中國火山溫泉

高玲 魏海泉

引 言

火山是地球的寶藏，它是大自然對人類的饋贈，同時火山又具有兩面性。一方面火山噴發(fā)給人類帶來巨大的財富；另一方面，火山噴發(fā)也給人類帶來巨大的災難。研究火山的目的就是認識火山，識別火山噴發(fā)規(guī)律，減輕火山災害，趨利避害，與火山和諧共處。按照活躍程度，火山被分為三種類型，分別是活火山，休眠火山和死火山。一般主要研究對象是活火山和休眠火山，當然三種類型的火山之間是可以轉(zhuǎn)換的。

火山溫泉是火山活動的重要標志，其主要媒介為地下熱水。當你走近火山，映入眼簾的除了火山熔巖等噴發(fā)物外，還經(jīng)常會看到各式溫泉、沸泉、泉華，有的涌流如注，有的涓涓細流，有的熱氣升騰，有的透徹清亮，這就是火山溫泉的主要表現(xiàn)形式?；鹕綔厝ǔ３霈F(xiàn)在活火山和休眠火山區(qū)域。

我國主要火山溫泉簡介

中國現(xiàn)代火山主要分布在東北、西南地區(qū)和東南沿海地區(qū)。東北三省主要包括長白山天池火山、五大連池火山、龍崗火山、鏡泊湖火山和阿爾山火山。西南地區(qū)主要是騰沖火山。東南沿海主要包括海南島火山和大屯火山。上述火山基本上受地質(zhì)構(gòu)造控制。與此相對應，與現(xiàn)代火山活動有關(guān)的溫泉也主要集中在上述火山（圖1）。

圖 1 中國火山溫泉分布圖（趙慈平，2018）

1.長白山天池火山溫泉

長白山天池火山屬多成因中央式火山，構(gòu)造上處于西太平洋俯沖帶，琿春一帶一直存在深源地震。近10多年來，琿春一帶多次發(fā)生5級以上深震，其中最大震級達到了7.1級。火山區(qū)小震活動有時也比較頻繁，地熱發(fā)育是火山活動的重要顯示。位于火山中心的泉群分別是天池北坡的長白聚龍泉群、西坡的錦江溫泉群及位于天文峰下方的天池湖濱溫泉群，外圍泉群多為冷泉。三大泉群都為熱水氣體強烈釋放區(qū)域，其中聚龍泉群最高水溫達到了83℃以上。湖濱溫泉群是一處強氣體釋放帶，但由于湖水大量混入，水溫多集中在23℃左右，它也是目前中國境內(nèi)唯一可直接在火山口內(nèi)采集溫泉氣體樣品的泉群(圖2)。不同的溫泉表現(xiàn)各異，有的泉群無色無味，清亮透明，如湖濱溫泉群；有的泉群釋放出明顯的硫化氫，如聚龍泉群。

圖2 長白山天池火山口湖濱溫泉部分區(qū)域

2. 騰沖火山區(qū)溫泉

騰沖火山大大小小共有70余座。其中與最新的火山噴發(fā)活動有關(guān)的火山有黑空山、打鷹山、馬鞍山等火山。騰沖火山構(gòu)造上位于印度板塊和歐亞板塊碰撞帶的延伸部分，第四紀活動斷裂發(fā)育。它也是我國溫泉數(shù)量最多的火山區(qū)域之一，溫泉數(shù)量達800多個，覆蓋面積約500km2。主要溫泉區(qū)分布在熱海、朗蒲、龍陵等地區(qū)，同時在馬鞍山火山口及曲石附近還分布有低溫泉。騰沖火山溫泉噴出形式多樣，有蒸騰氣霧狀，有噴如泉涌狀，有冒泡狀，數(shù)不勝數(shù)。

3.黑龍江五大連池火山活動區(qū)溫泉

五大連池火山位于五大連池市，其熔巖流的面積達700 km2，區(qū)內(nèi)有14座火山錐堆積在熔巖臺地上，位于松遼裂谷的西北緣。五大連池火山溫泉主要分布在火燒山、老黑山和藥泉山地區(qū)。這里分布的著名的礦泉，富含鋅、硒等多種人體所需的微量元素，具有醫(yī)療功用。火山溫泉常年保持在4℃左右，比當?shù)啬昶骄鶞囟嚷愿?℃左右，因此該溫泉有冷礦泉之稱。

