background image

Unravelling abiogenic and biogenic sources of methane in the

Earth’s deep subsurface

B. Sherwood Lollar

a,

*, G. Lacrampe-Couloume

a

,

1

, G.F. Slater

a

,

1

, J. Ward

a

,

1

,

D.P. Moser

b

,

2

, T.M. Gihring

b

,

3

, L.-H. Lin

c

,

4

, T.C. Onstott

c

,

4

a

Department of Geology, 22 Russell St., University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada M5S 3B1

b

Environmental Microbiology Group, Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA

c

Dept. of Geosciences, Guyot Hall, Princeton University, Princeton NJ 08544, USA

Accepted 5 September 2005

Abstract

At four underground sites in Precambrian Shield rocks in Canada and South Africa, hydrocarbon and hydrogen gases exsolving

from saline fracture waters are analyzed for compositional and isotopic signatures. Dominated by reduced gases such as CH

4

, H

2

and higher hydrocarbons (ethane, propane, butane), the most

13

C-enriched methane end-members at all four sites show a pattern of

carbon and hydrogen isotopic values similar to abiogenic gases produced by water–rock interaction that have been identified
previously at one site on the Precambrian Shield in Canada. The abiogenic nature of these gases was not previously recognized due
to mixing with a second methane component produced by microbial processes. The microbial methane end-member is identified
based on carbon and hydrogen isotopic signatures, and DNA gene amplification (PCR) data that indicate the presence of
methanogens. A framework is presented to estimate the relative contribution of abiogenic versus microbial hydrocarbon gases
at these sites. This approach has important implications for evaluation of potential abiogenic hydrocarbon reservoirs in a wide
range of geologic settings, including the longstanding controversy concerning the possible contribution of abiogenic gases to
economic petroleum hydrocarbon reservoirs. The association of high concentrations of H

2

with

13

C-enriched CH

4

end-members,

and H

2

depletion in the

13

C-depleted methanogenic end-members further suggests the possibility that abiogenic gases may support

H

2

autotrophy linked to methanogenesis in the deep subsurface.

D

2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Keywords:

Abiogenic; Methane; Hydrogen; Autotrophy; Deep biosphere; Mars

0009-2541/$ - see front matter

D

2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

doi:10.1016/j.chemgeo.2005.09.027

* Corresponding author. Tel.: +1 416 978 0770; fax: +1 416 978 3938.

E-mail addresses:

bslollar@chem.utoronto.ca (B. Sherwood Lollar), glc@geology.utoronto.ca (G. Lacrampe-Couloume), gslater@mcmaster.ca

(G.F. Slater), ward@geology.utoronto.ca (J. Ward), duane.moser@dri.edu (D.P. Moser), gihring@ocean.fsu.edu (T.M. Gihring), lhlin@ntu.edu.tw
(L.-H. Lin), tullis@princeton.edu (T.C. Onstott).

1

Fax: +1 416 978 3938.

2

Fax: +1 702 862 5360.

3

Fax: +1 850 644 2581.

4

Fax: +1 609 258 1274.

Chemical Geology 226 (2006) 328 â€“ 339

www.elsevier.com/locate/chemgeo

background image

1. Introduction

Recent reports of CH

4

in the Mars atmosphere fo-

cussed scientific and public attention on possible geo-
logical and biological sources of these hydrocarbons
(

Formisano et al., 2004; Kerr, 2004

). Resolving the

question of the origin of atmospheric CH

4

on Mars is

even more challenging given that distinguishing abio-
genic versus biogenic sources of CH

4

in the terrestrial

subsurface is still controversial (

Gold, 1979; Kenney et

al., 2002; Shock, 1995

). Deep subsurface fluids in

Precambrian Shield rocks have been shown to be dom-
inated by reduced gases such as CH

4

and locally, high

concentrations of H

2

(up to 30% by volume) (

Sherwood

Lollar et al., 1993a,b

).

Sherwood Lollar et al. (2002)

used stable isotope signatures to suggest that CH

4

and

higher hydrocarbon gases (ethane, propane and butane)
at Kidd Creek mine on the Canadian Shield are pro-
duced abiogenically by water–rock interaction such as
surface-catalysed polymerization (

Anderson, 1984;

Foustoukos and Seyfried, 2004

); metamorphism of

graphite–carbonate bearing rocks (

Giardini and Salotti,

1969; Holloway, 1984; Kenney et al., 2002

); and other

gas–water–rock alteration reactions such as serpentini-
zation (

Berndt et al., 1996; Charlou and Donval, 1993;

Horita and Berndt, 1999; Kelley et al., 2001, 2005;
McCollom and Seewald, 2001; Vanko and Stakes,
1991

). In this paper, data from 4 new sites in Canada

and South Africa suggests that abiogenic hydrocarbon
gases are more globally pervasive than has been under-
stood previously. This is due to the fact that at many
sites, the distinct abiogenic signature of such hydrocar-
bons is obscured by mixing with microbial CH

4

. Based

on this data, we present a model for identification of
abiogenic hydrocarbons through the resolution of mi-
crobial and abiogenic mixing â€” an approach that is
applicable to a wide variety of crustal settings where
potential abiogenic hydrocarbon reserves have been
suggested (

Gold, 1979; Kenney et al., 2002; Shock,

1995

).

2. Geological setting and samples

In gold and base-metal mines throughout the Pre-

cambrian Shield rocks of Canada, Finland and South
Africa, flammable gases discharge from fractures and
exploration boreholes (

Nurmi and Kukkonen, 1986;

Lahermo and Lampen, 1987; Cook, 1998; Sherwood
Lollar et al., 1993a,b

). Originally dissolved in saline

groundwater (TDS levels range from several 1000 to
tens of 1000s of ppm) in sealed fracture systems in the
rocks, gases are released via depressurization into mine

workings at rates of 1 to

N

30 L gas/min/borehole

(

Sherwood Lollar et al., 1993a,b

). The groundwaters

are typically NaCaCl-rich or CaNaCl-rich with low
levels of SO

4

(typically

b

15 ppm and always

b

100

ppm) with pH levels between 7–9. This study focuses
on two sites in Canada (Kidd Creek and Copper Cliff
South mines) and three in South Africa (Driefontein,
Kloof and Mponeng mines). Kidd Creek mine, situated
in the southern volcanic zone of the Abitibi greenstone
belt (approximately 2700 Ma), 24 km N of Timmins,
Ontario is one of the world’s largest volcanogenic
massive sulfide deposits. All samples were collected
from 2–2.1 kmbls (kilometers below land surface). The
Cu–Ni ore at Copper Cliff South mine (CCS) in Sud-
bury, Ontario is associated with a quartz diorite dike
offset of the Sudbury Igneous Complex â€” a micro-
pegmatite, norite and quartz diorite irruptive emplaced
approximately 1840 Ma (

Cochrane, 1984

and samples

were from approximately 1.3 kmbls. In South Africa,
Kloof, Driefontein and Mponeng mines are all located
west of Johannesburg in the Witwatersrand Basin â€” a
large Archean intracratonic basin composed of volca-
nosedimentary sequences that unconformably overlie
3.0 Ga granitic basement. The basin is divided chrono-
logically into quartzite, shale and minor volcanic strata
of the Witwatersrand Supergroup (2900 Ma), the basal-
tic lava sequence of the Ventersdorp Supergroup (2700
Ma) and the overlying clastic and dolomitic sediments
of the Transvaal Supergroup (2400–2500 Ma) (

Coward

et al., 1995

). Almost all the samples in this study are

from the Ventersdorp Supergroup and are located be-
tween 2.7 and 3.4 kmbls. The exceptions are borehole
DR938H3, which while drilled in the Ventersdorp,
intersects the underlying Witwatersrand Supergroup at
approximately half its 750 m length, and DR9IPC,
which is drilled in the overlying Transvaal Supergroup
and is located at 0.9 kmbls.

