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中国火山温泉气体地球化学特征及其在火山监测中的应用
中国火山温泉气体地球化学特征及其在火山监测中的应用
魏费翔*, 许建东*, 上官志冠, 潘波
(中国地震局地质研究所,活动构造与火山重点实验室,北京 100029)
 [收稿日期]: 2018-04-12
摘要

中国火山温泉主要分布在吉林长白山、云南腾冲和黑龙江五大连池等火山区。这些火山虽然处于休眠状态,但大面积的温泉分布指示着岩浆房存在的可能性。本文总结了前人研究成果,分析了中国主要火山区温泉气体地球化学特征,并探讨了温泉气体在火山监测中的应用。长白山、腾冲和五大连池火山区温泉气体地球化学性质类似,都以CO2为主要气体,含量在80%以上,最高可达99%以上,其它气体组分包括CH4、N2、O2、SO2、H2S、He和H2等。长白山火山温泉气体中氦同位素比值(3He/4He)最高,约为4—6RA,CO2中碳同位素比值(δ13C)为-7.9‰—-1.3‰,CH4中碳同位素为-48.0‰—-28.7‰;腾冲火山温泉气体氦同位素比值为3—5.5RA,CO2中的碳同位素为-6.49‰—-2.07‰,CH4中碳同位素为-23.5‰—-9.3‰;五大连池火山温泉气体氦同位素比值约为3RA,CO2中的碳同位素比值为-9.6‰—-3.1‰,CH4中碳同位素为-47.2‰—-44.4‰。3个火山区的温泉气体均显示地幔来源的岩浆气体特征,并在上升运移过程中受地壳或古俯冲物质的影响。



引言

火山喷发是地球内部高温物质喷出至地表的过程,整个喷发过程通常伴随大量的岩浆、碎屑、火山灰和火山气体的喷出,甚至引发极大的破坏性地震、滑坡、泥石流和海啸等灾害(刘嘉麒等,1999)。这些灾害不仅对人类的生命和财产造成巨大损失,还会加剧温室效应等全球环境和气候问题(郭正府等, 2003, 2014张茂亮等,2011)。据统计,20世纪全球火山喷发导致约8万人死亡(Sigurdsson等,2015)。虽然火山喷发危险性极大,但火山喷发前有大量可观测的前兆现象(刘嘉麒等,1999),随着火山监测技术的快速发展,火山喷发预测的准确率也越来越高。因此,火山监测与预警是人类生命和财产的重要保障。目前火山监测手段主要分为3类:火山地震、地形形变和地热流体。在活动火山区,由于高温岩浆囊的存在,火山区通常分布着大量温泉,这些温泉气体早于岩浆沿着火山通道或断层从岩浆囊快速逸出到地表。因此,通过对火山温泉气体进行研究能提前追踪深部岩浆活动状态,对火山监测具有重要指导作用。火山温泉气体地球化学监测技术已经被广泛应用到火山监测领域,并多次成功预报火山喷发。如在2006年的意大利埃特纳火山喷发前,火山学家发现CO2/SO2比值升高了5—50倍(Aiuppa等,2007),结合地震和地形形变的观测数据,成功预测了埃特纳火山喷发,极大地减少了火山喷发对人类生命财产造成的损失。

由于受西太平洋板块和印度板块俯冲挤压作用,我国在板块俯冲边缘发育众多火山。虽然目前没有活跃的火山活动,但我国火山区多为著名旅游风景区,人口密度大,火山一旦喷发,将产生巨大的灾害。因此,我国对火山监测非常重视,在长白山火山区、五大连池火山区和腾冲火山区等区域建设了火山监测站对火山进行监测预报,并将温泉气体作为重要监测手段之一(刘国明等,2011许建东,2011)。在2002—2006年长白山火山异常活动期间,长白山火山温泉气体中CO2含量升高,N2/O2比值升高,3He/4He同位素比值升高,都指示了长白山火山异常的活动状态。这与火山扰动期间地震频发、地形形变量增大等前兆现象保持一致(Xu等,2012)。虽然长白山火山在2002—2006年火山扰动期间没有喷发,但为我国火山监测积累了大量宝贵的监测数据资料和理论依据。火山温泉气体监测主要包括火山气体的常量成分连续观测和同位素加强观测。火山温泉气体主要组分包括CO2、CH4、N2、O2、SO2、H2S、He和H2等,气体同位素主要包括氦同位素和碳同位素等。

