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Expeditionen vor den Küsten : Eine Million Kubikkilometer Süßwasser

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Trendsetter für die Süßwassersuche: Das Forschungsschiff RV Tangaroa erkundet den Meeresboden vor Neuseeland. Bild: NIWA

Kostbare Schätze im Boden vor den Küsten: Wissenschaftler erkunden das Ausmaß bislang unentdeckter Trinkwasservorräte. Könnten diese Vorkommen nachhaltig Probleme von Wasserknappheit lösen?

          8 Min.

          Es war auf der letzten Etappe vor der Küste Maltas, während die abschließende Messung noch lief, als das kleine Schiff Hercules plötzlich erzitterte. In der Kombüse ließ die Fahrtleiterin Marion Jegen ihr Brot fallen und eilte auf das Heck, wo das „Pig“ an der Winde hing. Die Forscher an Bord der Hercules, dieses behelfsmäßigen Forschungsschiffs, waren im Herbst 2018 auf der Suche nach Grundwasser, das hier unter dem Meeresboden vermutet wurde. Und das Herzstück dieser Suche war das sogenannte Pig, ein robustes, 400 Kilogramm schweres Metallgehäuse voll mit Sendeelektronik. Dabei erinnert nur die Vorderseite dieser Tonne an eine Schweineschnauze, der Name steht gleichzeitig auch für einen groben Metallguss. Für gewöhnlich pflügt das Pig am Meeresgrund einen Weg frei für die Messinstrumente, für über 300 Meter ausgerolltes Seil mit Sendern und Elektroden. Das Schiff zieht das Pig, das Pig den Elektrodenschwanz. Doch nun schien das Pig festzustecken.

          Auf dem Heck kontrollierte Fahrtleiterin Marion Jegen den Tensiometer der Winde: Normalerweise beträgt die Zugkraft am Kabel etwa 800 Newton, jetzt war der Wert bereits bei 8000 Newton, und er stieg schnell weiter. Bei 15 000 Newton, das wusste die erfahrene Geophysikerin, wäre Schluss, dann würde das optoelektrische Kabel seine Maximalbelastung erreichen. Risse der dicke Draht, könnte er mit großer Geschwindigkeit über das Heck peitschen, auf dem sie und ihre Forscherkollegen sich befanden. Trotz der angespannten Lage zeichneten sich die Forscher malerisch vor der blauen See ab, mit ihren Sonnenbrillen, gelben Helmen und roten Schwimmwesten. Unter ihnen waren Jegens Kollege Amir Haroon vom Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung, die Forscherin Katrin Schwalenberg von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) und der maltesische Geologieprofessor Aaron Micallef von der Universität zu Malta. Sie alle würden später noch mehrere wissenschaftliche Publikationen zu dieser Trinkwassersuche schreiben. Doch nun bangten sie um das Schicksal des feststeckenden Pigs.

          Wasserknappheit an Land (rot) und Reservoire vor den Künsten: Die grünen Gebiete befanden sich während der letzten Eiszeit über Wasser und könnten jetzt noch signifikante Mengen Frischwasser unter dem Meer enthalten.
          Wasserknappheit an Land (rot) und Reservoire vor den Künsten: Die grünen Gebiete befanden sich während der letzten Eiszeit über Wasser und könnten jetzt noch signifikante Mengen Frischwasser unter dem Meer enthalten. : Bild: C. Berndt, GEOMAR, A. Micallef

          Der Kapitän stoppte umgehend das Schiff. Dann musste er vorsichtig zurücksetzen, während man das Windenkabel langsam einholte und so das Schiff rückwärts über das Pig zog. Nach einer Stunde Anspannung atmeten alle auf, als sie ihr Pig samt den letzten Datensätzen sicher bergen konnten. Zu diesem Zeitpunkt war noch unklar, ob vor Malta überhaupt Trinkwasser unter dem Meeresboden schlummert, denn die damalige Messfahrt war eine der ersten überhaupt zur gezielten geowissenschaftlichen Suche und Vermessung von Trinkwasservorkommen unter dem Meeresboden. Die Ergebnisse wurden erst in diesem Sommer veröffentlicht.