3. Methodology

3.1. Sampling methods

All gas and fracture water samples were collected at

the borehole collar after the method of

Sherwood Lollar

et al. (2002)

and

Ward et al. (2004)

A packer was

placed into the opening of the borehole and sealed to
the inner rock walls below water level to seal the
borehole from the mine air and minimize air contami-
nation. Gas and water were allowed to flow through the
apparatus long enough to displace any air remaining in
the borehole or the apparatus before sampling. Plastic
tubing was attached to the end of the packer and the

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

329

background image

flow of gas and/or water from the borehole was directed
into an inverted graduated funnel. Gases collected in
the inverted funnel were transferred directly into evac-
uated vials through a needle that was attached to the top
of the funnel. The gas sampling vials were pre-evacu-
ated 130 ml borosilicate vials sealed with butyl blue
rubber stoppers prepared after the method of

Oremland

and Des Marais (1983)

. Vials were pre-fixed with 50

A

l of a saturated HgCl

2

solution to kill any microbes

contained in the sample so microbial activity post-sam-
pling would not alter the gas composition and isotopic
signatures. Previous studies, comparing the isotopic
values of gases taken at the borehole collars to values
determined for gases in solution at depth in the same
boreholes, showed that exsolution of the hydrocarbon
gases from solution does not alter their isotopic signa-
tures (

Sherwood Lollar et al., 1993a,b, 1994

).

For the South African sites, the packer was sterilized

by autoclaving before insertion into the borehole in
order to reduce the possibility of introducing surface
microrganisms by that means. In mining environments,
aseptic drilling techniques were not possible. Microbial
populations were characterized and compared however
between the saline fracture waters from these sites, the
low salinity mine service water, and ventilation air.
Comparison of 16S rRNA gene clone libraries from
these possible sources of contamination and from the
fracture waters yielded no commonalities (

Kieft et al.,

1999; Onstott et al., 2003; Takai et al., 2001

). In

addition the fact that dissimilatory sulphate reductase
(DSR) and 16S ribosomal (rRNA) genes amplified
from the fracture water DNA yield sequences that are
most similar to those reported for sulphate-reducing
bacteria isolated from other subsurface sites is consis-
tent with the fracture water microbial populations being
in situ subsurface communities and not surface con-
taminants (

Baker et al., 2003

).

3.2. Compositional gas analysis

Compositional analyses of gas samples were per-

formed at the Stable Isotope Laboratory at the Univer-
sity of Toronto. A Varian 3400 GC equipped with a
flame ionization detector (FID) was used to determine
concentrations of CH

4

, C

2

H

6

, C

3

H

8

and C

4

H

10

. The

hydrocarbons were separated on a J and W Scientific
GS-Q column (30 m

0.32 mm ID) with a helium gas

flow and temperature program: initial 60

8

C hold 2.5

min, increase to 120

8

C at 5

8

C/min. A Varian 3800 GC

equipped with a micro-thermal conductivity detector
(

A

TCD) and a Varian Molecular Sieve 5A PLOT col-

umn (25 m

0.53 mm ID) was used to determine

concentrations of the inorganic gas components (H

2

,

He, Ar, O

2

, CO

2

and N

2

). To determine concentrations

of Ar, O

2

and N

2

the helium gas flow rate was 3 ml/min

and the temperature program was: initial 30

8

C hold 6

min, increase to 80

8

C at 15

8

C/min, hold 4 min. To

determine CO

2

concentrations, the helium gas flow rate

was 50 ml/min and temperature program was: initial 60

8

C, increase to 250

8

C at 20

8

C/min, hold 6 min. To

determine concentrations of H

2

and He, the argon

carrier gas flow rate was 2 ml/min and temperature
program was: initial 10

8

C hold 10 min, increase to

80

8

C at 25

8

C/min, hold 7 min. All analyses were run

in triplicate and mean values are reported in

Table 1

.

Reproducibility for triplicate analyses was

F

5%.

3.3. Isotopic analysis

Stable carbon and hydrogen isotopic analysis for all

hydrocarbons were performed at the University of Tor-
onto (

Table 2

). Analyses for

d

13

C values were per-

formed by continuous flow compound specific carbon
isotope ratio mass spectrometry with a Finnigan MAT
252 mass spectrometer interfaced with a Varian 3400
capillary GC. Hydrocarbons were separated by a Por-
aplot Q

k

column (25 m

0.32 mm ID) with temper-

ature program: initial 40

8

C hold 1 min, increase to 190

8

C at 5

8

C/min, hold 5 min. To separate CO

2

from CH

4

the program was started at 10

8

C (hold 2 min) increased

to 190

8

C at 5

8

C/min (hold 5 min). Total error incor-

porating both accuracy and reproducibility is

F

0.5

x

with respect to V-PDB standard.

The

d

2

H analysis was performed on a continuous

flow compound specific hydrogen isotope mass spec-
trometer which consists of an HP 6890 gas chromato-
graph (GC) interfaced with a micropyrolysis furnace
(1465

8

C) in line with a Finnigan MAT Delta

+

-XL

isotope ratio mass spectrometer. The hydrocarbon
gases were separated on a Poraplot Q

k

column (25

m

0.32 mm ID) with a helium carrier at 2.2 ml/min

and temperature program: initial 35

8

C hold 3 min,

increase to 180

8

C at 15

8

C/min. Total error incorpo-

rating both accuracy and reproducibility is

F

5

x

with

respect to V-SMOW.

3.4. DNA gene amplification (PCR)

Methyl coenzyme M reductase

a

-subunit genes

(

mcrA

) were amplified from community DNA extracts

according to the methods of

Hales et al. (1996)

Ar-

chaeal 16S rRNA gene was amplified using a nested
PCR reaction in which PCR product generated using
the primers 21F (

Moyer et al., 1998

), and 1492R (

Rey-

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

330

background image

senbach et al., 2000

) was used as template in PCR

reactions with the

b

nested

Q

primers 21F and 958R

(

Moyer et al., 1998

).

McrA

and archaeal 16S rRNA

gene PCR products were cloned using Invitrogen
TOPO kits. For each library, 48 clones were screened
by restriction fragment length polymorphism. Unique
clones were sequenced, then analyzed using BLAST
(

Altschul et al., 1997

to identify sequences in the

NCBI Genbank database having high similarity (

Table

3

). Sequence identities were calculated using BioEdit.

4. Results and discussion

4.1. Isotopic patterns suggest an abiogenic origin

Mantle-derived abiogenic hydrocarbons are typically

identified based on three criteria: a

d

13

C value for CH

4

more enriched than

25

x

; a

b

carbon isotopic reversal

Q

trend of increasing isotopic depletion in

13

C with in-

creasing molecular weight for CH

4

–ethane–propane–

butane; and a

3

He /

4

He ratio indicative of mantle-de-

rived helium (

R

/ Ra

N

0.1) (

Jenden et al., 1993

). Based

on these criteria, coal bed or thermogenic hydrocarbon
gases with anomalously enriched

d

13

C values and/or

anomalously depleted

d

2

H values for methane could be

distinguished from mantle-derived abiogenic gases
(

Jenden et al., 1988; Jenden and Kaplan, 1989; Poreda

et al., 1986, 1988; Lyon and Hulston, 1984; Rigby and
Smith, 1981

). Over the past decade however, there has

been a growing body of literature that indicates that not
all abiogenic gases are mantle-derived. A variety of low
temperature water–rock interactions have been shown
to produce both CH

4

and higher hydrocarbons such as

ethane, propane, and butane â€” including surface-cata-
lyzed polymerization from reduction of CO or CO

2

in a

Fischer–Tropsch synthesis; heating or metamorphism
of graphite or carbonate bearing rocks; or other
vapor–water–rock alteration reactions such as serpenti-
nization (

Holloway, 1984; Yuen et al., 1990; Berndt et

al., 1996; Hu et al., 1998; Horita and Berndt, 1999;
McCollom and Seewald, 2001; Foustoukos and Sey-
fried, 2004

). Significantly, several of these studies have

demonstrated that production of abiogenic CH

4

by

these water–rock interactions can result in

d

13

C values

as depleted as

57

x

(

Yuen et al., 1990; Hu et al.,

1998; Horita and Berndt, 1999

). In a crustal-dominated

geologic setting, these processes will produce abiogenic
hydrocarbons whose

d

13

C values reflect local crustal

carbon sources and will not have either

13

C-enriched

d

13

C values or

R

/ Ra values

N

0.1. In addition, it has

Table 1
Gas compositional data (in %)

Site

Borehole No.

