Geoscience Canada Volume 28 Number 4
Summaries / Résumés
Nature and Origin of the Oceanic Lithosphere: Some Insights from
Past Ocean Drilling and Plans for the Future
Kathryn M. Gillis
School of Earth and Ocean Sciences
P.O. Box 3055
University of Victoria
Victoria, British Columbia V8W 3P6
kgillis@uvic.ca
SUMMARY
The Deep Sea Drilling Project (DSDP) and Ocean Drilling Program (ODP) have fundamentally changed our understanding of the Earth system. Drilling in the south Atlantic Ocean provided the critical test of the theory of plate tectonics and initiated innovative programs to investigate the products, fluxes, and processes associated with the creation, evolution, and recycling of the oceanic lithosphere. Key findings include a new and evolving understanding of the range and complexity of processes of oceanic lithosphere creation, and their probable importance in global geochemical cycles and seawater composition over time. Major questions remain about details, rates, and significance of lithospheric processes and fluxes. The expanded capabilities of the Integrated Ocean Drilling Program (IODP, to begin in 2003), will offer many exciting opportunities, including a chance to assess the role of lithospheric creation in global geochemical and climatic cycles.
RÉSUMÉ
Le Deep Sea Drilling Project (DSDP) [projet de forages des fonds océaniques profonds] et le Ocean Drilling Program (ODP) [programme de forages océaniques] ont changé fondamentalement notre compréhension du système terrestre. Le forage de l’océan Atlantique sud a constitué le test déterminant de la théorie de la tectonique des plaques, et a permis de lancer des programmes d’étude inédits des produits, flux et processus liés à la création, l’évolution et le recyclage de la lithosphère océanique. Parmi les retombées de première importance se trouve cette compréhension nouvelle et en pleine évolution quant à l’étendue et la complexité des processus de création lithosphérique océanique et leur importance probable sur les cycles géochimiques planétaires et la composition de l’eau de mer dans le temps. D’importantes questions demeurent sans réponse quant aux détails, aux taux et à la portée des processus et flux lithosphériques. Les capacités accrus du Integrated Ocean Drilling Proram (IODP) [programme intégré de forages des fonds océaniques] devant débuter en 2003 offrira de nombreuses perspectives stimulantes, dont une occasion d’évaluer le rôle de la création lithosphérique sur les cycles géochimiques et climatiques planétaires.
Using ODP Boreholes for Studying Sub-seafloor Hydrogeology: Results from the First Decade of CORK Observations
Earl E. Davis
Pacific Geoscience Centre
Geological Survey of Canada
P.O. Box 6000
Sidney, British Columbia V8L 4B2
davis@pgc.nrcan.gc.ca
Keir Becker
Rosenstiel School of Marine
and Atmospheric Science
University of Miami
4600 Rickenbacker Causeway
Miami, Florida, 33149, USA
kbecker@rsmas.miami.edu
SUMMARY
A system for sealing and instrumenting ODP boreholes was developed 10 years ago to allow interstitial fluids to be sampled, and natural fluid pressures and temperatures to be monitored over long periods of time. The capabilities of these CORK (Circulation Obviation Retrofit Kit) observatories have been expanded recently to allow monitoring and sampling in multiple isolated horizons, and to allow installations to be completed by wireline in previously drilled holes. To date, 16 hydrologic observatory sites have been established in ridge crest, ridge flank, and accretionary prism settings. Observations at these sites have provided precise constraints on the primary driving forces for, and thermal consequences of, sub-seafloor fluid flow caused by tectonic consolidation and thermal buoyancy. Deep in accretionary prisms, high formation pressures have been observed, confirming that plate boundary faults possess little strength. In young ocean crustal settings, surprisingly low lateral temperature and pressure gradients have been documented, implying that the extrusive rocks of the oceanic crust permit efficient fluid, heat, and chemical transport over distances of many kilometres. CORK observations have also revealed pressure variations and associated fluid flow resulting from co-seismic plate deformation, and from tidal, oceanographic, and barometric loading of the seafloor. The characteristics of the formation response to seafloor loading provide constraints on elastic and hydrologic properties, and allow quantitative estimates of crustal strain to be made from tectonic-strain-related pressure transients. Strain events have been observed up to 150 km away from several seismogenic dislocations along transform and seafloor spreading plate boundaries.
