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Nous rapportons des preuves d'un soulèvement actif du fond marin et d'émissions de gaz à plusieurs kilomètres au large du port de Naples (Italie) alimentent les systèmes hydrothermaux d'Ischia, Campi Flegre et Soma-Vesuvius, suggérant une source mantellique mélangée à des fluides crustaux sous le golfe de Naples. L'expansion et la rupture sous-marines causées par le processus de poussée de gaz et de pressurisation nécessitent une surpression de 2-3 MPa.
Les rejets hydrothermaux en haute mer (eau chaude et gaz) sont une caractéristique commune des dorsales médio-océaniques et des marges des plaques convergentes (y compris les parties submergées des arcs insulaires), tandis que les rejets froids d'hydrates de gaz (chlatrates) sont souvent caractéristiques des plateaux continentaux et des marges passives1, 2,3,4,5. cent de magma à travers les couches supérieures de la croûte terrestre et aboutissent à l'éruption et à la mise en place de monts sous-marins volcaniques6. relativement bien connues en raison de leurs propriétés géologiques et biologiques, les exceptions sont les caractéristiques morphologiques associées aux eaux moins profondes, à l'exception de celles qui se produisent dans Dans le lac 12, il y a relativement peu d'enregistrements.Nous présentons ici de nouvelles données bathymétriques, sismiques, de colonne d'eau et géochimiques pour une région sous-marine, morphologiquement et structurellement complexe affectée par les émissions de gaz dans le golfe de Naples (Italie du Sud), à environ 5 km du port de Naples.Ces données ont été recueillies lors de la campagne SAFE_2014 (août 2014) à bord du R/V Urania.Nous décrivons et interprétons les structures du fond marin et du sous-sol où se produisent les émissions de gaz, étudions les sources des fluides d'évacuation, identifions et caractérisons les mécanismes qui régulent l'élévation du gaz et la déformation associée, et discutons des impacts de la volcanologie.
Le golfe de Naples forme la marge ouest du Plio-Quaternaire, la dépression tectonique allongée NW-SE de la Campanie13,14,15.EW d'Ischia (vers 150-1302 après JC), le cratère Campi Flegre (vers 300-1538) et Soma-Vésuve (de <360-1944). (Fig. 1a). Le golfe de Naples est affecté par les failles dominantes NE-SW et secondaires NW-SE (Fig. 1)14,15. tremblements de terre).Des études récentes19,20 suggèrent qu'il pourrait y avoir un lien entre la dynamique de Soma-Vésuve et celle de Campi Flegre, possiblement associée à des réservoirs de magma uniques "profonds". régression du système sédimentaire offshore peu profond, qui a ensuite été rempli par des événements transgressifs au cours du Pléistocène supérieur-Holocène. Des émissions de gaz sous-marins ont été détectées autour de l'île d'Ischia et au large de Campi Flegre et près du mont Soma-Vésuve (Fig.1b).
(a) Dispositions morphologiques et structurelles du plateau continental et du golfe de Naples 15, 23, 24, 48. Les points sont les principaux centres d'éruption sous-marine ;les lignes rouges représentent les failles majeures. (b) Bathymétrie de la baie de Naples avec des évents de fluide détectés (points) et des traces de lignes sismiques (lignes noires). Les lignes jaunes sont les trajectoires des lignes sismiques L1 et L2 rapportées à la figure 6. -Les trames EM50 et ROV sont rapportées sur la Fig. 5. Le cercle jaune marque l'emplacement de la décharge de gaz d'échantillonnage, et sa composition est indiquée dans le tableau S1. Golden Software (http://www.goldensoftware.com/products/surfer) utilise des graphiques générés par Surfer® 13.