Ar

H

2

He

O

2

N

2

CH

4

C

2

H

6

C

3

H

8

C

4

H

10

Copper Cliff

CCS4577

0.06

54.0

3.46

0.11

1.92

34.4

5.31

0.49

0.11

Copper Cliff

CCS4547

0.07

43.0

3.38

0.12

2.20

38.1

5.28

0.56

0.12

Copper Cliff

CCS4546

0.17

9.94

4.37

0.52

6.38

69.5

7.14

0.78

0.17

Copper Cliff

CCS4572

0.05

57.8

2.62

0.15

1.72

25.3

4.16

0.38

0.09

Copper Cliff

CCS4880

0.27

19.7

6.42

0.10

4.54

59.3

7.39

1.11

0.29

Mponeng

MPA

NA

3.30

9.06

4.77

28.1

53.8

2.47

0.36

0.08

Mponeng

MP104

NA

11.5

12.3

3.65

21.1

49.6

3.99

0.60

0.13

Driefontein

DR548

NA

10.3

3.05

6.18

23.6

50.7

3.85

0.52

0.11

Driefontein

DR938H1

NA

b

0.01

0.90

16.5

72.5

5.45

0.14

0.02

b

0.01

Driefontein

DR938H3-0m

NA

0.74

5.98

0.55

14.0

76.0

3.15

0.32

0.06

Driefontein

DR938H3

V

-0m*

NA

0.32

4.64

4.95

28.6

61.4

2.45

0.26

0.04

Driefontein

DR938H3-648 m

NA

NA

NA

NA

NA

NA

NA

NA

NA

Driefontein

DR938CH1

NA

b

0.05

0.21

23.4

89.9

1.19

b

0.05

b

0.05

b

0.05

Driefontein

DR9IPC

NA

b

0.05

2.75

3.77

81.9

11.6

b

0.05

b

0.05

b

0.05

Kloof

KL1GH

NA

9.15

3.42

14.5

56.4

10.7

0.49

b

0.01

b

0.01

Kloof

KL441H3

NA

b

0.01

15.9

0.43

45.1

33.0

0.66

0.07

0.02

Kloof

KL739

NA

9.25

13.5

b

0.04

7.72

64.9

2.86

0.41

0.08

Kloof

KL441H2

1.68

b

0.01

15.6

6.55

61.9

23.4

0.51

0.05

b

0.01

Kloof

KL443HWND1

1.39

b

0.01

18.2

1.24

13.3

57.3

2.03

0.28

0.05

Kloof

KL443HWDN

1.79

b

0.01

20.8

0.97

16.8

53.4

2.04

0.21

0.03

a. All CO

2

was below detection limit.

b. NA â€” not analyzed.
c. C

4

H

10

incorporates both

n

-butane and

iso

-butane.

d. *DR938H3

V

-0 m is a sample from the same borehole as DR938H3-0 m taken 8 months afterwards. Such temporal sampling was not possible for

the other boreholes due to the common practice of sealing them immediately after completion of drilling.
e. DR938H3-0 m and DR938H3-648 m were collected from the same borehole on the same day. The 0 m sample was taken at the borehole collar
while the 648 m sample was taken at 648 m depth.

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

331

background image

become clear that the

b

carbon isotopic reversal

Q

trend

alone is not sufficient evidence to support an abiogenic
origin (

Horita and Berndt, 1999

).

Based on crustal

3

He /

4

He ratios at all sites, no

mantle-derived component for the Precambrian Shield
hydrocarbon gases is indicated (

Lippmann et al., 2003;

Sherwood Lollar et al., 1993b

).

Sherwood Lollar et al.

(2002)

suggested a crustal abiogenic origin due to

water–rock interactions for the hydrocarbon gases at
Kidd Creek however, based on a new criteria â€” an
inverse correlation of

13

C-depletion and

2

H-enrichment

between CH

4

and ethane (

Fig. 1

A). Building on a

hypothesis for carbon isotope distribution patterns first
proposed by

Des Marais et al. (1981)

, it was suggested

that this pattern results from synthesis of higher molec-
ular weight hydrocarbons from CH

4

during polymeriza-

tion. In such a process

12

CH

4

reacts faster than

13

CH

4

to

form chains, so that

12

C is more likely to be incorporated

into larger hydrocarbon chains in polymerization reac-
tions, whereas, owing to preferential cleavage of the
weaker

12

C–

1

H bond versus the

12

C–

2

H bond, the

light (

1

H) isotope will be preferentially eliminated

(

Sherwood Lollar et al., 2002

). In contrast, the pattern

for commercial thermogenic natural gas deposits con-
sists of a positive correlation of

d

13

C and

d

2

H values

between CH

4

, ethane and the higher hydrocarbon gases

propane and butane (

Fig. 1

A). This isotopic pattern of

increasing isotopic enrichment in both

13

C and

2

H with

increasing molecular weight for the C

1

–C

4

homologues

for thermogenic gases results from production of hydro-
carbons by thermal cracking of a high molecular weight
organic precursor (

Des Marais et al., 1981; Schoell,

1988

). At each of the 4 newly investigated Precambrian

Shield sites in Canada and South Africa from this study,
hydrocarbon gases were identified with the same pattern
of

13

C-depletion and

2

H-enrichment between CH

4

and

Table 3
16S rRNA gene and

mcrA

clones from borehole DR9IPC having high relatedness to known methanogenic organisms

DR9IPC clone (Genbank accession number)

Percent of library

Nearest cultivated relative

Identity (%)

16S rRNA 1 (AY604061)

40.0

Methanobacterium curvum

93

mcrA 1 (AY604057)

23.7

Methanosarcina barkeri

99

mcrA 2 (AY604058)

73.7

Methanobacterium bryantii

86

mcrA 3 (AY604059)

2.7

Methanobacterium aarhusense

83

Table 2
Carbon and hydrogen isotopic values (in

x

) for CH

4

–C

4

hydrocarbon gases

Site

Borehole no.

d

13

C

CH

4

d

2

H

CH

4

d

13

C

C

2

d

2

H

C

2

d

13

C

C

3

d

2

H

C

3

d

13

C

n

C

4

d

2

H

n

C

4

Copper Cliff

CCS4577

36.1

413

24.6

266

ND

ND

ND

ND

Copper Cliff

CCS4547

34.4

424

28.1

290

ND

ND

ND

ND

Copper Cliff

CCS4546

32.0

452

34.6

348

33.4

ND

ND

ND

Copper Cliff

CCS4572

36.7

401

24.4

269

ND

ND

ND

ND

Copper Cliff

CCS4880

37.3

372

31.6

301

ND

ND

ND

ND

Mponeng

MPA

27.8

349

35.0

267

33.3

212

ND

ND

Mponeng

MP104

32.8

366

37.6

270

34.8

193

35.3

88

Driefontein

DR548

46.5

403

50.5

285

47.2

192

45.6

72

Driefontein

DR938H1

53.6

295

42.9

326

42.3

ND

ND

ND

Driefontein

DR938H3-0 m

40.2

368

43.1

290

42.0

ND

ND

ND

Driefontein

DR938H3

V

-0 m*

42.3

369

ND

ND

ND

ND

ND

ND

Driefontein

DR938H3-648 m

40.9

371

44.0

234

42.9

179

ND

ND

Dreifontein

DR938CH1

47.5

329

43.2

ND

ND

ND

ND

ND

Driefontein

DR9IPC

55.5

218

ND

ND

ND

ND

ND

ND

Kloof

KL1GH

29.2

312

33.2

230

ND

ND

ND

ND

Kloof

KL441H3

40.0

253

30.9

241

25.2

ND

ND

ND

Kloof

KL739

28.7

300

30.7

230

27.2

142

ND

ND

Kloof

KL441H2

37.8

257

32.9

198

34.0

105

ND

ND

Kloof

KL443HWND1

34.4

327

35.6

251

33.7

208

ND

ND

Kloof

KL443HWDN

34.3

329

34.3

269

33.5

206

33.6

207

a. ND â€” below detection limit for isotope analysis.
b. *DR938H3

V

-0m is a sample from the same borehole as DR938H3-0m taken 8 months afterwards. Such temporal sampling was not possible for

the other boreholes due to the common practice of sealing them immediately after completion of drilling.
c. DR938H3-0m and DR938H3-648m were collected from the same borehole on the same day. The 0 m sample was taken at the borehole collar
while the 648 m sample was taken at 648 m depth.

