CO2充注流体对陆地含水层水化学的影响：整合地球化学与微生物学框架揭示深部流体迁移机制

为解决CO2富集环境下流体迁移与混合机制不明确的问题，研究人员以美国Saratoga Springs为研究对象，通过整合惰性气体、稳定同位素和微生物多样性分析，揭示了深部地壳来源的CO2（87.2–99.3%）主导的迁移过程，否定了前寒武纪卤水混合假说，并提出CO2溶解驱动的同位素交换（≤17%）可模拟深部流体信号。该研究为碳封存（CCS）和地下流体动力学提供了新见解。

　　

地下流体中CO₂的行为一直是地球科学与环境研究的焦点，尤其在碳封存（CCS）和能源开发领域。然而，CO₂富集环境中流体迁移与混合机制长期缺乏约束，部分天然系统甚至出现与深部卤水相似的δ¹⁸O-δ²H信号，但其成因争议不断。美国Saratoga Springs State Park（SSSP）的CO₂富集泉群便是典型案例——前人曾推测其存在前寒武纪基底卤水混合，但证据链存在断层。

为破解这一谜题，美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究团队创新性地将地球化学与微生物学方法结合，对SSSP的10个泉眼展开系统研究。通过惰性气体（He、Ne）同位素分析、稳定同位素（δ¹³C_CO2、δ¹⁸O_H2O）测定、水化学组分解析及16S rRNA基因测序，揭示了CO₂迁移对浅层含水层的改造机制。相关成果发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

研究采用四大关键技术：

1. 惰性气体质谱法测定³He/⁴He（R/R_A）与CO₂/³He比值以追溯CO₂来源

2. 稳定同位素质谱分析水-气系统的δ¹³C和δ¹⁸O分馏

3. 离子色谱与ICP-MS测定Na⁺、Ca²⁺等主微量元素

4. 宏基因组学解析微生物群落结构

研究结果

1. CO₂来源解析

He同位素显示样品R/R_A值为0.32–0.48，含5%地幔组分，但CO₂/³He比值（9.2×10⁹–1.5×10¹³）表明87.2–99.3%的CO₂来自地壳碳酸盐热分解。δ¹³C_CO2（?7.4‰至?5.3‰）进一步支持无机碳酸盐来源，排除有机质贡献。

2. 水-气相互作用

浅层泉（≤90 m）的CO₂浓度较低且δ¹³C更负，反映CO₂上升过程中溶解驱动的¹³C分馏。DIC（溶解无机碳）的δ¹³C（1.5–3.7‰）与理论平衡值（2.8–4.1‰）吻合，证实CO₂是主要碳源。

3. 氧同位素交换

δ¹⁸O_H2O值（?11.2‰至?9.5‰）偏离全球大气水线（GMWL），模型显示≤17%的CO₂-H₂O氧交换可解释该现象。H₂S气味暗示氢同位素分馏可能由还原性气体交换引起。

4. 微生物群落分异

浅层淡水泉（State Seal）以好氧菌（如Gallionellaceae）为主，而深层咸水泉（Polaris、Orenda）富集厌氧菌（如Methanobacteriaceae）和硫循环菌（Sulfurospirillaceae），与地球化学分层一致。

结论与意义

该研究颠覆了SSSP存在深部卤水混合的传统认知，首次提出CO₂迁移可通过溶解-同位素交换（≤17% CO₂-H₂O¹⁸O交换）模拟"假卤水信号"。这一发现对理解自然CO₂储层演化至关重要：

1. 证实CO₂相能显著改造宿主水化学，这对CCS场地监测具有警示意义

2. 建立微生物群落-地球化学联合框架，为深部流体示踪提供新工具

3. 揭示低CO₂/H₂O比率下同位素交换的定量阈值

研究还暗示，在评估深部流体混合时，需综合惰性气体、多同位素与微生物证据，避免单一指标误判。这一方法论创新为全球类似CO₂富集系统的研究树立了范式。