DOI: https://doi.org/10.1007/s00531-026-02559-w
تاريخ النشر: 2026-02-01
المؤلف: Heiko Woith وآخرون
الموضوع الرئيسي: احتجاز ثاني أكسيد الكربون والتفاعلات الجيولوجية
نظرة عامة
تقدم البحث دراسة تجريبية حول مراقبة بيانات السوائل في منطقة شرق إيفل في ألمانيا، حيث تشير مجموعات الزلازل العميقة ذات التردد المنخفض الأخيرة إلى وجود نظام ماغماتي نشط. تم إنشاء شبكة من اثني عشر محطة قياس منذ عام 2020، باستخدام آبار CO₂ المعطلة ومواقع أخرى لتسجيل معلمات السوائل باستمرار بدقة زمنية عالية تصل إلى 1 هرتز. تشير النتائج الأولية إلى أن التغيرات الموسمية في هذه المعلمات ضئيلة، مما يسمح بإنشاء بيانات أساسية في غضون عامين إلى ثلاثة أعوام. ومن الجدير بالذكر أن الاتجاهات في مؤشرات الماغما، مثل نسب نظائر الهيليوم وتركيزات الرادون، قد أظهرت تغييرات كبيرة تتوافق مع النشاط الزلزالي، مما يبرز الحاجة إلى المراقبة المستمرة ودمج أنواع البيانات المختلفة.
يخلص الدراسة إلى أن الإشارات الذاتية المتعلقة بالأنشطة البركانية أو الزلزالية في منطقة إيفل من المتوقع أن تكون صغيرة، مما يتطلب مراقبة دقيقة للمعلمات البيئية للتفريق بين التأثيرات الذاتية والخارجية. تسلط النتائج الأولية الضوء على التشغيل الناجح لشبكة مراقبة السوائل، مع إتاحة البيانات للجمهور بعد فحوصات الجودة. تشمل الملاحظات الرئيسية حساسية الإجهاد في مواقع محددة، وزيادة الاتجاهات في تركيبة الغاز في مواقع مختارة، واستجابات عابرة للأحداث البيئية مثل الأمطار الغزيرة والزلازل. يبرز البحث أهمية نهج شامل في تفسير البيانات وخطط توسيع شبكة المراقبة لتعزيز التغطية في المنطقة.
مقدمة
تتميز منطقة إيفل في غرب ألمانيا بأنها منطقة بركانية داخلية، تظهر ميزات مثل الينابيع الغنية بـ CO₂، والمنافذ الغازية، والميكرو زلازل، ورفع القشرة. تشير الملاحظات الأخيرة لمجموعات من الزلازل الدقيقة العميقة ذات التردد المنخفض جنوب شرق بحيرة لاشر إلى وجود نظام ماغماتي نشط قد يكون مرتبطًا بالانصهارات في الوشاح العلوي أو وضع الماغما الجديدة. من المتوقع أن تعزز هذه الأنشطة تحت السطحية انبعاث CO₂ وتغير نسب نظائر الهيليوم، والتي يمكن مراقبتها على السطح من خلال نهج استراتيجي لمراقبة السوائل. يمكن أن يختلف الفارق الزمني بين تدفق الماغما والتغيرات السطحية الملحوظة بشكل كبير، مما يتطلب مراقبة مستمرة عبر الإنترنت جنبًا إلى جنب مع أخذ عينات غاز دورية لالتقاط سلوكيات السوائل العابرة المرتبطة بالعمليات الماغماتية.