1 采样及测试分析方法

火山温泉气体样品采用排水法进行采集,采集装置详见冉华等(2008)的介绍。首先,将集气罩置于温泉水中无气泡区域,用大号注射器将水充满采样装置,排出装置中的空气。然后,将漏斗在水下移到冒泡区域,利用温泉气体自身压力和注射器将气路中的水排尽,将收集到的温泉气体注射到提前抽真空的铝箔气体样品袋和倒置的水封玻璃瓶中。铝箔气体样品袋中的样品主要用于测量气体化学成分,测试仪器采用气相色谱仪;倒置的水封玻璃瓶中的气体保存时间较长,主要用于同位素测量,其中稀有气体同位素采用稀有气体同位素质谱仪测试,碳同位素采用稳定同位素质谱仪测试。

2 火山温泉气体化学成分研究

火山温泉气体是岩浆脱气的结果,其化学成分变化指示岩浆脱气和演化过程,是研究岩浆房活动最直接的证据之一(上官志冠等,2008)。因此,火山温泉气体化学成分的持续监测对研究火山活动和火山预报具有意义。火山温泉气体化学成分的测试方法简单且测试仪器价格相对较低,被广泛应用于火山监测领域。火山温泉气体常见组分包括H2O、CO2、CH4、N2、O2、SO2、H2S、He和H2等。中国长白山、腾冲和五大连池火山温泉气体均以CO2为主,平均含量超过85%,部分区域甚至超过99%(杜建国等,1999赵慈平等,2011成智慧等,2014李婷等,2015)。

2.1 火山温泉气体主要成分

火山温泉气体主要成分为H2O、CO2、CH4、N2和O2,占火山气体成分的99%以上,其含量的变化主要受岩浆囊温压条件、岩浆脱气、演化和新的岩浆补给作用影响。

水蒸气是岩浆脱气过程中最主要的成分(Fischer,2008),这与熔融包裹体成分是一致的(Wallace,2005)。岩浆的含水量影响岩浆的熔点、粘度和结晶矿物成分等。此外,岩浆含水量是决定火山喷发模式的重要因素之一。因此,监测火山气体中水蒸气含量的变化有助于进行火山预测和灾害分析,广泛应用于火山喷气孔监测。但由于温泉气体处于水环境,水蒸气的来源众多,不易区分岩浆来源的水蒸气和地下水形成的水蒸气。因此温泉气体在测试化学成分前需进行除水处理,只对干燥气体进行分析。

N2是大气最主要的组成成分,化学性质稳定。火山温泉气体中的N2主要有3种来源:①大气和地表水;②地幔;③俯冲板块携带的生物沉积物。由于大气中N2含量接近80%,大气和地表水中的N2极易混染岩浆来源的N2上官志冠等(2008)认为温泉气体中大部分N2是溶解于大气降水中的N2Zhang等(2015)通过测试长白山火山温泉气体中的N2/Ar和N2/He比值,认为长白山火山温泉气体中N2为多种来源混合且空气来源占比较大,因此N2含量仅作为参考指标。O2也是空气主要成分之一,由于其化学性质极其活跃,容易与岩浆反应而被快速消耗,所以岩浆成因的O2较少。温泉气体中的O2可能与N2一样,主要为大气降水的结果。若火山温泉气体中N2/O2比值越接近大气比值(约3.7),说明大气降水和采样过程中的大气混染对火山气体成分的影响越大。

