魏費翔 許建東 上官志冠 潘 波

（中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點實驗室，北京 100029）

引言

火山噴發(fā)是地球內(nèi)部高溫物質(zhì)噴出至地表的過程，整個噴發(fā)過程通常伴隨大量的巖漿、碎屑、火山灰和火山氣體的噴出，甚至引發(fā)極大的破壞性地震、滑坡、泥石流和海嘯等災(zāi)害（劉嘉麒等，1999）。這些災(zāi)害不僅對人類的生命和財產(chǎn)造成巨大損失，還會加劇溫室效應(yīng)等全球環(huán)境和氣候問題（郭正府等，2003，2014；張茂亮等，2011）。據(jù)統(tǒng)計，20世紀全球火山噴發(fā)導(dǎo)致約8萬人死亡（Sigurdsson等，2015）。雖然火山噴發(fā)危險性極大，但火山噴發(fā)前有大量可觀測的前兆現(xiàn)象（劉嘉麒等，1999），隨著火山監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，火山噴發(fā)預(yù)測的準確率也越來越高。因此，火山監(jiān)測與預(yù)警是人類生命和財產(chǎn)的重要保障。目前火山監(jiān)測手段主要分為3類：火山地震、地形形變和地熱流體。在活動火山區(qū)，由于高溫巖漿囊的存在，火山區(qū)通常分布著大量溫泉，這些溫泉氣體早于巖漿沿著火山通道或斷層從巖漿囊快速逸出到地表。因此，通過對火山溫泉氣體進行研究能提前追蹤深部巖漿活動狀態(tài)，對火山監(jiān)測具有重要指導(dǎo)作用。火山溫泉氣體地球化學監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到火山監(jiān)測領(lǐng)域，并多次成功預(yù)報火山噴發(fā)。如在2006年的意大利埃特納火山噴發(fā)前，火山學家發(fā)現(xiàn)CO2/SO2比值升高了5—50倍（Aiuppa等，2007），結(jié)合地震和地形形變的觀測數(shù)據(jù)，成功預(yù)測了埃特納火山噴發(fā)，極大地減少了火山噴發(fā)對人類生命財產(chǎn)造成的損失。

由于受西太平洋板塊和印度板塊俯沖擠壓作用，我國在板塊俯沖邊緣發(fā)育眾多火山。雖然目前沒有活躍的火山活動，但我國火山區(qū)多為著名旅游風景區(qū)，人口密度大，火山一旦噴發(fā)，將產(chǎn)生巨大的災(zāi)害。因此，我國對火山監(jiān)測非常重視，在長白山火山區(qū)、五大連池火山區(qū)和騰沖火山區(qū)等區(qū)域建設(shè)了火山監(jiān)測站對火山進行監(jiān)測預(yù)報，并將溫泉氣體作為重要監(jiān)測手段之一（劉國明等，2011；許建東，2011）。在2002—2006年長白山火山異常活動期間，長白山火山溫泉氣體中CO2含量升高，N2/O2比值升高，3He/4He同位素比值升高，都指示了長白山火山異常的活動狀態(tài)。這與火山擾動期間地震頻發(fā)、地形形變量增大等前兆現(xiàn)象保持一致（Xu等，2012）。雖然長白山火山在2002—2006年火山擾動期間沒有噴發(fā)，但為我國火山監(jiān)測積累了大量寶貴的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料和理論依據(jù)?；鹕綔厝獨怏w監(jiān)測主要包括火山氣體的常量成分連續(xù)觀測和同位素加強觀測?；鹕綔厝獨怏w主要組分包括CO2、CH4、N2、O2、SO2、H2S、He和H2等，氣體同位素主要包括氦同位素和碳同位素等。

