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이탈리아 나폴리 항구에서 수 킬로미터 떨어진 해저에서 활발한 해저 융기와 가스 분출의 증거를 보고합니다. 해저에는 포크마크, 언덕, 분화구 등의 지형이 나타나는데, 이는 오늘날 해저에 영향을 미치는 탑, 단층, 습곡을 포함한 얕은 지각 구조의 상부를 나타냅니다. 이러한 지형은 맨틀 용융물과 지각 암석의 탈탄소화 반응에서 헬륨과 이산화탄소가 상승, 가압 및 방출된 흔적입니다. 이 가스들은 이스키아, 캄피 플레그레, 소마-베수비오 열수 시스템을 공급하는 가스와 유사할 가능성이 높으며, 이는 나폴리 만 아래에 지각 유체와 혼합된 맨틀 기원의 가스가 존재함을 시사합니다. 가스 상승 및 가압 과정으로 인한 해저 팽창과 파열에는 2~3 MPa의 과압이 필요합니다. 해저 융기, 단층 및 가스 분출은 비화산성 지각 변동의 징후이며, 이는 해저 분출 및/또는 열수 활동을 예고할 수 있습니다. 폭발.
심해 열수(뜨거운 물과 가스) 분출은 해령과 수렴형 판 경계(호의 수중 부분 포함)에서 흔히 나타나는 특징인 반면, 가스 수화물(클라트레이트)의 차가운 분출은 대륙붕과 수동형 경계에서 흔히 나타납니다.1, 2,3,4,5 연안 지역에서 해저 열수 분출이 발생하는 것은 대륙 지각 및/또는 맨틀 내에 열원(마그마 저장소)이 존재함을 시사합니다. 이러한 분출은 지구 ​​지각 최상층을 통한 마그마 상승에 앞서 발생할 수 있으며, 해저 화산의 분출 및 형성으로 이어질 수 있습니다.6 따라서 (a) 활발한 해저 변형과 관련된 지형 및 (b) 이탈리아 나폴리 화산 지역(인구 약 100만 명)과 같이 인구가 밀집된 연안 지역 근처에서의 가스 분출을 파악하는 것은 화산 활동 가능성을 평가하는 데 매우 중요합니다. 또한, 심해 열수 분출과 관련된 지형적 특징은 얕은 심도에서 분출될 수 있습니다. 열수 가스 또는 수화물 가스 분출은 지질학적 및 생물학적 특성으로 인해 비교적 잘 알려져 있지만, 얕은 수심과 관련된 지형적 특징은 예외적으로 기록이 부족합니다. 특히 12번 호수에서 발생하는 경우는 더욱 그렇습니다. 본 연구에서는 이탈리아 남부 나폴리 만, 나폴리 항구에서 약 5km 떨어진 곳에 위치한, 형태학적 및 구조적으로 복잡한 수중 가스 분출 지역에 대한 새로운 수심, 지진, 수층 및 지구화학적 데이터를 제시합니다. 이 데이터는 2014년 8월 연구선 R/V Urania호를 이용한 SAFE_2014 탐사 기간 동안 수집되었습니다. 본 연구에서는 가스 분출이 발생하는 해저 및 지하 구조를 기술하고 해석하며, 분출 유체의 근원을 조사하고, 가스 상승 및 관련 변형을 조절하는 메커니즘을 규명 및 특성화하고, 화산 활동에 미치는 영향을 논의합니다.
나폴리 만은 플리오세-제4기 서쪽 경계를 이루며, 북서-남동 방향으로 길게 뻗은 캄파니아 구조 함몰지입니다.13,14,15 이스키아 섬(기원전 150년경~1302년), 캄피 플레그레 분화구(기원전 300년경~1538년), 소마-베수비오 산(기원전 360년~1944년)의 동서쪽에 위치합니다. 이러한 지형적 특징으로 인해 만은 북쪽으로 한정되며, 남쪽으로는 소렌토 반도와 접해 있습니다(그림 1a). 나폴리 만은 주로 북동-남서 방향의 단층과 이차적인 북서-남동 방향의 주요 단층의 영향을 받습니다(그림 1).14,15 이스키아 섬, 캄피 플레그레이 산, 소마-베수비오 산은 열수 활동, 지표 변형, 천부 지진 활동이 특징적입니다.16,17,18 (예: 캄피 플레그레이 산의 격변 지진). 1982년부터 1984년까지 1.8m의 융기와 수천 건의 지진이 발생했습니다. 최근 연구19,20에 따르면 소마-베수비오와 캄피 플레그레의 역학 사이에 '심부' 단일 마그마 저장소와 관련된 연관성이 있을 수 있다고 합니다. 캄피 플레그레이의 지난 36,000년과 소마-베수비오의 지난 18,000년 동안의 화산 활동과 해수면 변동은 나폴리 만의 퇴적 시스템을 제어했습니다. 마지막 빙하기 최대기(18,000년 전)의 낮은 해수면은 해양-천해 퇴적 시스템의 후퇴를 초래했고, 이후 후기 플라이스토세-홀로세 동안의 해침 사건으로 채워졌습니다. 이스키아 섬 주변과 캄피 플레그레 해안, 그리고 소마-베수비오 산 근처에서 해저 가스 분출이 감지되었습니다(그림 1b).