أظهرت الأبحاث أن التغيرات في انبعاثات الغاز في المناطق الداخلية تتوافق مع النشاط التكتوني والزلزالي. على سبيل المثال، أظهرت قياسات تدفق CO₂ على المدى الطويل في جبال الأبينيني أن ذروات الانبعاثات تتزامن مع زيادة النشاط الزلزالي، مما يشير إلى علاقة بين ديناميات CO₂ ونشاط الزلازل. وبالمثل، أظهرت الدراسات في صدع إيغار أهمية أخذ عينات الغاز المتكررة في فهم الديناميات المتقلبة بين الوشاح والقشرة. كشفت مراقبة نظائر الهيليوم في منطقة التركيز في نوفý كوستيل عن تقلبات في نسبة نظائر الهيليوم ($^3He/^4He$) التي تتوافق مع الأحداث الميكرو زلزالية، مما يشير إلى أن الضغط التكتوني يؤثر على صعود سوائل الوشاح على طول الفوالق النشطة. تؤكد هذه النتائج على أهمية المراقبة الزمنية لتوضيح التفاعلات بين التكتونيات، والزلازل، وهجرة السوائل.
طرق
في هذه الدراسة، تم اختيار مواقع انبعاث السوائل ذات التوقيعات المميزة للوشاح، والتي تتميز بنسب نظائر الكربون ($\delta^{13}C$) بين -4.2 و -5.9 ‰ ونسب الهيليوم التي تتراوح بين 2.6 إلى 5.3 R_A، للمراقبة. تم التحقق من نسب الهيليوم من خلال أخذ عينات غاز متكررة في المواقع المحددة، مع جمع العينات في أنابيب نحاسية وتحليلها لنظائر الهيليوم في جامعة بريمن. تم إجراء تحليلات إضافية للغازات النبيلة باستخدام قوارير زجاجية ومقياس كتلة الغاز النبيل VG 5400 في GFZ. تم استخدام سلسلة من خطوات التنقية لإزالة الغازات التفاعلية، وتم فصل وتحليل الغازات النبيلة عند درجات حرارة معينة منخفضة.
بدأت المراقبة الفورية للسوائل في نوفمبر 2020، مع التركيز على منطقة شرق إيفل، مع 12 موقعًا قيد التشغيل بما في ذلك آبار CO₂ المهجورة والينابيع. اختلفت معلمات المراقبة حسب الموقع، مع قياسات لضغط رأس البئر، ومستوى المياه، ودرجة الحرارة، والموصلية، وتركيز الرادون التي تم أخذها بترددات مختلفة. بحلول سبتمبر 2025، كانت جميع محطات المراقبة تعمل باستثناء واحدة، حيث كانت تنقل البيانات كل ساعة إلى GFZ. تؤكد الدراسة على أهمية مراقبة المعلمات الجوية ومستويات المياه الجوفية للتفريق بين الإشارات الذاتية والتأثيرات الخارجية، مثل التغيرات الموسمية والأنشطة البشرية. تتوفر أوصاف مفصلة لمواقع المراقبة والأجهزة عبر الإنترنت، مما يوفر الوصول إلى بيانات محدثة كل ساعة.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون خصائص مواقع المراقبة ويقيمون حساسية الإجهاد مع تفصيل التغيرات الملحوظة في إشارات السوائل. تكشف البيانات الملخصة في الجدول 2 أن القيم المتوسطة والوسيط للمعلمات المراقبة متقاربة، مما يشير إلى ميل مركزي مستقر وانحراف ضئيل. وهذا يشير إلى أن مجموعة البيانات موثوقة، مع وجود عدد قليل من القيم الشاذة، والتي حدثت في الغالب خلال أحداث الطقس القاسية، مثل فيضان أهرطال في يوليو 2021.
خلال هذا الفيضان، الذي جلب 100-150 مم من الأمطار إلى منطقة بحيرة لاشر في غضون 24 ساعة، تم تسجيل ارتفاع ملحوظ في درجة حرارة المياه في موقع PLAI، حيث ارتفعت من 14.2 °C إلى 16.2 °C. يعتبر هذا الارتفاع كبيرًا عند مقارنته بمتوسط درجة الحرارة البالغ 14.5 °C، مع انحراف معياري قدره 0.2 °C وتغير سنوي أقل من 0.5 °C، مما يبرز تأثير الطقس القاسي على المعلمات المراقبة.