Sur la base des données obtenues lors de la Cruise Safe_2014 (août 2014) (voir méthodes), un nouveau modèle de terrain numérique (DTM) du golfe de Naples avec une résolution de 1 m a été construit. (BDM) .fig.1a,b).BdM se développe à une profondeur d'environ 100 à 170 mètres, 15 à 20 mètres au-dessus du fond marin environnant. m, respectivement. La circularité [C = 4π(aire/périmètre2)] des monticules diminuait avec l'augmentation du périmètre (Fig. 2b). Les rapports axiaux des monticules variaient entre 1 et 6,5, les monticules avec un rapport axial > 2 montrant une direction préférée N45°E + 15° et une direction secondaire plus dispersée, plus dispersée N105°E à N145°E (Fig. 2c).Des cônes simples ou alignés existent sur le plan BdM et au sommet du monticule (Fig. 3a, b). Les arrangements coniques suivent l'arrangement des monticules sur lesquels ils se trouvent. Les pockmarks sont généralement situés sur le fond marin plat (Fig. 3c) et occasionnellement sur les monticules.la route NW-SE moins étendue est située dans la région centrale de BdM.
(a) Modèle numérique de terrain (taille de cellule de 1 m) du dôme de Banco della Montagna (BdM). (b) Périmètre et rondeur des monticules BdM. (c) Rapport axial et angle (orientation) du grand axe de l'ellipse la mieux ajustée entourant le monticule. L'erreur type du modèle numérique de terrain est de 0,004 m ;les erreurs standard de périmètre et d'arrondi sont de 4,83 m et 0,01, respectivement, et les erreurs standard de rapport axial et d'angle sont de 0,04 et 3,34°, respectivement.
Détails des cônes, cratères, monticules et fosses identifiés dans la région BdM extraits du DTM sur la figure 2.
(a) Cônes d'alignement sur un fond marin plat ;(b) des cônes et des cratères sur des monticules élancés NW-SE ;(c) marques de pock sur une surface légèrement trempée.
(a) Répartition spatiale des cratères, des fosses et des rejets de gaz actifs détectés. (b) Densité spatiale des cratères et des fosses signalés en (a) (nombre/0,2 km2).
Nous avons identifié 37 émissions gazeuses dans la région BdM à partir d'images d'échosondeur de colonne d'eau ROV et d'observations directes du fond marin acquises lors de la campagne SAFE_2014 en août 2014 (Figures 4 et 5). des bulles denses s'écoulent vers des phénomènes de courte durée (film supplémentaire 1). L'inspection par ROV permet de vérifier visuellement l'apparition d'évents de fluides sur le fond marin et met en évidence de petites marques sur le fond marin, parfois entourées de sédiments rouges à orange (Fig. 5b). Dans certains cas, les canaux ROV réactivent les émissions. La morphologie de l'évent montre une ouverture circulaire au sommet sans évasement dans la colonne d'eau.5c,d).En particulier, le pH au-dessus de la décharge de gaz BdM à 75 m de profondeur a diminué de 8,4 (à 70 m de profondeur) à 7,8 (à 75 m de profondeur) (Fig. 5c), alors que d'autres sites dans le golfe de Naples avaient des valeurs de pH comprises entre 0 et 160 m dans l'intervalle de profondeur entre 8,3 et 8,5 (Fig. 5d). la zone BdM du golfe de Naples. À une profondeur de 70 m, la température est de 15 °C et la salinité est d'environ 38 PSU (Fig. 5c,d). Les mesures de pH, de température et de salinité ont indiqué : a) la participation de fluides acides associés au processus de dégazage BdM et b) l'absence ou l'évacuation très lente des fluides thermiques et de la saumure.
(a) Fenêtre d'acquisition du profil acoustique de la colonne d'eau (échomètre Simrad EK60). Bande verte verticale correspondant à la torche détectée sur le rejet de fluide EM50 (environ 75 m sous le niveau de la mer) situé dans la région BdM ;les signaux multiplex du fond et du fond marin sont également représentés (b) collectés avec un véhicule télécommandé dans la région BdM le panneau de la zone de décharge Bdm (d).