RÉSUMÉ
Un système d’instrumentation et de scellement des puits de forage du PSFM (Programme de sondage des fonds marins) a été mise au point il y a 10 ans pour permettre l’échantillonnage des fluides interstitiels ainsi que la mesure suivie de la température et de la pression des fluides sur de longues périodes. Les possibilités d’observation offertes par ces trousses d’obturation rétro-installées (TOR) ont été améliorées afin de permettre la mesure en continu et l’échantillonnage de multiples horizons isolés, et d’en permettre l’installation par filin dans les puits existants. À ce jour, 16 sites d’observation de ce genre ont été installés dans des environnements de dorsales, la crête et le flanc, et de prismes d’accrétion. Les observations réalisées sur ces sites ont fourni des balises précises quant à l’action des forces premières en jeu et les répercussions thermiques des mouvements de fluides sous les planchers océaniques causés par la consolidation tectonique et la poussée thermique. Dans les profondeurs des prismes d’accrétion, on a mesuré de forte pressions, ce qui confirme que les failles bordières des plaques n’ont que peu d’effet. Dans le contexte de croûtes marine jeunes, on a noté l’existence de gradients thermiques et de pressions étonnamment faibles, ce qui implique que les roches extrusives de la croûte océanique permettent un mouvement thermique, calorique et fluidique efficace sur des distances de bien des kilomètres. Les observations TOR ont également permis de découvrir que des variations de pression avec leurs mouvements de fluides associés étaient causés par la déformation tectonique co-séismique de la plaque, ainsi que de la charge océanographique, barométrique et tidal du plancher océanique. Les caractéristiques de la réaction de la formation à la charge sur le fond océanique permettent de circonscrire les propriétés élastiques et hydrologiques, et permettent des estimations quantitatives de la contrainte crustale à partir des transitoires de pression résultant de contraintes tectoniques. Des événements déformants ont été observés jusqu’à 150 km du lieu de plusieurs dislocations séismogéniques le long de frontières de transformation et d’expansion océanique.
The Challenge of Deep Ocean Drilling for Natural Gas Hydrate
George D. Spence1 and
Roy D. Hyndman2,1
1 School of Earth and Ocean Sciences
University of Victoria
Victoria, British Columbia V8W 2Y2
gspence@uvic.ca
2 Pacific Geoscience Centre
Geological Survey of Canada
Sidney, British Columbia V8L 4B2
hyndman@pgc.nrcan.gc.ca
SUMMARY
Large reservoirs of natural gas hydrate have been sampled extensively by past DSDP, ODP, and other scientific ocean drilling. Gas hydrate is an ice-like solid consisting of gas molecules, commonly methane, trapped in a cage of water molecules. Global estimates of the methane content of natural gas hydrate are very large, potentially enormous. Such large quantities of gas hydrate could be important as a clean energy source, as a control in global climate, and as a factor in seafloor slumps and slides. Gas hydrate occurs only in water depths greater than about 600 m at temperate latitudes, but occurs on land and in shallow water in the Arctic. The formation mechanisms of gas hydrates are only partly understood. Gas hydrate appears to be formed usually by migrating fluids carrying biologically generated methane upward to regions of sufficiently low temperature and high pressure where the hydrate is stable. Quantitative aspects of this formation model need testing, however, and questions remain about the sources and sinks for methane, and the amount that can reach the atmosphere. In Canada, gas hydrates are found on most of its continental margins, notably on the continental slope off Vancouver Island and in the Mackenzie Delta-Beaufort Sea region. A drilling program off Vancouver Island would examine gas hydrates in a well-studied accretionary sedimentary wedge; such sediments appear to be the most common environment in which hydrates are found globally. Drilling for gas hydrate offshore in the Canadian Arctic, perhaps using an alternative drilling platform, would complement a current onshore Arctic gas hydrate drilling program in the permafrost environment. The Arctic land and shallow sea hydrate are important because such hydrate is especially susceptible to global climate change.
