郯廬斷裂帶流體中氦的來源、空間分布及地質(zhì)意義

管蘆峰, 劉 偉, 曹春輝, 張茂亮*, 徐 勝, 鄭國東, 3, Yuji Sano, 4

郯廬斷裂帶流體中氦的來源、空間分布及地質(zhì)意義

管蘆峰1, 劉 偉1, 曹春輝2, 張茂亮1*, 徐 勝1, 鄭國東2, 3, Yuji Sano1, 4

(1. 天津大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院, 天津 300072; 2. 中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州 730000; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 4. 東京大學(xué) 大氣海洋研究所, 日本 千葉 2778564)

郯廬斷裂帶是中國東部規(guī)模最大、構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈以及地震頻發(fā)的活動斷裂帶, 其深部結(jié)構(gòu)與現(xiàn)今活動狀態(tài)引人注目。對郯廬斷裂帶郯城段和廬江段溫泉與深井地下水逸出和溶解氣體進(jìn)行He同位素組成和氣體組分分析結(jié)果顯示, 郯廬斷裂帶流體3He/4He測試值為大氣參考值(記作1 Ra)的0.15～1.15倍。郯城段樣品的3He/4He和4He/20Ne值分別為0.96～1.15 Ra和0.24～0.30, 顯示有大氣和地下水氚衰變對He來源的貢獻(xiàn)。廬江段樣品的3He/4He空氣校正值和4He/20Ne值分別為0.15～0.79 Ra和0.28～272, 扣除大氣貢獻(xiàn)后He主要來源于地殼放射性元素衰變(90.4%～98.4%), 局部受到地幔脫氣作用的顯著影響(幔源He占比最高為9.6%)。在空間上, 廬江段幔源He占比呈現(xiàn)出隨采樣點遠(yuǎn)離斷裂帶而逐漸減小的趨勢, 反映了幔源流體運(yùn)移過程中經(jīng)歷的稀釋效應(yīng)。幔源He空間分布與地震P波速度圖像對比結(jié)果表明, 廬江段深源流體可能受到地幔部分熔融作用的影響。全球典型走滑斷裂帶的流體3He/4He值和走滑速率之間呈正相關(guān)關(guān)系(2=0.8), 表明斷裂帶活動性及其應(yīng)力狀態(tài)對幔源流體釋放具有一定的控制作用。

深部流體; He同位素; 氣體地球化學(xué); 郯廬斷裂帶

0 引 言

地球自形成以來就持續(xù)不斷地從內(nèi)部向外釋放多種氣體(CO2、稀有氣體等), 被稱為地球脫氣作用。在現(xiàn)今板塊構(gòu)造體系中, 深源流體及其揮發(fā)性組分主要通過火山系統(tǒng)和深大斷裂帶等有利通道向大氣圈、水圈等地表圈層釋放(Kennedy et al., 1997; Karlstrom et al., 2013)。這些在地表環(huán)境中主要以氣態(tài)形式存在的元素或化合物往往經(jīng)歷了復(fù)雜的形成和運(yùn)移過程, 包括地幔部分熔融、巖石或礦物脫碳等去揮發(fā)分作用(devolatilization)、氣–水–巖相互作用以及揮發(fā)分的溶解與出溶等(Ballentine et al., 2002)。地表流體的地球化學(xué)特征能夠靈敏地響應(yīng)巖漿擾動、地震孕育等深部動力學(xué)過程(Zhang et al., 2021a)。因此, 厘清流體的來源、運(yùn)移及其控制因素成為流體地球化學(xué)觀測以及防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用研究的核心內(nèi)容。為此, Gat et al. (2001)建立了多種有效的流體元素和同位素地球化學(xué)指標(biāo)體系。其中, 稀有氣體在水–巖系統(tǒng)中基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 因此在解譯流體來源與演化過程研究中得到廣泛應(yīng)用(Ozima and Podosek, 2002)。地球深部與表層各端元的He同位素組成差別較大, 能夠較好地區(qū)分幔源流體與殼源流體的混合比例, 進(jìn)而有助于揭示巖石圈深部結(jié)構(gòu)特征, 從而成為流體地球化學(xué)研究中應(yīng)用最為廣泛的稀有氣體同位素體系(Sano and Fischer, 2013)。

He是最輕的稀有氣體元素, 包括3He和4He兩個穩(wěn)定同位素。地球系統(tǒng)的3He主要來源于其最初形成時的太陽星云物質(zhì)(即原始He), 主要賦存于地幔中; 而4He主要由U-Th放射性衰變產(chǎn)生, 在地殼中相對富集。以大氣3He/4He值(記為1 Ra, Ra=1.39×10?6)為參考標(biāo)準(zhǔn), 地球各儲庫之間的He同位素組成存在明顯區(qū)別: 大陸地殼的3He/4He值接近0.02 Ra(Ozima and Podosek, 2002); 大陸巖石圈地幔的3He/4He值為6.1±2.1 Ra(Day et al., 2015); 洋中脊玄武巖所代表的軟流圈地幔3He/4He值為8±1 Ra(Graham, 2002); 而脫氣程度較低的原始地幔3He/4He值往往超過30 Ra(Graham, 2002)。溫泉是斷裂帶常見的流體釋放現(xiàn)象, 對溫泉?dú)怏w進(jìn)行He和Ne同位素分析, 能夠判識沿斷裂帶釋放的深源流體中是否有幔源組分, 并可以計算其相對殼源組分的比例, 為揭示斷裂帶深部結(jié)構(gòu)(斷裂帶切割深度、滲透性及其空間差異等), 分析斷層活動狀態(tài)以及評估地震危險性提供氣體地球化學(xué)參考資料(Chen et al., 2019; Buttitta et al., 2020; Zhang et al., 2021a)。

