北阿彭尼诺山脉中异常低的3He/4He比值与升高的热流现象可通过地壳层分离现象来解释：一种建模方法

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Anomalously Low 3He/4He and Elevated Heat Flow in the Northern Apennines Explained by Lithospheric Delamination: A Modeling Approach

　　

摘要

在意大利托斯卡纳-罗马火山省的12个以二氧化碳（CO₂）为主的气体渗出点中测得的³He/⁴He比值范围为0.07至约1.6 R_a。氦气和δ¹³CO₂同位素系统表明，这些气体主要来源于地壳，地幔的贡献虽然存在但显著较低。橄榄石和辉石地幔斑晶中的低³He/⁴He比值（0.6–1.6 R_a）和高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值（0.709514–0.710595）曾被解释为大陆地壳流体和岩石俯冲过程中，其地壳特征被加入到HIMU型岩浆（6.7 ± 0.4 R_a）中所致，这解释了为何这些地区的³He/⁴He比值远低于典型的海洋俯冲带。这一现象与二氧化碳来源于地幔深处石灰岩脱碳的过程相符，这一点也得到了低速地幔楔中存在地壳碳酸盐熔体的证据支持。在这里，我们提出了一个模型，认为地壳污染是由于（先前已俯冲的）亚得里亚微板块大陆岩石圈发生剥离所致，这一结论基于之前的地球物理和力学建模结果。我们采用了热力学和氦同位素耦合模型，考虑了富铀（U）、钍（Th）和钾（K）的地壳剥离过程中产生的辐射热以及⁴He的生成情况。我们的模型支持这样的构造情景：通过在地幔中引入15–20公里厚的地壳层，可以解释异常低的³He/⁴He比值和高热流数据。

通俗语言总结

我们研究了来自意大利中部托斯卡纳-罗马火山省12个富含CO₂的自然气体渗出点的气体。这些气体中的氦同位素比值（³He/⁴He在0.07至1.6 Ra之间）异常低，远低于典型的俯冲带（平均值为5.4 ± 1.9 Ra）。结合碳和锶的同位素数据，这表明这些气体主要来源于地壳，地幔的贡献很小。据信来自地幔的橄榄石和辉石矿物也显示出地壳物质对其的同位素改造痕迹。这种污染可能是通过一种称为“剥离”的过程发生的，即地壳下部部分脱落并融入了地幔。我们利用热力学和氦同位素模型来验证这一假设。模型考虑了地壳剥离过程中铀、钍和钾产生的热量和放射性氦（⁴He），以及储存在次大陆地幔中的氦。结果表明，地表测量到的极低³He/⁴He比值和高热流可以通过地壳剥离约15–20公里厚的事实来解释。

利益冲突

作者声明与本研究无关的利益冲突。

数据公开声明

支持本研究的所有数据和基于Python的分析软件均可通过Izerumugaba公开获取（2026）。