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

332

background image

ethane as the proposed abiogenic gases from Kidd Creek
(

Fig. 1

B;

Table 2

). Interestingly, for each site only the

most

13

C-enriched samples show this pattern.

4.2. Mixing trends

Whereas the Kidd Creek data set is remarkably

uniform, one sample (KC7792) has a

d

13

C

CH4

value

significantly more depleted in

13

C and enriched in

2

H

than other samples from this site (

Fig. 1

A).

Sherwood

Lollar et al. (2002)

suggested that this might be due to

mixing with a more

13

C-depleted and

2

H-enriched mi-

crobial CH

4

component in this borehole. In the current

study, the hydrocarbon gas samples analysed for 4 new
Precambrian Shield sites show a much wider range of
CH

4

isotopic signatures than at Kidd Creek (

Figs. 1B

and 2

). In all cases, the proposed abiogenic signature

was observed only for the samples with the most

13

C-

enriched CH

4

values at each site (DR938H3 at both 0

and 685 m, DR548; KL739 and KL1GH; CCS4546;
and both samples from Mponeng â€” MP104 and MPA;

Fig. 1

B). The distinct

13

C–

2

H isotopic patterns between

CH

4

and ethane for these samples (

Fig. 1

B), as well as

their significantly depleted

d

2

H values compared to

typical thermogenic gases (

Fig. 2

), do not support a

thermogenic origin for these

13

C-enriched end-mem-

bers. Furthermore, as at Kidd Creek, the majority of
the data points from CCS, Driefontein and Kloof Mines
fall along linear trends between the most

13

C-enriched

and

2

H-depleted end-members, and samples with more

13

C-depleted and

2

H-enriched values (

Fig. 2

), raising

the possibility of mixing between these two end-mem-
bers. For CCS, Kloof and Kidd Creek, all data fall
along a single trend from the

13

C-enriched end-mem-

bers identified in

Fig. 1

B, whereas for Driefontein, two

possible trends can be drawn through the data, one for
DR938H3 and one for DR548. At Mponeng, both
samples MP104 and MPA are

13

C-enriched and show

the proposed abiogenic signature (

Fig. 1

B) and this is

consistent with the lack of any mixing trend in

Fig. 2

.

In

Fig. 2

solid lines indicate the conventionally ac-

cepted fields of

d

13

C and

d

2

H values for microbial and

thermogenic CH

4

based on empirical studies (

Schoell,

1988

). The hatched trend lines indicate that

13

C-depleted

and

2

H-enriched end-members at these sites could theo-

retically be either thermogenic or microbial in origin
based on the distribution of the

d

13

C and

d

2

H fields.

Other lines of evidence indicate that this end-member is
microbial however, and suggest that microbial CH

4

mix-

ing with abiogenic gases produces the observed trend
lines. For borehole DR9IPC, 16S rRNA gene cloning
and

mcrA

(methyl coenzyme M reductase) gene cloning

indicate the presence of methanogens (

Table 3

). In addi-

tion, the

d

13

C and

d

2

H values for DR9IPC are similar to

the values for microbial CH

4

identified in several other

sites in the Witwatersrand Basin (

Ward et al., 2004

). In

particular, fracture water from Masimong and Merrie-
spruit, located 150 km southwest of Driefontein, have

d

13

C and

d

2

H values for CH

4

of

60.7 and

207

x

(MM5); and

53.7 and

194

x

(MR1), respectively

(

Fig. 2

). The microbial origin of CH

4

from Merriespruit

is also supported by 16S rRNA gene and by enrichment
cultures which indicate the presence of methanogens
(

Ward et al., 2004

).

In contrast, 16S rRNA gene amplifications for the

Kloof samples (KL739, KL441H2, KL443HWND1,
KL443HWDN) did not yield any evidence of methano-
gens (

Ward et al., 2004; Kieft et al., 2005

). While this

Fig. 1. Plot of

d

13

C versus

d

2

H values for C

1

–C

4

for Kidd Creek (A)

and for 4 new Precambrian Shield sites (B). In the lower panel, the
most

13

C-enriched samples at each site â€” Driefontein (open squares);

Mponeng (closed circles), Kloof (closed triangles) and CCS (crosses)
all show the characteristic

13

C depletion and

2

H enrichment between

CH

4

and ethane similar to the proposed abiogenic gases at Kidd Creek

(data from (

Sherwood Lollar et al., 2002

) â€“ closed squares– upper

panel). In marked contrast, the pattern for thermogenic gas reservoirs
is a positive correlation of

d

13

C and

d

2

H values for CH

4

and ethane

due to increasing isotopic enrichment in both

13

C and

2

H with

increasing molecular weight for the C

1

–C

4

homologues (open circles

— upper panel). This pattern results from production of the hydro-
carbon gases by thermal cracking of a high molecular weight organic
precursor (

Des Marais et al., 1981; Schoell, 1988

). Error bars on

d

13

C

values are

F

0.5

x

. Error bars on both A and B on

d

2

H values are

F

5

x

and are smaller than the plotted symbols.

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

333

background image

may be due to the very low biomass in these samples and
does not entirely rule out a small microbial CH

4

contri-

bution, it is nonetheless consistent with the predominant-
ly abiogenic origin proposed for CH

4

in the Kloof

samples. No microbiological work was carried out at
the other boreholes at Kloof, Copper Cliff South or
Mponeng, but for Driefontein, 16S rRNA gene amplifi-
cation and culture enrichments for methanogens were
attempted for both borehole DR9IPC (results above) and
for one of the proposed abiogenic end-members, bore-
hole DR938H3. While enrichments were unsuccessful,
PCR-amplified 16S rRNA gene indicated a bacterium
(closely related to the sulfate-reducing

Desulfotomacu-

lum

species) and three archaeal taxa within the family

Methanobacteriaceae

. The low biomass in this sample

suggests that concentrations of CH

4

in the 100 uM range

derived from microbial methanogenesis would be insuf-
ficient to isotopically overprint the

N

17 mM abiogenic

CH

4

signature however (

Moser et al., in press

).

The possibility of mixing between microbial hydro-

carbons (characterized by

13

C-depleted and

2

H-enriched

CH

4

values) and abiogenic end-members can be further

evaluated using the traditional scheme shown in

Fig. 3

,

adapted from

Hunt (1996)

. In this plot, microbial hydro-

carbons fall in the upper left corner based on their

13

C-

depleted CH

4

values and CH

4

/ C

2

+

ratios

N

1000 (

Hunt,

1996

). We have modified the scheme to evaluate abio-

genic-microbial mixing, using the abiogenic end-mem-
bers for each site suggested by

Fig. 1

B. For the microbial

end-member, while microbial CH

4

has been identified at

Kidd Creek and Copper Cliff South mines based on
microbial cultures (

Doig, 1994

), no information on the

isotopic composition of that CH

4

exists to date. Whereas

a microbial end-member has been identified at Driefon-
tein (DR9IPC) based on both isotopic evidence and gene
cloning (

Table 3

), we do not have the same information

for Kloof. The same dolomitic Transvaal Supergroup
overlies Kloof mine however and as at Driefontein,
fractures intersecting both the Ventersdorp and overlying
Transvaal provide a conduit for mixing of fluids and
gases between these two formations. For all samples
then, as an initial test of the model, we used a

d

13

C

value of

55

x

for the microbial end-member based

on the carbon isotope value of DR9IPC (

Fig. 3

). By

this approach, data from Kloof are consistent with mix-
ing of the most

13

C-enriched end-member (KL739) with

up to 43% of a microbial hydrocarbon end-member with
a

d

13

C

CH4

value of

55

x

(

Fig. 3

). All estimates are

insensitive to whether the microbial end-member has
CH

4

/ C

2

+

ratios of 10

3

–10

4

or even higher. For Driefon-

tein, DR938H1 is consistent with mixing with up to 84%
microbial CH

4

(based on mixing with DR548), while

mixing between DR9IPC and DR938H3 defines a sep-
arate trend line, as in

Fig. 2

Given that the gases occur in

hydrogeologically isolated fractured rock it is not sur-
prising that some sites exhibit a range of end-members
and different possible mixing lines, as fracture controlled
systems are rarely homogeneous. In fact, the mixing

