马西科-罗卡蒙菲纳火山系统（意大利中部和南部）的残余火山活动与深层气体释放：流体地球化学的新发现

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Residual volcanic activity and deep degassing at Massico-Roccamonfina system (central and southern Italy): New insights from fluid geochemistry

火山 degassing 与区域构造活动的关系研究，通过分析1320 km2内132个水文地质样本的气体组成和稳定同位素特征，揭示了深部CO?沿活动断层上升，并导致浅层地下水碳酸盐矿物溶解，同时发现 helium同位素比值与罗马-坎帕尼亚岩浆省分界相关。

　　

雷纳托·帕尔米耶里（Renato Palmieri）|弗朗切斯科·鲁菲诺（Francesco Rufino）|斯特凡诺·卡利罗（Stefano Caliro）|达里奥·泰德斯科（Dario Tedesco）|亚历山德罗·桑蒂（Alessandro Santi）|托马斯·H·达拉（Thomas H. Darrah）|维托里奥·保罗奇（Vittorio Paolucci）|埃米利奥·库科（Emilio Cuoco）

意大利坎帕尼亚大学“路易吉·范维泰利”（University of Campania “Luigi Vanvitelli”）环境、生物与制药科学与技术系，地址：维亚·维瓦尔迪43号（Via Vivaldi 43），81100卡塞塔（Caserta），意大利

摘要

在静止的火山区域，脱气过程为监测深部岩浆和构造活动提供了宝贵的工具。在位于意大利中南部坎帕尼亚-拉齐奥地区边界的罗卡蒙菲纳（Roccamonfina）火山复合体附近，发现了两个主要的脱气区域，这表明：（i）存在残余的火山活动；（ii）存在活跃的断层，使得深层流体能够与浅层地下水混合。通过从深井、浅井、泉水和天然气喷口采集水和气体，进行了全面的水文地球化学调查。该研究旨在：（i）表征循环流体的化学成分；（ii）划定受深部脱气影响的区域；（iii）了解所采集流体的来源；（iv）建立该地区当前火山/构造活动的综合模型。我们的数据集整合了主要离子、溶解气体、稳定同位素（δ¹⁸O/δD/δ¹³C-TDIC）以及氦同位素比值（R/Ra）的测量结果。研究结果显示，从北向南，地幔来源的氦含量逐渐增加，这标志着罗马岩浆省（Roman magmatic province）与坎帕尼亚岩浆省（Campanian magmatic province）之间的过渡。值得注意的是，在坎帕尼亚平原（Campanian Plain）的东北部破火山口区域，R/Ra比值高达1.87，表明与更南部的火山区域（例如弗莱格雷伊地区Campi Flegrei）相比，这里有显著的深层流体贡献，这与区域地质动态有关。在最近发生地震群的地区也检测到了深部脱气的证据。溶解气体和同位素特征（CO?、N?、δ¹³C-TDIC和R/Ra）的空间分布表明，流体沿着区域断层控制的路径上升。这些发现突显了（i）流体循环、（ii）地壳渗透性以及（iii）意大利火山带这一活跃段内的构造-火山活动之间的复杂过程和相互作用。

