气候和地震活动对意大利东南阿尔卑斯山区地下水水文地球化学的综合影响

《Science of The Total Environment》：Combined impact of climate and seismic activity on groundwater hydrogeochemistry in the Eastern Southern Alps, Italy

　　本研究在意大利东阿尔卑斯山活动压缩带对13个泉眼进行水文地质和地球化学监测，发现Ca-HCO3浅层循环为主，而Canal和Colesei泉因深部流体混合呈现Ca-SO4特征。通过PCA和CPD分析，揭示长期干旱（2022年）导致离子浓度升高，而245公里外的M5.8地震（2022年11月）引发离子浓度骤降和流量异常，证实地震和气候共同影响地下水系统，需综合监测以应对气候变化和地震风险。

　　在活跃的压缩构造带——意大利东部南方阿尔卑斯山脉（Eastern Southern Alps）地区，地下水系统可能受到自然事件的影响，例如气候极端事件和地震。这一多学科研究利用水文地质、水文地球化学和地震学数据，探讨了这些自然事件对地下水化学特性联合影响的机制。研究时间跨度从2022年5月至2024年5月，期间对13个泉进行了年度监测，并对其中5个泉进行了每月化学-物理参数、主要离子和微量元素的采样分析。大多数泉呈现出Ca-HCO?水化学特征，表明其地下水流动路径较为浅层，与碳酸盐岩溶解有关。然而，两个泉（Canal和Colesei）显示出Ca-SO?特征，其钠、氯和温度含量较高，这可能表明其受到深层地下水系统的贡献。

通过稳定同位素（水同位素和溶解气体）的测定，所有泉均被确认具有大气降水的来源，这进一步支持了地下水的浅层起源。此外，87Sr/86Sr同位素比值、微量元素和地温计的分析进一步表明Canal和Colesei泉中存在深层地下水输入。统计分析（主成分分析和变化点检测）识别出一些可能与（i）长期干旱有关的地球化学异常，这种干旱减少了含水层的补给，同时增强了离子浓度；以及（ii）地震活动，特别是距监测区域约245公里的Mw 5.8地震，可能改变了浅层与深层系统的混合比例。这些结果强调了在面临气候变化和极端事件的构造活跃和人口密集地区，对地下水进行综合监测的必要性，以更好地理解和管理地下水资源。

研究区域位于Veneto地区的Belluno和Feltre之间，面积约1500平方公里，属于K?ppen气候分类中的“Cfb”类型，即温带海洋性气候。该地区受多种因素影响，包括中纬度季节效应，以及位于“中央欧洲”区域（受大西洋洋流和海洋影响）和“南欧”区域（受地中海和副热带高压系统影响）之间的过渡地带。2022年，Veneto地区经历了至少三十年来最高的年平均气温，同时年降水量也降至1951年以来的最低点。从2021年2月到2023年4月，该地区经历了长达27个月的降雨量不足，其中仅6个月的降雨量高于平均水平，2个月接近平均，其余19个月的降雨量低于平均值20%至96%。相比之下，2023年5月是过去三十年中最湿润的五月，特别是在Veneto南部盆地。

研究区域的地震活动主要集中在Belluno Valley及其周边地区，尤其是与Adriatic板块的俯冲和可能的逆冲带有关。从1985年开始，INOGS管理的区域地震网络记录了大约5000次M_L>1的地震事件，主要集中在该区域的西半部分和Belluno的E-NE方向。在研究期间，我们还关注了距离Sedico（Belluno省）50公里和300公里范围内的地震活动。例如，2022年11月9日发生了一次Mw 5.8的地震，尽管其震中距离监测点约245公里，但研究区域的泉仍可能受到其影响，因为该地震属于前震或预震阶段，可能引发地下水化学异常。

在水文地球化学分析中，我们使用了多种工具，包括稳定同位素（δ1?O和δD）、Sr同位素比值以及地温计（如Na/Li比值），以识别浅层地下水与深层流体之间的混合过程。通过这些分析，我们发现大多数泉的水化学特征与浅层碳酸盐岩的溶解有关，而Canal和Colesei泉则显示出更高的硫酸盐、钠和氯含量，以及更高的温度，表明它们可能受到深层地下水的混合影响。同时，通过主成分分析（PCA）和变化点检测（CPD），我们识别了某些元素（如锂、铷、铯和锶）在特定时间点的显著变化，这可能与干旱和地震活动相关。

研究还发现，2022年的干旱可能显著改变了断裂碳酸盐含水层的水文地球化学条件，增加了离子浓度。尽管在2023年5月出现了显著的降雨事件，但这些事件并未导致类似的浓度下降。相反，2022年11月记录到的离子浓度骤降可能与2022年11月的地震活动有关，这表明地震活动可能在短时间内改变了地下水的混合比例或含水层的渗透性。此外，地震可能通过改变孔隙压力、解除堵塞、以及引发气体泡形成等方式，影响地下水的流动路径和化学特性。

研究结果表明，地震和气候事件都可能独立或共同地影响地下水的水质和水量，这对依赖地下水的地区具有重要的环境和社会意义。特别是对于提供饮用水、农业灌溉和生态系统服务的含水层，这种影响可能带来潜在的风险。因此，需要在构造活跃的地区建立持续的高分辨率地下水监测系统，以更好地理解和应对这些自然因素对地下水系统的复杂影响。