斷裂帶溫泉?dú)怏wHe同位素組成及其空間變化特征與斷裂帶巖石應(yīng)變速率、斷層滑動速率等動力學(xué)參數(shù)之間存在密切聯(lián)系。例如, Kennedy et al. (1997)利用溫泉?dú)怏w3He/4He值在北美板塊的San Andreas斷裂識別出顯著的幔源流體釋放現(xiàn)象, 發(fā)現(xiàn)流體與斷層巖石相互作用是導(dǎo)致斷層弱化的原因之一。Wang et al. (2020)結(jié)合He同位素和區(qū)域地質(zhì)特征對紅河斷裂帶進(jìn)行分析, 結(jié)果顯示, 該斷裂溫泉?dú)怏w中3He/4He值主要表現(xiàn)為地殼來源特征,推斷該斷裂的低滲透率抑制了幔源He向上運(yùn)移, 且青藏高原東緣地殼的增厚導(dǎo)致運(yùn)移距離增加, 經(jīng)歷了更高程度的殼源He混染, 致使溫泉?dú)怏w中幔源He貢獻(xiàn)率減少。Zhang et al. (2021a)利用溫泉?dú)怏wHe同位素定量計算方法, 厘清了青藏高原東南部主要活動斷裂帶的幔源和殼源氣體相對比例及其空間變化特征, 通過與斷裂帶應(yīng)變速率進(jìn)行對比分析, 建立了印度–亞洲大陸匯聚背景下深源氣體釋放與區(qū)域應(yīng)力分布之間的耦合關(guān)系, 并證實該區(qū)域存在巖石圈規(guī)模的走滑斷裂體系, 部分活動斷裂帶的切割深度達(dá)到了巖石圈地幔。

郯城–廬江斷裂帶(簡稱郯廬斷裂帶)地處我國人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū), 是中國大陸規(guī)模最大的活動斷裂帶之一(圖1), 歷史上強(qiáng)震頻發(fā), 目前仍具有一定的危險性(李臘月等, 2020)。地震資料顯示, 歷史強(qiáng)震主要發(fā)生在郯城段, 包括公元前70年諸城7.0級地震、1668年郯城8.5級地震、1969年渤海7.4級地震等; 廬江段地震活動強(qiáng)度較低, 歷史上沒有發(fā)生過6級以上地震(劉保金等, 2015)。郯廬斷裂帶及其周邊分布一些溫泉和地?zé)峋?上官志冠等, 1998), 為開展流體地球化學(xué)與斷裂帶深部結(jié)構(gòu)及其地震活動性研究創(chuàng)造了有利條件。Xu et al. (1995)在郯廬斷裂帶及周邊地區(qū)幔源和無機(jī)成因天然氣方面做了大量地球化學(xué)研究, 但較少涉及溫泉?dú)怏w和地下水溶解氣的來源、成因及其地質(zhì)意義的探討。本研究選擇郯廬斷裂帶中南部的山東郯城段和安徽廬江段為研究區(qū), 通過溫泉?dú)怏w和深井地下水樣品的He同位素定量計算, 揭示He的來源與3He/4He值空間分布特征, 進(jìn)而結(jié)合地質(zhì)和地球物理等資料, 探討郯廬斷裂帶深部結(jié)構(gòu)、流體釋放機(jī)制及其現(xiàn)今活動狀態(tài)。

