Die tiefenbereiche der Meere, weitaus unerforscht und oft als relativ inaktiv betrachtet, offenbaren sich zunehmend als zentrale Akteure in den biogeochemischen Kreisläufen der Spurenelemente, die für das marine Leben und die globale Klimadynamik von großer Bedeutung sind. Im Fokus moderner Ozeanforschung steht dabei die abyssale Tiefsee, jene weiten, sauerstoffreichen Zonen unterhalb von 5.000 Metern, die den Großteil der Erdoberfläche unter Wasser bedecken und bislang nur in Ansätzen verstanden werden. Neuere Studien belegen eindrücklich, dass diese Zone keinesfalls passiv ist, sondern aktiv und nachhaltig Einfluss auf die Verteilung von Spurenelementen wie Neodym, Eisen, Mangan und weiteren Metallen sowie deren Isotopen nimmt. Diese Erkenntnisse verändern unser Verständnis der marine Chemie und der zyklischen Prozesse, die die Ozeane formen.
Trace-Elemente, darunter seltene Erden wie Neodym (Nd), sind essenziell für viele Meeresorganismen und fungieren als wertvolle Tracer, um Meeresströmungen, biogeochemische Kreisläufe und historische Klimazonen zu rekonstruieren. Die bisher dominierende Annahme im Fachgebiet war, dass vor allem Prozesse in der Wassersäule und die reversible Anlagerung von Spurenelementen an biologische Partikel deren Verteilung kontrollieren. Kurzum, Partikel im Wasser nehmen diese Elemente auf und geben sie wieder frei, wodurch sie in einem ständigen Fluss zwischen gebundenem und gelöstem Zustand zirkulieren. Diese sogenannte „top-down“-Perspektive betont die Rolle der Wassersäule als Hauptmotor für die Spurenelementdynamik. Jedoch stehen dieser Sichtweise neuerdings Befunde gegenüber, die das Augenmerk auf die Interaktion zwischen Meereswasser und Meeresboden richten.
Die „bottom-up“-Theorie hebt hervor, wie sedimentäre Prozesse an den Meeresboden-Grenzflächen eine wesentliche Rolle spielen, indem sie Spurenelemente in das Wasser rezyklieren oder neu hinzufügen. Hierbei sind es besonders authigene Minerale wie Mangan- und Eisenoxide, die trotz ihrer geringen Masse eine enorme Oberfläche bieten und starke Bindungskräfte für Spurenelemente besitzen. Diese Minerale bilden sowohl in der Wassersäule als auch im Sediment eine entscheidende Adsorptionsfläche, wodurch sie maßgeblich den Fluss von Metallen wie Nd steuern. Die Kombination von Feldmessungen im zentralen Pazifik mit modernen numerischen Modellen hat gezeigt, dass die Bindungsaffinität einzelner Spurenelemente erheblich von der Art der Partikel abhängt. Neodym beispielsweise hat eine besonders hohe Affinität zu Manganoxiden, weit höher als zu biogenem organischem Material oder lithogenen Partikeln.
Bemerkenswert ist, dass unterhalb der photischen Zone die Masse der Mn-Oxidpartikel weniger als ein Prozent der Partikelmasse ausmacht, diese jedoch zwischen 50 und 90 Prozent der an Nd gebundenen Spurenelemente tragen. Dies zeigt, dass Mn-Oxide als dominierende Träger für die scavenging Prozesse im tiefen Ozean fungieren. Im sedimentären Milieu führt dieses scavenging der Elemente zu bedeutenden Anreicherungen in authigenen Mineralien. Die Untersuchung von sedimentären Proben entlang verschiedener Stationen mit unterschiedlichen Umweltbedingungen bestätigt, dass biogener Partikelanteil kaum Einfluss auf die Seltenen-Erden-Verteilung hat. Der Großteil der Nd-Anteile sitzt in oxidischen, authigenen Mineralen, deren Verhältnis von Mn zu Fe weit über dem der kontinentalen Kruste liegt und somit die Verschiebung der Spurenelemente zugunsten von Mn-Oxiden illustriert.
Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Oxidation der abyssalen Sedimente unter sauerstoffreichen Bedingungen, die als oxische Diagenese bezeichnet wird. Dieser Prozess setzt im Sediment gebundene Elemente wieder frei in das pore-wasser, was zu einem diffusen Fluss von Spurenelementen zurück ins überlagernde Meerwasser führt. Dabei spielen chemische Veränderungen wie pH-Abfall und die Bildung organischer Komplexe eine Rolle, die das Adsorptionsgleichgewicht aufbrechen und eine Desorption begünstigen. Modelle, die diese Prozesse abbilden, können die beobachteten Konzentrationsprofile im Pore-Wasser der Tiefsedimente gut reproduzieren und zeigen, dass etwa fünf Prozent des gesunkenen Nd-Partikelflusses durch Diagenese wieder dem Wasser zurückgeführt wird. Räumlich betrachtet hat der abyssale Bereich durch seine enorme Fläche im Verhältnis zum Wasserraum einen unverhältnismäßig großen Einfluss.
