Le montagne idrotermali , camini idrotermali , prese d'aria idrotermali o fumatori sono prese d'aria idrotermali situate sull'asse dell'oceano dorsale e vicino ai bacini di retroarco . Sono una conseguenza dei movimenti delle placche tettoniche . Evacuano parte del calore interno della Terra . Fu nel 1977 che queste montagne e la lussureggiante vita sottomarina ad esse associata furono scoperte nelle Isole Galapagos dal sommergibile americano Alvin . Questo ecosistema si basa sulla produzione primaria assicurata da batteri chemiosintetici che vivono liberi o in simbiosi con gli organismi.
Nel 1949, un'indagine in acque profonde rilevò salamoie insolitamente calde nella parte centrale del Mar Rosso . Successivamente, negli anni '60 , altre ricerche confermarono la singolare presenza di acqua calda ( 60 ° C ) e composti metallici, provenienti da una spaccatura .
I sistemi idrotermali sottomarini furono finalmente scoperti nel 1977 dal sottomarino americano Alvin , un sommergibile da 16 tonnellate, attrezzato per la ricerca nell'abisso. Durante un'immersione a livello dell'Ecuador, i geologi Jack Corliss e Tjeerd van Andel guidati da Jack Donnelly, il pilota, hanno scoperto il17 febbraio 1977, all'asse della dorsale oceanica delle Isole Galapagos , importanti strutture minerali simili a termitai, a una profondità di 2.630 m . Notano che fuoriesce un fluido, carico di minerali, metano e idrogeno solforato. Durante una successiva immersione effettuata nel 1979 sulla stessa area e con lo stesso sommergibile, i biologi hanno trovato un ecosistema senza precedenti, sfruttando i minerali e il calore emessi dalle bocchette idrotermali come base di una catena alimentare basata sulla chemiosintesi batterica. L '"oasi della vita", in un ambiente in cui regna l'oscurità totale e una forte pressione idrostatica, è ricca e variegata: i ricercatori stanno scoprendo nuove specie di bivalvi , pesci abissali , crostacei e polpi in alcune zone, pensieri precedentemente desertici. Nuove campagne di immersione hanno permesso uno studio approfondito di questi ambienti atipici. Così, tra il 1982 e il 1999, sono state effettuate nove crociere da Ifremer al largo delle coste della California e del Messico.
Si ritiene che potrebbero esistere sfiati idrotermali su Encelado (una luna di Saturno ) e in Europa (una luna di Giove ).
I monti idrotermali, e più in generale tutti i fenomeni idrotermali oceanici, sono una conseguenza indiretta dei fenomeni di accrescimento ed estensione osservati a livello delle placche tettoniche. È per questo motivo che le prese d'aria idrotermali si trovano a livello delle dorsali oceaniche. In questi spazi, il magma sale e forma camere magmatiche profonde pochi chilometri. Mentre si raffredda, si restringe e forma fessure nella crosta oceanica. L'acqua di mare, fredda (circa 2 ° C ), si infiltra attraverso queste fessure fino alle profondità e si riscalda vicino al magma caldo (quasi 1.200 ° C ). Sotto l'effetto della pressione, quest'acqua calda sale verso il fondo dell'oceano, spazzando via le rocce incontrate; questo effetto è accentuato dalle alte temperature e pressioni che aumentano il potere solubilizzante dell'acqua. Diventa acido e si arricchisce di elementi metallici.
La composizione del fluido idrotermale emesso varia con la temperatura e la natura delle rocce incontrate durante la risalita verso il fondo oceanico e differisce da quella dell'acqua di mare, ossigenata e debolmente alcalina. In uscita, il fluido è caratterizzato da una temperatura elevata (da 350 a 400 ° C ), un pH acido (2), alte concentrazioni di gas disciolti ( H 2 S, CH 4, CO , CO 2, H 2 ) e ioni metallici ( Si + , Mn 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ ) nonché una marcata anossia (cioè assenza di ossigeno). D'altra parte, ha basse concentrazioni di ioni fosfato ( PO 4 3-), magnesio ( Mg 2+ ), nitrato ( NO 3- ) e solfato ( SO 4 2- ). La loro salinità è molto variabile (tra 0,1 e 2 volte quella dell'acqua di mare).
