Abtauchen ins Teufelsloch – Geologen auf Tauchexpedition im Devils Hole

Unter dem Tal des Todes im Südwesten der USA liegt ein Juwel verborgen – jedenfalls für Klimaforscher und Geologen. Denn in den teilweise überfluteten Kammern des Devils Hole verbirgt sich ein einzigartiges und nahezu lückenloses Archiv der vergangenen Klimaentwicklung. Um diese Daten zu bergen, haben sich Forscher in die gefährliche Unterwasserwelt dieser Höhle vorgewagt.

Das Devils Hole liegt im Death Valley – und damit in einer der lebensfeindlichsten Wüsten der Welt. Doch im Untergrund verborgen gibt es dort Wasser: Über kleine Öffnungen im Fels gelangt man in ein ausgedehntes System von Höhlen, die Teil eines fossilen Wasserreservoirs sind. Das Spannende daran: An den Höhlenwänden des “Teufelslochs” haben sich Ablagerungen gebildet, die wertvolle Informationen über das vergangene Klima in sich bergen.

Um sie zu erforschen, ist ein Geologen-Team der Universität Innsbruck in das Devils Hole abgetaucht und hat dort unter schwierigsten Bedingungen sogar Bohrproben entnommen. Ein echtes Abenteuer in einer faszinierenden unterirdischen Welt.

Tropfsteine, Kalzit und Co
Warum Höhlen zu Klimaarchiven werden können
“Höhlen gehören neben dem Eis in Polarregionen zu den wichtigsten Klimaarchiven, die es gibt. Die Erdoberfläche ist Verwitterung und Erosion ausgesetzt und verändert sich ständig. In Höhlen aber bleiben Spuren der Vergangenheit bestens konserviert, in manchen Fällen über viele hunderttausend Jahre”, erklärt Yuri Dublyansky von der Universität Innsbruck.

Der Geologe Yuri Dublyansky erforscht die Ablagerungen in Höhlen und die darin gespeicherten Klimainformationen.

Der Geologe Yuri Dublyansky erforscht die Ablagerungen in Höhlen und die darin gespeicherten Klimainformationen.

Zu Stein gewordener Niederschlag
Der Geologe widmet sich bereits seine gesamte wissenschaftliche Karriere lang den Höhlen und ihren Ablagerungen – den Speläothemen. Die bekanntesten unter diesen Höhlenmineralen sind Tropfsteine, die als Stalagmiten vom Boden nach oben wachsen oder als Stalaktiten von der Höhlendecke hängen. Sie entstehen, wenn Wasser – etwa Regenwasser – von der Oberfläche durch den Boden sickert und auf diesem Weg den Kalk, genauer gesagt das Mineral Kalzit, aus dem Gestein löst.

“Genau in dem Moment, in dem der erste Tropfen in die Höhle gelangt, beginnt die Aufzeichnung des Klimakalenders: Jahr um Jahr bilden sich hauchdünne Kalkschichten, die uns Rückschlüsse darauf ermöglichen, wie das Klima in vergangenen Zeiten war”, erklärt Dublyansky. “Das ist gewissermaßen zu Stein gewordener Niederschlag.”

Isotopen als Zeitzeugen
Informationen über die früheren klimatischen Bedingungen lassen sich unter anderem aus dem Verhältnis zwischen dem leichten und schweren Isotop von Sauerstoff ablesen. Dieses chemische Element ist Bestandteil des Minerals Kalzit, das sich aus Niederschlagswasser bildet und so Informationen über das Klima in den Untergrund transportiert. Mithilfe von physikalischen Methoden, wie etwa der Thorium-Uran-Methode, können Forscher diese Klimadaten zeitlich genau datieren – und das hunderttausende Jahre zurück in die Vergangenheit.

Um an die Kalzitproben zu kommen, müssen die Geologen einige Gefahren und Unanehmlichkeiten in Kauf nehmen.

Um an die Kalzitproben zu kommen, müssen die Geologen einige Gefahren und Unanehmlichkeiten in Kauf nehmen.

Diese Methode kommt auch im aktuellen Projekt zum Einsatz. Was Yuri Dublyansky, Gina Moseley, Kathleen Wendt und Christoph Spötl von der Arbeitsgruppe für Quartärforschung der Universität Innsbruck Anfang Februar 2017 ins Death Valley führte, waren aber nicht Tropfsteine. Denn die gibt es im Devils Hole bezeichnenderweise gar nicht – dafür aber eine noch spannendere Quelle.