1 采樣及測試分析方法

火山溫泉氣體樣品采用排水法進行采集，采集裝置詳見冉華等（2008）的介紹。首先，將集氣罩置于溫泉水中無氣泡區(qū)域，用大號注射器將水充滿采樣裝置，排出裝置中的空氣。然后，將漏斗在水下移到冒泡區(qū)域，利用溫泉氣體自身壓力和注射器將氣路中的水排盡，將收集到的溫泉氣體注射到提前抽真空的鋁箔氣體樣品袋和倒置的水封玻璃瓶中。鋁箔氣體樣品袋中的樣品主要用于測量氣體化學成分，測試儀器采用氣相色譜儀；倒置的水封玻璃瓶中的氣體保存時間較長，主要用于同位素測量，其中稀有氣體同位素采用稀有氣體同位素質(zhì)譜儀測試，碳同位素采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測試。

2 火山溫泉氣體化學成分研究

火山溫泉氣體是巖漿脫氣的結(jié)果，其化學成分變化指示巖漿脫氣和演化過程，是研究巖漿房活動最直接的證據(jù)之一（上官志冠等，2008）。因此，火山溫泉氣體化學成分的持續(xù)監(jiān)測對研究火山活動和火山預(yù)報具有意義?；鹕綔厝獨怏w化學成分的測試方法簡單且測試儀器價格相對較低，被廣泛應(yīng)用于火山監(jiān)測領(lǐng)域?；鹕綔厝獨怏w常見組分包括H2O、CO2、CH4、N2、O2、SO2、H2S、He和H2等。中國長白山、騰沖和五大連池火山溫泉氣體均以CO2為主，平均含量超過85%，部分區(qū)域甚至超過99%（杜建國等，1999；趙慈平等，2011；成智慧等，2014；李婷等，2015）。

2.1 火山溫泉氣體主要成分

火山溫泉氣體主要成分為H2O、CO2、CH4、N2和O2，占火山氣體成分的99%以上，其含量的變化主要受巖漿囊溫壓條件、巖漿脫氣、演化和新的巖漿補給作用影響。

水蒸氣是巖漿脫氣過程中最主要的成分（Fischer，2008），這與熔融包裹體成分是一致的（Wallace，2005）。巖漿的含水量影響巖漿的熔點、粘度和結(jié)晶礦物成分等。此外，巖漿含水量是決定火山噴發(fā)模式的重要因素之一。因此，監(jiān)測火山氣體中水蒸氣含量的變化有助于進行火山預(yù)測和災(zāi)害分析，廣泛應(yīng)用于火山噴氣孔監(jiān)測。但由于溫泉氣體處于水環(huán)境，水蒸氣的來源眾多，不易區(qū)分巖漿來源的水蒸氣和地下水形成的水蒸氣。因此溫泉氣體在測試化學成分前需進行除水處理，只對干燥氣體進行分析。

N2是大氣最主要的組成成分，化學性質(zhì)穩(wěn)定。火山溫泉氣體中的N2主要有3種來源：①大氣和地表水；②地幔；③俯沖板塊攜帶的生物沉積物。由于大氣中N2含量接近80%，大氣和地表水中的N2極易混染巖漿來源的N2，上官志冠等（2008）認為溫泉氣體中大部分N2是溶解于大氣降水中的N2。Zhang等（2015）通過測試長白山火山溫泉氣體中的N2/Ar和N2/He比值，認為長白山火山溫泉氣體中N2為多種來源混合且空氣來源占比較大，因此N2含量僅作為參考指標。O2也是空氣主要成分之一，由于其化學性質(zhì)極其活躍，容易與巖漿反應(yīng)而被快速消耗，所以巖漿成因的O2較少。溫泉氣體中的O2可能與N2一樣，主要為大氣降水的結(jié)果。若火山溫泉氣體中N2/O2比值越接近大氣比值（約3.7），說明大氣降水和采樣過程中的大氣混染對火山氣體成分的影響越大。