(a) 대륙붕과 나폴리만의 형태학적 및 구조적 배치 15, 23, 24, 48. 점은 주요 해저 분출 중심지입니다. 붉은 선은 주요 단층을 나타냅니다. (b) 나폴리 만의 수심도와 검출된 유체 분출구(점) 및 지진 탐사선의 궤적(검은 선)입니다. 노란색 선은 그림 6에 보고된 지진 탐사선 L1과 L2의 궤적입니다. 방코 델라 몬타냐(BdM) 돔형 구조의 경계는 (a,b)에서 파란색 점선으로 표시되어 있습니다. 노란색 사각형은 음향 수층 프로파일의 위치를 ​​나타내며, CTD-EMBlank, CTD-EM50 및 ROV 프레임은 그림 5에 나와 있습니다. 노란색 원은 샘플링 가스 방출 위치를 나타내며, 그 구성은 표 S1에 나와 있습니다. Golden Software(http://www.goldensoftware.com/products/surfer)는 Surfer® 13에서 생성된 그래픽을 사용합니다.
SAFE_2014(2014년 8월) 탐사에서 얻은 데이터(방법 참조)를 기반으로 1m 해상도의 나폴리 만 디지털 지형 모델(DTM)이 새로 구축되었습니다. DTM은 나폴리 항구 남쪽 해저면이 완만하게 경사진 남향(경사 ≤3°) 표면으로 이루어져 있으며, 현지에서 Banco della Montagna(BdM)로 알려진 5.0 × 5.3km 크기의 돔형 구조물에 의해 단절되어 있음을 보여줍니다. 그림. 1a,b). BdM은 주변 해저면보다 15~20m 높은 약 100~170m 깊이에서 발달했습니다. BdM 돔은 280개의 준원형에서 타원형의 언덕(그림 2a), 665개의 원뿔, 그리고 30개의 구덩이(그림 3, 4)로 이루어져 언덕과 같은 형태를 보였습니다. 이 언덕의 최대 높이와 ​​둘레는 각각 22m와 1,800m입니다. 언덕의 원형도[C = 4π(면적/둘레²)]는 둘레가 증가함에 따라 감소했습니다(그림 2b). 언덕의 축비는 1에서 6.5 사이였으며, 축비가 2보다 큰 언덕은 N45°E + 15°의 우선적인 방향과 더 분산된 N105°E ~ N145°E의 부차적인 방향을 보였습니다(그림 2c). BdM 평면과 둔덕 꼭대기에는 단일 또는 정렬된 원뿔이 존재합니다(그림 3a,b). 원뿔 배열은 그것들이 위치한 둔덕의 배열을 따릅니다. 포크마크는 일반적으로 평평한 해저면(그림 3c)에 위치하며 때때로 둔덕에도 나타납니다. 원뿔과 포크마크의 공간 밀도는 주로 북동-남서 방향으로 정렬되어 BdM 돔의 북동쪽과 남서쪽 경계를 구분함을 보여줍니다(그림 4a,b). 상대적으로 덜 확장된 북서-남동 방향의 경로는 BdM 중앙 지역에 위치합니다.
(a) 방코 델라 몬타냐(BdM) 돔의 디지털 지형 모델(셀 크기 1m). (b) BdM 언덕의 둘레와 원형도. (c) 언덕을 둘러싼 최적 타원의 축비 및 장축 각도(방향). 디지털 지형 모델의 표준 오차는 0.004m이고, 둘레와 원형도의 표준 오차는 각각 4.83m와 0.01이며, 축비와 각도의 표준 오차는 각각 0.04와 3.34°입니다.
그림 2의 DTM에서 추출한 BdM 지역의 확인된 원뿔, 분화구, 둔덕 및 구덩이에 대한 세부 정보.
(a) 평평한 해저면의 정렬 원뿔; (b) 북서-남동 방향의 가느다란 언덕 위의 원뿔과 분화구; (c) 약간 경사진 표면의 움푹 패인 자국.
(a) 탐지된 분화구, 구덩이 및 활성 가스 분출의 공간 분포. (b) (a)에서 보고된 분화구 및 구덩이의 공간 밀도(개수/0.2km²).
