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幾十年來，像黃石國家公園這樣的熱液環(huán)境中氣體的釋放一直是熱門研究方向。先前在黃石公園進(jìn)行的研究量化了火山口和大氣之間交換的二氧化碳量，強(qiáng)調(diào)了黃石公園如何通過火山口每年排放約4.4×107公斤的二氧化碳。
諾里斯間歇泉盆地(Norris Geyser Basin, NGB)位于黃石公園的西北部，是蒸汽船間歇泉的所在地。蒸汽船間歇泉在公園的數(shù)百個(gè)間歇泉中脫穎而出，是因?yàn)樗蚩諝庵袊娚涞牧黧w-氣體混合物可以超過115米的高度，。氣體主要由可冷凝蒸汽和不可冷凝CO2組成，還有少量其它不可冷凝氣體，如CH4。雖然蒸汽船并不定期噴發(fā)，但間歇泉最近變得非常活躍。2000年至2017年期間，發(fā)生了11次火山噴發(fā)；然而，在2018年3月至2021年2月24日期間，蒸汽船噴發(fā)了129次。為了研究氣體排放的變化是否可以作為間歇泉噴發(fā)的前兆，2019年6月12日，我們連續(xù)測量了間歇泉在一次噴發(fā)事件前后30米處甲烷和二氧化碳的擴(kuò)散排放。
本研究使用了兩臺儀器來測量地表通量。
Eosense自動(dòng)呼吸室(AC)被安裝在距離間歇泉約30米的地面上，在間歇泉和蓄水池泉之間。AC被編程為關(guān)閉15分鐘，允許氣體從地下逸出積聚，打開5分鐘沖洗一次，完成一個(gè)周期，期間共進(jìn)行17次測試，其中噴發(fā)前完成了7次測量(包括前兆測量)，噴發(fā)后進(jìn)行了10次測量。自動(dòng)呼吸室(AC)通過管路連接到Picarro G2201-i CO2、CH4濃度及同位素分析儀，組成CRDS-AC通量及同位素觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以測量CH4和CO2的濃度及其碳同位素組成，δ13C-CH4和δ13C-CO2大約每4s測量一次。在濃度-時(shí)間曲線穩(wěn)定1 - 2分鐘后的前3 - 4分鐘，用斜率乘以自動(dòng)呼吸室(AC)內(nèi)部體積和底座橫截面積的商來估算通量。CRDS儀器放置在多功能車(GorrillaCarts®GORMP-12)上。在車上，由兩節(jié)12V直流深循環(huán)船用電池并聯(lián)連接，通過直流-交流電源逆變器為分析儀供電。
期間還使用了僅測量CO2通量的單個(gè)便攜式呼吸室(PAC)。該P(yáng)AC是一個(gè)閉路EGM-5便攜式CO2氣體分析儀(PP Systems, Amesbury, MA)，腔室直接連接到分析儀，提供二氧化碳濃度的高頻繁測量(10赫茲)。使用線性模型計(jì)算CO2通量。PAC系統(tǒng)在另外三個(gè)標(biāo)有標(biāo)記的位置進(jìn)行移動(dòng)測量，這增加了本研究期間測量的空間足跡。
在單次蒸汽船間歇泉噴發(fā)前~3 h、噴發(fā)中和噴發(fā)后~ 2 h測量了地表CO2和CH4通量以及其碳同位素組成。以觀察擴(kuò)散排放活動(dòng)的變化是否與噴發(fā)的特定階段有關(guān)，從而揭示諾里斯間歇泉盆地中地下氣體的運(yùn)移機(jī)制。
在噴發(fā)之前和整個(gè)噴發(fā)過程中，我們使用Picarro CRDS分析儀測量彌漫性氣體排放，我們將其報(bào)告為地表通量。對于CH4，噴發(fā)前后的通量在誤差范圍內(nèi)相同，平均值分別為42.3±1.3和42.3±1.6 mg m?2 day?1。同樣，CO2在噴發(fā)前(50.3±1.8 g m?2 day?1)和噴發(fā)后(52.3±2.2 g m?2 day?1)表現(xiàn)出相似的通量。
然而，在噴發(fā)之前(不到25分鐘)，與之前6次Picarro CRDS分析儀測量的平均值有偏差。這第七組測量發(fā)生在從靜息期階段到預(yù)演期階段的過渡期間，顯示CH4和CO2的通量分別下降了58%和50%。這種偏離發(fā)生在靜息期(a)的結(jié)束和預(yù)演期(b)的開始，在繪制的時(shí)間序列中清晰地說明了這一點(diǎn)，該階段稱為前體測量(圖2)。
連續(xù)的CRDS-AC δ13C測量表明，重同位素在每個(gè)腔體中都有富集。在每個(gè)氣室圍封期間最后10次δ13C測量值的平均值作為δ13C源值。結(jié)果得出δ13C-CH4 = - 27.5±0.3‰，δ13C-CO2 = - 3.9±0.1‰(圖4a)。這些源組成比各自的大氣端元(CH4≈?47‰和CO2≈?8‰)的同位素重。例外是一組前體測量，其中δ13C-CH4為?35.7±2.1‰，δ13C-CO2為?6.2±0.4‰(圖4b)。前驅(qū)體測量值明顯比非前驅(qū)體測量值輕，并且更接近大氣成分。
將測量到的通量和氣源同位素組成結(jié)合在一個(gè)圖中(圖3b)，突出了前驅(qū)體測量的異常性質(zhì)。圖左下角的基準(zhǔn)面表示在圖2所示的時(shí)間序列中也可以觀察到的前兆信號。
雖然蒸汽船噴發(fā)的具體機(jī)制不能僅由氣體測量來支持，但通過整合收集的數(shù)據(jù)和先前發(fā)布的信息，這里共享了該系統(tǒng)的概念模型(圖5)。
大量證據(jù)表明，溫泉水起源于滲入并流經(jīng)流紋巖的大氣水，以補(bǔ)給NGB和公園其他地方的間歇泉。從熱成因δ13C-CH4特征和地幔樣δ13C-CO2組成來看，系統(tǒng)中大部分氣體來源于深部。在兩次噴發(fā)之間，我們認(rèn)為存在地幔氣體從深層源向上的穩(wěn)態(tài)輸送(圖5a)。這些氣體溶解在水中，在含水層頂部溶解，向地表遷移，與淺層氣體混合，然后以恒定的速率從地表排出。
在距離蒸汽船間歇泉開口30 m處進(jìn)行的光腔摔蕩光譜測量顯示，在2020年6月12日觀測到的一次噴發(fā)開始前約10-25分鐘，CH4和CO2的通量分別急劇下降58%和50%。這一證據(jù)表明，就在這次噴發(fā)之前，充滿氣體的水向間歇泉管道流動(dòng)。同樣，CH4 (δ13C-CH4)和CO2 (δ13C-CO2)的前體碳同位素測量值(分別為- 35.7±2.1‰和- 6.2±0.4‰)明顯輕于非前體碳同位素測量值(- 27.5±0.3‰;?3.9±0.1‰)，δ13C在噴發(fā)開始后立即恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。熱水和天然氣的高估計(jì)平衡溫度表明，至少在470米深處有一個(gè)深源。之前的研究呼吁監(jiān)測黃石間歇泉的氣體排放率，而這項(xiàng)研究為如何有效地進(jìn)行彌漫氣體測量和研究提供了一個(gè)模型。
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