中国科学(D辑)SCIENCE IN CHINA(SERIES D)2000　Vol.30　No.4　P.407-414

腾冲热海地区现代幔源岩浆气体释放特征

上官志冠　白春华　孙明良

摘要　详细讨论了腾冲热海地区逸出气体的化学和氦、碳同位素组成及其在地表的分布特征. 结果表明, 该区地壳浅部存在幔源岩浆侵入活动；现代幔源岩浆挥发组分通过活动断裂带源源不断地向外释放, 其主要成分是CO2, 还有少量的He, H2, CH4, H2S和CO等. 研究区内南北向断裂最深, 它可能与得到幔源岩浆挥发组分直接补充的深部热储直接相通. 逸出气体的氦、碳同位素组成特征指示, 现今在热海地区壳内活动的幔源岩浆与导致区内最新火山喷发的幔源岩浆之间可能存在着渊源和继承关系.
关键词　腾冲热海 现代幔源岩浆气体 氦碳同位素组成

　　腾冲火山区所在的腾冲微板块位于印度板块与欧亚板块之间, 其西部以密支那-曼德勒缝合线与缅甸板块分界, 东部以怒江缝合线与保山块体分界[1, 2]. 新生代以来, 印度板块持续向北东挤压, 缅甸板块向东俯冲于腾冲地块之下, 这是该区火山活动的基本背景. 该区火山岩属于消减带附近压力环境条件下的产物. 区内第四纪活动断裂主要为南北向或近南北向展布, 其次是北东向断裂, 分别是南北向的怒江断裂、龙川江断裂、瑞滇-腾冲断裂和古永断裂以及北东向的盈江-梁河断裂, 后者在朗蒲寨附近与瑞滇-腾冲断裂和古永断裂复合构成朗蒲-梁河弧形断裂. 区内火山岩及火山口的分布与新构造活动关系密切, 其中有最新喷发活动历史的火山口基本上都沿南北向的瑞滇-腾冲断裂展布(图1).

图1　腾冲热海地区大地构造和地热地质背景示意图

　　热海地热区是腾冲地区现代地热流体活动最强烈的地区, 总面积约10 km2. 区内沸泉、喷沸泉、间歇喷泉、水热爆炸、高温喷气孔和冒气地面等最强烈的水热活动形式均有出露, 各泉点的一般概况前人已有详述[3]. 人们习惯上所说的腾冲火山地热区主要是指这个地区. 一些学者提出, 腾冲火山不是死火山, 而是可能再次活动的休眠火山[4], 引起了普遍关注. 从地理位置看, 这一地热区并未出现在有最新喷发活动的火山口附近, 而是出露在区内大片第四纪火山岩分布区的南部边缘, 距有最新喷发活动历史的马鞍山火山口约10 km(图1).
　　野外调查结果显示, 腾冲地区有最新喷发活动的火山黑空山、打鹰山、马鞍山和老龟坡等火山目前仅马鞍山-老龟坡附近地区尚有低温地热流体活动. 从其逸出He具有区内最高的3He/ 4He比值来看, 这些气体应为上一期火山喷发活动的残余气体[5]. 而目前热海地区强烈的现代水热流体活动与上述火山残余气体的释放二者没有直接的关系, 在空间上也难以将它们联系在一起.

1 气体样品的采集、化学和同位素分析及结果

　　本项研究较完整地采集了该区18个主要泉点的逸出气体(图2), 并进行了详细的气体化学和同位素组成的测试分析. 为了对比, 我们还采集了马鞍山火山口附近泉点以及若干较老火山岩分布区出露泉点的逸出气体. 气体采集采用排水取气法, 存放在预先抽好真空的不锈钢瓶或硬质铝合金瓶中. 气体分析采用色谱法, 常规组分由SP-2305型色谱仪测试, 气体总量测定误差 ≤5%；微量硫化物由岛津GC14A-FPD检测器测试, 其他微量组分分别由HP5890IA(GC)ECD和FID检测器测试；He同位素分析由VG-5400完成, 分析误差≤0.3×10-6；逸出CO2的碳同位素分析由MAT-252质谱测试, 误差≤0.1‰(PDB). 气体相对分析精度:常规气体为1%～2%, 微量气体为2%～5%. 测试结果列于表1.

