Stima della profondità di origine dei fluidi che utilizzano gas nobili nei sedimenti superficiali dei vulcani di fango sottomarini al largo dell'isola di Tanegashima

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5051 (2023) Citare questo articolo

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Il rapporto isotopico dell'elio (3He/4He), il rapporto di concentrazione tra neon-20 e elio-4 (20Ne/4He), argon (Ar), krypton (Kr) e xeno (Xe) sono stati misurati nell'acqua interstiziale dei sedimenti superficiali di diversi vulcani di fango sottomarini. Dai valori 3He/4He (0,18–0,93 RA), l’origine stimata dell’He è quasi il 90% di He crostale, con poco contributo da He derivato dal mantello. Le concentrazioni determinate di Ar, Kr e Xe rientrano nell'intervallo di equilibrio di solubilità previsto per temperature comprese tra 83 °C e 230 °C e sono coerenti con l'intervallo di temperature dell'origine della disidratazione dei minerali argillosi. Considerando il gradiente geotermico nella regione indagata (25 °C/km), si ritiene che questi gas abbiano raggiunto l'equilibrio di dissoluzione ad una profondità compresa tra circa 3,3 km e 9,2 km sotto il fondale marino. Poiché la profondità del confine della placca è 18 km sotto il fondale marino, è probabile che le tracce di gas nobile provengano dalla crosta, non dal confine della placca. Ciò è coerente con i risultati presentati dai rapporti isotopici He.

I vulcani di fango trasportano fango, gas, acqua e altre sostanze disciolte dalle profondità del fondale marino al fondale marino e poi li scaricano nell'acqua marina dalla superficie del fondale marino, svolgendo così un ruolo importante nel ciclo materiale sulla superficie terrestre1,2. Pertanto, lo studio dell'origine e della composizione chimica dell'acqua e del gas nello strato superficiale del fondale marino dei vulcani di fango è estremamente importante per una comprensione quantitativa di tali cicli. Sono stati condotti diversi studi per stimare la profondità di origine del fango e dei fluidi negli strati superficiali dei vulcani di fango esaminando la concentrazione e il rapporto isotopico di alcuni elementi o composti. Ad esempio, i rapporti isotopici di carbonio e idrogeno del metano nei sedimenti superficiali dei vulcani di fango sono stati utilizzati per dedurre che l'origine del metano è più profonda di 1-2 km sotto il fondale marino utilizzando il gradiente geotermico sotto il fondale marino3,4,5 ,6,7. Diversi studi hanno inoltre esaminato i rapporti isotopici dell'acqua nell'acqua interstiziale dello strato superficiale del fondale marino e hanno dedotto che l'acqua formatasi in condizioni di temperatura comprese tra 60 e 160 °C è migrata da 1 a 3 km sotto il fondale marino, in base alla possibile disidratazione origine dei minerali argillosi8,9,10,11. Altri studi hanno utilizzato geotermometri per stimare la temperatura di equilibrio dei sedimenti e dell'acqua interstiziale da combinazioni di concentrazioni di cationi disciolti nell'acqua interstiziale superficiale sul fondale marino8,12,13,14. Ad esempio, Aloisi et al.12 hanno stimato la temperatura massima sperimentata dai fluidi con un geotermometro utilizzando concentrazioni di magnesio e litio di circa 100 °C. Xu et al.14 hanno stimato in modo simile la temperatura di origine del fluido in base alle concentrazioni di magnesio e litio nei sedimenti di fango della superficie del vulcano e hanno scoperto che è coerente con la temperatura alla quale si ritiene che avvenga la reazione di disidratazione dei minerali argillosi. Inoltre, i rapporti isotopici del litio e del boro nell'acqua interstiziale nello strato superficiale dei vulcani di fango sono stati utilizzati per stimare la temperatura di equilibrio con il sedimento15,16,17.

L'elio (He) ha due isotopi stabili, 3He e 4He. 3Si ritiene che sia un componente primordiale del mantello profondo della Terra, prelevato dalla nebulosa solare quando la Terra si formò 4,6 miliardi di anni fa18. Si stima che il rapporto isotopico He (3He/4He) nel mantello superiore sia circa otto volte quello dell'atmosfera (3He/4He = 1,39 × 10–6)19. In notazione, il rapporto isotopico He nell'atmosfera è 1 RA e il rapporto isotopico He nel mantello è 8 RA. D'altra parte, l'He 4 è prodotto dal decadimento radioattivo dell'uranio (U) e del torio (Th), le concentrazioni di U e Th sono molto più elevate nella crosta terrestre che nel mantello, e il rapporto 3He/4He dell'He crostale è considerato essere 0,02 RA19. Le misurazioni dei rapporti isotopici dell'He nei vulcani di fango nel Golfo di Cadice suggeriscono che l'elio (He) veniva prodotto principalmente nella crosta e che i fluidi emessi non provenivano dal confine della placca20. Allo stesso modo, l’origine dell’He nell’acqua di mare immediatamente sopra i vulcani di fango nel Mar Ionio nell’Italia meridionale è crostale, suggerendo ancora una volta la risalita di fluidi sotterranei profondi che non sono collegati al mantello21. Pertanto, ci sono ancora pochi esempi di studi sui gas nobili nei vulcani di fango sottomarini.