DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02962-2
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Alexander Diehl وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيوكيمياء والتحليل العنصري
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الخصائص الجيوكيميائية لسوائل الفتحات الحرارية المائية من حقل جوتول الحراري المائي على سلسلة كنيبوفيتش الشمالية، التي تم أخذ عينات منها في عام 2024. تكشف الدراسة أن هذه السوائل تظهر تركيزات عالية بشكل استثنائي من الميثان (CH₄)، تتجاوز تلك الموجودة في حوض غويماس، وتظهر ميزات نموذجية للأنظمة الحرارية المائية المستضيفة للرواسب، مما يشير إلى التحلل الحراري للمواد العضوية في الرواسب الكلاستية. ومن الجدير بالذكر أن السوائل تحتوي أيضًا على مستويات عالية من الهيدروجين (H₂) ومستويات منخفضة من كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، والتي تتميز بها السوائل المستضيفة للصخور فوق المافية. تشير النمذجة الديناميكية الحرارية إلى أن النسب العالية الملحوظة من H₂/H₂S قد تكون ناتجة بشكل أساسي عن تحلل المواد العضوية تليها أكسدة CH₄ غير الحيوية عند حوالي 400 درجة مئوية، بدلاً من التفاعلات مع الصخور فوق المافية.
تشير النتائج أيضًا إلى أن سوائل الفتحات في جوتول غنية بالطيران وتظهر درجات حرارة أعلى مقارنة بالعينات المأخوذة في عام 2022. تتميز بارتفاع درجة الحموضة، والأمونيا (NH₄⁺)، والقلوية، إلى جانب تركيزات منخفضة من المعادن، وهي نموذجية للسوائل الحرارية المائية المستضيفة للرواسب. السياق الجيولوجي، بما في ذلك الانزلاق الانفصالي ووجود الصخور فوق المافية، يشير إلى إمكانية وجود تركيبات سوائل هجينة ناتجة عن تفاعلات بين الرواسب والصخور فوق المافية. تتحدى الدراسة الفكرة السائدة بأن تركيزات الهيدروجين العالية تشير فقط إلى تفاعلات الماء والصخور مع الصخور فوق المافية، مقترحة بدلاً من ذلك أن سوائل الفتحات المرتبطة بالرواسب تمثل مصدرًا كبيرًا ومُقدَّرًا سابقًا من الكربون والهيدروجين إلى المحيط.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق الحسابية المستخدمة لحساب درجات حرارة التوازن النظائري وقابلية ذوبان الكوارتز في أنظمة كيميائية مختلفة. تم اشتقاق درجات حرارة التوازن النظائري لـ δ¹³C و δ²H باستخدام عوامل الفصل المعروفة، مع تقديم معادلات محددة للأنظمة H₂-H₂O و H₂-CH₄. تم تقييم قابلية ذوبان الكوارتز باستخدام برنامج LonerAP، الذي يحاكي نظام H₂O-CO₂-CH₄-NaCl-KCl تحت ظروف تعكس تركيبات سوائل الفتحات. كما قام المؤلفون بحساب توازن البخار والمحلول وخصائص الديناميكا الحرارية باستخدام حزم البرمجيات SOWAT و SUPCRT92، مع دمج قواعد بيانات واسعة لنمذجة دقيقة.
بالإضافة إلى ذلك، تم تنفيذ نماذج مسار التفاعل باستخدام Geochemist Workbench، مستفيدين من نموذج نشاط ديباي-هوكل لمحاكاة تفاعل مياه البحر مع الرواسب عند درجات حرارة ونسب ماء إلى صخور مختلفة. سمح التسخين الأولي لمياه البحر إلى 200 درجة مئوية بتكوين المعادن، تلاه تسخين سريع إلى 400 درجة مئوية لمحاكاة الظروف في منطقة التفاعل. تم توثيق النتائج، بما في ذلك المكونات المستخدمة في النماذج والتجمعات المعدنية المتوازنة، في المواد التكميلية، مما يوفر نظرة شاملة على المنهجيات والنتائج ذات الصلة بدراسة تفاعلات السوائل الحرارية المائية.
نتائج
تكشف النتائج من تحليل السوائل الحرارية المائية في موقع فتحة جوتول عن درجات حرارة الفتحات تتراوح من 214 إلى 314 درجة مئوية، مع تركيزات منخفضة من المغنيسيوم (Mg) وكبريتات (SO₄)، مما يشير إلى تلوث ضئيل من مياه البحر. تتماشى تركيبات السوائل النهائية المحسوبة، المشتقة من نموذج خلط مكونين بتوازن الكتلة، عن كثب مع القيم المقاسة، مما يشير إلى مصدر سائل حراري مائي مهيمن. ومن الجدير بالذكر أن تركيزات الميثان (CH₄) (49.7-66.3 مليمول) هي الأعلى المبلغ عنها لسوائل الفتحات الحرارية المائية في منتصف المحيط، إلى جانب تركيزات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) من 36.0-41.6 مليمول. تشير التوقيعات النظائرية لـ CH₄ و CO₂ إلى مزيج من الأصول غير الحيوية والحرارية، مع مساهمات حيوية طفيفة، مما يعكس تفاعلًا معقدًا لمصادر الكربون.
