Project

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Hydration and carbonation of mantle peridotite: Drilling the Atlantis Massif (MAR 30°N) and the Samail ophiolite (Oman)

Applicant Bernasconi-Green Gretchen
Number 163187
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Geochemie und Petrologie ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.01.2016 - 31.01.2021
Approved amount 496'664.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Geochemistry
Other disciplines of Earth Sciences

Keywords (14)

ICDP continental drilling; IODP ocean drilling; Global carbon cycle; Organic geochemistry; Carbonate precipitation; Upper mantle rocks; Abiotic and biotic carbon; Atlantis Massif; Serpentinization; CO2 sequestration; Lost City; Deep biosphere; Mid-Atlantic Ridge; Oman

Lay Summary (German)

Lead
Wir werden uns an zwei internationalen Bohrkampagnen beteiligen: 1) IODP Expedition 357 zum Atlantis Massiv am Mittelozeanischen Rücken im Atlantik (30°N), mit G. Bernasconi Früh-Green als leitende (Co-chief) Wissenschaftlerin; und (2) Bohrungen in den Samail Ophiolithen in Oman als Teil des ICDP „Oman Drilling Project“. Unser Ziel ist es, die Umwandlungsprozesse (Serpentinisierung) von Mantelgesteinen zu untersuchen und die Verteilung von Kohlenstoff in Gasen, Mineralien und organischen Materialien zu bestimmen. Die Wechselwirkung von sauerstoffreichen Oberflächenwässer (Meerwasser, Grundwasser) mit Olivinen und Pyroxenen in Mantelperidotiten führt zu einem fundamentalen Umwandlungsprozess in den Gesteinen. Die so entstehenden extremen chemischen Bedingungen beeinflussen die Bildung der Karbonate und den Kohlenstoffkreislauf in vielfältiger Weise.
Lay summary

Serpentinisierung führt zu stark reduzierenden Bedingungen und fördert die abiotische Produktion von Wasserstoff und Methan sowie weiteren Formen von reduziertem Kohlenstoff. Diese können in Abwesenheit von Sonnenlicht von mikrobiellen Lebewesen als mögliche Energiequellen genutzt werden. Die Alteration von am Meeresboden oder an Land aufgeschlossenen Mantelgesteinen produziert stark alkalische Wässer.  Diese ermöglichen die Aufnahme von CO2 und führen im Kontakt mit Meer- oder Grundwasser zur Ausfällung von Karbonaten. Serpentinite sind somit wichtige Reservoirs für Kohlenstoff in Form von Karbonatmineralien sowie abiotisch und biotisch produziertem organischem Kohlenstoff. Dieser kann in den alten Mantelgesteinen hunderte Millionen Jahre gespeichert werden.

In diesem Projekt werden wir eine Kombination von mikrostrukturellen, mineralogischen und geochemischen, isotopenbestimmenden und spektroskopischen Methoden anwenden, um die Wechselwirkung von Fluiden und Peridotien zu untersuchen. Im Atlantis Massiv und den Samail Ophiolithen werden Herkunft, Verteilung und Kreislauf des Kohlenstoffs während der Serpentinisierung untersucht. Schlussendlich möchten wir besser verstehen, wie, wann und wo die Bildung von biotischen resp. abiotischen Kohlenstoffverbindungen begünstigt wird.

Unsere Fragen sind: Welche sind die wichtigste Kohlenstoffhaltige Phasen in Serpentiniten? Wie können abiotisch und biotisch fixierter Kohlenstoff in Serpentiniten unterschieden werden? Welche Rollen spielen die Serpentinisierung in Bezug auf Kohlenstoffbindung und Wasserstoffgenerierende Reaktionen in der Bildung und im Kreislauf von abiotischem und/oder biotischem Kohlenstoff? Wie unterscheiden sich diese Prozesse in marinen und meteorischen Systemen und wie kann die Sättigung an Kohlensäure und CO2-Bindung im natürlichen System quantifiziert werden?

