SO Wochenbericht

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1 SO Wochenbericht Diese Woche wurde ganz unserem dritten Arbeitsgebiet, dem Vulkan Brothers, gewidmet. Obwohl das etwas raue Wetter und die starke Strömung eine Herausforderung für die Geräteeinsätze darstellten, konnten wir dennoch 7 ROV-Tauchgänge, 4 CTD Tow-yos und 5 vertikale CTD-Stationen (s. Karte unten), 4 in-situ-pumpen, 3 Spurenmetall-Rosetten-Einsätze und mehrere Echolot- und Gravimeter-Vermessungen durchführen. Brothers ist der vielleicht hydrothermal aktivste Vulkan des Kermadec-Bogens. Er misst an der Basis 13 x 8 km und seine Längsachse streicht nordwestsüdost. Der Vulkan beherbergt eine 3 x 5 km große Caldera, deren Boden 1850 m unter dem Meeresspiegel liegt und die von 290 bis 530 m hohen Wänden eingegrenzt wird. Wärmestrom- Messungen belegen die höchsten Werte, die je in einem submarinen Hydrothermalsystem festgestellt wurden. Ein sehr gleichförmiger vulkanischer Kegel (Upper Cone) ragt im Süden der Caldera 350 m hoch auf. Ein kleineres vulkanisches Zentrum (Lower Cone) ist unmittelbar nordöstlich des Upper Cone entwickelt. Dieser Lower Cone besteht aus steilen vulkanischen Rücken und dicken Lavaströmen. An seiner sehr steilen Südostflanke treten Fluide aus, die sehr CO2-reich sind, aber wenig H2 und CH4 gelöst haben. Sie haben einen ph-wert um 4 und geringe Konzentrationen von Fe, während der Salzgehalt ähnlich dem von Meerwasser ist. Der zentrale Krater des Upper Cone ist hydrothermal nicht aktiv; allerdings fanden sich in einer kleinen Senke unmittelbar südlich des Kraters eine Vielzahl von Weißen Rauchern. Diese waren aus vorigen Tauchgängen (in 2005 und 2009) nicht bekannt. Die Beprobung der Fluide ergab niedrige ph-werte und Gas-Konzentrationen ähnlich denen am Lower Cone. Die nordwestliche Wand der Caldera beherbergt reiche hydrothermale Stellen mit Cu-Fe-Zn- Ba-reichen Schornsteinen, aus denen Fluide mit sehr variable Gasgehalten ausströmen. Auch spektakuläre sogenannte Beehive (Bienenkorb)-Strukturen und offensichtliche Hochtemperatur-Alterationen bestimmen das Bild dieser Stelle in der Nordwest-Caldera. Viele dieser Schornsteine emittieren aktiv schwarzen Rauch in die Wassersäule. Eine zuvor unbekannte Stelle mit hydrothermalen Austritten aus 20 m hohen Schornsteinen wurde nordwestlich des 1

2 Hauptfeldes an der südöstlichen Flanke der Caldera-Wand entdeckt. Viele großen Schornsteine waren wie gefällte Bäume den Hang hinuntergefallen. Die 311 C heißen Lösungen stellen einen neuen Temperaturrekord für am Kermadec-Bogen gemessene Fluidtemperaturen dar. Der Gipfel der Caldera-Wand ist hydrothermal nicht aktiv, jedoch waren einige Fe-Oxid- Hügel zu erkennen. Die chemische Zusammensetzung der Fluide von der Nordwest-Caldera unterscheidet sich von der unserer zuvor beprobten Fluide in Macauley und Haungaroa. Die gelöste Sulfidkonzentration liegt bei bis zu 2.3 mm, was im Bereich früher dokumentierter Werte für Fluide am Brothers-Vulkan liegt. Die Konzentrationen von H2 und CH4 sind eher gering und Mg ist wie in solchen Fluiden üblich abgereichert. Die heißen Lösungen mit einer Chlorinität oberhalb von Meerwasser (Salzlaken) hatten mehr als 10 mm Fe (das meiste davon Fe 2+, aber auch signifikante Anteile von Fe 3+ ); diese Werte gehören zu den höchsten Fe-Gehalten überhaupt, die von Hydrothermalquellen bekannt sind. Sogar in den Fluidproben mit verringerter Chlorinität (kondensierte Dampfphasen) wurden um 4 mm Fe gemessen. Daher ist dieses Gebiet für unsere Untersuchungen zu hydrothermalen Eisen-Flüssen in den Ozean und den möglichen Beitrag zum biogeochemischen Zyklus im Ozean auch von solch großer Bedeutung. Vier in-situ Partikel-Pumpen-Stationen und drei Spurenmetall-Rosetten-Stationen wurden im Bereich von Brothers durchgeführt. Die dabei gewonnenen Proben werden verwendet, um die Größe und das Alter der hydrothermalen Plume zu bestimmen, insbesondere der distalen Plume, die durch die in-situ-sensoren der CTD nicht mehr vom Hintergrund unterschieden werden kann. Es gelang uns, die hydrothermale Eisen-Fahne in 1250m Tiefe über mehr als 10 2