图2　热海地区采样泉点的分布

表1 腾冲热海及邻近地区地热流体逸出气体的化学和氦、碳同位素组成a)

采样泉点

温度
/℃

 常规气体/%

微量气体(10-6)

3He/4He

 δ13CCO2
/‰,PDB

CO2

N2

Ar

CH4

O2

H2S

H2

He

SO2

CO

×10-6/Ra

1大滚锅

90.1

94.86

2.18

0.052

1.22

0.03

2140

2287

133

10.1

0.5

5.87(4.19)

-2.9

黄瓜箐(1)

48.9

93.89

3.91

0.033

1.00

 　

2840

3907

108

4.9

1.1

5.90(4.21)

-3.2

黄瓜箐(2)

48.6

94.05

3.41

0.036

0.99

 　 　

3610

97

 　 　

6.12(4.37)

-3.6

老滚锅

57.6

96.17

3.12

0.065

0.64

 　

2320

631

47

79.5

0.5

5.93(4.24)

-3.5

大地脚南

68.2

96.64

2.18

0.010

0.44

 　 　

1258

44

51.1

18.3

5.87(4.19)

-2.6

2珍珠泉

95.1

94.50

1.74

0.004

0.03

0.03

1099

4999

4.9

51.0

0.5

5.28(3.77)

-5.3

眼镜泉

94.1

94.50

2.62

0.004

0.04

0.13

1616

2870

5.2

73.4

3.2

5.13(3.66)

-4.3

狮子头

95.2

94.19

2.62

0.042

0.02

0.01

1078

5813

1.0

～

17.7

4.70(3.36)

-4.3

大地脚北

95.6

95.82

2.77

0.004

0.03

0.01

1898

11701

4.0

～

14.4

4.43(3.16)

-5.5

鼓鸣泉

95.6

95.41

2.62

0.004

<0.01

0.02

229

4260

0.6

69.1

8.7

3.92(2.80)

-4.8

怀胎井

57.9

93.58

3.05

0.042

0.02

<0.01

773

629

3.0

92.3

7.7

4.14(2.96)

-3.9

新怀胎井

91.1

91.88

6.25

0.104

0.01

0.79

360

1555

1.5

56.9

23.7

4.11(2.94)

-4.3

3西坡上

94.6

88.75

1.98

0.006

<0.01

<0.01

203

51459

2.0

67.6

10.1

3.24(2.31)

-5.8

中坡下

91.0

90.35

1.65

0.056

0.01

0.30

 　

467

 　 　 　 　 　

西坡下

95.0

93.25

2.11

0.008

0.01

0.71

282

5279

1.2

256.2

18.3

2.96(2.11)

-4.7

狮子塘

78.0

57.49

32.75

0.416

<0.01

7.70

670

1258

1.5

68.5

31.8

3.35(2.39)

-4.6

南岸井

92.0

70.00

28.12

0.455

<0.01

 　 　

3296

0.7

68.0

 　

1.43(1.02)

-5.8

中井泉

95.4

88.99

7.85

0.250

<0.01

0.18

232

5241

0.8

10.4

8.4

1.42(1.01)

-5.0

4和顺

26.0

90.00

2.34

0.033

0.01

 　

500

56

86.6

15.7

17.4

7.54(5.38)

-3.8

迭水河

23.6

92.61

7.03

0.130

0.05

 　

1600

481

65.0

471.4

33.7

6.73(4.81)

-4.7

5硝塘坝

28.5

92.78

0.80

0.020

0.22

 　

1960

28

3.6

238.8

0.1

4.58(3.27)

-4.0

扯雀塘

25.8

89.94

4.69

0.065

0.05

 　

1090

～

23.8

20.9

13.0

3.96(2.83)

