R/V Atlantis – DSV Alvin AT15‐36  Endeavour Segment and Axial Volcano  Juan de Fuca Ridge, Northeast Pacific Ocean        August 18 – September 7, 2008    Chief Scientist  James F. Holden, University of Massachusetts Amherst, Geomicrobiology Project    Project Leaders  Daniela Di Iorio, University of Georgia, Heat and Fluid Fluxes  David A. Butterfield, University of Washington and NOAA/PMEL, Axial Volcano Research  David Clague, Monterey Bay Aquarium and Research Institute, Seafloor Mapping Cruise summary and acknowledgments: This cruise involved 23 scientists from three countries and  studied two deep‐sea hydrothermal vent sites in the northeastern Pacific Ocean. It was a combination  of two research programs funded by the National Science Foundation (NSF) to study the Endeavour  Segment in Canadian territorial waters and one program funded by the National Oceanic and  Atmospheric  Administration  (NOAA)  to  continue  monitoring activity at  Axial Volcano  in  U.S.  waters. A middle‐school science teacher from Athens, GA and an undergraduate honors student  from the University of Massachusetts Amherst participated in the cruise as part of our educational  and public outreach program. We successfully completed 16 of our 18 planned Alvin dives with two  dives lost due to poor weather. With Alvin, we collected 220 hydrothermal fluid samples, 14 sulfide  chimney samples of various ages, and three basalt rock samples. Two McLane fluid samplers that  were deployed for a year were recovered and replaced with two new samplers that will remain in  place until next summer. The Alvin and McLane fluid and sulfide chimney samples will be used for  microbiological and geochemical analyses and the development of a quantitative biogeochemical  model  of  fluid  alteration  at  Endeavour  and  Axial  Volcano.  We  also  collected  black  smoker  temperature and fluid flow rate measurements in high spatial resolution on and up to 20 m above  three of the massive sulfide structures in the Main Endeavour Field for flux modeling. Nine people,  including five graduate students and the science teacher, made their first dive in Alvin.  Other shipboard operations included seafloor mapping at Endeavour and Axial Volcano using an  autonomous underwater vehicle (AUV) operated by the Monterey Bay Aquarium and Research  Institute (MBARI). This was a no‐cost addition to the three funded programs onboard. Four AUV  surveys over Endeavour collected 35 km2 of multibeam and sidescan bathymetry data with 1‐m  lateral resolution from 4.3 km south of the Mothra vent field to 0.5 km north of the Sasquatch vent  field. Two surveys at Axial Volcano collected 22 km2 of seafloor bathymetry over the southern  portion of the caldera, completing a project that began in 2006 in collaboration with NOAA’s Pacific  Marine  Environmental  Laboratory  (PMEL).  We  conducted  three  vertical  CTD  casts  over  Axial  Volcano, two tow‐yo CTD casts over the Main Endeavour field, and one background seawater  vertical cast and collected 60 water column samples for chemical and microbiological analyses. We  also  collected  SeaBeam  seafloor  bathymetry  when  weather  conditions  did  not  permit  other  operations, during AUV technical difficulties, and during transits between Endeavour and Axial  Volcano.  We  are  very  grateful  to  the  crews  of  the  Atlantis  and  Alvin  for  their  hard  work  and  professionalism, and specifically to the captain of the Atlantis, A.D. Colburn, and the Alvin Expedition  Leader, Patrick Hickey, for making this cruise a success.  1 2 AT15‐36 Alvin Atlantis Program to the Endeavour Segment and Axial Volcano on the Juan de Fuca  Ridge, Northeast Pacific Ocean    Table of contents:    Page  Cruise summary and acknowledgments  1  AT15‐36 personnel  4  1.0 Summary of cruise objectives and accomplishments  5     1.1 Geomicrobiology and fluid chemistry of diffuse hydrothermal fluids  5     1.2 Microbe‐mineral‐fluid interactions within hydrothermal sulfide deposits  6     1.3 High‐temperature fluid and heat fluxes from massive sulfide deposits  6     1.4 Axial Volcano hydrothermal vent monitoring  6     1.5 Methanogen phylogeny in diffuse fluids based on mcrA gene analysis  7     1.6 High‐resolution seafloor mapping using an autonomous underwater vehicle (AUV)  7     1.7 Age dating of extinct