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Erdmantel zum Anfassen

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 18.01.2017 10:01

Das omanische Hadschar-Gebirge ist einer der wenigen Orte auf der Erde, an dem man Gestein aus dem Erdmantel untersuchen, ja anfassen kann. Die Formation ist Resultat eines "Unfalls" der Plattentektonik von vor rund 95 Millionen Jahren. Ein Projekt des Internationalen Kontinentalen Tiefbohrprogramms bohrt zurzeit in bis zu 600 Metern Tiefe. Die Wissenschaftler wollen unter anderem erkunden, wie das Gestein Kohlendioxid aus der Luft bindet.

"Für Geologen ist der Oman ein wunderbarer Arbeitsplatz, man kann durch eindrucksvolle Schluchten gehen und 20 Kilometer tief ins Erdinnere absteigen", schwärmt Peter Kelemen, Professor am Lamont-Doherty Erdobservatorium der Columbia Universität in New York. In dem Sultanat an der Nordostküste der Arabischen Halbinsel haben die Wissenschaftler die seltene Gelegenheit, Erdmantelgestein direkt an der Oberfläche zu untersuchen. Vor rund 95 Millionen Jahren wurde es durch eine Kollision von Arabischer und Iranischer Platte emporgehoben und bildet große Teile des Hadschar-Gebirges. In den kommenden zwei Jahren werden Peter Kelemen und zahlreiche Geologen aus aller Welt in den Bergen südlich der Hauptstadt Maskat rund ein Dutzend Bohrungen in dieses Material absenken. Kelemen ist Chefwissenschaftler des Oman Ophiolite Drilling Projects, eines Vorhabens im Rahmen des Internationalen Kontinentalen Tiefbohrprogramms.

Erdmantelgestein bindet atmosphärisches Kohlendioxid


Erkundung der Bohr-Standorte im Hadschar-Gebirge. (Bild:  OODP)"Wir sind an den unterschiedlichsten Dingen interessiert", beschreibt Kelemen die Ziele des Unternehmens, "etwa wie ozeanische Kruste entsteht, wie sie mit dem Ozean reagiert, von welchen Lebewesen das Gestein dort besiedelt ist und nicht zuletzt das, was mich am meisten interessiert, wie das Mantelgestein sich bei Atmosphärenkontakt wandelt und dabei Kohlendioxid bindet." Wenn Erdmantelgestein in Kontakt mit Wasser kommt, läuft ein wärmeentwickelnder Umwandlungsprozess des Hauptminerals Olivin ab, der Serpentinisierung genannt wird und große Mengen des Klimagases bindet. "Es entsteht Kalkstein, man hat also Kohlendioxid in einer dauerhaften und ungiftigen Form gespeichert."

Kelemen und die Wissenschaftler seines Teilprojektes wollen den genauen Ablauf dieses Prozesses studieren und nach Möglichkeiten suchen, ihn geotechnisch zu modifizieren. "Wir wollen ihn beschleunigen", sagt der Geowissenschaftler, "um so beträchtliche Mengen CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen". Im frei zugänglichen Erdmantelgestein des Omans werden schon jetzt ohne menschliches Zutun jedes Jahr 100.000 Tonnen Kohlendioxid eingefangen. Wenn man in die Gesteine zum Beispiel reines Kohlendioxid leitete, würde sich diese Menge nach Kelemens Angaben deutlich erhöhen: "Man könnte den natürlichen Prozess um einen Faktor von bis zu einer Million beschleunigen, das würde dann rund eine Milliarde Tonnen Kohlendioxid pro Kubikkilometer Gestein bedeuten." Zum Vergleich: In Deutschland betrugen die Kohlendioxid-Emissionen im gesamten Jahr 2015 nach Angaben des Bundesumweltamtes 799 Millionen Tonnen.

Keine Treibhausgas-Speicherung im Oman


Der Dschebel Misht im Hadschar-Gebirge. (Bild: Wikimedia, love2bike, CC BY-SA 4.0)Doch die omanische Formation wird für solche Vorhaben nicht in Frage kommen. Das Sultanat hat sich strikt gegen die Einleitung selbst zu Versuchszwecken ausgesprochen. Vom Einsatz des Hadschar-Gebirges als "Kohlendioxiddeponie" will man gleich gar nichts wissen. "Man will in dem Land nicht den Kohlendioxid-Müll der ganzen Welt angedient bekommen", meint Kelemen. Die Bohrungen dort sollen daher nur zeigen, wie die natürliche Kohlendioxid-Bindung abläuft, je tiefer man ins Gestein bohrt, wie die Wasserzirkulation aussieht, die den Prozess am Laufen hält. Die Ergebnisse können aber die Grundlage für Experimente in anderen Formationen legen. Basalt zum Beispiel ist hierfür ein Kandidat, und er ist an der Erdoberfläche wesentlich häufiger als das Erdmantelgestein, das im Oman vorkommt. Experimente mit der Kohlendioxidbindung in Basalt haben Geologen wie Jürg Matter von der Universität Southampton bereits in Island durchgeführt.

"Der Versuch wurde in der Nähe eines neuen geothermischen Kraftwerks bei Reykjavik durchgeführt", erzählt der Schweizer Forscher, der auch bei dem Bohrprojekt im Oman mitarbeitet. Das Geothermiekraftwerk erzeugt mit der Hitze im Untergrund Wasserdampf, doch als Beiprodukte entstehen Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Mit dem Kohlendioxid haben Matter und seine Kollegen experimentiert. In einer ersten Phase des CarbFix genannten Vorhabens haben sie 220 Tonnen des Gases radioaktiv markiert, in Wasser gelöst und in ein 400 bis 500 Meter tiefes Reservoir injiziert. Dort verursachte die Kohlensäure eine stark beschleunigte Verwitterung des Basalts, bei der das Kohlendioxid als Magnesium- und Calciumkarbonat-Minerale gebunden wurde. "Wir haben den radioaktiv markierten Kohlenstoff drei Jahre lang beobachtet und waren extrem überrascht, dass nach etwas weniger als zwei Jahren zwischen 95 und 98 Prozent ausgefällt war", sagt Matter. Aufgrund von Laborexperimenten und Berechnungen hatten die Forscher mit etwa fünf Jahren gerechnet.

Basaltdecken der Ozeanböden als Speichergestein im Blick


Der Blick von Peter Kelemen und seinen Kollegen richtet sich aber vor allem auf die Ozeane. "Die größte Ressource an Erdmantelgestein und frischem Basalt, mit dem das auch geht, stellen die Meeresböden, vor allem in der Nähe der mittelozeanischen Rücken dar", sagt der US-Forscher. An den Rücken wird die ozeanische Kruste produziert, dort ist das Gestein noch sehr warm, und diese hohen Temperaturen unterstützen die Umwandlung. Vor der Ostküste der USA erkunden Kelemen und seine Kollegen derzeit Basaltgebiete für ein Speicherexperiment in anderthalb Kilometern Tiefe. Und sie schlagen ein Pilotprojekt vor der Pazifikküste vor, bei dem 1 Million Tonnen CO2 verpresst werden sollen. Im Oman wird die erste Bohrkampagne bis in den April dauern, bei der an fünf Stellen bis zu 600 Meter tief in die Erde vorgedrungen werden soll. Im Winter 2017/18 sollen dann die verbleibenden drei Bohrlöcher abgeteuft werden.