Merenpohjan tieteellinen tutkimuskairaus löysi dynaamista hiilen kiertoa Japanin hautavajoamassa

Dynaamisen hiilenkierron löytyminen Japanin hautavajoamasta on ensimmäinen merkittävä tieteellinen tutkimustulos, joka pohjautuu International Ocean Discovery Program (IODP) 386 Japan Trench Paleoseismology -tutkimusmatkalla kerättyihin sedimenttikairanäytteisiin. Alkuaineiden kierrosta saadun uuden käsityksen lisäksi kerätyt näytteet ja mittaustulokset muodostavat arkiston tapahtumista hautavajoaman pohjalla yli 24 000 vuoden ajalta. Tämä mahdollistaa tutkimukset suurten maanjäristysten pitkän aikavälin toistuvuudesta ja vaaroista.

Hautavajoaman sedimenttinäytteet kertovat liukoisen hiilen pitkän aikavälin hautautumisesta ja hajoamisesta

Japanin hautavajoama sijaitsee ’Tyynenmeren tulirenkaan’ alueella, joka on pitkään kiinnostanut maanjäristysten ja syvänmeren tutkijoita. Japanin hautavajoaman kohdalla merenalainen mannerlaatta taipuu painuessaan toisen mannerlaatan alle alityöntövyöhykkeessä muodostaen erittäin syvän hautavajoaman ja kerryttäen tektonista jännitystilaa. Kertynyt jännitys purkautuu suurissa maanjäristyksissä.

Suurten maanjäristyksien aiheuttama tärinä ja muutokset merenpohjassa laukaisevat liikkeelle suuria merenalaisia vyöryjä, jotka kuljettavat sedimentteihin kertynyttä tuoretta orgaanista hiiltä hautavajoaman pohjalle. Tutkiakseen suurten maanjäristysten pitkän aikavälin esiintymistä ja vaikutuksia syvänmeren ympäristöön retkikunta keräsi ja tutki 58 jopa 37,82 metriä pitkää sedimenttikairanäytettä 15 paikalta Japanin hautavajoaman koko 500 kilometrin pituudelta.

”Olemme tehneet kaksi uutta ennätystä merentutkimuksen ja tieteellisen tutkimuskairauksen historiassa”, kertoo yksi tutkimusmatkan johtajista, professori Michael Strasser Innsbruckin yliopistosta. ”Keräsimme sedimenttikairanäytteen suurimmasta merensyvyydestä koskaan (8023 m) ja saavutimme maailman suurimman tutkimuskairaussyvyyden 8060,74 metriä merenpinnasta.”

Näytteiden tutkimuksissa löydettiin suuria määriä labiilia liukoisessa muodossa olevaa hiiltä sedimentin huokosvedestä. Suuri liukoisen hiilen määrä osoittaa orgaanisen hiilen hajotustoiminnan olevan paljon voimakkaampaa hadaalivyöhykkeen syvänteissä kuin tavallisella syvänmeren pohjalla. Tutkimusryhmä arvioi hiilen ikää ja hautautumista syvänteen sedimentteihin radiohiilimenetelmällä.

”Tulokset ovat jännittäviä, sillä huokosveteen liuenneella hiilellä voi olla suuri vaikutus hiilen kiertoon maapallon syvyyksissä, kun se hautautuu entistä syvemmälle sedimentteihin ja painuu alityöntövyöhykkeeseen”, kertoo väitöskirjatutkija Mengfan Chu (Ocean University of China), Nature Communications tutkimusartikkelin pääkirjoittaja.

Huokosvesinäytteiden laaja geokemiallinen tutkimus tukee hypoteesia. Japanin hautavajoaman sedimenttien sisältämä suuri metaanimäärä sekä huokosveden muut ominaisuudet osoittavat voimakasta mikrobien aikaansaamaa metaanintuotantoa, minkä arvellaan olevan seurausta toistuvista suurista maanjäristyksistä. Kasvattamalla hautavajoamaan päätyvän orgaanisen hiilen määrää ja muokkaamalla sedimenttien fysikaalisia ja geokemiallisia ominaisuuksia maanjäristykset vaikuttavat voimakkaasti hiilen kiertoon ja eliöiden aineenvaihduntaan syvänteiden äärimmäisissä olosuhteissa.

