DOI: https://doi.org/10.1126/science.adp1058
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39116218
تاريخ النشر: 2024-08-08
المؤلف: C. Johan Lissenberg وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الجيولوجي والجيوكيميائي
نظرة عامة
تلعب الوشاح العلوي دورًا حاسمًا في فهم الماجم الأرضية، وتشكيل القشرة، ودورات العناصر بين الجزء الصلب من الأرض، والهيدروسفير، والغلاف الجوي، والبيوسفير. تقدم هذه الدراسة استعادة قسم بطول 1268 متر من البيريدوتيت القاعي المتحول إلى سيربنتين، متخللًا بتداخلات جابروية رقيقة، مما يكشف عن تركيبات ناقصة وتباينات كبيرة في معادن الوشاح تأثرت بتدفق الصهر. ومن الجدير بالذكر، أن وجود مناطق الدونيت ذات الانحدارات المتوسطة بشكل أساسي، على عكس الأنسجة الشديدة الانحدار الأصلية للوشاح، يشير إلى نقل الصهر بشكل مائل.
بالإضافة إلى ذلك، تم توثيق تفاعلات السوائل الحرارية المائية مع الصخور على طول عمق النواة، مع أدلة على الأكسدة التي تحدث في الـ 200 متر العلوية. تتماشى أنماط التغيير الملاحظة مع تركيبة سوائل الفتحات من حقل لوس سيتي الحراري المائي القريب، مما يشير إلى تفاعل معقد بين العمليات الجيولوجية والنشاط الحراري المائي في الوشاح العلوي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الوشاح العلوي في العمليات الجيوكيميائية للأرض، لا سيما من خلال آليات استخراج وإعادة تدوير الصهر في مناطق الانغماس. تؤدي هذه العمليات إلى استنفاد العناصر غير المتوافقة وتشكيل القشرة المحيطية، مما يؤثر على الدورة الكيميائية لمختلف العناصر، بما في ذلك الماء والكربون، بين الوشاح، والليثوسفير، والمحيطات، والبيوسفير. يولد تفاعل صخور الوشاح مع مياه البحر أنظمة حرارية مائية تقوم بتحويل المعادن الأولية إلى ثانوية، مما يحرر الهيدروجين الجزيئي (H₂)، الذي قد يسهل تخليق الجزيئات العضوية في البيئات ما قبل الحيوية، مما يشير إلى رابط محتمل بأصول الحياة على الأرض وغيرها من الأجرام السماوية.
تُعقد دراسة تطور الوشاح والعمليات الحرارية المائية بسبب عدم إمكانية الوصول إلى الوشاح، الذي يحجبه عادة القشرة. بينما توفر الأوفيوليت بعض الرؤى، فإنها غالبًا ما تعكس العمليات المرتبطة بالانغماس وقد تتعرض للتغيير بعد الإزاحة. توفر البيريدوتيت القاعية، التي تتعرض من خلال النشاط التكتوني عند الحواف المتوسطة للمحيط، معلومات قيمة بشأن تركيبة الوشاح والسيربنتين، ولكن يتم جمعها بشكل أساسي عبر التجريف، مما يحد من فهمها السياقي. تؤكد المقدمة على أن الحفر في البيريدوتيت القاعي أمر ضروري للحصول على سجل مستمر وموجه من الوشاح العلوي، على الرغم من أن مثل هذا الحفر واجه تحديات كبيرة، حيث وصل أعمق ثقب إلى 200.8 متر فقط تحت قاع البحر وحقق استعادة محدودة للنواة.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية التقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، بما في ذلك الأساليب الإحصائية المطبقة لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، والضوابط، وأي بروتوكولات تم اتباعها لضمان صحة وموثوقية النتائج. من خلال تقديم نظرة شاملة على المواد والطرق، يهدف المؤلفون إلى تسهيل فهم وتكرار الدراسة من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
مناقشة
أنتج البحث الذي تم خلال برنامج الاكتشاف الدولي للمحيطات (IODP) البعثة 399 في كتلة أتلانتس قسم نواة بطول 1268 متر من البيريدوتيت القاعي المتحول إلى سيربنتين، متخللًا بتداخلات جابروية. يكشف هذا القسم، الذي يُعتبر الأعمق الذي تم حفره في الوشاح المحيطي حتى الآن، عن هيمنة البيريدوتيت الهارزبرغيت المتحول (68% من أنواع الصخور)، مع تباينات كبيرة في المعادن والبنية على مقاييس السنتيمتر والمتر. تشير التحليلات المعدنية إلى استنفاد في الكلينوبيروكسي، مع متوسط نسب موالية تبلغ 1.0%، مما يشير إلى درجات عالية من الانصهار الجزئي وعمليات هجرة الصهر اللاحقة التي أثرت على تركيبة الوشاح العلوي. تتحدى النتائج النماذج التقليدية لهجرة الصهر العمودية، بدلاً من ذلك تشير إلى نمط تدفق مائل يتماشى مع هندسة ارتفاع الوشاح.