تحدد الدراسة أيضًا منطقة تفاعل ضحلة على أعماق تتراوح بين 300-2500 متر تحت قاع البحر (mbsf)، مع درجات حرارة تتراوح بين 386 درجة مئوية و420 درجة مئوية، مما يشير إلى أن الدورة الحرارية المائية مدفوعة أساسًا بمصدر حرارة ماغماتي بدلاً من استخراج الصخور الوشائكية. تدعم وجود الصخور فوق المافية المتغيرة والتوقيعات الجيوكيميائية للسوائل الفتحات هذه التفسير. بالإضافة إلى ذلك، تشير التركيزات العالية من الهيدروجين (H₂) والمستويات المنخفضة من كبريتيد الهيدروجين (H₂S) إلى توازنات كيميائية فريدة تتأثر بالسياق الجيولوجي، والتي قد تشمل تفاعلات الماجنيتيت والبنتلانديت. بشكل عام، توفر النتائج رؤى مهمة حول العمليات الجيوكيميائية ومصادر الحرارة التي تدفع النشاط الحراري المائي في حقل جوتول.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على إنتاج الهيدروجين (H₂) من تغيير الصخور فوق المافية والتحلل الحراري للمواد العضوية في سوائل الفتحات الحرارية المائية في موقع جوتول. التركيزات العالية الملحوظة من H₂ والمستويات المنخفضة من كبريتيد الهيدروجين (H₂S) غير نمطية لتفاعلات الرواسب والسوائل، مما يشير إلى أصل فوق مافي. يمكن أن تُعزى النسب العالية من H₂/H₂S إلى مجموعة معدنية من البنتلانديت، والبيروتيت، والهيزل ووديت عند درجات حرارة وضغوط مرتفعة، مما يتناقض مع إنتاج H₂ المنخفض من المواد الرسوبية. تدعم النماذج الديناميكية الحرارية هذه النتائج، مشيرة إلى أن تفاعل مياه البحر مع الرواسب الحاملة للكبريتيد عادة ما ينتج عنه تركيزات أعلى من H₂S، مما يعزز الفكرة القائلة بأن الصخور فوق المافية قد تؤثر على تركيبة السوائل في منطقة الجذر الحراري المائي.
بالإضافة إلى ذلك، تستكشف الدراسة دور المواد العضوية في توليد نسب عالية من H₂/H₂S تحت ظروف معينة. من خلال نمذجة تفاعل مياه البحر الفقيرة بالكبريتيد مع الرواسب الحاملة للمواد العضوية، يظهر المؤلفون أن التحلل الحراري يمكن أن ينتج تركيزات كبيرة من H₂، بغض النظر عن تفاعلات الصخور فوق المافية. تؤكد طرق أخذ العينات والتحليل المستخدمة، بما في ذلك الكروماتوغرافيا الغازية والكروماتوغرافيا الأيونية، خصائص السوائل والتركيبات الكيميائية، مما يكشف أن سوائل الفتحات الحرارية المائية في جوتول تتميز بارتفاع درجة الحموضة، والأمونيا، والقلوية، إلى جانب تركيزات عالية من الميثان (CH₄)، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، وH₂. تتحدى النتائج الرأي السائد بأن مستويات H₂ العالية تشير فقط إلى تفاعلات الصخور فوق المافية، مقترحة بدلاً من ذلك أن سوائل الفتحات المرتبطة بالرواسب قد تكون مصدرًا كبيرًا للكربون وH₂ في البيئات المحيطية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02962-2
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Alexander Diehl et al.
Primary Topic: Geochemistry and Elemental Analysis
Overview
This research investigates the geochemical characteristics of hydrothermal vent fluids from the Jøtul hydrothermal field on the northern Knipovich Ridge, sampled in 2024. The study reveals that these fluids exhibit exceptionally high concentrations of methane (CH₄), surpassing those found in the Guaymas Basin, and display features typical of sediment-hosted hydrothermal systems, suggesting thermal decomposition of organic matter in clastic sediments. Notably, the fluids also contain high levels of hydrogen (H₂) and low levels of hydrogen sulfide (H₂S), which are characteristic of ultramafic-hosted fluids. Thermodynamic modeling indicates that the observed high H₂/H₂S ratios may primarily result from the degradation of organic matter followed by abiotic CH₄ oxidation at approximately 400 °C, rather than interactions with ultramafic rocks.
