东非裂谷系中西部分支（刚果民主共和国和布隆迪）热液流体中的氦气来源及其相关热量

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Sources of helium and associated heat in hydrothermal fluids from the central western branch of the East African Rift System (Democratic Republic of Congo and Burundi)

地热流体在基伍湖-坦干伊喀湖裂谷区的研究表明，稳定水同位素和稀有气体（氦、氖、氩）显示流体主要来源于大气降水，与地壳岩石（尤其是新元古代花岗岩）发生水岩相互作用，氦同位素（3He/?He）比值普遍低于地幔源（Ra=1.384×10??），表明地壳氦源占主导（Rc/Ra=0.02-0.087），仅微量地幔氦（最高13%）。Sr同位素（??Sr/??Sr）显示与地壳 basement 高放射性的Congo泥石流有关，部分样品显示高放射性的??Sr/??Sr（0.7752），表明与深部地壳相互作用。地热梯度较低（约50-70°C/km），温度估计80-200°C，但氦通量仅1.83×10?? mol/m2/yr，远低于经济开采标准。研究区域构造活动（裂谷断层）控制流体运移，但缺乏大规模火山活动支持高热流。

　　在东非大裂谷系统（WBEARS）的西部分支，位于刚果民主共和国、卢旺达和布隆迪交界处的基伏湖周边地区，南部地区存在大量的温泉。这些温泉的化学成分和同位素特征在基伏湖北部已有研究，因为该区域存在世界上活跃的火山之一——尼拉贡戈火山。然而，尽管南部地区存在数十个温度在25至86摄氏度之间的热液表现，但由于当前没有活跃的火山活动，这些区域长期以来被忽视。本研究旨在填补这一知识空白，通过采集15个温泉、4个湖水和一个冷泉样本，对基伏湖和布隆迪地区的热液流体来源和路径进行分析，并评估其地热潜力。

本研究的采样地点涵盖了刚果民主共和国和布隆迪，包括基伏湖和坦干伊喀湖沿岸的温泉、Ruzizi盆地内的温泉以及坦干伊喀湖北部的热泉。这些热泉的水温范围从19.6摄氏度到29摄氏度，而温泉的水温则在32至67摄氏度之间。这些水的pH值从非常酸性（如Ruhagarika泉的pH值为3.1）到碱性（如Lac Vert的pH值为9.5）不等。水的电导率在不同采样点之间变化较大，从10微西门子/厘米到3745微西门子/厘米不等。根据主要离子的化学类型，水被分为两种主要类型：Ca-Mg-HCO3型和Na-K-HCO3型。其中，Ca-Mg-HCO3型的水通常与硅酸盐岩石的相互作用较少，而Na-K-HCO3型的水则可能表明更强烈的水-岩相互作用。

通过对水的稳定同位素（δ2H和δ1?O）进行分析，发现这些水的来源主要是降水，这表明它们与地表水有关。氦同位素比值（3He/?He或R）的测量显示，这些热泉的氦主要来自地壳，而来自地幔的氦比例最大仅为13%。这一发现与基伏湖北部地区形成了对比，基伏湖北部的热泉主要由地幔源的氦组成，显示出显著的高比值。这种差异表明，随着向南移动，热液流体的热量主要受当地地热梯度的控制，流体可能在更深的地壳中循环并升温。这种循环受到非洲裂谷中扩张性断层的促进，这些断层是热泉的主要分布区域。

本研究的初步结果表明，基伏湖区域的地壳氦通量不足以形成具有经济价值的氦资源，而这种资源在WBEARS的南部终止区，即坦桑尼亚的鲁克拉盆地则较为丰富。这些发现对于评估该地区的地热潜力和未来可能的资源利用具有重要意义。基伏湖南部地区的热液流体与地幔源的联系较少，这可能意味着该地区的热液活动主要由地壳中的放射性衰变过程提供，而并非由地幔中的高温源直接供应。这种现象可能与地壳中的岩石中铀和钍的放射性衰变有关，这些元素的衰变会生成放射性的?He。

本研究还发现，基伏湖和坦干伊喀湖沿岸的热泉在稳定同位素的水化学特征上存在显著差异。例如，基伏湖沿岸的热泉显示出与地壳来源相关的特征，而坦干伊喀湖沿岸的热泉则显示出更接近地幔来源的特征。这些差异可能与地壳的结构、岩性以及地热活动的强度有关。此外，水的化学成分和同位素特征表明，这些热泉的流体可能受到周围岩石的强烈影响，尤其是在Ruzizi盆地，这里的热泉显示出与Precambrian基底岩的强烈相互作用。

通过分析这些热泉的氦、氖和氩同位素比值，以及锶同位素比值（??Sr/??Sr），研究者能够推断出热液流体的来源。例如，??Sr/??Sr比值的范围从0.70362（Lac Vert样本）到0.77520（Ruzizi盆地的热泉），显示出可能与Proterozoic硅酸盐基底岩的水-岩相互作用有关。这些结果与基伏湖北部的热泉形成了对比，后者显示出较高的地幔源氦比例。

此外，研究还发现，热液流体中的氩同位素比值（??Ar/3?Ar）与锶同位素比值之间存在一定的趋势关系，这表明热液流体可能在更深的地壳中循环，与放射性矿物发生相互作用。这些同位素比值的变化也反映了流体在地壳中的循环路径和热液系统的成熟度。

在讨论部分，研究者进一步分析了这些热液流体的成熟度和地热温度。通过使用Giggenbach的化学成熟度模型，研究者能够估算出热液流体的温度范围，通常在77至99摄氏度之间。然而，某些样本显示出不合理的高温值，这可能表明这些样本并未达到与周围岩石的化学平衡，或者受到其他因素的影响。研究者还探讨了热液流体的分布与WBEARS的构造活动之间的关系，指出热液流体的分布受到断层和构造活动的控制。

综上所述，本研究对基伏湖南部地区的热液流体来源和热液系统特征进行了详细分析。这些发现对于评估该地区的地热潜力和未来可能的资源利用具有重要意义。研究者指出，基伏湖区域的热液流体主要来自地壳，而地幔源的贡献较小，这可能意味着该地区的地热活动主要由地壳中的放射性衰变过程提供。此外，研究还发现，该地区的热液系统可能受到构造活动的控制，尤其是在Ruzizi盆地和坦干伊喀湖沿岸的热泉。这些热泉的分布和特征表明，该地区的地热资源具有一定的开发潜力，但需要进一步的研究和评估。