Abstract The successful management of carbon in the Earth's crust is critical for mitigating the increase of anthropogenic CO2 in the atmosphere. Carbon Capture and Storage (CCS) requires an understanding of the behavior of carbon in the crust and the development of robust monitoring techniques to constrain the movement, mechanisms, and pathways for any potential CO2 leakage. Here, we examine an aquifer from the Riardo Plain (Campania Region, southern Italy), which serves as a suitable natural analogue for CO2 migration to the critical zone (i.e., shallow crust and aquifers) and as a case study to evaluate the geochemical processes that occur when CO2-saturated fluids mix with freshwater in shallow aquifers. We investigate the behavior of various geochemical constituents (major and trace elements, δ18O–H2O, δ13C-DIC, and Rn content). Water from this area has a high degree of mineralization (EC 2500–3000 μS/cm), high HCO3- (~2.5 g/L), is saturated with respect to CaCO3, and is enriched in alkali ions (e.g., Na+ + K+). The high degree of mineralization occurs in groundwater that discharges from the basal aquifer of the Roccamonfina volcanic edifice (~6 km NW), with vast CO2 inputs that promote host rock leaching. Superficial volcanic aquifers are recharged by fresh meteoric precipitation when groundwater flows from carbonates at the edge of the plain to aquifers hosted in the southeastern slope of the Roccamonfina volcano. The presence of normal faults in this area permits natural upwelling of CO2-rich groundwater, which locally mixes with shallow freshwater present within the upper volcanic succession. Significant (R > 0.8) linear correlations between conservative elements suggest that groundwater geochemistry is dominated by a mixture of two main endmembers: (i) deep/mineralized waters and (ii) shallow/diluted waters. The intrusion of freshwater to volcanic aquifers induces oxidation, leading to adsorption of select elements (e.g., As and Ba) onto Fe-oxyhydroxide precipitates within these aquifers. Geochemical modeling suggests that CO2 saturation approaches 3 g/L, which agrees with direct measurements of CO2 flux. We conclude that our conceptual geochemical model helps to constrain mixing of CO2 with freshwater and to diagnose the secondary geochemical processes that influence aqueous geochemistry within CO2-influenced groundwater.

中文翻译：

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由地质成因 CO2 通量驱动的非均质多层含水层中的地下水混合：来自 Ferrarelle 水的化学和同位素组成的证据（意大利南部 Riardo 平原）

摘要 地壳中碳的成功管理对于减缓大气中人为 CO2 的增加至关重要。碳捕集与封存 (CCS) 需要了解地壳中碳的行为，并开发稳健的监测技术来限制任何潜在 CO2 泄漏的运动、机制和途径。在这里，我们检查了来自 Riardo 平原（意大利南部坎帕尼亚地区）的一个含水层，它是 CO2 迁移到临界区（即浅地壳和含水层）的合适天然类似物，并作为评估地球化学过程的案例研究当 CO2 饱和流体与浅层含水层中的淡水混合时，就会发生这种情况。我们研究了各种地球化学成分（主要和微量元素、δ18O-H2O、δ13C-DIC 和 Rn 含量）的行为。该地区的水具有高度矿化度 (EC 2500–3000 μS/cm)、高 HCO3- (~2.5 g/L)、CaCO3 饱和并富含碱离子（例如 Na+ + K+ ）。高度矿化发生在从 Roccamonfina 火山大厦（西北约 6 公里）的基底含水层排放的地下水中，大量的 CO2 输入促进了母岩的浸出。当地下水从平原边缘的碳酸盐岩流入罗卡蒙菲纳火山东南坡的含水层时，表层火山含水层被新鲜的大气降水补给。该地区正断层的存在允许富含 CO2 的地下水自然上升，这些地下水与上部火山序列中的浅层淡水混合。显着（R > 0。8) 保守元素之间的线性相关性表明地下水地球化学由两个主要端元的混合物主导：(i) 深水/矿化水和 (ii) 浅水/稀释水。淡水侵入火山含水层会引起氧化，导致选定元素（例如砷和钡）吸附到这些含水层中的氢氧化铁沉淀物上。地球化学模型表明 CO2 饱和度接近 3 g/L，这与 CO2 通量的直接测量一致。我们得出的结论是，我们的概念地球化学模型有助于限制 CO2 与淡水的混合，并有助于诊断影响受 CO2 影响的地下水中的含水地球化学的次生地球化学过程。(i) 深水/矿化水和 (ii) 浅水/稀释水。淡水侵入火山含水层会引起氧化，导致选定元素（例如砷和钡）吸附到这些含水层中的氢氧化铁沉淀物上。地球化学模型表明 CO2 饱和度接近 3 g/L，这与 CO2 通量的直接测量一致。我们得出的结论是，我们的概念地球化学模型有助于限制 CO2 与淡水的混合，并有助于诊断影响受 CO2 影响的地下水中的含水地球化学的次生地球化学过程。(i) 深水/矿化水和 (ii) 浅水/稀释水。淡水侵入火山含水层会引起氧化，导致选定元素（例如砷和钡）吸附到这些含水层中的氢氧化铁沉淀物上。地球化学模型表明 CO2 饱和度接近 3 g/L，这与 CO2 通量的直接测量结果一致。我们得出的结论是，我们的概念地球化学模型有助于限制 CO2 与淡水的混合，并有助于诊断影响受 CO2 影响的地下水中的含水地球化学的次生地球化学过程。这与直接测量 CO2 通量一致。我们得出的结论是，我们的概念地球化学模型有助于限制 CO2 与淡水的混合，并有助于诊断影响受 CO2 影响的地下水中的含水地球化学的次生地球化学过程。这与直接测量 CO2 通量一致。我们得出的结论是，我们的概念地球化学模型有助于限制 CO2 与淡水的混合，并有助于诊断影响受 CO2 影响的地下水中的含水地球化学的次生地球化学过程。