          In den vergangenen Jahren wurden Offshore-Grundwasserleiter nur vor den Küsten von Neuseeland, Nordamerika, Hawaii und Israel gezielt erkundet. Andere Trinkwasserfunde geschahen stets zufällig und punktuell und boten hinsichtlich ihrer Ausdehnung kaum Informationen. In ihrer Studie von 2021 in der Zeitschrift Reviews of Geophysics rechnen Micallef und seine Kollegen hoch, dass insgesamt eine Million Kubikkilometer Trinkwasser weltweit unter dem Meeresboden schlummern könnten. Mit dieser Menge ließe sich das Schwarze Meer doppelt und die Nordsee sogar zwanzigmal auffüllen. Das weckt Begehrlichkeiten, denn Bevölkerungswachstum, Klimawandel und Umweltverschmutzung tragen zur wachsenden internationalen Trinkwasserknappheit in Küstenregionen bei. Malta ist Europas wasserärmstes Land, es hängt seit Jahren von kostenintensiven Entsalzungsanlagen mit einem hohen Stromverbrauch ab, die über die Hälfte des Wasserbedarfs decken müssen. Süßwasservorräte vor der Küste wären für viele Regionen von großem Nutzen, allerdings wissen Forscher bislang nur wenig über deren genaue Lage, Größe und Eigenschaften.

          Das „Pig“ der Elektromagnetischen Messung (CSEM), festgezurrt am Heck der
Hercules. Im Hintergrund wartet der Geophysiker Amir Haroon auf
das Startsignal zum Aussetzen des Elektrodenschwanzes der Messkette, die vor dem Pig auf dem
Meeresboden ausgelegt werden soll.
          Das „Pig“ der Elektromagnetischen Messung (CSEM), festgezurrt am Heck der Hercules. Im Hintergrund wartet der Geophysiker Amir Haroon auf das Startsignal zum Aussetzen des Elektrodenschwanzes der Messkette, die vor dem Pig auf dem Meeresboden ausgelegt werden soll. : Bild: Tamara Worzewski

          Als vor 60 Jahren erstmals Trinkwasser in den Poren von Sedimenten und Gesteinsrissen unter dem Meeresboden vor Floridas Küste dokumentiert wurde, ahnte noch niemand, wie viel es davon geben könnte. Immer wieder wurde bei Öl- und Gasbohrungen zufällig „Offshore Freshened Groundwater“ (OFG) gefunden. Erst 2013 wurden die verstreuten Funde in einer Publikation der Fachzeitschrift Nature als Teil eines globalen Phänomens erkannt.

          Den Entstehungsmechanismus führen die Forscher auf zwei Szenarien zurück: Erstens könnten sich grundwasserführende Gesteinsschichten an Land einfach unter dem Meer fortsetzen. Zweitens ­könnte sich das OFG während der Eiszeiten in küstennahen Gebieten gebildet haben, die damals zum Land gehörten, heute aber vom Meer bedeckt sind. So könnte auch vor Malta solch ein fossiler Grundwasserleiter entstanden sein, der sich jetzt, nach der Eiszeit und dem dazugehörigen Meeresspiegelanstieg, vor der Küste befindet. Während der letzten Kaltzeit vor 17 000 bis 20 000 Jahren lag der Meeresspiegel über 100 Meter niedriger als heute, weil viel Wasser im Eis gebunden war. Weite Teile seines heutigen Schelfs lagen damals frei an der Luft und konnten das Süßwasser aus Niederschlägen und Flüssen aufnehmen. Wenn dann eine wasserleitende Gesteinsschicht von einer versiegelnden Schicht wie Ton umgeben wird, bleibt das Wasser dort gefangen, und ein Grundwasserreservoir entsteht.

