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Forschungsschiff

MARIA S. MERIAN

Reisen Nr. MSM 40 – MSM 42

05. 07. 2014 – 25. 10. 2014

Meridionale Umwälzzirkulation, klimabedingte Gashydratzersetzung und die ozeanische Kruste im subpolaren

und subarktischen Nordatlantik

Herausgeber

Institut für Meereskunde Universität Hamburg Leitstelle Deutsche Forschungsschiffe

http://www.ldf.uni-hamburg.de/

Gefördert durch

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

ISSN 1862-8869

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Forschungsschiff

MARIA S. MERIAN

Reisen Nr. MSM 40 – MSM 42 / Cruises No. MSM 40 – MSM 42

05.07. 2014 – 25. 10. 2014

Meridionale Umwälzzirkulation, klimabedingte Gashydratzersetzung und

die ozeanische Kruste im subpolaren und subarktischen Nordatlantik

Meridional Overturning, Gashydrates, climate related gas hydrate

decomposition and the oceanic crust in the supolar and subarctic North Atlantic

Herausgeber / Editor:



Gefördert durch / sponsored by:


ISSN 1862-8869

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Anschriften / Addresses

Dr. Johannes Karstensen Telefon: +49 431 600 4156 Physikalische Ozeanographie, Telefax: +49 431 600 4102 GEOMAR e-mail: [email protected] Wischhofstr. 1-3 24148 Kiel Prof. Dr. Gerhard Bohrmann Telefon: +49 421 218 65050 MARUM, Universität Bremen Telefax: +49 421 218 65099 Klagenfurter Str. e-mail: [email protected] D-28359 / Bremen Prof. Dr. Colin Devey Telefon: +49 431 600 2257 GEOMAR Telefax: +49 431 600 2924 Wischhofstr. 1-3 e-mail: [email protected] 24148 Kiel

Leitstelle Deutsche Forschungsschiffe Telefon: +49-40-428-38-3640 Institut für Meereskunde Telefax: +49-40-428-38-4644 Universität Hamburg e-mail: [email protected] Bundesstraße 53 www.ldf.uni-hamburg.de/ 20146 Hamburg Reederei Telefon: +49 491 92520 160 Briese Schiffahrts GmbH & Co. KG Telefax +49 491 92520 169 Abt. Forschungsschifffahrt e-mail: [email protected] Hafenstrasse 12 26789 Leer Senatskommission für Ozeanographie Telefon: +49-421-218-65500 der Deutschen Forschungsgemeinschaft Telefax: +49-421-218-65505 Vorsitzender: Prof. Dr. Michael Schulz e-mail: [email protected] MARUM, Universität Bremen Leobener Strasse 28359 Bremen

mailto:[email protected]

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Forschungsschiff / Research Vessel MARIA S. MERIAN

Ship / Crew

Scientists

Vessel’s general email address

Scientific general email address

[email protected]

[email protected]

Crew’s direct email address (duty)

Scientific direct email address (duty)

via master only

[email protected] d = duty

Crew’s direct email address (private)

Scientific direct email address (private)

[email protected] p = private

[email protected] p = private

Each cruise participant will receive an e-mail address composed of the first letter of his first name and the full last name.

Günther Tietjen, for example, will receive the address:

g.tietjen.d@merian. briese-research.de for official (duty) correspondence

g.tietjen.p@merian. briese-research.de for personal (private) correspondence

all emails on VSAT are free of charge, on non VSAT (e.g. Fleet77) private correspondence to be paid on board which will be arranged by the system operator on board. notation on VSAT service availability will be done by ships management team / system operator

Data exchange ship/shore : on VSAT continuously / non VSAT every 4 hours: 08:00/12:00/16:00/20:00

Maximum attachment size: 500 kB, extendable (on request) up to 8 MB

The system operator on board is responsible for the administration of the email addresses Phone/Fax

(Inmarsat Fleet 77)

Fax: +870 764 354 966

Phone: +870 764 354 964

Phone (VSAT)

Fon: +46 3133 44820




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MERIAN Reisen Nr. MSM 40 – MSM 42 MERIAN Cruises No. MSM 40 – MSM 42

05.07. 2014 – 25. 10. 2014

Meridionale Umwälzzirkulation, klimabedingte Gashydratzersetzung und die ozeanische Kruste im subpolarenund subarktischen Nordatlantik

Meridional Overturning, Gashydrates, climate related gas hydrate decomposition and the

oceanic crust in the supolar and subarctic North Atlantic

Fahrt/Cruise MSM40 05.07.2014 – 01.08.2014 St. John’s (Kanada) – Reykjavik (Island) Fahrtleiter / Chief Scientist: Dr. Johannes Karstensen Fahrt/Cruise MSM41 05.08.2014 – 12.09.2014 Reykjavik (Island) – Longyearbyen (Svalbard) - Tromsö (Norwegen)

Fahrtleiter / Chief Scientist: Prof. Dr. Gerhard Bohrmann

Fahrt/Cruise MSM42 16.09.2014 – 25.10.2014 Tromsö (Norwegen) – Cork (Irland) Fahrtleiter / Chief Scientist: Prof. Dr. Colin Devey Koordination / Coordination Leitstelle Deutsche Forschungsschiffe Kapitän / Master MARIA S.MERIAN MSM 40: Björn Maaß MSM 41: Björn Maaß

MSM 42: Ralf Schmidt

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Abb. 1 Geplante Arbeitsgebiete der MERIAN Expeditionen MSM40 – 42. Fig. 1 Planned working areas of MERIAN cruises MSM40 – 42.

MSM 40

MSM 41

MSM 42

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Wissenschaftliches Programm der MERIAN Reisen Nr. MSM 40 – 42 Scientific Programme of MERIAN Cruises No. MSM 40 – 42

Übersicht Die Fahrtabschnitte MSM40, MSM41 und MSM42 der MARIA S. MERIAN werden die Subpolare bis subarktische Regionen des Nordatlantiks aufsuchen. Die wissen-schaftlichen Fragestellungen adressieren Langzeitstudien zur Atlantischen Um-wälzzirkulation (MSM40), Bohrungen zur Klärung von Gashydratverteilung am Kon-tinentalhang von Spitzbergen (MSM41) und den Zusammenhang von Krustendicke und hydrothermaler Aktivität am Reykja-nes-Rücken (MSM42). Fahrt MSM 40 Der Fokus der MSM40 Reise liegt in der Aufnahme und Auslegung von veranker-ten Geräten sowie in der Beprobung der Wassersäule. Die verankerten Geräte zeigen zeitlich hochauflösend (<1 Stunde) die lokalen Entwicklungen von physikalischen Para-metern (Temperatur, Salzgehalt, Dichte, Strömungen) auf. Die Kontinuität der Messungen über viele Jahre, bis hin zu Jahrzehnten, erlauben es, Rückschlüsse über eventuell existierende Trends zu de-tektieren. Weltweit existieren nur wenige solcher ozeanischen Referenzstationen, die eine Beurteilung von strukturierten inter-nen Änderungen über mehrere Jahre zulas-sen. Die Vermessung des momentanen Verti-kalaufbaus des Ozeans, bezüglich Hydro-graphie (Temperatur, Salzgehalt, Dichte), Sauerstoff und der Strömungen wird mit Hilfe von (u)CTD/ (l)ADCP Sonden durchgeführt. Oberflächennah werden Dauerregistrierungen mit dem Thermosa-linograph (Temperatur, Salzgehalt) durch-geführt und kontinuierlich meteorologi-sche relevante Daten erfasst. Strömungs-messungen in bis zu 100m Tiefe werden mit den schiffseitigen ADCP durchgeführt. Insbesondere in ozeanischen Gebieten, die im Übergang zwischen dem Schelfbereich

Synopsis The three MARIA S. MERIAN expeditions MSM40, MSM41, MSM42 will work in sub-polar and subarctic areas of the North At-lantic Ocean. The scientific goals include the variability of the Atlantic Meridional Circulation (MSM40), drillings to under-stand the presence of gas hydrates at the continental margin of Svalbard (MSM41) and examining the relationships between crustal thickness and hydrothermal activity on the Reykjanes Ridge. Cruise MSM 40 The core program of the expedition MSM40 is dedicated to the re-deployment of moored instrumentation and to surveys of the water column along selected sections. Moored instrumentation, programed for high temporal resolution sampling (<1 hour) are installed at distinct location to record the local evolution of physical prop-erties (temperature, salinity, density, cur-rents). Continuous installation of such sys-tem over many years, and even up to dec-ades at some locations, provide the observa-tional base for the analysis of systematic changes of the interior ocean. In a global context only a few of such long lasting ocean-reference-stations exists. Along selected sections the instantaneous vertical hydrographic (temperature, salinity, density), oxygen, and currents structure will be surveyed during MSM40 with (u)CTD/ (l)ADCP systems. These systems operate over the full water depth, from the surface to the ocean bottom. Moreover, quasi continu-ous Underway data collection will be per-formed and which include single depth data from the Thermosalinograph (Temperature, Salinity), and surface meteorological obser-vations but also ship mounted ADCP sys-tems (currents in upper 500 to 1000m). In particular in the region between the shelf break and the open ocean an underway CTD