2014년 8월 SAFE_2014 탐사 기간 동안 ROV 수층 음향측심기 이미지와 해저 직접 관찰을 통해 BdM 지역에서 37개의 기체 분출 지점을 확인했습니다(그림 4 및 5). 이러한 분출의 음향 이상 현상은 해저면에서 12m에서 약 70m 높이까지 수직으로 길게 솟아오르는 형태를 보였습니다(그림 5a). 어떤 곳에서는 음향 이상 현상이 거의 연속적인 "열차"처럼 이어졌습니다. 관찰된 기포 기둥은 연속적이고 밀집된 기포 흐름부터 단시간에 발생하는 현상까지 매우 다양했습니다(보충 영상 1). ROV 검사를 통해 해저 유체 분출구의 발생을 시각적으로 확인할 수 있었고, 해저면의 작은 움푹 패인 자국들을 확인할 수 있었는데, 때로는 붉은색에서 주황색 퇴적물로 둘러싸여 있었습니다(그림 5b). 어떤 경우에는 ROV 채널링 과정에서 분출이 다시 활성화되기도 했습니다. 분출구의 형태는 상단에 원형 개구부가 있고 수층에서는 확장되지 않는 것을 보여줍니다. 분출 지점 바로 위 수층의 pH는 크게 떨어져 산성도가 높아졌음을 나타냅니다. 국지적인 조건은 다음과 같습니다(그림 5c,d). 특히, BdM 가스 배출 지점 위 75m 깊이의 pH는 70m 깊이에서 8.4였던 것이 75m 깊이에서는 7.8로 감소했습니다(그림 5c). 반면 나폴리 만의 다른 지점들은 0~160m 깊이에서 pH 값이 8.3~8.5 사이였습니다(그림 5d). 나폴리 만 BdM 지역 안팎의 두 지점에서는 해수 온도와 염도의 유의미한 변화가 관찰되지 않았습니다. 70m 깊이에서 온도는 15°C, 염도는 약 38 PSU였습니다(그림 5c,d). pH, 온도, 염도 측정 결과는 다음과 같은 점을 시사합니다. a) BdM 탈기 과정과 관련된 산성 유체의 존재, b) 열 유체 및 염수의 배출이 없거나 매우 느리다는 점.
(a) 음향 수층 프로파일(Simrad EK60 에코미터)의 획득 창. 수직 녹색 띠는 BdM 영역에 위치한 EM50 유체 방출 지점(해수면 아래 약 75m)에서 감지된 가스 분출에 해당합니다. 해저 및 해저면 다중 신호도 표시됩니다. (b) BdM 영역에서 원격 조종 차량으로 수집한 데이터. 단일 사진은 붉은색에서 주황색 퇴적물로 둘러싸인 작은 분화구(검은색 원)를 보여줍니다. (c,d) SBED-Win32 소프트웨어(Seasave, 버전 7.23.2)를 사용하여 처리된 다중 매개변수 프로브 CTD 데이터. EM50 유체 방출 지점 위의 수층(패널 c)과 Bdm 방출 영역 외부의 수층(패널 d)에서 선택된 매개변수(염분, 온도, pH 및 산소)의 패턴.
2014년 8월 22일부터 28일 사이에 연구 지역에서 세 개의 가스 샘플을 채취했습니다. 이 샘플들은 유사한 조성을 보였으며, CO2(934-945 mmol/mol)가 주를 이루었고, 그 다음으로 N2(37-43 mmol/mol), CH4(16-24 mmol/mol), H2S(0.10-0.44 mmol/mol)가 상당한 농도로 존재했습니다. H2와 He는 상대적으로 적은 양(<0.052 및 <0.016 mmol/mol)을 나타냈습니다(그림 1b; 표 S1, 보충 동영상 2). O2와 Ar도 상대적으로 높은 농도(각각 최대 3.2 및 0.18 mmol/mol)로 측정되었습니다. 경질 탄화수소의 총량은 0.24~0.30 mmol/mol 범위이며, C2-C4 알칸, 방향족 화합물(주로 벤젠), 프로펜 및 황 함유 화합물(티오펜)로 구성됩니다. 40Ar/36Ar 값은 대기(295.5)와 일치하지만, 샘플 EM35(BdM 돔)는 304의 값을 보여 40Ar이 약간 과잉인 것으로 나타났습니다. δ15N 비율은 대기보다 높았으며(최대 +1.98% vs. 대기), δ13C-CO2 값은 V-PDB 대비 -0.93%에서 0.44% 범위였습니다. R/Ra 값(4He/20Ne 비율을 사용하여 대기 오염을 보정한 후)은 1.66에서 1.94 사이였으며, 이는 맨틀 헬륨이 상당 부분 존재함을 나타냅니다. 헬륨 동위원소를 CO2 및 안정 동위원소 22와 결합함으로써 BdM의 배출원에 대한 추가적인 규명이 가능해집니다. CO2/3He 대 δ13C의 CO2 맵(그림 6)에서 BdM의 가스 조성은 이스키아, 캄피 플레그레이 및 솜마-베수비오 화산 분기공. 그림 6은 또한 BdM 가스 생성에 관여할 수 있는 세 가지 다른 탄소 공급원(용해된 맨틀 유래 용융물, 유기물이 풍부한 퇴적물, 탄산염) 사이의 이론적 혼합선을 보여줍니다. BdM 샘플은 캄파니아의 세 화산으로 묘사된 혼합선, 즉 맨틀 가스(데이터 피팅을 위해 고전적인 MORB에 비해 이산화탄소가 약간 풍부하다고 가정)와 지각 탈탄소화로 인한 반응 사이의 혼합선 상에 위치합니다.