          Das Forscherteam der Hercules bereitet das Aussetzen der Messkette vor
          Das Forscherteam der Hercules bereitet das Aussetzen der Messkette vor : Bild: Tamara Worzewski

          Aaron Micallef vermutete, dass sich die Schichten unter dem Meer fortsetzen und so ein OFG bilden könnten. Da Maltas Schelf in der letzten Eiszeit trocken lag, hoffte er auch auf ein fossiles Grundwasserreservoir vor der Küste. Mittels hochauflösender Karten der Meeresbodenoberfläche charakterisierte der Geologe verschiedene Formationen und suchte Hinweise auf unterirdische Wasservorräte, wie etwa eingestürzte Höhlen am Ozeanboden, die auf Karstsysteme hinweisen. Die Forschungsreisen der Hercules im Jahr 2018 und der FS Sonne im Jahr 2020 sollten das vermutete Trinkwasser aufspüren.

          Die Forscher waren bereits 2017 vor Neuseelands Küste unterwegs gewesen, um OFG aufzuspüren und mögliche Auswirkungen einer Förderung sowie den Einfluss des Klimawandels und von Umweltverschmutzungen auf das Gesamtsystem zu untersuchen. Denn selbst wenn Trinkwasserfunde in trockenen Küstenregionen Hoffnungen wecken, ist längst nicht abzusehen, ob die Reservoire problemlos nutzbar sind. So gibt Katrin Schwalenberg von der BGR zu bedenken, dass die Wechselwirkung zwischen Land- und Offshore-Grundwasser untersucht werden müsse. Würde man Offshore-Süßwasser zutage fördern und es bestünde eine Verbindung zum Landgrundwasser, könnten Regenfälle an Land das Offshore-Reservoir wieder aufladen. Einen fossilen Offshore-Grundwasserleiter dagegen pumpt man irgendwann leer, was einer nachhaltigen Nutzung widerspricht.

          Unter Deck kontrolliert Fahrtleiterin Marion Jegen Messdaten. Katrin Schwalenberg synchronisiert derweil die Atomuhren der Geräte-Komponenten.
          Unter Deck kontrolliert Fahrtleiterin Marion Jegen Messdaten. Katrin Schwalenberg synchronisiert derweil die Atomuhren der Geräte-Komponenten. : Bild: Tamara Worzewski

          Der Nachhaltigkeitsaspekt liegt Jegens Team besonders am Herzen. Die Arbeitsgruppenleiterin stellt klar: „Wir haben kein Interesse an Goldgräberstimmung in der Offshore-Wasserexploration.“ Die Geomar-Forscherin steht im Austausch mit Wissenschaftlern aus Südafrika, Kanada, Hongkong und weiteren Ländern. „Doch auch Explorationsfirmen beobachten unsere Fortschritte genau und senden ihre Fühler in Richtung OFG aus“, bemerkt sie und erklärt: „Unsere Forschung wird ja gerade erst publiziert, da wird sich noch viel entwickeln, insbesondere da sich die Wasserversorgungslage in den Küstenmetropolen in absehbarer Zukunft weiter verschärfen wird. Im Augenblick werden Defizite noch mit energiehungrigen Entsalzungsanlagen aufgefangen. Da wird der Bedarf von Alternativen wie die Nutzung von OFG steigen.“ Im Raum stünden dann rechtliche Fragen, räumt ihr Kollege Haroon ein, etwa wenn zwei Staaten im Konflikt dieselbe Ressource teilen.

          Vor Neuseeland fuhren die Wissenschaftler Profile einer Länge von 175 Kilometern ab, vor Malta etwa 60 Kilometer. Die methodische Vorgehensweise wurde zum Trendsetter für die gezielte Süßwassersuche unter dem Meer, weil sie verschiedene Verfahren in einem ganzheitlichen Ansatz vereinte: Geologen suchten nach Indizien in der Bodenform. Geochemiker entnahmen Proben aus der Wassersäule und von Gesteinskernen. Geophysiker scannten den Meeresuntergrund bis in einige Hundert Meter Tiefe mit seismischen und elektromagnetischen Verfahren. Der Geophysiker Amir Haroon sieht insbesondere die letztgenannte Kombination von Messungen als unbedingt erforderlich an, um aussagekräftige Abbilder des Untergrundes zu erhalten und diese den Hydrogeologen zur weiteren Modellierung zu übergeben.

