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S XVIIl2

E 2001

(Arctic Mid-Ocean Ridge Expedition)

by J. Thiede

and the Shipboard cientific Party

Ber. Polarforsch. Meeresforsch. 421 (2002)

ISSN 1618 3193

POLARSTERN ARK XVIIl2

CRUISE REPORT I FAHRTBERICHT: AMORE 2001

by J.Thiede and the Shipboard Scientific Party

Page

Contents

AMORE 2001 : Executive Summary

AMORE 2001 : Zusammenfassung

Introduction

Structure and Composition of the Crust in the Eastern

Arctic Ocean

The Partner Ship USCGC HEALY

1-8-20 Joint Operations of HEALY and POLARSTERN

Short Biography of Yakov Gakkel

..

Expedition Narrative

Meteorological Conditions

Sea Ice Measurements and Samplfng

Ice Conditions along the Cruise Track

NOAA-AVHRR Imagery

Ice Thickness Measurements

Laser Profiling of Pressure Ridges

Spectral Albedo and Areal Coverage of Various Surface Types..70-75 Salinity. Density and Texture of Ice Cores

The Role of Sea Ice O the Transport of Radionuclides................. 77-79 n Biological Studies

Particulate Matter in Snow and Ice

Icebergs: Types and Sediment Content

Deployment of Drifting Meteorological Buoys

A "Fishermans Camp"

Hydrography

Secchi Depth Measurements

Evidence for Hydrothermal Activity. Gakkel Ridge

–  –  –

Public Relations

Appendices Contents Appendices

1. Scientific Party ARK XVIIl2

2. Participating Institutions ARK XVIIl2

3. Ship's Crew ARK XVIIl2

4.* Scientific Party on HEALY

5. Station Log POLAl3STERN

231-234 Station Log HEALY

Petrology: Sampling Technologies

Petrology: Sample Descriptions

Thin Sections Overview

Thin Section Descriptions

336-341 MAPR

TV-Grab Video

OFOS Observations

Sediment Core Descriptions

Geophysical Investigations: Experience Report

Polar University

List of Abbreviations and Acronyms

391 -397 Karasik Seamount

* only on CD AMORE 2001 : Executive Summary The AMORE 2001 (Arctic Mid-Ocean Ridge) expedition to the central Eastern Arctic Ocean combined the operations of 2 research ice-breakers to make certain investigations possible at all, to improve Progress, efficiency and safety in the ice. The main target area was the ridge crest of the western Gakkel Ridge.

Traverses from the north-eastern Barents Sea shelf to the Gakkel Ridge and from to the Lomonosov Ridge were used for continuous seismic reflection profiles across the Nansen and Amundsen basins.

The two ships operated in tandem for geophysics operations, and were able to either work together or to separate for sampling operations. Sampling was to be conducted via dredge, TV-grab, gravity and rock cores from both shipS. At sea observations include hand sample descriptions of all rock types encountered, preliminary geochemistry (carried out on HEALY) and thin section analyses (carried out on POLARSTERN).

HEALY and POLARSTERN reached the North Pole on September 6, 2001. On August 23 a historic meeting of 3 research ice-breakers occurred on top of the Gakkel Ridge. More than 250 Crew and scientists from 17 nations On HEALY, the Swedish ODEN and POLARSTERN exchanged data and samples; the gathering On the ice comprised more scientists than ever had met at the Same time and place in the central Arctic Ocean.

00th ships succeeded in charting by multiswath sounding systems SEABEAM on HEALY, HYDROSWEEP on POLARSTERN) 33 000 Square kilometres of the Arctic Ocean floor, mostly of the Gakkel Ridge, including its shallowest (566

m) and deepest (5670 m) points, with unprecedented precision and detail.

Multichannel seismic reflection profiles have been shot continuously along the transit trips across the Nansen and Amundsen basins, as well as up to 30 NM long Segments along the Gakkel Ridge, interspersed with rock sampling operations, A substantial number of heat flow measurements has been conducted along the return trip from Lomonosov to Gakkel Ridge and along its ridge crest 1 rift valley. The values increase towards the active Gakkel Ridge in general, but the stations from the rift valley are highly variable.

Both ships carried 2 helicopters each, for logistic and scientific purposes. POLARSTERN succeeded to deploy routinely helicopters for airborne investigations: HELI-MAG-surveysof the magnetic anomalies of various ridge Segments, deployment of long-term geophysical stations O the ice, beside cargo and pern sonne1 transport between the two ships and ice reconnaissance.

