Оценка глубины зарождения флюидов по благородным газам в поверхностных отложениях подводных грязевых вулканов у острова Танегасима

Том 13 научных докладов, номер статьи: 5051 (2023) Цитировать эту статью

756 Доступов

1 Цитаты

12 Альтметрика

Подробности о метриках

В поровой воде поверхностных отложений измерено соотношение изотопов гелия (3He/4He), соотношение концентраций неона-20 и гелия-4 (20Ne/4He), концентрации аргона (Ar), криптона (Kr) и ксенона (Xe). нескольких подводных грязевых вулканов. Судя по значениям 3He/4He (0,18–0,93RA), предполагаемое происхождение гелия составляет почти 90% корового гелия с небольшим вкладом гелия, полученного из мантии. Определенные концентрации Ar, Kr и Xe лежат в пределах диапазона равновесной растворимости, ожидаемого для температур от 83 до 230 °C, и соответствуют температурному диапазону дегидратационного происхождения глинистых минералов. Учитывая геотермический градиент в исследуемом регионе (25 °C/км), считается, что эти газы достигли равновесия растворения на глубине от 3,3 до 9,2 км ниже морского дна. Поскольку глубина границы плиты находится на 18 км ниже морского дна, следы благородного газа, вероятно, исходят из коры, а не из границы плиты. Это согласуется с результатами, представленными отношениями изотопов He.

Грязевые вулканы переносят грязь, газ, воду и другие растворенные вещества из глубины морского дна на морское дно, а затем выбрасывают их в морскую воду с поверхности морского дна, играя таким образом важную роль в круговороте веществ на поверхности Земли1,2. Поэтому изучение происхождения и химического состава воды и газа в поверхностном слое морского дна грязевых вулканов чрезвычайно важно для количественного понимания таких циклов. Было проведено несколько исследований по оценке глубины зарождения грязи и флюидов в поверхностных слоях грязевых вулканов путем изучения концентрации и изотопного соотношения некоторых элементов или соединений. Например, соотношения изотопов углерода и водорода метана в поверхностных отложениях грязевых вулканов были использованы для вывода о том, что метан находится на глубине более 1–2 км под морским дном, используя геотермический градиент под морским дном3,4,5. ,6,7. В нескольких исследованиях также были изучены изотопные соотношения воды в поровой воде поверхностного слоя морского дна и сделан вывод, что вода, образовавшаяся в температурных условиях от 60 до 160 °C, мигрировала на глубину от 1 до 3 км ниже морского дна из-за возможного обезвоживания. происхождение глинистых минералов8,9,10,11. В других исследованиях геотермометры использовались для оценки равновесной температуры отложений и поровой воды по комбинациям концентраций растворенных катионов в поверхностной поровой воде морского дна8,12,13,14. Например, Алоизи и др.12 оценили максимальную температуру, которую испытывают жидкости, с помощью геотермометра, используя концентрации магния и лития, равные примерно 100 °C. Сюй и др.14 аналогичным образом оценили температуру происхождения жидкости по концентрациям магния и лития в отложениях на поверхности грязевого вулкана и обнаружили, что она соответствует температуре, при которой, как полагают, происходит реакция дегидратации глинистых минералов. Кроме того, соотношения изотопов лития и бора в поровой воде поверхностного слоя грязевых вулканов использовались для оценки равновесной температуры с осадками15,16,17.

Гелий (He) имеет два стабильных изотопа: 3He и 4He. 3Считается, что он является первичным компонентом глубокой мантии Земли, взятым из солнечной туманности, когда Земля сформировалась 4,6 миллиарда лет назад18. По оценкам, соотношение изотопов He (3He/4He) в верхней мантии примерно в восемь раз превышает таковое в атмосфере (3He/4He = 1,39 × 10–6)19. В обозначениях соотношение изотопов He в атмосфере составляет 1 RA, а соотношение изотопов He в мантии — 8 RA. С другой стороны, 4He образуется в результате радиоактивного распада урана (U) и тория (Th), концентрации U и Th в земной коре значительно выше, чем в мантии, и соотношение 3He/4He в коровом He считается быть 0,02 RA19. Измерения соотношений изотопов He в грязевых вулканах Кадисского залива позволяют предположить, что гелий (He) в основном вырабатывался в земной коре и что выбрасываемые флюиды не происходили с границы плит20. Аналогичным образом, происхождение гелия в морской воде непосредственно над грязевыми вулканами в Ионическом море на юге Италии является коровым, что снова указывает на подъем глубинных подземных жидкостей, не связанных с мантией21. Таким образом, примеров исследований благородных газов в подводных грязевых вулканах пока немного.