          Das von Trockenheit bestimmte Malta könnte zusätzliche Wasserreserven gut gebrauchen.
          Das von Trockenheit bestimmte Malta könnte zusätzliche Wasserreserven gut gebrauchen. : Bild: Tamara Worzewski

          Vor Maltas Küste ließen sich die Elek­tromagnetik-Spezialisten Jegen, Haroon und Schwalenberg zunächst von Micallef morphologisch interessante Gebiete ausweisen, um anschließend den Untergrund geophysikalisch zu durchleuchten. Mit seismischen Schallwellen bilden Geophysiker Untergrundstrukturen ab, vergleichbar mit einem medizinischen Ultraschall. Um zu unterscheiden, ob die Poren eines Gesteines mit Süß- oder mit Salzwasser gefüllt sind, wenden sie die elektromagnetische Methode Controlled Source Electromagnetics (CSEM) an. Ähnlich wie eine Ultraschallsonde über die Haut gezogen wird, schleppt das Forschungsschiff Hercules das robuste Pig am Meeresboden hinter sich her. Die CSEM-Messkette aber erzeugt oder misst keine Schallwellen. Sie sendet ein elektromagnetisches Signal und empfängt die Antwort des Untergrundes.

          Die Antwort auf dieses Signal sind induzierte elektrische Ströme im Meeresboden, deren Stärke von den elektrischen Leitfähigkeiten im Untergrund abhängt. Diese Leitfähigkeiten lassen auf den Salzgehalt des Wassers in den Gesteinsporen schließen, denn: Ist ein Gestein mit Meerwasser gefüllt, ist es elektrisch gut leitend. Ist dasselbe Gestein aber mit Süßwasser gefüllt, verringert sich die Leitfähigkeit um mehr als eine Größenordnung – ein deutlicher Kontrast. Danach suchen die Forscher. Vor der Küste Maltas wurden sie fündig, allerdings war das Vorkommen nicht so ausgeprägt wie erhofft.

          Aktive und fossile Aquiferen im Vergleich.
          Aktive und fossile Aquiferen im Vergleich. : Bild: M.Jegen/ GEOMAR / F.A.Z.-Grafik Piron

          Haroon kommentiert seine 2021 in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlichten Ergebnisse: „In Malta befindet sich ein kleinskaliger OFG-Körper in einem wasserundurchlässigen Karbonatgestein. Im Gegensatz dazu haben wir in Neuseeland einen vielfach größeren OFG-Körper im Sedimentgestein gefunden. Nach heutigem Wissensstand ist das einer der größeren überhaupt. Allerdings muss man bei dem globalen Vergleich vorsichtig sein, denn eine geophysikalische Exploration der OFG wurde bisher nur in fünf Gebieten weltweit vorgenommen. Und da gibt es auch eher vereinzelte Profile als flächendeckende Erkundung.“

          Darum sei die Abschätzung der Gesamtmenge schwierig, meint Haroon. Die meisten OFG weltweit wurden entweder anhand von rein hydrogeologischen Modellen vorhergesagt oder beruhen auf punktuellen Bohrlöchern. Am Beispiel Neuseelands haben die Forscher gelernt, wie leicht man sich dabei verschätzen kann. Dort wurde in Forschungsbohrungen frischeres Porenwasser in 30 bis 70 Meter Tiefe unter dem Meeresboden nachgewiesen. Die Forscher nutzten die Daten zur Kalibrierung und bestimmten mit CSEM die Ausdehnung des OFG, die sie 2020 in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten. Haroon erläutert: „Wir konnten mit unserer Methodik zeigen, dass die Bohrung nur den Rand eines viel größeren Grundwasserkörpers streift, als von den Bohrlochdaten allein vorausgesagt wurde. Unser Vergleich mit geophysikalischen Daten zeigte, wie hydrogeologische Modellierungsvorhersagen mit Fehlern behaftet sein können.“

