东藏高原断裂系统中热液流体地球化学异质性的构造控制作用：来自水化学和氦-碳同位素的约束

东秦岭剪切带地热流体地球化学特征及构造控制机制研究，通过多参数分析（水化学、同位素、SOM）揭示流体来源与演化规律，发现深部构造（如地幔熔体、低阻层）主导流体运移，区分了XSHF与AZF-XJF系统在流体补给路径、同位素组成及构造响应上的差异，为理解碰撞带构造-流体耦合提供新证据。

　　

庄思迪|王光才|周晓成|史哲明|袁道贤|田娇|何淼|李景超|董金源|严宇聪

中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室及教育部地下水循环与环境演化重点实验室，北京100083，中国

摘要

大陆碰撞带中的大规模断层系统为深部流体流动提供了通道，并促进了地壳与地幔之间的相互作用，然而这些系统中热液流体的空间地球化学异质性控制机制仍不明确。本研究结合了热液气体和水的地球化学、多同位素分析以及自组织映射（SOM）技术，以阐明青藏高原东部Xianshuihe（XSHF）-Anninghe-Zemuhe（AZF）-Xiaojiang（XJF）断层系统中的流体起源和演化机制。研究结果揭示了以下系统性的地球化学变化：（1）XSHF区域表现出由无机碳酸盐溶解、变质作用脱碳以及地幔物质贡献所导致的CO₂富集现象；较高的³He/⁴He比值（0.26–2.67 Ra）表明存在显著的地壳-地幔混合。热液主要为Na-HCO₃类型，平均储层温度为206°C，这与硅酸盐矿物的深部热液蚀变过程一致。（2）AZF-XJF系统以富含N₂的气体为特征，这些气体主要来源于大气和地壳有机物质。He-C同位素分析表明CO₂具有地壳来源，且受到有机沉积物的影响。热液的地球化学类型多样（Ca-HCO₃、Ca-SO₄），反映了碳酸盐岩的溶解过程以及较浅层的流体循环。地球物理数据显示这些地球化学特征受地质结构控制：XSHF下方存在地幔熔体及低电阻率的地壳-地幔区域，这些因素促进了地幔流体的上升；而AZF-XJF系统则具有高电阻率的地壳结构，阻碍了地幔流体的上升，同时较低的断层活动性和渗透性进一步限制了深部流体的释放。本研究展示了深部地质结构对热液流体来源和路径的控制作用，加深了我们对大陆碰撞环境中构造-流体耦合机制的理解。

引言

流体是深部物质传输的载体，也是能量传递的重要介质（Turkoglu等人，2008；Italiano等人，2013；Barry等人，2020；Shao等人，2024）。现代地球化学研究表明，流体的独特成分特征（如CO₂/³He、N₂/Ar比值、地球化学离子特性以及稳定同位素变化（δ¹³C_CO2、δ¹⁸O和δD）能够有效反映流体的来源和迁移路径（Italiano等人，2014；Pang等人，2017；Wang等人，2018；Dotsika等人，2021；Aydin等人，2024）。流体沿着活跃断层或高渗透性裂隙网络流动，并上升到地表，形成温泉或其他热液特征（Güle?和Hilton，2016；Zhang等人，2021；Yasin和Yüce，2023）。在流体迁移过程中，岩石类型的变化会影响流体的化学组成，而断层渗透性和构造活动的差异则控制着不同来源流体之间的混合程度（Shi和Wang，2017；Pérez-Martínez等人，2025；Tian等人，2025）。特别是地幔来源的挥发物（如He、CO₂）因其保守且特征性的同位素组成而成为估算深部流体贡献的可靠依据（Hilton，1996；Rizzo等人，2019；Barry等人，2020；Hu等人，2025），而全面的地球化学参数分析可用于重建水-岩相互作用过程（Yang等人，2019；Tian等人，2021；Pérez-Martínez等人，2025）。这些流体的地球化学和同位素特征为理解热液系统的地质、地球化学和水文过程提供了关键线索（Klemperer等人，2013；Yuce等人，2017；Bai等人，2023；Shao等人，2024）。

青藏高原是世界上大陆内部构造变形最强烈的地区之一（Bai等人，2010；Liu等人，2023）。自中新世以来，该高原经历了多阶段的构造抬升和走滑剪切作用，成为研究大陆岩石圈变形机制、地壳-地幔相互作用及流体迁移的天然实验室（Zhang等人，2021）。位于青藏高原东缘的Xianshuihe-Xiaojiang断层系统（XSHF-XJF）是一个重要的构造边界，它调节着高原物质的侧向挤出，并是深部流体迁移的主要通道（Bai等人，2010；Wang等人，2023）。该断层系统沿线广泛分布着强烈的热液活动，其特征是沿主断层线性分布的大量温泉。温泉温度从低温（<25°C）到高温（>75°C）不等，常伴有 travertine（石灰华）沉积等地表热液现象（Shao等人，2024；Yan等人，2024）。先前的研究表明，该断层系统对青藏高原东缘的构造演化具有重要意义，影响着深部流体的迁移和地球化学分异（Tian等人，2021；Liu等人，2023）。断层区域的流体地球化学特征提供了关于构造活动、地壳流变状态以及地壳与地幔解耦过程的关键信息。

