Serpentinisierung, Redoxbedingungen und die Bildung von chemischer Energie für Stoffwechsel in flachen Subduktionstiefen: rezente und fossile Serpentinit-Schlammvulkane gewähren Einblicke in den Kohlenstoffkreislauf und chemosynthetisches Leben

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Bach, seit 11/2022; Professor Dr. Jörn Peckmann
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453470886

Serpentinit-Schlammvulkane sind mächtige Tiefseeberge im Marianen-Vorbogen. Durch die Schlammvulkane steigen von der subduzierten Pazifischen Platte stammende Fluide auf, die große Mengen an ‚Geo-Treibstoffen’ (H2, CH4) enthalten. Diese dienen als Energie für chemosynthetisches Leben in den Schlammvulkanen. Quelle der Treibstoffe sind Serpentinisierungsprozesse im Mantelkeil, die ein stark reduzierendes Milieu schaffen. Aufgrund der Präsenz chemischer Energie werden Serpentinit-Schlammvulkane als mögliche Lokationen gehandelt an denen das Leben auf der Erde entstanden sein könnte. Allerdings wurde nie quantifiziert, wieviel dieser lebenswichtigen Energie im Vorbogen produziert wird. Und auch die daraus resultierenden biogeochemischen Prozesse wurden nicht im Detail untersucht. Weiterhin ist unklar, ob diese oder ähnliche Prozesse auch in der geologischen Vergangenheit abgelaufen sind.In diesem Antrag schlagen wir eine ausführliche Studie zur Erweiterung des Verständnisses der Redoxbedingungen in flachen Tiefen (<30 km) des Mantelkeils vor. Wir möchten Serpentinite der rezenten Marianen-Schlammvulkane sowie von fossilen Schlammvulkanen in Kalifornien und Oregon untersuchen. Mit unserem empirisch–theoretischen Forschungsansatz können wir Fugazitäten von O und S während der Serpentinisierung ermitteln, aus denen H2- und H2S-Gehalte der Fluide berechnet werden können. Außerdem können wir mit petrologischen Untersuchungen Abschätzungen hinsichtlich möglicher abiogener Organosynthese machen.Die Tiefen des Vorbogens, und damit die Basis der Marianen-Schlammvulkane, sind gut bekannt. Für die fossilen Schlammvulkane müssen wir die Tiefen rekonstruieren. Dies erreichen wir durch eine Evaluierung der Druck- und Temperaturbedingungen denen die in den Serpentinitkörpern enthaltenen Fremdgesteinskörper (Metamafite) während der Subduktion ausgesetzt waren. Petrologische und gesamtgesteins-/mineralchemische Arbeiten an den Metamafiten, mit derer Hilfe wir Pseudoschnitte erstellen können, werden fundierte Tiefenabschätzungen liefern.Weiterhin möchten wir die Auswirkungen der Bildung von für Stoffwechsel geeigneter chemischer Verbindungen und den Kohlenstoff-Kreislauf untersuchen. Dazu wollen wir Spuren von Mikrobenaktivität in sekundären Karbonaten untersuchen. Wir planen Karbonatschlote (Marianen-Schlammvulkane) und Karbonatadern in Serpentinitklasten sowie fossilreiche Karbonate von mit Serpentiniten assoziierten kalten Quellen (Kalifornien und Oregon) zu untersuchen. Es kommen Lipid-Biomarker und deren Kohlenstoff-Isotopensignaturen, Mineralchemie, sowie kinetische und thermodynamische Berechnungen zur Rekonstruktion biogeochemischer Prozesse und der Karbonatbildung zum Einsatz.Die geplanten Arbeiten werden sowohl zum fundamentalen Verständnis der Redoxbedingungen in Subduktionszonen als auch zu den mit geologischen Prozessen verbundenen Auswirkungen für chemosynthetisches Leben und den tiefen Kohlenstoffzyklus beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, USA
• Kooperationspartner: Dr. Baptiste Debret; Professor Dr. John Wakabayashi
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Elmar Albers, bis 10/2022