间歇性冒泡的富氦氮气井限制了大气中氮气和生物源氮气释放的可能性，以及富氦地下水从地下向地表迁移的过程

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Intermittently Bubbling Well With He-Rich N2-Bubbles Constrain the Possibility of Atmospheric and Biogenic N2 Exsolution and the History of He-Rich Groundwater From Basement to Surface

通过亨利定律和预算方程，理论上证实当水温升高和盐度增加时，大气氮气可从前回灌水中析出形成氮气泡，同时生物源氮可能补充气泡成因。该模型解释了法国Morvan地区"Fontaines Salées" Site的高氦浓度氮气泡现象，与基底岩石中热盐环境及微生物作用相关。

　　在自然界中，某些泉水会呈现出含有氮气气泡的特征，这种现象在地球表面相对罕见，通常与地质活动有关，如火山活动或深部地壳反应。然而，在法国北部的Massif Central地区，Morvan区域的“Fontaines Salées”（咸水泉）却表现出特殊的高氦浓度气泡，这为理解氮气气泡的形成提供了新的视角。本文基于亨利定律和简单的预算方程，提出了一种理论模型，说明在地下基岩中储存的地下水在上升过程中，由于温度升高和盐度增加，能够从空气中溶解的氮气以及生物来源的氮气释放出气泡。这种模型为解释氮气气泡的形成提供了一种替代路径，而不需要依赖于目前尚不明确的变质反应。同时，这一模型可以与Torgersen方程结合，用于描述地下水在基岩孔隙中长时间停留后，如何在上升过程中释放出高氦含量的氮气气泡。

### 1. 引言

在地表，地下水通常不含气体气泡，但在某些情况下，这些水流会呈现出气泡，甚至可以被商业开发。通常，这些气泡中含有氦气，而这种气体在某些情况下是来自地壳的放射性衰变。然而，氮气气泡在自然泉水中并不常见，这使得其来源变得复杂。尽管有研究认为这些氮气气泡可能来自基岩中的化学反应，但这些反应的机制尚未完全明确。例如，Cheng等人（2023）提到，某些区域的氮气气泡可能与变质作用有关，但这些过程仍然缺乏充分的解释。因此，探索氮气气泡的可能来源显得尤为重要。

“Fontaines Salées”是一个独特的研究地点，它不仅具有丰富的历史遗迹，还表现出含有氮气气泡的地下水。这些气泡具有极高的氦浓度，达到了4-5 mol%。这一现象与传统观点相悖，因为它没有明显的火山活动，但其气泡的存在却为研究地壳中氦气和氮气的来源提供了新的线索。为了进一步探讨这种现象，本文基于Léger等人（2025）的研究，提出了一个理论模型，用于解释氮气气泡的生成过程，并结合亨利定律和Torgersen方程进行分析。

### 2. 简单模型描述氮气气泡的生成

本文提出的一个理论模型，描述了在基岩中储存的地下水上升过程中，氮气气泡的生成。这个模型的核心在于亨利定律的应用，它表明气体的溶解度与压力和温度有关。在某些情况下，当地下水在基岩中储存一段时间后，由于温度升高和盐度增加，氮气的溶解度会达到饱和状态，从而在上升过程中释放出气泡。

在这个模型中，我们假设地下水在上升过程中保持其在基岩中达到的温度，因此气泡的生成发生在这一温暖的温度下。此外，我们还考虑了地下水在上升过程中的盐度变化，以及可能的生物来源的氮气对气泡形成的影响。例如，Dantas Cardoso等人（2023）的研究表明，某些区域的氮气同位素比值可能暗示了生物来源的氮气的存在。

通过结合亨利定律和Torgersen方程，我们可以计算出在特定温度和盐度条件下，氮气在水中的溶解度和释放量。这一模型不仅适用于沉积岩，也适用于基岩，因为这些岩石的孔隙结构和化学环境可能促进氮气的积累和释放。

### 3. 氮气气泡生成的敏感性分析

为了进一步理解氮气气泡生成的条件，我们进行了敏感性分析，研究了不同温度和盐度对气泡形成的影响。通过随机生成400,000种模型，我们发现，当水温较高且盐度适中时，氮气气泡的生成可能性更大。例如，在水温为60°C、盐度为0.5 g/l的情况下，气泡的生成量可以达到1%。这表明，水温的升高和盐度的增加对氮气气泡的生成具有显著影响。

此外，我们还发现，生物来源的氮气可能对气泡的生成起到辅助作用。例如，当地下水含有有机物时，微生物可能通过硝化作用和反硝化作用生成氮气，这些氮气与大气中的氮气混合后，可能更容易达到饱和状态，从而释放出气泡。这一过程在地下基岩中可能更为显著，因为这些环境通常具有较高的温度和盐度，为微生物活动提供了适宜的条件。

### 4. 氮气气泡的来源与形成机制

氮气气泡的来源可以是多种多样的。一方面，它可能来自大气中的氮气，这些氮气在地下水重新补给时溶解于水中，随后在上升过程中释放出气泡。另一方面，生物来源的氮气也可能在气泡形成中起到关键作用。例如，微生物可能通过分解有机物生成氮气，这些氮气在地下水中积累，最终在上升过程中释放出气泡。

为了验证这一假设，我们分析了“Fontaines Salées”处氮气同位素比值的数据。Dantas Cardoso等人（2023）的研究显示，该地区的氮气同位素比值为+7.1‰，这表明氮气可能来自地壳中的生物过程。此外，我们还发现，生物来源的氮气通常具有较高的同位素比值，这可能与微生物的代谢过程有关。例如，硝化作用可能导致氮气的同位素比值增加，而反硝化作用则可能导致氮气的同位素比值减少。

### 5. 氮气气泡的释放过程与气泡累积

在“Fontaines Salées”处，我们观察到气泡的释放过程具有一定的间歇性。例如，当水位较高时，气泡的释放表现为间歇性的“气泡脉冲”，而在水位较低时，气泡的释放则更为连续。这种现象可能与地下水在上升过程中遇到的阻力有关。当水位较高时，气泡可能在地下水中累积，形成一个泡沫层，随后在上升过程中释放出较大的气泡。

此外，我们还发现，气泡的释放可能受到孔隙结构的影响。例如，当地下水上升过程中遇到阻力，气泡可能在某些区域聚集，形成一个泡沫层。这一泡沫层的形成可能与孔隙中的压力变化有关。通过计算气泡的浮力和压力，我们发现，当气泡的浮力超过一定阈值时，它们可能会突破孔隙中的障碍，形成气泡脉冲。

### 6. 结论

综上所述，本文提出了一种理论模型，用于解释在地下基岩中储存的地下水上升过程中释放出氮气气泡的现象。这一模型结合了亨利定律和Torgersen方程，考虑了温度、盐度和生物来源的氮气对气泡生成的影响。研究还表明，氮气气泡的生成可能受到多种因素的共同作用，包括地下水的物理化学性质和微生物活动。通过敏感性分析，我们发现，当水温较高且盐度适中时，氮气气泡的生成可能性更大。此外，气泡的释放过程可能受到孔隙结构和压力变化的影响，从而形成间歇性的气泡脉冲。

“Fontaines Salées”处的氮气气泡现象为研究地壳中氦气和氮气的来源提供了新的线索。这不仅有助于理解自然泉水中的气体来源，也为未来的资源勘探和环境研究提供了重要的理论支持。通过进一步的研究，我们有望揭示更多关于地壳中气体生成和释放的机制，从而为地质学和地球化学领域带来新的认识。