Spanish Translation Below
The origins of this expedition – “Searching for Serpentinization-Driven Hydrothermal Activity on Oceanic Core Complexes of the Mid-Atlantic Ridge” – go back to the year 2000, when a talented team of marine geologists and oceanographers were surveying and exploring an oceanic core complex with the submersible Alvin at the intersection of the Atlantis fracture zone and the Mid-Atlantic Ridge (MAR) near 30N. During an overnight towed-camera survey near the summit of the Atlantis Massif, massive white towers appeared, and they were unlike anything this experienced group had ever seen on the seafloor. When the Alvin submersible made the first dive there a short time later, they found a field of towering calcium carbonate chimneys, with a few sites of active warm fluid flow, and took the first samples from this incredible new site, dubbed “Lost City.” I was not on this expedition, but my colleague Deborah Kelley of the University of Washington brought back three precious fluid samples for me to analyze. In contrast to the acidic, metal-rich fluids from the many high-temperature ‘black smoker’ fluids found on volcanic sites, Lost City fluids were high pH (alkaline), with barely a trace of iron detectable. They were the product of a very different type of water-rock reaction, a process called serpentinization.
When mantle rocks encounter water, a series of reactions occurs, generating hydrogen and a host of other reaction products, including methane. Fluid pH goes up, lowering the solubility of trace metals like iron and manganese, and carbonate minerals form white veins in the dark rock, removing dissolved CO2 from seawater that percolates through cracks. When the high-pH, CO2-depleted fluids leak out of the seafloor and mix with bottom seawater, more calcium carbonate minerals form, slowly building the huge white towers found at Lost City. These towers take many thousands of years to form; chimney samples have ages ranging from a few hundred years (actively forming) to more than 100,000 years old.
Well before the Lost City field was discovered, serpentinization was known to be an important process on the seafloor, based on results of scientific ocean drilling into the seafloor, and from the study of seafloor rocks recovered by dredging or other methods. But the seafloor expression of mineral formation from serpentinization-derived fluids was not informed by direct observations of places like Lost City. With that discovery in 2000, many questions arose. What conditions produce this kind of seafloor hydrothermal system? How common are carbonate chimneys? What are the implications for ocean chemistry? What role does serpentinization play in the global CO2 cycle, and could this reaction somehow be used to remove and store large quantities of CO2 from the atmosphere? What kind of microbes live in these systems and how do they fit in with theories of how life may have developed on Earth or other planets and moons?
We have learned so much from the studies done at Lost City, but are there other fields like this waiting to be discovered? Are there other forms of venting related to serpentinization of mantle rocks that we haven’t seen yet? The total seafloor area where serpentinization could produce alkaline venting is huge- estimates say 30% of the seafloor around the Mid-Atlantic Ridge could be oceanic core complex terrain. It would help our understanding of the global significance of this process if we had more examples to study, and if we understood the global distribution of this kind of venting. And that is essentially why we are embarking on this expedition to the Mid-Atlantic Ridge and targeting oceanic core complexes. This fits with a broader, long-term effort by a large scientific community to understand the connection between the geologic/tectonic setting of hydrothermal systems, their fluid chemistry, and the chemosynthetic microbial and animal communities that live on them. We are not the only group of people who have thought about this or proposed to do it, but there are many challenges to this project, and getting the resources to execute an exploration plan is difficult, to say the least.
We are fortunate that Schmidt Ocean Institute and NOAA Ocean Exploration have teamed up to make this expedition possible. Our science team and our equipment is converging on San Juan, Puerto Rico (I am writing this on a flight to San Juan). We invite you to follow our progress through the web site. There is a lot more to this expedition than I have just described, so watch for future updates.
En busca de ciudades hidrotermales perdidas – Blog#1 2/28/2023
Comenzando la Expedición. Dave Butterfield, Universidad de Washington y NOAA Pacific Marine Environmental Lab
Los orígenes de esta expedición – “Búsqueda de actividad hidrotermal impulsada por serpentinización en los complejos de núcleos oceánicos de la Dorsal Mesoatlántica”- se remontan al año 2000, cuando un equipo de geólogos y oceanógrafos marinos de gran talento estaba estudiando y explorando un complejo de núcleos oceánicos con el sumergible Alvin en la intersección de la zona de fractura Atlantis y la Dorsal Mesoatlántica (SAM) cerca de 30N. Durante un sondeo nocturno con una cámara remolcada cerca de la cima del Macizo Atlantis, aparecieron unas enormes torres blancas, que no se parecían a nada que este experimentado grupo hubiera visto nunca en el fondo marino. Poco después, cuando el sumergible Alvin realizó la primera inmersión, descubrió un campo de chimeneas de carbonato cálcico, con algunos puntos de flujo activo de fluidos cálidos, y tomó las primeras muestras de este nuevo e increíble yacimiento, bautizado como “Ciudad Perdida”. Yo no participé en esta expedición, pero mi colega Deborah Kelley, de la Universidad de Washington, me trajo tres preciosas muestras de fluidos para que las analizara. En contraste con los fluidos ácidos y ricos en metales de los muchos fluidos “fumígenos negros” de alta temperatura encontrados en yacimientos volcánicos, los fluidos de Ciudad Perdida tenían un pH alto (alcalino), con apenas un rastro de hierro detectable. Eran el producto de un tipo muy diferente de reacción agua-roca, un proceso llamado serpentinización.