Nous avons prélevé trois échantillons de gaz dans la zone d'étude entre le 22 et le 28 août 2014. Ces échantillons présentaient des compositions similaires, dominées par le CO2 (934-945 mmol/mol), suivi par des concentrations pertinentes de N2 (37-43 mmol/mol), CH4 (16-24 mmol/mol) et H2S (0,10 mmol/mol) -0,44 mmol/mol), tandis que H2 et He étaient moins abondants (<0,052 et <0,016 mmol/mol, respectivement) (Fig. 1b; Tableau S1, Film supplémentaire 2). Des concentrations relativement élevées d'O2 et d'Ar ont également été mesurées (jusqu'à 3,2 et 0,18 mmol/mol, respectivement). La somme des hydrocarbures légers varie de 0,24 à 0,30 mmol/mol et se compose d'alcanes C2-C4, d'aromatiques (principalement du benzène), de propène et de composés soufrés (thiophène). La valeur 40Ar/36Ar est cohérente avec l'air (295,5), bien que l'échantillon EM35 (dôme BdM) ait une valeur de 304, montrant un léger excès de 40Ar. pour la pollution de l'air en utilisant le rapport 4He/20Ne) se situaient entre 1,66 et 1,94, indiquant la présence d'une grande fraction d'He du manteau. En combinant l'isotope de l'hélium avec le CO2 et son isotope stable 22, la source des émissions dans le BdM peut être davantage clarifiée. Dans la carte CO2 pour le CO2/3He par rapport au δ13C (Fig.6), la composition du gaz BdM est comparée à celle des fumerolles Ischia, Campi Flegrei et Somma-Vesuvius. par rapport aux MORB classiques dans le but d'ajuster les données) et les réactions provoquées par la décarbonation de la croûte La roche gazeuse résultante.
Des lignes hybrides entre la composition du manteau et les extrémités des sédiments calcaires et organiques sont rapportées à titre de comparaison. Les encadrés représentent les zones de fumerolles d'Ischia, Campi Flegrei et Somma-Vesvius 59, 60, 61. L'échantillon BdM est dans la tendance mixte du volcan Campanie. Le gaz de l'extrémité de la ligne mixte provient du manteau, qui est le gaz produit par la réaction de décarburation des minéraux carbonatés.
Les coupes sismiques L1 et L2 (Fig. 1b et 7) montrent la transition entre BdM et les séquences stratigraphiques distales des régions volcaniques Somma-Vesuvius (L1, Fig. 7a) et Campi Flegrei (L2, Fig. 7b). BdM se caractérise par la présence de deux formations sismiques majeures (MS et PS sur la Fig. 7). (Fig. 7b, c). Cette couche comprend des sédiments marins entraînés par le système du dernier maximum glaciaire (LGM) et se compose de sable et d'argile. La couche de PS sous-jacente (Fig. 7b – d) est caractérisée par une phase chaotique à transparente en forme de colonnes ou de sabliers. plis et failles qui affectent la couche MS et recouvrant les sédiments actuels du fond marin BdM (Fig. 7b – d). L'intervalle stratigraphique MS est clairement délaminé dans la partie ENE de la section L1, tandis qu'il blanchit vers BdM en raison de la présence d'une couche saturée en gaz (GSL) recouverte par certains niveaux internes de la séquence MS (Fig.7a). Les carottes gravimétriques prélevées au sommet du BdM correspondant à la couche sismique transparente indiquent que les 40 cm supérieurs sont constitués de sable déposé depuis peu jusqu'à nos jours ;)24,25 et des fragments de pierre ponce de l'éruption explosive des Campi Flegrei de "Naples Yellow Tuff" (14,8 ka)26. ainsi que l'apparence de la couche de PS de l'affleurement sous-marin (Fig. 7d) reflètent le soulèvement du gaz naturel.
(a) Profil sismique à voie unique L1 (tracé de navigation sur la Fig. 1b) montrant une disposition spatiale en colonne (pagode). La pagode est constituée de dépôts chaotiques de pierre ponce et de sable. c) Les détails de déformation dans MS et PS sont rapportés en (c,d). En supposant une vitesse de 1580 m/s dans le sédiment le plus élevé, 100 ms représentent environ 80 m sur l'échelle verticale.