Obwohl die Flussraten von Spurenelementen pro Flächeneinheit im Kontinentalrand oft höher sind, dominiert die abyssale Tiefsee den geochemischen Austausch aufgrund ihrer schieren Ausdehnung. Hinzu kommt, dass die Tiefsee durch die Wechselwirkung von inneren Gezeiten und Topografie eine verstärkte turbulente Mischung aufweist. Diese bottom-intensivierte Diapyknalvermischung sorgt für einen verstärkten vertikalen Transport im Wasser und verbreitet lokal ausgehende Spurenelement-Flüsse über mehrere Kilometer in die Wassersäule. Interessanterweise zeigt das Modell, dass ohne Einbindung eines benthischen Flusses der Neodym-Konzentrationsverlauf nicht zufriedenstellend erklärt werden kann. Die Konzentration steigt mit der Wassertiefe, was weder allein durch reversible Bindungsprozesse noch durch biogene Partikelregen erklärt werden kann.
Erst wenn die sedimentären Quellen mit einbezogen werden – insbesondere jene, die aus oxischer Diagenese und mariner Silikat-Verwitterung herrühren – lässt sich die beobachtete nahezu lineare Zunahme von Nd im Tiefwasser nachvollziehen. Darüber hinaus wird klar, dass die Signatur der Nd-Isotope nicht nur durch Oberflächenquellen bestimmt wird, sondern auch durch einen kontinuierlichen Zutritt aus dem Sediment. Traditionell galt εNd als konservativer Tracer zum Studium von Wassermassen, basierend auf der Annahme, dass neue Quellen nur an der Oberfläche existieren. Neuere Daten belegen jedoch, dass die abyssale Tiefsee diese Signatur im Verlauf der Wasserreise verändert und somit ein reaktiver Grenzbereich ist, der einen signifikanten Einfluss ausübt. Die benthische Flusskomponente lässt sich in zwei Hauptanteile gliedern.
Zum einen gibt es den recycelten Fluss, bei dem Nd, das zuvor aus der Wassersäule scavenged wurde, durch Diagenese wieder zurückgeführt wird. Zum anderen tritt ein „neuer“ Anteil auf, der durch marine Verwitterung von vulkanischem Gestein in den Sedimenten entsteht und eine deutlich andersartige isotopische Signatur aufweist. Modellrechnungen zeigen, dass ohne diesen neuen Quellanteil die beobachtete zunehmende Radiogenität der Nd-Isotope im pazifischen Tiefwasser nicht erklärt werden kann. Die angeschlossene Zufuhr von Vulkanmaterialien aus der sogenannten „Ring of Fire“-Region ergibt ein besseres quantitative Verständnis der Daten. Die Modellierung verdeutlicht auch, dass die Verteilung dieses neuen Quellsignals nicht nur auf Kontinentalränder beschränkt ist, sondern insbesondere im abyssalen gesamten Ozean stattfindet.
Zusammengefasst lässt sich ein vernetztes biogeochemisches Framework skizzieren, das Bottom-Up-Prozesse, wie sedimentäre Umwandlungen und Topografie-geprägte turbulente Mischungen, mit Top-Down-Prozessen, vor allem biologisch bedingtem Partikelregen und -remineralisation, verbindet. Die unterschiedliche Affinität von Spurenelementen zu den verschiedenen Partikelarten bestimmt dabei maßgeblich, welcher Weg dominiert. Elemente mit hoher Affinität zu Mn-Oxiden durchlaufen verstärkt den bottom-up-Zyklus, während andere stärker durch biologische Komponenten gesteuert werden. Diese Erkenntnisse haben weitreichende Implikationen für die Nutzung von Spurenelementen und deren Isotopen als Ozean-Tracer und Klimaindikatoren. Die bisherige Annahme konservativer Verteilungen muss unter Berücksichtigung benthischer Imprint-Prozesse korrigiert werden.
Darüber hinaus birgt die Erkenntnis der marinen Silikatverwitterung auf dem Meeresboden neue Ansätze zur Bewertung des globalen Kohlenstoffkreislaufs und erweiterte Sichtweisen auf die Rolle der Tiefsee in geochemischen Pufferwirkungen. Ferner erhält damit die Bedeutung hydrothermaler Quellen und der Ozeanböden eine neue Dimension, indem sie nicht nur als isolierte geografische Features, sondern als integrale Bestandteile der globalen Spurenelementdynamik verstanden werden. Die Variabilität in der Verteilung und den Mengen von Mn-Oxiden etwa moduliert, neben anderen Faktoren, maßgeblich den Gehalt und Transport vieler wichtiger Spurenelemente, was tiefe Einblicke in die marine Chemie über große Skalen ermöglicht. Hinzukommt schließlich das Verständnis, dass die physikalische Geometrie des Meeresbodens durch ihre Auswirkungen auf die Turbulenzströmungen und den Mischungsgrad ein entscheidender Faktor in biogeochemischen Kreisläufen ist. Die Variation in der Meeresboden-Topografie wirkt als Steuergröße im Zusammenwirken mit biogeochemischen Prozessen und definiert somit wesentlich das Verteilungsmuster der Spurenelemente in der Tiefe.
Abschließend hebt diese umfassende Forschung das abyssale Meeresbodengebiet von einem bislang unterschätzten Randbereich zu einem Schlüsselmechanismus im globalen Kreislauf der Spurenelemente und Isotope empor. Das Zusammenspiel von Sediment-Prozessen, Partikelbindung und vertikaler Vermischung definiert die Dynamik vieler Elemente fundamental und sollte in zukünftigen ozeanographischen Modellen, ebenso wie in Paleo-Rekonstruktionen, zentral berücksichtigt werden. Nur durch das tiefergehende Verständnis der benthischen Prozesse in der Tiefsee kann die Rolle des Ozeans im Erdklimasystem vollständig erfasst und prognostiziert werden.
