1 溫泉監測歷史及監測方法介紹
長白山火山流體監測與研究始于1 9 8 5年, 主要由安圖地辦從事季節性水氡、水溫及流量觀測, 后由延邊州及吉林省地震局每年觀測一次, 直到1998年, 已積累了非常有意義的第一手資料。1999年長白山火山監測站建成并投入觀測, 開始進行全年定期溫泉逸出氣體氣體觀測, 觀測泉點選擇長白山北坡的8#、9#、1 5#泉及西坡的錦江1#、2#泉, 選取C O2、N2、He、H2、O2、CH4等6種逸出氣體組分進行觀測, 同時測定泉水溫度做為輔助觀測手段。2005年因當地溫泉水系統改造, 8#泉遭到了破壞, 8#泉和9#泉距離非常近, 所測得氣體含量變化基本同步, 所以其后單獨測量9#泉, 8#泉停測。選用的觀測儀器為北京分析儀器廠生產的SQ-206型氣相色譜儀。2006年監測站對觀測儀器進行了更新換代, 開始采取S P-3 4 2 0型氣相色譜儀進行觀測。
近年來, 中國地震局地質所的有關專家先后到長白山, 對火山區溫泉的地熱、氣體和同位素進行了取樣與測試, 獲取了非常有研究價值的觀測結果, 開展了3He/4He比值測定研究, 為深入開展天池火山區的地熱及地球化學監測與研究提供了重要的科學依據。
2 常規氣體濃度監測數據分析
長白山火山監測站根據各類泉點的氣體釋放數量及各類氣體對巖漿活動的靈敏程度, 選定其中He、H2、O2、N2、CH4、CO2開展定期連續觀測。1999年至2006年采用SQ-206型氣相色譜儀進行觀測, 2007年6月開始采用SP-3420型氣相色譜儀進行觀測。取樣間隔一般為3~7天。
2 0 0 3~2 0 0 4年He、H2、含量同步出現大幅度上升異常, He抬升了600ppm, H2含量抬升了2700ppm, 在此期間火山地震活動頻繁, 并于2 0 0 4年1 2月1 7日發生了ML 4.4級構造地震, 之后于2 0 0 5年4月1 5日發生了ML4.0級構造地震。因而這次氣體含量的顯著變化可視為地下巖漿活動的一個反映。
2006年10~11月He、H2、CH4等稀有氣體濃度同步大幅度上升, 上升幅度近兩個數量級, 同期發生了以11月11日ML2.6級構造型火山地震為代表的火山地震震群。這再一次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。
另外, 9#泉和15#泉的泉水溫度在2003年之后上升了大約1℃, 之后一直保持在相對穩定的水平, 這一個特點也正好與當時的火山活動性相對應。
2010年5月份以后, 兩個泉點的水溫同步上升了大約2℃。后來重新購置了電子溫度計, 溫度值又回到原來的水平, 證實此異常是溫度計故障造成的。
從溫泉逸出氣體濃度變化圖 (圖1) 中可以看出, 2010年年末CO2略有上升, 同期O2和N2略有下降, 這可能是12月份后取樣點或者取樣過程中混入空氣比原來變少所致。這種變化不能做為判定巖漿活動是否變化的指標。幾種跟深部巖漿活動密切相關的氣體He, H2非常平穩沒有趨勢或者短臨異常。CH4濃度7月份有個突跳, 這是因為7月19日觀測結果CH4單天突跳造成的, 像這樣的單點突跳也不能做為異常的依據, 可能是因為觀測儀器當天不穩定或者樣品有問題造成的。兩個取樣點的泉水溫度在2010年也比較穩定, 沒有異常。
3 應用同位素地球化學方法研究長白山火山取得的研究成果介紹