3 km nordöstlich des Vulkankegels zu verfolgen, wo die Quelle der Wolke vermutet wird. Unsere Eisen-FIA-Analyse wurde für Proben von CTD, Spurenmetall-Rosette und ROV eingesetzt, in denen die Fe-Konzentrationen für die kolorimetrische Bestimmung zu gering waren. Die Abbildung oben zeigt einen Gradienten von Eisenkonzentrationen und ph mit dem Abstand von einer niedrigthermalen Quelle (s. Foto oben rechts) am Lower Cone. Die Alter der Plumes bei Brothers wurden auf Basis der Messungen der zwei kurzlebigen Radium-Isotope 224Ra und 223Ra entlang der nordwestlich-südöstlich gerichteten Hauptströmungsrichten bestimmt. Dazu wurden großvolumige Proben ( L) aus den in-situ-pumpen und CTD-Kranzwasserschöpfern verwendet. Wir verwenden hier den Begriff scheinbare Alter (apparent ages; s. Abbildung), da diese vorläufigen Ergebnisse noch nicht bezüglich des radioaktiven Zerfalls in der Zeit zwischen Beprobung und Messung korrigiert wurden und dementsprechend die endgültigen Altersangaben etwas niedriger ausfallen können. Die Altersstrukturen der Wolken bei Brothers sind sehr viel komplexer als die bei Macauley und Haungaroa. Der Grund liegt in der Tatsache, dass sich hier die Signale mehrerer aktiver Quellen in den Plumes vermischen, und in der Rolle der Strömungen. Dennoch zeigt sich durch den generellen Trend mit dem niedrigsten Alter im Maximum der Plume und höheren Altern weiter entfernt, sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Perspektive, dass diese Bordmessungen der kurzlebigen Radium-Isotope eine nützliche Strategie zur Planung von Einsätzen während der Reise sind. Strömungsmessungen bei 5 vertikalen Einsätzen der CTD am Brothers-Vulkan zeigten starke Strömungen in oberen Bereich der Wassersäule zwischen der Tiefenlage der Vulkankegel bei 1200 m und der Oberfläche. Die Strömungsgeschwindigkeiten lagen im Durchschnitt zwischen 20 und 40 cm/s in südöstlicher Richtung, mit zunehmender Tendenz bis 50 cm/s zur Oberfläche hin. In der Vulkan-Caldera wurden die Strömungen durch den Kraterrand behindert und die 3