CO2是火山温泉气体中最主要的成分之一,其为一种无色无味无毒的气体。由于CO2比空气重,火山喷发出的CO2在低洼地区容易造成人和动物呼吸困难甚至窒息。CO2在岩浆中主要以CO2分子和CO32-离子形式存在于岩浆中,碳的主要来源为地幔、碳酸盐岩和俯冲板块携带的有机碳。中国主要火山区温泉气体都以CO2为主,其中长白山火山区CO2平均含量为90%以上,在部分温泉区含量高达99%以上(表 1Hahm等,2008上官志冠等,2008李婷等,2015Wei等,2016)。腾冲火山区温泉气体中CO2含量较稳定,约为90%—95%(上官志冠等,2008赵慈平等,2011Zhang等,2016)。五大连池火温泉气体中CO2含量与长白山类似,平均约90%,部分区域可达99%以上(杜建国等,1999Xu等,2013)。CO2和CH4都是岩浆脱气作用产生的重要温室气体,但CH4在火山气体中含量普遍较低(郭正府等,2010)。长白山锦江温泉和聚龙温泉气体中CH4含量小于1%,但在火山口附近的湖滨温泉气体中的CH4含量高达5%以上。上官志冠等(2006)认为湖滨温泉中的CH4主要来源于地幔。腾冲和五大连池火山区温泉气体中的CH4也均在1%以下,可能与地幔岩浆补给较少有关(上官志冠等,2006)。

表 1 长白山聚龙温泉15号采样点温泉气体中CO2、CH4和N2含量及比值 Table 1 Concentrations of CO2, CH4 and N2 and the ratios of Sampling site No.15 of Julong hot spring at Changbaishan Volcano

通过对长白山火山聚龙温泉15号温泉点进行连续观测(采样时间为每年的8月底或9月初),我们发现CO2/N2比值和CH4/N2比值的年度变化非常一致(图 1(a)),由于N2主要来源于大气,说明CO2与CH4都来源于岩浆脱气过程。CO2/N2和CH4/N2比值在2003年、2005年和2006年快速升高,远高于火山处于休眠期的2002年和2007—2012年,说明2003年、2005年和2006年深部岩浆活跃,可能是新的岩浆注入导致岩浆房压强增大,这与地震活跃数据保持一致(图 1(b))。


图 1 2002—2012年温泉气体的CO2/N2与CH4/N2比值连续观测图(a)和2001—2012年长白山火山每月地震次数(引自Xu等,2012)(b) Fig. 1 The CO2/N2 and CH4/N2 ratios from 2002 to 2012 (a) and monthly number of earthquakes of Changbaishan Volcano between 2001 and 2012 (revised from Xu et al., 2012)(b)

综上所述,中国主要火山区的温泉气体中O2和N2大部分来源于空气,而CO2和CH4主要为岩浆来源。火山温泉气体中CO2/N2与CH4/N2比值升高反映岩浆活跃增强,岩浆囊压强增大,可能有新的岩浆补给作用,说明火山活动危险性增加。

2.2 火山温泉气体微量成分

火山温泉气体微量成分主要包括He、H2、H2S和SO2等。虽然这些气体在火山温泉气体中含量极低,但在火山喷发时具有较强毒性的含硫气体H2S和SO2可能对人类生命造成威胁,形成的酸雨可能造成巨大的财产损失。此外,微量气体如He和H2可用于追踪火山气体来源及研究火山区构造活动。

火山温泉气体中的氦(He)主要来源于地壳中形成的放射性He,少部分来源于地幔。长白山、五大连池和腾冲火山区温泉气体中He含量平均值分别为160ppm、248ppm和88ppm(上官志冠等,2008)。由于He在地壳中发散较快,He含量的变化受多因素的影响,判断火山危险性需结合氦同位素研究成果分析。H2与He类似,在上升过程中极易与其他物质反应而被消耗。Shangguan等(2002)认为H2是构造运动的产物,H2含量增高可能反映火山区构造活动增强。

