中國東北新生代火山區(qū)CO2釋放規(guī)模與成因

趙文斌 郭正府 劉嘉麒 張茂亮 孫玉濤 雷鳴 馬琳 李菊景

1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，新生代地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 北京 1000292.中國科學院生物演化與環(huán)境卓越創(chuàng)新中心, 北京 1000443.中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 1000494.天津大學表層地球系統(tǒng)科學研究院, 天津 3000725.河北地質(zhì)大學地球科學學院, 石家莊 0500316.中國科學院廣州地球化學研究所，同位素地球化學國家重點實驗室, 廣州 5106401.

大量研究表明，地球系統(tǒng)通過板塊俯沖作用可以將大量殼源物質(zhì)攜帶進入深部地幔(Liuetal., 2019; Plank and Manning, 2019)，而火山作用在促進地球不同圈層物質(zhì)能量交換(郭正府等, 2010)的基礎上，會將大量深部碳輸送到大氣圈中(M?rner and Etiope, 2002; Burtonetal., 2013)，并影響著全球長時間尺度的氣候與環(huán)境變化(Sleep and Zahnle, 2001; Dasgupta, 2013; Huntetal., 2017; McKenzie and Jiang, 2019)。地質(zhì)歷史時期的五次生物大滅絕事件被認為與火山作用造成的地球系統(tǒng)碳循環(huán)擾動有密切聯(lián)系(Reichowetal., 2009; Rampino, 2010; Bond and Grasby, 2017)，白堊紀至新生代早期(140～50Ma)的高溫事件也被認為可能與當時大規(guī)模的火山活動有關(Leeetal., 2013; Lee and Lackey, 2015)。然而，在現(xiàn)今地球系統(tǒng)碳循環(huán)及未來氣候預測模型等研究中，地球深部碳的貢獻遠被低估，原因在于深部碳循環(huán)在短時間尺度對氣候、環(huán)境的影響還存在爭議，且不同模型計算的深部碳釋放通量結(jié)果差別較大(Sano and Marty, 1995; Kerrick, 2001; M?rner and Etiope, 2002; Kelemen and Manning, 2015; Lee and Lackey, 2015; Plank and Manning, 2019; Wongetal., 2019)，獲得準確的深部碳釋放通量數(shù)值需依賴大量野外實地觀測與模型計算結(jié)果的結(jié)合(Burtonetal., 2013; Aiuppaetal., 2019; Fischeretal., 2019)。然而，目前這方面的研究還很薄弱。

地球物理層析成像研究顯示，西太平洋板塊俯沖至我國東部的地幔過渡帶深度(Richard and Iwamori, 2010; Zhaoetal., 2011; Liuetal., 2017)，并被認為是導致該區(qū)新生代火山作用的主要原因(Kuritanietal., 2011, 2019; Xuetal., 2012b; Wangetal., 2015; Yang and Faccenda, 2020)。新生代玄武巖輕Mg同位素及重Fe、Zn同位素研究成果均表明，我國東北上地幔含有較高比例的再循環(huán)殼源碳組分，東北亞上地幔被認為是一個新生代全球規(guī)模的巨型深部碳庫(Liuetal., 2016; Lietal., 2017; Li and Wang, 2018; Xuetal., 2018; Heetal., 2019)。以往的氣體地球化學研究證實(郭正府等, 2010，2014)，東北新生代火山氣體的成分與成因機制研究是示蹤該深部碳庫活動性及其規(guī)模的有效手段。目前，東北新生代火山區(qū)存在強烈的巖漿脫氣現(xiàn)象，并通過溫泉、土壤微滲漏等形式向當今大氣圈釋放大量的CO2氣體，進一步證實該深部碳庫目前正處于活動狀態(tài)(郭正府等, 2014; Zhangetal., 2015; Zhaoetal., 2019; Sunetal., 2020)。盡管前人已對東北地區(qū)部分火山區(qū)進行了火山碳釋放通量的零星調(diào)查，但是，東北新生代火山區(qū)的深部碳釋放規(guī)模，至今尚不清楚(郭正府等, 2014; Zhangetal., 2015; Zhaoetal., 2019；Sunetal., 2020)。定量研究中國東北新生代火山區(qū)深部碳釋放的規(guī)模及其演變特征，對于有效地評估東北亞深部碳庫在全球變化研究中的地位和作用具有重要的意義。

本文在對我國東北新生代火山區(qū)CO2的釋放特征進行大量野外考察與實地觀測的基礎上，結(jié)合火山氣體的同位素地球化學模擬計算結(jié)果，估算了東北新生代火山區(qū)的深部碳釋放規(guī)模，并探討了火山區(qū)CO2釋放的成因機制，在此基礎上，提出了東北新生代火山區(qū)碳釋放的成因模式。

圖1 東北新生代火山巖及溫泉分布簡圖(據(jù)Zhao et al., 2019修改)(a)東北新生代火山區(qū)分布示意圖;(b)長白山火山區(qū)溫泉分布圖;(c)阿爾山火山區(qū)溫泉水熱活動分布圖;(d)五大連池火山區(qū)冷泉分布圖Fig.1 Sketch maps showing the distribution of Cenozoic volcanic rocks and springs in NE China (modified after Zhao et al., 2019)(a) Cenozoic volcanic fields in NE China; (b) hot springs in Changbaishan volcanic field; (c) hydrothermal activities in Aershan volcanic field; (d) cold springs in Wudalianchi volcanic field

