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Hoffnung für durstige Städte?: Trinkwasser unter dem Ozean

Unter dem Meeresboden liegen enorme Süßwasserreserven. Was einst eine Zufallsentdeckung war, wird nun systematisch erforscht.
Fels vor Neuseelands KüsteLaden...

Hundertmal so viel Süßwasser, wie die Menschheit seit 1900 insgesamt verbraucht hat – insgesamt eine halbe Million Kubikkilometer. Diese unfassbare Menge der kostbaren Ressource schlummert nach Ansicht von Fachleuten dort, wo man sie nicht vermutet hätte: unter dem Meeresboden. Die bisher unbekannten, Trinkwasser führenden Schichten tauchten überall auf der Welt auf, dabei hat man noch nicht einmal richtig angefangen, danach zu suchen. Doch das ändert sich jetzt.

Das Phänomen weckt Begehrlichkeiten, denn Überbevölkerung, Klimawandel und Umweltverschmutzung tragen zur wachsenden Trinkwasserknappheit in Küstenregionen bei. So stand etwa Kapstadts Wasserversorgung im Februar dieses Jahres kurz vor dem Zusammenbruch. Auch andere Großstädte wie Jakarta, Sao Paulo und Peking sind betroffen. Europas wasserärmstes Land Malta hängt seit Jahren von strom- und deshalb kostenintensiven Entsalzungsanlagen ab, die 60 Prozent des Wasserbedarfs decken müssen. Süßwasservorräte vor der Küste kämen da vielen Ländern und Regionen gelegen, allerdings wissen Forscher bislang nur wenig über deren genauen Lage, Ausmaße und Eigenschaften. Jetzt wollen die Wissenschaftler erproben, wie man Offshore-Aquifere gezielt finden kann.

Als Entstehungsmechanismus für diese Offshore-Aquifere diskutiert man vor allem zwei Szenarien: Erstens könnten sich Grundwasser führende Gesteinsschichten an Land einfach unter dem Meer fortsetzen. Zweitens könnte sich der Offshore-Aquifer während der Eiszeiten in küstennahen Gebieten gebildet haben, die damals zum Land gehörten, heute aber vom Meer bedeckt sind. So könnte auch vor Malta ein fossiler Aquifer entstanden sein, der sich jetzt nach der Eiszeit und dem dazugehörigen Meeresspiegelanstieg offshore befindet. Während der letzten Kaltzeit vor 17 000 bis 20 000 Jahren lag der Meeresspiegel mehr als 100 Meter niedriger als heute, weil viel Wasser im Eis gebunden war. Weite Teile seines heutigen Schelfs lagen damals frei an der Luft und konnten das Süßwasser aus Niederschlägen und Flüssen aufnehmen.

Wasser unter Wasser

Aaron Micallef von der Universität von Malta kennt die Geologie seines Landes genau, die aus Wasser führenden Kalksteinen und versiegelnden Tonschichten besteht. Wenn eine Wasser leitende Gesteinsschicht von einer versiegelnden Schicht wie Ton umgeben ist, bleibt das Wasser dort gefangen und ein Grundwasserreservoir entsteht. Er vermutet, dass sich die Schichten unter dem Meer günstig fortsetzen könnten, um einen Offshore-Aquifer zu bilden. Da Maltas Schelf im letzten Glazial trocken lag, hofft er auch auf ein fossiles Grundwasserreservoir vor der Küste. Mittels hochauflösender Karten der Meeresbodenoberfläche charakterisiert der Geologe verschiedene Formationen und sucht Hinweise auf unterirdische Wasservorräte. So deuten vor Malta beispielsweise eingestürzte Höhlen am Ozeanboden auf Karstsysteme hin, die einst Süßwasser führten – oder es noch tun.

Micallef identifizierte auch Box-Canyons, Schluchten, wie man sie auch in Amerika findet und meist mit Grundwasser-Austritten assoziiert. Selbst auf dem Mars gibt es diese U-förmigen Strukturen, die einst Wasser geformt haben soll. Nun muss er seiner Vermutung mit Hilfe anderer geowissenschaftlicher Disziplinen auf den Grund gehen – genauer: auf den Meeresgrund.

