加利福尼亚硫磺银行汞矿热液系统温室气体排放及其对火山活动监测的意义

本文系统研究了加利福尼亚Clear Lake火山带硫磺银行汞矿（SBMM）热液系统的温室气体排放特征。通过多年度（2015-2023）气体采样与模型分析，揭示了富含CO2/CH4且具幔源氦（3He/4He=6.54–7.86 RC/RA）的气体经气体洗涤（gas scrubbing）作用迁移的机制，建立了火山监测基线数据，对理解深部流体运移与火山灾害预警具有重要价值。

　　

Highlight

研究区域

2.1–0.01?Ma的CLVF（Clear Lake火山带）位于旧金山以北约150公里处（图1a），处于圣安德烈亚斯断裂系相关的广泛变形带内。该火山带是加利福尼亚海岸山脉链中最年轻、最靠北的火山带，其火山活动与门多西诺三联点北迁及相关的软流圈上涌有关。

研究方法

我们于2015年1月29日、2016年4月5日、2017年3月14日、2022年4月25日及2023年2月1–2日在Herman蓄水池北侧气泡区采集气体样本，2023年2月1日在西北矿坑和绿池气泡区采样，2023年2月2日则在SBMM区废弃井（MW-17S）和SBMM以东泄气区的地热钻孔取样（图2）。采用倒置塑料漏斗捕获Herman蓄水池的气泡，确保气体样本直接收集。

研究成果

2015–2023年SBMM区气体化学与同位素组成见表1（Lewicki等，2024）。这些气体富含CO₂和CH₄（干燥气体中≥84 mol%和6 mol%），但在Herman蓄水池不同点位和不同时间呈现显著组成变异。N₂和CH₄浓度随CO₂降低而升高（图3a、b）。尽管关系较弱，但Ar、He、O₂浓度普遍上升，H₂S浓度则下降。

气体-水相互作用

气体洗涤（scrubbing）指深部来源（如岩浆）气体在迁移过程中通过与水、有时包括岩石的反应而浓度降低的过程（例如Symonds等，2001）。SBMM区气体的大幅组成变异及CO₂与其他水溶性较低气体间的反向关系（图3a-e），符合气体在通过空气饱和地下水迁移至地表时经历洗涤作用的特征。

总结与结论

本研究提供了SBMM热液系统的最新地球化学组成和首份全面CO₂排放评估，为CLVF火山监测奠定了关键基线。2015–2023年采集的气体始终保持富CO₂/CH₄特性（干燥气体中≥84 mol%和6 mol%），幔源氦贡献稳定（³He/⁴He=6.54–7.86 R_C/R_A），表明深部来源持续补给。模型分析证实，气体组成变异主要由CO₂通过地下水时的洗涤作用所致。