ERASE - Untersuchung der Erosionsanfäl­ligkeit des Tiefseebodens im Zusammenhang mit dem Tiefseebergbau im Lizenzgebiet für Mangan-Knollen im Nordostpazifik

Inhaltsverzeichnis

1. 1. Projektbeschreibung
   2. Die Wissenschaft: Resuspendieren oder belassen?
   3. Unsere Herangehensweise
   4. Projektziele
   5. Projektteam & Finanzierung

Finanziert durch die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR).
Projektlaufzeit: Januar–Dezember 2024.

Projektbeschreibung

ERASE untersucht die Erodibilität und die Resuspension von frisch abgelagertem Tiefseesedimenten im deutschen Explorationsgebiet der BGR für polymetallische Knollen innerhalb der Clarion-Clipperton-Bruchzone im nordöstlichen Pazifik. Die BGR erhebt dort im Rahmen ihrer Vereinbarung mit der Internationalen Meeresbodenbehörde geologische und umweltbezogene Referenzdaten. ERASE kombiniert Experimente und numerische Simulationen, um zu ermitteln, wie Strömungen in Bodennähe, Sedimenteigenschaften und die Meeresbodentopografie die Remobilisierung nach durch den Tiefseebergbau verursachten Ablagerungen beeinflussen. Die daraus gewonnenen Daten liefern eine Grundlage für Schätzungen zum Sedimenttransport, zur Wiederablagerung und zur ökologischen Belastung und stärken damit die Umweltverträglichkeitsprüfungen für einen möglichen Abbau von Manganknollen.

Die Wissenschaft: Resuspendieren oder belassen?

Das Problem

Der Abbau von Manganknollen stört den Meeresboden und setzt Feinsedimente frei, die Trübungswolken bilden. Tiefseeströmungen transportieren diese Schwebeteilchen vom Abbaubereich weg, bevor sie sich wieder absetzen. Frische Ablagerungen können Knollenfelder und benthische Organismen bedecken, doch deren langfristigen Auswirkungen sind ungewiss. Je nach Sedimenteigenschaften, Strömungsgeschwindigkeit in Bodennähe, Turbulenz und Rauheit des Meeresbodens kann das Material an Ort und Stelle verbleiben oder in eine sekundäre Sedimentfahne resuspendiert werden. Zuverlässige Umweltprognosen erfordern daher die Kenntnis der kritischen hydraulischen Bedingungen für Erosion sowie der räumlichen Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit und Sohlschubspannung über realistische Tiefseetopografien.

Ursprünglicher Meeresboden vs. mit Sediment bedeckter Meeresboden

Zwei ungestörte Meeresbodenproben mit polymetallischen Knollen, die während der SO-262-Expedition im Jahr 2018 entnommen wurden, wurden erneut beprobt und in vier dreidimensionale Meeresbodentopografien umgewandelt. KG-172 und KG-173 wurden sowohl in ihrem ursprünglichen, mit Knollen bedeckten Zustand als auch als mit Sediment bedeckte Oberflächen dargestellt, die die Bedingungen nach der Ablagerung widerspiegeln. Diese gepaarte Geometrie verdeutlicht, wie eine Sedimentdecke das Relief des Meeresbodens glättet, Knollen bedeckt und die Strömung in Bodennähe verändert. Die rekonstruierten Oberflächen bieten eine gemeinsame Grundlage für den Vergleich von Erosionsversuchen und CFD-Simulationen unter gleichwertigen hydraulischen Bedingungen.

Unsere Herangehensweise

ERASE kombiniert kontrollierte Erosionsversuche mit CFD-Simulationen, die an rekonstruierten Geometrien des Tiefseebodens durchgeführt werden.

Experimentelle Untersuchungen zur Erosionsanfälligkeit

Frisch abgelagerte Tiefseesedimentschichten werden einer kontrollierten hydraulischen Belastung ausgesetzt. Die Experimente ermitteln, wann sich die Partikel zu bewegen beginnen und wie sich die Resuspension mit zunehmender Strömungsstärke entwickelt. Durch den Vergleich von Konfigurationen mit und ohne Sedimentbedeckung lässt sich der Einfluss der Sedimentbedeckung und der Rauheit des Manganknollenfeldes auf die Erosion quantifizieren.

CFD-Berechnungsgebiet und Randbedingungen

Die dreidimensionalen Scans werden als untere Begrenzung eines numerischen Strömungsgebiets einbezogen. Das numerische Gitter bildet das gemessene Relief ab, während vorgegebene zyklischen Randbedingungen, eine scherfreie obere Begrenzung und seitliche Haftbedingungen die hydraulischen Bedingungen nachbilden, die erforderlich sind, um die turbulente Strömung über dem Meeresboden experimentell abzubilden.

Vorhersage des Geschwindigkeitsprofils

Für jede vorgegebene Einströmgeschwindigkeit sagt das CFD-Modell das dreidimensionale turbulente Geschwindigkeitsfeld voraus und ermittelt vertikale Geschwindigkeitsprofile über dem unregelmäßigen Meeresboden. Die Simulationen zeigen, wie Knollen, Sedimentabdeckungen und das lokale Relief die Strömung beschleunigen oder abschirmen. Der Zusammenhang zwischen der Einströmgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit in Bodennähe sowie der Bodenscherbeanspruchung liefert die hydraulische Grundlage für die Vorhersage, wo frisch abgelagertes Sediment wieder aufgewirbelt werden kann.

Integration von Experiment und Modell

Die berechneten Geschwindigkeits- und Scherungsverteilungen werden anhand des experimentell ermittelten Erosionsverhaltens ausgewertet. Durch ihre Kombination werden die gemessenen Resuspensionsschwellenwerte mit räumlich aufgelösten Strömungsbedingungen verknüpft, was eine Übertragung der Laborbeobachtungen auf Strömungsszenarien in der Tiefsee ermöglicht.

Projektziele

• Quantifizierung der Erosionsanfälligkeit und Resuspension von frisch abgelagertem Tiefseesediment bei zunehmender Strömung in Bodennähe.
• Ermittlung, wie die Topografie auf Knollenniveau und die Sedimentbedeckung die turbulenten Geschwindigkeitsprofile und die Scherspannung am Meeresboden beeinflussen.
• Kombination von Experimenten und CFD zur Vorhersage von Erosionsschwellenwerten und zur Unterstützung der Umweltverträglichkeitsprüfung im deutschen CCZ-Lizenzgebiet.

Projektteam & Finanzierung

Projektleiter

• Prof. Dr.-Ing. Bernhard Vowinckel (TU Dresden)
• Prof. Dr. Jochen Aberle (TU Braunschweig)

Wissenschaftliche Koordination und Betreuung der Sedimentresuspensionsversuche, der hydraulischen Analyse, der CFD-Modellierung sowie der umweltbezogenen Anwendung des Projekts.

Leitende wissenschaftliche Mitarbeiter

• Dr.-Ing. Fabian Kleischmann
• Veronika Saiz M. Sc.

Leitende Forscher, die für Versuchskampagnen, CFD-Simulationen, die Umsetzung von Methoden, die quantitative Datenanalyse und die Modellierung verantwortlich sind.

Partnereinrichtungen

• Professur für Transportprozesse in Hydrosystemen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft, TU Dresden
• Fachbereich Wasserbau und Flussmorphologie, Leichtweiß-Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, TU Braunschweig

Förderung

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)

Die Projektinformationen und Daten wurden vom ERASE-Projektteam bereitgestellt.