Cuando las rocas del manto se encuentran con agua, se produce una serie de reacciones que generan hidrógeno y otros productos de reacción, como el metano. El pH del fluido aumenta, reduciendo la solubilidad de metales traza como el hierro y el manganeso, y los minerales carbonatados forman vetas blancas en la roca oscura, eliminando el CO2 disuelto del agua de mar que se filtra a través de las grietas. Cuando los fluidos pobres en CO2 y de alto pH se filtran fuera del lecho marino y se mezclan con el agua de mar del fondo, se forman más minerales de carbonato cálcico, construyendo lentamente las enormes torres blancas que se encuentran en Ciudad Perdida. Estas torres tardan muchos miles de años en formarse; las muestras de chimeneas tienen edades que van desde unos pocos cientos de años (en formación activa) hasta más de 100.000 años.
Mucho antes de que se descubriera el yacimiento de Ciudad Perdida, se sabía que la serpentinización era un proceso importante en el fondo marino, basándose en los resultados de las perforaciones oceánicas científicas del fondo marino y en el estudio de las rocas del fondo marino recuperadas mediante dragado u otros métodos. Pero la expresión en el fondo marino de la formación de minerales a partir de fluidos derivados de la serpentinización no se basaba en observaciones directas de lugares como Ciudad Perdida. Con ese descubrimiento en el 2000, surgieron muchas preguntas. ¿Qué condiciones producen este tipo de sistema hidrotermal en el fondo marino? ¿Son comunes las chimeneas de carbonato? ¿Cuáles son las implicaciones para la química oceánica? ¿Qué papel desempeña la serpentinización en el ciclo global del CO2, y podría utilizarse de algún modo esta reacción para extraer y almacenar grandes cantidades de CO2 de la atmósfera? ¿Qué tipo de microbios viven en estos sistemas y cómo encajan en las teorías sobre cómo pudo desarrollarse la vida en la Tierra o en otros planetas y lunas?
Hemos aprendido mucho de los estudios realizados en Ciudad Perdida, pero ¿hay otros yacimientos como éste esperando a ser descubiertos? ¿Existen otras formas de ventilación relacionadas con la serpentinización de las rocas del manto que aún no hayamos visto? La superficie total de los fondos marinos en los que la serpentinización podría producir fumarolas alcalinas es enorme: se calcula que el 30% de los fondos marinos alrededor de la Dorsal Mesoatlántica podría ser terreno complejo de núcleo oceánico. Si tuviéramos más ejemplos para estudiar y comprendiéramos la distribución global de este tipo de ventilación, podríamos comprender mejor la importancia global de este proceso. Por eso nos embarcamos en esta expedición a la Dorsal Mesoatlántica y nos centramos en los complejos de núcleos oceánicos. Esto se inscribe en un esfuerzo más amplio y de largo plazo de una gran comunidad científica por comprender la conexión entre el entorno geológico/tectónico de los sistemas hidrotermales, la química de sus fluidos y las comunidades animales y microbianas quimiosintéticas que viven en ellos. No somos el único grupo de personas que ha pensado en esto o se ha propuesto hacerlo, pero este proyecto plantea muchos retos, y conseguir los recursos para ejecutar un plan de exploración es, cuando menos, difícil.
Tenemos la suerte de que el Schmidt Ocean Institute y NOAA Ocean Exploration se hayan unido para hacer posible esta expedición. Nuestro equipo científico y nuestro equipo están convergiendo en San Juan, Puerto Rico (estoy escribiendo esto en un vuelo a San Juan). Le invitamos a seguir nuestro progreso a través del sitio web. Hay mucho más en esta expedición de lo que acabo de describir, así que estén atentos a futuras actualizaciones.