引言

内源气体的化学和同位素组成、它们向地表迁移的路径以及与不同深度水文地质系统的相互作用，是现代地球科学中理解和模拟区域及局部地质动力学过程的关键方面。意大利第勒尼安海沿岸的火山区域以及整个亚平宁山脉都表现出大量深层气体的释放和传输，这一点在过去三十年间的大量文献中得到了证实（Frezzotti等人，2009年；Frondini等人，2012年，2019年；Chiodini等人，2011年；Di Luccio等人，2018年；Caliro等人，2005年，2025年）。在这些地区分布着数百个气体排放点和富含CO₂的热水/冷水泉（https://www.magadb.net/;，最后访问时间：2026年2月）。Chiodini等人（2004年）识别出两个主要的脱气宏观结构，即坎帕尼亚脱气结构（Campanian Degassing Structure，CDS）和托斯卡纳-罗马脱气结构（Tuscan-Roman Degassing Structure，TRDS），它们是意大利主要的CO₂来源。在这一框架下，位于坎帕尼亚和拉齐奥交界处的马西科-罗卡蒙菲纳系统（Massico-Roccamonfina system，图1）相对较少被研究，但由于其独特的地球化学和构造特征，成为研究气体-水-岩石相互作用过程及深层流体上升动态的有趣地点。已灭绝的罗卡蒙菲纳火山（Roccamonfina Volcano，活跃于55万至15万年前；Rouchon等人，2008年）在苏伊奥（Suio）村附近的西坡仍表现出次生火山活动；此外，在马西科山脉（Massico Chain）及其周围的大片冲积平原（如加里利亚诺平原（Garigliano Plain）、里亚尔多平原（Riardo Plain）和坎帕尼亚平原（Campania Plain）的沃尔图诺河（Volturno River）下游地区，也有多处深层流体上升的证据。热液水、富含CO₂的冷水、气体喷口和土壤中的扩散脱气现象普遍存在（ISPRA 1976年，报告编号#159、#169、#171和#172）。先前的研究主要关注地下水的化学特征，已经强调了几个特定地点的重要性，例如苏伊奥村的热液热点（D'Amore等人，1995年；Casale等人，2016年；Saroli等人，2017年，2019a；b）、蒙德拉戈内平原（Mondragone Plain，Cuoco等人，2017年）、里亚尔多平原（Cuoco等人，2015年，2020年；Viaroli等人，2016年，2019年）以及沃尔图诺平原的部分区域（Penta，1950年）。Penta（1950年）首次通过1942-1943年在沃尔图诺下游和平原加里利亚诺进行的两次深井调查，发现了地下水中溶解的CO₂含量较高。自20世纪50年代中期以来，该地区钻探了多个深井以寻找碳氢化合物，发现了深度在250米至约2800米之间的气体（https://sgi2.isprambiente.it/viewersgi2/n，最后访问时间：2026年2月）。D'Amore等人（1995年）对苏伊奥地区的热异常起源、矿化过程和储层温度进行了初步研究。他们指出，流向苏伊奥地区的喀斯特含水层的化学成分显示，深层结构中的蒸发岩受到了强烈的水蚀作用。此外，通过应用地热测温方法，作者估计储层温度在125至150摄氏度之间。Cuoco等人（2010年，2020年）提供了更详细的水文化学信息。根据作者的研究，与深层CO₂沿正断层上升相关的气体-水-岩石相互作用产生了混合的火山-碳酸盐水文化学特征，特别是在火山的东部区域和周围平原。加里利亚诺平原（Garigliano Plain）、里亚尔多平原（Riardo Plain）和蒙德拉戈内平原（Mondragone Plain）的区域热液系统反映了不同的循环深度和地质动力学环境，可能涉及坎帕尼亚火山活动和与岩浆相关的侵入作用（Cuoco等人，2017年）。在费拉雷莱含水层系统（Ferrarelle aquifer system，里亚尔多平原）中，深层富含CO₂的碳酸盐地下水与浅层火山水的垂直混合是主导过程，这一过程通过保守元素、同位素组成和氡活性得到了有效追踪（Cuoco等人，2020年）。总体而言，里亚尔多平原及其周边地区构成了研究CO₂迁移路径和结构控制下的碳酸盐-火山含水层系统中的水文地球化学过程的天然实验室（Cuoco等人，2010年，2017年，2020年）。这些发现与Sacchi等人（2022年）的研究结果一致。在同一地区还进行了多项水文地质研究。例如，Casale等人（2016年）采用了一种新颖简化的方法评估了苏伊奥地区的地热潜力，模拟了地下水通过碳酸盐岩层的流动过程，同时考虑了其他较不透水的岩性作为屏障的作用，并指出了苏伊奥地区的出水区。然而，作者也指出了这些方法的局限性，因为估计的温度与出水区的实际温度存在差异。Saroli等人（2017年，2019a）通过混合连续-离散数值模型（结合流体扩散、热对流、多孔介质中稀释物质的传输以及通过离散裂隙的流动）表明，深层热源是苏伊奥地区温度梯度的原因，同时强调了双重流体流动之间的相互作用以及该复杂系统中的各向异性渗透性对热传递、流体扩散和稀释气体传输的调节作用。Corniello等人（2018年）估算了马西科山脉（Massico Chain）地下水体的某些概念特征（流动路径和平均补给量）。作者还指出了马西科山脉热矿泉水的成因，强调了断层在控制地下水流动和深层气体（CO₂和H₂S）上升中的作用，以及深层气体对碳酸盐矿物溶解和地下水矿化的促进作用。最后，Viaroli等人（2019年）量化了里亚尔多平原附近的深层流体流入量，估计深层流入量占总补给量的34±4%，相当于里亚尔多平原含水层通过碳酸盐基底的日补给量为415±50升/秒。值得注意的是，2024年1月至2025年1月期间，意大利国家地球物理与火山学研究所（Instituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia）的地震网络记录了44次地震事件（https://terremoti.ingv.it/，最后访问时间：2026年2月），主要发生在罗卡蒙菲纳破火山口及其周边地区（罗卡达恩德罗村（Rocca d'Evandro）、加卢乔村（Galluccio）和卡西诺村（Cassino）；其中2024年12月9日的主震震级为3.6级），这为详细研究流体地球化学提供了额外依据。这些地震事件的频率表明该地区具有显著的地震活动性，进一步激发了对流体地球化学进行详细研究的必要性。考虑到所有这些水文地球化学和水文地质信息以及最近发生的地震序列，文献中缺乏关于溶解气体和稀有气体同位素比等更可靠的地球化学示踪剂的全面记录。因此，我们在这里呈现了一个覆盖约1320平方公里区域的综合水文地球化学和同位素数据集，包括火山体、周围碳酸盐岩隆起和相邻平原。该数据集包含：（i）地下水中主要溶解离子的化学组成；（ii）溶解气体；（iii）同位素地球化学示踪剂。采样方法包括深井/浅井、高流量泉水和气体喷口，采用了在类似意大利系统中广泛应用的手段。在苏伊奥和蒙德拉戈内平原的样本中应用了多个地热测温仪来估算储层温度和深度。首次通过（i）溶解气体；（ii）包括δ¹³C-TDIC和R/Ra在内的同位素示踪剂；（iii）详细地图绘制，为脱气过程及其与2023年12月至2025年12月记录的地震活动分布的空间关系提供了全面框架。