Systematic sampling of crustal rocks from the Gakkel Ridge has been carried out for petrological studies, at more than 200 stations between the 2 ships, with the recovery of various types of basalts, peridotites, gabbros, breccias and hydrothermal deposits, in total weighing almost 20 t between the 2 ships. The dominant lithology consisted of various types of basalt, but one ridge Segment produced a substantial number of peridotite and gabbro samples. t h e rock types sampled on Gakkel Ridge record the magmatic, hydrothermal and tectonic evolution of the world's most slowly spreading mid-ocean ridge. During 40 days of sampling, 96 total basement sampling stations were carried out on POLARSTERN. The lithologies recovered confirm the position of Gakkel Ridge as one of the geologically most unusual and interesting mid-ocean ridges. Peridotites sampled along the magmatically starved Segments show indications for generally low degrees of partial melting, as do the basalts. Basalts are also generally quite primitive, suggesting the absence of a thick crust required for significant processing. Weighing against these observations are the increasing abundances of basalt to the east of the magmatically starved section. This runs contrary to alt theory concerning mid-ocean ridges. Mantle temperature is probably a strenger input into the overall degree of melting than was previously thought to be the case.





Sediment cores have been recovered at the heat flow stations in the central Eastern Arctic ocean containing records of the history of the Arctic sea ice Cover and of several Eurasian continental glaciations. Two provinces of somewhat different depositional environments were sampled along the Gakkel Ridge during the expedition. In general, all sediments consist of hemipelagic silty to sandy muds with little to no microfossil content. In the western province (around O0 latitude), the brownish to olive sediments show evidence for variable current sorting effects on deposition, which may relate to a variable inflow of Atlantic waters. In the eastern province (around 75OE), the sediments display a cyclic deposition of dark grey, olive and brownish sedirnents. Variations in bioturbation and the content of ice-rafted debris suggest that these cycles reflect climatic variations from warmer to colder phases (and vice versa), some of which had glaciations of continental areas in northern Eurasia.

Ice-thickness and other glaciological measurements over long distances have been collected by means of a HEM-bird, of a SEM-probe deployed frorn a crane in front of POLARSTERN'S bow and during visits in a substantial number of ice floes. The average ice thickness of the floes in the investigated area was 1,95 m, approximately 20 % less than 10 years ago. Ice-cores at numerous locations permitted independent checks to verify ice-thicknesses as well as to collect fauna (various small invertebrates) living in the ice. Their species cornposition was determined and they were cultivated for nutrition experiments.

AMORE 2001 : Zusammenfassung Die AMORE 2001 (Arctic Mid-Ocean Ridge) Expedition (31.07. Tromso bis

07.10. Bremerhaven füPOLARSTERN, 31.07, Troms0 bis 03.10. Troms0 fü HEALY) in den zentralen Ãstliche Arktischen Ozean wurde durch die beiden Forschungseisbrecher POLARSTERN und HEALY durchgeführt HEALY ist Die ein neuer Eisbrecher der US Küstenwache in diesem Sommer ihre wissendie schaftliche Jungfernfahrt durchgeführ hat, Die gemeinsamen Operationen der zwei Eisbrecher ermÃglichte eine Reihe von sonst nicht mÃgliche Untersuchungen, weil einer der beiden Eisbrecher als führendeSchiff den laufenden Fortschritt garantieren konnte. Die beiden Eisbrecher ergänzte sich auch in ihrer wissenschaftlichen Effizienz und ihrer Sicherheit. Das wichtigste Zielgebiet war der westliche Gakkel-Rücke(beide Rückenschulterund das h i f t - ~ a l ), aber Traversen von der nordÃstliche Barentssee zum Gakkel-Rückeund vom Gakkel-Rücke zum Lomonosov-Rückewurden fükontinuierliche reflektionsseismische Arbeiten durch das Nansen- und das Amundsen-Becken genutzt.

USCGC HEALY und POLARSTERN erreichten den Nordpol am 06.09.2001.

Unterwegs (am 23.08.) trafen sich den schwedischen Eisbrecher ODEN und ein historisches Treffen von drei Forschungseisbrechern wurde in der Gegend des Gakket-Rückenabgehalten. Die ODEN hdtte gemeinsam mit der POLARSTERN bereits am 07.09.1991 den Nordpol erreicht und damit erstmals bewiesen, dass konventionell angetriebene Forschungsschiffe im zentralen Arktischen Ozean erfolgreich operieren kÃnnenDurch das gemeinsame Treffen von HEALY, ODEN und POLARSTERN versammelten sich mehr als 250 Besatzungsmitglieder und Wissenschaftlerlnnen zu einem gemeinsamen Treffen auf dem Eis; gleichzeitig wurden wissenschaftliche Daten und Proben ausgetauscht. Dieses Treffen der drei Forschungseisbrecher bedeutet einen historischen HÃhepunkder Erforschung des zentralen Arktischen Ozeans.

