火山是地下巖漿運移上升, 穿過地殼噴出地表, 形成特殊機構和形態的地質體?；鹕交顒邮堑厍蛏现匾牡刭|作用, 其中巖漿脫氣過程是火山活動的一種重要表現形式?；鹕絽^氣體的釋放與地下地質構造、物質構成等火山地質條件密切相關, 因此, 溫泉中的地下逸出氣體是反應地下信息最好的載體, 能反應地球深部的信息。所以流體和氣體地球化學觀測是國際公認的火山監測的重要手段, 而長白山天池火山眾多的溫泉為流體和氣體化學觀測與研究提供了良好的條件。
1 天池火山地質概況
長白山天池火山位于長白山脈最高峰由主火山口天池及周邊寄生火山組成, 是目前我國境內保存最為完整的新生代多成因復合層狀火山, 地理坐標北緯41°20’~42°40’, 東經127°00’~129°00’?；鹕藉F體半徑20km, 頂部是塌陷式的火山口, 火山口內積水成湖—天池。天池被16座山峰環抱, 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、圖們江、鴨綠江三江之源[1]。
長白山天池火山作用可分為早期造盾階段、中期造錐階段和晚期造伊格尼姆巖階段。據史料記載長白山天池火山歷史上曾有過多次噴發并曾造成巨大災害, 主要有1199年至1200年的大噴發和1668年及1702年的中小規模噴發。其中1199年至1200年記載的噴發與科學考證相吻合, 被國內外學山學術界認定為全球兩千年以來全球規模最大的噴發之一[2]。經人工地震測深研究發現, 長白山天池火山區地殼上部存在3個明顯的P波低速層, 應為巖漿系統, 體積占天池火山區地殼上部的2%~4%, 其中位于9km~15km深度附近的低速層范圍最大[3]。波速度層析成像研究認為, 天池火山口下方地殼內的巖漿仍以“活動”狀態存在。表明天池火山是一座具有潛在噴發危險性的活火山。
2 天池火山流體和地球化學監測研究的基本情況
(1) 研究起始時間:長白山天池火山監測站自1999年6月開始使用進行溫泉逸出氣體的觀測和研究工作。
(2) 觀測儀器:1999年6月至2007年5月使用SQ-206型氣相色譜儀, 2007年6月起采用新型的SP-3420型氣相色譜儀進行觀測。輔助儀器為測量溫泉水溫的DF-201型多功能數字溫度計。
(3) 取樣點分布:長白山北坡聚龍泉溫泉區對15#、9#溫泉, 西坡錦江溫泉1#、2#泉, 湖濱溫泉。 (見圖1)
3 逸出氣體與火山地震活動的對應關系
長白山天池火山監測站根據溫泉逸出氣體釋放數量及各類氣體對巖漿活動的靈敏程度, 選定HE、H2、O2、N2、CH4、CO2進行觀測。取樣以北坡聚龍泉為主, 是常年監測, 氣體取樣間隔一般為3~7天, 根據火山和地震活動情況加密觀測;錦江和湖濱溫泉受大雪封山和交通不便等條件限制僅在夏季取樣, 為輔助觀測。我站經過10多年來的觀測研究, 發現所選的5種溫泉逸出氣體含量在火山地震前后均均有不同程度的異常變化, 其中He、H2的變化較為明顯。
2003年至2004年He、H2含量同步出現大幅度上升異常, He抬升了650ppm, H2含量抬升了2700ppm, 在此期間火山地震活動頻繁, 2003年共發生火山地震1293次, 2004年發生火山震727次, 并于2004年12月17日發生了ML4.4級構造地震, 該地震發生后He、H2含量恢復到2002年的水平 (見圖2、圖3、圖4) ;2005年4月15日長白山天池火山又發生了ML4.0級構造地震, He、H2含量同步出現大幅度上升異常, He抬升了300ppm, H2含量抬升了800ppm, 之后又恢復正常水平 (見圖2、圖3、圖4) ;2006年10~11月He、H2氣體濃度又同步大幅度上升, He抬升了400ppm, H2含量抬升了300ppm, (見圖2、圖3、圖4) 同期發生了以10月16日ML2.5級和11月11日ML2.6級構造型火山地震為代表的火山地震震群, 震群發生后, He、H2又恢復了正常水平。 (見圖2、圖3、圖4) , 以上震例均證明了溫泉逸出氣體濃度的變化對巖漿和地震活動的敏感性。
4 結語
He, 是一種稀有氣體, 無色、無臭、無味。它在水中的溶解度是已知氣體中最小的, 也是除氫氣以外密度最小的氣體。氦在空氣中的含量為0.0005%, 化學性質十分不活潑, 通常狀態下不與其它元素或化合物結合;H2是世界上已知的最輕的氣體。它的密度非常小, 只有空氣的1/14, 即在標準大氣壓, 0℃下, 氫氣的密度為0.0899g/L, 在高溫、高壓下, 氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板。因而這兩種氣體是近代火山和現代構造活動區地下逸出氣體中最重要、最值得重視的微量氣體成分?；鹕奖O測站的實際監測表明, He、H2在2002年至2005年發生的較為頻繁的火山震震群事件和2006年發生的火山地震震群事件中, 溫泉逸出氣體組觀測已經捕捉到了相應的異?，F象, 進一步證明流體和氣體地球化學觀測方法對火山活動觀測的重要性和有效性, 可以在未來的火山地震和火山噴發預報中發揮重要的作用。
摘要：流體和氣體地球化學方法中是國際公認的火山監測的有效方法之一。長白山天池火山監測站十多年來的監測表明, 流體和氣體地球化學中的溫泉逸出氣體成分變化和水溫變化與火山地震活動有較好的對應關系, 可以在未來的火山地震和火山噴發預報中發揮重要的作用。
關鍵詞：流體和氣體地球化學,逸出氣體,火山地震活動
參考文獻
[1] 武成智, 等, 長白山天池火山災害與防御[J].山西地震, 2009, 10.
[2] 張先康, 等, 長白山天池火山區巖漿系統深部結構的深地震測深研究[J].地震學報, 2002 (2) .
[3] 楊卓欣, 等, 長白山天池火山區三維地殼結構層析成像[J].地球物理學報, 2005 (1) .