiser-Larsen-See aufgenommen. Jetzt fuhr seine Crew durch die Lasarew-See und bediente die von uns ausgelegten Hydrophone alle sechzig Sekunden mit einem definierten Knall. Dazu wurden Luftpulser verwendet, Maschinen, die komprimierte Luft schlagartig freisetzen.

Die "Nemchinov" schoß das Profil mit 32 solcher Luftkanonen oder airguns, die, zu vier Arrays vereint, an Ketten hinter dem Schiff geschleppt wurden. Diese kleinen Geräte waren unterschiedlich angeordnet und wiesen verschiedene Kammervolumina auf; dadurch ließ sich ein unerwünschtes Nachschwingen des Knalls oder Popps (von englisch pop) weitgehend verhindern. Insgesamt 2270 Popps, mit dem Global Positioning System (GPS) zeitlich und räumlich exakt markiert, sandten nun ihre Schallwellen entlang des Lasarew-Profils.

Zugleich hatte die "Nemchinov" einen 3000 Meter langen Streamer am Haken, mit dem steilwinklig reflektierte Schallwellen aufgenommen und einer Registriereinheit zugeführt werden. Diese Kombination ist ideal für Untersuchungen der Erdkruste: Streamer für die Reflexionsseismik, mit der man Strukturen insbesondere der oberen Bodenschichten (fünf bis sechs Kilometer), aber auch bis zur Kruste-Mantel-Grenze, erkennen kann; und Ozeanboden-Hydrophone für die Refraktions- und Weitwinkelseismik, die Aussagen zur Geschwindigkeit seismischer Wellen in den Gesteinen erbringt und damit Anhaltswerte für die Gesteinsdichte, woraus sich wiederum Hinweise auf die Materialzusammensetzung ergeben. In der Ostantarktis wurde dieses methodische Zusammenspiel während unserer Expedition erstmals praktiziert.

Nach den Berechnungen der Fahrtleiter reichte die Signalenergie der Luftpulser etwa 130 Kilometer weit; für größere Entfernungen würde durch die Dämpfung in den Festgesteinen und den Störpegel am Ozeanboden das Signal-Rausch-Verhältnis so ungünstig, daß es kaum noch eine Interpretation erlaubte. Das bedeutete: Sobald die "Nemchinov" weit genug voraus war, konnte die Mannschaft der "Polar Queen" die Ozeanboden-Hydrophone wieder einsammeln. Der spannungsvolle Teil der Fahrt begann. Würden sie auch alle wieder auftauchen? Und dann die bange Frage: Haben sie zuverlässig seismische Signale registriert?

Ein codierter Zirpton, der gezielt die Adresse des jeweiligen Hydrophons ansprach, setzte einen Mechanismus in Gang, der die Geräteeinheit aus ihrer Verankerung am Meeresboden löste. Nach etwa 40 Minuten sollte der gelbe Schaumstoffkörper an der Wasseroberfläche erscheinen; so lange braucht eine solche Boje, um aus 4332 Metern Tiefe, der tiefsten Stelle des Profils, aufzusteigen. (Zusätzlich verfügten alle Ozeanboden-Hydrophone über einen vorprogrammierten Zeitschalter, so daß sie sicherlich auch bei Versagen des Releasers aufgetaucht wären.)

Die Mannschaft wartete ungeduldig auf dem Arbeitsdeck. Der Releaser zeigte verwirrende Werte über die Aufstiegshöhe an. Auf der Brücke suchten wir mit und ohne Fernglas die Wasseroberfläche ab. Plötzlich flatterte 500 Meter vor dem Schiff eine rote Flagge im Wind. Das Meer blinkte und blitzte im Sonnenschein – denkbar gutes Wetter für eine Bergungsaktion wie diese.

Im Labor wurde die Daten-Kassette einer ersten Prüfung unterzogen. Jeder starrte auf den Monitor des Rechners. In einem Fenster erschienen verstreute Pünktchen, die bei einiger Phantasie wellenartige Amplituden aufwiesen. Doch das waren Signale, die das Hydrophon noch an Bord aufgenommen hatte: Fußtritte, Schiffsgeräusche. Um eine Fehlerquelle zu vermeiden, wurde der Datenlogger nämlich nicht erst am Aufzeichnungsort, sondern bereits an Deck eingeschaltet. Dann eine grüne, zittrige Linie. Die Geräteeinheit hatte aufgesetzt; sie registrierte die Unruhe am Meeresboden. Schließlich ein Ausschlag – und noch einer, eine regelmäßige Folge: seismische Signale. Das System hatte also funktioniert.