Quando le strutture idrotermali furono scoperte negli anni '70, la composizione del fluido era considerata relativamente costante e stabile. È ormai accertato, grazie alla scoperta di nuovi siti, che la composizione del fluido è molto variabile. La sua composizione, temperatura e portata variano con il livello di diluizione dell'acqua di mare prima della partenza; quindi differisce tra i siti, o anche tra più sorgenti dello stesso sito. Nel tempo, il fluido può mantenere la stessa composizione fino a dieci anni o evolversi lentamente o rapidamente.
A seconda della composizione del fluido idrotermale, esistono due diverse tipologie di fumatori: i fumatori neri, con fluido idrotermale caldo e ricco di zolfo, nonché i fumatori bianchi, il cui fluido è meno caldo e non contiene particelle.
Le prese d'aria idrotermali alimentano gli oceani con il ferro , e se questo ferro sale in superficie, allora promuove la crescita del fitoplancton . Così partecipano al pompaggio biologico del carbonio . Tuttavia, appena lo 0,2% del ferro fornito dalle sorgenti sottomarine rimane solubile. I fumatori, e in particolare i fumatori neri, rappresentano delle vere oasi di vita in fondo agli oceani. Gli organismi si sono adattati, sfruttando il calore e lo zolfo emessi da queste bocche idrotermali.
Negli strati superiori del fondo oceanico, i basalti , i gabbros e le peridotiti presentano minerali alterati a causa della lisciviazione e dissoluzione da parte dell'acqua di mare, quindi i plagioclasi vengono trasformati in argille, pirosseni e olivine dal serpentino . Sono idratati, cioè hanno i radicali idrossido (OH - ) forniti dall'acqua.
Inoltre, la circolazione dell'acqua di mare nella crosta oceanica ha l'effetto di evacuare il calore dal fondo oceanico, e quindi più in generale da quello terrestre, derivante dalla disintegrazione degli elementi radioattivi dal mantello e dalla terra accrescimento dei planetoidi. e piccoli granelli di materia dalla nebulosa solare 4,6 miliardi di anni fa.
Durante la sua emissione, il fluido caldo incontra l'acqua di mare fredda, provocando successive precipitazioni di minerali a seconda della loro stabilità nelle condizioni fisico-chimiche incontrate. Si forma quindi uno sfiato idrotermale alla sorgente e si solleva in strutture concentriche. Questa formazione si svolge in più fasi.
In primo luogo, in emissione, una matrice di barite porosa ( BaSO 4) e anidrite ( CaSO 4) è formato da ioni solfato nell'acqua di mare, liberi nel fluido idrotermale. L'edificio si sviluppa in verticale, arricchendosi dall'esterno di depositi di metalli solforosi (ferro, rame e zinco). A poco a poco, questo deposito porta all'ostruzione delle matrici porose iniziali e si forma un “confine” fisico tra il fluido e l'acqua circostante.
In secondo luogo, la “chiusura” laterale della sorgente provoca un aumento della temperatura nel cuore del camino. I solfuri di ferro (pirite, marcasite, pirrotite, calcopirite, isocubanite) e rame precipitano all'interno del camino formando il condotto centrale. A poco a poco la struttura cresce lateralmente con la sostituzione dell'anidrite con solfuri, più stabili alle nuove condizioni di temperatura del camino; i minerali si organizzano in strutture concentriche.
Infine, durante la “vita” del fumatore, il percorso del fluido idrotermale può variare, utilizzando una moltitudine di cavità e canali. Questa molteplicità può portare alla formazione di estensioni laterali o “flange”. Le dimensioni di un fumatore variano tra 70 e 100 m di altezza per un diametro alla base da 25 a 100 m .
Le strutture cambiano nel tempo ei fumatori sono effimeri: possono durare dai 10 ai 100 anni, sebbene i fumatori più giovani (tra 1 e 5 anni) possano esistere in zone molto attive. Possono infatti collassare, oppure il condotto può essere bloccato dalla precipitazione dei minerali. L'area attiva lungo la spina dorsale può spostarsi e causare la formazione di nuovi fumatori e la scomparsa di quelli vecchi. Pertanto, un sito individuato dagli scienziati durante una missione potrebbe essere scomparso prima che una nuova missione vi ritornasse.
Gli impianti idrotermici si trovano a profondità variabili tra i 700 ei 4000 metri. Si trovano generalmente in aree ad alta attività tettonica, come lungo la dorsale medio atlantica , la dorsale del Pacifico orientale o i bacini dell'arco posteriore del Pacifico occidentale. I siti più esplorati sono quelli dell'Oceano Pacifico, dove sono state effettuate numerose campagne oceanografiche (PHARE 2002, AMISTAD nel 1999 ad esempio) dalla scoperta delle bocche idrotermali. Dei 60.000 km di dorsali oceaniche che compongono il globo, solo poche centinaia di chilometri sono stati esplorati fino ad oggi. Molti siti rimangono quindi da scoprire.