1 地質(zhì)概況及火山氣體的釋放特征

我國東北地區(qū)的松遼盆地自中生代以來經(jīng)歷了廣泛的陸內(nèi)裂谷作用(Tianetal., 1992; Liuetal., 2001; Renetal., 2002)，內(nèi)部普遍發(fā)育伸展斷裂，地殼及巖石圈地幔呈現(xiàn)中間薄、周邊厚的特征(Zhangetal., 2014)。新生代以來，東北地區(qū)的火山活動較強烈，形成了長白山、五大連池和阿爾山等多個火山區(qū)(Fan and Hooper, 1991; Liuetal., 2001)。火山的數(shù)量接近600座，火山巖的出露面積超過60000km2(Liuetal., 2001; 陳霞玉等, 2014)；火山噴發(fā)物的成分以玄武質(zhì)熔巖為主，構成了歐亞大陸東緣新生代板內(nèi)火山活動帶的重要組成部分(Liuetal., 2001)。地球物理及火山巖地球化學的研究表明，大興安嶺-太行山重力梯度帶以東新生代火山區(qū)的成因與太平洋板片的深俯沖作用有關(Kuritanietal., 2019; Yang and Faccenda, 2020)。為深入理解東北新生代火山區(qū)深部碳釋放的規(guī)模和特征，本文選取了分別位于松遼盆地東側(cè)、中部及西側(cè)的長白山、五大連池和阿爾山火山區(qū)(圖1a)，開展了火山碳釋放調(diào)查與氣體來源、演化的對比研究。

1.1 長白山火山區(qū)

長白山火山區(qū)位于華北克拉通東北緣，距離西太平洋島弧帶的直線距離約1400km，是我國東部新生代板內(nèi)火山作用的典型代表(Zhangetal., 2018; Fan and Chen, 2019)。區(qū)內(nèi)大規(guī)模的火山活動始于中新世早期的玄武質(zhì)熔巖噴發(fā)，在早更新世達到頂峰，形成了以天池火山口為中心、直徑約50～60km的玄武質(zhì)熔巖臺地(Zhangetal., 2018)。構成長白山天池火山巨大錐體的粗面巖、堿流巖等形成于晚更新世(Zhangetal., 2018)。此后，天池火山經(jīng)歷了多次不同規(guī)模的噴發(fā)，其中“千年大噴發(fā)”是過去千年以來人類已知最強烈的火山活動之一(Oppenheimer, 2003)。長白山天池火山被認為是一座具有潛在噴發(fā)危險的火山(Weietal., 2013)?；鹕奖O(jiān)測記錄顯示天池火山在2002～2005年間曾處于異?；顒悠?劉國明等, 2011; Zhangetal., 2018)；地球物理研究也顯示火山深部存在高溫地殼巖漿房(Kimetal., 2017)；火山及其周邊水熱活動劇烈，分布著包括湖濱溫泉帶、聚龍溫泉、錦江溫泉在內(nèi)的多個溫泉群(圖1b)，反映了深部高溫巖漿房的不斷加熱烘烤與巖漿脫氣作用。

湖濱溫泉帶位于長白山天文峰下的天池湖濱，沿東西方向延伸約500m，寬約50m，溫泉數(shù)量眾多，呈星散狀分布，最高水溫可達33℃，溫泉所在水域冬季不結(jié)冰(高玲等, 2010)；此外，朝鮮境內(nèi)將軍峰下的天池湖濱有一條長約900m的溫泉帶(楊清福等, 2018)。聚龍溫泉群位于長白瀑布以北的峽谷內(nèi)，在面積約3500m2的范圍內(nèi)分布著超過140處溫泉，最高水溫可達75℃；2002～2005年天池火山巖漿異?；顒悠陂g，聚龍溫泉水溫整體升高2～3℃，同時逸出氣CO2含量、幔源He含量也同步升高，被認為是深部巖漿擾動的指示(劉國明等, 2011; Zhangetal., 2018)。錦江溫泉群位于天池火山西坡錦江峽谷內(nèi)，20余眼溫泉密集分布在面積約40m2的范圍內(nèi)，氣體呈翻花狀逸出，最高水溫達57℃(李婷等, 2015)。此外，在天池火山錐體外圍地區(qū)出露十八道溝溫泉及藥水泉等氣體釋放區(qū)(Zhangetal., 2015, 2018)。

1.2 五大連池火山區(qū)

五大連池火山區(qū)位于東北松遼盆地北緣，距離西太平洋島弧帶約1800km(Zhaoetal., 2014)。區(qū)內(nèi)大規(guī)模玄武質(zhì)火山噴發(fā)始于中晚更新世，形成筆架山、臥虎山、焦得布山及龍門山等火山，距今最近的一次噴發(fā)發(fā)生在約300年前(公元1719～1721年)，形成老黑山與火燒山(Zhaoetal., 2014)?；鹕絽^(qū)內(nèi)14座火山的分布受NE及NNE向斷裂的控制，屬于典型的陸內(nèi)裂谷型火山(圖1d; 毛翔等, 2010; Zhaoetal., 2014, 2019)。地球物理研究顯示，火山區(qū)東北部尾山下方存在熔融的殼內(nèi)巖漿房，并構成深部巖漿持續(xù)補給體系(Lietal., 2016; Gaoetal., 2020)。

五大連池與長白山火山區(qū)顯著不同之處在于，該火山區(qū)無明顯的溫泉氣體釋放(Maoetal., 2009; Zhaoetal., 2019)。相反，沿著火山熔巖流側(cè)翼及火山錐體邊緣分布有多處冷泉，大多數(shù)水溫常年低于10℃(圖1d)。翻花泉、北飲泉和南飲泉位于藥泉山東側(cè)，泉水溫度介于5～16℃之間。樺林沸泉位于火燒山東側(cè)，夏季水溫介于18～24℃之間，冬季水溫接近0℃。在臥虎山以南約6km的永安村、永遠村出露著超過10眼冷泉，水溫介于5～8℃，無明顯氣泡逸出現(xiàn)象(冷泉群2, 圖1d)。前人研究表明，五大連池深部地幔仍在持續(xù)向地表逸散富含CO2的火山氣體(Xuetal., 2013; Zhaoetal., 2019)。