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und dem offenen Ozean liegen, werden vom fahrenden Schiff die oberen 300m der Wassersäule mit Hilfe einer „Unterwegs CTD“ vermessen. Die Fahrt ist ein Beitrag zu nationalen (RACE) wie auch internationalen Projek-ten (NACLIM, OSNAP, FixO3). Fahrt MSM 41 In den Kontinentalrandsedimenten W‘ von Spitzbergen wurden mit geophysikalischen Methoden und durch Sedimentkernent-nahme Gashydrate nachgewiesen. Am oberen Kontinentalrand, wo die Unterkan-te der Gashydratstabilitätszone an den Meeresboden stößt, werden gehäuft Emis-sionen von freiem Methangas in Form von akustischen Plumes und durch erhöhte Methankonzentrationen in der Wassersäu-le detektiert. Neuere Untersuchungen füh-ren die Freisetzung des Methans auf eine generelle Erwärmung des Bodenwassers von 1° C in den letzten 30 Jahren und da-mit einhergehende Auflösung von Gas-hydraten zurück, weil die Gashydratstabi-litätszone durch die Erwärmung um 38 m abgesunken ist. Obwohl die bisher gewon-nenen geophysikalischen und geochemi-schen Daten dafür sprechen, konnte nicht bewiesen werden, dass wirklich Gashyd-ratauflösung die Quelle für das jetzt aus-tretende Gas ist. Im Rahmen des ersten Teils der Fahrt pla-nen wir, mit 5 Doppelbohrungen des mo-bilen Bohrgerätes MeBo erstmals Gashyd-rate in Bereich der Methanaustritte zu be-proben und anhand ihrer chemischen Zu-sammensetzung und physikalischen Rah-menparameter die Stabilitätsgrenze zu präzisieren. Während des 2. Fahrtabschnittes sollen 3 Doppelbohrungen auf dem Vestnesa Rü-cken in ca. 1.000 m Wassertiefe durchge-führt werden, um die Gashydratverteilung innerhalb und außerhalb von geophysika-lisch nachgewiesenen Kaminstrukturen im Meeresboden zu dokumentieren.

system will be used to survey the hydrogra-phy in the upper 300m from the moving ship (full speed). The MSM40 expedition is a contribution to national (RACE) as well as international projects (NACLIM, OSNAP, FixO3). Cruise MSM 41 Gas hydrates have been documented by geophysical methods and by direct sampling in sediments of the continental margin west of Svalbard. At the uppermost part of the continental slope above the gas hydrate stability zone various methane emission sites were detected as acoustic plumes in echosounder recordings. New investigations interpret the gas emission by methane from hydrate decomposition due to an increase in water temperature of 1° C during the last 30 years which causes a downward movement of the upper boundary of the gas hydrate stability of 38 m. We are planning to drill 5 double boreholes using the mobile drilling sytem MeBo to sample hydrates for the first time in this area. Chemical analyses of the samples and physical parameters will be measured which will allow to define the phase boundary very precisely. Second leg of MSM41 will concentrate on Vestnesa Ridge, an elongated sediment structure which contains well defined chimney structures within a well-stratified sediment sequence and distinct pockmarks on top. Gas emissions from the pockmarks are forming gas flares in the water column associated with shallow gas hydrate deposits. Three double drillings with MeBo are planned inside and outside of the chimney structures in order to understand the distribution of gas hydrates.

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Fahrt MSM 42 Die Reise MSM42 wird den Zusammen-hang von Vulkanismus, Tektonik und Hydrothermalismus an der, von einem ‚Hotspot’ beeinflussten, Spreizungsachse des Reykjanes-Rücken untersuchen. Ob-wohl dieser Teil des Mittelatlantischen Rückens im Vergleich zu durchschnittli-cher ozeanischer Kruste (etwa 6km dick) mit einer, nahe Island, >20km mächtigen Krustendicke beeindruckt, gibt es nur sehr wenige Anzeichen für hochtemperierte Hydrothermalquellen. Daher ist das zent-rale Ziel dieser Fahrt zu untersuchen, wie genau der Reykjanes-Rücken gekühlt wird. Die geplanten Arbeiten umfassen hoch- und ultrahochauflösende Schiffs- und AUV-Bathymetrie, ROV Videokartie-rungen des Meeresbodens, gezielte Ge-steins- und Sedimentbeprobungen sowie die Beprobung hydrothermaler Fluide. Wenn nötig, können auch Gesteinsproben mittels Dredge genommen werden.

Cruise MSM 42 Cruise MSM42 will investigate volcanic, tectonic and hydrothermal interactions on the hotspot-influenced spreading environment of the Reykjanes Ridge. Alt-hough this ridge has exceptionally thick crust (>20km close to Iceland, compare to 6km average crustal thickness) it shows few signs of high-temperature hydrothermal venting. The core goal of the cruise is to investigate how the Reykjanes Ridge is cooled. Planned work includes ship and high-resolution AUV bathymetric surveys, seafloor photographic surveys, ROV video transects of the seafloor with targeted sam-pling of rocks and sediments, and measure-ment and sampling of hydrothermal fluids. Some rock dredging may also be carried out if required.

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Fahrt / Cruise MSM 40 Von/From St. Johns – Nach/ To Reykjavik

Wissenschaftliches Programm Der Nordatlantik ist eine der Schlüsselre-gionen für die globale Ozeanzirkulation und deren Variabilität auf zwischenjährli-chen und längeren Zeitskalen. Globale Klimaänderungen sind mit Änderungen im Zustand des Nordatlantiks eng gekoppelt. Das Klima Europas ist zu einem erhebli-chen Teil mit der ozeanischen Zirkulation, insbesondere dem Transport von warmem Wasser mit dem Nordatlantikstrom nach Osten, verbunden (Abb. 1). Der Nordat-lantikstrom stellt eine Verbindung zwi-schen dem warmen, subtropischen Wirbel und dem kalten, subpolaren Wirbel dar. Ein wichtiger Antrieb für den Austausch zwischen diesen großskaligen Wirbeln, und damit ein Kontrollmechanismus für den Nordatlantikstrom, ist das Absinken von Wasser im nördlichen Nordatlantik. Durch starke Abkühlung (Dichteanreiche-rung) werden im Winter oberflächennahe Wassermassen in Tiefenwasser transfor-miert. Dieses geschieht sehr intensiv in der Labrador See sowie auch in der Irminger See. Die abgesunkenen Wassermassen werden in der Tiefe mit weiteren, dichte-ren Wassern aus den Overflow Regionen, im sogenannten „Tiefen Westlichen Rand-strom“ (DWBC) südwärts transportiert. Dabei ist die Stärke und Charakteristik der Wassermassen ein Indikator für den Transport von Oberflächen-Änderungen in die Tiefsee. Um eventuell auftretende Trends in den Transporten und der Was-sermassencharakteristik zu ermitteln, wer-den lange Zeitserien benötigt, die die Va-riabilität auf unterschiedlichsten Zeitska-len erfassen. Nur so können statistische Verfahren angewandt werden, die es er-lauben, Trends aus dem natürlichen Rau-schen zu isolieren. Das wissenschaftliche Programm der MSM40 Reise ist Studien zur Intensität der Wassermassenumwandlung und zur Stabilität des Abtransports nach Süden im DWBC gewidmet.

Scientific Programme The North Atlantic Ocean is one of the most important drivers for the global ocean circu-lation and its variability on time scales be-yond inter-annual. Global climate variabil-ity is to a large extent triggered by changes in the North Atlantic sea surface state. The climate of Europe is strongly influenced by the North Atlantic ocean circulation, in particular the eastward transport of warm water with the North Atlantic Current has a strong impact on the mild winters in Norther Europe (Fig. 1) The North Atlantic Current is to be seen as a connection between the warm, Subtropical Gyre and the cold, sub-polar Gyre. A driver for the connection be-tween the gyres, and as such for the North Atlantic Current, is the watermass transfor-mation, and in particular the sinking of wa-ter, in the Northern North Atlantic. Intense cooling in winter make the surface water more dense and drives a sinking of the water (overturning). Certain regions, such as the Labrador Sea and the Irminger Sea, are susceptible for intense sinking. The water that has been transferred from surface to great depth spreads preferentially south-ward. The spreading is concentrated in in-tense currents that go along the western boundary, so called “Deep Western Bound-ary Currents” (DWBC). Beside the deep water formed in in the Subpolar gyre, the DWBC transport water from the overflow regions southward. The strength as well as the characteristic of the DWBC are an indi-cator for the integral effect of time variabil-ity in the formation region of the water masses. As such it is critical to survey the DWBC regularly and over long periods of time to create time series of flow and prop-erties to be able to decompose the variabil-ity of the DWBC on its different time scales. The scientific program from the MARIA S. MERIAN MSM40 expedition is dedicated to the studies on the intensity of the water mass transformation and the southward transport in the DWBC.