Les caractéristiques morphologiques et structurelles de BdM sont similaires à celles d'autres champs hydrothermaux et d'hydrates de gaz sous-marins à l'échelle mondiale2,12,27,28,29,30,31,32,33,34 et sont souvent associées à des soulèvements (voûtes et monticules) et à des décharges de gaz (cônes, fosses). Les trous, les fosses et les évents actifs suggèrent que leur distribution est en partie contrôlée par les fractures d'impact NW-SE et NE-SW (Fig. 4b). Ce sont les directions préférées des systèmes de failles affectant les zones volcaniques Campi Flegrei et Somma-Vesuvius et le golfe de Naples. En particulier, la structure du premier contrôle la localisation de la décharge hydrothermale du cratère Campi Flegrei. la surface, une caractéristique partagée par d'autres systèmes hydrothermaux structurellement contrôlés36,37. Notamment, les cônes et les fosses BdM n'étaient pas toujours associés aux monticules (Fig.3a,c).Cela suggère que ces monticules ne représentent pas nécessairement des précurseurs de la formation de fosses, comme d'autres auteurs l'ont suggéré pour les zones d'hydrate de gaz32,33.Nos conclusions soutiennent l'hypothèse selon laquelle la perturbation des sédiments du fond marin du dôme ne conduit pas toujours à la formation de fosses.
Les trois émissions gazeuses collectées présentent des signatures chimiques typiques des fluides hydrothermaux, à savoir principalement du CO2 avec des concentrations importantes de gaz réducteurs (H2S, CH4 et H2) et d'hydrocarbures légers (notamment benzène et propylène)38,39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 (tableau S1). en contact avec des gaz stockés dans des boîtes en plastique utilisées pour l'échantillonnage, car les ROV sont extraits du fond de l'océan vers la mer pour se révolter. A l'inverse, des valeurs positives de δ15N et un N2/Ar élevé (jusqu'à 480) significativement supérieur à l'ASW (eau saturée en air) suggèrent que la majeure partie du N2 est produite à partir de sources extra-atmosphériques, en accord avec l'origine hydrothermale prédominante de ces gaz. L'origine hydrothermo-volcanique du gaz BdM est confirmée par le CO2 et les teneurs en He et leurs signatures isotopiques. Les isotopes du carbone (δ13C-CO2 de -0,93 % à +0,4 %) et les valeurs CO2/3He (de 1,7 × 1010 à 4,1 × 1010) suggèrent que les échantillons BdM appartiennent à une tendance mixte de fumerolles autour des extrémités du manteau du golfe de Naples et de décarbonation. La relation entre les gaz produits par la réaction (Figure 6). les échantillons de gaz sont situés le long de la tendance de mélange à peu près au même endroit que les fluides des volcans adjacents Campi Flegrei et Somma-Veusivus. Ils sont plus crustaux que les fumerolles d'Ischia, qui sont plus proches de l'extrémité du manteau. ;Tableau S1). Cela suggère que l'ajout et l'accumulation de He radiogénique proviennent de la même source de magma qui a alimenté les volcans Somma-Vesuvius et Campi Flegrei. L'absence de fractions détectables de carbone organique dans les émissions de BdM suggère que les sédiments organiques ne sont pas impliqués dans le processus de dégazage du BdM.
Sur la base des données rapportées ci-dessus et des résultats de modèles expérimentaux de structures en forme de dôme associées à des régions sous-marines riches en gaz, la pressurisation profonde du gaz peut être responsable de la formation de dômes BdM à l'échelle kilométrique. w et l'épaisseur h du (Fig. Supplémentaire S1). Pdef est la différence entre la pression totale et la pression statique de la roche plus la pression de la colonne d'eau. À BdM, le rayon est d'environ 2 500 m, w est de 20 m et le h maximum estimé à partir du profil sismique est d'environ 100 m. Nous calculons Pdef 46Pdef = w 64 D/a4 à partir de la relation, où D est la rigidité en flexion ;D est donné par (E h3)/[12(1 – ν2)], où E est le module d'Young du dépôt, ν est le coefficient de Poisson (~0,5)33. Les propriétés mécaniques des sédiments BdM ne pouvant être mesurées, nous fixons E = 140 kPa, ce qui est une valeur raisonnable pour des sédiments sableux côtiers 47 similaires à BdM14,24. ty dépôts d'argile (300 < E < 350 