1.3 阿爾山火山區(qū)

阿爾山火山區(qū)位于大興安嶺-太行山重力梯度帶中段的西緣，距西太平洋島弧帶約2100km(圖1a; 樊祺誠等, 2015)。該區(qū)古生代至中生代以變質(zhì)的火成-沉積巖為主，含少量石灰?guī)r及碎屑巖，區(qū)內(nèi)花崗巖遍布；新生代火山活動主體始于更新世，形成28座沿NE向斷裂分布的火山錐體，火山巖面積達1000km2(趙勇偉等, 2008)。第四紀火山巖沿河谷不整合覆蓋在侏羅紀火山-侵入巖之上(Geetal., 2005; Wuetal., 2011)，其中，全新世火山噴發(fā)形成高山、焰山兩座保存較為完好的火山錐(白志達等, 2005)。

阿爾山是東北地區(qū)除長白山外又一處水-熱活動較強烈的新生代火山區(qū)，區(qū)內(nèi)溫泉沿火山群以西的山谷星狀分布(圖1c)。其中，阿爾山溫泉群位于阿爾山市高勒河谷內(nèi)，沿NNW向斷裂帶東側(cè)分布，水溫最高可達41℃，此外，在溫泉群周邊區(qū)域，還分布有多個低溫礦泉帶(Guetal., 2017)。銀江溝溫泉群位于阿爾山市東北約10km的山谷中，水溫約37℃，并伴有成分以N2為主的氣體逸出，水化學類型為堿性富碳酸氫鈉型(韓湘君等, 2001)。金江溝溫泉群位于阿爾山市以東25km處的河谷中，與區(qū)內(nèi)新生代火山距離最近，溫度介于25～37℃之間，伴有大量氣泡逸出，水化學類型以堿性碳酸-硫酸氫鈉型為主，溫泉群所在的區(qū)域的圍巖為侏羅紀花崗巖。在火山群中西部哈拉哈河三潭峽至金江溝之間的河段，冬季不結(jié)凍，稱為“不凍河”(圖1c)，被認為是地下熱能釋放的表現(xiàn)(白志達等, 2005)。

2 火山碳釋放通量測量與氣體采樣、測試方法

野外調(diào)查顯示，東北新生代火山區(qū)主要通過土壤微滲漏和溫泉逸出氣兩種形式向大氣圈釋放溫室氣體(郭正府等, 2014; Sunetal., 2018)。密閉氣室法是目前國際通用的土壤微滲漏CO2釋放通量測量方法，已被廣泛地應用于火山區(qū)、泥火山區(qū)以及農(nóng)田等地區(qū)的土壤微滲漏碳釋放調(diào)查研究(Chiodinietal., 1998)。本文的土壤微滲漏CO2釋放數(shù)據(jù)均通過此方法測量獲得，測量儀器為WEST土壤碳通量儀及便攜式CO2紅外分析儀，在火山區(qū)CO2釋放調(diào)查中，上述兩種儀器獲得的數(shù)據(jù)已被證明在誤差范圍內(nèi)一致(Wenetal., 2011; Zhangetal., 2015)，并利用溫度計測得各點的土壤溫度?；鹕絽^(qū)溫泉逸出氣通量采用GL-103B型數(shù)字皂膜流量計進行測量(張茂亮等, 2011)。

火山區(qū)內(nèi)溫(冷)泉逸出氣采用排水法進行收集。將集氣漏斗倒置于溫(冷)泉逸出氣泡之上并沒入水中，連接管線，利用進入的氣體沖洗連接裝置約5～10分鐘，以減少管內(nèi)殘留空氣對樣品的污染。采樣時，將裝滿泉水的集氣瓶倒立并沒入水中，進行取樣。采集的氣體樣品在中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心進行地球化學分析，測試項目包括氣體化學全組分、碳同位素、氮同位素及氦同位素。氣體全組分測試采用的儀器為MAT271氣體成分質(zhì)譜，儀器檢測范圍為0.01%～100%(Zhangetal., 2015)，當氣體組分中烴類(例如，CH4，C2H6等)含量較高時，采用氣相色譜聯(lián)用進行校正。氣體的碳同位素比值(δ13CCO2)和氮同位素比值(δ15NN2)分別采用Delta Plus XP和MAT253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀進行測定。氦同位素(3He/4He比值，4He/20Ne比值)采用Noblesse SFT稀有氣體同位素質(zhì)譜進行測定(Zhaoetal., 2019)。

圖2 五大連池火山區(qū)土壤CO2釋放通量分布圖(a, “+”代表土壤微滲漏測量點)及土壤CO2釋放通量沿CC′剖線分布狀況(b)Fig.2 Isogram showing distribution of soil CO2 fluxes in Wudalianchi volcanic field where the spots of soil CO2 emission are represented by “+” (a) and CO2 emissions across the transect line C-C′ (b) in Fig.2 (a)