CO2是火山溫泉氣體中最主要的成分之一，其為一種無色無味無毒的氣體。由于CO2比空氣重，火山噴發(fā)出的CO2在低洼地區(qū)容易造成人和動物呼吸困難甚至窒息。CO2在巖漿中主要以CO2分子和離子形式存在于巖漿中，碳的主要來源為地幔、碳酸鹽巖和俯沖板塊攜帶的有機碳。中國主要火山區(qū)溫泉氣體都以CO2為主，其中長白山火山區(qū)CO2平均含量為90%以上，在部分溫泉區(qū)含量高達99%以上（表1，Hahm等，2008；上官志冠等，2008；李婷等，2015；Wei等，2016）。騰沖火山區(qū)溫泉氣體中CO2含量較穩(wěn)定，約為90%—95%（上官志冠等，2008；趙慈平等，2011；Zhang等，2016）。五大連池火溫泉氣體中CO2含量與長白山類似，平均約90%，部分區(qū)域可達99%以上（杜建國等，1999；Xu等，2013）。CO2和CH4都是巖漿脫氣作用產(chǎn)生的重要溫室氣體，但CH4在火山氣體中含量普遍較低（郭正府等，2010）。長白山錦江溫泉和聚龍溫泉氣體中CH4含量小于1%，但在火山口附近的湖濱溫泉氣體中的CH4含量高達5%以上。上官志冠等（2006）認為湖濱溫泉中的CH4主要來源于地幔。騰沖和五大連池火山區(qū)溫泉氣體中的CH4也均在1%以下，可能與地幔巖漿補給較少有關(guān)（上官志冠等，2006）。

通過對長白山火山聚龍溫泉15號溫泉點進行連續(xù)觀測（采樣時間為每年的8月底或9月初），我們發(fā)現(xiàn)CO2/N2比值和CH4/N2比值的年度變化非常一致（圖1（a）），由于N2主要來源于大氣，說明CO2與CH4都來源于巖漿脫氣過程。CO2/N2和CH4/N2比值在2003年、2005年和2006年快速升高，遠高于火山處于休眠期的2002年和2007—2012年，說明2003年、2005年和2006年深部巖漿活躍，可能是新的巖漿注入導(dǎo)致巖漿房壓強增大，這與地震活躍數(shù)據(jù)保持一致（圖1（b））。

表1 長白山聚龍溫泉15號采樣點溫泉氣體中CO2、CH4和N2含量及比值Table 1 Concentrations of CO2, CH4and N2and the ratios of Sampling site No.15 of Julong hot spring at Changbaishan Volcano

續(xù)表

綜上所述，中國主要火山區(qū)的溫泉氣體中O2和N2大部分來源于空氣，而CO2和CH4主要為巖漿來源?；鹕綔厝獨怏w中CO2/N2與CH4/N2比值升高反映巖漿活躍增強，巖漿囊壓強增大，可能有新的巖漿補給作用，說明火山活動危險性增加。

2.2 火山溫泉氣體微量成分

火山溫泉氣體微量成分主要包括He、H2、H2S和SO2等。雖然這些氣體在火山溫泉氣體中含量極低，但在火山噴發(fā)時具有較強毒性的含硫氣體H2S和SO2可能對人類生命造成威脅，形成的酸雨可能造成巨大的財產(chǎn)損失。此外，微量氣體如He和H2可用于追蹤火山氣體來源及研究火山區(qū)構(gòu)造活動。

火山溫泉氣體中的氦（He）主要來源于地殼中形成的放射性He，少部分來源于地幔。長白山、五大連池和騰沖火山區(qū)溫泉氣體中He含量平均值分別為160ppm、248ppm和88ppm（上官志冠等，2008）。由于He在地殼中發(fā)散較快，He含量的變化受多因素的影響，判斷火山危險性需結(jié)合氦同位素研究成果分析。H2與He類似，在上升過程中極易與其他物質(zhì)反應(yīng)而被消耗。Shangguan等（2002）認為H2是構(gòu)造運動的產(chǎn)物，H2含量增高可能反映火山區(qū)構(gòu)造活動增強。

圖1 2002—2012年溫泉氣體的CO2/N2與CH4/N2比值連續(xù)觀測圖（a）和2001—2012年長白山火山每月地震次數(shù)（引自Xu等，2012）（b）Fig.1 The CO2/N2and CH4/N2ratios from 2002 to 2012 (a) and monthly number of earthquakes of Changbaishan Volcano between 2001 and 2012 (revised from Xu et al., 2012)(b)

