大型走滑断裂是调节板块碰撞与汇聚、造山带高原隆升以及侧向扩张的重要构造边界，通常具有较大的切割深度、强烈的剪切变形和破裂等特征，为地下水循环和深源流体释放提供了有利的通道条件，在地表形成温泉、沸泉、间歇喷泉等常见的水热活动现象。前人对全球典型走滑断裂——例如，圣安德烈斯断裂（美国）、北安纳托利亚断裂（土耳其）和阿尔卑斯断裂（新西兰）——开展的流体地球化学研究表明，来自地幔的含碳流体能够通过深切的走滑断裂体系释放至地表，代表地幔碳释放的一种重要方式。然而，是否走滑断裂普遍具有幔源流体释放特征？走滑断裂释放的含碳流体蕴含着什么地质意义？走滑断裂的深部CO2释放通量有多大？回答这些问题需要大量的野外观测和地球化学研究，对流体的来源、释放机理与通量进行定性和定量解析，并充分考虑断裂带构造变形的差异性。
针对上述问题，天津大学地球系统科学学院徐胜教授团队与国内外合作者聚焦青藏高原西部的喀喇昆仑右旋走滑断裂，利用温泉气体与温泉水的元素与同位素地球化学指标和定量计算模型，厘清了喀喇昆仑断裂带南段的含碳流体的来源与成因机制，探讨了深源流体对喀喇昆仑断裂切割深度和剪切变形的指示意义。此外，研究团队量化了喀喇昆仑断裂地下水热系统中溶解无机碳的来源贡献比例，并对温泉逸出态和溶解态CO2释放规模进行了初步估算。
结果表明，喀喇昆仑断裂南段下方存在一个富集4He和CO2的地壳流体储库（图1），He同位素数据具有明显的壳源特征（3He/4He = 0.015~0.042 Ra），超半数气体样品CO2/N2比值大于1，温泉水pCO2值（0.0005~0.5248 atm）普遍高于大气CO2分压；提出4He和CO2主要通过断裂走滑运动导致的岩石变形和破裂释放，进而在地下水热系统中累积，推测喀喇昆仑走滑断裂活动变形和破裂主要发生在地壳尺度上。在时间上，2015年以来的温泉气体样品并未观测到前人1990年代在门士温泉和朗久温泉报道的幔源He释放（3He/4He = 0.19~2.24 Ra），可能反映了地下复杂的气-水-岩相互作用（例如，方解石沉淀造成流体通道堵塞，增加了幔源流体在地壳中的封存时间和被地壳流体混染的可能性）和区域地震活动造成的潜在影响。利用溶解无机碳（DIC）碳同位素端元混合模型，发现喀喇昆仑断裂南段温泉水中深部碳贡献比例为60.4~94.3%；结合溶解态和逸出态CO2释放通量，得出温泉CO2释放规模约为2332吨/年，其中深部CO2释放规模约为1863吨/年（图2）。
图1 喀喇昆仑断裂含碳流体成因模式图
图2 喀喇昆仑断裂温泉CO2释放规模示意图
上述研究结果从地球化学角度揭示了走滑断裂如何在地壳尺度上对流体形成、运移和释放产生影响，分别发表在Geophysical Research Letters和Applied Geochemistry，为约束青藏高原西部大陆碰撞造山带深部CO2来源和释放规模提供了基础数据和理论依据。研究工作得到国家自然科学基金重点项目（41930642）、国家重点研发计划课题（2020YFA0607700）等项目的联合资助。
论文信息
Zhang, M., Xie, X.-G., Liu, W., Liu, Y., Wang, L., Sano, Y., Lang, Y.-C., Liu, C.-Q. and Xu, S., 2024. Hydrothermal degassing through the Karakoram fault, western Tibet: Insights into active deformation driven by continental strike-slip faulting. Geophysical Research Letters, 51(4): e2023GL106647. https://doi.org/10.1029/2023GL106647
Xie, X.-G., Zhang, M., Liu, W., Liu, Y., Wang, L., Lang, Y.-C. and Xu, S., 2024. Active CO2 emissions from thermal springs in the Karakoram fault system and adjacent regions, western Tibetan Plateau. Applied Geochemistry, 161: 105896. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2024.105896