3 東北新生代火山區(qū)的深部碳釋放通量

當前，火山氣體觀測成為研究地球深部碳庫的重要方法，已逐漸發(fā)展為了解深部碳庫規(guī)模及其活動性的“探針”和“窗口”(郭正府等, 2010, 2014)。本文所研究的3個新生代火山區(qū)的溫泉氣體，以中低溫釋放特征為主(郭正府等, 2014; 趙文斌等, 2018)。長白山和五大連池火山氣體的地表顯示特征較強烈，氣體成分以CO2為主(Zhangetal., 2015; Zhaoetal., 2019)；阿爾山火山區(qū)的氣體成分以N2為主，由于植被覆蓋嚴重，研究程度低，目前尚未開展火山溫室氣體釋放通量的野外觀測與研究。

3.1 長白山火山區(qū)

長白山火山區(qū)的深部碳釋放類型，包括天池復合火山錐體及分布在外圍熔巖臺地上眾多單成因火山的深部碳釋放(Sunetal., 2018, 2020; Zhangetal., 2018)。前人曾對長白山天池火山錐體西坡及北坡進行土壤CO2釋放測量，分別獲得了19.4g·m-2·d-1(Zhangetal., 2015)和22.8g·m-2·d-1(Wenetal., 2011)的通量，但由于測量區(qū)域僅限于火山錐體頂部，不能全方位代表整個火山區(qū)深部碳的釋放狀況。隨后，Sunetal. (2020)對區(qū)內(nèi)不同類型的火山進行了土壤CO2釋放系統(tǒng)調(diào)查與觀察研究，結(jié)果表明，天池復合成因火山錐體外圍的土壤CO2平均釋放通量(41.2g·m-2·d-1)高于周邊熔巖臺地單成因火山區(qū)平均釋放通量(9.6g·m-2·d-1)。

前人研究表明，長白山火山區(qū)的湖濱溫泉、聚龍溫泉、錦江溫泉等每年通過逸出氣的形式釋放CO2氣體約6.9×104t(張茂亮等, 2011)。天池火山錐體高海拔地區(qū)植被較稀疏，CO2釋放通量接近(Wenetal., 2011; Zhangetal., 2015)，結(jié)合其土壤微滲漏面積(110km2)，火山錐體每年釋放CO2氣體約7.8×105t(郭正府等, 2014)。Sunetal. (2020)通過系統(tǒng)觀測，獲得天池火山錐體外圍單成因火山區(qū)CO2釋放通量為9.4×104t·y-1。此外，錐體外圍熔巖臺地上的圓池瑪珥湖系統(tǒng)每年釋放CO2約176t(Sunetal., 2018)。因此，長白山火山區(qū)向大氣圈釋放CO2的總通量約為0.94Mt·y-1(表1)。

表1 長白山火山區(qū)CO2氣體釋放通量估算結(jié)果

表2 五大連池火山區(qū)土壤CO2釋放通量估算結(jié)果

3.2 五大連池火山區(qū)

五大連池區(qū)內(nèi)的老黑山火山最近一次噴發(fā)發(fā)生在約300年前，火山錐體東南坡植被覆蓋率較低，是土壤碳釋放觀測的理想?yún)^(qū)域。前人采用密閉氣室法在老黑山南坡進行了兩次土壤CO2釋放調(diào)查，分別獲得了10.3g·m-2·d-1(郭正府等, 2014)和11.8g·m-2·d-1(Zhaoetal., 2019)的通量數(shù)據(jù)。由于單成因火山區(qū)釋放通量具有復雜性，選取某個區(qū)域進行土壤CO2釋放測量通常不能代表整個火山區(qū)的釋放狀況，因此，Zhaoetal. (2019)對全區(qū)具有代表性的區(qū)域進行了較全面的通量調(diào)查，查明五大連池全區(qū)CO2氣體平均釋放通量為18.7g·m-2·d-1，與長白山火山錐體釋放通量接近(19.4g·m-2·d-1, Zhangetal., 2015)。在上述野外觀測研究的基礎上，本文基于Surfer軟件，繪制了五大連池火山區(qū)的土壤CO2釋放通量空間分布圖(圖2a)，并采用統(tǒng)計學方法，分別獲得土壤釋放背景值(0～5g·m-2·d-1)、混合(5～60g·m-2·d-1)及地質(zhì)源(60～162g·m-2·d-1)三種不同來源CO2釋放通量所代表的面積，從而估算出五大連池火山區(qū)每年通過土壤微滲漏向大氣圈釋放CO2氣體約1.2Mt(表2)。

五大連池火山區(qū)土壤CO2釋放通量的空間分布極不均勻(圖2a)，本文認為主要受以下因素的影響：

(1)斷裂分布：斷裂系統(tǒng)可以為深源氣體的上升運移提供通道，土壤CO2(以及Rn、Hg、H2等)釋放調(diào)查成為火山區(qū)及構造活動區(qū)斷裂識別的有效手段(Williams-Jonesetal., 2000; Hutchisonetal., 2015; Zhouetal., 2016)。五大連池是典型的陸內(nèi)裂谷型火山區(qū)，斷裂系統(tǒng)為區(qū)內(nèi)更新世-全新世的火山活動提供了巖漿上涌的通道(Maoetal., 2009; Zhaoetal., 2014)。土壤CO2釋放通量分布顯示，通量高值呈現(xiàn)明顯的“點狀分布”特征(圖2a)，并與區(qū)內(nèi)主要斷裂的分布具有較緊密的關系，例如，筆架山與藥泉山兩側(cè)通量值均較高(CC′剖線)，推測可能與通過該區(qū)的隱伏斷裂有關(圖1d、圖2b)。