H2S和SO2等富硫氣體具有較強毒性，是火山溫泉氣體重要的組成部分，因此有必要對其含量進行連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測火山中的含硫氣體也有助于研究大氣輻射、氣候和酸雨。在巖漿房中，H2S和SO2的相互作用為：

H2S和SO2的相對含量主要受溫度、壓強和氧化還原環(huán)境影響。SO2主要存在于高溫巖漿環(huán)境，而H2S廣泛分布于低溫火山系統(tǒng)（Aiuppa等，2007；上官志冠等，2008）。根據(jù)上官志冠等（2008）的測試結(jié)果，長白山火山溫泉氣體中含硫氣體成分較低，SO2含量為0.05—0.06ppm，H2S含量為0.05—0.36ppm，SO2/H2S比值為0.11—1.00；騰沖火山區(qū)中含硫氣體成分較高，SO2含量為36—244ppm，H2S含量為239—2433ppm，SO2/H2S比值為0.015—0.464；五大連池中H2S含量比騰沖低，但比長白山高，為1.69—4.81ppm（趙宜等，1989）。SO2和H2S含量以及SO2/H2S比值受很多因素控制，如不同巖漿來源、巖漿房的深度以及巖漿房的溫壓和氧化條件等?；鹕綔厝獨怏w的SO2/H2S比值的變化是監(jiān)測巖漿房活動的重要指標之一，SO2/H2S的升高可能指示巖漿房溫度升高或巖漿房減壓（Aiuppa等，2007）。Wallace等（2011）發(fā)現(xiàn)巖漿房的減壓作用可使SO2/H2S最多升高3個指數(shù)級。

3 火山溫泉氣體同位素研究

火山溫泉氣體化學成分變化指示巖漿活動過程，但由于火山溫泉氣體具有多源性，其地球化學成分變化受多種因素的影響，往往需要結(jié)合同位素測試結(jié)果判斷巖漿氣體來源并分析氣體成分變化的原因。在火山溫泉氣體同位素研究中，應(yīng)用最廣泛的是氦同位素和碳同位素。一方面是因為He、CO2和CH4氣體在巖漿通道上升過程中不易消耗，且大氣中含量相對較低，不易被大氣混染，含量和同位素比值穩(wěn)定；另一方面，由于地殼和地幔中的碳同位素和氦同位素比值差異較大，容易判斷火山氣體的來源。

3.1 氦同位素

He在大氣中含量極低，物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定，且難溶于水，是火山溫泉氣體監(jiān)測中應(yīng)用最廣泛的同位素之一。He有2種同位素，分別為3He和4He，大氣中3He/4He比值（RA）約為1.39×10－6（Clarke等，1976）?；鹕綔厝獨怏w中的4He主要來源于地殼中238U、235U和232Th的α粒子衰變，而3He是原生的，主要來源于地球深部。因此，上地幔（MORB）中3He/4He比值比地殼中高，為大氣中3He/4He比值（RA）的8倍（王先彬，1989；Graham，2002），而地殼的氦同位素比值僅為0.05RA（Gautheron等，2002）。氦同位素在地殼和地幔中相差巨大，是1種理想的流體源區(qū)示蹤劑，可用于判斷火山溫泉氣體中的幔源和殼源比例。由于大氣中He含量（5.24ppm）相對溫泉氣體中的He含量較高，在采樣和測試分析過程中可能混入大氣，影響樣品測試結(jié)果。因此，通常需要對氦同位素測試結(jié)果（RM）進行校正。因為地幔來源氖氣（Ne）含量極低，可假設(shè)所有的Ne來源于大氣，通過測試樣品中的He/Ne比值即可校正大氣混染作用。校正后的3He/4He比值（RC）通常用下列公式表示：

其中，X為大氣校正系數(shù)。由于溫泉氣體中氦氣和氖氣溶解度不同，X一般表示為：

其中，βNe和βHe分別是Ne和He在溫泉中的本生（Bunsen）溶解度；(He/Ne)M和(He/Ne)A分別代表測量的He/Ne比值和大氣中的He/Ne比值，(He/Ne)A＝0.3185（Ozima等，2002）。