1 地質(zhì)背景

郯廬斷裂帶沿NE-NNE向展布, 從中國東北的松遼盆地延伸到大別–蘇魯造山帶, 全長超過3000 km,是東亞大陸邊緣的一條巨型斷裂帶, 經(jīng)歷了長期而復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史, 至今仍在活動(Teng et al., 2001)。郯廬斷裂帶形成于中三疊世華北克拉通地塊與華南陸塊的碰撞造山作用, 白堊紀(jì)早期由于太平洋板塊向西俯沖發(fā)生左行平移活動, 進(jìn)而演化為一系列大范圍的左旋走滑斷裂帶, 并持續(xù)至早白堊世后期(Yin and Nie, 1993)。白堊紀(jì)–古近紀(jì)時期, 郯廬斷裂帶發(fā)生了強(qiáng)烈的伸展作用, 形成了廣泛的大陸裂谷系統(tǒng)和大陸邊緣盆地(Ren et al., 2002)。新近紀(jì)至今, 郯廬斷裂帶發(fā)生了普遍的擠壓活動而導(dǎo)致大規(guī)模的斷陷盆地抬升、消亡, 出現(xiàn)了多次逆沖活動, 并伴隨右旋走滑運(yùn)動(朱光等, 2002)。郯廬斷裂帶的形成和演化伴隨多期次火山活動, 其中早白堊世發(fā)生了大規(guī)模中–酸性巖漿活動, 形成了郯城段青山組火山巖以及廬江段毛坦廠組火山巖。新生代玄武巖主要分布在山東段的渤海灣地區(qū)、濰坊、臨朐、昌樂、沂水以及安徽段的嘉山等地區(qū)(朱光等, 2018)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖(地形據(jù)30 m分辨率Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)數(shù)字高程模型; 斷裂帶據(jù)Deng et al., 2003)

郯廬斷裂帶切穿了中國東部的華北克拉通地塊和華南陸塊, 是蘇魯造山帶西部、張八嶺隆起帶西部以及大別造山帶東部的邊界(圖1)。斷裂帶郯城段大多交切白堊系, 少量切錯古生界和元古宇, 斷裂帶上主要出露元古宙花崗片麻巖, 晚白堊世砂巖以及早白堊世火山碎屑巖(Huang et al., 1996), 其西側(cè)為魯西隆起區(qū), 主要出露太古宙花崗巖, 東側(cè)主要出露白堊紀(jì)碎屑巖(王先美等, 2007)。廬江段西側(cè)為合肥盆地和大別造山帶, 其中合肥盆地出露白堊紀(jì)–古近紀(jì)紅色碎屑巖; 斷裂帶東側(cè)為蘇魯造山帶、潛山盆地、望江盆地, 其中潛山盆地主要出露早白堊世以及古新世紅色碎屑巖, 望江盆地主要出露白堊紀(jì)紅色碎屑巖, 大別–蘇魯造山帶主體出露高壓–超高壓變質(zhì)雜巖(劉備等, 2015)。

由于受新生代巖漿活動余熱和地殼花崗巖等深部熱儲結(jié)構(gòu)影響, 郯廬斷裂帶及其周邊地區(qū)形成了大量局部熱源體。其中, 郯城段溫度高于25 ℃的溫泉約有92處, 其中4處溫泉的天然露頭溫度接近或高于80℃(陳墨香, 1991)。廬江段溫泉主要分布在巢湖–含山–和縣一帶以及金寨–霍山–舒城一帶, 溫度高于60℃的溫泉零星分布, 其中舒城西湯池溫泉的最高溫度為66℃(陳學(xué)鋒等, 2018)。地球物理及地球化學(xué)數(shù)據(jù)顯示, 郯廬斷裂帶存在較高的熱流(郯城段與廬江段大地?zé)崃髦捣謩e為67.4±11.4 mW/m2、70.4±14.8 mW/m2),其中地幔熱流占總熱流值的比例為48%～69%(白嘉啟等, 1998)。

2 樣品采集及分析測試

本研究中流體樣品分別于2013年11月、2015年3～4月和7月在郯廬斷裂帶的山東郯城段和安徽廬江段野外地質(zhì)考察中采集, 具體采樣位置見圖1。樣品類型包括溫泉逸出氣體和深井地下水, 采集于水溫為15.7～63.0℃的溫泉和地?zé)峋厝獨(dú)怏w樣品利用排水法采集, 集氣裝置如圖2所示; 深井地下水樣品采用同樣的取樣裝置罐裝。采樣過程中均須確保排除空氣混染對樣品的影響。

以溫泉?dú)怏w采集為例, 取樣前將漏斗倒置在水中, 并保持其位于水面以下以隔絕空氣混入。使用手持抽氣泵反復(fù)抽取集氣裝置約5～10 min, 至裝置內(nèi)的空氣全部排凈, 避免大氣對樣品的污染, 然后將倒置的漏斗移至溫泉中的氣泡釋放點之上, 使用手持抽氣泵反復(fù)抽取集氣瓶5～10 min以清洗集氣裝置, 清洗完畢后進(jìn)行溫泉?dú)怏w采集, 并在集氣瓶內(nèi)的水排凈后關(guān)閉集氣瓶兩端的氣閥。

郯城段和廬江段樣品的分析測試分別在日本東京大學(xué)大氣海洋研究所和中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院完成。溫泉?dú)怏w直接用于各項測試; 對深井地下水樣品, 使用真空瓶脫氣裝置將溶解于地下水中的氣體分離后, 用于相關(guān)測試。3He/4He值通過稀有氣體質(zhì)譜分析獲得,4He/20Ne值以及氣體組分含量則利用四級桿質(zhì)譜計進(jìn)行測試。He與Ne通過溫度為40 K的冷阱進(jìn)行分離,3He/4He值以大氣參考值作為分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正,3He/4He與4He/20Ne值的實驗誤差分別為1%(1σ)、0.5%(1σ), 氣體組分的實驗誤差為10%。