and active hydrothermal sulfide deposits  7     1.8 Microbially‐mediated nitrogen cycling in diffuse hydrothermal fluids  8     1.9 Viruses in hydrothermal vent systems  8     1.10 Education and public outreach  8  2.0 Dive summaries  10     2.1 Dive 4438: Main Endeavour Field – August 21, 2008  11     2.2 Dive 4439: Main Endeavour Field – August 22, 2008  15     2.3 Dive 4440: Main Endeavour Field – August 23, 2008  17     2.4 Dive 4441: Main Endeavour Field – August 24, 2008  19     2.5 Dive 4442: ASHES Vent Field, Axial Volcano – August 25, 2008  21     2.6 Dive 4443: Marker 33/Cloud Vent, Axial Volcano – August 26, 2008  22     2.7 Dive 4444: Coquille Vent Field and North, Axial Volcano – August 27, 2008  24     2.8 Dive 4445: International District, Axial Volcano – August 28, 2008  27     2.9 Dive 4446: Main Endeavour Field – August 29, 2008  30     2.10 Dive 4447: Main Endeavour Field – August 30, 2008  32     2.11 Dive 4448: Main Endeavour Field – August 31, 2008  34     2.12 Dive 4449: Main Endeavour Field – September 1, 2008  36     2.13 Dive 4450: Mothra Vent Field – September 2, 2008  39     2.14 Dive 4451: Sasquatch Vent Field and AUV Recovery – September 3, 2008  41     2.15 Dive 4452: Main Endeavour Field – September 4, 2008  43     2.16 Dive 4453: High Rise Vent Field – September 5, 2008  47  3.0 Summary of non‐dive operations  49     3.1 MBARI seafloor mapping AUV missions  49     3.2 SeaBeam bathymetry surveys  57     3.3 CTD water column analysis and sampling  58     3.4 Hydrothermal fluid sampling and shipboard analysis  58  4.0 Preliminary description of sulfide samples  60  Appendices  67     Table A1: Alvin dive statistics  67     Table A2: Summary of filtered HFS fluid samples  68     Table A3: Summary of unfiltered HFS fluid samples  70     Table A4: Summary of HFS sterivex filter samples  72     Table A5: Summary of HFS large‐volume bag samples  73     Table A6: Summary of major fluid samples  74     Table A7:Summary of gas‐tight fluid samples  75     Table A8: Summary of Alvin Niskin bottle samples  77     Table A9: Summary of sulfide and basalt rock samples  78     Table A10: Summary of CTD water column samples  79  3 AT15‐36 Personnel    University of Massachusetts Amherst  James F. Holden          Chief Scientist  Helene Ver Eecke          Graduate Student  Dmitriy Tokar            Undergraduate Student  University of Washington  David A. Butterfield          Scientist  Eric Olsen            Oceanographer  Kevin Roe            Oceanographer  My Christensen           Oceanographer  Rika Andersen            Graduate Student  Oregon State University  Lee Evans            Oceanographer (Newport, OR)  Pacific Marine Environmental Laboratory, NOAA  Noah Lawrence‐Slavas          Oceanographer (Seattle, WA)  University of Georgia  Daniela Di Iorio           Scientist  Guangyu Xu            Graduate Student  Rachael Parr            Teacher  Skidaway Institute of Oceanography  Trent Moore            Oceanographer  Georgia State University  Leonid Germanovich          Scientist  Marine Biological Laboratory  Julie A. Huber            Scientist  University of Victoria  Annie Bourbonnais          Graduate Student  University of Ottawa  John Jamieson            Graduate Student  Monterey Bay Aquarium and Research Institute  David Clague            Scientist  David Caress            Scientist  Hans Thomas            Engineer  Duane Thompson          Engineer  Marilena Calarco          Graduate Student  Captain Atlantis            A.D. Colburn  Alvin Crew    Patrick Hickey            Expedition Leader    Sean Kelley            Pilot    Robert Waters            Pilot    David Walters            Pilot‐in‐Training    Anton Zafereo            Pilot‐in‐Training    Korey Verhein            Pilot‐in‐Training  Mike Skowronski          Pilot‐in‐Training  4 Figure 1. R/V Atlantiscruisetrack for AT15‐36.     