根據(jù)Weiss（1971）的溶解度計算公式可計算βNe/βHe：

其中，A1、A2、A3、B1、B2、B3為常數(shù)（Weiss，1971），T為溫泉水的絕對溫度，S為溫泉水的鹽度。

He/Ne比值與空氣混染程度成反比，一般認為(He/Ne)M/(He/Ne)A大于10的樣品受空氣混染程度較小。校正后的溫泉氣體氦同位素比值RC比測量值RM高，對比地殼和地幔中的氦同位素比值，可以分析探討火山溫泉氣體源區(qū)特征及受地殼混染程度。圖2顯示（ASW指大氣飽和水，地幔He同位素比值引自王先彬（1989）和Graham（2002），地殼He同位素比值引自Gautheron等（2002）；長白山2002年和2006年數(shù)據(jù)引自Wei等（2016），2004年為未發(fā)表數(shù)據(jù)；騰沖數(shù)據(jù)來自上官志冠等（2008）和Zhang等（2016）；五大連池數(shù)據(jù)來自上官志冠等（2008），杜建國等（1999）和Xu等（2013）），長白山火山溫泉氣體受空氣混染較少的樣品（(He/Ne)M/(He/Ne)A＞10）的氦同位素比值約為4—6RA，且2002—2006年的氦同位素比值呈上升趨勢；騰沖火山區(qū)溫泉氣體氦同位素比值整體低于長白山，約為3—5.5RA；五大連池火山區(qū)氦同位素比值最低，約為3RA。從氦同位素結(jié)果可知，這3大火山區(qū)巖漿主要來源于地幔，同時受地殼或古俯沖物質(zhì)的混染影響。五大連池溫泉氣體受地殼或古俯沖物質(zhì)混染程度最高，而長白山火山溫泉氣體受混染作用影響最低。

對于火山監(jiān)測，若火山區(qū)溫泉氣體氦同位素比值保持穩(wěn)定或下降，說明火山處于休眠狀態(tài)，無新的巖漿補給或巖漿補給較少；相反，若溫泉氣體中氦同位素比值迅速上升，說明來源于地幔的3He增多，可能與新的巖漿補給有關(guān)。在2002—2006年長白山火山活躍期間，火山地震頻發(fā)（圖1（b）），地形形變增大，氦同位素比值迅速升高（圖2），這些前兆現(xiàn)象都顯示長白山火山巖漿囊具有新的巖漿補給，火山危險性增加（Xu等，2012）。

圖2 中國主要火山區(qū)溫泉氣體的氦同位素比值Fig.2 Helium isotope ratios of hot spring gases in major volcanic regions of China

3.2 碳同位素

碳是火山溫泉氣體主要組成元素之一，主要以CO2形式存在，少部分為CH4等碳氫化合物。由于大氣中CO2和CH4含量較少，對火山溫泉氣體的混染作用可以忽略不計，且地殼和地幔中的碳同位素差異較大。因此，碳同位素是研究火山溫泉氣體及火山監(jiān)測中的重要手段之一。碳元素有3種同位素，分別為12C、13C和14C。在火山溫泉氣體同位素研究中，主要測試CO2和CH4中的13C/12C比值R，通常用碳同位素標準（PDB）表示：

3.2.1 CO2中的碳同位素

火山溫泉氣體中的CO2的碳主要有3種源區(qū)，分別為地幔、海相石灰?guī)r和生物沉積物。不同源區(qū)中碳同位素存在較大差異，地幔中CO2的碳同位素比值（12C/13C）為δ13C＝－6.5±2.5‰；海相石灰?guī)r為δ13C＝0；而生物沉積物δ13C＝－30‰（Sano等，1995）。由于生物沉積物和海相石灰?guī)r的混合作用可以形成-6.5‰的碳同位素，容易被誤認為是幔源碳。因此，Sano等（1995）引入CO2/3He參數(shù)來區(qū)分幔源和殼源碳。由于地殼富集CO2而缺少3He，地殼中的CO2/3He比值遠高于地幔的比值。海相石灰?guī)r和生物沉積巖的CO2/3He均為1×1013，而地幔中的CO2/3He為1.5×109，相差4個數(shù)量級（Sano等，1995）。通過碳同位素比值和CO2/3He比值2個參數(shù)可以分別計算3個地幔端元（地幔、海相石灰?guī)r和生物沉積物）的百分含量（Sano等，1995）：