圖2 集氣采樣裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

郯城段SD-01、SD-02和SD-03樣品的氣體組分以N2為主, 含量為68.4%～78.6%; SD-04樣品的CO2較為富集(54.6%), 但也具有較高的N2含量(表1)。前人研究顯示, 郯廬斷裂帶溫泉?dú)怏w成分以N2為主(88.6%～95.1%; 上官志冠等, 1998; 陶士振和劉德良, 2000; Xu et al., 2014), 本研究與前人觀測結(jié)果基本一致。郯城段樣品較低的O2含量表明, 采樣過程中未發(fā)生空氣直接混染; 廬江段樣品未進(jìn)行氣體組分測試, 但部分樣品4He/20Ne值明顯高于空氣參考值(0.318), 也表明這些樣品被空氣直接混染的可能性較低。郯城段和廬江段樣品的3He/4He測試值為0.15～1.15 Ra(平均值0.47±0.31 Ra), 廬江段校正值為0.15～0.79 Ra。需要說明的是,4He/20Ne<1的樣品可能受到地下水中溶解空氣的顯著影響, 將不用于殼源He與幔源He比例的計算和討論。

3.1 He的來源

郯廬斷裂帶流體樣品的3He/4He值是典型地殼值(0.02 Ra)的數(shù)倍至數(shù)十倍。理論上, 除大氣混染以外, 造成流體3He/4He 值高于地殼參考值的可能原因主要包括: 氚(3H)衰變、6Li衰變、地下水與幔源巖漿巖相互作用、地幔脫氣作用等。

3.1.1 地下水3H衰變

3H可通過β衰變生成, 半衰期為12.32 a。20世紀(jì)50～60年代全球核試驗向大氣圈釋放了大量的3H, 并迅速通過降水沉降進(jìn)入地下水系統(tǒng)和海洋, 對地表流體的He同位素組成產(chǎn)生了一定程度的影響(Ozima and Podosek, 2002)。郯城段地下水樣品的4He/20Ne值(0.24～0.30; 平均值為0.26)略低于大氣值(0.318), 與地下水補(bǔ)給溫度約為15 ℃時對應(yīng)的空氣飽和水4He/20Ne值一致。因此, 地下水中的He顯示大氣來源(即3He/4He 值在誤差范圍內(nèi)接近大氣值1 Ra)。值得注意的是, 樣品SD-01和SD-03的3He/4He值相對于大氣值分別高出6%、15%(表1), 可能是地下水中3H衰變的結(jié)果。任天山等(2005)研究表明, 1991年山東地下水3H濃度為5.17±0.98 Bq/L。1963年以后, 全球核試驗減少致使大氣中3H濃度逐漸下降, 因此一般認(rèn)為地下水3H濃度在1963年時達(dá)到峰值。根據(jù)公式(1)可追溯地下水中3H的最高濃度水平, 即1963年的3H濃度:

表1 郯城–廬江斷裂帶流體He同位素組成和氣體組分分析結(jié)果

注:4He/20Ne<1的樣品不用于殼源He與幔源He比例計算和后續(xù)討論; 假設(shè)地下水補(bǔ)給溫度為15 ℃, 通過4He/20Ne值與Bunsen溶解度系數(shù)校正空氣對He同位素比值的影響(Zhang et al., 2016a); Rc/Ra為通過4He/20Ne校正大氣污染影響的3He/4He值; “–”表示無測試數(shù)據(jù)或結(jié)果無意義, 如郯城段等4He/20Ne低的樣品由于大氣污染嚴(yán)重,3He/4He值校正結(jié)果無意義。

式中: [3H]0為初始時刻(=0)時3H的濃度, [3H]為時刻3H的濃度,為衰變常數(shù)(=ln2/1/2, 其中1/2為3H 的半衰期12.32 a)。結(jié)果顯示, 1963年山東地區(qū)地下水中3H濃度約為25.03 Bq/L。研究表明, 1963年北半球(以維也納和渥太華為例)降水中3H的濃度為590.32 Bq/L(Gat et al., 2001); 1960年魯北平原大氣降水3H模擬濃度值為188.90 Bq/L(楊麗芝等, 2009)。假定研究區(qū)地下水系為封閉系統(tǒng),3H衰變量沒有損失, 且地下水中4He濃度為10?10mL/L(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下, 下同)(Mook, 2000), 即可通過以下公式(2)和(3)繪制1963～2013年不同3H濃度情形下的地下水3H衰變造成的3He/4He值變化曲線(圖3):

式中: [3He]為時刻3He的濃度, [3He]accumulated為地下水累積的3He濃度值。計算可得, [3He]accumulated= 4.95×10?13～1.17×10?11mL/L, 即2013年山東地下水中3He/4He值為1.00～1.12 Ra。郯城段樣品的3He/4He值與該范圍在誤差范圍內(nèi)一致, 表明地下水3H衰變可能會對其He同位素組成造成一定的影響。此外, 遼東半島溫泉?dú)怏w樣品的類似特征也佐證了這一可能性(Xu et al., 2014)。廬江段樣品的4He/20Ne值普遍高于大氣值(表1), 指示He主要來源于地殼或地幔等深部圈層, 表層地下水3H衰變的影響可忽略不計。