Mit dem GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanwissenschaften und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) war Micallef im Frühjahr 2017 bereits vor Neuseeland und jetzt vor Maltas Küste auf Süßwassersuche. Das Projekt, in Zusammenarbeit mit der Universität Malta und finanziert vom Europäischen Forschungsrat, soll nicht nur Offshore-Aquifere aufspüren, sondern mögliche Auswirkungen einer Förderung sowie den Einfluss des Klimawandels und Umweltverschmutzungen auf das Gesamtsystem untersuchen.

Der Forscher berät die Geophysiker an Bord des Forschungsschiffs, die Geometrie und Eigenschaften des vermeintlichen Grundwasserreservoirs bestimmen, wo sie messen sollen. Mit seismischen Schallwellen bilden Geophysiker Untergrundstrukturen ab, vergleichbar mit einem medizinischen Ultraschall. Um zu unterscheiden, ob die Poren eines Gesteines mit Süß- oder mit Salzwasser gefüllt sind, wenden sie die elektromagnetische Methode Controlled Source Electromagnetics (CSEM) an. Als wenn man eine Ultraschallsonde über die Haut zieht, schleppt das Forschungsschiff Hercules eine robuste, 500 Kilogramm schwere Metalltonne, »pig« genannt, am Meeresboden hinter sich her.

Kaum entdeckt, schon bedroht?

Doch die CSEM-Messeinrichtung mit seinem 600 Meter langen Schwanz aus Sendeantenne und Empfängern erzeugt keine Schallwellen. Sie sendet ein elektromagnetisches Signal aus – wie eine Radioantenne – und empfängt die Antwort des Untergrunds. Die Antwort auf das Signal sind induzierte elektrische Ströme im Meeresboden, deren Stärke von den elektrischen Leitfähigkeiten im Untergrund abhängt. Diese Leitfähigkeiten lassen auf den Salzgehalt des Wassers in den Gesteinsporen schließen, denn: Ist ein Gestein mit Meerwasser gefüllt, ist es elektrisch gut leitend. Ist dasselbe Gestein aber mit Süßwasser gefüllt, verringert sich die Leitfähigkeit um mehr als eine Größenordnung – ein deutlicher Kontrast, den die Forscher suchen.

Blick über das Achterdeck des Forschungsschiffes. Links im Bild liegt die grau gestrichene Messeinrichtung, rechts schließt eine Wissenschaftlerin ein Messkabel an.Laden...
Messfahrt mit dem »pig« | Eine halbe Tonne wiegt die Sonde für die CSEM-Messungen, mit denen die Crew des Forschungsschiffs den Süßwasserleiter unter dem Meeresboden vor Malta kartieren.

Doch auch wenn solche Funde in trockenen Küstenregionen Hoffnungen wecken, ist längst nicht abzusehen, ob die Reservoire problemlos nutzbar sind. So gibt BGR-Wissenschaftlerin Katrin Schwalenberg zu bedenken, dass die Wechselwirkung zwischen Land- und Offshore-Grundwasser untersucht werden müsste. Würde man Offshore fördern und es bestünde eine Verbindung zum Landgrundwasser, könnte Regenfall an Land das Reservoir wieder aufladen. Einen fossilen Offshore-Aquifer dagegen pumpt man irgendwann leer, was einer nachhaltigen Nutzung widerspräche. Auch Micallef mahnt, dass es nicht Maltas großes Problem löse, sollten sie offshore Grundwasser finden. Der maltesische Wissenschaftler sieht seine Forschung nur als Backup-Plan und plädiert für eine Änderung des Nutzungsverhaltens und einem nachhaltigen Umgang mit der knappen Ressource.