4 Geschwindigkeiten waren geringer. Als Resultat davon sammelt sich Material der hydrothermalen Wolke unterhalb des Kraterrandes, was durch die Zunahme an Trübe des Wassers in diesem Tiefenbereich sichtbar wurde. Hydrothermale Fauna ist bei Brothers sehr viel spärlicher vorhanden als bei den anderen beiden Vulkanen. Dennoch haben wir eine große Anzahl von Rankenfußkrebsen am Lower Cone gefunden, die dort in den Bereichen der diffusen Fluidaustritte leben. Wir haben auch den ersten Beleg für symbiontische Muscheln am Brothers-Vulkan geliefert: Vulcanidas-Muscheln wurden in 1580 m Wassertiefe am nördlichen Hang der Nordwest-Caldera beprobt. Nach Haungaroa stellt der Fund bei Brothers einen weiteren Tiefenrekord für diese Muscheln dar, die bisher nur von Stellen flacher als 500 m bei Macauley und Giggenbach bekannt waren. Vulcanidas-Muscheln stehen phylogenetisch basal zur Gruppe der chemosynthetischen bathymodiolinen Muscheln, die an Hydrothermalquellen, kalten Quellen und versunkenem Holz in der Tiefsee leben. Genetische Analysen in den Heimatlaboren werden zeigen, ob die Muscheln von Brothers ebenfalls der Art V. insolatus angehören, die nach ihrem Vorkommen in flachem Wasser benannt wurde (insolatus = im Sonnenschein). Sollte dies bestätigt werden, so könnte eine bisherige Hypothese in Frage gestellt werden, nach der diese Art hauptsächlich in Flachwasserhabitaten vorkommt. Kurz zusammengefasst haben wir mit unseren Arbeiten frühere Entdeckungen in einigen Bereichen des Vulkans Brothers bestätigt und können nun zeitliche Variationen untersuchen. Wir haben jedoch auch viele zusätzliche Informationen an anderen Stellen, vor allem in der oberen Caldera, gewinnen können, die vorher unbekannt waren. Am 15. Januar erreichten wir unser viertes und letztes Arbeitsgebiet Rumble III, eine große flache vulkanische Struktur mit sehr rezenter vulkanischer Aktivität. Bisher wurden hier keine Tauchgänge durchgeführt. Zur Zeit erkunden wir dieses neue Gebiet mit Meeresboden- und Wassersäulen-Kartierungen, CTD-Stationen und unserem ROV Quest. Neben den wissenschaftlichen Arbeiten laufen auch schon seit geraumer Zeit die Vorbereitungen für unsere Ankunft in Auckland am 21. Januar. Im Namen aller Fahrtteilnehmer der Reise SO253 mit herzlichen Grüßen von Bord FS Sonne Andrea Koschinsky (Fahrtleitung SO253) 4

5 SO Weekly Report This whole week was fully dedicated to our third working area, Brothers volcano. Although ROV deployments and sampling turned out to be a challenge because of the slightly rough weather and strong currents, we were still able to carry out 7 ROV dives, 4 tow-yos and 5 vertical CTD stations (see map below), 4 in-situ pumps, 3 trace-metal rosette deployments and several echosounder and gravimeter survey tracks. Brothers volcano is perhaps the most hydrothermally active of all volcanoes along the Kermadec Arc. It forms an elongate edifice 13 km long by 8 km across that strikes northwest-southeast. Brothers Volcano is host to a 3x5 km large caldera with a floor at 1,850 m below sea level, surrounded by 290 to 530 m high walls. Heat flow measurements recorded the highest values ever measured for heat flow from a submarine hydrothermal system. A conical volcanic peak rises 350 m from the southern caldera floor (Upper Cone), and a smaller, more rugged one (Lower Cone) outcrops immediately northeast of the Upper Cone. The Lower Cone consists of very fresh and extremely steep felsic volcanic necks/dikes and steep-sided flows. Fluids sampled on the steep, south-eastern flank of the Lower Cone were gassy (rich in CO2), but had very low concentrations of H2 and CH4 and were low in Fe; chlorinity was close to seawater and the ph around 4. The main crater of the Upper Cone was hydrothermally inactive, but in a smaller depression immediately to the south, abundant hydrothermal venting of white smoke was detected. This was not seen during previous dives in 2005 and Sampling recorded acidic fluids with similar gas compositions as the Lower Cone. The northwestern wall of the caldera hosts abundant hydrothermal vents with Cu-Fe-Zn-Barich chimneys that vent fluids with highly variable gas contents. Also spectacular beehive chimneys and obviously high-temperature alteration mark this NW Caldera site. Many of these chimneys are actively venting black smoke into the water column. A previously unrecognized site of hydrothermal venting from 20-m tall chimneys was discovered northwest of the main hydrothermal field, on the southeastern flank of the upper caldera wall. Many huge chimneys had fallen downslope like logged trees. The 311 C hot fluid sampled there sets a new vent 1