3.1.2 地殼巖石6Li衰變

巖石中6Li與中子可以通過核反應(yīng)6Li(n, α)3H(β?)3He產(chǎn)生3He, 因此高含量的6Li會導(dǎo)致3He含量增加。巖石中的放射性元素如Th、U是中子通量的主要來源, 而放射性成因4He主要由地殼中的Th、U的放射性衰變產(chǎn)生。通過公式(4)、(5)可計算3He、4He的生產(chǎn)率(Castro, 2004):

圖3 封閉體系中郯城段地下水中3He/4He值隨時間變化關(guān)系圖

(3He)=(6.035U+1.434Th)′Li′4.4516′10?23(4)

(4He)=1.71′10?25U+4.06′10?26Th (5)

式中:為生產(chǎn)率,3He生產(chǎn)率的單位為mol/(g·a),4He生產(chǎn)率的單位為mol/(g·s); U、Th、Li含量單位為′10?6。本文匯總了郯廬斷裂帶及其周邊188個巖石樣品的U、Th含量(陳道公和彭子成, 1985; 金隆裕, 1989; 孫冶東等, 1994; 劉洪等, 2002; 牛漫蘭等, 2005, 2010; Liu et al., 2008, 2010; 羅丹等, 2009; Hu et al., 2014; 張銀慧等, 2016, 2017; Gu et al., 2017; Zhang et al., 2018; Lan et al., 2019; Yu et al., 2019)和47個巖石樣品的Li含量(羅丹等, 2009; Zhang et al., 2018; Lan et al., 2019)。結(jié)果表明, 郯城段巖石樣品的U、Th、Li含量平均值分別為(0.99±0.73)′10?6、(4.65±4.92)′10?6、(17±5)′10?6, 廬江段巖石樣品分別為(3.91±3.11)′10?6、(20.10±16.17)′10?6、(29±16)′10?6。假設(shè)上述平均值代表區(qū)域巖石的平均U、Th和Li含量, 并將其代入公式(4)、(5)可得, 郯城段和廬江段的3He、4He的生產(chǎn)率比值分別為8.47×10?4和1.45×10?3, 遠(yuǎn)小于典型地殼3He/4He值。因此, 可以排除斷裂帶圍巖或基巖中6Li衰變對樣品He同位素比值的影響。

3.1.3 水?巖相互作用

基性巖漿巖在其形成之初具有類似地幔的3He/4He值, 一般假設(shè)為8±1 Ra(Graham, 2002)。幔源巖漿巖形成后, 其中232Th和235U、238U的α衰變產(chǎn)生的4He積累會改變其初始He同位素組成, 并滿足以下公式:

式中: [3He]0、[4He]0為巖漿的初始3He、4He濃度; [3He]、[4He]為經(jīng)過一定時間后由Li、U和Th產(chǎn)生累積的放射性成因3He、4He濃度?；旧? 大陸地殼中的[3He]遠(yuǎn)小于地幔初始的[3He]0, 因此上述等式可修改為:

由公式(6)、(7)可知, 若幔源巖漿巖較為年輕, 則放射性成因4He累積較少, 即時刻對應(yīng)的火山巖3He/4He值相對較高, 在水–巖相互作用過程中可能導(dǎo)致地下水He同位素比值偏高。此外,時刻火山巖He同位素組成與初始4He濃度和時間密切相關(guān)。在U、Th含量一定的情況下, 初始4He濃度越高,時刻火山巖3He/4He值相對越高。

根據(jù)公式(7)可得出郯廬斷裂帶封閉系統(tǒng)中幔源火山巖3He/4He隨時間的演化關(guān)系(圖4)。郯城段幔源火山巖的計算模型以距離斷裂帶～10 km的神泉火山巖為初始端元, 其U、Th平均含量分別是(1.21±0.19)′10?6、(6.24±0.13)′10?6, 平均年齡為96.5±1.4 Ma(李友連等, 2012)。Tang et al. (2007)研究顯示, 山東魯西地區(qū)基性火山巖中的4He平均含量為3.53×10?6cm3/g。假定該地區(qū)地幔[4He]0含量為10?6cm3/g, 計算可得火山巖3He/4He值為0.25 Ra(圖4a), 高于地殼He同位素比值(0.02 Ra; Ozima and Podosek, 2002), 說明水–巖相互作用理論上能夠釋放巖石中的幔源He, 但本研究郯城段深井地下水樣品中未識別出幔源He貢獻(xiàn)。對于廬江段而言, 按初始端元廬樅中生代火山巖U、Th平均含量(3.69±2.68)′10?6、(23.90±18.76)′10?6(孫冶東等, 1994)和平均年齡134.1±1.6 Ma(周濤發(fā)等, 2008)計算, 在[4He]0濃度為10?7cm3/g水平時, 火山巖現(xiàn)今3He/4He值為5.27×10?5Ra, 遠(yuǎn)低于大陸地殼值(圖4b), 因此水–巖相互作用對廬江段溫泉?dú)怏w樣品He同位素比值的影響可忽略不計。