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Abb. 2: Schematische Abbildung der Strömungen (Temperaturen sind farblich kodiert, vergl. Farbbalken) im subpolaren und subarktischen Nordatlantik. Durchgezogene Pfade stehen für oberflächennahe Strombänder, gebrochene Pfade für Tiefenströmungen (DWBC). Fig. 2. Schematic of the current bands (temperature is colour coded, see scale at bottom of figure for reference) in the subpolar and subarctic North Atlantic. Continuous line indicate surface near flow, broken lines deep water flow (DWBC). Arbeitsprogramm Das Arbeitsprogramm teilt sich in zwei Teile: (1) verankerte Geräte und (2) schiffsgestützte Beobachtungen (Abb. 3). Verankerte Geräte Die verankerten Geräte sind auf vier Ar-beitsgebiete verteilt: Das „53° N Array“ befindet sich im südöstlichen Teil der La-brador See. Zur Zeit sind dort vom GEO-MAR sechs Verankerungen installiert, vier davon tragen Geräte bis in Oberflächen- nähe, zwei Verankerungen sind nur auf die Beprobung der Bodenströmungen ausge-legt. Alle Verankerungen werden gebor-gen und auch wieder ausgelegt. Zudem wird eine zusätzliche Bodenverankerung an der Flanke der Arrays zur offenen La-brador See hinzugefügt. Die Geräte wer-den gewartet, Batterien gewechselt, Daten ausgelesen und die Sensoren werden kalib-riert. Bei der Neuauslegung, die für 2 Jah-re vorgesehen ist (bis Sommer 2016), wird insbesondere eine der kurzen Verankerun-

Work program The work program is composed of two parts: (1) operations related to moored sen-sors and (2) ship based observations (Fig. 3). Mooring operations Regarding moored sensor operations we will work in four areas: The “53°N Array” is located at the southern exits of the Labra-dor Sea. Currently GEOMAR has six moor-ings installed in the area: Four multi-instrument moorings and two short, single instrument moorings. All these moorings will be serviced. The data will be read out and instruments calibrated. All sic moorings will be re-deployed to last about 2 years, until 2016. The short mooring DSOW2 will be extended towards the surface with a moored profiler (McLane) to obtain daily high-resolution hydrography and current information at this site. The profiler moor-ing will be operating in connection to the moorings on the northern side of the Labra-

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gen (DSOW2) bis in Oberflächennähe durch einen CTD Profiler erweitert. Das zweite Arbeitsgebiet liegt im Westen der Labrador See. Hier wurden in 2012 (MSM21/1a) eine Reihe von Bodendruck-sensoren ausgelegt, die bei MSM40 wie-der geborgen werden. Das dritte und vierte Arbeitsgebiet sind die zentrale Labrador See (K1 Verankerung & RAFOS Schallquelle) und die zentrale Irminger See (CIS & LOCO Verankerun-gen). In beiden Regionen treten besonders tiefe Oberflächenmischungsschichten im Winter auf. Die Verankerungen werden in den Gebieten geborgen und wieder ausge-legt. K1 wird bis zur Oberfläche ausge-dehnt und mit einer Telemetry Boje verse-hen. Bei K1 und CIS werden dann Echt-zeitdaten der oberen etwa 1000m zur Ver-fügung stehen, die alle 4h per Iridium an Land gesendet und im Internet präsentiert werden. Die Telemetrie Module werden zusätzlich Lufttemperatur und Luftdruck messen. Schiffsgestützte Messungen Die schiffsgestützten Messungen umfassen zum einen die Messungen mit der CTD Rosette. Diese umfassen in der Regel CTD, Sauerstoff, und Strömung (lADCP) und werden als CTD+ gekennzeichnet. Kurz nach dem Auslaufen St. Johns wird die kanadische Zeitserienstation „Station 27“ beprobt (Wassertiefe 168m). Ein CTD+ Schnitt über die Labrador See von 53°N bis zur Westküste Grönlands (OSNAP West) wird durchgeführt werden. Dieser wird auch zwei Beprobungen des DWBC beinhalten. Es werden weitere Beprobungen des DWBC durchgeführt werden. Ein CTD+ Schnitt wird ebenfalls in der Irminger See durchgeführt. Neben den Schnitten werden die CTD Sta-tionen auch zur Kalibration der veranker-ten Geräte genutzt. Dazu werden die Gerä-te an die CTD montiert und später mit den hochpräzisen CTD Daten verglichen. Die CTD Daten (Salzgehalt, Sauerstoff) werden an Bord mit diskreten Proben, die mit dem Salinometer und durch Sauer-stofftritration vermessen wurden, vergli-

dor Sea that are proposed to be installed within the OSNAP. One additional short mooring will be added at the open ocean flank of the array. The second working area is in the far west of the Labrador Sea. Here a number of bot-tom pressure sensors have been installed in 2012 and will be recovered. The third and fourth working areas com-prise the central Labrador Sea (K1 mooring & RAFOS sound source) and the central Irminger Sea (CIS & LOCO mooring). These areas are susceptible to very deep mixed layers in winter. The moorings will be redeployed, and K1 will be extended to cov-er the full water depth. CIS and K1 will be equipped with data telemetry systems, that are permanently located at the surface to transfers a subsample of the instrument re-cordings in near-real time (every 4h) to shore. Moreover, the surface telemetry modules will be equipped with basic mete-orological sensors (air temperature, surface pressure. Ship based observations One focus of the ship based observations is on CTD/O2/lADCP (CTD+) casts. At the very beginning of the cruise we will do a CTD+ cast at “Station 27” - this will be our test station but also a contribution to one of the longest time series stations glob-ally (and part of the ICES hydrography pro-gram). A CTD+ section (OSNAP West) crossing the Labrador Sea will be done in order to obtain a quasi-synoptic picture of the Labrador Sea. This section, that also crossed two time the DWBC, will be repeated by other groups later the year (US). A CTD+ section in the Irminger Sea (OSNAP East) will be done as well. Integrated into the CTD+ work along the section will be the calibration of moored instrumentations. Mounting the instruments side-by-side to the CTD will allow an as-sessment of the accuracy of the autonomous loggers from the moorings. The CTD data (salinity, oxygen) will be val-idated on board the ship against an analysis of oxygen and salinity from water samples.

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chen und kalibriert. Das CTD+ System ist zur Datensicherheit mit Doppelsensoren (C, T, O2) ausgestattet. Entlang der Fahrtroute werden Daten mit dem Thermosalinographen (T, S) gesam-melt und mit der bordeigenen Wetterstati-on eine Reihe von meteorologischen Pa-rametern aufgezeichnet. Die bordeigenen ADCP Systeme (38kHz, 75kHz) werden zur Vermessung der oberflächennahen Strömungen (bis 1000 m Tiefe) genutzt. In den Übergangsregionen vom Schelf zum offenen Ozean wird bei voller Fahrt vom fahrenden Schiff eine „Unterwegs CTD“ eingesetzt .

This procedure will ensure high quality data and also a quality assessment of the data during the cruise. The CTD is equipped with dual sensor packs for redundancy and quali-ty control. Underway data will be collected, which in-clude single depth data from the Ther-mosalinograph (Temperature, Salinity), and surface meteorological observations but also ship mounted ADCP systems (currents in upper 500 to 1000m). In particular in the region between the shelf break and the open ocean an underway CTD system will be used to survey the hydrography in the upper 300m from the moving ship (full speed).

Abb.3 Geplante Profile der MERIAN Expedition MSM40. CTD/lADCP Stationen

(gelbe Punkte), Verankerungen (weiße Quadrate), Bodendrucksensoren (nur Bergung; rote Quadrate), RAFOS Schallquelle (schwarzes Quadrat).

Fig.3 Planned profiles of MERIAN cruise MSM40. CTD/lADCs (yellow circles),

moorings (white squares), bottom pressure sensors (recovery only; red squares), RAFOS sound source (black square).