맨틀 구성 성분과 석회암 및 유기 퇴적물의 최종 성분 간의 혼합선이 비교를 위해 보고되었습니다. 상자는 이스키아, 캄피 플레그레이 및 솜마-베스비우스 59, 60, 61의 분기공 지역을 나타냅니다. BdM 샘플은 캄파니아 화산의 혼합 경향에 있습니다. 혼합선의 최종 성분 가스는 맨틀 기원이며, 탄산염 광물의 탈탄 반응으로 생성된 가스입니다.
지진 단면 L1과 L2(그림 1b 및 7)는 BdM과 Somma-Vesuvius(L1, 그림 7a) 및 Campi Flegrei(L2, 그림 7b) 화산 지역의 원거리 지층 사이의 전이를 보여줍니다. BdM은 두 개의 주요 지진층(그림 7의 MS와 PS)의 존재로 특징지어집니다. 상부층(MS)은 높은 진폭에서 중간 진폭에 이르는 평행 반사면과 측면 연속성을 보여줍니다(그림 7b,c). 이 층은 마지막 빙하기 최대기(LGM) 시스템에 의해 끌려온 해양 퇴적물을 포함하며 모래와 점토로 구성됩니다.23 하부의 PS층(그림 7b~d)은 기둥이나 모래시계 모양의 혼돈에서 투명한 상으로 특징지어집니다. PS 퇴적물의 상부는 해저 언덕을 형성했습니다(그림 7d). 이러한 다이어피어와 같은 기하학적 구조는 PS의 투명한 물질이 최상부 MS층으로 관입되었음을 보여줍니다. 퇴적물. 융기는 MS층과 그 위에 놓인 BdM 해저의 현재 퇴적물에 영향을 미치는 습곡과 단층의 형성을 야기합니다(그림 7b–d). MS 층서 구간은 L1 단면의 동북동 부분에서 명확하게 박리되어 있으며, MS 시퀀스의 일부 내부 층으로 덮인 가스 포화층(GSL)의 존재로 인해 BdM 쪽으로 갈수록 하얗게 변합니다(그림 7a). 투명한 지진층에 해당하는 BdM 상부에서 채취한 중력 코어는 최상부 40cm가 최근부터 현재까지 퇴적된 모래로 구성되어 있음을 나타냅니다. )24,25 및 "나폴리 황색 응회암"(14.8 ka)의 캄피 플레그레이 폭발 분출에서 나온 부석 조각26. PS 층의 투명한 상은 혼돈 혼합 과정만으로는 설명할 수 없습니다. 왜냐하면 나폴리 만의 BdM 외부에서 발견되는 산사태, 진흙 흐름 및 화산쇄설류와 관련된 혼돈층은 음향적으로 불투명하기 때문입니다21,23,24. 우리는 관찰된 BdM PS 지진상과 해저 노두 PS 층의 출현(그림 7d)이 천연 가스의 융기를 반영한다고 결론짓습니다.
(a) 단일 트랙 탄성파 단면 L1(그림 1b의 항법 궤적)은 기둥 모양(탑 모양)의 공간적 배열을 보여줍니다. 탑은 부석과 모래가 불규칙적으로 퇴적된 구조입니다. 탑 아래에 존재하는 가스 포화층은 심부 지층의 연속성을 차단합니다. (b) 단일 채널 탄성파 단면 L2(그림 1b의 항법 궤적)는 해저 언덕, 해양 퇴적물(MS) 및 부석 모래 퇴적물(PS)의 침식 및 변형을 강조하여 보여줍니다. (c) MS와 PS의 변형 세부 사항은 (c,d)에 나타나 있습니다. 최상부 퇴적층의 속도를 1580m/s로 가정하면, 100m/s는 수직 규모로 약 80m에 해당합니다.
BdM의 형태학적 및 구조적 특징은 전 세계의 다른 해저 열수 및 가스 하이드레이트 지대와 유사하며2,12,27,28,29,30,31,32,33,34, 종종 융기(대정맥과 둔덕) 및 가스 분출(원추형 분출구, 구덩이)과 관련이 있습니다. BdM 방향으로 정렬된 원추형 분출구와 구덩이, 그리고 길쭉한 둔덕은 구조적으로 제어되는 투수성을 나타냅니다(그림 2 및 3). 둔덕, 구덩이 및 활성 분출구의 공간적 배열은 그 분포가 북서-남동 및 북동-남서 방향의 충격 균열에 의해 부분적으로 제어됨을 시사합니다(그림 4b). 이러한 균열은 캄피 플레그레이와 솜마-베수비오 화산 지역 및 나폴리 만에 영향을 미치는 단층계의 주요 방향입니다. 특히, 전자의 구조는 캄피 플레그레이 분화구에서 나오는 열수 분출 위치를 제어합니다35. 따라서 우리는 BdM 내의 단층과 균열이 구조적으로 제어되는 투수성을 나타낸다고 결론짓습니다. 나폴리 만은 표면으로 가스가 이동하는 데 선호되는 경로를 나타내며, 이는 다른 구조적으로 제어되는 열수 시스템에서도 공통적으로 나타나는 특징입니다.36,37 특히, BdM 원뿔과 구덩이는 항상 언덕과 연관되어 있는 것은 아닙니다(그림 3a,c). 이는 다른 연구자들이 가스 수화물 구역에 대해 제안한 것처럼 이러한 언덕이 반드시 구덩이 형성의 전조는 아니라는 것을 시사합니다.32,33 우리의 결론은 돔 해저 퇴적물의 파괴가 항상 구덩이 형성으로 이어지는 것은 아니라는 가설을 뒷받침합니다.
