Estimativa da profundidade de origem de fluidos utilizando gases nobres nos sedimentos superficiais de vulcões submarinos de lama na ilha de Tanegashima

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5051 (2023) Citar este artigo

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A razão isotópica de hélio (3He/4He), a razão de concentração de néon-20 para hélio-4 (20Ne/4He), as concentrações de argônio (Ar), criptônio (Kr) e xenônio (Xe) foram medidas na água dos sedimentos superficiais de vários vulcões submarinos de lama. A partir dos valores 3He/4He (0,18–0,93RA), a origem estimada do He é quase 90% do He crustal, com pouca contribuição do He derivado do manto. As concentrações determinadas de Ar, Kr e Xe estão dentro da faixa de equilíbrio de solubilidade esperada para temperaturas de 83 °C a 230 °C e são consistentes com a faixa de temperatura da origem da desidratação dos argilominerais. Considerando o gradiente geotérmico na região investigada (25 °C/km), considera-se que estes gases atingiram o equilíbrio de dissolução a uma profundidade de cerca de 3,3 km a 9,2 km abaixo do fundo do mar. Como a profundidade do limite da placa é de 18 km abaixo do fundo do mar, é provável que as assinaturas de gases nobres se originem da crosta e não do limite da placa. Isto é consistente com os resultados apresentados pelas razões isotópicas de He.

Os vulcões de lama transportam lama, gás, água e outras substâncias dissolvidas das profundezas do fundo do mar para o fundo do mar e depois expelem-nos para a água do mar a partir da superfície do fundo do mar, desempenhando assim um papel importante no ciclo de materiais na superfície da Terra1,2. Portanto, o estudo da origem e composição química da água e do gás na camada superficial do fundo do mar de vulcões de lama é extremamente importante para uma compreensão quantitativa de tais ciclos. Vários estudos foram realizados para estimar a profundidade de origem da lama e dos fluidos nas camadas superficiais dos vulcões de lama, examinando a concentração e a razão isotópica de alguns elementos ou compostos. Por exemplo, as proporções de isótopos de carbono e hidrogénio do metano nos sedimentos superficiais de vulcões de lama têm sido utilizadas para inferir que a origem do metano é mais profunda do que 1 a 2 km abaixo do fundo do mar, utilizando o gradiente geotérmico abaixo do fundo do mar3,4,5 ,6,7. Vários estudos também examinaram as proporções isotópicas da água na água dos poros da camada superficial do fundo do mar e inferiram que a água que se formou sob condições de temperatura variando de 60 a 160 °C migrou de 1 a 3 km abaixo do fundo do mar, com base na possível desidratação. origem dos argilominerais8,9,10,11. Outros estudos utilizaram geotermômetros para estimar a temperatura de equilíbrio de sedimentos e águas subterrâneas a partir de combinações de concentrações de cátions dissolvidos em águas subterrâneas superficiais no fundo do mar8,12,13,14. Por exemplo, Aloisi et al.12 estimaram a temperatura máxima experimentada por fluidos com um geotermômetro usando concentrações de magnésio e lítio de aproximadamente 100 °C. Xu et al.14 estimaram de forma semelhante a temperatura de origem do fluido a partir das concentrações de magnésio e lítio nos sedimentos de lama da superfície do vulcão e descobriram que ela era consistente com a temperatura na qual se acredita que ocorre a reação de desidratação dos minerais argilosos. Além disso, as razões isotópicas de lítio e boro na água dos poros da camada superficial de vulcões de lama têm sido utilizadas para estimar a temperatura de equilíbrio com o sedimento .

O hélio (He) possui dois isótopos estáveis, 3He e 4He. 3Pensa-se que ele seja um componente primordial do manto profundo da Terra, retirado da nebulosa solar quando a Terra se formou há 4,6 mil milhões de anos18. A razão isotópica de He (3He/4He) no manto superior é estimada em aproximadamente oito vezes a da atmosfera (3He/4He = 1,39 × 10–6)19. Em notação, a proporção de isótopos de He na atmosfera é 1 RA, e a proporção de isótopos de He no manto é de 8 RA. Por outro lado, o 4He é produzido pelo decaimento radioativo do urânio (U) e do tório (Th), as concentrações de U e Th são muito mais altas na crosta terrestre do que no manto, e a proporção 3He/4He do He crustal é considerada ser 0,02 RA19. Medições das razões isotópicas de He em vulcões de lama no Golfo de Cádiz sugerem que o hélio (He) foi produzido principalmente na crosta e que os fluidos emitidos não se originaram no limite da placa . Da mesma forma, a origem do He na água do mar imediatamente acima dos vulcões de lama no Mar Jónico, no sul da Itália, é crustal, sugerindo novamente a ascensão de fluidos subterrâneos profundos que não estão ligados ao manto21. Assim, ainda existem poucos exemplos de estudos sobre gases nobres em vulcões submarinos de lama.