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Zeitplan / Schedule Fahrt / Cruise MSM 40

Tage/days Auslaufen von St. Johns (Kanada) am 05.07.2014 Departure from Johns (Canada) am 05.07.2014

Gesamte Fahrtdauer Total time 27 Einlaufen in Reykjavik (Island) am 01.08.2014 Arrival in Reykjavik (Iceland) 01.08.2014

Transit zum 53°N Array; Stopp bei “Station 29” CTD Transit to 53°N array - including stop at “Station 29” (WD 190m)

1.5

Bergung 53°N Array (6 Verankerungen, 1 PIES); CTD+ Recovery of 53°N array (6 moorings, 1 PIES) including CTDs

2.5

Transit zur K1 Verankerung/Zentrale Labrador See, Bergung und CTD+ Transit to Central Labrador Sea (K1 recovery); CTD+

1.5

Transit (underway observations) to 60.5°N, Sound source deployment and recov-ery of pressure sensors; CTD section

2.0

Transit zur K1 Verankerung, Auslegung Transit to Central Labrador Sea (K1 deployment)

2.0

Transit zum 53°N array; Auslegung 7 Verankerungen & PIES Transit to 53°N section; deployment PIES; deployment 7 moorings

4.0

Hydrographischer (CTD+) Schnitt “OSNAP West” (53°N bis Westgrönland) Hydrographic section (“OSNAP West”: 53°N to West Greenland)

4.0

Transit zu CIS & LOCO, Aufnahme/Auslegung, CTD+ Transit to CIS & LOCO; recovery/deployment; CTD+

3.0

Hydrographischer Schnitt “OSNAP Ost” (Ostgrönland bis Zentrale Irminger See) Hydrographic section (“OSNAP East”: East Greenland to Central Irminger Sea)

2.0

Transit bis Angmagssalik array; Aufnahme 2 Verankerungen; CTD+ Transit to Angmagssalik array; recovery (2 moorings); CTD+

3.0

Transit to Reykjavik (360 nm) Transit to port Reykjavik

1.5

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Fahrt / Cruise MSM 41 Von/From: Reykjavik – Nach/To: Tromsö

Wissenschaftliches Programm Die Reise soll neue Geländedaten am W’ Kontinentalhang von Spitzbergen erheben (Abb. 4), welche die Erfassung der Gas-hydratdynamik ermöglicht. Hinweise zum Anstieg der Bodenwassertemperatur, wel-che die obere Stabilitätsgrenze der Gas-hydrate (GHSZ) in oberflächennahen Se-dimenten bereits verschoben hat (siehe Abb. 5), wurden von Westbrook et al. (2009) postuliert und die heutigen starken Methanemissionen damit in Verbindung gebracht. Im Zuge einer weiteren Klima-erwärmung ist der Zusammenhang einer Verlagerung der Gashydratstabilitätsgren-ze und Methanfreisetzung aus sich zerset-zenden Methanhydraten für den arktischen Ozean von globaler Bedeutung. In einem ersten Schritt soll die Hydratverteilung anhand von 50-60 m tiefen Bohrungen untersucht werden, um die aktuelle GHSZ und mögliche Verlagerungen der GHSZ zu erfassen (siehe Abb. 6). Anhand von 5 Bohrungen über die durch aktuelle Temperaturmessungen bestimmte obere GHSZ, sollen folgende Fragen be-antwortet werden: • Wie sind Hydrate in glazialen und

holozänen Sedimenten des Hangs im Vergleich zur GHSZ und ihres Ausbisses verteilt?

• Wie ist das Gefüge der Hydrate in Relation zur Lithologie? Massive Hydratlagen? Fein verteilte Hydrat-kristalle, Hydrate in Schichten, Linsen oder Klüften?

• Welche hemische Zusammensetzung haben die Hydrate; welche Gase sind in die Hydratstruktur eingebunden? Gibt es eine Fraktionierung in der Gaszusammensetzung zwischen am Meeresboden entweichendem Gas und dem Gas in der Hydratstruktur?

Im zweiten Teil der Reise wollen wir ein besseres Verständnis der Gashydratdyna-

Scientific Program The cruise primarily is aiming to collect field data in the area of the West-Spitsbergen continental margin (Fig. 4) that will allow investigating the gas hydrate dy-namics. There is evidence that an increase in bottom water temperature has already changed the gas hydrate stability zone at the upper continental margin. Many active gas emission sites (see Fig. 5) are caused by the gas liberation from methane hydrates (Westbrook et al. 2009). In this situation it is important to understand how the gas hy-drate reservoirs will react to future increas-es in the bottom-water temperature, and if future bottom-water warming might trigger the sudden release of large amounts of me-thane leading to accelerated climate warm-ing. In a first step hydrate dynamics has to be recorded from sediment drilling, and we therefore plan to drill down to 50-60 m sed-iment depth and cover the entire gas hydrate stability zone in such shallow water depths (see Fig. 6). By drilling 5 sites defined by gas flare posi-tions, the actual temperature field and seis-mic information we are addressing the fol-lowing questions: • How are hydrates distributed in the gla-

cial and Holocene sediments of the slope, in relation to the gas hydrate sta-bility outcrop zone?

• How is the fabric of the hydrate in rela-tion to the lithology? More massive hy-drates? Disseminated hydrates, layers of hydrate parallel to stratification, lenses or fracture fillings?

• What is the detailed chemical composi-tion of the hydrates; which gases are bound in the hydrate structure? Is there a fractionation in the gas composition between the gas emanating at the sea-floor and the gas in the hydrate struc-ture?

The second part of the cruise is to obtain a

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mik in Sedimenten des Vestnesa-Rückens, einem Sedimentdriftkörper des unteren Kontinentalrandes erarbeiten (Abb. 4 und 7). Die Ziele und Fragen dabei sind: • Die Quantifizierung und Verteilung

der Gashydrate innerhalb und außerhalb ausgewählter Kamine; ob Gashydrate breit gestreut oder konzentriert an charakteristische Strukturen gebunden sind?

• Die Mechanismen der Gasmigration, anhand von ausgewählten Fluidfluss-Strukturen zu identifizieren. Welche Art von offenem Netzwerk kann einen Fluidfluss aufrecht erhalten.

• Welche Rolle haben Hydrate auf den Fluid-Durchfluss der Kamine.

• Wo genau liegen die Grenzen der GHSZ, basierend auf der Gaszusammensetzung sowie des aktuellen Temperaturfeldes.

• Welche Stratigraphie liegt außerhalb und innerhalb der Kamine vor; welche Sedimentationsraten liegen vor?

• Welche Randbedingungen sind auf dem Vestnesa Rücken zu beachten, um eine zukünftiges Observatorium am Meeresboden zu integrieren und zu optimieren.

Hochauflösende 3D-Seismikdaten sind die Basis zur Festlegung von mindestens zwei Bohrlokationen. Viele der Kaminstruktu-ren variieren in den seismischen Charakte-ristika. Indes zeigen alle signifikante Amplitudenanomalien innerhalb der obe-ren 50-100 m des Untergrunds, d.h. inner-halb der Reichweite des MeBo-Bohrgerätes. Ob diese Anomalien in Ver-bindung mit freiem Gas, Gashydraten und/oder Karbonaten stehen, ist eine wich-tige Frage , und die geplanten Bohrungen werden wichtige Hinweise zur Migration der gasreichen Fluide durch den Unter-grund erbringen.

better understanding of gas hydrate dynam-ics and fluid venting mechanism at the Vest-nesa Ridge a sediment drift body at the low-er margin (Fig. 4 and 7). Objectives associ-ated with this aim are: • To identify and quantify the distribution

of gas hydrates in shallow sediments and within focused fluid flow structures, whether they are widely disseminated or concentrated and whether they are oc-curring within chimney structures.

• To identify the mechanisms for gas mi-gration through focused fluid flow struc-tures, and what kind of open network and processes can sustain such a flow of fluids.

• To evaluate the role of hydrates for the flux of fluids through chimney structures.

• To evaluate stability conditions of the gas hydrates based on the analysis of the geochemical compositions and tempera-ture lance measurements.

• To obtain a better understanding of stratigraphic development and sedimen-tation rate on the Vestnesa Ridge.

• To obtain baseline information on fluid expulsion processes on the Vestnesa Ridge which allow an optimized design of a planned seafloor observatory to be deployed in this area.

High-resolution 3D-seismic data are the basis for determining at least two of the three proposed drilling locations. Many of the chimney structures are variable in the seismic characteristics. However, all of them show significant amplitude anomalies within the upper 50-100 m of the subsurface, i.e. well within reach of the MeBo drilling platform. Whether these anomalies are re-lated to free gas, gas hydrates and/or car-bonates is an important question in itself and will clearly help to better understand how gas-rich fluids migrate through the subsurface.

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Abb. 4: Geplante Forschungsgebiete auf dem oberen Kontinentalhang (Box 1) und am

Vestnesa Rücken (Box 2) W‘ Svalbard (Bathymetriedaten zusammengestellt vom AWI, NOC und GEOMAR).

Fig. 4: Areas of planned investigation at the upper continental slope (box 1) and at Vestnesa Ridge (box 2) west of Svalbard (bathymetry data are combined from AWI, NOC and GEOMAR).

