GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
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Schlotfragment eines Schwarzen Rauchers. Hauptbestandteile von Massivsulfiden sind eisenreiche Schwefelverbindungen, wirtschaftlich interessante Metalle sind Kupfer und Zink (in Spuren auch Gold, Silber, Germanium, Indium, Tellur und Wismut) zur Verwendung als Komponenten für die Kommunikationstechnologie. Foto: Jan Steffen / GEOMAR
Schwarzer Raucher im Krater des Niua-Unterwasservulkans im Lau-Becken zwischen Fidschi und Samoa. Unter Leitung des GEOMAR hat ein internationales Forschungsteam im April 2016 mit dem Niua-South-Krater erstmals ein komplettes Hydrothermalfeld zentimetergenau vermessen. Foto: GEOMAR / Schmidt Ocean Institute / CSSF
Verteilung von aktiven (rot) und inaktiven (gelb) Schwarzen Rauchern im Ozean. Gebiete von besonderem wirtschaftlichem Interesse und Grenzen der Ausschließlichen Wirtschaftszonen sind hervorgehoben. Große Bereiche, insbesondere in den südlichen Ozeanen, sind bisher nicht untersucht worden und sind nur deshalb nicht auf der Karte verzeichnet. (Stand 2019). Karte: Sven Petersen / GEOMAR
Massivsulfide - Rohstoffquelle an Schwarzen Rauchern
Bei Schwarzen Rauchern handelt es sich um Hydrothermalquellen an vulkanisch aktiven Zonen der Tiefsee. Der schwarze „Rauch“, der aus den bis zu 30 Meter hohen Schloten quillt, besteht aus fein verteilten Sulfidpartikeln. Auch die Schlote selbst und die Hügel unter ihnen bestehen aus Metall-Schwefelverbindungen, den sogenannten Massivsulfiden.
Im Jahr 1979 taucht das amerikanische Forschungstauchboot Alvin im pazifischen Ozean. Durch die kleinen Bullaugen der Druckhülle erblickte die Besatzung auf dem Meeresboden in rund 2.600 Metern Tiefe meterhohe Schlote, aus denen scheinbar schwarze Rauchwolken quollen. Die Wissenschaftler hatten die ersten hydrothermalen Quellen, sogenannte „schwarze Raucher“, entdeckt. Untersuchungen zeigten, dass sich rund um die Quellen Minerale ablagern und Vorkommen sogenannter Massivsulfide bilden. Inzwischen sind mehr als 390 Vorkommen in allen Ozeanen bekannt, wobei es aber gewaltige Unterschiede in der Größe der Vorkommen gibt. Hydrothermalquellen sind aber nicht nur Rohstofflieferant, sondern auch ein außergewöhnlicher Lebensraum.
In den vergangenen Jahren hat das wirtschaftliche Interesse an den Massivsulfiden zugenommen. Die erste Abbaulizenz für Massivsulfide rund ein ein erloschenes Hydrothermalsystem wurde 2011 für ein Vorkommen vor der Küste Papua-Neuguineas erteilt. Ein kommerzieller Abbau hat jedoch noch nicht begonnen.
Nach heutigem Stand scheinen nur wenige der bekannten Massivsulfid-Vorkommen über die ausreichende Größe und Metallgehalte zu verfügen, um wirtschaftlich abbauwürdig zu sein. Neue, noch zu entwickelnde Erkundungstechnologien können die Suche über kleine, aktive Vorkommen hinaus erweitern und große, inaktive Vorkommen abseits der vulkanisch aktiven Zonen entdecken helfen. Trotzdem erscheint das Rohstoffpotential der Massivsulfide, verglichen mit dem der Manganknollen oder kobaltreichen Mangankrusten, eher gering zu sein. Allerdings sind, aufgrund des dreidimensionalen Charakters der Vorkommen, die Umweltauswirkungen eines Abbaus vermutlich deutlich geringer als bei den großen Flächen, die bei einem Abbau von Knollen und Krusten zu erwarten sind.