Fig. 2. Plot of

d

13

C versus

d

2

H values for CH

4

for sites from this study compared to the conventional fields for microbial and thermogenic CH

4

after

Schoell (1988)

. Except for the two Mponeng samples (see text), samples fall along linear trends from the most

13

C-enriched end-members to more

13

C-depleted and

2

H-enriched end-members. Symbols are as in

Fig. 1

. DR938H3 and DR938H3

V

are samples taken from the same borehole

8 months apart. Unfortunately such temporal sampling was not possible for the other holes, due to the common practice of sealing them immediately
after completion of drilling. Error bars are

F

0.5

x

on

d

13

C values and

F

5

x

on

d

2

H values and are smaller than the plotted symbols. Data from

Masimong (MM) and Merriespruit (MR) are from

Ward et al. (2004)

for comparison. Data from Kidd Creek are from

Sherwood Lollar et al. (2002)

.

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

334

background image

lines could be recalculated for a microbial end-member
with a

d

13

C

CH4

value close to MM5 (

60

x

) (

Fig. 4

)

rather than close to DR9IPC (

55

x

), and the data are

still consistent with this simple two-component mixing
between microbial and abiogenic gas, although the esti-
mates of the fraction of microbial mixing vary some-

what. The key point of

Figs. 3 and 4

is not necessarily to

constrain a specific microbial

d

13

C value for each site,

but to demonstrate that the isotopic and compositional
variation in samples observed supports a model of mix-
ing between the

13

C-enriched end-members in

Fig. 1

B,

and microbial end-members with a range of

d

13

C values

typical of CH

4

produced by methanogens. If a similar

approach is taken for the Canadian Shield sites, KC7792
can be explained by a mixture of the most

13

C-enriched

end-member at Kidd Creek (KC8558), with up to 17.5%
microbial CH

4

(

Fig. 3

). The CCS data fit somewhat less

well. CCS4546 is the only sample with abiogenic char-
acteristics at this site (

Fig. 1

B) and is the most

13

C-

enriched and

2

H-depleted value at the site (

Fig. 2

).

Hence, whereas the CH

4

/ C

2

+

ratio for CCS4546 in

Fig.

3

is slightly elevated (8.6 versus approximately 6 for the

other samples), a mixing line through the remainder of
the data to a

13

C-enriched end-member with the

d

13

C

CH4

value of CCS4546 and a CH

4

/ C

2

+

ratio of 6 indicates that

a mixture of up to 23% microbial CH

4

can account for the

rest of the data at that site.

The most

13

C-enriched end-members at each site are

too C

2

+

-rich to be microbial in origin (

Fig. 3

), and

likewise too

2

H-depleted in CH

4

to be consistent with

a thermogenic origin (

Fig. 2

). Analogous to the Kidd

Creek gases, the carbon and hydrogen isotopic patterns
of these gases (

Fig. 1

B) suggest an abiogenic origin.

The fact that the data from these sites in both Canada
and South Africa fall on mixing lines in both

Figs. 2

and 3

provides excellent support for interpretation of

these data as two-component mixing between microbial

Fig. 4. Plot of

d

13

C values for CH

4

versus CH

4

/ C

2

+

ratios adapted

from

Hunt (1996)

In this plot, mixing lines are calculated as in

Fig. 3

but for mixing between the most

13

C-enriched CH

4

end-member at

each site, and a

13

C-depleted CH

4

rich microbial end-member with a

value of

60

x

(see text).

Fig. 3. Plot of

d

13

C values for CH

4

versus CH

4

/ C

2

+

ratios adapted

from

Hunt (1996)

. Data fall along mixing lines between the most

13

C-

enriched CH

4

abiogenic end-member at each site as suggested by

Fig.

1

B, and a

13

C-depleted CH

4

-rich microbial end-member, with a value

of

55

x

(see text). Mixing lines are calculated based on the

equations:

d

13

C

¼

x

ð

d

13

C

microbial

ޠþ Ã°

1

x

Þð

d

13

C

abiogenic

Þ

;

where

x

is the percent of the microbial end-member; and,

CH

4

=

C

2

þ Â¼ Ã°

x

ð

I

microbial

ޠþ Ã°

1

x

Þð

I

abiogenic

ÞÞ

1

;

where

I

= C

2

+ / CH

4

, the inverse of CH

4

/ C

2

+

. The estimated percent

microbial component for each sample (see text) is calculated by pro-
jecting its

d

13

C value onto the mixing lines on

Fig. 3

. As noted in the

text, the estimates of % microbial gas are relatively insensitive to CH

4

/

C

2

+

ratios but are dependent on the selected

d

13

C values for the two end-

members, and hence provide only a conservative estimate of the
relative fraction of microbial gas. In particular, the mixing lines as
depicted assume that the most

13

C-enriched end-member at each site is

entirely free of a microbial contribution. If the most

13

C-enriched

samples are already themselves the product of some mixing with
microbial CH

4

with an even more

13

C-enriched end-member, then

the estimates of the fraction of microbial contribution would be even
larger. Symbols are as in

Fig. 1

. MM5 and MR1 (circles) are microbial

CH

4

end-members previously identified for the Witwatersrand Basin

based on CH

4

isotopic values, 16S rRNA gene and enrichment cultures

(

Ward et al., 2004

). Unfortunately air contamination of sample DR9IPC

means that C

2

+

values are diluted to below detection limit, so a CH

4

/ C

2

+

ratio cannot be calculated for this sample. Based on the similarity in
isotopic composition of this sample to MR1 and MM5, it has been
plotted (in brackets) close to those samples for comparison purposes.
Error bars are

F

0.5

x

on

d

13

C values and

F

7

x

on CH

4

/ C

2

+

ratios and

are smaller than the plotted symbols.

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

335

background image

and abiogenic end-members. Alternatively the presence
of a thermogenic component at the sites in this study
cannot be completely ruled out. Indeed,

Ward et al.

(2004)

showed that mixing between microbial and

thermogenic gases might account for gases in boreholes
at Evander mine located in the quartzite, shale and
minor volcanics of the Witwatersrand Supergroup sedi-
ments. Samples from South Africa in the present study
however are predominantly from boreholes in a differ-
ent geologic unit, the basaltic lavas of the Ventersdorp
Supergroup. Furthermore, all the samples at Evander
fall close to the conventional microbial and thermo-
genic isotope fields in

Fig. 2

(

Ward et al., 2004

), unlike

the

13

C-enriched and

2

H-depleted end-members at the

sites in the present study. Hence we feel the best
explanation for the data in the present study is indeed
two-component mixing between

13

C-enriched abiogen-

ic and

13

C-depleted microbial end-members. The fact

that data from this study fit a simple two-component
mixing model between these microbial and abiogenic
end-members suggests that if a thermogenic component
is present, it is small and does not control the isotopic
and compositional variations in a major way.

4.3. H

2

-based autotrophy linked to methanogenesis

This approach to resolving mixing between abiogen-

ic and microbial CH

4

in the crust has important impli-

cations for evolving research into the Earth’s deep
biosphere, specifically the identification of potential
substrates supporting microbial communities in the
deep subsurface. H

2

-based subsurface microbial com-

munities associated with autotrophic methanogenesis
have been proposed in the Columbia River basalt aqui-
fer (

Anderson et al., 1998; Stevens and McKinley,

1995

), Lidy Hot springs (

Chapelle et al., 2002

); and

in carbonate-rich serpentinized peridotites at an off-axis
hydrothermal vent field near the mid-Atlantic ridge
(

Kelley et al., 2001; 2005

). Interest in such systems is

high since they may be modern terrestrial analogues for
subsurface microbial ecosystems under reducing condi-
tions on the early Earth (

Shock and Schulte, 1998

or

on other planets or Jovian satellites (

Chapelle et al.,

2002; McCollom, 1999

). Several of the boreholes sam-

pled in this study have high concentrations of H

2

gas as

well as the CH

4

and higher hydrocarbons already dis-

cussed. H

2

concentrations in samples from Mponeng,

Driefontein and Kloof are as high as 11.5% (

Table 1

).

