Estimation de la profondeur d'origine des fluides à l'aide de gaz rares présents dans les sédiments de surface des volcans de boue sous-marins au large de l'île de Tanegashima

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5051 (2023) Citer cet article

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Le rapport isotopique de l'hélium (3He/4He), le rapport de concentration du néon-20 à l'hélium-4 (20Ne/4He), les concentrations d'argon (Ar), de krypton (Kr) et de xénon (Xe) ont été mesurés dans l'eau interstitielle des sédiments de surface. de plusieurs volcans de boue sous-marins. D’après les valeurs 3He/4He (0,18-0,93RA), l’origine estimée de He est à près de 90 % de He crustal, avec peu de contribution de He dérivé du manteau. Les concentrations déterminées d'Ar, Kr et Xe se situent dans la plage d'équilibre de solubilité attendue pour des températures allant de 83 °C à 230 °C et sont cohérentes avec la plage de température d'origine de la déshydratation des minéraux argileux. Compte tenu du gradient géothermique dans la région étudiée (25 °C/km), ces gaz sont considérés comme ayant atteint l'équilibre de dissolution à une profondeur d'environ 3,3 km à 9,2 km sous le fond marin. Comme la profondeur de la limite de plaque se situe à 18 km sous le fond marin, les signatures de gaz rares proviendront probablement de la croûte et non de la limite de plaque. Ceci est cohérent avec les résultats présentés par les rapports isotopiques He.

Les volcans de boue transportent de la boue, du gaz, de l'eau et d'autres substances dissoutes des profondeurs du fond marin jusqu'au fond marin, puis les évacuent dans l'eau de mer depuis la surface du fond marin, jouant ainsi un rôle important dans le cycle des matériaux à la surface de la Terre1,2. Par conséquent, l’étude de l’origine et de la composition chimique de l’eau et du gaz dans la couche superficielle du fond marin des volcans de boue est extrêmement importante pour une compréhension quantitative de ces cycles. Plusieurs études ont été menées pour estimer la profondeur d'origine de la boue et des fluides dans les couches superficielles des volcans de boue en examinant la concentration et le rapport isotopique de certains éléments ou composés. Par exemple, les rapports isotopiques du carbone et de l'hydrogène du méthane dans les sédiments de surface des volcans de boue ont été utilisés pour déduire que l'origine du méthane se trouve à plus de 1 à 2 km sous le fond marin en utilisant le gradient géothermique sous le fond marin3,4,5. ,6,7. Plusieurs études ont également examiné les rapports isotopiques de l'eau dans l'eau interstitielle de la couche superficielle du fond marin et ont déduit que l'eau qui s'est formée dans des conditions de température allant de 60 à 160 °C a migré de 1 à 3 km sous le fond marin, en fonction de la déshydratation possible. origine des minéraux argileux8,9,10,11. D'autres études ont utilisé des géothermomètres pour estimer la température d'équilibre des sédiments et de l'eau interstitielle à partir de combinaisons de concentrations de cations dissous dans l'eau interstitielle de surface du fond marin8,12,13,14. Par exemple, Aloisi et al.12 ont estimé la température maximale ressentie par les fluides à l'aide d'un géothermomètre en utilisant des concentrations de magnésium et de lithium d'environ 100 °C. Xu et al.14 ont également estimé la température d'origine du fluide à partir des concentrations de magnésium et de lithium dans les sédiments de surface des volcans de boue et ont trouvé qu'elle correspondait à la température à laquelle la réaction de déshydratation des minéraux argileux est censée se produire. De plus, les rapports isotopiques du lithium et du bore dans l’eau interstitielle de la couche superficielle des volcans de boue ont été utilisés pour estimer la température d’équilibre avec les sédiments15,16,17.

L'hélium (He) possède deux isotopes stables, 3He et 4He. 3Il serait un composant primordial du manteau profond terrestre, extrait de la nébuleuse solaire lors de la formation de la Terre il y a 4,6 milliards d'années18. Le rapport isotopique He (3He/4He) dans le manteau supérieur est estimé à environ huit fois celui de l’atmosphère (3He/4He = 1,39 × 10–6)19. En notation, le rapport isotopique He dans l’atmosphère est de 1 RA et le rapport isotopique He dans le manteau est de 8 RA. D'autre part, le 4He est produit par désintégration radioactive de l'uranium (U) et du thorium (Th), les concentrations d'U et de Th sont beaucoup plus élevées dans la croûte terrestre que dans le manteau, et le rapport 3He/4He du He crustal est considéré comme soit 0,02 RA19. Les mesures des rapports isotopiques de l'He dans les volcans de boue du golfe de Cadix suggèrent que l'hélium (He) était principalement produit dans la croûte et que les fluides émis ne provenaient pas de la limite des plaques20. De même, l’origine de l’He dans l’eau de mer immédiatement au-dessus des volcans de boue de la mer Ionienne, dans le sud de l’Italie, est crustale, suggérant là encore la montée de fluides souterrains profonds qui ne sont pas connectés au manteau21. Ainsi, il existe encore peu d’exemples d’études sur les gaz rares dans les volcans de boue sous-marins.