H2S和SO2等富硫气体具有较强毒性,是火山温泉气体重要的组成部分,因此有必要对其含量进行连续监测。监测火山中的含硫气体也有助于研究大气辐射、气候和酸雨。在岩浆房中,H2S和SO2的相互作用为:

$ {{\rm{H}}_2}{\rm{S}} + 2{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} = {\rm{S}}{{\rm{O}}_2} + 3{{\rm{H}}_2} $ (1)

H2S和SO2的相对含量主要受温度、压强和氧化还原环境影响。SO2主要存在于高温岩浆环境,而H2S广泛分布于低温火山系统(Aiuppa等,2007上官志冠等,2008)。根据上官志冠等(2008)的测试结果,长白山火山温泉气体中含硫气体成分较低,SO2含量为0.05—0.06ppm,H2S含量为0.05—0.36ppm,SO2/H2S比值为0.11—1.00;腾冲火山区中含硫气体成分较高,SO2含量为36—244ppm,H2S含量为239—2433ppm,SO2/H2S比值为0.015—0.464;五大连池中H2S含量比腾冲低,但比长白山高,为1.69—4.81ppm(赵宜等,1989)。SO2和H2S含量以及SO2/H2S比值受很多因素控制,如不同岩浆来源、岩浆房的深度以及岩浆房的温压和氧化条件等。火山温泉气体的SO2/H2S比值的变化是监测岩浆房活动的重要指标之一,SO2/H2S的升高可能指示岩浆房温度升高或岩浆房减压(Aiuppa等,2007)。Wallace等(2011)发现岩浆房的减压作用可使SO2/H2S最多升高3个指数级。

3 火山温泉气体同位素研究

火山温泉气体化学成分变化指示岩浆活动过程,但由于火山温泉气体具有多源性,其地球化学成分变化受多种因素的影响,往往需要结合同位素测试结果判断岩浆气体来源并分析气体成分变化的原因。在火山温泉气体同位素研究中,应用最广泛的是氦同位素和碳同位素。一方面是因为He、CO2和CH4气体在岩浆通道上升过程中不易消耗,且大气中含量相对较低,不易被大气混染,含量和同位素比值稳定;另一方面,由于地壳和地幔中的碳同位素和氦同位素比值差异较大,容易判断火山气体的来源。

3.1 氦同位素

He在大气中含量极低,物理和化学性质稳定,且难溶于水,是火山温泉气体监测中应用最广泛的同位素之一。He有2种同位素,分别为3He和4He,大气中3He/4He比值(RA)约为1.39×10-6Clarke等,1976)。火山温泉气体中的4He主要来源于地壳中238U、235U和232Th的α粒子衰变,而3He是原生的,主要来源于地球深部。因此,上地幔(MORB)中3He/4He比值比地壳中高,为大气中3He/4He比值(RA)的8倍(王先彬,1989Graham,2002),而地壳的氦同位素比值仅为0.05RAGautheron等,2002)。氦同位素在地壳和地幔中相差巨大,是1种理想的流体源区示踪剂,可用于判断火山温泉气体中的幔源和壳源比例。由于大气中He含量(5.24ppm)相对温泉气体中的He含量较高,在采样和测试分析过程中可能混入大气,影响样品测试结果。因此,通常需要对氦同位素测试结果(RM)进行校正。因为地幔来源氖气(Ne)含量极低,可假设所有的Ne来源于大气,通过测试样品中的He/Ne比值即可校正大气混染作用。校正后的3He/4He比值(RC)通常用下列公式表示:

$ {R_{\rm{C}}}/{R_{\rm{A}}} = \left[ {({R_{\rm{M}}}/{R_{\rm{A}}} \times X) - 1} \right]/(X - 1) $ (2)

其中,X为大气校正系数。由于温泉气体中氦气和氖气溶解度不同,X一般表示为:

$ X = \left[ {{{\left({{\rm{He}}/{\rm{Ne}}} \right)}_{\rm{M}}}/{{\left({{\rm{He}}/{\rm{Ne}}} \right)}_{\rm{A}}}} \right] \times ({\beta _{{\rm{Ne}}}}/{\beta _{{\rm{He}}}}) $ (3)

其中,βNeβHe分别是Ne和He在温泉中的本生(Bunsen)溶解度;(He/Ne)M和(He/Ne)A分别代表测量的He/Ne比值和大气中的He/Ne比值,(He/Ne)A=0.3185(Ozima等,2002)。

根据Weiss(1971)的溶解度计算公式可计算βNe/βHe

$ \ln \beta = {A_1} + {A_2}(100/T + {A_3}\ln(T/100) + S‰ \left[ {{B_1} + {B_2}(T/100) + {B_3}{{(T/100)}^2}} \right] $ (4)

其中,A1、A2、A3、B1、B2、B3为常数(Weiss,1971),T为温泉水的绝对温度,S为温泉水的盐度。

He/Ne比值与空气混染程度成反比,一般认为(He/Ne)M/(He/Ne)A大于10的样品受空气混染程度较小。校正后的温泉气体氦同位素比值RC比测量值RM高,对比地壳和地幔中的氦同位素比值,可以分析探讨火山温泉气体源区特征及受地壳混染程度。图 2显示(ASW指大气饱和水,地幔He同位素比值王先彬(1989)Graham(2002),地壳He同位素比值引自Gautheron等(2002);长白山2002年和2006年数据引自Wei等(2016),2004年为未发表数据;腾冲数据来自上官志冠等(2008)Zhang等(2016);五大连池数据来自上官志冠等(2008)杜建国等(1999)Xu等(2013)),长白山火山温泉气体受空气混染较少的样品((He/Ne)M/(He/Ne)A>10)的氦同位素比值约为4—6RA,且2002—2006年的氦同位素比值呈上升趋势;腾冲火山区温泉气体氦同位素比值整体低于长白山,约为3—5.5RA;五大连池火山区氦同位素比值最低,约为3RA。从氦同位素结果可知,这3大火山区岩浆主要来源于地幔,同时受地壳或古俯冲物质的混染影响。五大连池温泉气体受地壳或古俯冲物质混染程度最高,而长白山火山温泉气体受混染作用影响最低。


图 2 中国主要火山区温泉气体的氦同位素比值 Fig. 2 Helium isotope ratios of hot spring gases in major volcanic regions of China

对于火山监测,若火山区温泉气体氦同位素比值保持稳定或下降,说明火山处于休眠状态,无新的岩浆补给或岩浆补给较少;相反,若温泉气体中氦同位素比值迅速上升,说明来源于地幔的3He增多,可能与新的岩浆补给有关。在2002—2006年长白山火山活跃期间,火山地震频发(图 1(b)),地形形变增大,氦同位素比值迅速升高(图 2),这些前兆现象都显示长白山火山岩浆囊具有新的岩浆补给,火山危险性增加(Xu等,2012)。

3.2 碳同位素

碳是火山温泉气体主要组成元素之一,主要以CO2形式存在,少部分为CH4等碳氢化合物。由于大气中CO2和CH4含量较少,对火山温泉气体的混染作用可以忽略不计,且地壳和地幔中的碳同位素差异较大。因此,碳同位素是研究火山温泉气体及火山监测中的重要手段之一。碳元素有3种同位素,分别为12C13C和14C。在火山温泉气体同位素研究中,主要测试CO2和CH4中的13C/12C比值R,通常用碳同位素标准(PDB)表示:

$ {\delta ^{13}}{\rm{C}} = \left( {{R_{样品}}/{R_{标准}} - 1} \right) \times 1000 $ (5)
3.2.1 CO2中的碳同位素