Im Canterbury Basin vor Neuseeland vermaß das Forschungsschiff eine Fläche etwa halb so groß wie Schleswig-Holstein, um wie vor Malta die Leitfähigkeiten des Untergrunds abzubilden. Sie wussten bereits, dass es unter dem Meeresboden Grundwasser gibt, denn 2011 fand eine IODP-Bohrung zufällig welches in 30 bis 70 Meter Tiefe unter dem Meeresboden. Diesen Zufallsfund bestätigten die Wissenschaftler nun mit CSEM. Und noch besser: GEOMAR-Forscher Amir Haroon beschreibt, dass der entdeckte Offshore-Aquifer zur Mitte des Beckens vor der Küste mächtiger werde und die elektrische Leitfähigkeit sich gleichzeitig verringert. Das bedeutet, dass das Wasserreservoir in einiger Entfernung zum Bohrloch größer und noch frischer, also weniger salzhaltig werden könnte.

Eine Parallele zum Mars?

In der Mitte des Canterbury Basin konzentriere sich das Vorkommen, das insgesamt eine Ausdehnung von einigen zehn Kilometern hat, und scheint mit dem Grundwasser an Land verbunden zu sein. Für konkrete Volumenabschätzungen bräuchten die Wissenschaftler noch mehr Hintergrundinformationen wie Gesteinsart und Porenraum, so Micallef. Die CSEM-Daten könnten eine höffige Lokation zum Bohren definieren. »Natürlich hätte man auch gerne viele verschiedene Bohrlöcher für das Ground-Truthing, also um die geophysikalischen Daten zu verifizieren«, erklärt der Geophysiker Haroon, »aber jedes Bohrloch kostet hunderttausende Euro und liefert dann auch nur punktuell Daten statt einer großen Flächenaufnahme.«

Ein weiteres Puzzlestück, um ein Wassersystem ganzheitlicher zu verstehen, kommt aus den »Seeps« – Risse und Gesteinsporen am Meeresboden, durch die Flüssigkeiten austreten. Mit einer Salinitätssonde spüren die Forscher diese Seeps auf, seilen eine spezielle Probenflasche bis auf den Grund ab und entnehmen Proben der austretenden Flüssigkeit. Geochemiker werten aus, ob es sich um Grundwasser handelt, und wenn ja, woher: Aus den Isotopenverhältnissen leiten sie ab, ob das am Meeresgrund ausgetretene Wasser ursprünglich von Land stammt und mit Landgrundwasser verbunden ist. Oder ob die Probe fossil ist und vor tausenden Jahren unter dem Schelf entstand.

Auf Grundlage der gesammelten Ergebnisse werden Hydrologen die Entwicklung eines Offshore-Aquifers modellieren und Erklärungen für die beobachteten Formationen auf dem Meeresboden liefern. So hofft Micallef irgendwann sogar auch Rückschlüsse für ähnliche Formationen auf anderen Planeten ziehen zu können, so wie Box Canyons auf dem Mars als ein Zeugnis längst vergangener Wasserbewegungen interpretiert werden.

Anders als in Neuseeland steht vor Malta noch nicht fest, ob es einen Offshore-Aquifer gibt. Vor Malta wurde eine kleinere Meeresfläche untersucht, etwa 100 Quadratkilometer. Die Messfahrt im Oktober währte zwar nur eine Woche, aber es wird viele Monate brauchen, um die CSEM-Daten zu einem aussagekräftigen Untergrundmodell auszuwerten. Jeder Einzelschritt der Auswertung müsse erst eigens entwickelt werden, berichtet Haroon, der am GEOMAR Studenten betreut, die diese CSEM-Messungen aus Neuseeland und Malta bearbeiten. Für diese Arbeit gibt es noch kein Standardverfahren: »Es dauerte anderthalb Jahre, die Neuseeland-Daten fundiert auszuwerten, weil nicht nur die Ergebnisse im Vordergrund stehen, sondern auch die Ausbildung der jungen Wissenschaftler, die eigene Erfahrungen sammeln müssen.« So planen die Wissenschaftler Summer Schools auf Malta, um die nächste Forschergeneration auf dem aktuellen Stand zu halten, wie man Offshore-Aquifere findet und untersucht.

Das GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanwissenschaften ermöglichte und finanzierte die Teilnahme der Autorin an der Fahrt des Forschungsschiff Hercules im Oktober 2018.

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