Im Rechnerraum konnten wir schließlich erkennen, daß das Hydrophon nicht nur die Schallwellen durchs Wasser wahrgenommen hatte, die es vom Luftpulser direkt erreichten, sondern wirklich auch Wellen aus dem Untergrund. Sie trafen früher ein, obwohl sie einen längeren Weg zurücklegten, und sie waren wegen der Dämpfung im Gestein schwächer als der Wasserschall. Da an Grenzflächen des Ozeanbodens gebrochene Wellen unterschiedlich dichte Schichten durchlaufen, differierten die Geschwindigkeiten entsprechend. Bei Sedimenten erwartet man Werte von zwei bis fünf, bei Laven vier bis fünfeinhalb und im Gabbro sieben Kilometer pro Sekunde. Eben deshalb kann man aus den Laufzeiten der Wellen erste Aussagen über die Zusammensetzung des Untergrundes ableiten. Allerdings verbietet es sich, direkt auf einen Materialtyp zu schließen, weil sich die seismischen Wellengeschwindigkeiten verschiedener Gesteine überlappen können.

Auf halber Strecke sandte uns Hinz ein Telefax von der "Akademik Nemchinov". Die ersten Aufzeichnungen der reflektierten Wellen hatten ihn so begeistert, daß er gleich eine Skizze der ersichtlichen Strukturen erstellte. Sie zeigte die Südhälfte des Lasarew-Profils. Das Bemerkenswerte daran waren unter dem Sediment liegende, deutlich von Süd nach Nord abfallende Schichtstrukturen. Hinz hatte derartige Muster bereits 1974 vor Skandinavien, vier Jahre später auch im Weddell-Meer und an Krustenrändern rings um den Atlantik entdeckt und sie als seaward dipping reflectors bezeichnet. Seine Interpretation, daß diese seewärts geneigten Reflektoren basaltische Lagen darstellen würden, die sich beim Aufreißen kontinentaler Kruste gebildet hätten, war lange Zeit umstritten, konnte aber durch Bohrungen auf dem Vøring-Plateau (westlich der Lofoten), vor Südost-Grönland und an weiteren Stellen bestätigt werden (Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1993, Seite 58).

In der Antarktis wurde noch nicht nach seaward dipping reflectors gebohrt, doch man vermutet, daß es sich überall, wo solche Sequenzen auftreten, um basaltische Ergüsse handelt, die schubweise an langen Spalten auf Land austraten und die sich nach Öffnung der Ozeane zu deren dünnerer Kruste hin absenkten. Sie scheinen ein weitverbreitetes Kennzeichen passiver Krustenränder zu sein. (Im Gegensatz dazu findet an aktiven Kontinentalrändern Bewegung statt: Ozeanische Kruste wird mit bis zu zehn Zentimetern pro Jahr unter die Kontinente geschoben.)

Ist die Lokalisierung von Basaltkeilen – sogenannten wedges – in der Lasarew-See an sich schon ein wertvolles Ergebnis, so überraschte, daß sich nach einer Senke im Norden ein zweites solches Reflektoren-Paket anschloß. Es muß also in diesem Gebiet eine zweite, offenbar spätere Phase starker vulkanischer Aktivität gegeben haben. Wann und warum, das weiß man noch nicht.

Die vorläufige Sichtung der Weitwinkel-Daten noch an Bord der "Polar Queen" schien die Befunde von Hinz zu bestätigen. Im südlichen Teil des Lasarew-Beckens folgt unter dem Sediment eine markante Zone mit einer Schallgeschwindigkeit von mehr als vier Kilometern pro Sekunde, deren obere Grenzfläche Jokat als Oberkante der dipping reflectors interpretiert. Diese schichtkuchenartige Struktur ist offenbar vier bis fünf Kilometer mächtig. Darunter steigt die Geschwindigkeit auf mehr als sechs Kilometer pro Sekunde an; das entspricht dem Basement, der alten, gedehnten kontinentalen Kruste. In den Weitwinkel-Datensätzen sind auch Reflexionen von der Mohorovicic-Schicht deutlich zu erkennen, dem Übergang von Erdkruste zu Erdmantel, der in der Lasarew-See in einer Tiefe von etwa 20 Kilometern unter dem Meeresboden liegt.