Sito arcobalenoIl sito idrotermale Rainbow è stato scoperto nel 1997 durante la campagna di immersioni FLORES condotta congiuntamente da cinque paesi europei (Francia, Regno Unito, Belgio, Portogallo, Irlanda). Si trova a 36 ° 13 ′ 39 ″ N, 33 ° 54 ′ 20 ″ O , a livello del segmento settentrionale della dorsale medio atlantica , in una zona di affioramento di rocce ultramafiche ; la ricerca ha portato alla scoperta di una vena di basalto solo un chilometro a est. La temperatura del fluido idrotermale emesso è di 360 ° C , che, a causa della temperatura dell'acqua circostante ( 3,7 ° C ), porta ad un'intensa precipitazione di minerali. Il campo copre un'area di 15.000 m 2 (250 × 60 m ).
Sito della città perdutaIl sito idrotermale di Lost City è stato scoperto neldicembre 2000. Situato nel mezzo dell'Atlantico, a 30 ° 07 ′ N, 42 ° 07 ′ W , le sue caratteristiche differiscono da quelle di altre bocche idrotermali. È formato da sfiati di metano e idrogeno che non producono quantità significative di anidride carbonica, idrogeno solforato o metalli. Le reazioni chimiche provocano un pH alcalino serpentinisation (tra 9 e 11) e bassa temperatura di 40 a 91 ° C . I camini, bianchi, sono di carbonati e possono salire fino a 60 m di altezza.
Sito web Lucky StrikeIl sito Lucky Strike si trova a sud-ovest delle Azzorre , nelle acque portoghesi della dorsale medio atlantica a 37 ° 18 'N, 32 ° 16'O . È stato scoperto nel 1993 durante la campagna FAZAR a una profondità di 1.700 m . I 21 camini si estendono su un'area di 150.000 m 2 , attorno ad una caldera che circonda il lago di lava di un antico vulcano a circa 450 m di altitudine per 13 e 7 km alla sua base. La composizione del fluido idrotermale, emesso alla temperatura di 333 ° C , è originaria dalla presenza di una grande quantità di metano e dalla carenza di solfuri; il sito è controllato dal lago di lava, che è fresco.
Sito web Trans-Atlantic geotraverseIl sito Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) si trova a 26 ° 08 ′ N, 44 ° 49 ′ W , ad una profondità media di circa 3.645 m nell'Oceano Atlantico, posizionandolo direttamente sulla crosta oceanica, basaltica, invecchiata al suo Livello di 100.000 anni. Il campo idrotermale si trova su una collina larga 250 m .
Un fumatore nero emette acqua sulfurea (solfuro di metallo) ad una temperatura molto elevata ( 350 ° C ). Il fluido non subisce diluizione con acqua di mare prima dell'emissione. La colorazione nera del fluido idrotermale emesso deriva dal suo alto contenuto di ferro e manganese.
I fumatori bianchi (o "diffusori") si formano quando il fluido idrotermale incontra acqua più fredda nel suo cammino verso la piattaforma continentale, cioè quando viene diluito dall'acqua di mare prima del suo spettacolo; i minerali precipitano in questo momento. Emettono acqua contenente bario e solfato di calcio . La temperatura in uscita è inferiore a quella dei fumatori neri (inferiore a 280 ° C ), così come la velocità di diffusione (compresa tra 0,1 e 0,5 m / s ) che avviene attraverso tanti piccoli canali, per l'assenza di un condotto centrale su questa tipologia del fumatore. Il fluido può essere bianco o traslucido; in quest'ultima situazione ha una salinità del 20% ma non contiene particelle. L'edificio finale è ricco di zinco; la sua matrice è composta principalmente da zinco e solfuri di ferro, privi di anidrite e con basse concentrazioni di ferro.
