712 Berichte zur Polar- und Meeresforschung 2017 Reports on Polar and Marine Research The Expedition PS104 of the Research Vessel POLARSTERN to the Amundsen Sea in 2017 Edited by Karsten Gohl with contributions of the participants Die Berichte zur Polar- und Meeresforschung werden The Reports on Polar and Marine Research are issued vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für by the Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven, Polar and Marine Research (AWI) in Bremerhaven, Deutschland, in Fortsetzung der vormaligen Berichte Germany, succeeding the former Reports on Polar zur Polarforschung herausgegeben. Sie erscheinen in Research. They are published at irregular intervals. unregelmäßiger Abfolge. Die Berichte zur Polar- und Meeresforschung ent- The Reports on Polar and Marine Research contain halten Darstellungen und Ergebnisse der vom AWI presentations and results of research activities in selbst oder mit seiner Unterstützung durchgeführten polar regions and in the seas either carried out by the Forschungsarbeiten in den Polargebieten und in den AWI or with its support. Meeren. Die Publikationen umfassen Expeditionsberichte der Publications comprise expedition reports of the ships, vom AWI betriebenen Schiffe, Flugzeuge und Statio- aircrafts, and stations operated by the AWI, research nen, Forschungsergebnisse (inkl. Dissertationen) des results (incl. dissertations) of the Institute and the Archiv Instituts und des Archivs für deutsche Polarforschung, für deutsche Polarforschung, as well as abstracts and sowie Abstracts und Proceedings von nationalen und proceedings of national and international conferences internationalen Tagungen und Workshops des AWI. and workshops of the AWI. Die Beiträge geben nicht notwendigerweise die Auf- The papers contained in the Reports do not necessarily fassung des AWI wider. reflect the opinion of the AWI. Herausgeber Editor Dr. Horst Bornemann Dr. Horst Bornemann Redaktionelle Bearbeitung und Layout Editorial editing and layout Birgit Reimann Birgit Reimann Alfred-Wegener-Institut Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Am Handeshafen 12 Am Handeshafen 12 27570 Bremerhaven 27570 Bremerhaven Germany Germany www.awi.de www.awi.de www.reports.awi.de www.reports.awi.de Der Erstautor bzw. herausgebende Autor eines Ban- The first or editing author of an issue of Reports on des der Berichte zur Polar- und Meeresforschung Polar and Marine Research ensures that he possesses versichert, dass er über alle Rechte am Werk verfügt all rights of the opus, and transfers all rights to the AWI, und überträgt sämtliche Rechte auch im Namen sei- inlcuding those associated with the co-authors. The ner Koautoren an das AWI. Ein einfaches Nutzungs- non-exclusive right of use (einfaches Nutzungsrecht) recht verbleibt, wenn nicht anders angegeben, beim remains with the author unless stated otherwise. Autor (bei den Autoren). Das AWI beansprucht die The AWI reserves the right to publish the submitted Publikation der eingereichten Manuskripte über sein articles in its repository ePIC (electronic Publication Repositorium ePIC (electronic Publication Information Information Center, see inside page of verso) with the Center, s. Innenseite am Rückdeckel) mit optionalem option to "print-on-demand". print-on-demand. Titel: Das Meeresboden-Bohrgerät MeBo70 des MARUM Zentrums für Marine Umweltwissenschaften zwi- schen seinen Einsätzen (Foto von Karsten Gohl, Alfred-Wegener-Institut, 17. Februar 2017). Cover: Title: The seabed drilling device MeBo70 of the MARUM Center for Marine Environmental Science in between deployments (picture taken by Karsten Gohl, Alfred Wegener Institut, 17 February 2017). The Expedition PS104 of the Research Vessel POLARSTERN to the Amundsen Sea in 2017 Edited by Karsten Gohl with contributions of the participants Please cite or link this publication using the identifiers hdl:10013/epic.51875 or http://hdl.handle.net/10013/epic.51875 and https://doi.org/10.2312/BzPM_0712_2017 ISSN 1866-3192 PS104 6 February 2017 - 19 March 2017 Punta Arenas – Punta Arenas Chief scientists Karsten Gohl Coordinator Rainer Knust Contents 1. Zusammenfassung und Fahrtverlauf 2 Summary and Itinerary 3 2. Weather Conditions 10 3. ICE Sheet Dynamics of the Amundsen Sea Embayment with Mebo Shallow Drilling 13 4. Near and Far Field Effects of Antarctica's Quaternary Ice Sheet Dynamics from Sediment Coring 27 5. Bathymetric Mapping and Sub-Bottom Profiling 42 6. Seismic Imaging and Stratigraphy of the Shelf Sediments 47 7. Geothermal Gradients and Heat Flux Estimates 62 8. Exhumation and Deglaciation of the Amundsen Sea Region 66 9. Repeated GNSS Measurements in the Amundsen Sea Region to Investigate Glacial Isostatic Adjustment