000 kPa)33,34 car les dépôts de BDM sont principalement constitués de sable, et non de limon ou d'argile limoneuse24. les sédiments et/ou l'apparition de fractures préexistantes peuvent également contribuer à la défaillance et à la libération de gaz qui en résulte, permettant la formation des structures de ventilation observées.7b,c).Cela suggère que la pierre ponce âgée de 14,8 à 12 ka s'est introduite dans la couche MS plus jeune par un processus de transport de gaz vers le haut. La migration ascendante des gaz dans les sédiments a également eu pour effet de frotter les matériaux contenus dans le MS, expliquant la présence de sédiments chaotiques dans les carottes gravitaires échantillonnées sur BdM25. De plus, la surpression du GSL crée un système de fracture complexe (faille polygonale sur la Fig. 7b). les effets de la montée des gaz31,33 ou des évaporites50. À la marge continentale de la Campanie, les sédiments évaporatifs sont rares, au moins dans les 3 km supérieurs de la croûte. Par conséquent, le mécanisme de croissance des pagodes BdM est susceptible d'être contrôlé par la montée des gaz dans les sédiments. Cette conclusion est étayée par le faciès sismique transparent de la pagode (Fig.7), ainsi que des données de carottes gravimétriques telles que rapportées précédemment24, où le sable actuel éclate avec 'Pomici Principali'25 et 'Naples Yellow Tuff'26 Campi Flegrei.En outre, les dépôts de PS ont envahi et déformé la couche supérieure de MS (Fig. 7d). les sédiments diminuent à mesure que le gaz pénètre par le bas ;b) le mélange gaz-sédiment augmente, ce qui est le plissement, la formation de failles et la fracture observés. graphie du noyau de gravité BdM, nous en déduisons que l'âge de formation des structures de pagode est inférieur à environ 14-12 ka. De plus, la croissance de ces structures est toujours active (Fig. 7d) car certaines pagodes ont envahi et déformé le sable BdM actuel sus-jacent (Fig. 7d).
L'incapacité de la pagode à traverser le fond marin actuel indique que (a) la montée de gaz et/ou l'arrêt local du mélange gaz-sédiments, et/ou (b) un éventuel écoulement latéral du mélange gaz-sédiments ne permet pas un processus de surpression localisé. la densité du mélange due à la disparition de l'alimentation en gaz. Les résultats résumés ci-dessus et l'élévation de la pagode sous contrôle de la flottabilité permettent d'estimer la hauteur de la colonne d'air hg. plaque sédimentaire, c'est-à-dire ρsg h, où ρs est la densité du sédiment. Dans ce cas, la valeur de hg nécessaire à la flottabilité souhaitée est donnée par hg = (Pdef + Plith)/[g (ρw – ρg)].Dans BdM, on fixe Pdef = 0,3 Pa et h = 100 m (voir ci-dessus), ρw = 1 030 kg/m3, ρs = 2 500 kg/m3 , ρg est négligeable car ρw ≫ρg. Nous obtenons hg = 245 m, une valeur représentant la profondeur du fond du GSL. ΔP est de 2,4 MPa, soit la surpression nécessaire pour briser le fond marin BdM et former des évents.
La composition du gaz BdM est cohérente avec les sources du manteau modifiées par l'ajout de fluides associés aux réactions de décarbonisation des roches crustales (Fig. 6). (Somma-Vesuivus) (Figs. 1b et 6).
Nous avons conclu que dans la baie de Naples, à quelques kilomètres du port de Naples, il existe une structure en forme de dôme de 25 km2 de large qui est affectée par un processus de dégazage actif et causé par la mise en place de pagodes et de monticules. signaux physiques indicatifs de perturbations magmatiques potentielles.
Les profils acoustiques de la colonne d'eau (2D) ont été acquis lors de la campagne SAFE_2014 (août 2014) sur le N/R Urania (CNR) par l'Institut National de Recherche sur l'Environnement Marin Côtier (IAMC). L'échantillonnage acoustique a été réalisé par un échosondeur scientifique à séparation de faisceau Simrad EK60 fonctionnant à 38 kHz. Les données acoustiques ont été enregistrées à une vitesse moyenne d'environ 4 km. dans la zone de collecte (entre 74 et 180 m bsl). Mesurer les paramètres physiques et chimiques de la colonne d'eau à l'aide de sondes multiparamètres (conductivité, température et profondeur, CTD). véhicule motorisé) avec deux caméras (basse et haute définition).