火山温泉气体中的CO2的碳主要有3种源区,分别为地幔、海相石灰岩和生物沉积物。不同源区中碳同位素存在较大差异,地幔中CO2的碳同位素比值(12C/13C)为δ13C=-6.5±2.5‰;海相石灰岩为δ13C=0;而生物沉积物δ13C=-30‰(Sano等,1995)。由于生物沉积物和海相石灰岩的混合作用可以形成-6.5‰的碳同位素,容易被误认为是幔源碳。因此,Sano等(1995)引入CO2/3He参数来区分幔源和壳源碳。由于地壳富集CO2而缺少3He,地壳中的CO2/3He比值远高于地幔的比值。海相石灰岩和生物沉积岩的CO2/3He均为1×1013,而地幔中的CO2/3He为1.5×109,相差4个数量级(Sano等,1995)。通过碳同位素比值和CO2/3He比值2个参数可以分别计算3个地幔端元(地幔、海相石灰岩和生物沉积物)的百分含量(Sano等,1995):

$ {{(^{13}}{\rm{C}}{/^{12}}{\rm{C}})_{\rm{O}}} = {{(^{13}}{\rm{C}}{/^{12}}{\rm{C}})_{\rm{M}}} \times {f_{\rm{M}}} + {{(^{13}}{\rm{C}}{/^{12}}{\rm{C}})_{\rm{L}}} \times {f_{\rm{L}}} + {{(^{13}}{\rm{C}}{/^{12}}{\rm{C}})_{\rm{S}}} \times {f_{\rm{S}}} $ (6)
$ 1/{{(^{12}}{\rm{C}}{/^3}{\rm{He}})_{\rm{O}}} = {f_{\rm{M}}}/{{(^{12}}{\rm{C}}{/^3}{\rm{He}})_{\rm{M}}} + {f_{\rm{L}}}/{{(^{12}}{\rm{C}}{/^3}{\rm{He}})_{\rm{L}}} + {f_{\rm{S}}}/{{(^{12}}{\rm{C}}{/^3}{\rm{He}})_{\rm{S}}} $ (7)
$ {f_{\rm{M}}} + {f_{\rm{S}}} + {f_{\rm{L}}} = 1 $ (8)

下角标O、M、L和S分别代表测量值、地幔、海相石灰岩和生物沉积物,f代表各端元所占比例。

前人的研究成果显示,中国主要火山区温泉气体中CO2的碳同位素比值类似,均在-10‰—0内,CO2/3He比值均为108—1012图 3显示(长白山的数据引自Hahm等(2008)Wei等(2016)上官志冠等(2008);腾冲数据引自上官志冠等(2008)Zhang等(2016);五大连池数据引自上官志冠等(2008)杜建国等(1999)Xu等(2013)),长白山、腾冲和五大连池火山温泉气体主要来源于地幔,部分样品受到海相石灰岩的混染作用,而生物沉积物的影响极小。对于长白山火山岩浆中地壳成分的来源,目前存在较大争议。大部分岩石和温泉气体地球化学的研究成果表明长白山岩浆地壳成分可能来源于残留在岩石圈地幔中古板块俯冲物质(Wei等,2016),而地球物理研究显示西太平洋板块已经俯冲到长白山下方的地幔转换带,俯冲板片的脱水作用是长白山火山的重要物质来源(Zhao等,2010)。长白山火山橄榄石包体中氦同位素比值高达7.71RAKim等,2005),与上地幔中的He(8RA)接近。因此,我们认为长白山火山源区受太平洋俯冲板片物质影响很小,温泉气体中的海相石灰岩特征可能来源于浅部的古俯冲残留物质,这与五大连池和腾冲火山区温泉气体研究成果类似(Xu等,2013Zhang等,2016)。


图 3 中国主要火山区温泉气体中的碳同位素比值 Fig. 3 Carbon isotopes of hot springgases in major volcanic regions in China

对于火山监测,在火山活跃期间,由于岩浆补给作用增强,火山温泉气体中地幔组分(fM)增多。fM升高将导致图 3中样品点向地幔端元移动。在中国主要火山区,由于受生物沉积物影响极小,新的岩浆补给使CO2/3He比值降低且碳同位素接近地幔的-6.5‰。在火山休眠期,由于岩浆补给较少,CO2/3He比值不变或升高,且CO2中的碳同位素比值不变或升高。

