平台科研进展《地球物理研究通讯》:大陆碰撞地区深源He强烈释放

点击次数:695 更新时间:2022年06月20日14:27:17 打印此页 关闭

He是最轻的稀有气体元素,由3He4He两个稳定同位素组成。地球的3He主要来源于其最初形成时的太阳星云物质,目前主要赋存于地幔中;而4He主要由U-Th放射性衰变产生, 在地壳中相对富集。从物质循环角度来说,He主要通过火山系统和深大断裂带从地球内部向外释放,因此被认为是地球脱气作用的理想“参照物”。前人成功地利用He通量和CO2/3He比值观测结果,估算了全球洋中脊、大洋俯冲带等构造背景的CO2释放通量,加深了对板块构造体制下深部碳循环的理解。由于大陆地区通常具有较厚的地壳和较高的U-Th含量,一般认为地幔He在大陆地区的释放通量显著低于大洋地区。然而,大量研究表明,大陆地区的新生代火山和构造活动有利于地幔He的强烈释放,典型地区包括:黄石公园火山、尼奥斯火山湖以及圣安德烈斯断裂带等。那么,新生代时期火山与构造运动强烈的大陆碰撞地区具有怎样的地幔He释放通量?这一问题长期以来没有得到定量约束和深入研究。

在此背景下,天津大学地科院徐胜教授团队、中国地震局地震预测研究所、中国科学院西北生态环境资源研究院、日本东京大学和高知大学等国内外科研机构的合作者,聚焦青藏高原东南部思茅地块的第四纪火山区与活动断裂带,在温泉气体成分和He同位素组成测试的基础上,利用幔源流体的稳态传输模型,首次定量估算了大陆碰撞地区的水热气体3He4He释放通量,并区分了其中地幔He和地壳He所占的比例,进而评价了火山和构造活动对深源He释放的控制作用。结果表明:

1)宁洱和通关第四纪火山区附近的温泉具有较高的3He/4He比值,最高值 7.24 Ra(空气的3He/4He比值为 1 Ra)与对流上地幔的参考值 8 ± 1 Ra 一致,并且超过了目前已正式报道的中国大陆其他地区的水热气体3He/4He比值,包括长白山、腾冲等活火山地区。3He4He通量分别为 (0.15−32) × 105 和 (3.2−32) × 1010 atoms m−2 s−1,落入全球火山成因He释放通量范围内(1)。其中,4He通量中的地幔He占比达到稳定大陆地区地幔4He通量的100−1000倍以上;3He通量也达到了稳定大陆地区的数十至数百倍。结合地球物理观测所揭示的地壳低速高导体和火山地质特征,我们认为第四纪火山地下深部的幔源岩浆补给可能是地幔He强烈释放的主要原因,而活动断裂带为幔源流体释放提供了有利通道

2)本研究以哀牢山-红河剪切带内的元江温泉作为非火山活动区的代表,其3He/4He比值为 0.03−0.05 Ra,具有显著的地壳He贡献特征。计算结果显示,元江温泉3He4He通量分别为 2.3 × 103 和 4.2 × 1013 atoms m−2 s−1,与全球构造成因He释放通量范围一致。上述结果建立在地壳岩石4He原位生成和稳态释放的基础上,显著低于Teggau LakeGreen Lake等前寒武稳定克拉通地区的地壳He通量。考虑到青藏高原及其周边地区强烈的构造活动,推测大陆碰撞动力学过程可能对地壳4He释放起到一定的促进作用。

上述研究为后续开展青藏高原大陆碰撞带及其周边地区深部CO2释放通量提供了定量约束条件和理论依据。研究工作受到国家自然科学基金(4207232741930642)、科技部重点研发计划项目(2020YFA0607700)、中国地震科学实验场项目(2019CSES0104)等联合资助。

文章信息:Zhang, M., Liu, W., Guan, L., Takahata, N., Sano, Y., Li, Y., Zhou, X., Chen, Z., Cao, C., Zhang, L., Lang, Y.-C., Liu, C.-Q., Xu, S., 2022. First Estimates of Hydrothermal Helium Fluxes in Continental Collision Settings: Insights from the Southeast Tibetan Plateau Margin. Geophysical Research Letters 49, e2022GL098228.
全文链接:https://doi.org/10.1029/2022GL098228



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