下角標O、M、L和S分別代表測量值、地幔、海相石灰?guī)r和生物沉積物，f代表各端元所占比例。

前人的研究成果顯示，中國主要火山區(qū)溫泉氣體中CO2的碳同位素比值類似，均在-10‰—0內(nèi)，CO2/3He比值均為108—1012。圖3顯示（長白山的數(shù)據(jù)引自Hahm等（2008），Wei等（2016）和上官志冠等（2008）；騰沖數(shù)據(jù)引自上官志冠等（2008）和Zhang等（2016）；五大連池數(shù)據(jù)引自上官志冠等（2008），杜建國等（1999）和Xu等（2013）），長白山、騰沖和五大連池火山溫泉氣體主要來源于地幔，部分樣品受到海相石灰?guī)r的混染作用，而生物沉積物的影響極小。對于長白山火山巖漿中地殼成分的來源，目前存在較大爭議。大部分巖石和溫泉氣體地球化學的研究成果表明長白山巖漿地殼成分可能來源于殘留在巖石圈地幔中古板塊俯沖物質(zhì)（Wei等，2016），而地球物理研究顯示西太平洋板塊已經(jīng)俯沖到長白山下方的地幔轉(zhuǎn)換帶，俯沖板片的脫水作用是長白山火山的重要物質(zhì)來源（Zhao等，2010）。長白山火山橄欖石包體中氦同位素比值高達7.71RA（Kim等，2005），與上地幔中的He（8RA）接近。因此，我們認為長白山火山源區(qū)受太平洋俯沖板片物質(zhì)影響很小，溫泉氣體中的海相石灰?guī)r特征可能來源于淺部的古俯沖殘留物質(zhì)，這與五大連池和騰沖火山區(qū)溫泉氣體研究成果類似（Xu等，2013；Zhang等，2016）。

對于火山監(jiān)測，在火山活躍期間，由于巖漿補給作用增強，火山溫泉氣體中地幔組分（fM）增多。fM升高將導(dǎo)致圖3中樣品點向地幔端元移動。在中國主要火山區(qū)，由于受生物沉積物影響極小，新的巖漿補給使CO2/3He比值降低且碳同位素接近地幔的-6.5‰。在火山休眠期，由于巖漿補給較少，CO2/3He比值不變或升高，且CO2中的碳同位素比值不變或升高。

3.2.2 CH4與CO2碳同位素平衡

甲烷（CH4）是火山區(qū)溫泉氣體中的重要組分之一，在高溫巖漿系統(tǒng)中可能與CO2發(fā)生碳同位素分餾作用，且不同溫度的分餾作用形成的碳同位素也存在較大差異。因此，CH4和CO2中碳同位素平衡分餾可被應(yīng)用于分析巖漿囊的溫度和深度等重要特征（趙慈平等，2011；Fiebig等，2004）?；鹕綔厝獨怏w中的CH4一般為無機成因，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）一般為δ13C＜-50‰（Schoell，1980)。由于巖漿房溫度很高，CH4和CO2在巖漿房中很快能達到碳同位素平衡，實驗證明在溫度超過1000℃的巖漿房，CH4和CO2間碳同位素交換平衡能在數(shù)天內(nèi)完成（Giggenbach，1982）。碳同位素是否達到平衡狀態(tài)主要采用δ-Δ圖解法（陳駿等，2004）來判斷。即以Δ13C（CO2-CH4）為橫坐標，和分別為縱坐標作圖，如果2條擬合直線斜率符號相反，且相交于縱軸，則可認定CH4和CO2中的碳同位素達到平衡狀態(tài)（趙慈平等，2011，2017）。碳同位素平衡溫度計算公式較多，但各公式的計算結(jié)果基本一致。趙慈平等（2011，2017）對Horita（2001）提出的碳同位素平衡溫度計算公式進行擬合，給出了適用于火山溫泉氣體碳同位素平衡分餾方程，具體公式如下：