-2.4

革家寨

74.0

76.67

21.87

0.390

2.73

 　

2830

56

411.3

113.7

22.8

2.58(1.84)

-0.5
　　a)表中未给出氧气值的泉点样品为1997年8月采集, 其余为1998年9月采集. 采样点分组: 1为热海地区南北向断裂沿线泉点, 2为北西向断裂沿线泉点, 3为澡塘河南蛤蟆嘴西侧泉群, 4为马鞍山火山口附近泉点, 5为区内较老火山岩中出露的泉点

2 逸出气体的化学组成

2.1 主要逸出气体
 　　热海地区地热流体逸出气体的最主要成分是CO2, 其次是N2, Ar和O2. 所调查的18个泉点CO2百分含量(体积)为57.49%～96.64%, 平均约为90.24%. 众所周知, 不管是现代火山喷出气体、还是火山岩加热脱气, 或者大洋中脊新洋壳形成处的水热流体中, 气体成分都主要是CO2[6～8]. 据我们初步统计, 研究区内每天通过地热水释放的溶解CO2约有26.8 t；通过逸出气体方式释放的CO2难以精确测算, 据戴金星等统计[9], 仅澡塘河瀑布下游150 m河水中不间断出气点每天逸出的CO2就达910 m3. 如此强大的深源CO2流经久不息地向外释放指示, 该区地壳相对浅部可能存在岩浆活动.
　　表1显示, 热海地区第1～3组泉点逸出气体中CO2的平均含量依次呈降低趋势. 第1组泉点, 即区内南北向断裂沿线泉点逸出气中CO2的平均含量最高, 为95.12%, 第2和3组泉点分别为94.27%和81.47%(图3(a)). 而浅源气体和空气中较为富集的N2, O2以及Ar含量的变化与CO2相反, 有逐渐增加的趋势. 这表明, 上述变化可能与深源气体向上迁移时浅部气体的逐渐混入有关.

图3　热海地区第1～3组泉点逸出气体化学和氦同位素组成的变化
+，●，○分别代表第1组、第2组和第3组泉点的值

2.2 微量气体的化学组成及其变化
 　　本项研究测定的微量气体主要有H2S, H2, He, SO2和CO. 表1和图3显示, 热海地区第1～3组泉点逸出气中各微量组分的含量差异甚大, 但呈现出有规律的变化(只有少数泉点例 外). 如He含量为0.6×10-6～133×10-6, 变化范围超过两个数量级. 其中第1组泉点逸出气中He含量最高, 平均为85.8×10-6；第2和3组泉点逸出气中He的平均含量依次降低, 分别为2.9×10-6和1.2×10-6 (图3(b)). 另外, CH4和H2S的含量也有依次降低的变化趋势(图3(c),(d)). 上述变化趋势与主要气体CO2的变化规律是一致的. 但SO2大致呈反向变化, 第1～3组泉点依次升高(图3(e)).
　　研究区内逸出气体中CO含量的变化规律不明显, 但第1组泉点中位于南北向主断裂上的泉点以及第2组泉点中的珍珠泉CO含量明显低于其他泉点(表1, 图2). 我们注意到, 这些泉点大都是一些高温气泉, 像现今的黄瓜箐、老滚锅等温泉池均为高温气泉加热地表水；珍珠泉也可能是一组高温气泉, 其薄薄一层地热水中经多次测定均不含溶解CO2, 表明这些水可能是高温喷气冷凝水. 地热流体逸出气体中CO含量低通常意味着控制这些泉点的断裂活动呈张性, 由于与地表的连通性较好, 致使碳氧化物更多地以CO2的形式存在.
　　作者认为, 热海地区第1～3组泉点逸出气体化学及其同位素组成的相似性和有规律的变化表明, 这些气体可能有共同的初始源区；另一方面, 它们之间存在着稳定的差异则表明, 各组泉点所释放的气体在到达地表前的最后源区保持着相对的独立性. 这意味着, 该区地壳内从深至浅可能存在若干个彼此相对独立、且均含有大量气体挥发组分的地热储. 赵平等人[10]根据对蒸汽相化学组成特征的研究认为, 该区可能存在深浅两个地热储. 我们的资料显示, 该区这样深浅不同的地热储至少有3个，甚至更多.