3.2.2 CH4与CO2碳同位素平衡

甲烷(CH4)是火山区温泉气体中的重要组分之一,在高温岩浆系统中可能与CO2发生碳同位素分馏作用,且不同温度的分馏作用形成的碳同位素也存在较大差异。因此,CH4和CO2中碳同位素平衡分馏可被应用于分析岩浆囊的温度和深度等重要特征(赵慈平等,2011Fiebig等,2004)。火山温泉气体中的CH4一般为无机成因,可在地幔中形成(Scott等,2004);部分CH4由生物作用形成,其碳同位素比值(12C/13C)一般为δ13C<-50‰(Schoell,1980)。由于岩浆房温度很高,CH4和CO2在岩浆房中很快能达到碳同位素平衡,实验证明在温度超过1000℃的岩浆房,CH4和CO2间碳同位素交换平衡能在数天内完成(Giggenbach,1982)。碳同位素是否达到平衡状态主要采用δ-Δ图解法(陈骏等,2004)来判断。即以Δ13C(CO2-CH4)为横坐标,${\delta ^{13}}{{\rm{C}}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}$${\delta ^{13}}{{\rm{C}}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}$分别为纵坐标作图,如果2条拟合直线斜率符号相反,且相交于纵轴,则可认定CH4和CO2中的碳同位素达到平衡状态(赵慈平等, 2011, 2017)。碳同位素平衡温度计算公式较多,但各公式的计算结果基本一致。赵慈平等(2011, 2017)对Horita(2001)提出的碳同位素平衡温度计算公式进行拟合,给出了适用于火山温泉气体碳同位素平衡分馏方程,具体公式如下:

$ T = 3880.3{(1000\ln {{\rm{ \mathsf{ α} }}_{\left({{\rm{C}}{{\rm{O}}_2} - {\rm{C}}{{\rm{H}}_2}} \right)}})^{ - 0.5984}} $ (9)

其中,碳同位素平衡温T的取值范围:273—1573K,α(CO2-CH4=(1000+δCO2)/(1000+δCH4)。

前人研究成果显示(图 4,直线为不同平衡温度下的CO2和CH4中碳同位素;长白山和五大连池碳同位素数据引自上官志冠等(2006);腾冲火山区碳同位素数据引自上官志冠等(2006)赵慈平等(2011)),腾冲火山区温泉气体CH4中的碳同位素比值最高,为-23.5‰—-9.3‰,长白山温泉气体中CH4的碳同位素为-48.0‰—-28.7‰;五大连池最低,仅为-47.2‰—-44.4‰。根据公式(9)平衡分馏方程及图 4所示,腾冲火山区温泉气体平衡温度为300℃—1200℃;长白山火山区为100℃—400℃;五大连池火山区为150℃左右,与长白山湖滨温泉类似,但长白山湖滨温泉气体中CH4含量比五大连池高,平均为5%以上。根据地球物理研究成果,腾冲火山区深部岩浆囊深度为13—30km,而浅部岩浆囊深度仅为4—6km(杨晓涛等,2011姜枚等,2016),根据地热梯度(30℃/km)计算可知腾冲火山区深部岩浆囊的温度为390℃—900℃,与碳同位素平衡温度接近,而浅部岩浆囊温度仅为120℃—180℃,说明腾冲火山温泉气体在深部岩浆囊中达到碳同位素平衡,而在浅部岩浆囊中未发生明显的分馏作用;长白山火山深部岩浆囊深度约为30km,根据地热梯度计算的温度为900℃,浅部岩浆囊深度约为7—15km(汤吉等,2001仇根根等,2014),对应温度为210℃—450℃,与碳同位素平衡温度(100℃—400℃)接近,说明火山温泉气体在浅部岩浆囊中重新达到碳同位素平衡;五大连池不存在岩浆囊,只在深度为4—8km的区域存在岩浆残留(詹艳等,2006张森琦,2017),根据地热梯度计算的温度与碳同位素平衡温度接近,因此可认为五大连池火山气体在残留岩浆中达到碳同位素平衡。综上所述,我们认为火山温泉气体碳同位素平衡温度仅指示最后碳同位素平衡源区的温度,不一定为岩浆脱气后的初始源区温度。


