关于墨西哥普埃布拉州阿科库尔科地区地热系统中二氧化碳（CO2）和氡（Radon）的传输情况

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：On the transport of CO2 and Radon in the geothermal area of Acoculco, Puebla, Mexico

火山系统CO?和Radon输运的数值模拟与地质结构关联性研究。基于TOUGHREACT V4建立三维概念模型，分析墨西哥Acoculco火山口复合体中CO?通量（最高达30,000 g m?2天?1）和Radon浓度（最高12,000 Bq m3?1）的运移机制，揭示断层系统对气体渗透率（1.3×10?1?-2.6×10?12 m3?1）和热力学场（梯度约40°C/km）的调控作用，提出冷嘶嘶现象由深层 advective 流经非孔隙通道及浅层扩散共同导致。

　　研究团队由Fernando J. Guerrero、Daniel Pérez-Zárate、Edgar Santoyo、Adrián Jiménez-Haro、David Yá?ez-Dávila和Gustavo Santos-Raga组成，来自墨西哥国立自治大学国家可再生能源研究所。该研究聚焦于墨西哥阿科库尔科火山口复式构造中的二氧化碳（CO?）和氡（Rn）的传输机制。通过对已有CO?通量数据的整合以及本次研究中采集的新数据，团队构建了一个概念性与数值化的模型，用于解释CO?和Rn的运输过程。此外，研究区域的结构背景也进行了重新解读，结合了地貌评估的结果。通过使用TOUGHREACT V4软件进行数值模拟，研究团队提出了一种三维概念模型，以更好地理解CO?和Rn在该火山口区域的分布与流动。

在研究中，CO?通量的测量采用了积累室法，这种方法在测量土壤或地表气体通量方面具有较高的准确性。同时，Rn浓度的分析基于在活动闪烁室中收集的气体样本，这种方法能够有效捕捉Rn在地表的分布情况。研究区域的地质结构复杂，由一系列断裂带和构造活动塑造，这些结构在很大程度上控制了气体的传输路径。例如，阿科库尔科火山口的形成与NW-SE方向的伸展构造以及区域内的古老断裂带密切相关，而这些断裂带的重新激活则进一步促进了气体的释放。

在分析过程中，研究团队发现，在Azufres和Alcaparrosa两个地点存在显著的CO?通量聚集现象，土壤CO?通量可以达到30,000克每平方米每天，而Rn浓度则高达约12,000贝克勒尔每立方米。考虑到Rn的半衰期相对较短（约3.8天），这些高浓度的测量结果揭示了气体从深部结构通过局部透水路径迅速上升的特征。这些透水路径可能包括断裂带、裂缝或地表的局部通道，它们在地表形成高浓度的气体释放点。因此，这些测量结果不仅提供了对气体通量的直观认识，还揭示了深层结构与地表气体释放之间的潜在联系。

研究团队还探讨了CO?和Rn的传输机制。CO?的传输主要受到非等温扩散过程的影响，而在简单的达西流条件下，CO?的对流通量并不显著。这表明CO?的流动可能主要依赖于地层中的孔隙结构，而Rn的传输则可能涉及非孔隙流（即通过通道或裂缝的快速流动）。因此，团队提出，非孔隙流和分布式的Rn来源可能是解释阿科库尔科地区冷气体释放的关键假设。此外，研究还指出，Rn的高浓度可能与地下水的局部影响有关，例如水体的溶解作用可能显著改变Rn的浓度分布。

为了构建这一模型，研究团队利用了TOUGHREACT V4软件，这是一种用于模拟多相和多组分流系统的反应传输数值模拟工具。该软件能够计算质量与热量的平衡，基于达西定律的多相形式进行模拟。在本研究中，团队采用了ECO2N V.2模块，该模块可以处理高达300摄氏度和600巴的水-CO?-NaCl系统。对于Rn的传输模拟，团队基于热力学数据库thermo.com.V8.R6.230进行了建模，该数据库涵盖了Rn的热力学性质和反应过程。

在数值模拟的实现过程中，团队采用了一种有限体积离散化方法来求解平衡微分方程，并应用了动态时间步长策略。此外，使用了牛顿-拉夫森迭代法以求解非线性方程组，并应用共轭梯度法求解线性方程组。为了更好地模拟地表和地下结构，团队使用了Gmsh软件进行几何离散化，构建了与主要断裂带趋势一致的二维网格，同时在z轴方向上采用了分层离散方案（每层厚度为50米）。模型的前后处理则通过开源Python库PyTOUGH完成，该库提供了对模拟过程的全面支持。

模拟结果表明，CO?和Rn的传输过程受到地质结构和热力学条件的显著影响。在模拟的前三个阶段中，团队首先构建了静水模型，随后引入了地热梯度，最后模拟了CO?的质量注入和Rn的传输过程。通过调整初始和边界条件，团队确保了模拟结果能够反映实际的观测数据。模拟结果显示，CO?在地表的通量最大值约为300克每平方米每天，而Rn的浓度则在接近地表的区域快速衰减，表明其传输主要依赖于快速流动的通道。

在模型的构建过程中，团队假设CO?和Rn的来源位于深部的岩浆侵入体，并通过底部边界进入系统。这一假设与地质结构和热力学条件相符，因为岩浆活动通常伴随着高温和高气体通量。此外，团队还考虑了地表土壤和断裂带的渗透性差异，认为土壤层和断裂带可能具有不同的传输机制，这有助于解释CO?和Rn的分布特征。然而，由于模型假设气体来源仅限于二维的底部边界，而实际的岩浆侵入体可能具有复杂的三维结构，因此模型的结果只能部分反映实际的气体传输过程。

此外，研究团队还分析了CO?和Rn的耦合情况。通过统计分析，团队发现两者之间的相关性较弱，这可能与不同地质条件下的传输机制有关。例如，在某些区域，CO?和Rn的通量可能高度耦合，而在其他区域则可能表现出解耦的现象。这种差异可能反映了不同地质结构对气体传输的控制作用，例如局部的高渗透性区域可能促进两者的同时释放，而低渗透性区域则可能限制它们的耦合程度。

研究还指出，Rn的高浓度可能与地下水的局部作用有关，例如地下水的溶解作用可能显著影响Rn的浓度分布。然而，由于模型假设地下水的相互作用有限，因此在模拟中未完全考虑这一因素。这可能影响模型对Rn浓度的预测精度，特别是在靠近地表的区域，地下水的溶解作用可能对Rn的传输产生重要影响。

总的来说，这项研究通过概念性与数值化的模型构建，揭示了阿科库尔科火山口区域中CO?和Rn的传输机制。研究结果表明，CO?的通量主要受到扩散过程的控制，而Rn的高浓度则可能反映局部的快速传输路径。同时，研究还指出了模型的局限性，特别是在对深部岩浆侵入体的三维结构模拟方面。尽管如此，这些发现为理解火山口区域的冷气体释放机制提供了重要的参考，并可能对其他火山系统的气体释放研究具有借鉴意义。未来的研究可以进一步探讨季节性变化对气体通量的影响，并进行更详细的地质结构分析，以提高模型的准确性。