Abb. 5: Untersuchungslokation westlich von Svalbard und Positionen von Gasfahnen

(von Westbrook et al. 2009). Fig. 5: Location of survey area west of Svalbard and position of plumes (from West-

brook et al. 2009).

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Arbeitsprogramm Das Hauptarbeitsprogramm wird durch die Bohrungen mit dem Meeresbodenbohrge-rät MeBo (https://www.marum.de/ Mee-resboden-Bohrgeraet_MARUM MeBo. html) bestimmt. Durch die Hintergrundin-formationen von seismischen Daten und durch aktuelle Temperaturmessungen ge-leitet, planen wir 5 Doppelbohrlokationen. Die MeBo-Kerne werden nach Standard-verfahren an Bord von MARUM-Reisen behandelt. Bevor die Liner geteilt werden, erfolgt ein Temperatur-Scan mittels Infra-rotkamera, um Hydrateinlagerungen fest-zustellen. Da sich zersetzende Hydrate leicht als kalte Regionen in IR-Bildern detektiert werden können, werden wir komplette Sequenzen mit allen Hydratab-lagerungen dokumentieren. Sofort nach dem Teilen der Kerne werden Hydratstü-cke in Flüssigstickstoff gelagert. Poren-wasser wird durch Rhizon-Probennahme im Kühlraum des Schiffes gewonnen. Kerne werden makroskopisch beschrieben und detailliert fotografiert, und ein Farb-scan wird durchgeführt. Physikalische Messungen werden mit dem Multisensor-Kernlogger durchgeführt, bevor eine de-taillierte Beprobung für die Post-Cruise Sedimentanalyse der Arbeitshälfte vorge-nommen wird. Gashydratproben von ein-zelnen Sedimentsektionen werden durch quantitatives Entgasen der MeBo-MDPs erreicht. Während der Reise wird Porenwasser auf seine Eh- und pH-Werte analysiert und mittels Rhizonen extrahiert für eine Ana-lyse auf Ammonium, Alkalinität, Phos-phat, Chlorid und Eisen (Fe2+). Für Mes-sungen der molekularen Zusammenset-zung an Bord werden Gasproben mit ei-nem Zweikanal-Chromatographen (GC, Agilent Technologies 6890N) analysiert. Volatile Gase (C1 bis C6) werden mit ei-nem Flammenionisierungsdetektor ver-bundenen Kapillarsäulen quantifiziert, während andere Gase (O2, N2, CO, CO2) über eine rostfreie Stahlsäule mit Moleku-larsieb zum Detektor geleitet werden. Wei-

Work program Major work is to drill cores using the drill-ing system MeBo (https://www. marum.de/en/Sea_floor_drill_rig_MARUM-MeBo.html). Guided by detailed seismic information and the current temperature field measured during the cruise we are planning 5 double drill sites. MeBo cores will be handled by standard procedures on board of MARUM cruises. Before the liners will be split, a thermal scanning with an infrared camera will be performed in order to locate hydrate layers. Since decomposing hydrates are easy to detect as cold spots in IR images, we will document the complete sequence of all hydrate layers. Immediately after splitting the cores, hydrates will be stored in liquid nitrogen. Pore waters will be retrieved by rhizon sampling and micro-biological sampling will be performed in the ship’s cold room. Cores will be macroscopi-cally described and photpgraphed in detail and a coulour scanning will be performed. Physical measurement using a multi-sensor core logger will be performed before a de-tailed sampling for post-cruise sedimento-logical analyses of the core work halves will be done. Gas hydrate samples from the spe-cific sediment sections will be obtained for-gas analysis. At selected pressure levels prevailing in the MDP (recorded with a dig-ital pressure sensor), gas subsamples will be taken out of the stream of released gas, such that only volatiles liberated during core de-pressurization are collected. During the cruise, pore water will be analysed for Eh and pH, for analyses of ammonium, alkalinity, phosphate, chloride, and iron (Fe2+). For on board measurements of molecular compositions, the gas samples will be analyzed with a two-channel gas chromatograph (GC; Agilent Technologies, 6890N). Volatile hydro-carbons (C1 to C6) will be quantified by use of a capillary column connected to a flame ionisation detector, while permanent gases (O2, N2, CO, CO2) will be determined using a packed (molecular sieve) stainless steel column connected to a thermal conductivity

https://www.marum.de/

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terhin werden Wärmeflussmessungen mit einer Lanze und dem Hybridkabel des Schiffes im Meeresboden durchgeführt. Weiterhin ist ein Kartierungsprogramm geplant, das auf Gasblasen in der Wasser-säule und detaillierte Meeresbodentopo-graphie zielt. Die Multibeam-Systeme von FS MARIA S. MERIAN werden benutzt, um die bereits existierende Meeresboden Bathymetrie zu vervollständigen. Haupt-sächlich werden wir die Systeme aber zur Detektion und Kartierung akustischer Anomalien in der Wassersäule, welche durch den Aufstieg von freiem Gas in Form von Gasblasen (Flares) entstehen, benutzen. Das Multibeam EM 122 kann die Wassersäule für den gesamten Swath registrieren. Zusätzlich ist das 18 kHz Sig-nal des Parasound Echolots ein sehr hilf-reiches Werkzeug zur Registrierung von Gas-Flares. Die hydroakustischen Systeme werden genutzt, um Gasblasenaustritte zu finden und zu lokalisieren, aber auch, um die Höhe und Vertriftung der Gasblasen in der Wassersäule zu bestimmen. Zusätzlich sind Stationsarbeiten mit CTD/Rosette, Schwerelot und TV-Schlitten geplant, um die Untersuchungen zu vervollständigen. CTD mit Rosette wird genutzt, um Hintergrund-Methankonzentrationen in der Wassersäu-le und speziell nahe der Plumes, die durch akustische Anomalien detektiert wurden, zu messen. Schwerelot- und TV-Schlitten Einsätze werden durchgeführt, um die Backscatter-Anomalien der EM-Karten zu interpretieren, die während der Reise ge-messen wurden, und um zusätzliche Standorte rezenter Kohlenwasserstoff-Emissionen zu identifizieren.

detector. A standard winch-operated heat flow probe will be used to obtain in situ- sediment temperature and thermal conductivity measurements. A mapping program is planed that focuses on gas bubbles in the water column and de-tailed bathymetry of the seafloor. Multi-beam systems of RV MARIA S. MERIAN will be used to complement the already existing bathymetry but, if available, however the multi-beam system EM120 will be used for the detection of acoustic anomalies (flares) caused by gas bubbles in the water column. The system on the research vessel can dis-play and record the water column data for the entire swath and have been successfully employed for the detection of flares. In addi-tion, the 18 kHz signal of Parasound echo-sounder is a powerful tool to detect flares. The hydro-acoustic systems will be used to find and localize gas bubble emissions but also to study how high and constantly gas bubbles will rise in the water column. Additional station work for CTD/rosette, gravity corer and TV-sled is planned in or-der to complement the investigations. CTD connected with hydro-casts are used to sam-ple and measure background methane con-centrations in the water column and me-thane concentrations specifically close to the plume sites which are known form de-tected acoustic anomalies. Gravity corer and TV-sled deployments will help to under-stand backscatter patterns of EM 120 maps obtained during the cruise and to identify additional sites of recent hydrocarbon emis-sions.

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Abb. 6: West-Ost Profil am oberen Kontinentalrand im Bereich der oberen Gashyd-

ratstabilitätsgrenze, bei 2° und 3° C des Bodenwassers und Bohrlokationen. Fig. 6: West to east transect, with detail insert at the upper limit of the gas hydrate

stability zone at 2° and 3° C of the bottom water and locations for drilling.

Abb. 7: Oben: Bathymetrie mit mehreren Pockmarks. Unten: Die seismische Linie mit

mehreren vertikalen Schloten, die mit den Pockmarks assoziiert sind. Eine 80 m tiefe Bohrung ist geplant (schwarze Linie; aus Bünz et al. 2012).

Fig. 7: Top: Seafloor morphology shows several pockmarks. Bottom: Seismic line shows distinct chimneys, associated with the pockmarks. The black vertical line marks the planned drilling (from Bünz et al. 2012).

Reference: Westbrook, G.K. et al. (2009) Escape of methane gas from the seabed along the West Spits-

bergen continental margin. Geophysical Research Letters 36, L15608.