La vita nelle prese d'aria idrotermali è, contro ogni previsione, rigogliosa. In un ambiente abissale a meno di 2 ° C , una pressione idrostatica elevata (tra 100 e 500 bar), si sono sviluppate grandi comunità viventi, mentre in assenza di luce, nessuna produzione fotosintetica primaria, alla base di tutto l'ecosistema, non è possibile . La scoperta dell'ecosistema associato alle bocche idrotermali ha cambiato la conoscenza della biologia del tempo e in particolare la convinzione che la vita macroscopica fosse impossibile senza la luce. A livello delle bocchette idrotermali, la produzione primaria è assicurata da microrganismi chemiosintetici . Questi organismi chemilitotrofici utilizzano l'energia chimica dei sali disciolti per svolgere la funzione di fotosintesi nelle piante. Costituiscono così il primo anello della catena alimentare, di cui si nutrono i consumatori primari. Esistono anche associazioni simbiotiche in cui il simbionte porta energia all'ospite.
La vita è localizzata intorno ai punti di emissione dei fluidi idrotermali che si mescolano con l'acqua di mare, c'è un gradiente di temperatura quando ci si allontana dal punto di emissione dei fluidi e si possono trovare comunità animali del polo caldo e comunità animali del polo caldo.
Le prese d'aria idrotermali ospitano una popolazione microscopica e macroscopica altamente specializzata. Pertanto, le specie osservate in questi ambienti sono spesso endemiche ; su oltre 440 specie scoperte prima del 1997, il 91% può vivere o riprodursi solo attorno a bocche idrotermali (secondo le conoscenze disponibili).
MicrorganismiTra i microrganismi si distinguono gli estremofili ( batteri e archaea ), che possono moltiplicarsi il più vicino possibile al camino a temperature e spesso pressioni molto elevate, e termofili , che vivono in forma libera nel fluido idrotermale. Questo è il caso di Thermococcales , come i generi Pyrococcus e Thermococcus e Archaeoglobales . Alcuni sono anche barofili , come il Pyrococcus abyssi . Altri batteri mesofili crescono sulle rocce circostanti, formando stuoie, come Beggiatoa e Thiothrix . La maggior parte di questi microrganismi si sviluppano in ecto- o endo simbiosi con le fauna abissali colonizzare la prossimità dei camini.
Comunità animaliLe comunità animali sottomarine idrotermali sono caratterizzate da:
La macrofauna vive vicino ai fumatori, in acqua tra 4 e 50 ° C :
Organismi come il pachyptila Riftia verme , l'anellide Alvinella Pompejana , i Rimicaris exoculata gamberetti vengono utilizzati come modelli e molto studiati da diversi laboratori. La maggior parte degli animali pelagici osservati sono molto lenti. Ma in un caso, densi sciami di migliaia di piccoli anfipodi pelagici che nuotavano ad alta velocità sono stati visti dal sommergibile Alvin a circa 2.520 e 2.580 m di profondità sulla dorsale del Pacifico orientale. Vivono in associazione con cozze, vongole e vermi. Sembravano nuotare sopra e immediatamente a valle delle fessure idrotermali, per mantenersi nel flusso idrotermale (velocità: 5-10 cm / s).
Un ciclo biogeochimico è un processo di trasporto ciclico e trasformazione di un elemento o composto chimico. A livello degli ecosistemi idrotermali si osservano i cicli di ferro , azoto , carbonio e zolfo .
Gli ecosistemi delle bocche idrotermali profonde sono ambienti unici, a volte effimeri, ma spesso molto antichi, isolati a priori ecologicamente ed energeticamente, ma con un'ampia distribuzione globale. Sono caratterizzati da una grande longevità geologica, e sono stati risparmiati a priori dagli episodi di estinzione e speciazione che hanno interessato zone di basso fondale e terreni. Il loro funzionamento biogeografico è ancora poco compreso. I dati raccolti da ricercatori tra cui francesi, canadesi, tedeschi, giapponesi e americani mostrano tendenze interessanti nella composizione tassonomica e nella distribuzione degli organismi di ventilazione in siti di studio geograficamente isolati. I modelli di biodiversità di queste specie stanno iniziando a essere studiati. Le somiglianze regionali nella distribuzione di questa fauna sembrano essere spiegabili dalla distanza tra gli sbocchi e dalla storia della tettonica dei fondali e in particolare delle dorsali sottomarine. Gli scienziati ipotizzano che alcune specie di animali abissali utilizzino carcasse di balene per estendere il loro raggio d'azione e quindi colonizzare altri ecosistemi, come le prese d'aria idrotermali.