1.0 SUMMARY OF CRUISE OBJECTIVES AND ACCOMPLISHMENTS:  1.1 Geomicrobiology and Fluid Chemistry of Diffuse Hydrothermal Fluids (Holden (UMass),  Butterfield (UW), Lilley (UW))  The goal of this study was to determine whether variations in environmental chemistry dictate  which type of microorganisms will grow within a specific niche, and then quantitatively estimate the  biogenic impact of these organisms on that environment. This will be done by determining the  distribution and abundances of specific groups of organisms using culture‐based and molecular  approaches. Particular attention was given to methanogens and hyperthermophilic autotrophic iron  reducers and sulfur‐reducing heterotrophs. Low‐temperature, diffuse hydrothermal fluid samples  were collected and co‐localized with high‐temperature fluids to estimate the degree of chemical  alteration within the subsurface between the high‐temperature end‐member fluid and the diffuse  fluid. These co‐localized fluids were collected at three sites at Axial Volcano (ASHES, Coquille,  International District) and at ten sites along the Endeavour Segment (1 Mothra, 7 Main Endeavour  Field, 2 High Rise). We also recovered two McLane fluid samplers from basalt‐hosted diffuse venting  at Easter Island in the Main Endeavour Field and Marker 33 at Axial Volcano that will provide  information on fluid chemistry variability over time. All of these fluid chemistry data will constrain  the types of microbial processes that may occur. At the Endeavour Segment and Axial Volcano, a  total of 210 hydrothermal fluid samples were collected: 142 Hydrothermal Fluid Sampler samples (60  filtered, 50 unfiltered, 26 sterivex filters, 6 large‐volume (4‐liter) bags), 26 titanium major fluid  5 samples, and 42 gas‐tight fluid samples. These were used for gas, major ion, and pH analyses;  culturing of microorganisms; and molecular analyses.  1.2 Microbe‐Mineral‐Fluid Interactions within Hydrothermal Sulfide Deposits (Holden (UMass),  Kelley (UW), Hannington (UOttawa))  The goal of this project was similar to the previous project in that it sought to determine how the  combination  of  fluid  chemistry  and  sulfide  chimney  mineralogy  shape  microbial  community  composition within hydrothermal sulfide chimneys. This will be done by examining the types,  distributions, and abundances of various groups of microorganisms within sulfide samples using  culture‐based,  molecular,  and  microscopic  methods  with  particular  attention  given  to  hyperthermophilic iron reducers, methanogens, and sulfur‐reducing heterotrophs. Three actively  venting  and  morphologically  varied  sulfide  chimneys  were  collected,  and  hydrothermal  fluid  samples were collected from the vent orifice that produced the sulfide following sampling. The  wurtzite‐sphalerite  rich  region  of  these  sulfides  were  removed  and  divided  for  quantitative  hyperthermophile culturing; fluorescence in‐situ hybridization microscopy; 16S rRNA nucleotide  sequencing; petrology; and electron microprobe and trace metal analysis; and Mössbauer, TES, FTIR  and synchrotron spectroscopies.  Sulfide samples recovered during the cruise have been sampled, archived, and documented  through  digital  imagery  and  hand  sample  analyses.  A  subset  of  sulfide  samples  that  were  subsampled for co‐registered detailed microbiological studies and vent fluid analyses have been  processed for major and trace element geochemical analyses. A subset of samples was also provided  to Dr. Mark Hannington, University of Ottawa, for incorporation into their on‐going studies of sulfur  isotopes and exploration of chimney dating. This work is the focus of a Ph.D. student at Ottawa.  Sulfide samples have also been processes for petrographic analyses and delivery of sections is  anticipated  in  1‐2  months.  During  this  next  year,  representative  samples  will  be  analyzed  petrographically  under  transmitted  and  reflected  light  for  characterization  of  petrogenesis,  interpretation  of  vent  chimney  formation,  and  mineralogical  characterization  of  the  mincroenvironments where biofilm formation takes place.  1.3 High‐Temperature Fluid and Heat Fluxes from Massive Sulfide Deposits (Di Iorio (UGA),  Germanovich (GaTech))  The objectives for this project were 1) recover the acoustic scintillation transmitter and receiver  moorings that were deployed during cruise AT15‐34 and redeploy them around Hulk vent for two  weeks, 2) quantify the hydrothermal plume characteristics using high frequency multibeam sonar  (the SM2000) imagery in both horizontal and vertical planes, 3) quantify heat fluxes from individual  black smoker vents on Dante, Hulk, Grotto, and TP vents, and 4) quantify the particle concentration  from specific black smokers on the top of these sulfide structures and 20 m above Dante and Hulk  within the integrated plume for assessing how much of the forward scattered acoustic propagation is  affected by particles rather than temperature fluctuations. Five Alvin dives to the Main Endeavour  Field were used to complete each of these objectives.  