RÉSUMÉ
De vastes réservoirs d’hydrate de gaz naturel ont été amplement échantillonnés par le DSDP, l’ODP et d’autres programmes de forage scientifiques. L’hydrate de gaz est un solide semblable à la glace, constitué de molécules de gaz, généralement du méthane, piégées dans une cage de molécules d’eau. Les estimations des volumes planétaires d’hydrate de gaz naturel sont très grandes, voire énormes. De telles quantités d’hydrate de gaz pourraient s’avérer important comme source d’énergie, comme tampon de régulation du climat de la planète, et comme facteur dans les mouvements et les glissements de terrains des fonds marins. Sous l’eau, les hydrate de gaz n’existent qu’à des profondeurs de plus de 600 m aux latitudes tempérées, mais ils existent sur terre et en eaux peu profondes dans les régions arctiques. Le mécanisme de formation des hydrates de gaz n’est que partiellement élucidé. Il semble que l’hydrate de gaz se forme généralement par la migration ascendante de fluides porteurs de méthane biologique vers des zones de température suffisamment basse et de pression suffisamment élevée, là où l’hydrate est stable. Cependant, les aspects quantitatifs de ce modèle de formation doivent être vérifiés, et certaines questions demeurent sans réponse quant aux sources et aux pièges du méthane, et à la quantité pouvant atteindre l’atmosphère. Au Canada, on trouve de l’hydrate de gaz sur la plupart de ses marges continentales, notamment sur la pente continentale au large de l’île de Vancouver de même que dans la zone du delta du Mackensie-mer de Beaufort. Un programme de forage au large de l’île de Vancouver permettrait d’étudier les hydrates de gaz au sein d’un biseau sédimentaire d’accrétion bien étudié; il semble que ce type de sédiments soit l’environnement le plus commun où l’on trouve des hydrates de gaz sur la planète. Le forage de prospection en mer pour l’hydrate de gaz dans l’Arctique canadien, peut-être avec une autre plate-forme de forage, permettrait de compléter un programme de forage sur les hydrates de gaz en cours dans une région arctique du continent, dans un environnement de pergélisol. L’hydrate de gaz des terres de l’Arctique et des mers peu profondes est important à cause de sa susceptibilité aux changements climatiques planétaires.
Insights from Scientific Drilling on Rifted Continental Margins
Keith Louden and Helen Lau
Department of Oceanography
Dalhousie University
Halifax, Nova Scotia B3H 4J1
klouden@is.dal.ca
kwhlau@is2.dal.ca
SUMMARY
Sampling of sedimentary and crustal formations across rifted continental margins has long been a priority of DSDP, ODP, and other scientific ocean drilling. Recent results of drilling and related geophysical surveys across several margin segments in the North Atlantic have revealed that continents break apart in two fundamentally different ways. Volcanic margins form when rapid mantle upwelling produces a large amount of melt just prior to and during rifting. On non-volcanic margins, slow rates of rifting the continental crust expose regions of serpentinized mantle with little evidence of melting. Sampling, however, has thus far been restricted to regions of thin sediment cover, which has limited our ability to study the full range of rifted margin evolution. The next phase of scientific drilling will have enhanced capabilities that will allow drilling of both shallow- and deep-water basins, including those with thick sediments with hydrocarbon potential, such as the outer Grand Banks and Scotian margins. To make this a reality, it will be essential to combine both industry and academic interests and work to ensure continued Canadian participation.
RÉSUMÉ
L’échantillonnage des formations sédimentaires et crustales à travers les marges continentales divergentes, a longtemps été une priorité pour le DSDP, l’ODP et d’autres projets scientifiques de forages océaniques. De récents résultats de forages et de levés géophysiques concomitants à travers plusieurs segments de marges en Amérique du Nord ont montré que les continents se fragmentent de deux façons fondamentalement différentes. Des marges volcaniques se forment lorsque des remontées mantelliques entraînent l’accumulation de forts volumes de roches fondues juste avant et durant la distension crustale. Sur les marges non-volcaniques, de faibles taux de distension crustale dévoilent des régions de nature mantellique serpentinisées montrant peu d’indices de fusion. Mais, jusqu’à présent, l’échantillonnage a été limité aux régions au couvert sédimentaire mince, ce qui ne nous a pas permis d’étudier la gamme complète de l’évolution des marges de divergence. La prochaine phase de forage scientifique sera pourvue d’un équipement amélioré permettant de forer aussi bien les bassins d’eaux peu profondes que profondes, dont ceux à fortes épaisseurs sédimentaires et comportant un potentiel d’hydrocarbures comme ceux des marges des Grands bancs et de la marge écossaise. Pour y arriver, il faudra que l’industrie et le secteur académique travaillent de concert pour assurer la continuation d’une participation canadienne.