مناقشة
تظهر منطقة إيفل في ألمانيا، التي تعد جزءًا من المقاطعة البركانية في وسط أوروبا، خصائص بركانية مميزة عبر حقولها الرئيسية: حقل إيفل البركاني الغربي (WEVF) وحقل إيفل البركاني الشرقي (EEVF). يهيمن على WEVF الانفجارات الغنية بالغازات، حيث حدثت أحدث أنشطته قبل حوالي 10,900 سنة، بينما يتميز EEVF بانفجارات سيليكية متفجرة، بما في ذلك الانفجار الكبير لبحيرة لاشر قبل حوالي 13,000 سنة. تشير الأنشطة الجيوديناميكية الأخيرة في EEVF إلى انبعاثات مرتفعة من الغازات المشتقة من الوشاح، والميكرو زلازل المستمرة، ورفع القشرة المرتبط بشذوذ عميق في الوشاح، مما يشير إلى تفاعل معقد بين العمليات الجيولوجية.
كان النشاط الزلزالي في إيفل منخفضًا نسبيًا، خاصة في WEVF، الذي لم يشهد زلازل كبيرة منذ عام 2020. ومع ذلك، شهد EEVF مجموعات زلزالية ملحوظة، بما في ذلك زلازل عميقة ذات تردد منخفض قد تشير إلى هجرة السوائل من الوشاح. تشير وجود العديد من الينابيع الغنية بـ CO₂ والمنافذ الغازية في كلا الحقلين البركانيين إلى انبعاثات غازية كبيرة، حيث يتم إنتاج CO₂ التجاري بشكل أساسي من مركز وير فونوليت. سلطت الدراسات الأخيرة الضوء على الاتجاهات المتزايدة في نظائر الهيليوم وتركيزات الرادون في مواقع المراقبة المحددة، مما يشير إلى نشاط ماغماتي حديث محتمل وديناميات السوائل المتأثرة بالهياكل الجيولوجية. بشكل عام، تؤكد النتائج على البيئة الجيولوجية الديناميكية لإيفل، التي تتميز بالبركانية المتقطعة والتفاعلات المعقدة للسوائل.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00531-026-02559-w
Publication Date: 2026-02-01
Author(s): Heiko Woith et al.
Primary Topic: CO2 Sequestration and Geologic Interactions
Overview
The research presents a pilot study on the monitoring of fluid data in the East Eifel region of Germany, where recent clusters of deep, low-frequency earthquakes suggest an active magmatic system. A network of twelve measuring stations has been established since 2020, utilizing decommissioned CO₂ wells and other sites to continuously record fluid parameters at a high temporal resolution of up to 1 Hz. Initial findings indicate that seasonal variations in these parameters are minimal, allowing for the establishment of baseline data within two to three years. Notably, trends in magmatic indicators, such as helium isotope ratios and radon concentrations, have shown significant changes correlating with seismic activity, emphasizing the need for continuous monitoring and the integration of various data types.
The study concludes that endogenous signals related to volcanic or seismotectonic activities in the Eifel region are expected to be small, necessitating careful monitoring of environmental parameters to differentiate between endogenous and exogenous influences. Preliminary results highlight the successful operation of the fluid monitoring network, with data being made publicly available after quality checks. Key observations include strain sensitivity at specific sites, increasing trends in gas composition at select locations, and transient responses to environmental events such as heavy rainfall and earthquakes. The research underscores the importance of a synoptic approach to data interpretation and plans for expanding the monitoring network to enhance coverage in the region.
Introduction
The Eifel region in western Germany is characterized as an intraplate volcanic area, exhibiting features such as CO₂-rich springs, degassing mofettes, micro-seismicity, and crustal uplift. Recent observations of clusters of deep low-frequency micro-earthquakes southeast of Laacher See suggest an active magmatic system potentially linked to upper mantle melts or fresh magma emplacement. This subsurface activity is expected to enhance CO₂ degassing and alter helium isotope ratios, which can be monitored at the surface through a strategic fluid monitoring approach. The time lag between magma influx and observable surface changes can vary significantly, necessitating continuous online monitoring alongside periodic gas sampling to capture transient fluid behaviors associated with magmatic processes.