L'acquisition de données multifaisceaux a été réalisée à l'aide d'un système de sonar multifaisceaux Simrad EM710 100 KHz (Kongsberg). Le système est relié à un système de positionnement global différentiel pour assurer des erreurs sub-métriques dans le positionnement du faisceau. L'impulsion acoustique a une fréquence de 100 KHz, une impulsion de déclenchement de 150° degrés et une ouverture complète de 400 faisceaux. selon la norme de l'Organisation hydrographique internationale (https://www.iho.int/iho_pubs/standard/S-44_5E.pdf) pour la navigation et la correction des marées. direction du faisceau. L'ensemble de données comprend environ 440 km2 (0-1200 m de profondeur). Les données ont été utilisées pour fournir un modèle numérique de terrain (MNT) à haute résolution caractérisé par une taille de cellule de grille de 1 m. Le MNT final (Fig.1a) a été réalisée avec des données de terrain (> 0 m au-dessus du niveau de la mer) acquises à la taille de cellule de grille de 20 m par l'Institut géo-militaire italien.
Un profil de données sismiques monocanal haute résolution de 55 kilomètres, collecté lors de croisières océaniques sécurisées en 2007 et 2014, couvrait une superficie d'environ 113 kilomètres carrés, tous deux sur le N/R Urania. La signature de la source consiste en un seul pic positif caractérisé dans la gamme de fréquences 1-10 kHz et permet de résoudre des réflecteurs séparés de 25 cm. 0 cm.Les appareils Safe et Marsik ont ​​été obtenus à une vitesse de 0,33 coups/s avec une vitesse de navire <3 Kn. Les données ont été traitées et présentées à l'aide du logiciel Geosuite Allworks avec le flux de travail suivant : correction de la dilatation, désactivation de la colonne d'eau, filtrage IIR passe-bande de 2 à 6 kHz et AGC.
Le gaz de la fumerolle sous-marine a été collecté sur le fond marin à l'aide d'une boîte en plastique équipée d'un diaphragme en caoutchouc sur sa face supérieure, placée à l'envers par le ROV au-dessus de l'évent. Une fois que les bulles d'air entrant dans la boîte ont complètement remplacé l'eau de mer, le ROV est de retour à une profondeur de 1 m, et le plongeur transfère le gaz collecté à travers un septum en caoutchouc dans deux flacons en verre pré-évacués de 60 ml équipés de robinets en téflon dans lesquels One a été rempli avec 20 ml de solution de NaOH 5N. (ballon de type Gegenbach). Les principales espèces gazeuses acides (CO2 et H2S) sont dissoutes dans la solution alcaline, tandis que les espèces gazeuses peu solubles (N2, Ar+O2, CO, H2, He, Ar, CH4 et hydrocarbures légers) sont stockées dans l'espace de tête de la bouteille de prélèvement. 54. L'argon et l'O2 ont été analysés à l'aide d'un chromatographe en phase gazeuse Thermo Focus équipé d'une colonne de tamis moléculaire capillaire de 30 m de long et de TCD. as, titré avec une solution HCl 0,5 N (Metrohm Basic Titrino) et 2) H2S, as, après oxydation avec 5 mL H2O2 (33 %), par chromatographie ionique (IC) (IC) (Wantong 761). L'erreur analytique de titrage, d'analyse GC et IC est inférieure à 5 %. PDB) a été analysé à l'aide d'un spectromètre de masse Finningan Delta S55,56. Les normes utilisées pour estimer la précision externe étaient le marbre de Carrare et de San Vincenzo (interne), NBS18 et NBS19 (international), tandis que l'erreur analytique et la reproductibilité étaient de ± 0,05 % et ± 0,1 %, respectivement.
Les valeurs de δ15N (exprimées en % par rapport à l'air) et 40Ar/36Ar ont été déterminées à l'aide d'un chromatographe en phase gazeuse (GC) Agilent 6890 N couplé à un spectromètre de masse à flux continu Finnigan Delta plusXP. est le même rapport dans l'atmosphère : 1,39 × 10−6)57 a été déterminé au laboratoire de l'INGV-Palerme (Italie) 3He, 4He et 20Ne ont été déterminés à l'aide d'un spectromètre de masse à double collecteur (Helix SFT-GVI)58 après séparation de He et Ne.
Comment citer cet article : Passaro, S. et al.Le soulèvement du fond marin entraîné par un processus de dégazage révèle une activité volcanique naissante le long de la côte.science.Rep.6, 22448;doi : 10.1038/srep22448 (2016).
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