1.4 Axial Volcano Hydrothermal Vent Monitoring (Butterfield (UW/NOAA))  NOAA’s Pacific Marine Environmental Laboratory (PMEL) has been studying Axial Volcano  under the New Millennium Observatory (NeMO) project since 1998, the year of a significant volcanic  eruption in the southeast caldera and southern rift zone. The goals of this program (funded primarily  by the NOAA/PMEL Vents program) are to follow the temporal evolution of the volcano and  associated hydrothermal systems through an entire cycle from eruption to eruption, and to study in  detail the links between microbial community structures and the chemical environment. In the ten  years of the project, we have re‐sampled many vent sites for chemistry and microbiology nearly  6 every year. Dr. Julie Huber (MBL) and graduate student Andrew Opatkiewicz (UW) are both  involved in detailed molecular studies of DNA collected from diffuse vet sites at Axial Volcano.  Opatkiewicz is using the tRFLP technique to compare the most abundant phylotypes from a wide  range of vent sites over time and comparing the microbial community structures with fluid chemistry  using statistical techniques. For 2008, the primary goals of the project were to re‐sample selected vent  sites from ASHES, Coquille/Vixen, Bag City, Marker 113, International District, Marker 33, and  Cloud. We accomplished all of these sampling goals, but there was insufficient time to sample north  of Marker 33, specifically Marker N3 and the Forum.  As part of the time‐series study, we have monitored several different vents (high‐ and low‐ temperature) using McLane Remote Access Samplers (RAS) and temperature recorders. In 2007, we  deployed a RAS with a PVC cover to focus warm fluid venting from the tubeworm‐filled crack at  Marker 33. This sampler was recovered and replaced with a similar RS to be recovered in 2009. There  were significant non‐tidal variations in temperature and composition recorded by the 2007‐2008  instrument that we recovered, but the causes of the variations is unclear.  1.5 Methanogen phylogeny in diffuse fluids based on mcrA gene analysis (Huber (MBL))  The objective of this project was to contribute to the Holden/Butterfield effort to model the  biogenic flux of methane from diffuse flow vents at Axial Volcano and the Endeavour Segment. A  molecular‐based  approach  was  used  to  determine  the  abundance,  diversity,  and  activity  of  methanogens in the subseafloor. We collected low‐temperature diffuse fluids for DNA‐ and RNA‐ based analyses of methanogens. The samples collected will be used to quantify methanogens using  quantitative PCR of the mcrA gene, determine the diversity of methanogens using clone libraries and  sequencing of the mcrA gene, and determine in‐situ expression of the mcrA gene in select samples  using RNA extractions and reverse transcriptase quantitative (RT‐Q)‐PCR. This level of analysis,  which  includes  all  thermal  classes  of  methanogens,  will  allow  for  detailed  integration  with  cultivation and chemical measurements to build models of methane flux at deep‐sea hydrothermal  vents. In addition to this effort, samples from Axial Volcano were collected for targeted culturing  based on previous years’ results. Organisms of interest include epsilon‐proteobacteria, Archaeoglobus  spp., Deferribacter spp., and Aciduloprofundum spp. This project was funded by L’Oreal and by the  NASA Astrobiology Institute’s Directors Discretionary Fund.  1.6 High‐Resolution Seafloor Mapping using an Autonomous Underwater Vehicle (AUV) (Clague  (MBARI))  The goal of this project was to collect four days of bathymetry data over the Axial Volcano  caldera and rim to complete a high‐resolution bathymetry map started in 2006 and to commence  mapping the Endeavour Segment and its flanks. Twelve missions were attempted, and six of these  collected bathymetry data. Two days of mapping were performed at Axial Volcano, which completed  mapping of the caldera floor and the southern half of the caldera rim, and four days at the Endeavour  Segment. The Endeavour mapping ran throughout the axial valley from 4.3 km south of the Mothra  vent field to 0.5 km north of the Sasquatch vent field. Despite lost time due to weather and numerous  technical issues, we succeeded in collecting 27 hours of survey data at Axial Volcano and almost 55  hours of data along the Endeavour Segment. These translate into 140 km and 239 km of track at Axial  Volcano and the Endeavour Segment, respectively. Combined we mapped about 57 km2 of seafloor at  roughly 1‐m resolution.  