欧洲新生代裂谷系统（ECRIS）地幔CO2脱气通量及其构造意义——来自埃菲尔-阿登地区水化学与同位素的证据

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：A Common Mantle Source for the Endogenous CO2 Degassed at the Eifel (Western Germany) and the Ardennes (Eastern Belgium) Regions

本研究针对欧洲新生代裂谷系统（ECRIS）中埃菲尔（德国西部）与阿登（比利时东部）地区深源CO2释放通量及来源不清的问题，通过161个泉水的水化学与He-C同位素分析，揭示了该区域存在统一的地幔脱气系统，平均地幔CO2通量达5±2×106mol yr?1km?2，证实了被动裂谷在全球碳循环中的重要性。

　　

沉睡火山的“呼吸”：欧洲裂谷下的地幔CO₂统一脱气系统

在地质学家的眼中，大陆裂谷不仅是板块撕裂的伤口，更是地球深部碳循环的“排气阀”。全球构造CO₂释放对地质时间尺度的气候调控至关重要，但长期以来，我们对被动裂谷（如欧洲新生代裂谷系统ECRIS）的脱气强度知之甚少。以往的研究多聚焦于东非大裂谷等活跃区域，而像德国埃菲尔（Eifel）和比利时阿登（Ardennes）这类“休眠”火山区，其深部CO₂究竟来自地幔还是地壳碳酸盐，以及它们是否属于同一个深部系统，一直是悬而未决的谜题。

为了解开这个谜团，一项发表在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》上的研究，对埃菲尔-阿登-莱尼什地块（Eifel-Ardennes-Rhenish Massif）区域的161个泉水进行了地毯式采样。研究团队通过水化学模拟和氦（He）-碳（C）同位素“指纹”追踪，不仅证实了该区域存在一个统一的地幔脱气系统，还首次量化了其CO₂释放通量，揭示了被动裂谷在全球碳循环中被低估的角色。

关键技术方法

研究整合了161个泉水（含13个东埃菲尔新采样点）的水化学与同位素数据。通过现场测定温度、pH、Eh、电导率及HCO₃^?滴定，结合实验室原子吸收/发射光谱（AA/AE）与离子色谱（IC）分析主微量元素。利用GasbenchII-同位素比值质谱（IRMS）测定δD、δ¹⁸O及δ¹³C_TDIC（总溶解无机碳），并通过预抽真空玻璃瓶采样结合气相色谱（GC）与质谱分析溶解气体（CO₂, N₂, He等），构建水-气-岩相互作用模型以约束脱气过程。

研究结果

1. 水化学分异与脱气路径

泉水化学类型呈现明显的空间分带性：东埃菲尔以HCO₃-Ca·Mg型为主，西埃菲尔多为HCO₃-Na型，而阿登-亚琛地区则多为HCO₃-Ca型。这种差异反映了不同的水-岩相互作用路径。理论模型显示，CO₂的释放并非发生在一个单一的点，而是贯穿于地下水从含水层深处（约4 bar, 160°C）向地表泉眼（1 bar, 9°C）上升的全过程。这一“连续脱气”模型解释了为何不同区域的泉水化学特征各异，却共享同一个深部流体源。

2. 同位素指纹：统一的地幔信号

这是本研究最关键的发现。He同位素比值（³He/⁴He）显示，无论是火山活动明显的埃菲尔地区，还是构造背景相对宁静的阿登地区，其泉水中的He均显示出显著的地幔来源特征（高³He/⁴He比值）。结合碳同位素（δ¹³C）数据，研究人员绘制出的He-CO₂关系图清晰地表明，阿登、火山埃菲尔和莱尼什地块的流体数据点落在同一条混合趋势线上。这意味着，这三个看似独立的地理单元，实际上是由深部断裂连通的统一脱气系统。深部流体可以沿着ECRIS复活的老断层（如Siegen主逆冲断层）进行长距离迁移。

3. CO₂通量量化：被低估的“排气口”

基于地下水输送模型，研究团队计算出该区域平均地幔CO₂通量高达5 ± 2 × 10⁶mol yr^?1km^?2，对应的总深源CO₂排放速率约为7 ± 4 × 10⁹mol yr¹（约合0.3 Mt yr^?1）。这一数值与全球高热流区对流热液系统的基准通量处于同一数量级。这表明，像ECRIS这样的被动裂谷，其CO₂释放能力与活跃裂谷相当，是全球深部碳循环的重要贡献者，而非无关紧要的“旁观者”。

结论与意义

这项研究通过精细的地球化学侦探工作，得出了两个颠覆性的结论：第一，埃菲尔和阿登这两个被国界和地表地质分隔的区域，在地下深处是“血脉相连”的，它们共享同一个地幔源区；第二，被动大陆裂谷的CO₂排放强度足以媲美活跃裂谷，必须被纳入全球碳循环模型。

这不仅解决了关于中欧火山省（CEVP）流体来源的长期争议，也为评估地质过程对现代大气CO₂水平的潜在影响提供了关键数据。下一次当你漫步在比利时Spa温泉或德国埃菲尔矿泉时，或许可以感受到脚下那片沉睡土地深沉的“呼吸”——那是来自地幔的古老回响。