H

2

levels in samples from CCS, Kidd Creek and other

sites in the Precambrian Shield rocks of Canada have
been reported in concentrations as high as 1–58%
(

Table 1

; (

Sherwood Lollar et al., 1993b

)). Over several

years, re-sampling of boreholes in Canada has shown
that the high H

2

levels are not simply an artefact of

drilling (

Bjerg et al., 1997

but a persistent natural

phenomenon in this geologic environment (

Sherwood

et al., 1988; Sherwood Lollar et al., 1993b, 2002

). Like

the hydrocarbon gases, the high quantities of H

2

are

likely the product of abiogenic water–rock interactions
in these geologically isolated, high rock to water ratio
environments. Specific H

2

-generating reactions may

vary from one geological environment to another. At
sites such as Kidd Creek where significant sections of
ultramafic rock occur, H

2

may be the product of ser-

pentinization over geologically long time scales analo-
gous to systems described elsewhere (

Abrajano et al.,

1988; Charlou and Donval, 1993; Kelley et al., 2001

).

In the absence of significant ultramafics, such as at the
Witwatersrand Basin sites, radiolytic decomposition of
water in the uranium-rich Witwatersrand Formation has
been shown to produce H

2

at a sufficient rate to account

for the elevated H

2

concentrations observed in these

isolated fracture fluids (

Lin et al., 2005

). H

2

as an

energy source for autotrophic microbial ecosystems
on both the Earth (

Anderson et al., 1998; Stevens and

McKinley, 1995

) and Mars (

Boston et al., 1992

has

been a topic of considerable debate in the literature.
Nonetheless, the number of studies that have been able
to convincingly demonstrate coupled oxidation of H

2

and reduction of CO

2

to produce CH

4

via the equation:

4H

2

þ

CO

2

Y

CH

4

þ

2H

2

O

ð

1

Þ

as the basis for a microbial food chain in the deep
terrestrial subsurface has been limited (

Chapelle et al.,

2002

).

The approach for identifying abiogenic and microbial

CH

4

end-members presented in this paper, and the large

database on deep subsurface gases developed by our
research in Canada and South Africa provides an oppor-
tunity to test this proposed reaction on a large scale.
Chemolithoautotrophs growing on H

2

can potentially

reduce a variety of different oxidants including any
available oxygen, sulfur and nitrogen oxidants, metals
and metalloids, as well as CO

2

. If H

2

autotrophy linked to

CO

2

reduction and methanogenesis is an important pro-

cess, there may be a correlation between H

2

utilization

and production of an isotopically

13

C-depleted microbial

CH

4

.

Fig. 5

is a compilation of all samples for Canada

and South Africa measured by our group to date (

n

= 65),

incorporating data from almost two dozen sites. A rela-
tionship exists between H

2

concentrations and the isoto-

pically distinct microbial and abiogenic hydrocarbon gas
end-members identified in this study. With few excep-

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

336

background image

tions, high H

2

concentrations (

N

1%) are associated with

only the most

13

C-enriched CH

4

samples (

d

13

C values

between

45 and

25

x

). In contrast, samples with

13

C-depleted CH

4

values (indicative of a significant

methanogenic component) correlate with H

2

values in

the range of 0.1% to 1%, to below detection limit
(

b

0.01%). The observed pattern of H

2

concentrations

and CH

4

isotopic signatures may be the geochemical

fingerprint of H

2

autotrophy linked to methanogenesis

via Eq. (1). This evidence supports the interpretation of
the hydrocarbon isotopic data as controlled by two-
component mixing between

13

C-enriched CH

4

end-

members and

13

C-depleted microbial end-members

and may further suggest that methanogenesis is sup-
ported by H

2

utilization. A scenario could be envisaged

where H

2

–CH

4

rich abiogenic gases are mobilized

when fractures open due to tectonic activity or due to
more recent disturbances due to mining activity and
support a redox gradient-driven ecosystem in the Pre-
cambrian Shield deep subsurface where rapid utiliza-
tion of H

2

by microbial communities quickly depletes

H

2

and produces a

13

C-depleted CH

4

signature charac-

teristic of methanogenesis that mixes with and partially
overprints the pre-existing

13

C-enriched abiogenic CH

4

signature.

5. Conclusions

This study suggests that the abiogenic hydrocarbon

gases first identified at Kidd Creek in fact exist at a
variety of Precambrian Shield sites worldwide. Using
the mixing models outlined here, the relative contribu-
tion of abiogenic versus microbial end-members can be
estimated. Verification of an abiogenic component first
requires identification of the end-member based on the

d

13

C and

d

2

H model illustrated in

Fig. 1

followed by

evaluation of the extent of mixing with other more
conventional hydrocarbon sources via mixing schemes
such as in

Figs. 2 and 3

This combined approach has

important implications for evaluation of potential abio-
genic hydrocarbon reservoirs in a wide range of geo-
logic settings, including the longstanding controversy
concerning the possible contribution of abiogenic gases
to economic petroleum hydrocarbon reservoirs (

Gold,

1979; Kenney et al., 2002

). The association of high

concentrations of H

2

with

13

C-enriched CH

4

end-mem-

bers, and the H

2

depletion in

13

C-depleted methano-

genic end-members further suggests the possibility that
abiogenic gases may support H

2

autotrophy linked to

methanogenesis in the deep subsurface.

Acknowledgements

This study was supported in part by grants from the

Natural Sciences and Engineering Research Council of
Canada and Discovery Grants Program, and Canadian
Space Agency to BSL and by the National Science
Foundation Life in Extreme Environments Program
(EAR-9714214) grant to TCO and NASA Astrobiology
Institute grant to the IPTAI team. We thank H. Li for
compositional and isotopic analyses. Special thanks are
due to the geologists and staff of the following mines for
providing geological information and invaluable assis-
tance with underground field work: Kidd Creek Mine,
Timmins, Ontario (D. Duff, R. Cook, P. Olsen); Copper
Cliff South Mine, Sudbury, Ontario (T. Little); and in
South Africa, Driefontein (D. Nel, B. Kotze, M. deKo-
ker), Mponeng (D. Kirshaw, H. Cole, G. Gilchrest) and
Kloof (A. Van Heerden, D. Steinkamp, T. Hewitt, G.
Buxton) Mines. Special thanks are owed to Rob Wilson
of SRK-Turgis for logistical support.

[SG]

References

Abrajano, T.A., Sturchio, N.C., Bohlke, J.K., Lyon, G.L., Poreda,

R.J., Stevens, C.M., 1988. Methane–hydrogen gas seeps, Zam-
bales Ophiolite, Philippines: deep or shallow origin? Chemical
Geology 71, 211 â€“ 222.

Fig. 5. Histogram of H

2

concentrations versus

d

13

C

CH

4

values for

samples (

n

= 65) from this study as well as for previously reported

data from Precambrian Shield sites in South Africa (

Ward et al., 2004

)

and Canada (

Montgomery, 1994; Sherwood Lollar et al., 1993a,b,

2002

). With few exceptions, high H

2

concentrations (

N

1%) (

n

= 31)

are associated with the most

13

C-enriched CH

4

end-members

(

d

13

C

CH

4

values between

45

x

and

25

x

). In contrast, samples

with

13

C-depleted CH

4

values (indicative of a significant methano-

genic component) have H

2

values between 0.1–1% (

n

= 7), to below

detection limit (

b

0.01%) (

n

= 27).

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

337

background image

Altschul, S.F., Madden, T.L., Schaffer, A.A., Zhang, J., Zhang, Z.,

Miller, W., Lipman, D.J., 1997. Gapped BLAST and PSA-
BLAST: a new generation of protein database search program.
Nucleic Acids Research 25, 3389 â€“ 3402.

Anderson, R.B., 1984. The Fischer–Tropsch Synthesis. Academic

Press.