1.7 Age  Dating  of  Extinct  and  Active  Hydrothermal  Sulfide  Deposits  (Jamieson/Hannington  (UOttawa))  A sampling program was performed to collect active and extinct sulfides of various ages from the  Main and Mothra vent fields of the Endeavour Segment. By dating the sulfides, a time series for vent  7 field‐scale growth can be established. Hydrothermal barite within the sulfides will be dated with a  novel geochronological technique using uranium series disequilibrium to determine the growth  history and accumulation rates of the Endeavour hydrothermal field. Age dates are calculated by  measuring the ratio of 226Ra‐to‐Ba in a barite sample. Over time, the 226Ra/Ba ratio decreases, due to  radioactive decay of 226Ra (1,600 year half‐life). If the initial 226Ra/Ba ratio of a sample is known, then  the decrease in activity of 226Ra in a sample will correspond to the age of the sample. Initial 226Ra/Ba  ratios can be determined by measuring the ratios in barite from active chimneys. This technique is  limited by the half‐life of 226Ra to samples ranging in age between 500 and 15,000 years. This time  interval is ideal to evaluate the lifespan of vent fields, which are thought to exist over 1,000s to  10,000s of years. Fourteen sulfide samples were collected from Mothra, Main, and Sasquatch vent  fields. These were cataloged, described and photographed (see section 4.0). Some of the samples will  be archived at the University of Washington. The rest will be analyzed (mineralogy, whole‐rock  geochemistry, and 226Ra activity) at the University of Ottawa.  1.8 Microbially‐Mediated  Nitrogen  Cycling  in  Diffuse  Hydrothermal  Fluids  (Bourbonnais/Juniper (UVic), Butterfield (UW/NOAA)  The goal of this project was to study microbially‐mediated nitrogen cycling in hydrothermal  vents using a combination of isotopic and microbial molecular ecology methods. The nitrogen cycle  in hydrothermal vents is poorly understood, especially the reactions involving bioavailable (i.e.,  fixed) nitrogen. The isotopic composition of dissolved inorganic nitrogen will be analyzed, which will  inform us about potential nitrogen cycle transformations, and denitrification rates will be measure in  diffuse hydrothermal fluids using 15N incubation techniques. The microbial communities mediating  nitrogen cycle reactions will be determined using 16S rRNA sequencing functional gene analysis.  Hydrothermal fluid samples were preserved from high and low temperature fluids for nutrient and  nitrogen isotope analyses. DNA for the molecular analyses will come from the sterivex samples  collected by Julie Huber at MBL.  1.9 Viruses in hydrothermal vent systems (Anderson/Baross (UW))  The objective of this project was to gather several large volume fluid samples for virus studies.  This  will  provide  preliminary  data  for  a  subsequent  study  of  viruses  in  hydrothermal  vent  communities. Fluid samples (~ 4 liters) were collected from background seawater, two hydrothermal  vent plumes and from diffuse hydrothermal output at six vent sites (Gollum, Marker 33, Marker 113,  S&M, Hulk, and Godzilla). These samples were then concentrated and preserved for counting and  imaging  and  stored  for  experimentation  to  determine  whether  a  virus‐host  system  could  be  established. The goal is to better understand the role of viruses in the Axial Volcano and Endeavour  Segment microbial ecosystem. Ultimately, our goal is to determine whether viruses act as mediators  of horizontal gene transfer in vent ecosystems via transduction.  