HEALY und POLARSTERN waren beide mit kompatiblen Fächerecholote ausgerüste (auf der HEALY ein SEABEAM-System, auf der POLARSTERN ein HYDROSWEEP-System) und es gelang, insgesamt 33.000 km2 des Arktischen Meeresbodens in bisher unerreichtem Detail zu kartieren. Der grÃßTeil der Kartierarbeiten konzentrierte sich auf die Gipfel-Flur des Gakkel-Rückenund umfaßt den flachsten (566 m) sowie tiefsten Punkt (5.670 m) im Ãstliche Arktischen Ozean. Das Segment des Gakkel-Rückenwar bisher vÃlli unbekannt und zählnun zu den best untersuchtesten Gebieten auf der ganzen Erde.

Die geophysikalischen Untersuchungen umfaßte Multikanals-ReflektionsProfile, die entlang der gesamten Transitstrecke übedas Nansen- und das Amundsen-Becken vermessen wurden. Zusätzlic wurden bis zu 30 nm lange Segmente entlang der Rückenachsdes Gakkel-Rückenvermessen, um die Krustendicke zu bestimmen. Auch wurden an einer beträchtliche Anzahl von Stationen Wärmestrommessunge vorgenommen, einmal entlang des Profils vom Lomonosov-Rückenzum Gakkel-Rückeund entlang der Rückenachs des Gakkel-Rückens dabei vor allem im Rift-Tal. Generell steigen die Wär mestromwerte in Richtung auf den aktiven Gakkel-Rücken aber erstaunlicherweise sind die Stationen im eigentlichen Rift-Tal hÃchsvariabel.

Beide Schiffe transportierten jeweils zwei Helikopter, die fülogistische und wissenschaftliche Ziele eingesetzt werden konnten. Die POLARSTERN hat ihre beiden Helikopter systematisch füwissenschaftliche Untersuchungen eingesetzt, wobei die HELI-MAG-Untersuchungen der magnetischen Anomalien von verschiedenen sehr detailliert aufgenommenen Rücken-Segmentehervorzuheben sind und wobei auch geophysikalische Stationen (REFTEK U. a.) auf dem Eis ausgebracht werden konnten. Neben den geophysikalischen Arbeitsgruppen konnten auch glaziologische Arbeitsgruppen auf das Eis ausgeflogen werden und es konnte erstmals eine elektromagnetische Sonde zur Eisdickenbestimmung unter dem Helikopter eingesetzt werden, um weiträumi Eisdikkenuntersuchungen vorzunehmen.

Beide Schiffe haben mit Hilfe ihrer Windensysteme eine systematische Beprobung der Krustengesteine des Gakkel-Rückendurchgeführt Insgesamt konnten mehr als 200 Stationen von beiden Schiffen beprobt werden, wobei es gelang, eine breite Suite von verschieden Typen von Tiefsee-Basalten und Peridotiten, Gabbros und Brekzien zu gewinnen. An einer Station konnten hydrothermale Ablagerungen (Eisensulfid-Vererzung) gewonnen werden. Insgesamt sind mehr als 20 t Gestein von beiden Schiffen geborgen wurden, wobei die dominierende Lithologie aus verschiedenen Basalt-Typen besteht, die Peridotitund Gabbro-Proben sich aber auf ein spezielles Rückensegmen konzentrieren.

An zahlreichen Positionen konnten hydrothermale Quellen nachgewiesen werden.

An den Wärmestromstatione konnten in der Regel auch relativ lange Sedimentkerne gewonnen werden, die es erlauben, die Ablagerungsgeschichte des quartäre Arktischen Ozeans im Detail zu beschreiben. Sie dokumentieren, dass der Arktische Ozean schon seit vielen Hunderttausend Jahren durch Meereis bedeckt ist und dass das eistransportierte Material den Einfluss von Eisschilden von benachbarten Kontinenten belegt (dieses war besonders interessant, weil wir uns entlang der Ãstliche Grenze des Arktischen Eurasischen Eisschildes währen der letzten Vereisung bewegten). Die glaziologische Arbeitsgruppe konnte die Eismächtigkeiund eine Suite von ergänzende glaziologischen Messungen durchführen Neu war der erstmalige technische Routineeinsatz einer elektromagnetischen Sonde vom Helikopter (HEM-Bird), wäh rend gleichzeitig vom Bug der POLARSTERN eine elektromagnetische Sonde zur routinemäßig Vermessung der Eismächtigkeivor dem Bug der POLARSTERN vorgenommen wurde. Eine Zusammenschau der Messergebnisse ermÃglichdie Aussage, dass sich in diesem Gebiet die Eismächtigkeivon etwa 2,5 m im Jahre 1991 auf 1,95 m im Jahre 2001 reduziert hat. Die Eiskerne enthielten an zahlreichen Lokalitäte Fauna (verschiedene kleine Invertebraten), die sich an den extremen Lebensraum in den Solekanäle des Eises angepasst haben. Die Artenzusammensetzung dieser Organismen wurde bestimmt und sie wurden füErnährungsexperiment in den Aquarien der POLARSTERN gehältert

1. Introduction

1.1 Structure and Composition of the Crust in the Eastern Arctic Ocean (J.Thiede)



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