Anderson, R.T., Chapelle, F.H., Lovley, D.R., 1998. Evidence against

hydrogen-based microbial ecosystems in basalt aquifers. Science
281 (5379), 976 â€“ 977.

Baker, B.J., Moser, D.P., MacGregor, B.J., Fishbain, S., Wagner, M.,

Fry, N.K., Jackson, B., Speolstra, N., Loos, S., Takai, K., Sher-
wood Lollar, B., Fredrickson, J.K., Balkwill, D., Onstott, T.C.,
Wimpee, C.F., Stahl, D.A., 2003. Related assemblages of sul-
phate-reducing bacteria associated with ultradeep gold mines of
South Africa and deep basalt aquifers of Washington State. En-
vironmental Microbiology 5 (4), 267 â€“ 277.

Berndt, M.E., Allen, D.E., Seyfried, W.E.J., 1996. Reduction of CO

2

during serpentinization of olivine at 300

8

C and 500 bar. Geology

24 (4), 351 â€“ 354.

Bjerg, P.L., Jakobsen, R., Bay, H., Rasmussen, M., Albrechtsen, H.-J.,

Christensen, T.H., 1997. Effects of sampling well construction on
H

2

measurements made for characterization of redox conditions in

a contaminated aquifer. Environmental Science and Technology
31, 3029 â€“ 3031.

Boston, P.M., Ivanov, M.V., McKay, C.P., 1992. On the possibility of

chemosynthetic ecosystems in subsurface habitats on Mars. Icarus
95, 300 â€“ 308.

Chapelle, F.H., O’Neill, K., Bradley, P.M., Methe, B.A., Ciufo, S.A.,

Knobel, L.L., Lovley, D.R., 2002. A hydrogen-based subsurface
microbial community dominated by methanogens. Nature 415,
312 â€“ 315.

Charlou, J.L., Donval, J.P., 1993. Hydrothermal methane venting

between 12N and 26N along the Mid-Atlantic ridge. Journal of
Geophysical Research 98, 9625 â€“ 9642.

Cochrane, L.B., 1984. Ore deposits of the Copper Cliff offset. In:

Kendrick, G. (Ed.), The Geology and Ore deposits of the Sudbury
Structure. Ontario Geological Survey, pp. 347 â€“ 360.

Cook, A.P., 1998. The occurrence, emission and ignition of com-

bustible strata gases in Witwatersrand gold mines and Bushveld
platinum mines and means of ameliorating related ignition and
explosion hazards. Safety in Mines Research Advisory Com-
mittee, Interim Project Report, vol. 504. Itasca Africa (Pty) Ltd.
90 pgs.

Coward, M.P., Spencer, R.M., Spencer, C.E., 1995. Development of

the Witwatersrand Basin, South Africa. Early Precambrian Pro-
cesses 95, 243 â€“ 269.

Des Marais, D.J., Donchin, J.H., Nehring, N.L., Truesdell, A.H.,

1981. Molecular carbon isotopic evidence for the origin of geo-
thermal hydrocarbons. Nature 292, 826 â€“ 828.

Doig, F., 1994. Bacterial methanogenesis in Canadian Shield ground-

waters. M.Sc. Thesis, University of Toronto, Toronto. 99 pp.

Formisano, V., Atreva, S., Encrenaz, T., Ignatiev, N., Giuranna, M.,

2004. Detection of methane in the atmosphere of Mars. Science
306, 1758 â€“ 1761.

Foustoukos, D.I., Seyfried, W.E.J., 2004. Hydrocarbons in hydro-

thermal vent fluids: the role of chrome-bearing catalysts. Science
304, 1002.

Giardini, A.A., Salotti, C.A., 1969. Kinetics and relations in the calcite–

hydrogen reaction and relations in the dolomite–hydrogen and sid-
erite–hydrogen systems. American Mineralogist 54, 1151 â€“ 1172.

Gold, T., 1979. Terrestrial sources of carbon and earthquake out-

gassing. Journal of Petroleum Geology 1, 1 â€“ 19.

Hales, B.A., Edwards, C., Ritchie, D.A., Hall, G., Pickup, R.W.,

Saunders, J.R., 1996. Isolation and identification of methano-
gen-specific DNA from blanket bog peat by PCR amplification
and sequence analysis. Applied and Environmental Microbiology
62, 668 â€“ 675.

Holloway, J.R., 1984. Graphite–CH

4

–H

2

O–CO

2

equilibria at low

grade metamorphic conditions. Geology 12, 455 â€“ 458.

Horita, J., Berndt, M.E., 1999. Abiogenic methane formation and

isotopic fractionation under hydrothermal conditions. Science
285, 1055 â€“ 1057.

Hu, G., Ouyang, Z., Wang, X., Wen, Q., 1998. Carbon isotope

fractionation in the process of Fischer–Tropsch reaction in prim-
itive solar nebula. Science China 41, 202 â€“ 207.

Hunt, J.M., 1996. Petroleum Geochemistry and Geology. W.H. Free-

man and Company, New York. 743 pp.

Jenden, P.D., Kaplan, I.R., 1989. Origin of natural gas in the Sacra-

mento Basin, California. American Association of Petroleum
Geologists Bulletin 73, 431 â€“ 453.

Jenden, P.D., Kaplan, I.R., Poreda, R.J., Craig, H., 1988. Origin of

nitrogen-rich natural gases in the California Great Valley: evi-
dence from helium, carbon and nitrogen isotope ratios. Geochi-
mica et Cosmochimica Acta 52, 851 â€“ 861.

Jenden, P.D., Hilton, D.R., Kaplan, I.R., Craig, H., 1993. Abiogenic

hydrocarbons and mantle helium in oil and gas fields. In: Howell,
D.G. (Ed.), The Future of Energy Gases, U.S. Geological Survey
Professional Paper, vol. 1570, pp. 31 â€“ 56.

Kelley, D.S., Karson, J.A., Blackman, D.K., Fruh-Green, G.L.,

Butterfield, D.A., Lilley, M.D., Olson, E.J., Schrenk, M.O.,
Roe, K.K., Lebon, G.T., Rivizzigno, P., 2001. An off-axis hy-
drothermal vent field near the Mid-Atlantic Ridge at 30

8

N.

Nature 412, 145 â€“ 149.

Kelley, D.S., Karson, J.A., Fruh-Green, G.L., Yoerger, D.R., Shank,

T.M., Butterfield, D.A., Hayes, J.M., Schrenk, M.O., Olson, E.J.,
Proskurowski, G., Jakuba, M., Bradley, A., Larson, B., Ludwig,
K., Glickson, D., Buckman, K., Bradley, A.S., Brazelton, W.J.,
Roe, K., Elend, M.J., Delacour, A., Bernasconi, S.M., Lilley,
M.D., Baross, J.A., Summons, R.T., Sylva, S.P., 2005. A serpen-
tinite-hosted ecosystem: the Lost City Hydrothermal Field. Sci-
ence 307, 1428 â€“ 1434.

Kenney, J.F., Kutcherov, V.A., Bendeliani, N.A., Alekseev, V.A.,

2002. The evolution of multicomponent systems at high pressures:
the thermodynamic stability of the hydrogen-carbon system: the
genesis of hydrocarbons and the origin of petroleum. PNAS 99
(17), 10976 â€“ 10981.

Kerr, R.A., 2004. Heavy breathing on Mars? Science 306, 29.
Kieft, T.L., Fredrickson, J.K., Onstott, T.C., Gorby, Y.A., Kostandar-

ithes, H.M., Bailey, T.J., Kennedy, D.W., Li, S.W., Plymale, A.E.,
Spadoni, C.M., Gray, M.S., 1999. Dissimilatory reduction of
Fe(III) and other electron acceptors by a Thermus isolate. Applied
and Environmental Microbiology 65 (3), 1214 â€“ 1221.

Kieft, T.L., McCuddy, S.M., Onstott, T.C., Davidson, M., Lin, L.-H.,

Mislowack, B., Pratt, L., Boice, E., Sherwood Lollar, B., Lipp-
mann-Pipke, J., Pfiffner, S.M., Phelps, T.J., Gihring, B., Moser,
D., van Heerden, A., 2005. Geochemically generated, energy-rich
substrates and indigenous microorganisms in deep, ancient
groundwater. Geomicrobiology Journal 22, 325 â€“ 335.

