다네가시마 섬 해저 이화산 표층 퇴적물에서 희가스를 이용한 유체 기원 깊이 추정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5051(2023) 이 기사 인용

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헬륨 동위원소 비율(3He/4He), 네온-20과 헬륨-4의 농도 비율(20Ne/4He), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 농도는 표층 퇴적물의 공극수에서 측정되었습니다. 여러 해저 진흙 화산 중 하나입니다. 3He/4He 값(0.18–0.93RA)에서 추정된 He 기원은 거의 90%가 지각 He이며 맨틀에서 유래한 He의 기여는 거의 없습니다. 결정된 Ar, Kr 및 Xe 농도는 83°C~230°C의 온도에서 예상되는 용해도 평형 범위 내에 있으며 점토 광물의 탈수 기원 온도 범위와 일치합니다. 조사 지역의 지열 구배(25°C/km)를 고려하면 이들 가스는 해저 아래 약 3.3km ~ 9.2km 깊이에서 용해 평형에 도달한 것으로 간주됩니다. 판 경계의 깊이가 해저 아래 18km이므로 희가스 신호는 판 경계가 아닌 지각에서 유래할 가능성이 높습니다. 이는 He 동위원소 비율에 의해 제시된 결과와 일치합니다.

진흙 화산은 진흙, 가스, 물 및 기타 용해된 물질을 해저 깊은 곳에서 해저로 운반한 다음 해저 표면에서 해수로 배출하여 지구 표면의 물질 순환에 중요한 역할을 합니다1,2. 따라서 이화산 해저 표층의 물과 가스의 기원과 화학적 조성에 대한 연구는 이러한 순환을 정량적으로 이해하는 데 매우 중요합니다. 일부 원소나 화합물의 농도와 동위원소 비율을 조사하여 이화산 표층의 진흙과 액체의 기원 깊이를 추정하기 위한 여러 연구가 수행되어 왔습니다. 예를 들어, 진흙 화산의 표면 퇴적물에 있는 메탄의 탄소와 수소 동위원소 비율은 해저 아래의 지열 구배를 사용하여 메탄의 기원이 해저 아래 1~2km보다 더 깊다는 것을 추론하는 데 사용되었습니다3,4,5 ,6,7. 또한 여러 연구에서 해저 표층의 공극수에 있는 물의 동위원소 비율을 조사한 결과, 60~160°C 범위의 온도 조건에서 형성된 물이 탈수 가능성을 바탕으로 해저 1~3km 아래로 이동했다고 추론했습니다. 점토 광물의 기원8,9,10,11. 다른 연구에서는 해저 표면 간극수에 용해된 양이온 농도의 조합으로부터 퇴적물과 간극수의 평형 온도를 추정하기 위해 지열계를 사용했습니다8,12,13,14. 예를 들어, Aloisi 등12은 약 100°C의 마그네슘과 리튬 농도를 사용하여 지열계를 사용하여 유체가 경험하는 최대 온도를 추정했습니다. Xu et al.14은 진흙 화산 표면 퇴적물의 마그네슘과 리튬 농도로부터 유체의 기원 온도를 유사하게 추정했으며, 이것이 점토 광물의 탈수 반응이 일어나는 것으로 여겨지는 온도와 일치한다는 것을 발견했습니다. 또한 이화산 표층의 공극수에 포함된 리튬과 붕소 동위원소 비율을 이용하여 퇴적물과의 평형온도를 추정하고 있다15,16,17.

헬륨(He)에는 3He와 4He라는 두 가지 안정 동위원소가 있습니다. 3그는 46억 년 전 지구가 형성되었을 때 태양 성운에서 채취한 지구 깊은 맨틀의 원시 구성 요소로 생각됩니다18. 상부 맨틀의 He 동위원소 비율(3He/4He)은 대기(3He/4He = 1.39 × 10-6)의 약 8배인 것으로 추정됩니다19. 표기법에 따르면 대기 중의 He 동위원소 비율은 1RA이고, 맨틀의 He 동위원소 비율은 8RA입니다. 한편, 4He는 우라늄(U)과 토륨(Th)의 방사성 붕괴에 의해 생성되며, U와 Th 농도는 맨틀보다 지각에서 훨씬 높으며 지각 He의 3He/4He 비율이 고려됩니다. 0.02 RA19가 되어야 합니다. 카디스만의 진흙 화산에서 He 동위원소 비율을 측정한 결과 헬륨(He)은 주로 지각에서 생성되었으며 방출된 유체는 판 경계에서 유래하지 않았음을 시사합니다20. 마찬가지로 이탈리아 남부 이오니아 해의 이화산 바로 위 해수에서 He의 기원은 지각이며, 이는 다시 맨틀과 연결되지 않은 깊은 지하 유체의 상승을 암시합니다21. 따라서 해저 진흙 화산의 희가스에 대한 연구 사례는 아직 거의 없습니다.

The 20Ne/4He ratio43,44 was used to evaluate the mixing ratio of fluids originating from the solid Earth and seawater that has reached equilibrium with the atmosphere (ASW). Here, 20Ne is overwhelmingly more abundant in the atmosphere than in the mantle and crust, and therefore 20Ne in the solid earth can be neglected. Figure 2 shows the relationship between 3He/4He and 20Ne/4He in the gases obtained in this study. Here, the noble gases of mantle origin are assumed to be characterized by an isotope signature close to (3He/4He, 20Ne/4He) = (8 RA, 0), those of crustal origin by (3He/4He, 20Ne/4He) = (0.02 RA, 0), and those of atmospheric origin by (3He/4He, 20Ne/4He) = (1 RA, 4). The values of the 20Ne/4He ratio of ASW were calculated by assuming the respective atmospheric abundances and the appropriate temperature and salinity. First, the seawater mixed into the porewater at the bottom of the deep sea is considered to be bottom seawater, and the concentration of noble gases in the seawater is almost uniform, with a variation of only a few percent45. The 20Ne/4He ratio calculated under these conditions was 3.60 to 3.6937,46,47. The temperature of the surface seawater in this area is considered to be about 20 to 25 °C (2023)." href="/articles/s41598-023-31582-z#ref-CR48" id="ref-link-section-d78605959e1995">48 and salinity 34 to 35 psu (2023)." href="/articles/s41598-023-31582-z#ref-CR49" id="ref-link-section-d78605959e1999"49. The 20Ne/4He ratio calculated under the temperature (2 °C) and salinity (35 psu) of the bottom water observed at the site in this study is 4.0037,46,47. Considering these facts, the 20Ne/4He ratio is considered to be 4 here. The red dashed, single-dashed, double-dashed, and dotted lines are straight lines connecting the noble gas data for mud volcanoes MV1, MV2, MV3, and MV14 with the ASW values, respectively (Fig. 2). For MV3, a regression line through the ASW is drawn for the three samples of data (Fig. 2). The tritium concentration in deep seawater is so low that the tritium-derived 3He contribution is almost negligible50. This result suggests that the He in the gas collected in this study can be explained by a mixture of crustal, mantle, and atmospheric equilibrium seawater sources (Fig. 2)./p>

(2023)./p> (2023)./p>