수집된 세 가지 기체 배출물은 열수 유체의 전형적인 화학적 특징, 즉 주로 CO2와 상당한 농도의 환원성 가스(H2S, CH4 및 H2) 및 경질 탄화수소(특히 벤젠과 프로필렌)38,39, 40, 41, 42, 43, 44, 45를 나타냅니다(표 S1). 해저 배출물에 존재할 것으로 예상되지 않는 대기 가스(예: O2)의 존재는 ROV가 해저에서 바다로 인양되어 시료 채취에 사용되는 플라스틱 상자에 저장된 가스와 접촉하는 과정에서 해수에 용해된 공기로부터 오염되었을 가능성이 있습니다. 반대로, 양의 δ15N 값과 ASW(공기 포화수)보다 훨씬 높은 높은 N2/Ar 비율(최대 480)은 대부분의 N2가 대기 외 공급원에서 생성되었음을 시사하며, 이는 이러한 가스의 주요 열수 기원과 일치합니다. BdM 가스의 열수-화산 기원은 CO2 함량으로 확인됩니다. 탄소 동위원소(δ13C-CO2 -0.93% ~ +0.4%)와 CO2/3He 값(1.7 × 10¹⁰ ~ 4.1 × 10¹⁰)은 BdM 샘플이 나폴리 만 주변 맨틀 말단부의 혼합 분기공 경향과 탈탄소화 반응으로 생성된 가스 간의 관계를 나타낸다는 것을 시사합니다(그림 6). 더 구체적으로, BdM 가스 샘플은 인접한 캄피 플레그레이와 솜마-베수비우스 화산에서 나온 유체와 거의 같은 위치에 있는 혼합 경향을 따라 분포합니다. 이들은 맨틀 말단부에 더 가까운 이스키아 분기공보다 지각 기원이 더 강합니다. 솜마-베수비우스와 캄피 플레그레이는 BdM(R/Ra 1.66 ~ 2.9)보다 높은 3He/4He 값(R/Ra 2.6 ~ 2.9)을 나타냅니다. 1.96; 표 S1). 이는 방사성 헬륨의 첨가 및 축적이 솜마-베수비오 화산과 캄피 플레그레이 화산에 마그마를 공급한 것과 동일한 마그마 근원에서 유래했음을 시사합니다. BdM 배출물에서 유기 탄소 성분이 검출되지 않는다는 것은 유기 퇴적물이 BdM 탈가스 과정에 관여하지 않음을 나타냅니다.
위에서 보고된 데이터와 해저 가스 매장량이 풍부한 지역과 관련된 돔형 구조의 실험 모델 결과를 바탕으로, 심부 가스 가압이 수 킬로미터 규모의 BdM 돔 형성에 영향을 미쳤을 가능성이 있습니다. BdM 볼트를 유발하는 과압 Pdef를 추정하기 위해, 수집된 형태학적 및 지진 데이터를 기반으로 BdM 볼트가 변형된 연질 점성 퇴적물보다 큰 반경 a를 가진 준원형 판이라고 가정하고 박판 역학 모델33,34을 적용했습니다. 수직 최대 변위 w와 두께 h는 (보충 그림 S1)과 같습니다. Pdef는 총 압력과 암석 정적 압력에 수주 압력을 더한 값의 차이입니다. BdM에서 반경은 약 2,500m, w는 20m, 지진 단면에서 추정한 최대 h는 약 100m입니다. 우리는 관계식 46Pdef = w 64 D/a4에서 Pdef를 계산합니다. 여기서 D는 굴곡 강성입니다. D는 (E h3)/[12(1 – ν2)]로 주어지며, 여기서 E는 퇴적물의 영률이고 ν는 푸아송 비(~0.5)33입니다. BdM 퇴적물의 역학적 특성을 측정할 수 없으므로, BdM과 유사한 해안 사질 퇴적물에 대한 합리적인 값인 E = 140 kPa로 설정했습니다.14,24 BdM 퇴적물은 주로 모래로 구성되어 있고 실트나 실트질 점토로 구성되어 있지 않기 때문에 문헌에 보고된 실트질 점토 퇴적물에 대한 더 높은 E 값(300 < E < 350,000 kPa)33,34은 고려하지 않았습니다.24 그 결과 Pdef = 0.3 Pa를 얻었는데, 이는 가스 하이드레이트 분지 환경에서 해저 융기 과정 추정치와 일치합니다. 여기서 Pdef는 10-2에서 103 Pa까지 다양하며, 낮은 값은 낮은 w/a 및/또는 what을 나타냅니다. BdM에서 강성은 퇴적물의 국부적인 가스 포화 및/또는 기존 균열의 출현으로 인한 감소 또한 파괴 및 그에 따른 가스 방출에 기여하여 관찰된 환기 구조의 형성을 가능하게 할 수 있습니다. 수집된 반사 탄성파 단면(그림 7)은 PS 퇴적물이 GSL에서 융기하여 상부의 MS 해양 퇴적물을 밀어 올려 언덕, 습곡, 단층 및 퇴적 절단면을 형성했음을 보여줍니다(그림 7b,c). 