“Tropfsteine haben nämlich einen Nachteil: Wenn das Klima trockener wird, hören sie mitunter auf zu wachsen – und der Klimakalender wird lückenhaft”, erklärt Dublyansky. “Ganz anders ist die Situation im Devils Hole.” Denn in diesem Höhlensystem unter der lebensfeindlichen Wüste Nevadas ist das Klimaarchiv nahezu lückenlos – dank besonderer Ablagerungen…

Geschmeidige Wände
Warum das Devils Hole besonders ist
Devils Hole liegt in einer auf den ersten Blick wasserlosen Gegend: dem Death Valley – einem der heißesten und trockensten Orte der Erde. Doch unter der kargen Wüstenlandschaft verbirgt sich ein ausgedehntes, tief hinabreichendes System von engen Gängen und Kammern, in denen teilweise fossiles Grundwasser strömt. Diese Felskluft ermöglicht einen Blick in das weitläufige unterirdische Wasserreservoir.

blick auf den Eingang zur Haupthöhle von Devils Hole: Es ist kaum mehr als ein Felsspalt.

blick auf den Eingang zur Haupthöhle von Devils Hole: Es ist kaum mehr als ein Felsspalt.

Die Haupthöhle von Devils Hole verrät sich nur durch ein kleines, rechteckiges Wasserbecken zwischen fast senkrecht aufragenden Felswänden. Doch diese Höhle ist heute nicht mehr zugänglich, da im dortigen Wasserbecken der kleine Teufelskärpfling (Devils Hole pupfish) lebt: Die weltweit einzige Population dieser kleinen Fischart zählt nur etwa 100 Individuen, steht unter strengstem Naturschutz und darf nicht gestört werden. Im Jahr 2015 allerdings erkundete ein Tauchteam im Auftrag des National Park Service zumindest einen Teil der Unterwasserwelt dieser Höhle.

“Ein kleines Juwel der Klimaforschung”
Schon länger bekannt ist, dass die Felswände der Devils Hole-Höhle mit einer durchgehenden Kalzitschicht überzogen sind, die an manchen Stellen mehr als einen Meter dick ist. “Der Entstehung dieser besonderen Speläotheme liegt das gleiche Prinzip zu Grunde wie bei Tropfsteinen”, erklärt der Geologe Yuri Dublyansky. Allerdings ist es hier nicht das Tropfwasser, sondern ganz langsam fließendes Grundwasser, das die Materialausscheidung verursacht.

Kalzitablagerungen an den Wänden des Devils Hole

Kalzitablagerungen an den Wänden des Devils Hole

“Das Grundwasser in dieser Wüstenregion ist leicht übersättigt an Kalzit, der sehr langsam auskristallisiert und sich Schicht für Schicht an die Felswände ablagert”, so der Forscher. Das Besondere: Dieser Prozess erfolgt seit mehr als einer Million Jahre – und zwar durchgehend. “Deshalb ist das Devils Hole ein kleines Juwel für die Klimaforschung. Eine solche nahezu lückenlose Dokumentation der chemischen Zusammensetzung des Grundwassers in diesem Ausmaß ist weltweit einzigartig”, sagt der Geologe.

Schon seit 2010 wird die Höhle Devils Hole 2 von dem Geologen-Team aus Innsbruck untersucht. Das Devils Hole Nummer 2 ist eine zweite Höhle auf dem Gelände, etwa 200 Meter entfernt von der Haupthöhle. Seit 2014 steht es außerdem im Mittelpunkt eines vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung Österreich (FWF) geförderten Projekts unter der Leitung von Christoph Spötl.

Ein Bohrer, der atmet
Wie man Bohrkerne unter Wasser entnimmt
Das Devils Hole 2 besteht aus einer oberen und einer unteren Kammer und reicht bis zu 150 Meter in die Tiefe. Die Höhle verläuft beinahe vertikal und ist sehr eng. Dennoch ist es dem Team aus Innsbruck gelungen, mit einem speziellen Bohrgerät in der gesamten Höhle Proben aus den Kalzitablagerungen zu entnehmen – ober- und unterhalb des Grundwasserspiegels.