6 Dissolved iron (µm) ph temperature record for the Kermadec arc. The summit of the upper caldera wall is hydrothermally inactive, although minor Fe-oxide mounds are present. The chemical composition of fluids from the NW Caldera site differed from our previously sampled vent sites at Macauley and Haungaroa. That is, concentrations of dissolved sulphide in the hot fluids yielded a maximum value of 2.3 mm which is within the range of previously reported sulphide concentrations in fluids at Brothers volcano. Concentrations of H2 and CH4 were moderate and Mg concentrations typically depleted. Fluids with chlorinity above seawater (brine fluids) had more than 10 mm Fe (with most of it being Fe 2+ but also with significant concentrations of Fe 3+ ) which is among the highest Fe concentrations of all known hydrothermal sites. Even in fluid samples with depleted chlorinity (i.e. vapor-type fluids) Fe was around 4 mm. Hence, this area is of major importance for our study on hydrothermal Fe flux into the ocean and its potential contribution to biogeochemical cycles. Four in-situ particle pump stations and three trace metal rosettes were deployed in the Brothers volcano area. The samples taken will be used to define the size and age of the plume, especially the distal plume, which is impossible to distinguish from background for the in-situ sensors on the CTD. We were able to track the iron plume at 1250m depth for more than 10km to the north-east of the cone, the suspected source of this plume. Our on-board iron-fia analysis has been running samples from CTD and trace metal rosette deployments, as well as samples from ROV dives that were too low to be detected by colorimetric determination. The figure below shows a gradient of iron concentrations and ph with distance from a low temperature hydrothermal vent (see photo) at the Lower Cone Dissolved iron outlet out of sulfur rocks "focused" ph Distance from vent (m)

7 Plume ages at Brothers have been determined based on the measurement of the two shortlived radium isotopes, 224Ra and 223Ra, along the NW-SE main current using data based on high volumes of water ( L) sampled by in-situ pumps and vertical CTD rosette samplers (see figure). We use the term apparent ages as these preliminary results are not corrected for radioactive decay between sampling and measurement, thus the final age may be slightly lower. The age structure of plumes at Brothers is much more complicated than those of Macauley and Haungaroa. The reason for the apparent disorder in the water column around the cones and the caldera is related to the occurrence of multiple active vents, the resulting plumes and the role of the currents. Nevertheless, at all three volcanoes investigated so far during the cruise there is a general trend with the lowest ages in the plume maximum and higher ages further away in both a vertical sense as well as in a horizontal direction, confirming that onboard determination of short-lived radium isotopes is a useful strategy to support planning of stations during the cruise. Current measurements of 5 vertical casts at Brothers volcano showed strong currents in the upper part of the ocean between the summit at approximately 1200 m and the surface. The current velocities were on average between 20 and 40 cm/s in south-easterly direction, intensifying towards the surface to 50 cm/s. In the caldera of the volcano, the currents were impeded by the crater rim and decreased. This results in an accumulation of plume material below the crater rim as was evident from an increase in turbidity in the water in this depth range. 3

8 Hydrothermal fauna at Brothers was much scarcer than at the previous two volcanoes. Nevertheless, huge numbers of long-necked (stalked) barnacles at the Lower Cone site were found flourishing in the diffuse fluids. We also found the first live mussels ever recovered from Brothers: Vulcanidas mussels were collected in 1580 m water depth on the northern slope of the NW Caldera site. After the recovery of these mussels from Haungaroa, this collection at Brothers represents another depth record for these mussels which were formerly only known from sites shallower than 500 m at Macauley and Giggenbach. Vulcanidas mussels are phylogenetically basal to the clade of chemosynthetic bathymodiolin mussels from hydrothermal vents, cold seeps and wood falls in the deep sea. Genetic analysis in shore-based laboratories will show if the Brothers mussels belong to the same species V. insolatus that was named after its shallow occurrence (insolatus = in the sunshine). If so, previous hypothesis based on shallow habitats being primary for this species, may be questioned. In short, we have confirmed with our work what had been discovered previously in some places and can now assess temporal variations. However, we also acquired a lot of additional information in other places, especially the Upper Caldera site that was previously unknown. On 15 January, we arrived in our fourth and last working area, Rumble III, which is a large shallow volcanic edifice characterized by very recent volcanic activity. No dives have been carried out before in this area. We are presently exploring this new place using seafloor and water column mapping, CTD stations and our ROV Quest. In addition to the scientific work, preparations for the arrival in Auckland on 21 January have been ongoing for quite some time already. With best regards from board RV Sonne on behalf of the whole science team of cruise SO253 Andrea Koschinsky (chief scientist SO253) 4