1.10 Education and Public Outreach (Parr/Di Iorio (UGA))  Ms. Rachael Parr, a middle school teacher from East Jackson Middle School in Athens, Georgia,  was invited to participate in this expedition as part of Daniela Di Iorio’s educational outreach  program. Our primary objectives for her participation and assistance in the science collection was to  bring the research back to the middle school level and to develop a curriculum that will engage  students in learning the science of hydrothermal vents. Classroom studies will include, but are not  limited to:  a. Hydrothermal heat flux: flow and temperature measurements  b. Microbiology: microbial life found in and around the vents  c. Diversity: the diversity of life found in and around the vents  d. Geochemistry: the study of gases and volcanism  8 e. Plate tectonics: the types of plate boundaries and the movements within those boundaries  f. Mapping: Comparing SeaBeam Mapping to AUV Mapping  g. Technology: AUV, Alvin, acoustics, robotics, sonar, radar, and other technologies that are  utilized on board  h. Outreach: To develop programs that will reach other students.  Since Georgia schools started on Aug 7, 2008, Ms. Parr had one week with her 7th grade students  and took the opportunity to introduce the theory of plate tectonics to them. The Juan de Fuca Ridge  was used as their primary example and she held discussions with the students as to why it is a  heavily studied area by scientists. Other topics included 1) a discussion on buoyancy and Alvin with  an  inquiry  activity  where  the  students  design  and  build  a  neutrally‐buoyant  submersible,  2)  background information on the R/V Atlantis and the various types of research conducted on her, 3)  lessons on the methods and tools used by scientists to study hydrothermal vent systems, again with  focus on the Juan de Fuca Ridge, 4) lessons where students compare geysers on land with deep‐sea  hydrothermal  vents,  and  5)  lessons  on  microbial  life  found  around  the  vent  systems  and  a  comparison of these with those that live in your mouth.  While at sea, Ms. Parr developed an online blog site (http://rparr.edublogs.org/) to communicate  with students and teachers at East Jackson Middle School. The blog served the following purposes:  a. The research activities taking place daily, along with pictures that helped in understanding the  research, were posted. Much of the information was gathered through interviews with the  scientists onboard Atlantis.  b. Each day all science teachers in the school, regardless of the discipline taught, held a class  discussion on the blog content for the day. Students were given the opportunity to respond to  the blog and ask questions. Questions that the students had were answered the following day.  c. The blog was also used to ask the students research questions, to which a log of answers was  kept by the teacher for further discussion upon return to the classroom.  Each day, approximately 410 students read the blog and there were on average 15 comments by  students  and  classes  participating  in  the  project.  It  will  be  continued  as  a  teaching  and  communication method with other schools.  Ms. Parr also developed 6th‐grade Earth Science curriculum materials on the ship that began use  upon her return to the classroom. These materials include, but are not limited to 1) understanding the  structure  of  the  Earth,  2)  understanding  the  theory  of  plate  tectonics,  and  3)  modeling  and  demonstrating the types of plate boundaries with specific emphasis on the Juan de Fuca Ridge.  Inquiry  investigations  on  buoyancy,  velocity,  density,  pressure,  mass  and  volume  are  in  development.  Ms.  Parr’s  7th‐grade  Life  Science  curriculum  will  cover  microorganisms  with  a  comparison of archaea and bacteria and the conditions in which these grow. Class activities and  discussions will also include symbiotic relationships found at the hydrothermal vents. There will be a  research project on marine sanctuaries and protected areas, and the students will watch videos that  feature deep‐sea hydrothermal vents.  Finally,  Ms.  Parr  will  share  her  experiences  with  the  K‐12  teaching  community  through  presentations on the benefits of connecting science teaching to the science community, her experience  on her Alvin dive, and exploration beyond the classroom. She will also share a presentation with the  science learning community or CLIMS (Community of Learners in Mathematics and Science) on  connections to ‘real world’ science.  9