AG Petrologie der Ozeankruste Raum 5320 Fachbereich Geowissenschaften Universität Bremen Klagenfurter Straße 2 28359 Bremen Tel.: +49 421 218 65405 Fax: +49 421 218 65429 Email: c.hansen@uni-bremen.de

Dissertationsprojekt

Experimentelle Untersuchungen zur Lithium- und Bor-Isotopenfraktionierung im Zuge der Serpentinisierung

Ein entscheidender Anteil des wichtigen geochemischen Stoffaustausches zwischen Meerwasser, Ozeankruste und Erdmantel wird über den Prozess der Serpentinisierung gesteuert. Dabei entstehen Serpentinminerale initial durch die Hydratisierung von exhumierten Mantelperidotiten bspw. in Ozeankernkomplexen. Verschiedene Serpentinphasen werden wiederum im Kontext der Plattensubduktion unter individuell definierten Umgebungsbedingungen wieder destabilisiert und geben gebundenes Wasser an das umgebende Gestein ab, von wo aus es in den Mantelkeil migrieren und dort partielle Schmelzbildung induzieren kann. Diese Massentransferprozesse können potentiell sehr gut mit Hilfe der fluidmobilen Elemente Lithium und Bor untersucht werden. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine präzise Kenntnis der Isotopenfraktionierungskoeffizienten.

In einer Batch-Reaktor-Versuchsanordnung wird zum Zweck der Bestimmung der Fraktionierungskoeffizienten die Serpentinisierung simuliert. Detailliert charakterisierter Olivin (Pulverprobe) wird mit genau eingestelltem Fluid in einer Druck-Temperatur kontrollierten Umgebung gezielt zu Reaktion gebracht. Begleitend werden P, T, S, pH, δ¹¹B, δ⁷Li über regelmäßige Fluidbeprobung unmittelbar aus dem Reaktionsgefäß bei laufendem Versuch erfasst. Dies ermöglicht eine komplexe Betrachtung des Isotopenfraktionierungsprozesses.

Experimentelle Untersuchungen zu den fundamentalen Rückkopplungsmechanismen zwischen Permeabilität und Reaktionsumsatz während Fluid-Gesteins Wechselwirkungen

Fluid-Gesteins Wechselwirkungen spielen eine zentrale Rolle in den Geowissenschaften. Sie kontrollieren den klimakritischen Massentransfer zwischen Meerwasser und Ozeankruste und sind auch von großer Bedeutung für die angewandten Geowissenschaften da sie hydraulischen und felsmechanischen Charakteristiken entscheidend beeinflussen. Eine Vielzahl an Faktoren muss bei einer umfassenden Betrachtung berücksichtigt werden. Dies schließt unter anderem die zeitliche Variation in der Porenraumverteilung, der Permeabilität und deren Rückkopplungsbeziehung mit den entscheidenden Lösungs- und Fällungsreaktionen mit ein. Die limitierten Kenntnisse in dieser Beziehung resultieren in einem Unvermögen präzise Voraussagen zum Systemverhalten zu machen.

Im Rahmen eines DFG Koselleck-Projekts werden die vielfältigen Rückkopplungsprozesse während Fluid-Gesteins Wechselwirkungen detailliert untersucht. In einem speziell dazu konstruierten Durchflusszellenaufbau werden wahlweise Gesteinsbohrkerne (∅ 10 mm) oder Pulverproben unter definierten Druck-Temperaturbedingungen (≤ 200 bar; ≤ 250 °C) mit korrosiven oder übersättigten Lösungen beschickt. Während Zeitreihenanalysen der Fluidchemie Informationen zu thermodynamischen und kinetischen Charakteristiken liefern, kann auch die Evolution der Porenraumgeometrie über begleitende µ-CT Aufnahmen verfolgt werden. Im Anschluss an die Konstruktion der Experimentieranlage wird exemplarisch der Prozess der Anhydritpräzipitation und -verdrängung untersucht um wertvolle Kenntnisse zur Bildung von polymetallischen Sulfidlagerstätten zu gewinnen. Der umfassende Ansatz kann darüber hinaus helfen die Parametrisierung von numerischen Modellen, zur Voraussage des Verhaltens einer Vielzahl an natürlichen Systemen (u.a. Serpentinisierung; Steatitisierung; Karbonatisierung; Gipsbildung), entscheidend zu verbessern.

