種子島沖の海底泥火山表層堆積物中の希ガスを用いた流体発生深度の推定

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5051 (2023) この記事を引用

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表層堆積物間隙水中のヘリウム同位体比（3He/4He）、ネオン20とヘリウム4の濃度比（20Ne/4He）、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）の濃度を測定しました。いくつかの海底泥火山の一部。 3He/4He の値 (0.18 ～ 0.93RA) から、He の起源はほぼ 90% が地殻の He であり、マントル由来の He の寄与はほとんどないと推定されます。測定された Ar、Kr、および Xe 濃度は、83 °C から 230 °C までの温度で予想される溶解度平衡範囲内にあり、粘土鉱物の脱水開始点の温度範囲と一致しています。調査地域の地熱勾配（25℃/km）を考慮すると、これらのガスは海底から約3.3kmから9.2kmの深さで溶解平衡に達していると考えられます。プレート境界の深さは海底から 18 km であるため、希ガスの痕跡はプレート境界ではなく地殻に由来すると考えられます。これは、He 同位体比によって示される結果と一致しています。

泥火山は、泥、ガス、水、その他の溶解物質を海底深部から海底まで運び、海底表面から海水中に放出することで、地表の物質循環に重要な役割を果たしています1,2。したがって、泥火山の海底表層における水やガスの起源や化学組成を研究することは、このような循環を定量的に理解するために極めて重要です。いくつかの元素または化合物の濃度と同位体比を調べることによって、泥火山の表層の泥と流体の起源の深さを推定するために、いくつかの研究が行われてきました。例えば、泥火山の表層堆積物中のメタンの炭素同位体比と水素同位体比は、海底下の地熱勾配を利用して、メタンの起源が海底下 1 ～ 2 km より深いことを推定するために使用されています 3,4,5。、6、7。いくつかの研究では、海底表層の間隙水中の水の同位体比も調べられており、脱水の可能性に基づいて、60〜160℃の温度条件下で形成された水が海底から1〜3km下に移動したと推測されています。粘土鉱物の起源8,9,10,11。他の研究では、地温計を使用して、海底の表層間隙水中の溶存陽イオン濃度の組み合わせから堆積物と間隙水の平衡温度を推定しています8,12,13,14。たとえば、Aloisi et al.12 は、約 100 °C の濃度のマグネシウムとリチウムを使用して、地熱計で流体が経験する最高温度を推定しました。 Xuら14も同様に、泥火山表面堆積物中のマグネシウムとリチウムの濃度から流体の起源の温度を推定し、それが粘土鉱物の脱水反応が起こると考えられる温度と一致することを発見した。さらに、泥火山の表層の間隙水中のリチウムとホウ素の同位体比は、堆積物との平衡温度を推定するために使用されています15、16、17。

ヘリウム (He) には 3He と 4He という 2 つの安定同位体があります。 3彼は、46億年前に地球が形成されたときに太陽系星雲から採取された、地球の深層マントルの原始的な構成要素であると考えられています18。上部マントルの He 同位体比 (3He/4He) は大気の約 8 倍であると推定されています (3He/4He = 1.39 × 10–6)19。表記上、大気中の He 同位体比は 1 RA、マントル中の He 同位体比は 8 RA です。一方、4He はウラン (U) とトリウム (Th) の放射性崩壊によって生成され、U と Th の濃度はマントルよりも地殻の方がはるかに高く、地殻 He の 3He/4He 比は考慮されています。 0.02 RA19 となります。カディス湾の泥火山におけるヘリウム同位体比の測定は、ヘリウム（He）が主に地殻内で生成され、放出された流体がプレート境界から生じたものではないことを示唆している20。同様に、イタリア南部のイオニア海の泥火山のすぐ上にある海水中の He の起源は地殻であり、ここでもマントルとつながっていない深部の地下流体の上昇を示唆しています 21。このように、海底泥火山における希ガスに関する研究例はまだ少ない。

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>