Im Gegensatz zum Südteil des Lasarew-Beckens, der eine deutliche Abstufung der Schallgeschwindigkeiten im Untergrund erkennen läßt, steigen die von Beginn an hohen Geschwindigkeiten im Nordteil nur ganz allmählich mit der Tiefe weiter an, so daß man eigentlich nur einen Gradienten errechnen kann. Das unterscheidet (außer der Mächtigkeit) die reine ozeanische Kruste von der kontinentalen Kruste beziehungsweise von ihren Mischformen an den Rändern. Der Grenzbereich zwischen beiden liegt etwa zwischen 67_30? und 68_07? südlicher Breite.

Für die Ostantarktis wurde damit erstmals der Übergangsbereich zwischen kontinentaler und ozeanischer Kruste relativ genau bestimmt. In diesem Gebiet zeigte das Lot Wassertiefen um 4200 Meter an. Aus der Streuung der Signale könnte man schließen, daß das ozeanische Basement relativ flach nach oben verläuft. Auch scheint die Topographie des Meeresbodens in diesem Bereich ziemlich rauh zu sein. Ob das, was am Lasarew-Profil gemessen wurde, nun typisch ist für die Ostantarktis bleibt vorerst dahingestellt.


Das Explora-Escarpment

Die "Polar Queen" sollte während dieser Expedition einige Wissenschaftler und Techniker zur deutschen Polarforschungsstation "Neumayer" auf dem Ekström-Schelfeis bringen. Aber auch dort erwies sich das Treibeis als undurchdringlich. Alle Versuche, aus verschiedenen Richtungen sich der Eisbarriere zu nähern, die als Anlegestelle dienen sollte, schlugen fehl. Am 22. Januar entschieden Kapitän und Fahrtleiter, die Landeoperation abzubrechen und die verbliebene Zeit für seismische Arbeiten im zweiten Operationsgebiet zu nutzen.

Nachdem die "Polar Queen" sich aus dem Eisgürtel freigekämpft hatte, lag sie wenige Stunden später in offener See über dem Explora-Escarpment, einer riesigen Steilstufe (englisch escarpment) des Meeresbodens vor der Prinzessin-Martha- und der Prinzessin-Astrid-Küste. Ihre maximale Sprunghöhe beträgt 2000 Meter bei einer Steigung zwischen 15 und 20 Grad. Sie nimmt nach Westen – zum Weddell-Meer hin – ab, und bei 19 Grad westlicher Länge verschwindet der Rücken als topographische Struktur. Das Explora-Escarpment hatten Wissenschaftler der BGR 1978 während der bis dahin einzigen seismischen Meßfahrt in dieser Region entdeckt. Benannt hat es der damalige Expeditionsleiter Hinz nach dem Forschungsschiff "Explora".

Solch eine markante Stufe, sollte man meinen, müsse der Kontinentalrand sein. In erster Näherung ist diese Annahme auch nicht falsch, denn vom antarktischen Kontinent wurde aufgrund der anhaltenden Vereisung auch während geologisch langer Zeiträume verhältnismäßig wenig Sediment in die Meere verfrachtet. Deshalb behilft man sich heute noch mit markanten Unterschieden in den Wassertiefen, um die Kontinent-Ozean-Grenze in diesem Bereich zu beschreiben. Doch von anderen Kontinenten weiß man, daß der Schelfabfall nichts mit dem Kontinentalrand zu tun hat: Dort liegt er, von sechs bis neun Kilometer mächtigen Ablagerungen überdeckt, viel weiter in Küstennähe.

Die Ergebnisse der "Explora"-Fahrt hatten den erstmaligen Nachweis der seaward dipping reflectors für die Antarktis erbracht. Die Basaltlagen befinden sich hier südlich der Steilstufe, also unter dem Plateau. Der Nordteil des Profils, bis etwa 60 Kilometer vom Fuß des Escarpments entfernt, zeigte ein stark zerbrochenes Basement von atypischem Charakter, weshalb Hinz vermutete, die kontinentale Kruste Antarktikas beziehungsweise ein Übergangsbereich erstrecke sich tief ins Weddell-Meer hinein.

Eine Aufgabe der "Polar-Queen"-Kampagne bestand nun darin, diese Vorstellungen zu überprüfen und Fragen zu beantworten, die mit der Öffnungsgeschichte des Weddell-Meeres zusammenhängen.