(2)地下水的分布：五大連池火山區(qū)內(nèi)冷泉廣布(圖1d)，藥泉山以東至石龍河西岸的區(qū)域，地下水深度較淺，部分地方不足1m，水中HCO3-離子濃度高達1590mg/L(Maoetal., 2009)。土壤CO2高通量區(qū)與地下水分布區(qū)一致，特別是冷泉群1附近，測到了區(qū)內(nèi)最高通量值(162g·m-2·d-1; 圖2)，這表明火山氣體在沿斷裂上升的過程中溶于地下水，并沿薄弱帶通過土壤微裂隙釋放至大氣中。

圖3 東北新生代火山區(qū)氣體CO2-3He-4He圖解(a)與3He/4He-(He/Ne)M/(He/Ne)ASW圖解(b)(底圖據(jù)Zhao et al., 2019修改)實心圖例為本文數(shù)據(jù), 空心數(shù)據(jù)引自Zhang et al. (2015), Zhao et al. (2019)及其中的文獻; 圖7、圖8數(shù)據(jù)來源同此圖Fig.3 Ternary plot of CO2-3He-4He (a) and 3He/4He vs. (He/Ne)M/(He/Ne)ASW (b) for the spring gases from Cenozoic volcanic fields in NE China (base map after Zhao et al., 2019)Filled and open symbols represent, respectively, data in this study and previous studies in Zhang et al. (2015), Zhao et al. (2019) and references within; Data source in Fig.7 and Fig.8 are same as in this figure

(3)巖漿活動及巖石滲透率：以往研究表明，火山最后一次噴發(fā)距今越近，區(qū)內(nèi)土壤CO2平均釋放通量往往越大(Caracausietal., 2015)。老黑山是五大連池火山區(qū)內(nèi)最新噴發(fā)的火山之一，然而其東南坡釋放通量(11.8g·m-2·d-1)低于全區(qū)通量(18.7g·m-2·d-1, Zhaoetal., 2019)。大地電磁研究結(jié)果顯示，老黑山-火燒山下方存在固結(jié)巖漿形成的高阻體(詹艷等, 2006)，因此，推斷五大連池老黑山-火燒山在約300年前最后一次噴發(fā)后整體趨于平靜(Zhaoetal., 2019)。值得注意的是，盡管地球物理研究結(jié)果顯示火山區(qū)東北部尾山下方中上地殼存在熔融程度較高的巖漿房，并存在深部巖漿的持續(xù)補給(Lietal., 2016; Gaoetal., 2020)，但本文并未發(fā)現(xiàn)該區(qū)土壤CO2釋放存在高異常的特征。此外，相對于滲透性強的火山碎屑物，致密的熔巖更不利于深源CO2氣體的逸散(Hutchisonetal., 2015)，老黑山南坡表層覆蓋松散的火山渣，其下部為較厚且致密的玄武質(zhì)熔巖流，阻止了深源CO2向地表的逸散，因而造成該地區(qū)整體通量值偏低。

上述特征表明，火山區(qū)CO2釋放受到多個因素的影響。因此，充分考慮研究區(qū)內(nèi)不同地質(zhì)要素(例如，斷裂帶、地下水、火山巖覆蓋等)的分布特征，進行碳觀測的點位布設，從而使獲得的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計學意義，也更接近全區(qū)釋放通量的真實值(Chiodinietal., 1998; Sunetal., 2018; 2020; Zhaoetal., 2019)。

上述火山碳觀測的結(jié)果顯示，長白山火山區(qū)土壤CO2釋放通量介于9.6～41.2g·m-2·d-1之間，每年向大氣圈釋放CO2的量約為0.94Mt(表1)；五大連池火山區(qū)土壤CO2釋放通量介于10.3～18.7g·m-2·d-1之間，每年向大氣圈釋放CO2的量約為1.2Mt(表2)。東北新生代火山區(qū)CO2的釋放總通量為2.1Mt·y-1，約為騰沖火山區(qū)(4.5Mt·y-1, Zhangetal., 2016)或東非大裂谷Magadi-Natron盆地(4.0Mt·y-1, Leeetal., 2016)CO2釋放通量的一半，接近全球火山活動CO2釋放通量的0.4%(540Mt·y-1, Burtonetal., 2013)。值得注意的是，東北地區(qū)新生代火山活動規(guī)模較大(Liuetal., 2001; 陳霞玉等, 2014)，隨著觀測研究的持續(xù)開展和進一步深入，溫室氣體的釋放規(guī)模的數(shù)據(jù)將是巨大且不容忽視的。

4 東北新生代火山氣體的成因

本文采集了五大連池樺林沸泉、翻花泉和阿爾山金江溝溫泉的氣體樣品(圖1)，用于氣體化學組分和C-N-He同位素測試(表3)，結(jié)合前人數(shù)據(jù)探討了火山氣體的來源及其深部演化過程。

4.1 火山氣體的地球化學特征

4.1.1 長白山火山區(qū)

長白山火山區(qū)聚龍、錦江和湖濱溫泉群靠近天池破火山口，逸出氣具有相似的地球化學特征，氣體組分以CO2為主，平均含量分別為95.7%、90.0%及 85.3%(Zhangetal., 2015)。氣體3He/4He比值介于2.38～6.32RA之間，均值為5.0RA(圖3b)，低于上地幔的氦同位素平均組成(8±1RA, Hilton and Craig, 1989)，與島弧火山氣體3He/4He比值基本一致(5.37±1.87RA, Hiltonetal., 2002)，表現(xiàn)出殼幔物質(zhì)混合的特征，且以幔源為主(圖3b)。溫泉氣體δ13CCO2值為-7.9‰～-1.6‰(圖4a)，與俯沖帶火山氣體的δ13C值范圍一致(Zhangetal., 2015)。火山氣體CO2/3He比值范圍較大，介于2.4×108～1.4×1012之間(圖3a、圖4a)，部分樣品CO2/3He比值低于上地幔值(1.5×109, Sano and Marty, 1995)，被認為與氣體上升過程中方解石沉淀造成的He-CO2分餾有關(Hahmetal., 2008; Zhangetal., 2015)。距離火山口較遠的十八道溝溫泉CO2含量為7.9%，以N2為主(87.5%)，具有相對較高的He含量(1.71%)，同時氣體較低的3He/4He比值(0.85RA)和較輕的δ13CCO2值(-12.3‰)，指示了陸殼物質(zhì)對火山氣體成分的影響(Zhangetal., 2015)。