Lahermo, P.W., Lampen, P.H., 1987. Brackish and saline ground-

waters in Finland. In: Fritz, P., Frape, S.K. (Eds.), Saline Water
and Gases in Crystalline Rock, Geological Association of Canada
Special Paper, vol. 33, pp. 103 â€“ 110.

Lin, L.-H., Slater, G.F., Sherwood Lollar, B., Lacrampe-Couloume,

G., Onstott, T.C., 2005. The yield and isotopic composition of

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

338

background image

radiolytic H

2

, a potential energy source for the deep subsurface

biosphere. Geochimica et Cosmochimica Acta 69, 893 â€“ 903.

Lippmann, J., Stute, M., Torgersen, T., Moser, D.P., Hall, J., Lin, L.,

Borcsik, M., Bellamy, R.E.S., Onstott, T.C., 2003. Dating ultra-
deep mine waters with noble gases and 36Cl, Witwatersrand Basin,
South Africa. Geochimica et Cosmochimica Acta 67, 4597 â€“ 4619.

Lyon, G.L., Hulston, J.R., 1984. Carbon and hydrogen isotopic

compositions of New Zealand geothermal gases. Geochimica et
Cosmochimica Acta 48, 1161 â€“ 1171.

McCollom, T.M., 1999. Methanogenesis as a potential source of

chemical energy for primary biomass production by autotrophic
organisms in hydrothermal systems on Europa. Journal of Geo-
physical Research 104 (E12), 30729 â€“ 30742.

McCollom, T.M., Seewald, J.S., 2001. A reassessment of the potential

for reduction of dissolved CO

2

to hydrocarbons during serpenti-

nization of olivine. Geochimica et Cosmochimica Acta 65 (21),
3769 â€“ 3778.

Montgomery, J., 1994. An isotopic study of CH

4

and associated N

2

and H

2

gases in Canadian Shield mining environments. MSc

Thesis, University of Toronto, Toronto, Canada, 72 pp.

Moser, D.P., Gihring, T.M., Brockman, F.J., Fredrickson, J.K., Balk-

will, D.L., Dollhopf, M.E., Sherwood Lollar, B., Pratt, L.M.,
Boice, E., Southam, G., Wander, G., Baker, B.J., Pfiffner, S.M.,
Lin, L.-H., Onstott, T.C., 2005. Deep continental fracture system
dominated by Methanobacterium spp. and Desulfotomaculum
spp. Applied and Environmental Microbiology. In press.

Moyer, C.L., Tiedje, J.M., Dobbs, F.C., Karl, D.M., 1998. Diversity

of deep-sea hydrothermal vent Arachaea from Loihi Seamount,
Hawaii. Deep-Sea Research II 45, 303 â€“ 317.

Nurmi, P.A., Kukkonen, I.T., 1986. Geochemistry of water and gas

from deep drill holes: a new sampling technique. Canadian Jour-
nal of Earth Sciences 23, 1450 â€“ 1454.

Onstott, T.C., Moser, D.P., Pfiffner, S.M., Fredrickson, J.K., Brock-

man, F.J., Phelps, T.J., White, D.C., Peacock, A., Balkwill, D.,
Hoover, R., Krumholz, L.R., Borscik, M., Kieft, T.L., Wilson, R.,
2003. Indigenous and contaminant microbes in ultradeep mines.
Environmental Microbiology 5, 1168 â€“ 1191.

Oremland, R.S., Des Marais, D.J., 1983. Distribution, abundance and

carbon isotopic composition of gaseous hydrocarbons in Big Soda
Lake, Nevada: an alkaline, meromictic lake. Geochimica et Cos-
mochimica Acta 47, 2107 â€“ 2114.

Poreda, R.J., Jenden, P.D., Kaplan, I.R., Craig, H., 1986. Mantle

helium in Sacramento basin natural gas wells. Geochimica et
Cosmochimica Acta 50, 2847 â€“ 2853.

Poreda, R.J., Jeffrey, A.W.A., Kaplan, I.R., Craig, H., 1988. Mag-

matic helium in subduction-zone natural gases. Chemical Geology
71, 199 â€“ 210.

Reysenbach, A.L., Longnecker, K., Kirshtein, J., 2000. Novel bacte-

rial and archaeal lineages from an in situ growth chamber
deployed at a Mid-Atlantic Ridge hydrothermal vent. Applied
and Environmental Microbiology 66, 3798 â€“ 3806.

Rigby, D., Smith, J.W., 1981. An isotopic study of gases and hydro-

carbons in the Cooper Basin. Australian Petroleum Exploration
Association Journal 21, 222 â€“ 229.

Schoell, M., 1988. Multiple origins of methane in the Earth. Chemical

Geology 71, 1 â€“ 10.

Sherwood, B., Fritz, P., Frape, S.K., Macko, S.A., Weise, S.M.,

Welhan, J.A., 1988. Methane occurrences in the Canadian Shield.
Chemical Geology 71, 223 â€“ 236.

Sherwood Lollar, B., Frape, S.K., Fritz, P., Macko, S.A., Welhan,

J.A., Blomqvist, R., Lahermo, P.W., 1993a. Evidence for bacteri-
ally generated hydrocarbon gas in Canadian Shield and Fennos-
candian Shield rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta 57,
5073 â€“ 5085.

Sherwood Lollar, B., Frape, S.K., Weise, S.M., Fritz, P., Macko, S.A.,

Welhan, J.A., 1993b. Abiogenic methanogenesis in crystalline
rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta 57, 5087 â€“ 5097.

Sherwood Lollar, B., Frape, S.K., Weise, S.M., 1994. New sampling

devices for environmental characterization of groundwater and
dissolved gas chemistry (CH

4

, N

2

, He). Environmental Science

and Technology 28 (13), 2423 â€“ 2427.

Sherwood Lollar, B., Westgate, T.D., Ward, J.A., Slater, G.F.,

Lacrampe-Couloume, G., 2002. Abiogenic formation of gaseous
alkanes in the Earth’s crust as a minor source of global hydrocar-
bon reservoirs. Nature 416, 522 â€“ 524.

Shock, E.L., 1995. An open or shut case? Nature 378, 338 â€“ 339.
Shock, E.L., Schulte, M.D., 1998. Organic synthesis during fluid

mixing in hydrothermal systems. Journal of Geophysical Research
103 (E12), 28513 â€“ 28527.

Stevens, T.O., McKinley, J.P., 1995. Lithoautotrophic microbial eco-

systems in deep basalt aquifers. Science 270, 450 â€“ 454.

Takai, K., Moser, D.P., DeFlaun, M., Onstott, T.C., Fredrickson, J.K.,

2001. Archaeal diversity in waters from deep South African
gold mines. Applied and Environmental Microbiology 67 (12),
5750 â€“ 5760.

Vanko, D.A., Stakes, D.S., 1991. Fluids in oceanic layer 3: evidence

from veined rocks, hole 735B, Southwest Indian Ridge. Proceed-
ings of the Oceanic Drilling Program. Scientific Results 118,
181 â€“ 215.

Ward, J.A., Slater, G.F., Moser, D.P., Lin, L.-H., Lacrampe-Cou-

loume, G., Bonin, A.S., Davidson, M., Hall, J.A., Mislowack,
B.J., Bellamy, R.E.S., Onstott, T.C., Sherwood Lollar, B., 2004.
Microbial hydrocarbon gases in the Witwatersrand Basin, South
Africa: implications for the deep biosphere. Geochimica et Cos-
mochimica Acta 68 (13), 3239 â€“ 3250.

Yuen, G.U., Pecore, J.A., Kerridge, J.F., Pinnavaia, T.J., Rightor,

E.G., Flores, J., Wedeking, K., Mariner, R., Des Marais, D.J.,
Chang, S., 1990. Carbon isotope fractionation in Fischer–
Tropsch type reactions. Lunar Planetary Science Conference
XXI, pp. 1367 â€“ 1368.

B. Sherwood Lollar et al. / Chemical Geology 226 (2006) 328–339

339


Document Outline