最新研究表明，深部流体迁移与构造活动、地壳-地幔电结构及岩石圈变形密切相关（Hoke等人，1994；Zhang等人，2021；Klemperer等人，2022；Chen等人，2022）。然而，这些关系的基本控制机制仍不明确。现有研究主要集中在单个断层区域，而对大规模断层系统中不同断层或段落的地球化学变化及其构造控制因素的系统性比较较为缺乏。特别是在Xianshuihe-Xiaojiang（XSHF-XJF）断层系统中，尽管存在明显的断层分段和不同的构造活动，但系统范围内的地球化学异质性和构造驱动因素仍缺乏充分的记录和理解。具体而言，目前尚无足够证据表明流体地球化学的空间变化是由断层分段和深部地质结构控制的，也不清楚它们如何响应构造应力的积累和释放。这些知识空白严重限制了我们对主要断层系统中地壳-地幔物质循环和构造-流体耦合机制的理解。

本研究基于在XSHF、AZF和XJF断层区域增加采样点密度的基础上，报告了热液气体的成分、地球化学成分、同位素及地球物理参数。这一策略对这些特定结构的描述更加详细。我们重点研究了大型走滑断层系统中气体和水的起源、演化及空间分布，并探讨了深部构造活动对流体地球化学特征的控制作用。为系统解析地球化学异质性，我们采用了自组织映射（SOM）这种无监督机器学习算法。研究的主要目标是：1）识别大规模断层系统中流体的空间地球化学异质性；2）通过同位素组成分析流体的多源混合过程，并阐明地壳与地幔之间的电学性质差异如何控制流体的来源；3）探讨构造活动对流体释放的影响。研究结果可为构造-流体耦合机制提供地球化学依据和新的理论见解。

地质背景

青藏高原东缘作为欧亚大陆上最活跃的构造边界之一，主要受到高原内部物质向东挤出以及华南块体阻挡的影响。这种作用促进了地壳的侧向挤出和围绕东喜马拉雅构造体系的顺时针旋转（Bai等人，2010；Zhang等人，2021）。东缘由Xianshuihe断层（XSHF）、Anninghe断层-Zemuhe断层（AZF）等组成

气体成分和He-C同位素

温泉气体的地球化学数据（表S2）显示不同构造单元之间存在明显的成分差异。如图2所示，N₂和CO₂呈显著负相关（R² = 0.994，p < 0.01），表明从CO₂富集的XSHF向N₂富集的XJF端元存在成分变化，其中AZF样本主要为N₂-CO₂混合物（超过90%的成分占主导）。N₂-He-Ar三元图（图S1）显示大多数样本表现出混合趋势

氦源和空间分布

³He/⁴He比值是揭示地壳-地幔相互作用下氦源平衡的有效工具（Gilfillan等人，2008；Italiano等人，2014；Liu等人，2023）。⁴He主要由放射性元素U和Th的衰变产生，而³He通常来自地幔脱气（Class等人，2005；Klemperer等人，2013）。为了定量划分不同来源的氦贡献，采用了Sano和Wakita（1985）提出的三元混合模型

结论

本研究通过多参数流体地球化学分析（气体组成、地球化学组成和同位素组成）结合SOM-KM机器学习算法，表征了青藏高原东缘活跃断层带中热液系统的流体特征。结果表明，XSHF-XJF可以划分为两个热液系统簇：

(1)

XSHF表现出显著的地壳-地幔混合现象。其温泉中的气泡...

作者贡献声明

庄思迪：撰写——原始稿件、方法论、调查。王光才：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构建。周晓成：撰写——审稿与编辑、方法论、调查。史哲明：撰写——审稿与编辑、方法论。袁道贤：撰写——审稿与编辑、概念构建。田娇：方法论、调查。何淼：方法论、调查。李景超：方法论、调查。董金源：方法论、调查。严宇聪：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（W2412057）、俄罗斯科学基金会（25-47-00153）、深地探测与矿产资源勘查——国家科技重大专项（2024ZD1000500）、国家重点研发计划（2023YFC3012005-1）、中央公益性科学机构基础研究基金（CEAIEF2022030205、CEAIEF2025030101、CEAIEF20250601、CEAIEF2025080102）以及国家自然科学基金的支持