          Suche nach Grundwasservorkommen vor der Küste
          Suche nach Grundwasservorkommen vor der Küste : Bild: M.Jegen / GEOMAR /F.A.Z Infografik

          Die Forscher verbanden ihre Explorationsergebnisse mit hydrogeologischen Modellierungen und zeigten, dass das neuseeländische OFG einerseits ein Relikt ist, das durch eiszeitliche Meeresspiegelschwankungen erzeugt wurde, und dass es andererseits auch mit den Grundwasserleitern an Land verbunden ist. Hydrogeologische Modellierungen in Kombination mit den geophysikalischen Ergebnissen deuten in Malta darauf hin, dass auch das dortige kleinere OFG ein Relikt aus vorangegangenen Eiszeiten ist, allerdings mit keiner aktiven Verbindung zum Landsystem. Im Klartext hieße das: In Malta gibt es nicht ausreichend Grundwasser in den ersten 200 Metern Meeresbodentiefe, um dieses als nachhaltige Ressource zu verwenden. Ob sich möglicherweise weitere, größere Körper in größerer Tiefe befinden, versuchen sie nun anhand der Daten zu analysieren, die sie 2020 mit der FS Sonne gesammelt hatten. „An der Auswertung knabbern wir noch“, sagt Jegen. Gewiss sei, dass die FS Sonne vor Malta keine sogenannten „Seeps“ gefunden hat – Grundwasseraustritte aus Rissen und Gesteinsporen am Boden.

          Wo ein Seep vermutet wird, seilen die Forscher mit einer Salinitätssonde eine spezielle Probenflasche bis auf den Grund ab und entnehmen Proben der austretenden Flüssigkeit. Geochemiker werten aus, ob es sich um Grundwasser handelt und wenn ja, woher es kommt: Aus den Isotopenverhältnissen leiten sie ab, ob das am Meeresgrund ausgetretene Wasser ursprünglich von Land stammt und mit Landgrundwasser verbunden ist. Oder, ob die Probe fossil ist und vor Tausenden Jahren unter dem Schelf entstand. Auf der FS-Sonne-Ausfahrt untersuchten die Geochemiker jede Anomalie in den Echolot-Daten und tauchten mit Video-CTD-Sonden nach austretenden Trinkwasserspuren, doch vor Malta gingen sie leer aus. „Das heißt, dass kein Grundwasser aus dem Meeresboden zur Zeit der Messung leckt. Es kann aber sein, dass sich das zum Beispiel zu einer anderen Jahreszeit bei großen Niederschlagsmengen ändert“, merkt Marion Jegen an.

          Für konkrete Volumenabschätzungen brauchen die Wissenschaftler noch Hintergrundinformationen wie etwa die Gesteinsart und den Porenraum. Die CSEM-Daten könnten aber im Allgemeinen sagen, wo zu bohren ist, etwa vor Neuseeland. „Natürlich hätte man auch gerne viele verschiedene Bohrlöcher, um die geophysikalischen Daten zu verifizieren“, sagt Haroon, „aber jedes Bohrloch kostet Hunderttausende Euro und liefert dann auch nur punktuell Daten statt einer großen Flächenaufnahme.“ Woran es bei der Analyse noch dringend fehlt, das erkenne er jetzt: der Datenlücke im flachen Übergangsbereich zwischen On­shore und Offshore, deren Wechselwirkungen für den Nachhaltigkeitsaspekt von zentraler Bedeutung sind. Allerdings erfordert eine Abbildung noch neue technologische Entwicklungen. Um den ganzheitlichen Ansatz weiter zu erforschen und geochemische Analysen zu integrieren, wollen die Forscher als Nächstes bekannte Grundwasservorkommen am Golf von Korinth vermessen.

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