火山區地下逸出氣體的成因和來源可借助氣體同位素地球化學特征來分析與判別。首先, 可由3He/4He來分析火山區的氣體成因。3He/4He值是目前世界公認的氣體成因判別最有效的指標, 在大氣圈、地殼層和地幔中均有固定的比值范圍。一般認為, 大氣層中3He/4He值為1.4×10-6 (王先彬, 1989) , 地殼源氣體中3He/4He值為2.0×10-8;地幔源氣體中3He/4He值為1.1×10-5~1.4×10-5。根據上官志冠同位素資料, 長白泉群核心部位的溫泉和錦江泉群其3He/4He值十分接近, 變化范圍為7.51×10-6~8.24×10-6, 平均值是空氣的5.61倍 (5.61Ra) (劉若新等, 1998) 。通常認為樣品中3He/4He值 (R) 超過大氣的3He/4He值 (Ra) 時, 即可認定有幔源He的加入。顯然, 天池火山區主要溫泉氣體中3He/4He值已經大大超過了Ra, 可見天池火山區地下氣體來自地幔是勿容置疑的, 至少也是幔源氣體為主。根據穩定同位素分餾原理, 通過測定長白山3個泉群CH4的碳同位素δ13比值, 確定了長白山3個泉群不同的巖漿氣體釋放方式。錦江泉群的δ13比值約為-25.6‰, 與世界大多數地熱區CH4的δ13值相近, 巖漿氣體直接來自殼內巖漿囊, 巖漿氣體從巖漿囊頂部附近沿深大斷裂逐漸向地表遷移釋放;聚龍泉群的δ13比值-36.0‰, 明顯低于錦江泉群, 氣體初始源區也是殼內巖漿囊, 但巖漿來源氣體可能是先轉移至淺部地熱儲中, 并經過較長時間的滯留后, 再與地熱水一起沿較淺的活動斷裂向地表遷移釋放;湖濱泉群的CH4的δ13值非常低, 平均值約為-47.9‰, 大大低于區內其他泉群CH4的δ13值, 這類巖漿氣體很可能直接來自上地幔, 是火山噴發活動的產物 (上官志冠等, 2006) 。
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?；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, 為研究火山活動狀態提供了良好的條件。天池火山區釋放出的氣體中, 其氣體化學組分主要是:He、H2、Ar、O2、N2、CH4、CO2, 其中以CO2為主。此外, 有些氣體出露點還顯示有H2S和SO2, 但含量都很低 (高清武, 2004) 。
流體化學測量表明, 長白山火山逸出氣體3He/4He比值是亞州大陸觀測到的最高值 (6.26Ra) (圖2) , 與西太平洋島弧火山基本相同?；鹕揭莩鰵怏w3He/4He比值的逐步升高, 說明巖漿與地表的距離正逐年變淺。
4 結語
流體地球化學方法是研究當代火山活動狀態的最有效的方法之一。近年來長白山天池火山溫泉逸出氣體的常規測量和同位素地球化學研究均顯示出該2002年至2005年存在較明顯的異常, 這與該時間段火山地震的活躍度異常正好相對應, 表明長白山天池火山在該時間段內經歷了一次巖漿活動事件, 但后期的監測數據表明2005年之后異常情況消失, 說明巖漿活動結束, 進入了新的平靜期。
摘要：本文介紹長白山天池火山監測研究的基本情況, 對近年來常規氣體的監測數據進行了分析研究, 同時介紹了應用同位素地球化學方法進行火山研究取得的最新成果。
關鍵詞：長白山,溫泉,監測,地球化學
參考文獻
[1] 劉若新, 魏海泉, 李繼泰.長白山天池火山近代噴發[J].1998.
[2] 王先彬.稀有氣體同位素地球化學和宇宙化學[J].1989.
[3] 高清武.長白山天池火山水熱活動及氣體釋放特征[J].地球學報, 2004, 25 (3) :345～350.
[4] 上官志冠, 趙慈平, 高玲, 等.中國活動火山區甲烷的碳同位素研究[J].巖石學報, 2006, 22 (06) :1458～1464.