Entnahme von Bohrproben aus einer Höhlenwand - hier noch über Wasser.

Entnahme von Bohrproben aus einer Höhlenwand – hier noch über Wasser.

Bohren unter dem Wasserspiegel
Das Innsbrucker Team hat viel Erfahrung im Beproben von Speläothemen auf der ganzen Welt – allerdings in einem meist trockenen Umfeld. Das Devils Hole 2 brachte hier eine neue Herausforderung mit sich: Bereits vor einigen Jahren fassten Yuri Dublyansky und Christoph Spötl den Entschluss, in dieser Höhle auch unterhalb des Wasserspiegels Bohrkerne zu entnehmen.

“Wir wollen anhand der Proben das Klima so weit wie möglich zurück rekonstruieren, dazu zählt auch die Entwicklung des Grundwasserspiegels”, so der Geologe. “Dazu benötigen wir Proben von mehreren Stellen in der Höhle, die sich zum Teil auch unter dem Wasser befinden.” Daher benötigten die Geologen spezielle Adaptionen für ihren Bohrer, damit dieser auch unter Wasser einsatzfähig ist.

Bohrer Marke Eigenbau
“Da es diese Technik nicht zu kaufen gibt, mussten wir sie selbst konstruieren”, erzählt Dublyansky. Ein Spezialist in Deutschland fertigte zunächst einen maßgeschneiderten Neoprenanzug für die Bohrmaschine an. “Wir entwarfen zudem einen speziellen Plastikaufsatz, der in 3D-Druck angefertigt wurde, um Wasser vor dem Eindringen in die Bohrmaschine zu hindern”, erklärt der Forscher.

Um aus den Kalzitablagerungen Proben entnehmen zu können, arbeiten die Geologinnen und Geologen mit einem leistungsstarken Bohrer, mit dem zylindrische Kerne von 2,5 Zentimeter Durchmesser gewonnen werden können. Bei dieser Tätigkeit ist Ausdauer gefragt: “Man muss sehr behutsam vorgehen, um die Bohrkerne nicht abzubrechen”, erklärt Dublyansky. “Für 50 Zentimeter benötigen wir etwa 2,5 Stunden.”

Test der selbstgebauten Unterwasser-Bohrmaschine im Achensee.

Test der selbstgebauten Unterwasser-Bohrmaschine im Achensee.

Bevor die Spezialanfertigung dann in den USA zum Einsatz kam, führten Dublyansky und Spötl Tests durch, unter anderem im Achensee in Tirol. Die Tests des Bohrers verliefen positiv – dem Tauchgang und Entnehmen von Bohrproben im Devils Hole 2 stand nun nichts mehr im Wege.

Ab in die Tiefe
Tauchgang im Devils Hole 2
Anfang Februar 2017 machten sich die Forscher auf den Weg nach Nevada, um gemeinsam mit einem Team von der University of Minnesota zwei Wochen lang verschiedene Untersuchungen in Devils Hole 2 durchzuführen. Begleitet wurden sie bei ihrer Arbeit neben weiteren Höhlentauchern von dem professionellen Höhlenfotografen Robbie Shone.

16 Bohrkerne wurden bisher im Devils Hole 2 entnommen, zwei davon unter Wasser.

16 Bohrkerne wurden bisher im Devils Hole 2 entnommen, zwei davon unter Wasser.

Luftschlauch statt Pressluftflasche
Yuri Dublyansky entnahm zwei Bohrkerne tauchend: Dazu wurde er nicht über Pressluftflaschen, sondern über einen langen Schlauch mit Luft versorgt, der an einem Kompressor angeschlossen war. “Um mit einer klassischen Tauchausrüstung in Höhlen tauchen zu dürfen, wäre aufgrund der gefährlichen Umstände eine spezielle zusätzliche Zertifizierung nötig”, sagt der Geologe.

Der Luftschlauch nahm nicht nur weniger Platz weg als herkömmliche Pressluftflaschen, Dubylansky konnte dadurch auch etwa vier Stunden am Stück unter Wasser bleiben – und de Zeit für die schwierige Entnahme der Bohrproben nutzen. “Das Wasser hat eine Temperatur von etwa 34 Grad, hat also eine angenehme Wärme, um zu arbeiten”, berichtet er.