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Tage/days Auslaufen von Reykjavik (Island) am 05.08.2014 Departure from Reykjavik (Island) on 05.08.2014

Gesamte Fahrtdauer Total time 37 Einlaufen in Tromsö (Norwegen) am 12.09.2014 Arrival in Tromsö (Norway) 12.09.2014

Transit zum Arbeitsgebiet am oberen Kontinentalhang Svalbard Transit to the working area at the upper continental margin of Svalbard

5.0

Fächerecholot und Parasound Messungen, sowie CTD-Profile Swath bathymetry and Parasound mapping, and CTD hydro-casts

3.0

Fünf Doppelbohrungen mit MeBo inklusive T-Messungen à 3 Tage Five double MeBo drill sites à 3 days including temperature measurements

15.0

TV-Schlitten-Profile, Schwerelotkerne, sowie T-Lanzen Einsatz TV-sled mapping, gravity coring, and T-lance deployments

2.0

Ein- und Auslaufen in Longyearbyen (Spitzbergen) zum Personalaustausch Arrival and Departure in Longyearbyen (Svalbard) to exchange personnel

1.0

3 Doppelbohrungen mit MeBo auf dem Vestnesa Rücken 3 double MeBo drill sites at Vestnesa Ridge

7.5

Fächerecholot und Parasound Messungen, sowie CTD-Profile Swath bathymetry and Parasound mapping, and CTD/hydro-casts

1.5

Transit to Tromsö (360 nm) Transit to port of Tromsö

2.0

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Fahrt / Cruise MSM 42 16.09. – 25.10.2014

Tromsø – Cork

Wissenschaftliches Programm Die Expedition kombiniert hochauflösende Meeresbodenkartierung mit detaillierter und gezielter Probennahme an hydrother-malen Quellen entlang des Reykjanes-Rückens. Die Hauptfragen der Expedition sind die folgenden: • Steht abnehmende Krustendicke in

Zusammenhang mit niedrigeren Eruptionsraten oder geringerem Eruptionsvolumen? Die Kruste entlang des Reykjanes-Rückens verdünnt sich nach Süden von ca. 20km an der Reykjanes Halb-insel auf ca. 7km nahe der Bight FZ. Das weist auf weniger magmatischen Input im Süden. Sind weniger magma-tische Ereignisse über die Zeit der Grund dafür oder ist die Eruptionsrate entlang der Achse konstant aber die Größe der magmatischen Pulse nimmt nach Süden hin ab? Erst wenn wir die Größe und Alter der Eruptionen ent-lang des Rückens, gibt es eine Antwort auf diese wichtige Frage der Rücken-entstehung.

• Korreliert die Abnahme der mag-matischen Aktivität mit einer Zu-nahme der Tektonischen Aktivität? Ozeanspreizung unterteilt sich in tek-tonische und magmatische Aktivität, mit der Bildung von sog. „Core“ Komplexen als tektonischem Endglied und störungsfreiem vulkanischen Rü-cken als magmatischem Endglied. Das detaillierte Kartieren von Störungen und deren Zusammenhang zu datierten Laven und rezenter Seismik erlaubt es, diese Frage zu beantworten.

• Stehen V-förmige Rücken im Zu-sammenhang mit erhöhter Erupti-onsrate bzw. –volumen? Geophysi-sche Daten von Rücken mit dicker Kruste unterstützen die Interpretation V-förmiger Rücken als Regionen mit erhöhter Krustenproduktion. Spiegelt

Scientific Program The cruise combines high resolution map-ping with detailed and targeted visual ob-servations and sampling of hydrothermal sites along the Reykjanes Ridge. The overall goals of the cruise are to answer the following questions: • Is the reduction in crustal thickness

observed away from Iceland coupled to fewer eruptions or to eruptions with the same frequency but smaller volume? The crust thins southward along the Reykjanes Ridge from ca. 20km on the Reykjanes Peninsula to ca. 7km near the Bight FZ. This implies less magmatic input to the crust southwards. Does this take place with fewer magmatic events occurring in unit time, or is the frequen-cy of events roughly similar along axis with the size of the magmatic pulses de-creasing southwards? Only when we know the sizes and ages of flows at var-ious positions along the ridge can we answer this first-order question of ridge function.

• Is the reduction in magmatic activity away from Iceland matched by a paral-lel increase in tectonic activity? There is a general concensus that spreading activity is partitioned between magmatic and tectonic activity, with the tectonic end-member being represented by core-complex formation, the volcanic end-member by a fault free axial volcanic zone. Mapping of faults, their throws and their relationship to dated lavas combined with microseismic infor-mation of present-day fault activity will allow us to answer this questions.

• Are the V-shaped ridges related to are-as of increased eruption frequen-cy/volume? It has been postulated that the V-shaped ridges are regions of in-creased crustal production, a conclu-sion which has been supported by geo-physical demonstrations of thickened

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sich dies in den Volumina und/oder Frequenz von Eruptionen wider?

• Wie wird trotz des Mangels an hyd-rothermalen Quellen die dicke ozea-nische Kruste gekühlt? Hydrother-male Systeme entlang der Rückenach-se transportieren womöglich 10-30% der Wärme aus neu gebildeter Oze-ankruste. Daher würden an dicker Kruste mehr Hydrothermalfelder pro Km Rückenlänge und cm/yr Spreizung erwartet werden. Der Mangel solcher Systeme lässt ein generelles Problem bei der Modellierung des Wärmehaus-halts der ozeanischen Platte erkennen. Detaillierte Untersuchungen entlang der achsennahen Regionen ermögli-chen das Aufspüren der Zonen, wo die Wärme aus der Kruste abgeführt wird und zeigt, ob dies an einigen Hoch-temperaturaustritten geschieht (ohne die Spuren in der Wassersäule wie von anderen Rücken bekannt) oder an vie-len, weitgehend diffusen kühleren Thermalquellen. Untersuchungen des bisher einzig bekannten hochtempera-tur Hydrothermalaustritts „Steinahóll” geben wichtige Informationen zur Na-tur solcher Austritte und tragen zur Verfeinerung zukünftiger Prospekti-onsmethoden bei.

• Kann die Beziehung zwischen Krus-tendicke und Wärmeverlust model-liert werden? Detaillierte Kartierun-gen, gezielte Probennahme und Datie-rungen werden eine Abschätzung des Wärmetransports aus den achsennahen Regionen der Kruste ermöglichen. Wie dies mit der magmatisch induzierten Wärme im Zusammenhang steht, kann dann durch detaillierte Modellierungen beantwortet werden.

• Wie stark wird die Platte belastet?

Der Reykjanes-Rücken streicht schräg zur Plattenbewegung, aber Störungen verlaufen normal zur Plattenbewe-gung. Herdflächenlösungen geben in der Geophysik Aufschluss über die Erdbebenmechanik und die Bewe-gungsrichtungen sowie die Stressver-

crust beneath the off-axis ridges. Is this reflected in the size and/or repeat rate of eruptions?

• How is the thick crust cooled despite the apparent paucity of high-temperature vent fields? Near-axis high-temperature hydrothermal systems are thought to remove a signifi-cant proportion (10 to 30%) of the heat incorporated into the crust during its formation. As a result, thicker crust would normally be expected to have more such systems per km of ridge length and per cm/yr of spreading. That such systems have not, up to present, been found in the expected frequency is a major problem of plate heat balance models. Only with detailed exploration of the axial and off-axial regions will we be able to find the zones where heat is escaping and characterize whether this is happening at high temperature but without generating the water-column signals found on other ridges or is oc-curring by more widespread low-temperature venting. Observations and sampling of the one known and pre-sumed high-temperature field at Steinahóll will provide important infor-mation on the nature of such fields and perhaps enable us to refine our pro-specting methods.

• Can we model the relationship between crustal thickness and observed heat re-lease? With the detailed mapping, sam-pling and dating to be performed here we expect to be able to provide a mean-ingful estimation of the heat being re-leased from the crust in the near-axis region. How is this related to the amount of heat which should be intro-duced into the crust through magmatic activity? Only modelling can answer this question.

• How are stresses distributed? The Rey-kjanes Ridge strikes obliquely to plate separation while faults seem to align normal to plate separation. Fault mech-anisms derived from first-motion polari-ties will allow us to determine the orien-

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teilung in der Platte. Ist die Belastung in der Platte gleichmäßig verteilt, zeit-lich variabel, oder in von magmatisch zu tektonisch geprägten Gebieten un-terschiedlich?

tations of the stresses causing the earth-quakes. Stress-tensor inversion will yield the stresses dominating the system. However, do stresses change with time? Are stresses uniformly distributed or dif-ferent in the presumed more magmati-cally or tectonically influenced seg-ments?