이는 14.8~12ka 된 부석이 상향 가스 이동 과정을 통해 더 젊은 MS 층으로 관입되었음을 시사합니다. BdM 구조의 형태학적 특징은 GSL에서 생성된 유체 방출로 인해 발생한 과압의 결과로 볼 수 있습니다. 해저면에서 170m 이상까지 활발한 방출이 관찰되는 점을 고려할 때, GSL 내부의 유체 과압은 1,700kPa를 초과하는 것으로 추정됩니다. 퇴적물 내 가스의 상향 이동 또한 MS에 포함된 물질을 제거하는 효과도 있었으며, 이는 BdM25에서 채취한 중력 코어에서 불규칙한 퇴적물이 발견되는 이유를 설명합니다. 더욱이 GSL의 과압은 복잡한 균열 시스템(그림 7b의 다각형 단층)을 생성합니다. 이러한 형태, 구조 및 층서적 정착은 "파고다"49,50로 불리며, 원래는 오래된 빙하 지형의 이차적인 영향으로 여겨졌지만, 현재는 상승하는 가스31,33 또는 증발암50의 영향으로 해석됩니다. 캄파니아 대륙 경계에서는 적어도 지각 최상부 3km 이내에서는 증발 퇴적물이 드뭅니다. 따라서 BdM 파고다의 성장 메커니즘은 퇴적물 내 가스 상승에 의해 제어될 가능성이 높습니다. 이러한 결론은 파고다의 투명한 지진파상(그림 7)과 이전에 보고된 중력 코어 데이터24에 의해 뒷받침되며, 현재의 모래 분출은 다음과 같은 특징을 보입니다. 'Pomici Principali'25 및 'Naples Yellow Tuff'26 Campi Flegrei. 또한 PS 퇴적물은 최상부 MS 층을 침범하고 변형시켰습니다(그림 7d). 이러한 구조적 배열은 탑이 단순한 가스 파이프라인이 아니라 솟아오르는 구조물임을 시사합니다. 따라서 탑 형성에는 두 가지 주요 과정이 작용합니다. a) 가스가 아래에서 유입됨에 따라 연질 퇴적물의 밀도가 감소합니다. b) 가스-퇴적물 혼합물이 상승하면서 관찰되는 습곡, 단층 및 파열이 발생하여 MS 퇴적물이 형성됩니다(그림 7). 유사한 형성 메커니즘이 남극 남스코샤해의 가스 하이드레이트와 관련된 파고다 구조에 대해서도 제안되었습니다. BdM 파고다는 구릉 지대에 군집을 이루어 나타났으며, 왕복 이동 시간(TWTT) 기준으로 평균 수직 높이는 70~100m였습니다(그림 7a). MS 파동의 존재와 BdM 중력 코어의 층서를 고려할 때, 파고다 구조의 형성 연대는 약 14,000~12,000년 전보다 짧은 것으로 추정됩니다. 또한, 일부 파고다가 상부의 현재 BdM 사암층을 침범하고 변형시킨 것으로 보아 이러한 구조의 성장은 여전히 ​​활발하게 진행되고 있습니다(그림 7d).
탑이 현재 해저면을 가로지르지 못하는 것은 (a) 가스 상승 및/또는 가스-퇴적물 혼합의 국부적 중단, 그리고/또는 (b) 가스-퇴적물 혼합물의 측면 흐름이 국부적인 과압 과정을 허용하지 않는다는 것을 시사합니다. 다이아피어 이론 모델52에 따르면, 측면 흐름은 아래에서 공급되는 진흙-가스 혼합물의 속도와 탑이 위로 이동하는 속도 사이의 음의 균형을 보여줍니다. 공급 속도의 감소는 가스 공급의 소멸로 인한 혼합물의 밀도 증가와 관련될 수 있습니다. 위에 요약된 결과와 부력에 의해 제어되는 탑의 상승을 통해 공기 기둥 높이 hg를 추정할 수 있습니다. 부력은 ΔP = hgg (ρw – ρg)로 주어지며, 여기서 g는 중력(9.8 m/s²)이고 ρw와 ρg는 각각 물과 가스의 밀도입니다. ΔP는 이전에 계산된 Pdef와 정수압의 합입니다. 퇴적판의 Plith, 즉 ρsg h이며, 여기서 ρs는 퇴적물의 밀도입니다. 이 경우 원하는 부력을 얻기 위해 필요한 hg 값은 hg = (Pdef + Plith)/[g (ρw – ρg)]로 주어집니다. BdM에서 Pdef = 0.3 Pa, h = 100 m(위 참조), ρw = 1,030 kg/m³, ρs = 2,500 kg/m³로 설정하면 ρw ≫ ρg이므로 ρg는 무시할 수 있습니다. 따라서 hg = 245 m가 되는데, 이는 GSL 바닥의 깊이를 나타냅니다. ΔP는 2.4 MPa이며, 이는 BdM 해저를 파괴하고 열수 분출구를 형성하는 데 필요한 과압입니다.