La teoria del mondo ferro-zolfo , creata dal chimico tedesco Günter Wächtershäuser (in) , suggerisce che la vita potrebbe avere origine nelle montagne idrotermali. Wächtershäuser ritiene che una forma primitiva di metabolismo abbia preceduto la genetica . Per metabolismo, significa un ciclo di reazioni chimiche che producono energia in una forma che può essere sfruttata da altri processi.
La teoria suggerisce che la sintesi degli amminoacidi potrebbe essersi verificata nella crosta terrestre , questi sarebbero poi stati rilasciati lungo fluidi idrotermali in acque più fredde, dove l'abbassamento delle temperature e la presenza di minerali argillosi avrebbe favorito la formazione di peptidi e protocellule. . Questa ipotesi è allettante a causa dell'abbondanza di metano (CH 4 ) e ammoniaca (NH 3 ) presenti negli sfiati idrotermali, una condizione che non era fornita dall'atmosfera primordiale della Terra . Uno dei principali limiti di questa teoria è la mancanza di stabilità delle molecole organiche alle alte temperature, ma alcuni scienziati suggeriscono che la vita sarebbe apparsa al di fuori delle aree ad alta temperatura. Ci sono molte specie di estremofili e altri organismi che vivono intorno alle prese d'aria idrotermali, il che suggerisce che questo è uno scenario possibile.
Alcune aziende o paesi sono interessati alla possibilità di sfruttare commercialmente le sorgenti termali come fonte di calorie o per l'estrazione in mare aperto. È il caso, ad esempio, della Nuova Zelanda , la cui zona economica esclusiva (ZEE) si trova in una zona di subduzione ricca di bocche idrotermali.
Le prime licenze (o concessioni) di perforazione sono state depositate nel 2008 (per una zona nota come " Rumble II West Seamount " che è stata scoperta solo inagosto 2007) del gruppo “Neptune minerals” ), una delle prime società nate per sfruttare le ricchezze minerarie delle profondità marine ed in particolare (SMS o fondali marini solfuri massivi ), che vorrebbe iniziare a raccogliere concrezioni dalle bocche idrotermali dal 2010 Secondo lei, questa compagnia aveva già acquisito nel 2008 permessi di prospezione per un'area di fondali marini di oltre 278.000 km 2 nelle acque territoriali di Nuova Zelanda, Papua Nuova Guinea e Stati Federati di Micronesia. E Vanuatu , con ulteriori richieste per i permessi per esplorare ulteriori 436.000 km 2 delle acque territoriali di Nuova Zelanda, Giappone , Isole Marianne Settentrionali (Commonwealth degli Stati Uniti), Isole Palau e Italia .
L'utilizzo dei fumatori per la produzione di energia ha il vantaggio, a differenza della geotermia , di non richiedere alcuna perforazione o installazione di impianti di pompaggio e pressurizzazione, poiché il processo di carico / scarico è naturale. Inoltre la temperatura del fluido idrotermale è molto superiore a quella dell'acqua recuperata dalla geotermia (da 100 a 150 ° C ). Già nel 1978 , l'anno successivo alla scoperta delle prese d'aria idrotermali, un gruppo del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti fu incaricato di valutare le possibilità. Il progetto non ha avuto successo.
Più recentemente sono nati nuovi progetti. L'idea è di recuperare il fluido idrotermale, per portarlo su una piattaforma in superficie, dove l'energia elettrica sarebbe prodotta da turbine e trasferita a terra tramite cavi sottomarini. Il fluido viene quindi trasferito di nuovo sul fondo, dove viene rilasciato. Altri progetti propongono, invece di recuperare il fluido emesso, un circuito chiuso, dove l'acqua circolerebbe continuamente nelle tubazioni tra la superficie ed i fumatori.
Il D r Simon McDonald, direttore del Neptune Group, ha dichiarato nel 2008 di aver riconosciuto che tali attività ponevano problemi ambientali, ma che il suo gruppo era impegnato a lavorare in uno spirito di buona gestione dell'ambiente marino e di comunicazione trasparente a tutte le parti interessate. I biologi temono gravi impatti sulla fragile biodiversità delle profondità altamente concentrate intorno a queste aree e specie spesso caratterizzate da crescita molto lenta, maturità tardiva e presenti a bassa densità, con molte specie di scienza sconosciute.
Fumatori bianchi
Fumatori estinti.
Migliaia di granchi del genere Cyanagraea
Una scuola di avannotti in fluidi idrotermali
: fonte utilizzata per scrivere questo articolo
Geologia dei fondali marini | biologia marina |