Unravelling redox variations and natural H2 formation in subduction zones through rock magnetism

Subduksjonssoner er områder på jorden hvor minst to tektoniske plater konvergerer og kolliderer, noe som får den tetteste platen til å dykke under den andre platen. Her spiller interaksjoner mellom væsker og bergarter en nøkkelrolle i mobiliseringen av grunnstoffer som jern, karbon og hydrogen. Syklingen av disse elementene i litosfæren er avgjørende for jordens beboelighet og kan fremme dannelse av reservoarer for energiressurser. Imidlertid er de kjemiske og fysiske mekanismene som regulerer denne syklingen i dype systemer, som for eksempel i subduksjonssoner, fortsatt dårlig forstått. Det overordnede målet av prosjektet var å forbedre forståelsen av disse mekanismene i disse systemene med spesiell fokus på deres potensial til å generere naturlig hydrogen. Studien oppnådde målet sitt ved detaljerte undersøkelser av kjemiske og fysiske egenskaper til bergarter, som har blitt oppløftet fra dybden i subduksjonssoner og som opplevde serpentinisering ved lave temperaturer. Serpentinisering skjer når vann infiltrerer den litosfæriske mantelen, og denne prosessen kan generere naturlig hydrogen. Hovedfokus i studien var på magnetiske egenskaper til bergartene som er nært knyttet til disse kjemiske reaksjonene og har derfor potensial til å informere om de dype kjemiske prosessene. Serpentinisering forårsaker en endring i reologien og i de magnetiske egenskapene til bergarten, Dette kan spores ved hjelp av geofysiske data. Dette prosjektet produserte en omfattende data base av bergartens petrofysiske egenskaper. Nye geofysiske data ble brukt til å utvikle 3D-modeller av bergartslegemer som gjennomgikk serpentinisering under subduksjonen. Modellen resulterte i forhold mellom volumer av endrede/uendrede bergarter, og en fordeling av bergartens petrofysiske egenskaper. Sistnevnde er knyttet til serpentiniseringsreaksjonene og ble brukt som en proxy for å estimere mengden av naturlig hydrogen som ble produsert. Resultatene av studien bekrefter at store mengder hydrogen kan genereres i subduksjonssoner (i størrelsesorden 2-3 kg hydrogen per kubikkmeter av sterkt serpentiniserte bergarter), Disse estimatene passer godt med resultater fra fluid-berg-interaksjonssimuleringer og eksperimentelle data fra tidligere arbeider. Den økende interessen for rene energiressurser, som naturlig hydrogen, krever nye verktøy for å finne reservoarområder og beregne ressurser. Prosjektresultatene indikerer at modellering av magnetiske anomalier og forbedret kunnskap av magnetiske egenskaper kan brukes til å estimere minimumsmengden av kumulativt produsert hydrogen samt kartlegging av områder som har potensial til å generere mer hydrogen. Arbeidsmetodene fra dette prosjektet kan på lignende måte brukes på andre bergarter både på lokal og/eller global skala for å lete etter områder med potensielle naturlige hydrogenreservoarer på jorden og kanskje til og med på andre planeter.

The project outputs are important in terms of both academic and societal impact. The project provides new data to correlate magnetic properties, redox reactions, and magnetic anomalies in subduction zone. Specifically, detailed petrological and magnetic studies on exhumed deep serpentinites provided a set of correlated magnetic and chemical properties that can be extended to the study of other geological scenarios. The results of this study could potentially be used in the interpretation of surface magnetic data related to deep hydration of mantle rocks at convergent margins, and might be of value in the future to target areas of interest for potential volatile (H2 and CH4) reservoirs, on Earth and maybe even on other planets.

In subduction zones fluid-rock interactions play a key role in the mobilization of redox-sensitive elements such as iron, carbon and hydrogen. The cycling of these elements within the lithosphere is critical for the Earth’s habitability and can promote the formation of energy resources reservoirs. However, while gaining increasing scientific attention, the redox mechanisms, regulating this cycling in deep settings, such as subduction zones, remain poorly understood. This project will contribute to filling this knowledge gap, taking advantage of the intimate link between redox reactions and magnetic properties. The latter are affected by redox reactions, which can create or destroy the magnetic mineralogy. This potential for magnetic properties to inform on deep redox processes, such as those at subduction zones, is largely unexplored and requires a detailed study of the variables controlling the magnetic properties in these deep settings. Serpentinites are key players of volatile recycling in subduction zones. Their formation and transformation may exert a strong control over the redox state of deep fluids and their global effects. The scope of the project is to investigate the link between redox reactions and magnetic properties with attention on the in-situ control of micro-to-meso-scale structures on the magnetic properties of deep serpentinites. Deformation can affect the permeability of the rock, create preferential pathways for fluid-rock interactions and alter the magnetic properties of the rock. The study of mineralogical and microstructural properties of rock samples is therefore vital to predict mechanisms and products of these fluid-rock interactions. Furthermore, because changes in rock magnetic properties are reflected in the magnetic anomalies, by linking the redox reactions to the magnetic properties, the project will provide a new tool for the redox-oriented interpretation of magnetic anomalies in subduction zones.