Sedimentological and Geochemical Characterization of Gravity Cores from Potential Mud Volcanoes in the Southwestern Barents Sea

Recenti esplorazioni nel settore sud-occidentale del Mare di Barents hanno portato all’identificazione di numerosi vulcani di fango nelle aree denominate “Borealis” (Panieri et al., 2024) e “Polaris” (Argentino et al., 2025). Fino a pochi anni fa, in questa regione era noto con certezza un solo sistema di questo tipo, l’Håkon Mosby Mud Volcano. La scoperta di decine di nuove strutture suggerisce che la distribuzione globale dei vulcani di fango sia stata probabilmente sottostimata e apre nuove prospettive sul loro ruolo nell’Artico. La presenza di queste strutture all’interno di una grande frana sottomarina sviluppatasi lungo un margine divergente, insieme al loro possibile coinvolgimento nella circolazione di fluidi ricchi in idrocarburi, rappresenta un tema di notevole interesse sia per la comprensione dei processi geologici sia per le loro implicazioni geochimiche e ambientali. Questa tesi si basa sulla caratterizzazione chimica e sedimentologica di tre carote a gravità raccolte durante la spedizione oceanografica IG25-5, svolta nel maggio 2025, con l’obiettivo di studiare il Bjørnøya Fan Complex nel Barents occidentale. Le carote sono state prelevate da strutture del fondale con morfologia a rilievo, e lo scopo principale dello studio è stato verificare se presentassero litofacies e caratteristiche biogeochimiche compatibili con sistemi di vulcani di fango. I dati ottenuti sono stati determinanti per valutare l’opportunità di esplorare il sito con un veicolo operato da remoto (ROV) durante la spedizione Extreme2025 nel novembre 2025. Le analisi sono state in parte svolte presso la UiT – The Arctic University of Norway di Tromsø, dove le carote sono state inizialmente sottoposte ad analisi non distruttive mediante Multi-Sensor Core Logging (MSCL), per la caratterizzazione delle proprietà fisiche e una prima correlazione stratigrafica. Successivamente, le carote sono state aperte longitudinalmente per una descrizione sedimentologica dettagliata, con particolare attenzione alle microstrutture sedimentarie e alle facies deposizionali. Le analisi di fluorescenza a raggi X (XRF) hanno permesso di definire la composizione degli elementi maggiori, mentre la gascromatografia è stata utilizzata sui campioni gassosi per determinare le concentrazioni di metano e di altri idrocarburi. Sono stati inoltre prelevati campioni per datazioni al radiocarbonio e per ulteriori analisi di elementi maggiori e in traccia tramite XRF e granulometria laser (eseguite presso l’Università di Modena e Reggio Emilia), così da supportare e affinare l’interpretazione sedimentologica. I risultati indicano che le strutture del fondale analizzate non corrispondono a vulcani di fango. Questa interpretazione è rafforzata anche dall’analisi successiva di dati sismici 2D, integrata nella discussione. I rilievi studiati sono invece interpretati come elementi legati al corpo di frana, in particolare dorsali o monticelli compressivi sviluppati in prossimità del margine della valle principale della frana. Questa lettura si basa sulla presenza di riflettori sismici deformati, sull’assenza di indicatori sedimentologici tipici come le brecce di fango e sui bassi contenuti di metano, insieme alla mancanza di segnali geochimici associati all’ossidazione anaerobica del metano, tipici dei sedimenti influenzati da seep. Nel complesso, questi risultati mostrano quanto sia importante integrare dati sedimentologici, geochimici e geofisici nell’interpretazione delle strutture del fondale e suggeriscono che non tutte le morfologie simili presenti nel Mare di Barents siano legate alla fuoriuscita di fluidi, ma possano invece rappresentare prodotti di instabilità di versante in contesti di margine continentale influenzati da processi glaciali.

Recent explorations in the southwestern Barents Sea have led to the identification of numerous mud volcanoes in the areas named “Borealis” (Panieri et al., 2025) and “Polaris” (Argentino et al., 2025). Until a few years ago, only one structure of this type was known in this region, the Håkon Mosby Mud Volcano. The discovery of dozens of new seabed structures suggests a possible global underestimation of the distribution of mud volcanoes and opens new perspectives on their role within the Arctic. The association of these structures with a submarine megaslide setting developed along a divergent margin, together with their potential in terms of cold seeps and natural hydrocarbon seepage, represents a significant scientific interest both for understanding deep geological processes, geochemical and environmental implications. This thesis is based on the chemical and sedimentological characterization of three gravity cores collected during the May 2025 oceanographic cruise, conducted with the aim of investigating newly identified seabed structures previously detected through geophysical data. The analyses were partly carried out at the University of Tromsø – The Arctic University of Norway, where the cores were initially subjected to non-destructive analyses using Multi Sensor Core Logging to determine their physical properties and enable preliminary stratigraphic correlation. Subsequently, the cores were split lengthwise for detailed sedimentological description, with particular attention to the identification of sedimentary microstructures and depositional facies. XRF analyses were performed for elemental chemical characterization, and gas chromatography analyses were conducted on pore water samples to identify potential processes related to methane release. Selected samples were also used for radiocarbon dating and for further analyses of major and trace elements, as well as laser granulometry, at the University of Modena and Reggio Emilia. The results indicate that the sampled structures cannot be interpreted as mud volcanoes, a conclusion later corroborated by the processing of 2D seismic data. Geochemical analyses also reveal an almost complete absence of methane release, suggesting an origin and evolutionary history different from those of typical cold seep systems documented in the area.