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Erklärung für ungewöhnliche Isotopenmuster

MARUM-Forschende sind im Guaymas-Becken im Golf von Kalifornien auf Spuren von Kohlenwasserstoffgasen gestoßen, die nicht auf herkömmliche Weise entstanden sind. Im Labor konnten sie die Kohlenwasserstoffbildung simulieren. Ihre Studie wurde jetzt veröffentlicht.

Unter Druck und hoher Temperatur bilden sich im tiefen Ozeanboden Kohlenwasserstoffe, die auch ein wesentlicher Bestandteil von Erdöl und Erdgas sind. In der Studie, die jetzt im Journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, zeichnen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen neuen Bildungsweg der Gase Ethan und Propan, zwei Hauptbestandteile von Erdgas, durch die Reduktion von Essigsäure nach. Das Team, an dem Forschende des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und der University of North Carolina (USA) beteiligt sind, haben die Isotopensignaturen untersucht und in einem Versuchsaufbau im Labor die Kohlenwasserstoffbildung simuliert.

Isotope von Kohlenwasserstoffverbindungen sind wie ein Fingerabdruck. Eindeutig weisen sie auf die Art und Weise hin, wie chemische Verbindungen entstanden sind – das gilt auch für einfache Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan und Pentan. Werden Kohlenwasserstoffe verbrannt, entstehen Wasser und Kohlenstoffdioxid, hierbei wird Energie freigesetzt. Kohlenwasserstoffe, und dazu gehören auch Erdöl und Erdgas, werden über lange Zeiträume bei großem Druck und hohen Temperaturen gebildet – dies können Forschende dann durch entsprechende Isotopenmuster aufzeigen.

Gebiet im Golf von Kalifornien als Modellregion

Während Forschende Proben aus dem Guaymas-Becken untersucht haben, sind sie bei ihren Messungen allerdings auf Isotopenmuster gestoßen, die nicht zu den bekannten Bildungswegen passten. Die Proben wurden mit dem bemannten Tauchboot Alvin auf einer Expedition mit dem Forschungsschiff ATLANTIS genommen, so konnten sie genau lokalisiert und gleichzeitig die Temperatur im Meeresboden gemessen werden. „Im Guaymas-Becken können wir eine Ölbildung wie im Zeitraffer beobachten“, erklärt Co-Autorin Dr. Florence Schubotz vom MARUM. In diesem Becken sammelt sich viel organisches Material und lagert sich als Sediment ab, das sich wiederum durch die hydrothermalen Aktivitäten schnell aufheizt und so Öl bildet – und das vor allem sehr schnell im Vergleich zu den Jahrmillionen, in denen Öl normalerweise durch großen Druck und hohe Temperaturen gebildet wird. Im Gegensatz dazu sorgt die Kombination von geologischer Aktivität am Kontinentalrand und der Menge an sedimentiertem biologischen Material dafür, dass Kohlenwasserstoffe entstehen – das Becken agiert und reagiert wie ein Schnellkochtopf. Aufgrund dieser Besonderheit gilt das Guaymas-Becken Forschenden als Modellregion für einen vergleichsweise jungen Ozeanboden. Das Becken liegt an einem Spreizungsrücken, an dem durch die Bewegung der tektonischen Platten neuer Meeresboden entsteht.

Aus Essigsäure wird im Labor Gas gebildet

„Diese Daten haben uns überrascht, da wir sie nicht mit bekannten Mechanismen erklären konnten. Wir haben über alternative Erklärungen nachgedacht und überlegt, was dieses System so besonders macht, welche Prozesse im tiefen Untergrund ablaufen und für das ungewöhnliche Isotopenmuster der Kohlenwasserstoffgase in unseren Proben verantwortlich sein könnten“, schildert Erstautorin Dr. Min Song. Dazu haben die Forschenden die Rolle der flüchtigen Fettsäuren untersucht, die im Guaymas-Beckens reichlich vorhanden sind, und führten Simulationsexperimente durch. Zum ersten Mal konnten sie so einen alternativen Weg zeigen, wie die Gase gebildet werden können und vor allem die Isotopensignaturen erklären. Im Labor des MARUM-Forschers Prof. Wolfgang Bach wurden Temperatur und Druck so simuliert, wie sie an Hydrothermalsystemen herrschen. Aus Essigsäure wurde im Labor Ethan und Propan gebildet, und zwar ohne Mikroorganismen.

Ergebnisse helfen, Prozesse im Ozeanboden besser zu verstehen

Diese neue Erklärung für eine alternative Bildung von Kohlenwasserstoffen im Ozeanboden, betont Schubotz, könnte nun auch in anderen geo- und hydrothermal erwärmten Sedimentsystemen überprüft werden. Aus diesem Grund seien die Ergebnisse ein wichtiger Beitrag zur Forschung am MARUM. An der Studie sind Kolleginnen und Kollegen von Min Song im Kontext des Exzellenzclusters „Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“ sowie mit Prof. Andreas Teske von der University of North Carolina auch internationale Partner beteiligt. „Unsere Ergebnisse liefern eine schlüssige Erklärung für ungewöhnliche Isotopenmuster in Kohlenwasserstoffgasen“, so Co-Clustersprecher und Studienleiter Prof. Kai-Uwe Hinrichs. Die Kohlenwasserstoffe werden hier nicht aus längeren Verbindungen in kleinere Bestandteile aufgespalten, sondern aus kleineren Bausteinen aufgebaut. An dieser Bildungsweise sind keine Mikroorganismen beteiligt, weswegen sie zum den abiotischen Bildungswegen zählt. Die Ergebnisse werden künftig dazu beitragen, die Prozesse im Ozeanboden und insbesondere Stoffflüsse besser zu verstehen.

Originalpublikation:

Min Song, Florence Schubotz, Matthias Y. Kellermann, Christian T. Hansen, Wolfgang Bach, Andreas P. Teske, Kai-Uwe Hinrichs: Formation of ethane and propane via abiotic reductive conversion of acetic acid in hydrothermal sediments. PNAS 2021.

Fragen beantworten:

Dr. Min Song
Organische Geochemie
E-Mail: msongprotect me ?!uni-bremenprotect me ?!.de

Prof. Dr. Kai-Uwe Hinrichs
MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen
Organische Geochemie
Telefon: 0421 218 65700
E-Mail: khinrichs@marum.de

Das bemannte Tauchboot Alvin
Das bemannte Tauchboot Alvin von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) wird von Bord des Forschungsschiffs ausgesetzt.