Artenvielfalt an Schwarzen Rauchern: Garnelen. Foto: ROV KIEL 6000/GEOMAR
Artenvielfalt an Schwarzen Rauchern: Muscheln. Foto: ROV KIEL 6000/GEOMAR
Artenvielfalt an Schwarzen Rauchern: Krabben. Foto: ROV KIEL 6000/GEOMAR
Artenvielfalt an Schwarzen Rauchern: Schnecken. Foto: ROV KIEL 6000/GEOMAR
Artenvielfalt an Schwarzen Rauchern: Röhrenwürmer. Foto: ROV KIEL 6000/GEOMAR
Artenvielfalt an Schwarzen Rauchern: Mikroorganismen. Foto: ROV KIEL 6000/GEOMAR
Krabben, Garnelen, Muscheln und Mikroorganismen an Schwarzen Rauchern.
Foto: ROV KIEL 6000/GEOMAR
Biodiversität an Hydrothermalquellen
Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen und Algen Licht als Energiequelle, um CO2 zu binden und in Kohlenhydrate umzuwandeln. Bei der Chemosynthese hingegen, gewinnen Bakterien die Energie für die Umwandlung von CO2 in Kohlenhydrate aus chemischen Verbindungen, etwa Schwefelwasserstoff, Methan oder Wasserstoff.
Das erste Leben auf der Erde könnte an den Schwarzen Rauchern in der Tiefsee entstanden sein. Hier hat sich im Laufe von Jahrmillionen ein Ökosystem entwickelt, das perfekt an die eigentlich lebensfeindlichen Bedingungen angepasst ist. In einer Umgebung von absoluter Dunkelheit, mit extremem Wasserdruck sowie mit giftigen Metallverbindungen angereichertem Wasser und Temperaturen von mehr als 350 Grad Celsius befindet sich dort eine einzigartige Artengemeinschaft.
Basis dieses Ökosystems bilden Symbiosen. Urtümliche Bakterien beziehen, unabhängig vom Licht, ihre Energie aus der Umwandlung von Schwefel und Methan, der sogenannten Chemosynthese. Diese „dunkle Energie“, bei der keine Sonnenenergie zum Leben genutzt wird, können nur Mikroorganismen verwenden. Tiefseetiere wie Krebse oder Muscheln können selbst keine Chemosynthese betreiben, aber durch ihre enge Gemeinschaft mit den Bakterien bekommen die Tiere Zugang zu Nährstoffen, die die Bakterien durch Chemosynthese erzeugt haben.
Einzelne Tierarten können sehr viele verschiedene Bakterien als Untermieter beherbergen. Bis zu 16 verschiedene Bakterienstämme wohnen beispielsweise in den Kiemen einer Tiefseemuschel, jeder mit eigenen Fähigkeiten und Stärken. Dank dieser Vielfalt an symbiotischen Partnern kann sich die Muschel hervorragend an ihre sich ständig ändernde Umwelt anpassen.
Video: Schwarze Raucher - Erzfabriken der Tiefsee
Am Meeresboden, in mehreren tausend Metern Wassertiefe, befördern Schwarze Raucher wertvolle Rohstoffe aus dem Erdinneren herauf. Ihre meterhohen Schlote scheinen wie unterseeische Industrieschornsteine zu qualmen.
Factsheet Massivsulfide: Informationen zur Entstehung sowie dem Vorkommen und Rohstoffpotenzial von Massivsulfiden an Schwarzen Rauchern (PDF, Stand 2019)
Entstehung von Massivsulfiden an schwarzen Rauchern
Die faszinierenden Formationen der Schwarzen Raucher in der Tiefsee entstehen durch das Zusammenspiel von vulkanischer Aktivität und Meerwasser an aktiven Plattengrenzen. Das Meerwasser sickert an den Hydrothemalquellen durch Risse und Spalten im Meeresboden langsam in die Tiefe und trifft in zwei bis drei Kilometern Tiefe auf riesige Magmakammern. Dort wird es erhitzt und steigt aufgrund seiner geringeren Dichte wieder auf. Dabei verwandeln chemische Prozesse das Wasser in eine schwache Säure. Sie wäscht auf dem Weg zurück zum Meeresboden Elemente, wie Kupfer, Zink, Eisen, Gold und Silber sowie Schwefel, aus dem umgebenden Gestein aus. Mit diesen Stoffen angereichert trifft die teilweise über 400 Grad heiße Lösung am Meeresboden auf das etwa zwei bis vier Grad kalte Bodenwasser des Ozeans. Die Metall-Schwefelverbindungen fallen aus und lagern sich am Meeresboden als Sulfidhügel, -schornsteine oder metallreiche Sedimente ab.
