天池火山温泉逸出气体观测与研究

2022-09-11

火山是地下岩浆运移上升, 穿过地壳喷出地表, 形成特殊机构和形态的地质体。火山活动是地球上重要的地质作用, 其中岩浆脱气过程是火山活动的一种重要表现形式。火山区气体的释放与地下地质构造、物质构成等火山地质条件密切相关, 因此, 温泉中的地下逸出气体是反应地下信息最好的载体, 能反应地球深部的信息。所以流体和气体地球化学观测是国际公认的火山监测的重要手段, 而长白山天池火山众多的温泉为流体和气体化学观测与研究提供了良好的条件。

1 天池火山地质概况

长白山天池火山位于长白山脉最高峰由主火山口天池及周边寄生火山组成, 是目前我国境内保存最为完整的新生代多成因复合层状火山, 地理坐标北纬41°20’~42°40’, 东经127°00’~129°00’。火山锥体半径20km, 顶部是塌陷式的火山口, 火山口内积水成湖—天池。天池被16座山峰环抱, 最大海拔2749.5m, 水面高度2189.7m, 平均水深204m, 最深373m, 蓄水20.4×109m3, 是世界最大最深的火山口湖, 是松花江、图们江、鸭绿江三江之源[1]。

长白山天池火山作用可分为早期造盾阶段、中期造锥阶段和晚期造伊格尼姆岩阶段。据史料记载长白山天池火山历史上曾有过多次喷发并曾造成巨大灾害, 主要有1199年至1200年的大喷发和1668年及1702年的中小规模喷发。其中1199年至1200年记载的喷发与科学考证相吻合, 被国内外学山学术界认定为全球两千年以来全球规模最大的喷发之一[2]。经人工地震测深研究发现, 长白山天池火山区地壳上部存在3个明显的P波低速层, 应为岩浆系统, 体积占天池火山区地壳上部的2%~4%, 其中位于9km~15km深度附近的低速层范围最大[3]。波速度层析成像研究认为, 天池火山口下方地壳内的岩浆仍以“活动”状态存在。表明天池火山是一座具有潜在喷发危险性的活火山。

2 天池火山流体和地球化学监测研究的基本情况

(1) 研究起始时间:长白山天池火山监测站自1999年6月开始使用进行温泉逸出气体的观测和研究工作。

(2) 观测仪器:1999年6月至2007年5月使用SQ-206型气相色谱仪, 2007年6月起采用新型的SP-3420型气相色谱仪进行观测。辅助仪器为测量温泉水温的DF-201型多功能数字温度计。

(3) 取样点分布:长白山北坡聚龙泉温泉区对15#、9#温泉, 西坡锦江温泉1#、2#泉, 湖滨温泉。 (见图1)

3 逸出气体与火山地震活动的对应关系

长白山天池火山监测站根据温泉逸出气体释放数量及各类气体对岩浆活动的灵敏程度, 选定HE、H2、O2、N2、CH4、CO2进行观测。取样以北坡聚龙泉为主, 是常年监测, 气体取样间隔一般为3~7天, 根据火山和地震活动情况加密观测;锦江和湖滨温泉受大雪封山和交通不便等条件限制仅在夏季取样, 为辅助观测。我站经过10多年来的观测研究, 发现所选的5种温泉逸出气体含量在火山地震前后均均有不同程度的异常变化, 其中He、H2的变化较为明显。

2003年至2004年He、H2含量同步出现大幅度上升异常, He抬升了650ppm, H2含量抬升了2700ppm, 在此期间火山地震活动频繁, 2003年共发生火山地震1293次, 2004年发生火山震727次, 并于2004年12月17日发生了ML4.4级构造地震, 该地震发生后He、H2含量恢复到2002年的水平 (见图2、图3、图4) ;2005年4月15日长白山天池火山又发生了ML4.0级构造地震, He、H2含量同步出现大幅度上升异常, He抬升了300ppm, H2含量抬升了800ppm, 之后又恢复正常水平 (见图2、图3、图4) ;2006年10~11月He、H2气体浓度又同步大幅度上升, He抬升了400ppm, H2含量抬升了300ppm, (见图2、图3、图4) 同期发生了以10月16日ML2.5级和11月11日ML2.6级构造型火山地震为代表的火山地震震群, 震群发生后, He、H2又恢复了正常水平。 (见图2、图3、图4) , 以上震例均证明了温泉逸出气体浓度的变化对岩浆和地震活动的敏感性。

4 结语

He, 是一种稀有气体, 无色、无臭、无味。它在水中的溶解度是已知气体中最小的, 也是除氢气以外密度最小的气体。氦在空气中的含量为0.0005%, 化学性质十分不活泼, 通常状态下不与其它元素或化合物结合;H2是世界上已知的最轻的气体。它的密度非常小, 只有空气的1/14, 即在标准大气压, 0℃下, 氢气的密度为0.0899g/L, 在高温、高压下, 氢气甚至可以穿过很厚的钢板。因而这两种气体是近代火山和现代构造活动区地下逸出气体中最重要、最值得重视的微量气体成分。火山监测站的实际监测表明, He、H2在2002年至2005年发生的较为频繁的火山震震群事件和2006年发生的火山地震震群事件中, 温泉逸出气体组观测已经捕捉到了相应的异常现象, 进一步证明流体和气体地球化学观测方法对火山活动观测的重要性和有效性, 可以在未来的火山地震和火山喷发预报中发挥重要的作用。

摘要：流体和气体地球化学方法中是国际公认的火山监测的有效方法之一。长白山天池火山监测站十多年来的监测表明, 流体和气体地球化学中的温泉逸出气体成分变化和水温变化与火山地震活动有较好的对应关系, 可以在未来的火山地震和火山喷发预报中发挥重要的作用。

关键词：流体和气体地球化学,逸出气体,火山地震活动