The findings further indicate that the Jøtul vent fluids are more volatile-rich and exhibit higher temperatures compared to samples collected in 2022. They are characterized by elevated pH, ammonium (NH₄⁺), and alkalinity, alongside low metal concentrations, which are typical of sediment-hosted hydrothermal fluids. The geological context, including detachment faulting and the presence of ultramafic rocks, suggests the potential for hybrid fluid compositions arising from both sediment and ultramafic rock interactions. The study challenges the prevailing notion that high H₂ concentrations are solely indicative of water-rock reactions with ultramafic rocks, proposing instead that sediment-associated vent fluids represent a significant and previously underestimated source of carbon and hydrogen to the ocean.
Methods
In this section, the authors detail the computational methods employed to calculate isotope equilibrium temperatures and quartz solubility in various chemical systems. Isotope equilibrium temperatures for δ¹³C and δ²H were derived using established fractionation factors, with specific equations provided for the systems H₂-H₂O and H₂-CH₄. The solubility of quartz was assessed using the LonerAP software, which simulates the H₂O-CO₂-CH₄-NaCl-KCl system under conditions reflective of vent fluid compositions. The authors also calculated vapor-brine equilibria and thermodynamic properties using the SOWAT and SUPCRT92 software packages, incorporating extensive databases for accurate modeling.
Additionally, reaction path models were executed with Geochemist Workbench, utilizing the Debye-Hückel activity model to simulate the interaction of seawater with sediment at varying temperatures and water-to-rock ratios. The initial heating of seawater to 200 °C allowed for mineral precipitation, followed by rapid heating to 400 °C to mimic conditions in the reaction zone. The results, including the components used in the models and the equilibrium mineral assemblages, are documented in supplementary materials, providing a comprehensive overview of the methodologies and findings relevant to the study of hydrothermal fluid interactions.
Results
The results from the hydrothermal fluid analysis at the Jøtul vent site reveal vent temperatures ranging from 214 to 314 °C, with low concentrations of magnesium (Mg) and sulfate (SO₄), indicating minimal seawater contamination. The calculated endmember fluid compositions, derived from a mass balance two-component mixing model, align closely with the measured values, suggesting a dominant hydrothermal fluid source. Notably, methane (CH₄) concentrations (49.7-66.3 mM) are the highest reported for mid-ocean ridge hydrothermal fluids, alongside carbon dioxide (CO₂) concentrations of 36.0-41.6 mM. The isotopic signatures of CH₄ and CO₂ indicate a mixture of abiotic and thermogenic origins, with minor biogenic contributions, reflecting a complex interplay of carbon sources.
The study further identifies a shallow reaction zone at depths of approximately 300-2500 meters below seafloor (mbsf), with temperatures between 386 °C and 420 °C, suggesting that hydrothermal circulation is primarily driven by a magmatic heat source rather than exhumation of mantle rocks. The presence of altered ultramafic rocks and the geochemical signatures of the vent fluids support this interpretation. Additionally, the high concentrations of hydrogen (H₂) and low hydrogen sulfide (H₂S) levels suggest unique chemical equilibria influenced by the geological context, which may involve magnetite and pentlandite reactions. Overall, the findings provide significant insights into the geochemical processes and heat sources driving hydrothermal activity at the Jøtul field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the production of hydrogen (H₂) from ultramafic rock alteration and thermal degradation of organic matter in hydrothermal vent fluids at the Jøtul site. The observed high H₂ concentrations and low hydrogen sulfide (H₂S) levels are atypical for sediment-fluid interactions, suggesting an ultramafic origin. The high H₂/H₂S ratios can be attributed to a mineral assemblage of pentlandite, pyrrhotite, and heazlewoodite at elevated temperatures and pressures, which contrasts with lower H₂ production from sedimentary materials. Thermodynamic models support these findings, indicating that seawater interaction with sulfide-bearing sediments typically yields higher H₂S concentrations, reinforcing the notion that ultramafic rocks may influence fluid composition in the hydrothermal root zone.
Additionally, the study explores the role of organic matter in generating high H₂/H₂S ratios under specific conditions. By modeling the reaction of sulfate-poor seawater with organic matter-bearing sediments, the authors demonstrate that thermal degradation can produce significant H₂ concentrations, independent of ultramafic rock interactions. The sampling and analytical methods employed, including gas chromatography and ion chromatography, confirm the fluid properties and chemical compositions, revealing that the Jøtul hydrothermal vent fluids are characterized by elevated pH, ammonium, and alkalinity, alongside high concentrations of methane (CH₄), carbon dioxide (CO₂), and H₂. The findings challenge the prevailing view that high H₂ levels are solely indicative of ultramafic rock interactions, suggesting instead that sediment-associated vent fluids may be a significant source of carbon and H₂ in oceanic environments.