3 逸出气体的氦、碳同位素组成

3.1 逸出气体的3He / 4He比值及其分布特征
 　　热海地区逸出He的3He/4He比值变化范围为1.42×10-6～6.12×10-6(1.01～4.37Ra). 我们知道, 幔源、壳源和空气He各自具有特征的3He/4He比值, 分别为(1.1～1.4)×10-5, 2×10-8和1.4×10-6 Ra[11]. 因此, 任何3He / 4He比值大于空气值(Ra)的He释放中均可视为含有幔源He. 表1显示, 研究区内除了第3组泉点中最后两个泉点外, 其余泉点的逸出He中均含有大量的幔源He. 如前所述, 由于热海地区没有大片的新生代玄武岩分布, 离区内有最新喷发活动的马鞍山火山口也有约10 km(图1), 因此这些幔源He不可能是区内幔源火山岩中的残余气体, 而极有可能指示本区地壳相对浅部存在幔源岩浆侵入活动.
　　我们的资料显示, 研究区内地热泉点的现代幔源He释放强度及其3He/4He比值的分布明显受活动断裂带控制. 图2和表1显示, 沿南北向主断裂及东侧南北向分支断裂分布的泉点逸出气体中He的含量最高, 其3He/4He比值也最高, 而且彼此间十分接近, 平均值约为4.24 Ra. 该组泉点逸出He的3He/4He比值相当稳定, 相同泉点的测试结果多年来相当稳定[12]. 本次研究发现, 热海地区以珍珠泉、眼镜泉、狮子头和大地脚北等泉点为代表的一组沿北西向展布的沸泉的He释放特征极为相似. 其逸出气体中He的含量及其3He/4He比值彼此之间都十分接近, 3He/4He的平均值约为3.24 Ra(表1第2组), 但明显低于第1组泉点. 这表明, 研究区内可能存在一条北西向断裂(图2), 其切割深度较南北向断裂要浅. 图2显示, 表1中的第3组泉点大致沿北东向展布, 其逸出气中He的含量及其3He/4He比值较第2组泉点更低, 3He/4He的平均值约为1.77 Ra(图3(f)). 在He-3He/4He关系图上(图4), 这3组泉点各自占据着不同位置, 清楚地表明其气体源区是相对独立的.

图4　热海地区地热流体逸出He含量与
其3He/4He比值的关系
+示南北向断裂沿线泉点，●示北西向断裂沿线泉点。
○示北东向断裂沿线泉点，⊙示区内较老火山岩中出露的泉点