需要說明的是, 上述模型計算結(jié)果只是對幔源巖漿巖在水–巖相互作用過程中能否釋放幔源He的理論評估, 在實際研究中需結(jié)合地下水系統(tǒng)的圍巖組合特征(例如, 巖性、形成時代、賦存或侵位深度等)進(jìn)一步加以約束。本研究中, 目前還沒有足夠可靠的地質(zhì)證據(jù)支持水–巖相互作用過程中巖漿巖幔源He對郯廬斷裂帶的深源流體產(chǎn)生了顯著的物質(zhì)貢獻(xiàn)。

3.1.4 地幔脫氣作用

如上所述, 郯城段樣品SD-01和SD-03可能受到地下水3H衰變的影響, 而地殼巖石6Li衰變和水–巖相互作用均未對本研究樣品的He同位素組成產(chǎn)生明顯貢獻(xiàn)。對于廬江段樣品所顯示的幔源He特征來說, 最可能的原因是地幔脫氣作用。結(jié)合地幔、地殼和大氣的3He/4He和4He/20Ne值(Ozima and Podosek, 2002), 可定量約束溫泉?dú)怏w中He的端元組成。其中, 各端元參數(shù)分別為: 大氣(3He/4He=1 Ra,4He/20Ne= 0.318)、地殼(3He/4He=0.02 Ra,4He/20Ne=10000)、地幔(3He/4He=8 Ra,4He/20Ne=10000)。結(jié)果顯示, 部分樣品的4He/20Ne<1且接近大氣值, 應(yīng)該是受到空氣或空氣飽和水的顯著影響(圖5)。因此, 這些樣品將不用于殼源He與幔源He比例計算和相關(guān)討論。廬江段其余樣品的4He/20Ne值為空氣值的4倍以上, 空氣校正后的3He/4He值才更接近其真實值(Hilton, 1996)。校正后結(jié)果顯示, 廬江段樣品的殼源He占比為90.4%～98.4%, 地幔He為1.6%～9.6%(表1)。值得注意的是, 廬江段幔源He最高比例(9.6%)高于前人在郯城段溫泉觀測到的幔源He比例(3.6%; 上官志冠等, 1998)。郯廬斷裂帶的地幔脫氣現(xiàn)象說明深大斷裂帶為幔源He釋放提供了有利通道。

圖4 模型計算封閉體系中郯城段(a)和廬江段(b)幔源火山巖3He/4He值時間變化關(guān)系圖

圖5 溫泉?dú)怏w和地下水樣品3He/4He-4He/20Ne關(guān)系圖(大氣、地殼以及地幔端元值引自O(shè)zima and Podosek, 2002)

3.2 幔源流體與斷裂帶深部結(jié)構(gòu)的關(guān)系

溫泉?dú)怏w3He/4He值與地震層析成像結(jié)果對比可以揭示幔源流體產(chǎn)生、運(yùn)移及其與斷裂帶深部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系(Karlstrom et al., 2013; Zhang et al., 2021b)。地震P波波速圖像顯示, 郯廬斷裂帶巖石圈–軟流圈邊界位于地表以下60～80 km(Lei et al., 2020), 可能與郯廬斷裂帶持續(xù)拉張所引起的巖石圈減薄和軟流圈上涌等過程有關(guān)。理論上, 稀有氣體、CO2等幔源揮發(fā)分最初可能來源于軟流圈上涌或巖石圈地幔部分熔融所產(chǎn)生的巖漿, 并通過巖漿脫氣、氣–水–巖相互作用、溶解和出溶等一系列過程而釋放至地表圈層(Ballentine et al., 2002; Zhang et al., 2016a)。