4.1.2 五大連池火山區(qū)

五大連池火山區(qū)冷泉氣體與長白山的溫泉氣體呈現(xiàn)出相似的地球化學特征。火山氣體中CO2含量較高(76.7%～96.5%)，O2含量較低(低于3.66%)，顯示受空氣混染的程度較小?；鹕綒怏w的3He/4He比值介于1.88～3.87RA之間，均值為3.0RA，明顯高于地殼成因氣體的3He/4He比值(0.05 RA, Lupton, 1983)，低于地幔(8±1RA, Hilton and Craig, 1989)與大陸巖石圈地幔(6.1±0.9RA, Gautheron and Moreira, 2002)，顯示出殼?；旌咸卣?Maoetal., 2009; Xuetal., 2013; Zhaoetal., 2019)。冷泉氣體δ13CCO2值為-8.8‰～-3.1‰，與島弧火山氣體的碳同位素成分一致(-9.1‰～-1.3‰, Sano and Marty, 1995)。相比于長白山火山區(qū)的溫泉氣體，五大連池冷泉氣體CO2/3He比值偏低，介于9×107～9.8×1010之間(圖3a、圖4a)。由于低溫下CO2相較于He在水中的溶解度更高(Stephen and Stephen, 1963)，五大連池火山區(qū)泉水溫度普遍較低，深源CO2氣體在上升過程中更多的溶于水，因此造成了五大連池火山氣體的CO2/3He比值較低(Zhaoetal., 2019)。

4.1.3 阿爾山火山區(qū)

阿爾山火山區(qū)溫泉氣體以N2為主，含量介于95.8%～96.7%之間，CO2含量較低(0.12%～0.26%)，火山氣體中He(1457×10-6～3191×10-6)與Ar(1.14%～1.45%)含量較高(表3)。火山氣體N2/Ar比值(67～84)與空氣值接近(83.6, Hilton, 1996)，但O2含量(1.45%～2.01%)較低，4He/20Ne比值(152～384)遠高于空氣值(0.32, Magroetal., 2013)。上述的氣體地球化學特征表明，空氣混染沒有顯著改變該區(qū)原始氣體的成分，因此其可以用于氣體源區(qū)特征判別。阿爾山火山氣體的3He/4He比值較低，介于0.14～0.18RA之間(表3)，高于地殼成因氣體3He/4He比值(0.05RA, Lupton, 1983)，但明顯低于上地?；驇r石圈地幔的3He/4He比值，指示其源區(qū)以殼源為主。氣體δ13CCO2比值介于-13.7‰～-6.2‰之間，CO2/3He比值較低，介于2×106～5×106之間，可能與殼源有機沉積物的加入有關(圖4a)。

圖4 東北新生代火山區(qū)氣體δ13C-CO2/3He協(xié)變圖解(a，據(jù)Sano and Marty, 1995修改)δ15N-N2/He協(xié)變圖解(b, 據(jù)Sano et al., 2001; Roulleau et al., 2013修改)圖(b)中空氣、富氮有機質(zhì)與地幔端元N2/He比值分別為1.5×105、10500與150(數(shù)據(jù)引自Sano et al., 2001, Roulleau et al., 2013); 弧后玄武巖、洋島玄武巖(OIB)及典型島弧火山氣體數(shù)據(jù)引自Sano et al. (2001)Fig.4 Correlation diagramsof δ13C ratios vs. CO2/3He values (a, modified after Sano and Marty, 1995) and δ15N ratios vs. N2/He values (b，modified after Sano et al., 2001; Roulleau et al., 2013) of spring gases from Cenozoic volcanic fields in NE ChinaThe N2/He ratios for air, nitrogen-rich organic matter and mantle are 1.5×105, 10500 and 150, respectively (Sano et al., 2001; Roulleau et al., 2013); Date for back-arc basin basalts, oceanic island basalt (OIB) and island arc from Sano et al. (2001)

4.1.4 火山區(qū)氣體氮同位素(δ15NN2)

由于氮同位素可以有效示蹤富N2氣體的源區(qū)性質(zhì)(Roulleauetal., 2013)，因此火山氣體的氮同位素研究已成為近年廣泛用于源區(qū)示蹤的有效方法(Mohapatra and Honda, 2006; Mohapatraetal., 2009)。以往研究(Sanoetal., 2001; Roulleauetal., 2013)顯示，火山氣體中的氮主要來源于空氣、有機質(zhì)和地幔三個端元；通常認為，空氣的δ15N比值為0‰，有機質(zhì)為7±2‰，上地幔δ15N平均值約為-5±2‰(Sanoetal., 2001)。阿爾山溫泉氣體和五大連池冷泉氣體樣品呈現(xiàn)出較高N2含量的成分特征(表3)，采用常規(guī)地球化學手段很難準確獲得氣體來源演化的關鍵信息，因此，本文利用火山氣體氮同位素的測試數(shù)據(jù)(表3)，開展了氣體源區(qū)示蹤研究。