Über Nacht setzten Seismiker und Schiffsmannschaft die Ozeanboden-Hydrophone aus, wie sie es zuvor in der Lasarew-See getan hatten. Jedoch war die Meßgeometrie diesmal komplizierter (Bild 4 oben). Ein Hauptprofil kreuzt das Explora-Escarpment annähernd senkrecht zwischen den Positionen 70_02? Süd, 10_33? West und 70_40? Süd, 11_45? West, also in Südost-Nordwest-Richtung. Zwei Hydrophone wurden indes außerhalb dieser Linie plaziert. Sie sind die Ausgangspunkte zweier Querprofile in geologischer Streichrichtung: eines auf der Höhe des Explora-Wedge, das andere unterhalb des Escarpments, im Tiefseebereich. Die Querprofile müßten jeweils annähernd homogene Schallgeschwindigkeiten ergeben, wenn es sich um Krustenmaterial gleichen Ursprungs handelte; und die Geschwindigkeiten zwischen beiden Profilen müßten sich in ihren Werten markant voneinander unterscheiden, wenn die Hypothese von Mitarbeitern des Alfred-Wegener-Instituts zuträfe, der zufolge sich die Krustengrenze südlicher als von Hinz angenommen befinden soll.

Das Profil wurde von Süd nach Nord vermessen. Diesmal jedoch mußte die "Polar Queen" selbst für die Anregungsenergie sorgen. Wir hatten dafür zwei russische Luftpulser mit je 60 Litern Luftvolumen und einem Kammerdruck von 110 bar an Bord sowie einen kanadischen BOLT-Pulser zu 32 Litern Volumen und 130 bar Kammerdruck (Bild 5). Mit vielen kleinen Pulsern an Ketten zu fahren ist für das AWI, das meist in Polargebieten arbeitet, nicht ratsam; die Geräte könnten durch treibende Eisbrocken abgerissen werden.

Es dauerte einige Zeit, bis die beiden Luftpulser eingerichtet waren. Mal knallen sie zu schnell, mal zu langsam. Die Airguns wurden dann etwa 60 Meter hinter dem Schiff gezogen, von Kunststoffballons in vier bis acht Meter Tiefe gehalten. Jedes Gerät meldete, wann genau der Popp losging. Der Knall wurde wiederum in GPS-Zeit und -Position festgehalten.

Außer den Weitwinkelregistrierungen der Schallwellen mit den Ozeanboden-Hydrophonen sollten Detailstrukturen mittels Reflexionsseismik untersucht werden. Zu diesem Zweck hatte man eine Streamer-Winde auf der "Polar Queen" montiert – mit viel Aufwand, denn die lichte Höhe des Achterdecks ließ nur einen Spielraum von fünf Zentimetern zu. Das Abrollen des 2,7 Kilometer langen Streamers über Heck war weniger problematisch.

Die Entwicklung der Streamertechnik, zuerst mit einem Aufnahmekanal, dann in den siebziger Jahren mit immer größer werdenden Kanalzahlen, ermöglichte es, druckempfindliche Sensoren – in diesem Falle piezoelektrische Elemente – hinter einem Schiff zu schleppen und damit immer bessere Resultate zu erzielen. Man steckt sie, seriell und zu mehreren Kanälen geschaltet, in einen kilometerlangen dicken Schlauch, der mit einem speziellen Öl gefüllt wird. Dieses sorgt dafür, daß das Aufnehmersystem mit ausgeglichener Dichte im Wasser treibt und deshalb leicht auf die vorgesehene Solltiefe eingeregelt werden kann. Mit entsprechend vorberechneter Füllmenge stellt man den Streamer auf das jeweilige Seegebiet ein. Seewasser als Füllmedium könnte die elektrischen Kontakte angreifen und würde auch nicht genügend Auftrieb bewirken.

Der vom AWI eingesetzte Streamer hat eine aktive Länge von 2,4 Kilometern. Die piezoelektrischen Hydrophone sind im Abstand von 80 Zentimetern angeordnet. Jeweils 32 Hydrophone, zu einem elektrischen Signal addiert, bilden einen Meßkanal. Insgesamt 96 Kanäle sind in jeweils 25 Meter langen Streamer-Segmenten untergebracht.

Nach Aussenden des einzelnen seismischen Signals (Popps) nimmt jedes Hydrophon das Wellenecho an einem jeweils anderen Ort auf. Da das Schiff mit möglichst konstanter Geschwindigkeit fährt, ergibt sich bei einem für die Weitwinkelseismik angepaßten Knallintervall von 60 Sekunden (was einem Positionsunterschied von etwa 150 Metern entspricht) eine achtfache geometrische Überdeckung des Untergrundes. Bei der anschließenden Datenverarbeitung läßt sich deshalb das Signal-Rausch-Verhältnis durch geeignete Verfahren verbessern. Darauf beruht die Effektivität der marinen Vielkanalseismik.