Abb. 8 Fahrtroute und Arbeitsgebiete MSM 42. Fig. 8 Cruise track and main research areas of cruise MSM42. Arbeitsprogramm Auf dieser Fahrt sollen alle Arbeitsgebiete mit dem AUV kartiert werden. Detaillierte Schiffsbathymetrie und erste ROV (bis Wassertiefen <2500m), Echtzeitbeobach-tung sowie Beprobung des flachen (300-400m Tiefe) Steinahóll Hydrothermal-felds. In der Umgebung von Steinahóll gibt es die folgenden Einsatzziele: a. Ermittlung der genauen Position und Ausmaße des Steinahóll Feldes, visuelle

Working Program This cruise will involve mapping all study areas with the AUV, making a detailed ship´s multibeam map of the shallower (300-400m depth) Steinahóll Vent Field and us-ing ROV (all water depths <2500m) to col-lect the first real time observations and samples from this site. Near Steinaholl, the goals of the deployments will be: a. to determine the exact location and the extent of the Steinahóll Vent Field and then

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Dokumentation und Beprobung (hydro-thermal, vulkanisch, biologie) b. Hochauflösende AUV Kartierung (<1m Auflösung) des gesamten Steinahóll Ge-bietes mit Fächerecholot und Seiten-sichtsonar sowie das Erfassen eventueller weiterer Hydrothermalaustritte. c. Beginn der visuellen Kartierung und geologischer Probennahme im Steinahóll Gebiet und Zuordnung der beobachteten Formationen (Lavadecken, hydrothermale Hügel) zu den gewonnenen AUV Daten. Ähnliche Untersuchungen werden auch in den Arbeitsgebieten (B, C und D) durch-geführt. Die Gebiete müssen jeweils hoch-auflösend (AUV) kartiert werden, um die Datengrundlage zur geologischen Kartie-rung zu liefern. Jedes Gebiet misst etwa 60km2 (20x3km) und kann mit jeweils 4 AUV Einsätzen kartiert werden (19h Bo-denzeit mit 1.5m/s und 120m Profilab-stand = 12.5km pro Tauchgang).

to image and sample the field (hydrothermal deposits, volcanics, fauna), b. to map the Steinahóll area and adjacent off-axis areas at sub-meter resolution with the AUV (bathymetry and side-scan sonar) and determine the location of any other, possibly off-axis venting, c. to begin the visual mapping and geologi-cal sampling of the Steinahóll area to be able to assign rock units (flows, hydrother-mal mounds) to the bathymetric features seen from the AUV. Similar investigations will be undertaken in remaining three areas (B, C, and D). These areas need to be mapped at high resolution (with AUV) at each location to provide the bathymetric data for the geological map-ping. Each area is approx. 60km2 (generally 20x3 km) and can be mapped with 4 full AUV deployments (calculated as 19 hours survey time at 1.5m/s, 120m line spacing = 12.5 km2 per dive).

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Tage/days Auslaufen von Tromsø (Norwegen) am 16.09.2014 Departure from Tromsø (Norway) 16.09.2014 Transit zum Arbeitsgebiet Steinahóll Vent Field 5 Transit to working area in Steinahóll Vent Field Arbeit am Station Steinahóll Vent Field 9 Work on Steinahóll Vent Field station, AUV & ROV mapping, sampling, Transit zum Arbeitsgebiet B / Transit to working area B 1 Arbeit an Station B 6 Work on station B, AUV & ROV mapping, sampling, OBS deployments Transit zum Arbeitsgebiet C / Transit to working area C 0.5 Arbeit an Station C 6 Work on station C, AUV & ROV mapping, sampling, OBS deployments Transit zum Arbeitsgebiet D / Transit to working area D 0.5 Arbeit an Station D 6 Work on station D, AUV & ROV mapping, sampling, OBS deployments Transit zum Hafen Cork (Irland) 4 Transit to port Cork (Ireland) Total 38 Einlaufen in Cork (Irland) am 25.10.2014 Arrival in Cork (Ireland) 25.10.2014

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Beteiligte Institutionen / Participating Institutions AWI Alfred-Wegener-Institut P.O. Box 12 01 61 27515 Bremerhaven Germany CAGE-UiT Centre for Arctic Gas Hydrate, Environment and Climate Naturfagbygget, Dramsveien 201 9010 Tromsø Norway CAU Kiel Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Christian-Albrechts-Platz 4 24118 Kiel, Germany CEFAS Centre for Environment, Fisheries and Aquaculture Science Lowestoft Lab Pakefield Road Lowestoft Suffolk, NR33 0HT/ U.K CWSE Stewardship Branch Environment Canada 45 Alderney Drive, 16th floor Dartmouth, Nova Scotia B2Y 2N6, Canada GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel Düsternbrooker Weg 20/Wischhofstr. 1-3 24105 Kiel/24148 Kiel Germany GSC Geological Survey of Canada – Pacific Natural Resources Canada 9860 West Saanich Road Sidney, BC V8L 4B2 Canada

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ÍSOR Iceland GeoSurvey Grensásvegur 9 108 Reykjavík/Iceland MARUM Zentrum für marine Umweltwissenschaften Universität Bremen Leobener Str. D-28359 Bremen Germany NIOZ Netherlands Institute for Sea Research, Landsdiep 4 1797 SZ 't Horntje Texel Netherlands NOC National Oceanography Centre University of Southampton Waterfront Campus European Way Southampton SO14 3ZH United Kingdom OSU Oregon State University College of Earth, Ocean and Atmosperic Sciences 104 CEOAS Administration Building Corvallis, OR 97331-5503 USA UI University of Iceland Sæmundargötu 2 101 Reykjavík/Iceland VU Vilnius University Akademijos str., 4, LT-08663 Vilnius Lithuania

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Teilnehmerliste / Participants MERIAN MSM 40 – MSM 42

Fahrt / Cruise MSM 40

Name Task Institution 1 Johannes Karstensen Fahrtleiter / Chief scientist GEOMAR 2 Andreas Pinck Gerätetechnik / Technic GEOMAR 3 Uwe Papenburg Verankerungen / Mooring GEOMAR 4 Gerd Niehus Verankerungen / Mooring GEOMAR 5 Neil Needham Verankerungen / Mooring CEFAS 6 Till Baumann lADCP, CTD/uCTD watch CAU KIel 7 Yao Fu uCTD processing, CTD/uCTD watch GEOMAR 8 Taavi Liblik CTD processing, CTD/uCTD watch GEOMAR 9 Katharina Müller Titration, CTD/uCTD watch AWI 11 Simona Skyraite Titration, CTD/uCTD watch VU 12 Ann Katrin Seemann Salinometer, CTD/uCTD watch CAU KIel 13 Kristin Burmeister TSG, CTD/uCTD watch CAU KIel 14 Josefine Herrford Salinometer, CTD/uCTD watch CAU KIel 15 Name tbc Bird Watch CWSE 16 Tilo Klenz ADCP, CTD/uCTD watch GEOMAR 17 Sven Ober Verankerungen / Mooring NIOZ 18 Marcel Bakker Verankerungen / Mooring NIOZ

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Fahrt / Leg MSM 41/1

Name Task Institution 1 Gerhard Bohrmann Fahrtleiter / Chief scientist MARUM 2 Ines Dumke Seismik / Seismics GEOMAR 3 Matthias Haeckel Porenwasser / Pore water analysis GEOMAR 4 NN Porenwasser / Pore water analysis GEOMAR 5 Marta Torres Porenwasser / Pore water analysis OSU 6 Jeff Hsu IR-Messungen / IR imaging MARUM 7 Peter Franek Physik. Eigenschaften / Phy. properties CAGE UiT 8 Michael Riedel Physik. Eigenschaften / Phy. properties GSC 9 Tom Feseker Temperaturlanze / T-lance deployments MARUM 10 Miriam Römer Hydroakustik / Hydroacoustics MARUM 11 Patrizia Geprägs Gasanalyse / Gas analyses MARUM 12 Thomas Pape Gasanalyse / Gas analyses MARUM 13 Tim Freudenthal Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 14 Ralf Düßmann Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 15 Thorsten Klein Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 16 Ralf Rehage Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 17 Tom Leymann Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 18 Kees Noorlander Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 19 Frauke Ahrlich Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 20 Kai Kaszemeik Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 21 Anh Mai Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 22 Werner Schmidt Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM

.

