Projekt (1): Flache bis mitteltiefe hydrothermale Systeme und Anreicherung flüchtiger Elemente
Während der Bridge Hell Expedition M192/2 (2023) im Kykladenbogen an Bord der FS Meteor untersuchten wir das hydrothermale Raucherfeld rund um die Vulkaninsel Milos in Griechenland. Die gesammelten Proben unterschieden sich grundlegend von ihren Tiefsee-Gegenstücken und wiesen Zusammensetzungen auf, die von Mineralen wie Baryt, Auripigment, Realgar und Stibnit dominiert waren, bestehend aus Ba, As, Sb und S sowie Ag–Pb–Cu–Zn-reichen Sb-Sulfosalzen. Sie fielen aus heißen, sauren Fluiden aus, die während ihres Aufstiegs Metall(oid)e aus der Kruste und aus vulkanoklastischen Sedimenten unterhalb des Meeresbodens auslaugten und dann mit dem kalten Meerwasser der Ägäis reagierten. Das Kochen der Fluide führte zur Fraktionierung der Elemente, wodurch einige in den Sedimenten unter dem Meeresboden zurückblieben, während andere am Meeresboden austraten und schornsteinartige Strukturen bildeten.

Mit diesem Projekt wollen wir diese Prozesse untersuchen, um die Mineralisierung, die wir am Meeresboden beobachtet haben, besser zu verstehen. Dies ist besonders wichtig, da das wissenschaftliche Interesse an diesen Systemen parallel zur industriellen Nachfrage steigt, da die Schlüsselelementzusammensetzung aus Sb, As, Ba und Ag im Jahr 2025 vom U.S. Geological Survey und anderen Institutionen als kritisch eingestuft wurde, was ihren wirtschaftlichen Wert unterstreicht. Sie alle spielen eine Schlüsselrolle bei der Herstellung von Halbleitern, elektronischen Schaltkreisen und Batterien, die für KI-Systeme und Elektrofahrzeuge sowie für erneuerbare Energien, die Öl- und Gasindustrie, die Medizin und militärische Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind, was somit hydrothermale Geochemie direkt mit aktuellen industriellen Prioritäten verbindet. Um unsere Forschungsziele zu erreichen, haben wir eine Vielzahl von Analysemethoden angewendet, darunter Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgendiffraktometrie (XRD), Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA), Laserablations-Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) sowie die Geochemie stabiler Schwefel- und radiogener Strontiumisotope.

Projekt (2): Gekoppelte Se- und S-Isotopensystematik von Sulfiden: ein neuartiges Instrument zur Verfolgung des Eintrags magmatischer flüchtiger Stoffe in submarine hydrothermale Systeme

Das zweite Projekt konzentriert sich auf den Einfluss magmatischer Volatile in hydrothermalen Systemen. Dabei handelt es sich um chemische Verbindungen und Element, die direkt aus dem Magmenkörper stammen, der unterhalb der hydrothermalen Zirkulationszelle unter dem Meeresboden liegt. Diese flüchtigen Stoffe tragen wesentlich zum Elementhaushalt hydrothermaler Fluide bei, treiben die Fluidzirkulation an, verändern den Chemismus der Fluide, beeinflussen die Auslaugungs- und Transportmechanismen von Metall(oid)en und steuern die Dynamik der Mineralausfällung. Die krustalen Quellen von Metall(oid)en sowie die Prozesse, die während des Transports von ihrem Ursprung zum Meeresboden ablaufen, sind noch nicht vollständig verstanden. Wir gehen dieser Frage nach, indem wir Spurenelement-Messungen mit traditionellen (δ³⁴S, Δ³³S) und nicht-traditionellen (δ⁸²Se) stabilen Isotopensystemen kombinieren, um besser zu verstehen, wie Elemente in hydrothermalen Umgebungen angereichert werden. Allerdings verändern sich die Signaturen der Fluide und ihrer Präzipitate am Meeresboden während des Aufstiegs der Fluide erheblich. Dies erfordert den Einsatz von Isotopensystemen, die weniger empfindlich gegenüber Fraktionierung und Überprägung durch Meerwassersignaturen sind. Selen (δ⁸²Se) erfüllt diese Anforderungen, da es eine starke Affinität zur Anreicherung in magmatischen Volatilen besitzt, im Meerwasser im Vergleich zu hydrothermalen Fluiden stark verarmt ist und ähnliche chemische Eigenschaften wie Schwefel aufweist, den es in vielen Sulfidmineralen substituiert. Darüber hinaus hat die Mischung von hydrothermalen Fluiden mit Meerwasser nur einen geringen Einfluss auf das δ⁸²^/⁷⁶Se-Signal resultierender hydrothermaler Sulfide, wodurch es im Vergleich zum Schwefelisotopensignal besser für das Nachvollziehen der Metallquellen geeignet ist.

In dieser Studie untersuchen wir hydrothermale Systeme rund um den Globus, die ein Kontinuum von Wirtsgestein-beeinflussten bis von magmatischen Volatilen beeinflussten Fluidbedingungen umfassen: (1) das Raucherfeld des Nifonea Vulkans in den Coriolis-Trögen, (2) das hydrothermale Feld Pacmanus im östlichen Manus-Becken und (3) die vulkanogene Massivsulfid-Mineralisierung auf Zypern. Diese Standorte sind aufgrund ihrer unterschiedlichen Wirtsgesteinslithologien und variablen Zufuhr magmatischer Volatile ideal für unseren neuartigen Se-Isotopenansatz geeignet. Wir wollen die δ⁸²^/⁷⁶Se-Zusammensetzung von submarinen hydrothermalen Präzipitaten bestimmen, die Se- und S-Isotopensignatur zugehöriger Laven ermitteln, die δ⁸²^/⁷⁶Se-Fraktionierung während der Mineralisierung untersuchen, chemische Fingerabdrücke zum Nachvollziehen von Fluid-Prozessen unterhalb des Meeresbodens finden und den Se- und S-Eintrag in diesen Systemen quantifizieren. Dieses Projekt etabliert somit einen neuartigen, integrierten Se-S-Isotopen- und Spurenelementansatz, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen magmatischen und hydrothermalen Prozessen zu entwirren, die die Mobilisierung, den Transport, die Fraktionierung und die Anreicherung von Metall(oid)en steuern.