地质动力学框架

更新世期间，坎帕尼亚边缘和南亚平宁山脉西侧经历了伸展构造作用，导致中新生代地层逐步下沉至3-5公里深度，并形成了加里利亚诺（Garigliano）和沃尔图诺（Volturno）地堑（Ippolito等人，1973年；Aprile和Ortolani，1979年）。这些由西北-东南和东北-西南走向的正断层控制的构造凹陷（Vitale等人，2019年）代表了基本的地质动力学节点。

采样策略

在研究区域内（图1），从深井、浅井、泉水和四个气体喷口中收集了80个水样进行化学和同位素分析。描述性统计数据和图形可视化结果见电子补充材料（ESM）。碱度、温度、电导率（E.C.）和pH值在现场直接测量。碱度通过使用0.1 N HCl和甲基橙（methyl-orange）作为指示剂进行滴定测定。

现场参数

分析的水样在物理参数和主要溶解物种的化学组成方面表现出显著的变化。测量温度范围从最低的10.6°C到最高的56.3°C，pH值从5.34到7.67，电导率从119到16,410 μS/cm。最低温度值出现在直接受到罗卡蒙菲纳火山降水渗透影响的浅层井和泉水中。

结论

在罗卡蒙菲纳火山边缘识别出两个主要的脱气区域，其中富含CO₂的流体通过活跃的断层系统上升，CO₂的分压超过1巴：（i）位于混合石灰岩和白云岩含水层中的苏伊奥（Suio）地热区；（ii）泰阿诺-里亚尔多（Teano-Riardo）区域，CO₂的上升强烈影响了地下水的化学成分。水样显示出三种主要类型：（i）苏伊奥地区的HCO?-Ca-Mg水，主要存在于碳酸盐-白云岩层中

CRediT作者贡献声明

雷纳托·帕尔米耶里（Renato Palmieri）：撰写初稿、可视化制作、软件开发、方法论设计、调查实施、数据分析、概念构建。弗朗切斯科·鲁菲诺（Francesco Rufino）：撰写初稿、可视化制作、软件开发、方法论设计、调查实施、数据分析、概念构建。斯特凡诺·卡利罗（Stefano Caliro）：撰写与编辑、验证工作、资源协调、项目管理、方法论设计、调查实施、数据分析、概念构建。达里奥·泰德斯科（Dario Tedesco）：撰写与编辑、项目管理、方法论设计

资助

不适用。

未引用的参考文献

意大利环境保护与研究高级机构（Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale，ISPRA），1976年

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

感谢法布里齐奥·加塔（Fabrizio Gatta）在采样地点选择方面的帮助。作者感谢管理当局、水资源管理部门和当地居民提供的信息支持及合作。