Research has shown that variations in gas emissions in intraplate regions correlate with tectonic and seismic activity. For instance, long-term CO₂ flux measurements in the Apennines have indicated that peaks in emissions coincide with heightened seismicity, suggesting a relationship between CO₂ dynamics and earthquake activity. Similarly, studies in the Eger Rift have demonstrated the significance of repeated gas sampling in understanding the volatile dynamics between the mantle and crust. Monitoring of helium isotopes in the Nový Kostel focal zone revealed fluctuations in the ratio of helium isotopes ($^3He/^4He$) that corresponded with micro-seismic events, indicating that tectonic stress influences the ascent of mantle fluids along active faults. These findings underscore the importance of temporal monitoring to elucidate the interactions between tectonics, seismicity, and fluid migration.
Methods
In this study, fluid emission sites with distinct mantle signatures, characterized by carbon isotope ratios ($\delta^{13}C$) between -4.2 and -5.9 ‰ and helium ratios ranging from 2.6 to 5.3 R_A, were selected for monitoring. The helium ratios were validated through repeated gas sampling at designated sites, with samples collected in copper tubes and analyzed for helium isotopes at the University of Bremen. Additional noble gas analyses were conducted using glass flasks and a VG 5400 noble gas mass spectrometer at GFZ. A series of purification steps were employed to remove reactive gases, and noble gases were separated and analyzed at specific cryogenic temperatures.
Real-time fluid monitoring commenced in November 2020, focusing on the East Eifel region, with 12 operational sites including abandoned CO₂ wells and springs. Monitoring parameters varied by site, with measurements of wellhead pressure, water level, temperature, conductivity, and radon concentration taken at different frequencies. By September 2025, all but one monitoring station were operational, transmitting hourly data to GFZ. The study emphasizes the importance of monitoring meteorological parameters and groundwater levels to distinguish endogenous signals from exogenous influences, such as seasonal variations and anthropogenic activities. Detailed descriptions of the monitoring sites and instrumentation are available online, providing access to updated hourly data.
Results
In this section, the authors present the characteristics of the monitoring sites and assess strain sensitivity while detailing observed transients in fluid signals. The data summarized in Table 2 reveal that the mean and median values of the monitored parameters are closely aligned, indicating a stable central tendency and minimal skewness. This suggests that the dataset is reliable, with few outliers, which predominantly occurred during extreme weather events, such as the Ahrtal flood in July 2021.
During this flood, which brought 100-150 mm of rain to the Laacher See area within 24 hours, a notable spike in water temperature was recorded at the PLAI site, rising from 14.2 °C to 16.2 °C. This increase is significant when compared to the median temperature of 14.5 °C, with a standard deviation of 0.2 °C and an annual variation of less than 0.5 °C, underscoring the impact of extreme weather on the monitored parameters.
Discussion
The Eifel region in Germany, part of the Central European Volcanic Province, exhibits distinct volcanic characteristics across its two main fields: the West Eifel Volcanic Field (WEVF) and the East Eifel Volcanic Field (EEVF). The WEVF is dominated by gas-rich mafic eruptions, with its most recent activity occurring around 10,900 years ago, while the EEVF is marked by explosive silicic eruptions, including the significant Laacher See eruption approximately 13,000 years ago. Recent geodynamic activity in the EEVF is evidenced by elevated emissions of mantle-derived gases, ongoing micro-seismicity, and crustal uplift linked to a deep mantle anomaly, suggesting a complex interplay of geological processes.
Seismic activity in the Eifel has been relatively low, particularly in the WEVF, which has seen no significant earthquakes since 2020. However, the EEVF has experienced notable seismic clusters, including deep low-frequency earthquakes that may indicate fluid migration from the mantle. The presence of numerous CO₂-rich springs and mofettes in both volcanic fields suggests significant gas emissions, with commercial CO₂ production primarily sourced from the Wehr phonolitic center. Recent studies have highlighted increasing trends in helium isotopes and radon concentrations at specific monitoring sites, indicating potential recent magmatic activity and fluid dynamics influenced by geological structures. Overall, the findings underscore the Eifel’s dynamic geological environment, characterized by episodic volcanism and complex fluid interactions.