and Ice-Shelf Dynamics 73 10. Helicopter-Magnetic Surveying to Delineate Basement Tectonics 80 11. Satellite Ice Reconnaissance by near Real-Time (Nrt) Service of Dlr 84 APPENDIX A.1 Teilnehmende Institute / Participating Institutions 87 A.2 Fahrtteilnehmer / Cruise Participants 89 A.3 Schiffsbesatzung / Ship's Crew 91 A.4 Stationsliste / Station List PS104 93 1 1. ZUSAMMENFASSUNG UND FAHRTVERLAUF Karsten Gohl AWI Zusammenfassung Der westantarktische Eisschild (WAIS) hat in seiner Geschichte vermutlich eine sehr dynamische Aktivität erfahren, da ein Großteil seiner Basis unter dem Meeresspiegel aufliegt und daher empfindlich auf klimatische Änderungen reagiert. Ein vollständiges Abschmelzen des WAIS hätte einen globalen Meeresspiegelanstieg von 3-5 m zur Folge. Die Quantifizierung des Abschmelzens des WAIS in Warmzeiten der geologischen Vergangenheit in Kombination mit der Rekonstruktion der klimatischen Begleitumstände würde notwendige Parameter für Eisschildmodelle liefern, die sein zukünftiges Verhalten und seinen Beitrag zu Meeresspiegeländerungen prognostizieren sollen. Große Unsicherheiten bestehen bezüglich der räumlichen und zeitlichen Variabilitäten sowie der Geschwindigkeiten der vergangenen Vorschübe und Rückzüge des WAIS über die vorgelagerten kontinentalen Schelfe. Insbesondere die Region des Amundsenmeersektors zeigt seit einigen Jahrzehnten einen beobachteten ungewöhnlich rapiden Eisschildrückzug, der als Vorläufer für das zukünftige Schicksal des gesamten WAIS vermutet wird. Das Hauptforschungsprogramm der Polarstern-Expedition PS104 wurde darauf ausgerichtet, unter Nutzung des Meeresboden-Bohrgeräts MARUM-MeBo70 eine Serie von mehreren Dezimetern langen Sedimentkernen von den ältesten zu den jüngsten Sediment-Sequenzen auf dem Schelf des Amundsenmeeres zu erbohren, um Sedimentmaterial für Analysen zur Rekonstruktion der Entwicklungsgeschichte und vergangenen Dynamik des WAIS im Bereich des Amundsenmeeres zu erhalten. Die durchgeführten 10 Bohrungen an 9 Bohrstationen befinden sich in isolierten Sedimentbecken vor dem Pine-Island-Gletscher der Pine-Island- Bucht, entlang des zentralen glazialen Pine-Island-Troges des mittleren Schelfes im östlichen Amundsenmeer, sowie auf der westlichen Flanke des Bear-Rückens auf dem mittleren Schelf der westlichen Amundsenmeer-Bucht. Insgesamt sind aus Bohrtiefen von wenigen Metern bis zu maximal 36 m unkonsolidierte bis konsolidierte Sedimente und stark verfestigte Sedimentgesteine erbohrt worden, die geologische Epochen von vermutlich der Spätkreide bis ins Holozän umfassen. Der erstmalige Einsatz des MeBo in der Antarktis liefert wertvolle Erfahrungen in der Optimierung von Bohrungen auf glazialen Schelfen. Ergänzt wurden die MeBo-Bohrungen durch zahlreiche konventionelle Sedimentbeprobungen über Sedimentlote. Seismische Untersuchungen wurden im Zusammenhang mit den MeBo- Bohrstationen und dem bereits existierenden seismischen Profilnetz durchgeführt, um eine bessere flächenhafte Abbildung der erbohrten Sedimentsequenzen zu erhalten. Der Einsatz einer Temperaturgradientensonde an zahlreichen Stationen liefert wertvolle Daten zum geothermischen Wärmestrom der Region. Bathymetrische und sedimentechographische Kartierungen sind Fahrtrouten begleitend, aber auch gezielt in bisher unvermessenen Gebiete durchgeführt werden. Auf dem Festland und den Inseln im Bereich der Pine-Island- Bucht sowie in küstennahen Aufschlüssen von Marie-Byrd-Land wurden Gesteinsproben für thermochronologische Untersuchungen zur Hebungsgeschichte der Erdkruste und für kosmogene Isotopenanalysen zur Eisrückzugsrekonstruktion gesammelt. Geodätische GPS- 2 1. Zusammenfassung und Fahrtverlauf Messungen zur Berechnung des glazial-isostatischen Ausgleichs der Region sind ebenfalls an zahlreichen Messpunkten des Festlandes und der Inseln realisiert worden. Beide Landprojekte sowie ein aeromagnetisches Vermessungsprojekt wurden mit Hilfe der Helikopter unterstützt. Insgesamt hat diese Expedition den erfolgreich Einsatz des MeBo auf der Polarstern im engen Wechsel mit weiteren Beprobungsprogrammen und geophysikalischen Messungen gezeigt. Die nachfolgenden Analysen der zahlreich gewonnenen Proben und Daten lassen wesentliche neue Erkenntnisse über die Entwicklung des WAIS vom Beginn der glazialen Epochen bis ins Holozän erwarten. SUMMARY AND ITINERARY The West Antarctic Ice Sheet (WAIS) is likely to have been subject of a very dynamic activity during its history as most of its base is grounded below present sea level and, thus, is sensitive to climatic changes. Its collapse would result in a global sea-level rise of 3-5 m. The reconstruction and quantification of WAIS collapses in warm periods of the geological past will provide constraints