BdM 가스의 조성은 지각 암석의 탈탄소화 반응과 관련된 유체의 첨가로 변형된 맨틀 근원과 일치합니다(그림 6). BdM 돔과 이스키아, 캄피 플레그레, 소마-베수비오와 같은 활화산의 대략적인 동서 방향 배열과 분출되는 가스의 조성은 나폴리 화산 지역 전체 아래 맨틀에서 분출되는 가스가 혼합되어 있음을 시사합니다. 점점 더 많은 지각 유체가 서쪽(이스키아)에서 동쪽(소마-베수비오)으로 이동합니다(그림 1b 및 6).
우리는 나폴리 항구에서 몇 킬로미터 떨어진 나폴리 만에 활발한 가스 방출 과정의 영향을 받고 있으며 탑과 언덕의 배치로 인해 형성된 25km² 너비의 돔형 구조물이 있다는 결론을 내렸습니다. 현재 BdM 신호는 비마그마성 난류53가 초기 화산 활동, 즉 마그마 및/또는 열 유체의 초기 분출보다 앞서 발생했을 가능성을 시사합니다. 현상의 진화를 분석하고 잠재적인 마그마 교란을 나타내는 지구화학적 및 지구물리학적 신호를 감지하기 위해 모니터링 활동을 시행해야 합니다.
국립연구위원회 연안해양환경연구소(IAMC)에서 수행한 SAFE_2014(2014년 8월) 조사선 R/V Urania(CNR)를 이용하여 수층의 음향 프로파일(2D)을 획득했습니다. 음향 샘플링은 38kHz에서 작동하는 Simrad EK60 과학용 빔 분할 음향측심기를 사용하여 수행되었습니다. 음향 데이터는 평균 약 4km/h의 속도로 기록되었습니다. 수집된 음향측심기 이미지는 유체 배출을 식별하고 수집 영역(해수면 아래 74~180m) 내에서 배출 위치를 정확하게 파악하는 데 사용되었습니다. 다중 매개변수 프로브(전도도, 온도 및 수심, CTD)를 사용하여 수층의 물리적 및 화학적 매개변수를 측정했습니다. 데이터는 CTD 911 프로브(SeaBird Electronics Inc.)를 사용하여 수집하고 SBED-Win32 소프트웨어(Seasave, 버전 7.23.2)를 사용하여 처리했습니다. 해저면은 "Pollux III"(GEItaliana) ROV를 사용하여 육안으로 조사했습니다. 두 개의 카메라(저화질 및 고화질)가 장착된 장치(원격 조종 차량).
다중빔 데이터 수집은 100kHz Simrad EM710 다중빔 소나 시스템(Kongsberg)을 사용하여 수행되었습니다. 이 시스템은 빔 위치 지정의 오차를 1미터 미만으로 유지하기 위해 차분 글로벌 위치 결정 시스템(DGP)과 연결되어 있습니다. 음향 펄스는 100kHz의 주파수, 150°의 발사각, 그리고 400개의 빔을 전체 개방 범위로 갖습니다. 데이터 수집 중 실시간으로 음속 프로파일을 측정하고 적용했습니다. 데이터는 국제수로기구(IHO) 표준(https://www.iho.int/iho_pubs/standard/S-44_5E.pdf)에 따라 PDS2000 소프트웨어(Reson-Thales)를 사용하여 항해 및 조석 보정을 위해 처리되었습니다. 기기 오작동으로 인한 스파이크 및 품질이 낮은 빔 제외로 인한 노이즈는 밴드 편집 및 디스파이킹 도구를 사용하여 제거했습니다. 다중빔 변환기 근처에 위치한 용골 스테이션에서 연속적인 음속 감지가 수행되며, 6~8시간마다 수심의 실시간 음속 프로파일을 수집하고 적용하여 실시간 음속 정보를 제공합니다. 적절한 빔 조향을 위한 속도. 전체 데이터 세트는 약 440km²(0~1200m 깊이)에 걸쳐 있습니다. 이 데이터는 1m 격자 셀 크기를 특징으로 하는 고해상도 디지털 지형 모델(DTM)을 제공하는 데 사용되었습니다. 최종 DTM(그림 1a)은 이탈리아 지리군사연구소에서 20m 격자 셀 크기로 획득한 지형 데이터(해발 0m 이상)를 사용하여 제작되었습니다.
