Nature黄石公园地热系统流体通道的地球物理成像

　　美国西北部的黄石国家公园因其独特、丰富的地热景观而闻名于世。公园内包含了间歇泉、喷气孔、泥火山、沸泉和热液爆炸遗迹等1000多处地表地热景观。自19世纪70年代以来，黄石公园独特的热液系统吸引了众多研究人员的目光。深部的岩浆系统的热量通过活动断裂带上涌，构成地热系统的热源，同时断裂带还构成了流体循环的通道，使低温流体循环到深部高温地区，并以高温流体的形式回流到地表（Fournier, 1989；Gardner et al., 2011）。历史上多次火山喷发形成的凝灰岩和流纹岩层叠结构有利于流体的横向流动（Christiansen, 2001）。目前关于黄石公园地热系统的主流模型都是基于地球化学、地热地质与水文地质建立起来的，认为流体存储在几何形状未知的储层中，渗透性良好的角砾岩引导流体的横向流动，并将热量汇聚在熔岩流的前端；地下水与深部流体混合形成酸性地热流体。但遗憾的是，黄石公园深部精细的热液流体通道系统目前仍然未知，因此亟需高精度和高分辨的地球物理数据约束。
　　前人的地球物理观测已经揭示黄石公园上地壳内存在大规模分布的熔融体和流体（Kelbert et al., 2012），同时发现浅层水热系统的脱气深度为15-30m（Pasquet et al., 2016），但这些工作仍未识别出深部热液流体通道系统与地表热显示的空间分布。近期美国地质调查局的Carol A. Finn及合作者基于航空电磁数据和高精度航磁数据获取了黄石公园的近地表电阻率和磁化率模型（图1），为研究地热系统的流体运移通道提供了新的视角。他们利用富含高矿化度（TDS）流体火山岩的低电阻率和蚀变粘土的低磁化率特征，识别出黄石地热系统的流体通道系统，厘清了高温地表热显示与流体上涌通道的空间分布关系，建立了浅层地下水与深部热液流体运移路径与混合模式（图2）。
　　图1 电阻率模型（a）和磁化率模型（b）的平面图（Finn et al., 2022）
　　基于上述观测，该研究取得以下主要认识：
　　(1)根据电阻率模型和磁化率模型识别出未蚀变且相对干燥的流纹岩的电阻率 450Ωm，磁化率 0.025；未蚀变且赋存流体的流纹岩的电阻率为15-450Ωm，磁化率 0.025；赋存流体的蚀变黏土层的电阻率 15Ωm，磁化率 0.018，为地热流体上涌的通道（Upflow）。流体排泄区（Outflow）为15-30Ωm的低阻区域，富含来自上涌区域的地热流体。
　　(2)地表地热特征位于大流量的通道的上方，地热流体沿着蚀变黏土层下方的隐伏断层上涌，并在盆地内和邻近的熔岩流下方水平运移，形成地下流体排泄区（Outflow）。埋深超过150m的流体排泄区与地表热显示存在水力联系。中央破火山口缺少热流体和粘土剖面，表明热流体不存在或尚未上涌至地下1000m以浅。
　　(3)熔岩流边界中的浅层地下水进入大多数水热区，在地下盆地边缘与地热流体混合，沿着盆地边缘补给地表地热特征。补给中-碱和酸性温泉的地热流体路径是相似的，表明温泉化学性质主要取决于米级结构和渗透率，已经超出了地球物理数据的分辨率。
　　(4)中央破火山口中少数线性排列的低磁化率区域可能与破火山口南北区域的断裂相连。尽管存在广泛的断层和熔岩流喷口，但NGB（Norris Geyser Basin） 以北的低磁化率区域减少，这可能是由于较低的温度不足以产生粘土蚀变。粘土分布、断裂和热液区域的这种分布关系显著受岩浆热源的影响。裂隙/断裂和流体对形成地表地热特征是必需的。一些低磁化率区域可能与埋藏或古热液系统有关，特别是那些与现代热区无关且距现代岩浆体较远（> 5？km）的系统。
　　图2 图1中选定剖面的电阻率结构（上）和磁化率结构（下）（Finn et al., 2022）
　　Finn等人的地球物理模型揭示了黄石地热系统的关键环节，可用于评估地热流体演化的地球化学模型。区域上深部的地热体主要沿垂直断裂上涌，局部上来自深部的地热流体沿着熔岩流下方的角砾状边界流动，而这些边界难以在地表出露，但地热流体与地下水的混合过程可以用水化学数据表征。在今后的研究中，综合地球物理与水化学数据能更好地刻画地热系统的流体运移通道。
　　主要参考文献 （上下滑动查看）
　　Fournier R O. Geochemistry and dynamics of the Yellowstone National Park hydrothermal system[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1989, 17(1): 13-53.
　　Gardner W P, Susong D D, Solomon D K, et al. A multitracer approach for characterizing interactions between shallow groundwater and the hydrothermal system in the Norris Geyser Basin area, Yellowstone National Park[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2011, 12(8).
　　Christiansen R L. The quaternary and pliocene Yellowstone Plateau volcanic field of Wyoming, Idaho, and Montana[M]. US Department of the Interior, US Geological Survey, 2001.
　　Kelbert A, Egbert G D, deGroot-Hedlin C. Crust and upper mantle electrical conductivity beneath the Yellowstone Hotspot Track[J]. Geology, 2012, 40(5): 447-450.
　　Pasquet S, Holbrook W S, Carr B J, et al. Geophysical imaging of shallow degassing in a Yellowstone hydrothermal system[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(23): 12027-12035.
　　Finn C A, Bedrosian P A, Holbrook W S, et al. Geophysical imaging of the Yellowstone hydrothermal plumbing system[J]. Nature, 2022, 603(7902): 643-647.（原文链接）
　　撰稿：程远志/页岩气与工程室，李鑫/岩石圈
　　美编：陈菲菲
　　校对：张腾飞 周星星