　　我们知道, 腾冲地区像硝塘坝、扯雀塘、革家寨等出露在较老火山岩中的泉点(表1), 其逸出He的3He/4He比值是随He含量的增加而降低的. 这是因为, 这些泉点释放的幔源He来自己经固结的火山岩. 火山岩年龄越大, 逸出气中He的含量就越高, 其3He/4He比值则越低[5]. 与此相反, 热海地区逸出He的3He/4He比值明显随He含量的降低而降低. 这表明, 这两类幔源He的释放机制上是完全不同的. 热海地区的幔源He释放可能直接来自深部幔源岩浆, 第1～3组泉点逸出He含量及其3He/4He比值有规律地依次降低是深部岩浆来源He在向上迁移时的强烈扩散作用造成的, 因为He在上升过程中并不与其他物质发生化学反应. 其含量和同位素比值的变化主要反映物理过程. 与其他岩浆来源气体相比, He的迁移扩散能力最强, 而3He的扩散能力又较4He更强些, 因此在上升迁移过程中, 其He含量及3He/4He比值有规律地逐渐降低是理所当然的. 虽然我们不能排除深源气体在上升过程中会有少量浅部气体的混入, 但考虑到该区深源气体上升时压力很大, 最浅一组(第3组)逸出气体中He含量又远低于空气, 因此浅源气体混入的影响应该说是很小的. 这从意大利埃特纳火山区地下流体逸出He的最高3He/4He比值与埃特纳玄武岩中富He橄榄石晶体脱出He的3He/4He比值十分接近的事实也可以得到证明[8].
　　仔细分析我们的氦同位素资料, 第2和3组泉点似又可以细分成两组, 特别是第3组中的后两个泉点, 即南岸井和中井泉, 其逸出He的3He/4He比值已与空气的3He/4He比值基本一致, 但其He含量几乎比空气低一个数量级. 这表明, 热海地热区深部地热储结构相当复杂, 多层地热储的数量可能不止前面所说的3个, 至少在南岸井和中井泉所在地区, 即澡塘河南岸仙人桥东侧地下还可以划分出另一个埋深较浅的地热储. 从该热储中的He已可以与空气中的He自由进行氦同位素交换来看, 其深度可能不会超过数百米.
　　与长白山天池火山地热区逸出气体中壳源气体混染不明显的特征[13]同理, 按幔源气体和空气二元混合模式计算, 热海地区南北向深断裂沿线泉点逸出He中平均约含47.5%幔源He. 但这并不意味着该幔源气体在向上迁移时有50%以上的空气混染, 因为决定其中幔源He比例的另一重要因素是目前岩浆源本身的3He/4He比值. 我们的资料显示, 目前热海地区第1组泉点逸出He的3He/4He比值彼此十分接近, 而这些泉点又多以释放高温喷气为主. 据此分析, 控制这些泉点幔源气体释放的南北向深断裂可能直接切割至深部以气相为主的高温热储, 而这一高温热储极有可能获得深部幔源岩浆挥发组分的直接补充；区内南北向深断裂相对张性的活动特征可使深部幔源岩浆气体迅速向地表迁移. 因此, 目前热海地区第1组泉点逸出He的3He/4He最高值(4.37Ra)可能非常接近区内深部岩浆源本身的3He/4He比值. 岩浆源具有相对较低的3He/4He比值表明, 该幔源岩浆已被地壳物质严重混染.
3.2 逸出CO2的碳同位素组成
　　表1显示, 热海地区第1组泉点逸出CO2的δ13C值明显高于其他泉点, 平均值约为-3.2‰；第2和3组泉点逸出CO2的δ13C值大致也是依次降低, 平均值分别为-4.6‰和-4.8‰. 相对来说, 研究区内逸出CO2的碳同位素组成的变化不如3He/4He比值的变化那么有规律. 作者认为, 这与它们化学性质上的差异有关. He是惰性气体, 其上升迁移过程中同位素组成的变化主要决定于物理过程；而CO2是活性气体, 其上升迁移过程中还可能参与一系列化学反应, 其δ13C值的变化不仅决定于物理过程, 而且还与这些化学变化有关. 从研究区内各泉点逸出CO2的百分含量及其δ13C值的多变性可以看出, 各地热储内部及它们相互之间气液流体组分之间可能存在多种涉及CO2的化学反应. 所有这些化学反应以及气体迁移过程中的渗透、扩散等物理过程均可影响CO2的δ13C值. 因此, 对各泉点逸出CO2的δ13C值的变化应具体问题具体分析.
3.3 逸出气体氦、碳同位素组成的关系
　　图5显示, 各类幔源气体的氦、碳同位素组成通常有其特定的变化范围. 在3He/4He和δ13C值关系图上, 热海地区第1组泉点的位置位于西太平洋消减带和长白山天池火山区的右下方. 与腾冲地区最新的火山喷发活动有关的泉点(表1第4组)则介于它们二者之间. 这表明, 腾冲地区无论是过去还是现在, 其深部幔源岩浆都不是典型的上地幔岩浆, 它已受到大量的地壳物质的混染. 这从该区火山岩的Sr同位素组成特征也可以得到证明[3]. 这类幔源岩浆可能是腾冲这个特定构造环境条件下的产物. 如果假定与区内最新火山喷发活动有关的泉点逸出的火山残余气体的氦、碳同位素组成大致与当时的活动岩浆类似, 那么目前热海地区深部幔源岩浆的氦、碳同位素组成与当时的活动性幔源岩浆相比已有所不同; 其3He/4He比值有一定幅度的降低, 而CO2的δ13C值则略有升高. 实际上, 幔源岩浆氦、碳同位素组成的上述变化完全可以由其在地壳内的滞留而自然发生. 因为如果没有大量的新的幔源岩浆的不断补充, 随着时间的推移, 由于岩浆挥发组分在不断释放过程中的同位素分馏, 再加上放射成因4He的自然增加以及可能的壳源物质的混染作用, 岩浆体的3He/4He比值的降低和δ13C值的逐渐升高是必然趋势.