中國火山溫泉的主要表現(xiàn)形式

溫泉有廣義和狹義之分，我們習慣上稱之的溫泉為廣義上的溫泉。一般廣義上將溫泉水溫度高于當?shù)啬昶骄鶞囟确Q之為溫泉，狹義上將溫泉水溫度高于25℃稱之為溫泉?；鹕交顒訁^(qū)溫泉熱水深循環(huán)過程中，由于裂隙的隨機分布，并存在巨大的壓力差導致深部熱水上涌過程中出現(xiàn)不同的表現(xiàn)形式。主要表現(xiàn)為：

火山溫泉: 這類溫泉在長白山天池火山、騰沖火山區(qū)域廣泛分布（圖3）。溫泉水主要來自于大氣降水，在地下水下滲過程中，通過熱源加熱，形成溫泉水。表現(xiàn)為地下熱水沿裂隙涌出地表，溶解于水中的氣體源源不斷地遷移釋放。泉水中富含 Ca2+、Na+、Mg2+、CO32-和SO42-等多種離子，水質(zhì)或清澈或渾濁。

火山沸泉: 一般把溫泉水溫度達到當?shù)胤悬c涌出的熱水稱為沸泉。該泉熱水表面類似開水咕嘟狀，并釋放出大量熱蒸汽。這類泉點大都分布在騰沖火山地區(qū)，這些泉點水量大，氣量足，溫度高，目前有20多個。其中尤以大滾鍋沸泉為代表，該沸泉形成于某次強烈的水熱爆炸，形成洼地熱水池，熱水自地下通道上涌，呈沸溢狀。大滾鍋泉水溫95℃左右，接近于沸點，泉水中心呈沸騰狀，熱氣蒸騰（圖4），現(xiàn)已成為熱海著名的景點。

水熱爆炸: 是指飽和熱水或過飽和熱水由于處于外來因素導致超壓狀態(tài)下，體積迅速膨脹，并爆破上覆蓋層的一種水熱活動。多表現(xiàn)為蒸汽熱水流夾雜著砂石噴射。其主要分布在騰沖火山熱海地區(qū)，它是全國少有的水熱爆炸區(qū)。歷史上就有紀錄，近年來，熱海地區(qū)水熱爆炸已達10余次（圖5）。

間歇噴泉: 顧名思義是由熱水夾帶蒸汽以一定的時間間隔反復向高空排放的熱泉現(xiàn)象。在騰沖龍陵的邦臘掌存在有間歇噴泉。

圖3 長白山天池火山口湖濱溫泉

圖4 騰沖火山熱海大滾鍋沸泉

圖5 騰沖火山熱海水熱爆炸蒸汽噴發(fā)與碎屑錐

圖6 長白山天池火山聚龍泉群硫華

泉華: 當?shù)責崴砍龅乇恚捎趬毫档?，溫度驟變，溶解在熱泉中的礦物質(zhì)發(fā)生沉淀，并堆積在泉口的這種疏松多孔物質(zhì)叫泉華。泉華包括鈣華，硫華和硅華等。由于泉華的礦物成分、沉淀數(shù)量和泉口差異，使得泉華形態(tài)多姿多彩，或壯觀或絢麗。例如長白聚龍泉表面覆蓋有大量的硫華，主要是熱水中含有大量硫化物，溢出地表凝結(jié)成硫黃晶體，堆積在泉口表面，異常艷麗（圖6），它是火山高溫地熱的主要標志。

中國火山溫泉研究概況及主要研究成果

1.研究概況

火山溫泉是火山流體研究的主要媒介?；鹕搅黧w釋放是活火山的重要特征。研究火山流體活動可獲得與火山活動有關(guān)的地下巖漿活動和現(xiàn)代構(gòu)造活動的重要信息。一般來說，世界各國都非常重視火山溫泉的研究。一方面，火山溫泉氣體含有大量溫室氣體，具有危害性（表1）；另一方面，火山溫泉含有大量的來自深部的氣體及揮發(fā)組分，火山臨界噴發(fā)期間，利用溫泉熱水釋放信息可識別出短臨預報信息。例如，1980年5月18日沉寂123年的圣海倫斯火山噴發(fā)。噴發(fā)前，深部來源氣體He、CH4、CO2和H2S等出現(xiàn)異常釋放，通過連續(xù)的深源地熱流體指標監(jiān)測對成功預測該火山短臨活動提供了實際的評判依據(jù)。

我國火山學研究起步晚，作為火山學之一的火山流體地球化學研究也不例外。目前在若干火山區(qū)開展了火山流體研究工作，并相繼建立了火山流體觀測系統(tǒng)，開展了火山活動區(qū)地熱流體的流動與連續(xù)觀測。通過大量的資料收集，火山區(qū)域地質(zhì)背景，地熱流體區(qū)域構(gòu)造環(huán)境調(diào)查與研究，熱水及逸出氣體樣品測試分析，結(jié)合形變學、地震學等研究，開展了一系列研究工作。