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Teilnehmerliste/ Participants MERIAN MSM 40 – MSM 42

Fahrt / Cruise MSM 41/2

Name Task Institution 1 Gerhard Bohrmann Fahrtleiter / Chief scientist MARUM 2 Stefan Bünz Co-Fahrtleiter / Co-chief scientist CAGE-UiT 3 Friederike Gründger Mikrobiologie / Microbiology CAGE UiT 4 Jochen Knies Physik. Eigenschaften / Phy. properties CAGE UiT 5 Guiliana Panieri Stratigraphie / Stratigraphy CAGE UiT 6 Klaus Wallmann Porenwasser / Pore water analysis GEOMAR 7 Anke Bleyer Porenwasser / Pore water analysis GEOMAR 8 Marta Torres Porenwasser / Pore water analysis OSU 9 Jeff Hsu Sedimentology / Sediments MARUM 10 Miriam Römer Hydroakustik / Hydroacoustics MARUM 11 Patrizia Geprägs Gasanalyse / Gas analysis MARUM 12 Thomas Pape Gasanalyse / Gas analysis MARUM 13 Tim Freudenthal Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 14 Markus Bergenthal Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 15 Adrian Stachowski Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 16 Ralf Rehage Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 17 Tom Leymann Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 18 Kees Noorlander Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 19 Uwe Rosiak Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 20 Anh Mai Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 21 NN Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM 22 Jürgen Hohnberg Gerätetechnik MeBo / MeBo Technology MARUM

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Fahrt / Cruise MSM 42 1. Colin Devey Fahrtleiter / Chief Scientist GEOMAR

2. Isobel Yeo Volcanology GEOMAR

3. Sven Petersen Hydrothermalism GEOMAR

4. Nico Augustin Bathymetry GEOMAR

5. Tom Kwasnitschka Photogrammetry GEOMAR

6. Marcel Rothenbeck AUV Tech. GEOMAR

7. Anja Steinführer AUV Tech. GEOMAR

8. Lars Triebe AUV Tech. GEOMAR

9. NN AUV Tech. GEOMAR

10. Bramley Murton Petrology NOC

11. Dominik Pałgan Hydrothermalism GEOMAR

12. Hannah Grant Marine Resources GEOMAR

13. Ármann Höskuldsson Volcanology UI

14. Friedrich Abegg ROV Tech. GEOMAR

15. Martin Pieper ROV Tech. GEOMAR

16. Hannes Huusmann ROV Tech. GEOMAR

17. Arne Meier ROV Tech. GEOMAR

18. Patrick Cuno ROV Tech. GEOMAR

19. Inken Suck ROV Tech. GEOMAR

20. Matthias Bodendorfer ROV Tech. GEOMAR

21. Jan Hennke ROV Tech. GEOMAR

22. Erlendsson, Ögmundur Observor/guest Scientist ISOR Iceland

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Besatzung / Crew MSM 40

Dienstgrad / Rank Name, Vorname / Name, first name Kapitän / Master Maaß, Björn Ltd. Naut. Offizier / Ch. Off. Stegmaier, Eberhard Erster Naut. Offizier / 1st Off. Dugge, Heike Zweiter Naut. Offizier / 2nd Off. NN Leit. Ing. / Ch. Eng. Ogrodnik, Thomas II. Techn. Offizier / 2nd Eng Boy, Manfred III. Techn. Offizier / 3rd Eng Hillerns, David Elektriker / Electrician Schmidt, Hendrik Elektroniker / Electro Eng. Pregler, Hermann System Operator / System- Manager Maggiulli, Michael Motorenwärter / Motorman Lorenzen, Olaf Deckschlosser / Fitter Wiechert, Olaf Bootsmann / Bosun Plink, Sebastian Schiffsmechaniker / SM Ledwig, Christian Schiffsmechaniker / SM Wolff, Andreas Schiffsmechaniker / SM Siefken, Tobias Schiffsmechaniker / SM Grunert, Holger Schiffsmechaniker / SM Peschkers, Peter Schiffsmechaniker / SM Vredenborg, Enno Schiffsmechaniker / SM NN Koch / Ch. Cook Arndt, Waldemar Kochsmaat / Cook’s Ass. NN 1. Steward / Ch. Steward Seidel, Iris Schiffsarzt / Ship's Doctor Müller, Reinhard

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Dienstgrad / Rank Name, Vorname / Name, first name Kapitän / Master Maaß, Björn Ltd. Naut. Offizier / Ch. Off. Stegmaier, Eberhard Erster Naut. Offizier / 1st Off. Wichmann, Gent Zweiter Naut. Offizier / 2nd Off. NN Leit. Ing. / Ch. Eng. Ogrodnik, Thomas II. Techn. Offizier / 2nd Eng Boy, Manfred III. Techn. Offizier / 3rd Eng NN Elektriker / Electrician Schmidt, Hendrik Elektroniker / Electro Eng. Pregler, Hermann System Operator / System- Manager Maggiulli, Michael Motorenwärter / Motorman Sauer, Jürgen Deckschlosser / Fitter Friesenborg, Helmut Bootsmann / Bosun Bosselmann, Norbert Schiffsmechaniker / SM Peters, Karsten Schiffsmechaniker / SM Wolff, Andreas Schiffsmechaniker / SM Siefken, Tobias Schiffsmechaniker / SM Wiechert, Olaf Schiffsmechaniker / SM Peschkers, Peter Schiffsmechaniker / SM Vredenborg, Enno Schiffsmechaniker / SM NN Koch / Ch. Cook Arndt, Waldemar Kochsmaat / Cook’s Ass. NN 1. Steward / Ch. Steward Vogt, Alexander Schiffsarzt / Ship's Doctor Dr. Wolters, Gabriele

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Dienstgrad / Rank Name, Vorname / Name, first name Kapitän / Master Schmidt, Ralf Ltd. Naut. Offizier / Ch. Off. Soßna, Yves-Michael Erster Naut. Offizier / 1st Off. Wichmann, Gent Zweiter Naut. Offizier / 2nd Off. NN Leit. Ing. / Ch. Eng. Schüler, Achim II. Techn. Offizier / 2nd Eng Hillerns, David III. Techn. Offizier / 3rd Eng Kasten, Stefan Elektriker / Electrician Wienke, Antje Elektroniker / Electro Eng. Riedel, Frank System Operator / System- Manager Reize, Emmerich Motorenwärter / Motorman Sauer, Jürgen Deckschlosser / Fitter Friesenborg, Helmut Bootsmann / Bosun Bosselmann, Norbert Schiffsmechaniker / SM Peters, Karsten Schiffsmechaniker / SM Wolff, Andreas Schiffsmechaniker / SM Grunert, Holger Schiffsmechaniker / SM Peschel, Jens Schiffsmechaniker / SM Müller, Gerhard Schiffsmechaniker / SM Vredenborg, Enno Schiffsmechaniker / SM Papke, Rene Koch / Ch. Cook Wolff, Thomas Kochsmaat / Cook’s Ass. Kroeger, Sven 1. Steward / Ch. Steward Vogt, Alexander Schiffsarzt / Ship's Doctor Schütte, Berthold

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Das Forschungsschiff / Research Vessel MARIA S. MERIAN Das Eisrandforschungsschiff "Maria S. Me-rian" ist Eigentum des Landes Mecklenburg-Vorpommern, vertreten durch das Institut für Ostseeforschung Warnemünde. Das Schiff wird als „Hilfseinrichtung der Forschung von der Deutschen Forschungs-gemeinschaft (DFG) betrieben, die dabei von einem Beirat unterstützt wird. Der Senatskommission für Ozeanographie der DFG obliegt, in Abstimmung mit der Steuerungsgruppe "Mittelgroße Forschungs-schiffe", die wissenschaftliche Fahrtplanung, sie benennt die Fahrtleiter von Expeditionen Die Kosten für den Betrieb des Schiffes, für Unterhaltung, Ausrüstung, Reparatur und Ersatzbeschaffung, sowie für das Stammper-sonal werden entsprechend den Nutzungs-verhältnissen zu 70% von DFG und zu 30% vom Bundesministerium für Bildung und Forschung getragen Die Leitstelle Deutsche Forschungsschiffe der Universität Hamburg ist für die wissen-schaftlich-technische, logistische und finan-zielle Vorbereitung, Abwicklung und Be-treuung des Schiffsbetriebes verantwortlich. Sie arbeitet einerseits mit den Fahrtleitern partnerschaftlich zusammen, andererseits ist sie Partner der Briese Schiffahrts GmbH & Co. KG.

The "Maria S. Merian", a research vessel capable of navigating the margins of the ice cap, is owned by the Federal State of Meck-lenburg-Vorpommern, represented by the Baltic Sea Research Institute Warnemünde The vessel is operated as an “Auxilary Re-search Facility” by the German Research Foundation (DFG). For this purpose DFG is assisted by an Advisary Board. The DFG Senate Commission on Oceano-graphy, in consultation with the steering committee for medium-sized vessels, is responsible for the scientific planning and coordination of expeditions as well as for appointing the chief scientists for expedi-tions. The running costs for the vessel for mainte-nance, equipment, repairs and replace-ments, and for the permanent crew are borne proportionately to usage, with 70% of the funding provided by DFG and 30% by Federal Ministry of Education and Re-search. The Operations Control Office for German Research Vessels at University of Hamburg is responsible for the scientific, technical, logistical and financial preparation and administration of expeditions of the research vessel as well as for supervising the opera-tion of the vessel. On one hand, it cooper-ates with the expedition coordinators on a partner-like basis and on the other hand it is the direct partner of the managing owners Briese Schiffahrts GmbH & Co. KG.

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Research Vessel

MARIA S. MERIAN

Cruise Nr. MSM 40 – MSM 42

05. 07. 2014 – 25. 10. 2014

Meridional Overturning, Gashydrates, climate related gas hydrate decomposition and the oceanic crust in the supolar and subarctic North

Atlantic

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ISSN 1862-8869


maria s. merian - ldf.uni-hamburg.de · ous underway data collection r- will be pe formed and which...

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