Japanin hautavajoaman tutkimus jatkuu

”Löydöt todistavat, että hautavajoamat eivät ole ”rauhallisia” syvänmeren ympäristöjä kuten aiemmin on ajateltu. Voimme todeta, että lisää löytöjä hadaalivyöhykkeen hiilidioksidikierrosta on odotettavissa tulevaisuudessa”, kertoo näytteiden tutkimusta johtanut professori Rui Bao, Ocean University of China. ”Tutkimusartikkelissa kerromme myös esimerkiksi autigeenisten karbonaattien esiintymisestä syvällä Japanin hautavajoaman sedimenteissä. Ne viittaavat hiilen muuntumiseen muodosta toiseen (sedimentoitunut, liukoinen, kaasumainen ja mineralisoitunut) sekä siihen, että hadaalivyöhykkeen ympäristössä on dynaaminen hiilidioksidin kierto, joka yhdistää maan pinnan ja sen sisuksen alityöntövyöhykkeillä.”

Suomesta tutkimusryhmään osallistui erikoistutkija Joonas Virtasalo Geologian tutkimuskeskuksesta. Virtasalo keskittyy tutkimuksissaan Japanin hautavajoaman pohjaeläimistön toiminnan (bioturbaatio) vaikutuksiin sedimenttien rakenteeseen ja koostumukseen. ”Aiemmin valtamerten syvimpien kolkkien ajateltiin olevan tylsiä ympäristöjä, joissa ei tapahdu juuri mitään. Tämä tutkimus kiistatta osoittaa, että olosuhteet Japanin hautavajoaman pohjassa vaihtelevat nopeasti ja voimakkaasti, mikä esimerkiksi voimistaa hiilen hautautumista ja poistumista elokehästä alityöntövyöhykkeeseen”, Virtasalo luonnehtii uuden tutkimusartikkelin tuloksia.

International Ocean Discovery Program (IODP) on julkisesti rahoitettu kansainvälinen merten tutkimuskairausohjelma, johon kuuluu 21 maata. Suomen Akatemia rahoittaa Suomen jäsenmaksun ohjelmassa. Kolmekymmentäkuusi eri tieteenalojen asiantuntijaa Australiasta, Intiasta, Iso-Britanniasta, Itävallasta, Japanista, Kiinasta, Ranskasta, Saksasta, Suomesta ja Yhdysvalloista jatkaa IODP 386-tutkimusmatkan näytteiden tutkimista. Odotettavissa on tieteellisiä edistysaskeleita syvänmeren-, alityöntövyöhykkeiden- ja maanjäristystutkimusten eturintamassa. Tutkimusartikkelin lisäksi IODP-ohjelma julkaisee koko tutkimusmatkan alustavat tulokset.

Lisätietoja

IODP 386 -tutkimusmatkaan osallistuneet organisaatiot:
European Consortium for Ocean Research Drilling (ECORD)
Institute for Marine-Earth Exploration and Engineering (MarE3)/
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC)
International Ocean Discovery Program (IODP)
Geologian tutkimuskeskus (GTK)

IODP Expedition 386 tiedote (englanniksi):
Press Release: Scientific ocean drilling discovers dynamic carbon cycling in the ultra-deep-water Japan Trench

IODP 386 -tutkimusmatkasta
IODP-tutkimusohjelmasta
IODP-ohjelman eurooppalaisesta osasta (ECORD)
IODP-ohjelman japanilaisesta osasta

Tutkimusartikkeli

Chu, M., Bao, R.*, Strasser, M., Ikehara, K., Everest, J., Maeda, L., Hochmuth, K., Xu, L., McNichol, A., Bellanova, P., Rasbury, T., Kölling, M., Riedinger, N., Johnson, J., Luo, M., März, C., Straub, S., Jitsuno, K., Brunet, M., Cai, Z., Cattaneo, A., Hsiung, K., Ishizawa, T., Itaki, T., Kanamatsu, T., Keep, M., Kioka, A., McHugh, C., Micallef, A., Pandey, D., Proust, J. N., Satoguchi, Y., Sawyer, D., Seibert, C., Silver, M., Virtasalo, J., Wang, Y., Wu, T. W., Zellers, S. (2023). Earthquake-enhanced dissolved carbon cycles in ultra-deep ocean sediments. Nature Communications.

Tutkimusmatkan raportti

Ikehara, K., Strasser, M., Everest, J., Maeda, L., Hochmuth, K., and the Expedition 386 Scientists, 2023. Expedition 386. Preliminary Report: Japan Trench Paleoseismology. International Ocean Discovery Program. Ladattava raportti: https://www.ecord.org/?ddownload=18058

Yhteystiedot

Joonas Virtasalo
erikoistutkija
Geologian tutkimuskeskus GTK
joonas.virtasalo@gtk.fi
puh. +358 29 503 2261

Yhteydenotot englanniksi:

Michael Strasser (IODP 386 -tutkimusmatkan johtaja)
Department of Geology
University of Innsbruck, Austria
E-mail: michael.strasser@uibk.ac.at

Ken Ikehara (IODP 386 -tutkimusmatkan johtaja)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
Geological Survey of Japan
E-mail: k-ikehara@aist.go.jp