表1 代表性與火山氣體有關(guān)的火山災害

2.主要研究成果

自20世紀90年代我國正式開展火山學研究以來，在上述三大火山區(qū)內(nèi)，對其分布的溫泉熱水系統(tǒng)進行了大量的探測，對火山中心區(qū)域和外圍的溫泉群進行了大量的采樣、分析與測試研究。主要研究成果有：

1）大致了解了中國三大火山區(qū)現(xiàn)代流體活動的空間分布與活動特征。示蹤了三大火山區(qū)地熱水成因，建立了火山區(qū)域地溫場。示蹤了與火山活動有關(guān)的現(xiàn)代流體釋放點逸出氣體來源。例如，火山區(qū)域所有的現(xiàn)代流體釋放中均檢測到幔源氣體組分，由于所處構(gòu)造環(huán)境不同，其釋放特征存在差異。這些幔源物質(zhì)可能與地下巖漿體的脫氣作用有關(guān)，逸出氣體中幔源物質(zhì)的釋放量與火山活動的中心距離呈正相關(guān)?？傮w上幔源物質(zhì)釋放量由高到低依次為長白山天池火山、騰沖火山和五大連池火山。

2）建立了三大火山區(qū)地熱水釋放點稀有氣體氦及其同位素比值的空間分布場，示蹤地下巖漿流體活動。大致掌握了已知火山區(qū)現(xiàn)代溫泉群的釋放類型與活動類型。確立了各火山區(qū)域深部氣體釋放強度分布圖，對巖漿活動性進行了明確的數(shù)據(jù)追蹤。如給出了騰沖地區(qū)現(xiàn)代幔源巖漿揮發(fā)性組分的范圍與釋放中心的位置。通過火山區(qū)的氦同位素填圖，給出了騰沖火山區(qū)幔源揮發(fā)分釋放的時空分布圖。

3）促進了火山流體地球化學與環(huán)境學、氣候?qū)W等學科的交叉綜合發(fā)展。開展了溫室氣體通量變化與環(huán)境的演化研究和低平火口湖沉積學等學科的研究工作。追根溯源，以古鑒今，為改善環(huán)境變化提供理論依據(jù)。交叉學科的發(fā)展大大推進了火山學的應用與推廣。如目前利用相關(guān)數(shù)模，依據(jù)已有研究成果計算了長白山天池火山、騰沖火山和五大連池火山的溫泉氣體排放通量，獲得了觀測基線值。

4）三座火山活動危險性科學評價。利用火山流體地球化學研究火山區(qū)地下巖漿活動機理，將中國火山活動危險性分為以下三類：①最具火山噴發(fā)危險性火山—長白山天池火山。②存在潛在的噴發(fā)危險火山——騰沖火山。③有潛在活動可能性的火山——五大連池火山。如長白山天池火山是中國最大的一座近代活動火山，其中長白山天池是千百年來火山噴發(fā)的固定通道，說明地下深部存在巖漿體，并得到連續(xù)不斷的供給。一方面圍繞火山口周圍眾多的瀑布、星羅棋布的溫泉和廣袤無垠的森林向人們展示火山的美，另一方面長白山天池火山周圍綿延數(shù)百千米的火山碎屑流顯示了天池火山噴發(fā)的巨大威力。研究顯示，天池火山下方的巖漿體仍然存在活動性，具有再次噴發(fā)的可能性，需要關(guān)注。

結(jié) 語

火山溫泉既具有極大的觀賞性又是火山資源重要的儲備庫,同時火山溫泉也是研究火山噴發(fā)活動的有效途徑。火山溫泉流體監(jiān)測研究從無到有走過了30年。這30年的發(fā)展得到了國家和各級部門的大力支持，這得益于國家的經(jīng)濟發(fā)展和科技支撐?，F(xiàn)有科研工作已取得了重要成果，產(chǎn)出了一批具有高質(zhì)量的、重要應用價值的基礎數(shù)據(jù)、基礎圖件，并在我國火山流體監(jiān)測臺網(wǎng)建立等方面得到了很好的應用和推廣。在經(jīng)濟社會發(fā)展和人口逐漸城市化的今天，火山監(jiān)測研究在國家防災安全監(jiān)控方面越來越重要。實踐證明，開展火山溫泉流體監(jiān)測研究對于預測火山噴發(fā)、減輕火山噴發(fā)危害有重要的指示作用。通過對中國火山溫泉等多學科全方位的綜合監(jiān)測，不斷提升我國火山科學監(jiān)控水平，為構(gòu)建安全中國、服務大眾做出應有的貢獻。