The Saanich Inlet Basin: A Natural Collector of Past Biological, Climatic, and Land-use Changes in Southwestern Canada Amplified by Results of ODP Leg 169S
Louis A. Hobson
Ocean Sciences and Productivity
Institute of Ocean Sciences
Sidney, British Columbia
Canada V8L 4B2
hobsonl@pac.dfo-mpo.gc.ca
Melissa R. McQuoid
Department of Marine Botany
Göteborg University
Box 461, Se 405 30
Göteborg, Sweden
Verena Tunnicliffe
Departments of Biology and
Earth and Ocean Sciences
University of Victoria
Victoria, British Columbia V8W 2Y2
SUMMARY
Saanich Inlet sediments contain one of the best-preserved biological records in the world. Frozen 1-2 m cores representing the last ~130 years show a deforestation-related increased input of terrestrial carbon to the basin, and cyclic variations in organic carbon, diatoms, and fish remains that suggest a link to climate oscillations. Ocean Drilling Program cores from Leg 169S greatly extend the sediment record, to more than 10,000 years. Study of diatoms, carbon isotope ratios, and fish remains from these long ODP cores shows that the marine environment has been stable during the Holocene. The long ODP cores also indicate that, beginning ~10,000 years B.P., Saanich Inlet basin rapidly assumed the broad-scale oceanographic and biologic features seen today.
RÉSUMÉ
Les sédiments de l’anse Saanich constituent l’un des registres paléontologiques le mieux préservé au monde. La colonne sédimentaire de 1 à 2 mètres d’épaisseur correspondant à 130 ans d’histoire, montre un accroissement de l’apport de carbone terrestre dans le bassin lié à une déforestation, des variations cycliques du contenu en carbone organique, des restes de diatomées et de poissons évoquant l’existence d’une corrélation avec des oscillations climatiques. Les carottes de sondage du programme de sondage des fonds marins du segment 169S permettent d’allonger le registre sédimentaire pour couvrir une histoire de 10 000 ans. L’étude des diatomées, des rapports isotopiques du carbone et des restes de poissons dans ces longues carottes du PSFM montre que l’environnement marin a été stable durant l’Holocène. Ces longs échantillons carottés montrent également qu’à partir de 10 000 ans B.P., l’anse Saanich s’est rapidement constituée selon les grandes caractéristiques océanographiques et biologiques qui la caractérisent actuellement.
ODP Drilling Leads to a New Model of Shelf and Slope Sedimentation along the Antarctic Continental Margin
Nicole Januszczak and Nicholas Eyles
Environmental Earth Sciences
University of Toronto at Scarborough
1265 Military Trail
Scarborough, Ontario M1C 1A4
janus@utsc.utoronto.ca
eyles@scar.utoronto.ca
Summary
Three recent Ocean Drilling Program (ODP) cruises - Leg 178, Antarctic Peninsula; Legs 119 and 188, Prydz Bay - have drilled various parts of the Antarctic continental margin in an effort to constrain the history of the Antarctic Ice Sheet. Integration of geophysical, biofacies, and sedimentological data from these ODP legs suggests that a very similar style of continental margin growth has occurred along the Antarctic continental margin. Data from the Antarctic continental margin suggest that the shelf aggrades ("upbuilds") during periods of ice front retreat, whereas the slope progrades ("outbuilds") during episodes of ice advance to the shelf break. Because other glaciated continental margins have glacial marine successions similar to that of the Antarctic continental margin, it may be that a common or "unified" model of glaciated margin deposition exists, regardless of latitude and geological age.
RÉSUMÉ
Lors de trois campagnes récentes du Programme de sondage des fonds marins (PSFM) - le segment 178, péninsule de l’Antarctique; les segments 119 et 188, baie de Prydz - diverses portions de la marge continentale de l’Antarctique ont été sondées par forage dans le but de mieux définir l’histoire de l’inlandsis antarctique. L’intégration des données géophysiques, de biofaciès et sédimentologiques récoltées lors de ces campagnes du PSFM donne à penser qu’un style très semblable de croissance de la marge continentale s’est produit tout du long de la marge continentale de l’Antarctique. Les données de la marge continentale antarctique semblent montrer qu’il y a aggradation (épaississement du dépôt) durant les périodes de retrait du front glaciaire, alors qu’il y a progradation (étalement du dépôt) durant les périodes d’avancée du front glaciaire vers le rebord de la plate-forme continentale. Étant donné que d’autres marges continentales englacées montrent des empilements sédimentaires glacio-marins semblables à ceux de la marge continentale antarctique, il se pourrait bien qu’un seul modèle sédimentaire des marges continentales glaciaires suffise, quels que soit la latitude et l’âge géologique.
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