维拉里卡火山周围温泉的热液地球化学控制因素

《Journal of South American Earth Sciences》：Hydrogeochemical controls on thermal springs around Villarrica Volcano

本文对智利南安第斯山脉Villarrica火山周围18个采样点的52份水样和9份溶解气样进行系统分析，揭示了水岩相互作用及深部岩浆库与区域地热梯度共同加热水层，结构控制影响气体运移，导致南部以CO?和H?S为主，东北部以CO?为主导的水化学异质性，更新了该火山地热系统模型。

　　

克劳迪娅·布卡雷·帕拉（Claudia Bucarey Parra）|华金·亚诺（Joaquin Llano）|马里亚诺·阿古斯托（Mariano Agusto）|加布里埃拉·贝拉斯克斯·瓦尔加斯（Gabriela Velásquez Vargas）

智利特穆科（Temuco）SERNAGEOMIN所属的南安第斯火山观测站（OVDAS）

摘要

维拉里卡火山（Villarrica volcano）是南美洲安第斯山脉中研究最为深入的活火山系统之一。然而，该火山与其周围热泉水之间的相互作用机制仍不甚明了。在这项研究中，我们基于三次野外考察中从18个采样点收集的52份水样和9份溶解气体样本来进行了全面的地球化学分析。通过对物理化学参数、主要离子种类、微量元素、稳定同位素比值及气体成分的综合分析，我们识别并区分了不同的水文特征。研究结果表明，水-岩相互作用（尤其是长石的溶解导致钠元素富集）是控制该地区水化学性质的主要过程。此外，虽然含水层受到深层岩浆库及区域地热梯度的加热，但与上升热液气体的相互作用对水化学成分的演变也起着关键作用。在南部地区，热泉水同时受到二氧化碳（CO₂）和硫化氢（H₂S）的影响；而在东北部地区，二氧化碳是主要的影响因素。利基涅-奥夫基断层系统（Liqui?e-Ofqui Fault System）和安第斯横断层（Andean Transverse Faults）的地质构造对气体上升路径及热泉水的地球化学特征具有显著影响。本研究更新了关于维拉里卡火山热液系统的认识，首次分析了新的采样点，并发现了新的作用过程，从而进一步完善了该地区地热系统的地球化学模型。

引言

与活火山相关的地热系统在南美洲安第斯山脉非常普遍（Mu?oz和Stern，1998；González-Ferrán，1995；Stern，2004；Viramonte等人，2005；Cembrano和Lara，2009；Lahsen等人，2015；Stelling等人，2016；Filipovich等人，2022；Jenkins等人，2023；Llano和Vigide，2025；Viramonte等人，2025）。在这些系统中，岩浆室释放出的气体可到达地表，与深层含水层及围岩发生相互作用，通过各种化学反应改变水的温度和成分（Ellis和Mahon，1964；Henley和Ellis，1983；Fischer和Chiodini，2015）。因此，研究与热含水层相关的地表水地球化学特征有助于深入了解地热系统的运行机制（Arnórsson，1985；Giggenbach，1988；Alvarez等人，1994；Goff和Janik，2000）。

维拉里卡火山是南火山带（南纬33°–46°W）中研究最为深入的火山之一（Mu?oz，1983；Mu?oz等人，1990；Ortiz等人，2003；Lara和Clavero，2004；Palma等人，2008；Moussallam等人，2016；Boschetty等人，2022等），该区域存在利基涅-奥夫基断层系统和安第斯横断层等地质构造，这些构造对岩浆活动有着重要影响（López-Escobar等人，1995a；Cembrano等人，1996；Melnick等人，2006a）。维拉里卡火山周围分布着多个热泉水资源，这些资源在冬季常被用于旅游开发，为当地经济带来收益（Lahsen，1988；Sánchez-Alfaro等人，2015）。已有研究者对这些热泉水进行了研究（Risacher等人，2011；Sánchez-Alfaro等人，2013；Held等人，2017；Wrage等人，2017；Held等人，2018；Nitshke等人，2018），并发现了地质构造与水体成分之间的关联。

本研究的目的是进一步揭示维拉里卡火山相关地热系统中的地球化学过程。为此，我们在2012年7月、2015年5月和2016年4月共进行了三次采样，共收集了52份水样和9份溶解气体样，测量了其中的主要离子、微量元素及同位素比值。这些新数据有助于我们理解地热系统中的地球化学过程，并补充了以往的研究成果。

地质背景

纳斯卡板块（Nazca Plate）与南美洲板块的碰撞对南安第斯山脉的所有火山和地震活动都有显著影响。瓦达蒂-贝尼奥夫带（Wadati-Benioff Zone）的几何变化将第四纪安第斯火山弧划分为三个区域：中部火山带（17°–28°S）、南部火山带（33°–46°S）和最南部火山带（48°–56°S）（Viramonte和Petrinovic，1990；López-Escobar等人，1995b；Stern，2004）。南部火山带下的地壳...

采样方法

由于许多热泉水被用于旅游用途，我们通常将泉水引入水池以方便游客参观。在条件允许的情况下，我们直接从泉水出口处采集样本以保持其自然状态；若无法直接采样，则从储存池中取样。温度、pH值和电导率（EC）均在现场使用便携式多参数仪器进行测量。过滤后的样本（孔径0.45 μm）被收集在250毫升的容器中。

物理化学参数

温度、pH值和电导率的数据见表1。除科尼亚里佩（Co?aripe）、佩利亚伊法（Pellaifa）和赫奥梅特里卡斯（Geométricas）的水样外，其他水样的温度大多在30°至52°C之间；pH值呈中性至碱性（6.5–9.5），电导率范围为250–850 μS/cm，其中赫奥梅特里卡斯的水样电导率较高（950–1,400 μS/cm）。艾图埃河（Aitue）和帕尔金河（Palguín）的水温较低（4–6°C），pH值介于7.3至7.5之间。

水体的来源

大多数水样的δ¹⁸O和δD同位素组成接近全球大气降水线（Craig，1961）及智利南部大气降水线（Daniele等人，2020），表明水体受大气降水影响显著（图4a），这可能与该地区的高降水量（>2,000毫米/年；Pizarro等人，2012）有关。不过，部分水样的δ¹⁸O-H₂O比值偏重，这可能是由于水-岩相互作用的结果，因为围岩本身具有较高的δ¹⁸O-H₂O含量。

结论

对维拉里卡火山地区的地球化学调查表明，尽管热泉分布较为密集，但水体之间存在明显的地球化学异质性。这些含水层主要通过周围山谷的降水得到补给，并受到地热梯度和深层岩浆热流的加热。不同的地质构造（尤其是安第斯横断层系统和利基涅-奥夫基断层）对水体的化学成分具有重要影响。

作者贡献声明

加布里埃拉·贝拉斯克斯·瓦尔加斯（Gabriela Velásquez Vargas）：负责撰写初稿、方法论设计、资金申请及概念框架的构建。马里亚诺·阿古斯托（Mariano Agusto）：参与撰写初稿、数据可视化、概念设计。华金·亚诺（Joaquin Llano）：参与撰写初稿、数据可视化、软件开发、数据分析及概念框架的完善。克劳迪娅·布卡雷·帕拉（Claudia Bucarey Parra）：参与撰写初稿、数据可视化、方法论设计、数据采集、数据分析及概念框架的完善。

未引用文献

Mu?oz和Stern，1988年。

利益冲突声明

作者声明：他们不存在任何可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。