五大連池火山區(qū)冷泉氣體的δ15N比值介于-2.1‰～0.2‰之間(表3)，顯示明顯的幔源物質(zhì)貢獻，樣品N2/He比值變化范圍較大，介于49～1769之間(圖4b)；其中，樣品FH18中N2含量較高(22.6%, 表3)，δ15N比值為0.2‰，接近空氣，表明該樣品在氮同位素測試過程中可能受到空氣的混染。阿爾山火山區(qū)溫泉氣體以N2為主，氣體δ15N比值介于1.3‰～1.9‰之間，N2/He比值介于303～663之間(圖4b)。兩者相比，五大連池火山區(qū)冷泉氣體成分更接近地幔端元，而阿爾山火山區(qū)溫泉氣體則顯示較高比例富氮有機質(zhì)加入的特征(圖4b)。

4.2 火山氣體的成因模式

長白山和五大連池火山區(qū)溫(冷)泉氣體均以幔源為主，并受到不同程度的殼源物質(zhì)混染；阿爾山火山區(qū)溫泉氣體以殼源為主，氣體地球化學特征與前兩者明顯不同。這表明它們之間可能具有完全不同的氣體成因模式。

4.2.1 長白山和五大連池火山氣體的成因模式

氦屬于強揮發(fā)惰性氣體元素，它在流體中的溶解度遠低于其它元素(Lupton, 1983; Ozima and Podosek, 1983; Hiltonetal., 2002)。盡管幔源氦在上升過程中也會受到不同程度地殼“稀釋”作用或巖漿侵入體的影響(Sanoetal., 1984; Hilton, 2007)，但由于其上升過程中不易與其它流體發(fā)生交換反應，因此氦同位素比值一直被認為是火山氣體源區(qū)示蹤研究中的有效工具與參數(shù)(Hilton and Craig, 1989; Hiltonetal., 2002; Hilton, 2007; Zhangetal., 2015)?；鹕綒怏w從源區(qū)脫氣，通過溫(冷)泉逸出氣、土壤微滲漏等形式釋放至大氣圈，其氦同位素成分繼承了其源區(qū)的特征(Marty and Jambon, 1987)，例如，洋中脊流體樣品與玄武巖斑晶包裹體的氦同位素特征基本一致(Luptonetal., 2015)。前人通過He-C同位素的示蹤研究，認為長白山和五大連池火山氣體主要來源于古俯沖流體交代的大陸巖石圈地幔(Hahmetal., 2008; Xuetal., 2013)。但是，長白山和五大連池火山氣體氦同位素均值分別為5.0±1.0RA和3.0±0.4RA，顯著低于大陸巖石圈的氦同位素平均值(圖5)。因此火山氣體地球化學特征并非來源于巖石圈地幔。

圖5 東北新生代火山區(qū)橄欖巖包體及火山氣體3He/4He比值特征橄欖巖包體3He/4He比值數(shù)據(jù)引自Xu et al. (1998), Li et al. (2002), Kim et al. (2005), 賴勇等 (2005), Chen et al. (2007)與Hahm et al. (2008)Fig.5 Comparison of 3He/4He (RA) values between mantle xenoliths and volcanic gases from Cenozoic volcanic fields in NE China3He/4He (RA) values for mantle xenoliths are from Xu et al. (1998), Li et al. (2002), Kim et al. (2005), Lai et al. (2005), Chen et al. (2007) and Hahm et al. (2008); Average 3He/4He (RA) values, the SD (1 Standard Deviation), and the number of collected samples (N) are given for each group

如前4.1節(jié)所述，盡管長白山和五大連池火山區(qū)處于大陸板內(nèi)環(huán)境，但氣體地球化學特征與板內(nèi)地幔柱或熱點火山成因的氣體顯著不同(Luptonetal., 2015; Eguchietal., 2020)，而具有類似俯沖帶島弧巖漿揮發(fā)份的地球化學特征(Zhangetal., 2015; Zhaoetal., 2019)。例如，二者火山氣體δ13CCO2分別介于-7.9‰～-1.6‰，-8.8‰～-3.1‰之間(圖4a)，與島弧火山氣體基本一致(-9.1‰～-1.3‰, Sano and Marty, 1995)；氣體CO2/3He (×109)比值介于0.24～1400、0.09～98之間，符合島弧火山氣體三端元物質(zhì)組成的特征(圖4a; Sano and Marty, 1995; Van Soestetal., 1998)；氣體3He/4He (RA)比值與島弧火山氣體類似，具有殼幔物質(zhì)混合的特征，并以幔源為主；火山氣體CO2/N2、N2/Ar等常規(guī)組分的比值也落在俯沖帶/島弧火山氣體的范圍內(nèi)(圖6)。上述特征均表明，長白山和五大連池火山氣體很可能起源于深俯沖背景，其源區(qū)存在再循環(huán)俯沖殼源組分的貢獻(Sano and Marty, 1995; Van Soestetal., 1998)。

圖6 東北新生代火山區(qū)氣體CO2-N2-Ar三角圖解(據(jù)Sun et al., 2018修改)俯沖帶/島弧火山氣體數(shù)據(jù)引自Sano et al. (1998)Fig.6 Ternary plot of CO2-N2-Ar for the spring gases from Cenozoic volcanic fields in NE China (modified after Sun et al., 2018)Data of volcanic gases from arc volcanism in subduction zone from Sano et al. (1998)