為探討郯廬斷裂帶深部結(jié)構(gòu)對地幔脫氣的控制作用, 將廬江段溫泉?dú)怏w的3He/4He值與對應(yīng)的地表以下70 km深部的地震P波速度圖像進(jìn)行對比。結(jié)果顯示, 廬江段幔源He異常區(qū)(約2%～10%)分布在巖石圈–軟流圈邊界深度的低速體附近(圖6), 表明幔源He可能來源于軟流圈地幔上涌形成的熔體, 并沿郯廬斷裂帶向上運(yùn)移。北京西部盆山地區(qū)(Zhang et al., 2016b)、美國西部科羅拉多高原周邊(Karlstrom et al., 2013)等地區(qū)也存在溫泉?dú)怏w3He/4He值與軟流圈地幔頂部地震波低速異常體之間的空間對應(yīng)關(guān)系, 同樣表明地震波低速體所指示的巖漿可能為活動斷裂帶提供了幔源流體。不同于在廬江段觀察到的幔源流體與地幔低速體的對應(yīng)關(guān)系, 郯城段地下70 km深度未顯示地震波低速體異常(圖6), 與本研究深井地下水樣品未識別到地幔He貢獻(xiàn)的觀測結(jié)果一致。值得注意的是, 郯城段附近沂南新王溫泉的He同位素比值顯示約3.6%的幔源He貢獻(xiàn)(上官志冠等, 1998), 這是否也與地幔低速體有關(guān)需要通過更高分辨率的地震層析成像結(jié)果予以評估。此外, Xu et al. (1995)研究顯示, 郯廬斷裂帶東側(cè)蘇北盆地天然氣的3He/4He值為1.57±1.12 Ra, 明顯高于廬江段溫泉?dú)怏w樣品(0.32±0.22 Ra)。如圖6顯示, 蘇北盆地存在更顯著的地震P波低速體, 表明該區(qū)域地表以下～70 km處可能發(fā)生了大規(guī)模的地幔部分熔融, 這也進(jìn)一步說明地幔He來源及其釋放的強(qiáng)烈程度與軟流圈地幔物質(zhì)上涌形成的熔體有關(guān), 而郯廬斷裂帶為幔源He向地表運(yùn)移提供了有利通道(陶明信等, 1997)。

3.3 He同位素比值空間分布及其地質(zhì)意義

廬江段樣品3He/4He值與采樣點分布特征(圖7)顯示, 隨著與斷裂帶距離的增加, 溫泉?dú)怏w3He/4He值逐漸降低, 表明活動斷裂帶對幔源流體的釋放可能有一定的控制作用。前人研究發(fā)現(xiàn), 活動斷裂帶主體部分釋放的流體中幔源He含量較高, 并隨著與斷裂帶的距離的增加而降低, 如美國圣安德烈亞斯斷裂帶和中國喀喇昆侖斷裂帶(Kennedy et al., 1997; Klemperer et al., 2013)。

郯廬斷裂帶溫泉?dú)怏w3He/4He值空間分布投圖結(jié)果(圖8)顯示, 郯廬斷裂帶的幔源流體釋放強(qiáng)度明顯低于北安納托利亞斷裂帶(NAF)、圣安德烈亞斯斷裂帶(SAF)和喀喇昆侖斷裂帶(KKF)。從滑移速率方面來看, 郯廬斷裂帶郯城段滑移速率為0.9 mm/a, 廬江段滑移速率為1.2 mm/a(李彥川等, 2016), 明顯低于NAF、SAF和KKF等其他斷裂帶的滑移速率(圖9)。進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn), 全球典型走滑斷裂帶的滑移速率與對應(yīng)斷裂帶上的流體3He/4He平均值具有較好的線性正相關(guān)關(guān)系(2=0.8; 圖9), 說明幔源He釋放在一定程度上取決于斷裂帶的活動強(qiáng)度。

圖6 地下70 km深度地震P波波速結(jié)構(gòu)圖

需要注意的是, 除斷裂活動性外, 幔源He釋放也與斷裂帶巖性、地殼厚度等因素有關(guān)。例如, 巖石圈尺度的喀喇昆侖斷裂具有較高的走滑速率, 但3He/4He值總體較低(Rc/Ra=0.02～0.37), 主要是由于其圍巖為富含放射性4He的花崗巖, 導(dǎo)致幔源He在運(yùn)移過程中受到強(qiáng)烈混染(Zhang et al., 2017)。此外, 較厚的地殼會增加幔源He運(yùn)移至地表的時間和距離, 導(dǎo)致更多的放射性成因4He與幔源He混合, 造成較低的3He/4He值(Yokoyama et al., 1999)。因此, 在討論活動斷裂帶幔源He釋放時, 需綜合考慮斷裂帶活動性、斷裂帶巖性、地殼厚度等因素的影響。

圖7 廬江段流體3He/4He值與采樣點空間分布的關(guān)系

數(shù)據(jù)來源: NAF. 北安納托利亞斷裂帶據(jù)Güle? et al., 2002; Do?an et al., 2009; De Leeuw et al., 2010; SAF. 圣安德烈亞斯斷裂帶據(jù)Kulongoski et al., 2013; KKF. 喀喇昆侖斷裂帶據(jù)Klemperer et al., 2013; TLF. 郯廬斷裂帶據(jù)本研究; Rc/Ra為通過4He/20Ne校正大氣污染影響的3He/4He值。