2007년과 2014년에 연구선 R/V Urania호를 이용하여 실시한 해상 탐사에서 수집된 55km 길이의 고해상도 단일 채널 탄성파 데이터 프로파일은 약 113제곱킬로미터 면적을 포괄합니다. 해상 프로파일(예: L1 탄성파 프로파일, 그림 1b)은 IKB-Seistec 부머 시스템을 사용하여 획득되었습니다. 데이터 수집 장치는 음원과 수신기가 설치된 2.5m 쌍동선으로 구성됩니다. 음원 신호는 1~10kHz 주파수 범위에서 나타나는 단일 양의 피크로, 25cm 간격으로 분리된 반사면을 구분할 수 있습니다. 해상 탄성파 프로파일은 Geotrace 소프트웨어(Geo Marine Survey System)와 연동된 1.4kJ 멀티팁 Geospark 탄성파 음원을 사용하여 획득되었습니다. 이 시스템은 해저면 아래 연질 퇴적층을 최대 400밀리초까지 투과하는 1~6.02kHz 음원을 탑재한 쌍동선으로 구성되며, 이론적인 수직 해상도는 다음과 같습니다. 30cm의 파장을 사용했습니다. Safe 및 Marsik 장치 모두 선박 속도가 3노트 미만인 상태에서 초당 0.33회의 촬영 속도로 데이터를 획득했습니다. 데이터는 Geosuite Allworks 소프트웨어를 사용하여 다음과 같은 워크플로우로 처리 및 제시되었습니다: 팽창 보정, 수층 뮤팅, 2-6kHz 대역 통과 IIR 필터링 및 AGC.
수중 분기공에서 나오는 가스는 상단에 고무 격막이 있는 플라스틱 상자를 사용하여 해저에서 채집했습니다. 이 상자는 ROV(원격 조종 수중 로봇)를 이용해 분기공 위에 거꾸로 놓았습니다. 상자 안으로 들어간 공기 방울이 해수를 완전히 대체하면 ROV를 1m 깊이로 되돌리고, 잠수부는 채집된 가스를 고무 격막을 통해 미리 진공 상태로 만든 60mL 유리 플라스크 두 개(테플론 스톱콕 장착)에 옮겼습니다. 한 플라스크에는 5N NaOH 용액 20mL를 채웠습니다(게겐바흐형 플라스크). 주요 산성 가스(CO2 및 H2S)는 알칼리 용액에 용해되고, 용해도가 낮은 가스(N2, Ar+O2, CO, H2, He, Ar, CH4 및 경질 탄화수소)는 샘플링 병의 헤드스페이스에 저장됩니다. 무기 저용해도 가스는 10m 길이의 5A 분자체 컬럼이 장착된 Shimadzu 15A 가스 크로마토그래피(GC)를 사용하여 분석했습니다. 열전도도 검출기(TCD) 54를 사용하여 아르곤과 산소를 ​​분석했습니다. 30m 길이의 모세관 분자체 컬럼과 TCD가 장착된 Thermo Focus 가스 크로마토그래프를 사용했습니다. 메탄과 경질 탄화수소는 23% SP 1700으로 코팅된 Chromosorb PAW 80/100 메쉬로 채워진 10m 길이의 스테인리스 스틸 컬럼과 불꽃 이온화 검출기(FID)가 장착된 Shimadzu 14A 가스 크로마토그래프를 사용하여 분석했습니다. 액상 시료는 1) 0.5N HCl 용액으로 적정한 CO2(Metrohm Basic Titrino)와 2) 5mL H2O2(33%)로 산화시킨 후 이온 크로마토그래피(IC)(Wantong 761)로 분석했습니다. 적정, GC 및 IC 분석의 분석 오차는 5% 미만입니다. 기체 혼합물에 대한 표준 추출 및 정제 절차를 거친 후, 13C/12C CO2(표면적)를 측정했습니다. δ13C-CO2% 및 V-PDB)는 Finningan Delta S 질량 분석기55,56을 사용하여 분석되었습니다. 외부 정밀도를 추정하는 데 사용된 표준은 Carrara 및 San Vincenzo 대리석(내부), NBS18 및 NBS19(국제)였으며 분석 오차 및 재현성은 각각 ±0.05% 및 ±0.1%였습니다.
δ15N 값(공기 대비 %로 표시)과 40Ar/36Ar 비율은 Finnigan Delta plusXP 연속 흐름 질량 분석기가 연결된 Agilent 6890 N 가스 크로마토그래프(GC)를 사용하여 측정했습니다. 분석 오차는 δ15N±0.1%, 36Ar<1%, 40Ar<3%입니다. 헬륨 동위원소 비율(R/Ra로 표시, 여기서 R은 시료에서 측정된 3He/4He이고 Ra는 대기 중 동일 비율: 1.39 × 10⁻⁶)⁵⁷은 이탈리아 팔레르모 INGV 연구소에서 측정했습니다. ³He, ⁴He 및 ²⁰Ne는 He와 Ne를 분리한 후 이중 컬렉터 질량 분석기(Helix SFT-GVI)⁵⁸를 사용하여 측정했습니다. 분석 오차는 ≤ 0.3%입니다. He 및 Ne의 일반적인 바탕값은 각각 <10⁻¹⁴ mol 및 <10⁻¹⁶ mol입니다.
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