Wissenschaftlicher Werdegang

• 2007 - 2010: Bachelorstudium der Geowissenschaften an der Universität Bremen
  • 2010: Bachelorarbeit: Petrologische Untersuchungen an Mantel-Xenolithen aus unterkarbonischen Bombenschalsteinen der Dill-Mulde: Rekonstruktion des Alterationsprozesses anhand der Mineralchemie sekundärer Bildungen
• 2010 - 2012: Masterstudium der Geowissenschaften an der Universität Göttingen
  • 2012: Masterarbeit: Dating Mesozoic and Cenozoic methane-seep carbonates using ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-isotope ratios
• 2012 - 2016: Promotionsstudent in der Forschungsgruppe "Petrologie der Ozeankruste, Universität Bremen
  • März 2016: Dr. rer. nat. in Geowissenschaften
• 2016 - 2018: Postdoktorand am In­sti­tu­t für Che­mie und Bio­lo­gie des Meeres (ICBM), Ol­den­burg
• seit 2019: Postdoktorand am MARUM - Zentrum für Ma­ri­ne Umweltwissenschaften, Bre­men

Veröffentlichungen

• Hansen CT, Kleint C, Böhnke S, Klose L, Adam‐Beyer N, Sass K, Zitoun R, Sander SG, Indenbirken D, Dittmar T, Koschinsky A, Perner M (2022): Impact of high Fe‐concentrations on microbial community structure and dissolved organics in hydrothermal plumes: an experimental study. Scientific Reports 12:20723.
  | doi:10.1038/s41598-022-25320-0 |
• Wilckens FK, Hansen CT, Diehl A, Bach W, Kasemann SA (2022): Sources of Mg enrichments in Vent Fluids from the Kermadec Arc recorded by Li, B and Mg Isotopes. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 23(11), e2022GC010471.
  | doi:10.1029/2022GC010471 |
• Hansen CT, Lissenberg CJ, Kahl W-A, Bach W (2022): Hydrothermal troctolite alteration at 300 and 400°C – Insights from flexible Au-reaction cell batch experimental investigations. American Mineralogist 107, 1100-1115.
  | doi:10.2138/am-2021-7832 |
• Albers E, Shervais JW, Hansen CT, Ichiyama Y, Fryer P (2022): Shallow depth, substantial change: fluid-metasomatism causes major compositional modifications of subducted volcanics (Mariana forearc). Frontiers in Earth Science - Petrology 10:826312.
  | doi:10.3389/feart.2022.826312 |
• Dede B, Hansen CT, Neuholz R, Schnetger B, Kleint C, Walke S, Bach W, Amann R, Meyerdierks A (2022): Niche differentiation of sulfur-oxidizing bacteria (SUP05) in submarine hydrothermal plumes. ISME Journal.
  | doi:10.1038/s41396-022-01195-x |
• Song M, Schubotz F, Kellermann MY, Hansen CT, Bach W, Teske AP, Hinrichs K-U (2021): Formation of ethane and propane via abiotic reductive conversion of acetic acid in hydrothermal sediments. PNAS 118(47), e2005219118.
  | doi:10.1073/pnas.2005219118 |
• Geilert S, Albers E, Frick DA, Hansen CT, von Blankenburg F (2021): Systematic changes in serpentine Si isotope signatures across the Mariana forearc – a new proxy for slab dehydration processes. Earth and Planetary Science Letters 575, 117193.
  | doi:10.1016/j.epsl.2021.117193 |
• Noowong A, Gomez-Saez GV, Hansen CT, Schwarz-Schampera U, Koschinsky A, Dittmar T (2021): Imprint of Kairei and Pelagia deep-sea hydrothermal systems (Indian Ocean) on marine dissolved organic matter. Organic Geochemistry 152, 104141.
  | doi:10.1016/j.orggeochem.2020.104141 |
• Merder J, Freund JA, Feudel U, Hansen CT, Hawkes JA, Jacob B, Klaproth K, Niggemann J, Noriega-Ortega BE, Osterholz H, Rossel PE, Seidel M, Singer G, Stubbins A, Waska H, Dittmar T (2020): ICBM-OCEAN: Processing ultrahigh-resolution mass spectrometry data of complex molecular mixtures. Analytical Chemistry 92(10), 6832-6838.
  | doi:10.1021/acs.analchem.9b05659 |
• Hansen CT, Niggemann J, Giebel H-A, Simon M, Bach W, Dittmar T (2019): Biodegradability of hydrothermally altered deep-sea dissolved organic matter. Marine Chemistry 17, 103706
  | doi:10.1016/j.marchem.2019.103706 |
• Hansen CT, Meixner A, Kasemann SA, Bach W (2017): New insight on Li and B isotope fractionation during serpentinization derived from batch reaction investigations. Geochimica et Cosmochimica Acta 217, 51-79.
  | doi:10.1016/j.gca.2017.08.014 |
• Hawkes JA, Hansen CT, Goldhammer T, Bach W, Dittmar T (2016): Molecular alteration of marine dissolved organic matter under experimental hydrothermal conditions. Geochimica et Cosmochimica Acta 175, 68-85.
  | doi:10.1016/j.gca.2015.11.025 |
• Kahl W-A, Hansen CT, Bach W (2016): A new X-ray-transparent flow-through reaction cell for a μ-CT-based concomitant surveillance of the reaction progress of hydrothermal mineral–fluid interactions. Solid Earth 7, 651-658.
  | doi:10.5194/se-7-651-2016 |
• Hawkes JA, Rossel PE, Stubbins A, Butterfield D, Connely DP, Achterberg EP, Koschinsky A, Chavagnac V, Hansen CT, Bach W, Dittmer T (2015): Efficient removal of recalcitrant deep-ocean dissolved organic matter during hydrothermal circulation. Nature Geoscience 8(11), 856-860.
  | doi:10.1038/ngeo2543 |
• Kiel S, Hansen C, Nitzsche KN, Hansen BT (2014): Using ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios to date fossil methane seep deposits: Methodological requirements and an example from the Great Valley Group, California. J. Geol., 122(4), 353-366.
  | doi:10.1086/676594 |
• Brandmeier M, Erasmi S, Hansen C, Höweling A, Nitzsche K, Ohlendorf T, Mamani M, Wörner G (2013): Mapping patterns of mineral alteration in volcanic terrains using ASTER data and field spectrometry in Southern Peru. J. South Am. Earth Sci., 48, 296-314.
  | doi:10.1016/j.jsames.2013.09.011 |