"Start of Profile 16.15 Uhr Greenwich Time" schrieb Co-Fahrtleiter Reichert auf den Rand des Plotterausdrucks. Von nun an wummsten die Luftpulser ununterbrochen hinter dem Schiff her, zweieinhalb Tage lang, während wir die 725 Kilometer lange Profilstrecke abfuhren. Zur Kontrolle der Geräte waren Wachen eingeteilt. Einmal mußte ein Pulser an Bord geholt werden, weil eine Kette ein Loch in den Kompressorschlauch gescheuert hatte; ansonsten passierte in dieser Zeit nicht viel.

Eine Überraschung aber gab es. Die reflexionsseismischen Signale, die über die Streameranschlüsse sofort zur Verfügung stehen und die, ausgedruckt, schon ein ungefähres Bild von der Struktur des Meeresbodens ergeben, enthüllten am zweiten Tag eine unbekannte Erhebung des Meeresbodens: einen einsamen Berg, der mehr als 200 Meter über das Sediment der Umgebung und damit etwa gut 1000 Meter über das Basement hinausragt. Was kann das sein? Ein Seamount, also ein unterseeischer Vulkan? Oder vulkanisches Basement, das nach oben gepreßt worden ist?

Später, als wir das Querprofil auf der ozeanischen Seite des Escarpments aufnahmen, zeigte sich, daß sich diese Höhenstruktur in Nordost-Südwestrichtung ausdehnt. Demnach könnte sie auch ein mariner Gebirgsrücken sein. Die Erhebung liegt 40 Kilometer nördlich des Explora-Escarpments, also im Tiefseebereich. Es war ein Zufall, daß eines der Ozeanboden-Hydrophone genau auf diese Kuppe niederging. Ob diese recht störanfällige Position auch für die Registrierungen vorteilhaft ist muß sich erst noch erweisen. Jedenfalls gaben die Wissenschaftler der neuen Struktur sogleich einen Namen: Gingko, nach einer Pflanze, deren erste Spuren aus dem Perm vor etwa 250 Millionen Jahren nachgewiesen wurden (Bild 6).

Am 27. Januar fuhren wir zum dritten Mal die Strecke ab, um die Ozeanboden-Hydrophone wieder an Bord zu nehmen. Die See war aufgewühlt. Im Schiff mußte man wieder alles festhalten und festzurren. An Deck, im scharfen, salzigen Wind, harrten die Seismiker mit der Peilantenne aus. "Urmel", das Seamount-Hydrophon, sollte sich eigentlich nach Absenden des codierten Schallsignals von der Verankerung gelöst haben. Doch wir sahen nichts als Gischtkronen und hohe Wellen; hin und wieder täuschte ein Sturmvogel das Auge. Nach fünf Versuchen gaben wir auf und sammelten zunächst die anderen Geräte ein – bei Windstärke 9 kein Kreuzfahrt-Spaß.

Am nächsten Vormittag versuchten wir es erneut. In kurzer Abfolge wurde das Codesignal gesendet – und diesmal klappte es! Als das Gerät auftauchte, sah man endlich wieder heitere Gesichter auf der Brücke. Das teure Meßinstrument war gerettet. Womöglich war die rauhe Topographie der vorher unbekannten Erhebung Ursache der Schwierigkeiten. Aber durch die Bergungsaktion hatten wir zehn Stunden verloren – mit der bitteren Konsequenz, daß keine Zeit mehr blieb, das Hauptprofil in den ozeanischen Bereich zu verlängern.

Als um so erfreulicher erwies sich die Qualität der Daten. Wo das Basement "ausbeißt", wie es im Fachjargon heißt, ist es nicht von Sedimenten überlagert, welche die Schallwellen zusätzlich dämpfen. Wenn "Urmel" die Signale besonders klar aufgenommen hatte, ist das ein Hinweis darauf, daß das feste magmatische Gestein von Gingko nur mit einer wenige Zentimeter oder Meter dicken Schicht aus Lockermaterial bedeckt ist. Freilich – keiner hat sie gesehen.