图 4 中国主要火山区温泉气体碳同位素平衡温度 Fig. 4 Carbon isotopic equilibrium temperature of hot spring gases from major volcanic regions in China

对于火山监测,若根据碳同位素平衡方程计算的平衡温度快速上升,可判断岩浆囊有新的岩浆补给;若火山区处于休眠状态,无岩浆补给或岩浆补给较少,则碳同位素平衡温度保持不变或下降。

4 总结

中国主要火山区温泉气体成分以CO2为主,氦同位素和碳同位素比值显示地幔和地壳成分混合特征,可能是由于岩浆气体在上升过程中受到古板块俯冲残留物质的混染作用。

火山活跃的主要表现有CO2/N2和CH4/N2比值升高、氦同位素比值升高、CO2/3He比值降低以及碳同位素平衡温度升高等。CO2和CH4中碳同位素平衡温度指示最后碳同位素平衡源区温度,不一定反映岩浆脱气初始源区温度。火山温泉气体的化学成分和同位素比值有助于火山的监测,但由于气体化学成分和同位素比值受多因素影响,单一异常不能作为判断火山危险性的依据,需结合火山地震和地形形变等资料进行综合判断。

致谢: 在采样过程中,长白山火山监测站提供了巨大帮助,审稿专家对本文提出了宝贵修改意见,在此表示感谢。
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Geochemical Characteristics of Volcanic Hot Spring Gas in China and its Applications in Volcanic Monitoring
Wei Feixiang*, Xu Jiandong*, Shangguan Zhiguan, Pan Bo
(Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China)
Abstract

The volcanic hot springs in China are mainly distributed in the Changbaishan volcanic region in Jilin Province, the Tengchong volcanic region in Yunnan Province, and the Wudalianchi volcanic region in Heilongjiang Province. Although these volcanoes are dormant, wide distribution of hot springs indicates the existence of magma chambers. This paper summarizes the results of previous studies, analyzes the geochemical characteristics of hot spring gas in major volcanic regions of China, and discusses the applications of hot spring gases in volcano monitoring. The geochemical characteristics of the hot spring gases in the Changbaishan, Tengchong, and Wudalianchi volcanic regions are similar, with CO2 as the main gas, the content of which is above 80%, and the highest is more than 99%. Other gas components including CH4, N2, O2, SO2, H2S, He and H2. The helium isotopic ratios (3He/4He) in the Changbaishan volcanic hot spring gases are the highest, about 4-6RA. The carbon isotopes (δ13C) in CO2 are from -7.9‰ to -1.3‰ and the carbon isotopes in CH4 are between -48.0‰ and -28.7‰. The helium isotopic ratios of the Tengchong volcanic hot spring gases are 3-5.5RA. The carbon isotopes of CO2 are from -6.49‰ to 2.07‰ and from -22.22‰ to -13.70‰ in CH4. The helium isotopic ratios of the Wudalianchi volcanic hot spring are about 3RA. The carbon isotopic ratios in CO2 are between -9.6‰ and -3.1‰ and from -47.2‰ to -44.4‰ in CH4. The hot spring gases in the three volcanic areas all indicate mantle sources, which may be contaminated by the crustal or ancient subduction materials during the up-immigration processes. Combined with the results of earthquakes and topographic deformation, the geochemical characteristics of gases in volcanic hot springs are of great importance to the monitoring of active volcanoes.



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中国火山温泉气体地球化学特征及其在火山监测中的应用
魏费翔*, 许建东*, 上官志冠, 潘波
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20180421