圖3 中國主要火山區(qū)溫泉氣體中的碳同位素比值Fig.3 Carbon isotopes of hot springgases in major volcanic regions in China

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

前人研究成果顯示（圖4，直線為不同平衡溫度下的CO2和CH4中碳同位素；長白山和五大連池碳同位素數(shù)據(jù)引自上官志冠等（2006）；騰沖火山區(qū)碳同位素數(shù)據(jù)引自上官志冠等（2006）和趙慈平等（2011）），騰沖火山區(qū)溫泉氣體CH4中的碳同位素比值最高，為-23.5‰—-9.3‰，長白山溫泉氣體中CH4的碳同位素為-48.0‰—-28.7‰；五大連池最低，僅為-47.2‰—-44.4‰。根據(jù)公式（9）平衡分餾方程及圖4所示，騰沖火山區(qū)溫泉氣體平衡溫度為300℃—1200℃；長白山火山區(qū)為100℃—400℃；五大連池火山區(qū)為150℃左右，與長白山湖濱溫泉類似，但長白山湖濱溫泉氣體中CH4含量比五大連池高，平均為5%以上。根據(jù)地球物理研究成果，騰沖火山區(qū)深部巖漿囊深度為13—30km，而淺部巖漿囊深度僅為4—6km（楊曉濤等，2011；姜枚等，2016），根據(jù)地熱梯度（30℃/km）計算可知騰沖火山區(qū)深部巖漿囊的溫度為390℃—900℃，與碳同位素平衡溫度接近，而淺部巖漿囊溫度僅為120℃—180℃，說明騰沖火山溫泉氣體在深部巖漿囊中達到碳同位素平衡，而在淺部巖漿囊中未發(fā)生明顯的分餾作用；長白山火山深部巖漿囊深度約為30km，根據(jù)地熱梯度計算的溫度為900℃，淺部巖漿囊深度約為7—15km（湯吉等，2001；仇根根等，2014），對應(yīng)溫度為210℃—450℃，與碳同位素平衡溫度（100℃—400℃）接近，說明火山溫泉氣體在淺部巖漿囊中重新達到碳同位素平衡；五大連池不存在巖漿囊，只在深度為4—8km的區(qū)域存在巖漿殘留（詹艷等，2006；張森琦，2017），根據(jù)地熱梯度計算的溫度與碳同位素平衡溫度接近，因此可認為五大連池火山氣體在殘留巖漿中達到碳同位素平衡。綜上所述，我們認為火山溫泉氣體碳同位素平衡溫度僅指示最后碳同位素平衡源區(qū)的溫度，不一定為巖漿脫氣后的初始源區(qū)溫度。

對于火山監(jiān)測，若根據(jù)碳同位素平衡方程計算的平衡溫度快速上升，可判斷巖漿囊有新的巖漿補給；若火山區(qū)處于休眠狀態(tài)，無巖漿補給或巖漿補給較少，則碳同位素平衡溫度保持不變或下降。

圖4 中國主要火山區(qū)溫泉氣體碳同位素平衡溫度Fig.4 Carbon isotopic equilibrium temperature of hot spring gases from major volcanic regions in China

4 總結(jié)

中國主要火山區(qū)溫泉氣體成分以CO2為主，氦同位素和碳同位素比值顯示地幔和地殼成分混合特征，可能是由于巖漿氣體在上升過程中受到古板塊俯沖殘留物質(zhì)的混染作用。

火山活躍的主要表現(xiàn)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溫度升高等。CO2和CH4中碳同位素平衡溫度指示最后碳同位素平衡源區(qū)溫度，不一定反映巖漿脫氣初始源區(qū)溫度?；鹕綔厝獨怏w的化學成分和同位素比值有助于火山的監(jiān)測，但由于氣體化學成分和同位素比值受多因素影響，單一異常不能作為判斷火山危險性的依據(jù)，需結(jié)合火山地震和地形形變等資料進行綜合判斷。

致謝：在采樣過程中，長白山火山監(jiān)測站提供了巨大幫助，審稿專家對本文提出了寶貴修改意見，在此表示感謝。