توفر النواة أيضًا رؤى حول عمليات التغيير الحراري المائي، لا سيما فيما يتعلق بحقل لوس سيتي الحراري المائي. يتفاوت مدى السيربنتين بشكل كبير، مع متوسطات حول 80-90%، ويتأثر بوجود التداخلات الجابروية، التي يبدو أنها تلعب دورًا حاسمًا في تنظيم تركيبات السوائل وتسهيل النشاط الحراري المائي. تشير أنماط التغيير الملاحظة في كل من البيريدوتيت والصخور الجابروية إلى تاريخ معقد من التفاعل بين مياه البحر والمواد المشتقة من الوشاح، مع تداعيات لفهم الدورات الجيوكيميائية وإمكانية وجود الحياة الميكروبية في هذه البيئات. بشكل عام، تعزز البيانات من البعثة 399 فهمنا لتركيبة الوشاح العلوي المحيطي، وبنيته، والعمليات التي تحكم تطوره.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.adp1058
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39116218
Publication Date: 2024-08-08
Author(s): C. Johan Lissenberg et al.
Primary Topic: Geological and Geochemical Analysis
Overview
The upper mantle plays a crucial role in understanding terrestrial magmatism, crust formation, and elemental cycling among Earth’s solid interior, hydrosphere, atmosphere, and biosphere. This study presents the recovery of a 1268 m section of serpentinized abyssal mantle peridotite, interspersed with thin gabbroic intrusions, revealing depleted compositions and significant variations in mantle mineralogy influenced by melt flow. Notably, the presence of dunite zones with predominantly intermediate dips, as opposed to the originally steep mantle fabrics, suggests oblique melt transport.
Additionally, extensive hydrothermal fluid-rock interactions are documented throughout the core’s depth, with evidence of oxidation occurring in the upper 200 m. The alteration patterns observed align with the vent fluid composition from the nearby Lost City hydrothermal field, indicating a complex interplay between geological processes and hydrothermal activity in the upper mantle.
Introduction
The introduction highlights the significance of the upper mantle in Earth’s geochemical processes, particularly through the mechanisms of melt extraction and recycling at subduction zones. These processes lead to the depletion of incompatible elements and the formation of the oceanic crust, influencing the chemical cycling of various elements, including water and carbon, between the mantle, lithosphere, oceans, and biosphere. The interaction of mantle rocks with seawater generates hydrothermal systems that alter primary minerals into secondary ones, releasing molecular hydrogen (H₂), which may facilitate the synthesis of organic molecules in prebiotic environments, suggesting a potential link to the origins of life on Earth and other celestial bodies.
The study of mantle evolution and hydrothermal processes is complicated by the inaccessibility of the mantle, typically obscured by the crust. While ophiolites provide some insights, they often reflect subduction-related processes and may be altered post-emplacement. Abyssal peridotites, exposed through tectonic activity at mid-ocean ridges, offer valuable information regarding mantle composition and serpentinization but are primarily collected via dredging, which limits their contextual understanding. The introduction emphasizes that drilling into abyssal peridotite is essential for obtaining a continuous and oriented record of the upper mantle, although such drilling has faced significant challenges, with the deepest hole reaching only 200.8 meters below the seafloor and achieving limited core recovery.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the techniques for data collection and analysis, including statistical methods applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental setup, controls, and any protocols followed to ensure the validity and reliability of the findings. By providing a comprehensive overview of the materials and methods, the authors aim to facilitate understanding and replication of the study by other researchers in the field.
Discussion
The research conducted during the International Ocean Discovery Program (IODP) Expedition 399 at Atlantis Massif has yielded a 1268 m core section of serpentinized oceanic mantle peridotite, interspersed with gabbroic intrusions. This section, which is the deepest drilled into oceanic mantle to date, reveals a predominance of serpentinized harzburgite (68% of the rock types), with significant variations in mineralogy and structure on both centimeter and meter scales. The mineralogical analysis indicates a depletion in clinopyroxene, with average modal proportions of 1.0%, suggesting high degrees of partial melting and subsequent melt migration processes that have influenced the composition of the upper mantle. The findings challenge conventional models of vertical melt migration, instead indicating an oblique flow pattern that aligns with the geometry of mantle upwelling.
The core also provides insights into hydrothermal alteration processes, particularly in relation to the Lost City hydrothermal field. The extent of serpentinization varies significantly, with averages around 80-90%, and is influenced by the presence of gabbroic intrusions, which appear to play a crucial role in regulating fluid compositions and facilitating hydrothermal activity. The alteration patterns observed in both peridotite and gabbroic rocks suggest a complex history of interaction between seawater and mantle-derived materials, with implications for understanding the geochemical cycles and potential for microbial life in these environments. Overall, the data from Expedition 399 enhances our understanding of the oceanic upper mantle’s composition, structure, and the processes governing its evolution.