Konferenzbeiträge

• Hansen CT, Kleint C, Böhnke S, Klose L, Adam N, Sass K, Perner M, Dittmar T and Koschinsky A (2021): The impact of variable Fe concentrations on Fe-binding ligands, dissolved organics and microbial communities in hydrothermal plumes – an experimental study. GeoKarlsruhe 2021, Karlsruhe.
• Hansen CT, Schlicht LEM, Reeves EP, Meixner A, Kasemann SA, Bach W (2019): Boron isotope behavior in ultramafic hosted hydrothermal systems: Nature vs. Experiment. Goldschmidt Konferenz 2019, Barcelona, Spanien.
• Hansen CT, Niggemann J, Simon M, Bach W, Dittmar T (2018): The biodegradability of hydrothermally altered deep-sea dissolved organic matter. Ocean Science Meeting 2018, Portland, USA.
• Los CL, Hansen C, Bach W (2017): Sulphidation of the oceanic lithosphere: an experimental approach. EGU Meeting 2017, Wien, Österreich.
• Hansen C, Meixner A, Kasemann S, Bach W (2015): New insight on lithium and boron isotope fractionation during serpentinization derived from batch reaction investigations. Goldschmidt-Konferenz 2015, Prag, Tschechien.
• Hansen C, Meixner A, Kasemann S, Bach W (2014): New insight on lithium and boron isotope fractionation during serpentinization derived from batch reaction investigations. DMG Treffen 2014, Jena, Deutschland.