數(shù)據(jù)來源: 紅河斷裂帶據(jù)Jin et al., 2019; Wang et al., 2020; 周曉成等, 2020; 則木河斷裂帶據(jù)Zhou et al., 2015; 朱爽等, 2017; 理塘斷裂帶據(jù)王閻昭等, 2008; Zhou et al., 2017; 鮮水河斷裂帶據(jù)Wang et al., 2011; Zhou et al., 2015; 喀喇昆侖斷裂帶據(jù)Wang et al., 2011; Klemperer et al., 2013; 哀牢山斷裂帶據(jù)李長軍等, 2019; Wang et al., 2020; 中甸斷裂帶據(jù)周曉成等, 2020; Wang et al., 2021; 喬后維西斷裂帶據(jù)常祖峰等, 2016; 周曉成等, 2020; 金沙江斷裂帶據(jù)周曉成等, 2020; Wang et al., 2021; 劍川斷裂帶據(jù)韓源和張靖, 1990; 周曉成等, 2020; 鶴慶斷裂帶據(jù)魏永明等, 2017; 周曉成等, 2020; 巴塘斷裂帶據(jù)Huang et al., 2015; 周曉成等, 2020; 郯廬斷裂帶(廬江段)據(jù)本研究; 李彥川等, 2016; 郯廬斷裂帶(郯城段)據(jù)上官志冠等, 1998; 李彥川等, 2016; San Andreas Fault據(jù)Bennett et al., 2004; Kulongoski et al., 2013; North Anatolian Fault據(jù)Do?an et al., 2009; Hussain et al., 2018。

4 結(jié) 論

(1) 郯廬斷裂帶郯城段和廬江段流體樣品的3He/4He值為大氣值的0.15～1.15倍, 其中郯城段流體的He顯示空氣和地下水氚衰變來源, 而廬江段He主要來源于地殼, 且具有一定比例的地幔貢獻(xiàn)(幔源He占比最高為9.6%)。

(2) 結(jié)合地球物理觀測結(jié)果與3He/4He值分布特征, 推測在廬江段觀測到的幔源流體貢獻(xiàn)可能反映了地下70 km深度軟流圈地幔上涌物質(zhì)的部分熔融作用, 而郯城段是否也存在軟流圈上涌則有待進(jìn)一步探討研究。

(3) 廬江段流體3He/4He值分布特征是幔源流體在上升過程中被殼源He稀釋的結(jié)果。全球典型走滑斷裂帶滑移速率與流體3He/4He值的相關(guān)性表明, 幔源流體釋放強(qiáng)度對斷裂帶活動性有一定的指示作用, 郯廬斷裂帶目前可能處于較弱的活動水平。

致謝:感謝應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院雷建設(shè)研究員為本文提供郯廬斷裂帶及周邊地區(qū)地震P波速度數(shù)據(jù); 感謝中國地震局地震預(yù)測研究所周曉成研究員和另一位匿名審稿專家對本文提出的寶貴意見。

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Origin, spatial distribution, and geological implications of helium in fluids from the Tan-Lu fault zone

GUAN Lufeng1, LIU Wei1, CAO Chunhui2, ZHANG Maoliang1*, XU Sheng1, ZHENG Guodong2, 3, SANO Yuji1, 4

(1. School of Earth System Science, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China; 3. School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 4. Atmosphere and Ocean Research Institute,The University of Tokyo, Chiba 2778564, Japan)

The Tan–Lu fault zone (TLF), which is the largest active fault zone in eastern China, is characterized by strong tectonic activity and frequent seismic hazards. The status and deep structure of this fault zone have drawn considerable research attention. In this study, we examined the isotopic compositions of free and dissolved gases from hot springs and deep wells near the Tancheng and Lujiang segments of the TLF, with a focus on helium isotopes. Our results show that the fluid3He/4He ratios are 0.15–1.15 times the atmospheric value (reported at 1 Ra). The3He/4He and4He/20Ne ratios of the Tancheng samples vary in ranges of 0.96–1.15 Ra and 0.24–0.30, respectively, indicating dominant contributions of atmospheric and tritiogenic3He in groundwater. In contrast, the air-corrected3He/4He and4He/20Ne ratios of the Lujiang samples are 0.15–0.79 Ra and 0.28–272, respectively, indicating that He is mainly derived from the decay of radioactive elements in the crust (90.4%–98.4%), with localized mantle degassing contributions (up to 9.6%). For the Lujiang segment, the proportion of mantle He decreases with increasing distance between the sampling site and TLF, suggesting the dilution effects of mantle fluids during their transport in the crust. A comparison between the3He/4He distribution and seismic P-wave velocity structure suggests that mantle degassing may be impacted by the upwelling and partial melting of the asthenospheric mantle. Moreover, a statistical analysis of3He/4He ratios and slip rates of the representative continental strike-slip faults reveals that the mantle He proportions in fluids correlate positively with the slip rates (2=0.8). This indicates that the activity of the fault zone may be a controlling factor in the release of mantle-derived fluids.

deep fluids; helium isotopes; gas geochemistry; Tan-Lu fault zone

P593

A

0379-1726(2023)05-0570-12

10.19700/j.0379-1726.2023.05.003

2021-10-13;

2022-06-23

國家自然科學(xué)基金項目(41930642、42072327)和國家重點研發(fā)計劃項目(2021YFA0719003)聯(lián)合資助。

管蘆峰(1997–), 男, 碩士研究生, 流體地球化學(xué)專業(yè)。E-mail: lufengguan@tju.edu.cn

張茂亮(1987–), 男, 副教授, 主要從事流體地球化學(xué)和火山學(xué)研究。E-mail: mzhang@tju.edu.cn