图5　没地区幔源气体的3He/4He比值与δ13C值的关系
+示南北向断裂沿线泉点，●示北西向断裂沿线泉点，○示北东向断裂沿线泉点
▲示马鞍山火山口附近泉点，⊙示区内较老火山岩中出露的泉

　　热海地区逸出气体的氦、碳同位素地球化学证据显示, 目前在热海地区壳内活动的幔源岩浆与导致区内最新火山喷发活动的幔源岩浆之间可能存在着渊源和继承关系. 这意味着, 自区内火山喷发活动结束以来, 最新的构造运动可能已使本区壳内幔源岩浆活动中心从马鞍山附近迁移到了热海地区.

4 结论

　　(1) 腾冲热海地区地热流体逸出气体中含有大量的幔源岩浆挥发组分, 表明该区地壳浅部存在幔源岩浆侵入活动. 研究区内目前强烈的地热流体活动和大量的幔源岩浆挥发组分的释放与该岩浆的侵入活动直接有关.
　　(2) 热海地区现代幔源岩浆挥发组分的释放受区内深浅不同的多组活动断裂控制. 研究区内南北向断裂最深, 它可能直接切割至深部以气相为主的高温热储, 其相对张性的活动特征导致深部幔源岩浆气体可迅速向地表迁移. 地球化学证据显示, 研究区内可能还存在北西向和北东向断裂, 其切割深度依次变浅. 这3组断裂可能分别控制着区内深浅不同的3～4个相对独立的地热储.
　　(3) 地热流体逸出气体的氦、碳同位素证据表明, 目前在热海地区壳内活动的幔源岩浆与导致区内最新火山喷发活动的幔源岩浆之间可能存在着渊源和继承关系. 这意味着, 区内最新的构造运动已使腾冲地区壳内幔源岩浆活动中心从马鞍山附近迁移到了热海地区.
　　致谢 气体化学及同位素分析得到中国地震局地质研究所王基华、范书全、高松升, 中国科学院地质与地球物理研究所霍卫国, 中国科学院大气物理研究所王学思等先生的帮助和支持, 特此致谢.

中国地震局“九五”重点项目（批准号：95-11-02-04）
上官志冠（中国地震局地质研究所, 北京100029）
白春华（中国地震局地质研究所, 北京100029）
孙明良（中国科学院兰州地质研究所, 兰州730000）

参 考 文 献

1，阚荣举, 赵晋明, 阚 丹. 腾冲火山地热区的构造演化与火山喷发. 地震地磁观测与研究, 1996, 17(4): 28～33
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3，佟 伟, 章铭陶. 腾冲地热. 北京：科学出版社, 1989. 3～80
4，Wang Xianbin, Xu Sheng, Li Yuefang, et al. The isotopic characters of mantle derived primary gases and volcanic activity in Tengchong area. Abstracts of 29th International Geological Congress, Kyoto, Japan, Vol 3, 1992. 609
5，上官志冠, 孙明良, 李恒忠. 云南腾冲地区现代地热流体活动类型. 地震地质, 1999, 21(4): 436～442
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1999-08-24