Nach einer ersten Durchsicht der seismischen Sequenzen an Bord des Schiffes ergab sich, daß bereits unmittelbar unterhalb des Explora-Escarpments, also weit südlicher als bisher angenommen, die Erdkruste sehr wahrscheinlich ozeanischen Ursprungs ist; die Schallgeschwindigkeiten sind dort von Anfang an verhältnismäßig hoch. Doch auch südlich der Steilstufe, unter dem Plateau, liegt höchstwahrscheinlich ozeanischer Basalt. Im Norden erstreckt sich vor dem Explora-Escarpment ein maximal 500 Meter mächtiges Sedimentbecken. Noch weiter nach Norden, auf der anderen Seite der Höhenstruktur Gingko, nehmen die Sedimente kontinuierlich zu, was zu erwarten war. Auf 68 Grad südlicher Breite haben sie eine Mächtigkeit von etwa einem Kilometer.

Oliver Ritzmann vom Alfred-Wegener-Institut wertet die Daten für seine Diplomarbeit aus. Die Refraktionsmessungen der "Polar Queen" und die von der "Akademik Nemchinov" aufgezeichneten Reflexionsdaten flossen in Arbeitsmodelle für die betreffenden Regionen ein. Die nachfolgende Anpassung dieser Modelle an die tatsächlich gemessenen Werte bestätigte im wesentlichen den ersten Eindruck.

Für das Lasarew-Profil zum Beispiel ergab sich, daß die Kruste von Süden nach Norden stark ausdünnt (Bild 4 unten). Während im Süden die Mohorovicic-Diskontinuität – die Grenze zwischen Erdkruste und oberem Erdmantel – in einer Tiefe von etwa 25 Kilometern liegt, ist sie im Nordteil des Profils nur noch 15 Kilometer tief. Das Muster der mit der Tiefe variierenden Schallgeschwindigkeit ist im Norden für ozeanische Kruste typisch. Die Geschwindigkeit nimmt in einem oberen, weniger als drei Kilometer mächtigen Sondierungsbereich rasch von 4,0 auf 6,9 Kilometer pro Sekunde zu. Danach steigt sie langsamer an und erreicht an der Moho-Grenze einen Maximalwert von 7,2 Kilometern pro Sekunde.

Im Süden ist die Interpretation hingegen schwieriger. Die Geschwindigkeiten und Mächtigkeiten weisen auf eine Mischkruste hin. Konkret heißt das, daß wir noch südlich von Profilkilometer 210, etwa 400 Kilometer von der Schelfeiskante entfernt, den Übergangsbereich von kontinentaler zu ozeanischer Kruste vermessen haben. Die Grenzlinie des eigentlichen, des alten antarktischen Kontinents mit langsameren Krusten-Wellengeschwindigkeiten von etwa 6,2 Kilometern pro Sekunde liegt folglich noch weiter im Süden. Jokat und Reichert vermuten sie nun bei etwa 70 Grad südlicher Breite. Keiner hatte eine so immens breite Übergangszone zwischen beiden Krustentypen erwartet. Das ist ein durchaus überraschendes Ergebnis unserer Expedition.

Die Entdeckung des Gingko (Vulkaniten mit Schallgeschwindigkeiten von mehr als vier Kilometern pro Sekunde) könnte weitere Folgen haben. Die bisherige Datierung des Gondwana-Aufbruchs beruht weitgehend auf der Altersbestimmung von Land-Vulkaniten. Des weiteren liefern die Alter, die aus den magnetischen Spreizungsanomalien des Meeresbodens für die ozeanische Kruste abgeleitet werden, wichtige Angaben. Nahe dem antarktischen Kontinentalschelf sind die magnetischen Daten jedoch spärlich und vor allem nicht immer eindeutig interpretierbar. Auf der Gingko-Kuppe könnte das Krustengestein günstig angebohrt und einer direkten Altersbestimmung zugänglich gemacht werden. Damit wären erstmalig geologische Altersdaten aus der Entstehungsphase des Südpolarmeeres erhältlich.

Diese Möglichkeit hat Jokat keine Ruhe gelassen. Als Fahrtleiter der XIV. Antarktis-Expedition des Alfred-Wegener-Instituts mit der "Polarstern" im Frühjahr 1997 an der weiteren Aufklärung der Gingko-Struktur interessiert, ließ er die ungewöhnliche Erhebung auch reflexionsseismisch und bathymetrisch vermessen, um die Struktur räumlich zu erfassen (Bild 6). Eine Probennahme brachte Vulkanite zutage. Die vorteilhafte Exposition des Gingko veranlaßte das Alfred-Wegener-Institut, einen Bohrvorschlag für das Ocean Drilling Program vor Antarktika zu ergänzen. Wir haben es hier vermutlich mit einer der weltweit ältesten ozeanischen Krusten zu tun.



Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1998, Seite 110
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1998

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