Wenig Platz: Im Devils Hole ist es sehr eng - hier Taucher bei einem früheren Tauchgang in der Haupthöhle.

Wenig Platz: Im Devils Hole ist es sehr eng – hier Taucher bei einem früheren Tauchgang in der Haupthöhle.

Schwankendes Grundwasser
Bei ihren Tauchgängen konnten Innsbrucker Forscherinnen und Forscher auch die vergangenen Schwankungen des Grundwasserkörpers näher untersuchen. Die Messergebnisse zeigen, dass beispielsweise der Wasserspiegel vor 20.000 Jahren noch rund neun Meter höher war. Das Forscherteam kann so Trocken- und Feuchtphasen in diesem Teil Nordamerikas rekonstruieren – und damit auch ein klareres Bild der Klimageschichte zeichnen.

Dies stellt eine wichtige historische Datengrundlage für den Südwesten der USA dar, der immer wieder von Dürren heimgesucht wird. “Viele Aspekte der Entwicklung des Klimas in den letzten hunderttausenden von Jahren sind noch nicht bis ins Detail untersucht und verstanden. Um zukünftige klimatische Änderungen besser abschätzen zu können, müssen wir so genau wie möglich in die Vergangenheit blicken. Die Kalzitablagerungen des Devils Hole ermöglichen uns das”, sagt Dublyansky.

Reiche Beute
Die Analyse der Proben
Zurück in Innsbruck geht es nun an eine umfassende Untersuchung und Datierung der Bohrkerne, die die Geologen im Handgepäck mit großer Vorsicht und Behutsamkeit nach Tirol transportiert haben.

Die aufgeschnittenen Bohrkerne aus Devils Hole im Labor

Die aufgeschnittenen Bohrkerne aus Devils Hole im Labor

Kleinste Probenmengen reichen
Für die Analyse werden die zylindrischen Bohrkerne zunächst in der Mitte auseinander geschnitten und anpoliert. “Aus diesen Hälften entnehmen wir mit einem feinen, computergesteuerten Bohrer kleinste Mengen der Ablagerungen und bestimmen mithilfe der Thorium-Uran-Datierung ihr geologisches Alter”, erklärt Yuri Dublyansky.

“Unsere ältesten Proben liegen im Moment bei etwa 750.000 Jahren. Wir versuchen dieses Zeitlimit in der Datierung aber noch weiter nach hinten zu erweitern”, berichtet der Geologe. “Kalzit wächst in Devils Hole extrem langsam, nur etwas weniger als ein Tausendstel Millimeter in einem Jahr. Manche unserer Bohrkerne sind über einen Meter lang. Eine Rückdatierung und Analyse eine Million Jahre zurück ist also im Bereich des Machbaren. Daran arbeiten wir gerade.”

Kleinste Mengen Material aus den Bohrkernen genügen für die Analysen.

Kleinste Mengen Material aus den Bohrkernen genügen für die Analysen.

Schnee im Sommer
Für Yuri Dublyansky spielen Höhlen und ihre Besonderheiten schon seit Kindestagen eine wichtige Rolle. Als Sohn des bekannten russischen Höhlenforschers Viktor Dublyansky kam der Geologe sehr früh mit dem Thema und der Faszination für Höhlen in Berührung. “Meine frühesten Erinnerungen reichen bis ins Kleinkindalter zurück: Als ich etwa drei Jahre alt war, nahm mich mein Vater erstmals in eine Höhle mit.”, erzählt Dublyansky. “Wir lebten auf der Krim, wo es sehr viele Höhlen gibt.”

“Da es dort eher warm ist, waren wir mit Schnee nicht besonders vertraut. Mein erster Höhlenbesuch fand im Sommer statt und unter dem Höhleneingang sah ich einen großen Schneehaufen”, erzählt der Geologe. “Und dieses Bild vom Schneehaufen – noch dazu im Sommer – habe ich immer noch bildlich vor mir.”

Nach mehr als 30 Jahren in der Forschung haben Höhlen für den Wissenschaftler keineswegs ihren Reiz verloren. Auch jene nicht, die er vermeintlich schon sehr gut kennt: “Man gelangt immer wieder an Orte, die man noch nie wahrgenommen hat. Jeder Quadratzentimeter einer Höhle kann interessant sein”, schildert Dublyansky seiner Erfahrungen.

Quelle: Scinexx.de

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