 

Direct link to Lay Summary Last update: 16.10.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
143891 Unravelling Abiotic and Biotic Sources and Sinks of Carbon in Marine Hydrothermal Systems 01.10.2012 Project funding (Div. I-III)
147145 Swiss Membership in the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) 01.01.2014 Research Infrastructure
183294 QCL4CLUMPS: Simultaneous QC laser spectroscopic analysis of clumped 13C-D and D-D (2 x 2) isotopes in CH4 01.03.2020 R'EQUIP
147139 Swiss participation in the International Ocean Discovery Program (IODP) through membership in the European Consortium for Ocean Research Drilling (ECORD) 01.01.2014 Research Infrastructure
146886 Fluid-Rock Interaction and Fluid Fluxes in Mafic and Ultramafic Seafloor II: Peridotite-hosted Hydrothermal Systems Past and Present 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)
132030 SwissSIMS: A request for a Swiss National Dynamic Secondary Ion Probe Facility 01.10.2010 Research Infrastructure
131922 Life in Extreme Environments II: Carbon and Nitrogen Cycles in High Alkaline Systems 01.10.2010 Project funding (Div. I-III)
182091 Swiss participation in the International Ocean Discovery Program (IODP) through membership in the European Consortium for Ocean Research Drilling (ECORD) 01.01.2019 Research Infrastructure
169892 Swiss participation in the International Ocean Discovery Program (IODP) through membership in the European Consortium for Ocean Research Drilling (ECORD) 01.01.2017 Research Infrastructure
182090 Swiss membership in the International Scientific Continental Drilling Program ICDP 01.01.2019 Research Infrastructure

Abstract

This project will take advantage of opportunities to participate in two exciting scientific drilling projects that target active hydration (serpentinization) and carbonation processes in upper mantle rocks: (1) IODP Expedition 357 to the Atlantis Massif at the Mid-Atlantic Ridge 30°N, with G. Bernasconi Früh-Green as invited Co-chief Scientist; and (2) drilling on land in the Samail Ophiolite as part of the ICDP Oman Drilling Project. The interaction of oxidized surface waters (seawater, ground water) with olivine and pyroxene in mantle peridotites is a fundamental process that results in extreme chemical conditions that affect the speciation and cycling of carbon in a number of ways. Serpentinization reactions lead to highly reducing conditions and the abiotic production of hydrogen and methane as well as other forms of reduced carbon, which provide possible sources of energy to fuel microbial life in the absence of sunlight. The alteration of mantle rocks exposed on the seafloor and on land also produces highly alkaline waters, which trigger the uptake of CO2 and deposit carbonate when mixed with seawater or groundwater. Serpentinites are thus an important reservoir for carbon in the form of carbonate minerals as well as abiotically and biotically produced organic carbon, all of which can survive in ancient mantle domains for hundreds of millions of years. We will combine microstructural, mineralogical and state-of-the-art geochemical, isotopic and spectroscopic methods to evaluate how fluid flow paths, microfractures and permeability networks evolve with time and to investigate the origin, distribution and cycling of carbon during serpentinization in the two distinct environments: the Atlantis Massif in the Atlantic Ocean and the Samail Ophiolite in Oman. Ultimately we aim to better understand how, when, and where the formation of abiotic vs biotic carbon compounds is favoured in serpentinizing environments. We will address fundamental questions, such as: What are the dominant carbon-bearing phases and the nature of reduced carbon in serpentinites in these two tectonically distinct environments? What are the rates of carbon fixation (as biomass, solid reduced carbon, or carbonate) in ultramafic rocks during low temperature hydrothermal alteration and weathering? How can we distinguish abiotic from biotic carbon in serpentinites? What are the roles of serpentinization in carbon sequestration and H2-generating reactions in the formation and cycling of abiotic and/or biotic carbon? How do these processes vary between marine and meteoric systems, and how can carbonation and CO2 sequestration be quantified in natural systems?
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