長白山和五大連池火山氣體成分顯示，未經(jīng)歷He-CO2分餾的樣品其CO2/3He比值與3He/4He比值呈反比關系，相關系數(shù)(R2)分別為0.47和0.43(圖7a)，揭示氣體源區(qū)具有兩端元混合的特征(Poredaetal., 1988)，即“高3He/4He比值、低CO2/3He比值”特征的地幔端元和“低3He/4He比值、高CO2/3He比值”特征的俯沖再循環(huán)物質(zhì)端元的混合特征(圖7a)。由于火山氣體的CO2/3He與3He/4He比值并未完全落在地幔與俯沖再循環(huán)物質(zhì)混合的曲線上，其CO2/3He比值變化范圍較大，與大陸地殼物質(zhì)的成分相近(O’Nions and Oxburgh, 1988)，表明火山氣體在上升至地表的過程中，還伴隨不同程度陸殼物質(zhì)的加入(圖7b)。上述特征表明，起源于板塊深俯沖背景的長白山和五大連池火山氣體，在上升過程中，經(jīng)歷了俯沖再循環(huán)物質(zhì)交代和/或陸殼物質(zhì)混染的演化歷程(圖7b、圖8)。

4.2.2 長白山和五大連池火山氣體的成因差異與對比

盡管長白山和五大連池火山氣體成因模式存在相似性(Zhangetal., 2015; Zhaoetal., 2019)，但兩者的碳、氦同位素及CO2/3He比值顯著不同(圖3、圖7)，表明兩者源區(qū)組成存在差異。五大連池火山氣體較長白山3He/4He比值低，δ13CCO2比值偏輕(圖3、圖7)，表明氣體中殼源物質(zhì)貢獻比例較高。由4.2.1節(jié)討論可知，火山氣體中殼源物質(zhì)的貢獻可分為兩種方式，即源區(qū)俯沖再循環(huán)殼源物質(zhì)的交代與大陸地殼物質(zhì)混染作用(圖7、圖8)；俯沖再循環(huán)殼源物質(zhì)加入較多和/或陸殼物質(zhì)較高的混染比例，均可以解釋五大連池火山氣體的地球化學特征。

本文采用C-He同位素判別方法，開展氣體成因過程的擬合研究，并進一步提出了長白山和五大連池火山氣體的模式(圖8)，具體的方法及參數(shù)選擇參見Zhaoetal. (2019)。按照俯沖帶/島弧火山氣體的成因模式，火山氣體的源區(qū)受到俯沖板片攜帶有機質(zhì)和碳酸鹽的影響(Sano and Marty, 1995; Van Soestetal., 1998)，因此本文選擇變質(zhì)有機沉積物、碳酸鹽代表氣體源區(qū)的富集組分?；鹕綒怏w在從巖漿中脫出后上升至地表的過程中，經(jīng)過地殼及水熱系統(tǒng)時，會伴隨陸殼物質(zhì)的加入，此過程已被證實在大陸板內(nèi)火山氣體(如長白山, Zhangetal., 2015)的演化過程中具有重要意義。

圖7 東北新生代火山區(qū)氣體3He/4He (RA)-CO2/3He圖解圖中俯沖再循環(huán)物質(zhì)包括俯沖碳酸鹽(CAR)及變質(zhì)有機沉積物(OMS)Fig.7 3He/4He (RA) ratios vs. CO2/3He values for spring gases from Cenozoic volcanic fields in NE ChinaThe subducted and recycled materials in the figure include subducted carbonate (CAR) and organic metasediment (OMS)

圖8 東北新生代火山區(qū)氣體C-He同位素擬合圖解實心圖例及誤差條表示不同火山區(qū)氣體的C-He同位素平均值及標準差Fig.8 C-He isotope coupling model for spring gases from Cenozoic volcanic fields in NE ChinaAverage value and the error bar (1 Standard Deviation) of δ13C and 3He/4He (RA) of the gas samples are given for each group

在擬合過程中，首先考慮氣體初始源區(qū)的形成過程，即俯沖變質(zhì)有機沉積物、碳酸鹽與地幔混合形成火山氣體的富集源區(qū)；然后探討初始富集源區(qū)產(chǎn)生的氣體在上升過程中伴隨不同程度陸殼物質(zhì)的加入過程，其中，不同比例的陸殼變質(zhì)有機組分與陸殼碳酸鹽混合形成陸殼物質(zhì)的替代端元(圖8)。擬合結(jié)果顯示，五大連池地幔源區(qū)再循環(huán)殼源物質(zhì)參與比例相對更高(圖8)，這與其原始巖漿中相對較高的H2O和CO2含量結(jié)果是一致的(Dietal., 2020)。五大連池火山氣體上升過程中陸殼物質(zhì)加入的比例略高于長白山(圖8)，同時加入陸殼物質(zhì)的類型存在區(qū)別，五大連池火山氣體中陸殼碳酸鹽的貢獻比例相對長白山偏低，而變質(zhì)有機沉積物的參與比例相對更高(圖8)，這可能是導致火山氣體輕δ13CCO2比值的原因。

4.2.3 阿爾山火山氣體的成因

阿爾山火山區(qū)金江溝溫泉氣體成分以N2為主，CO2含量較低，具有較高的He含量(表3)；火山氣體3He/4He比值、δ13CCO2比值與CO2/3He比值均較低，δ15N比值偏重，具有富氮有機沉積物加入的特征(圖3-圖6)。上述地球化學特征與我國遼東半島、海南島及長白山十八道溝的溫泉氣體地球化學特征相似(Xuetal., 2012a, 2014; Zhangetal., 2015)。

阿爾山火山區(qū)位于大興安嶺-太行山重力梯度帶以西(圖1a; 樊祺誠等, 2015)，地殼厚度相對較大(Zhangetal., 2014)。氦同位素三元混合計算結(jié)果(圖3b)顯示，溫泉氣體中幔源物質(zhì)貢獻比例僅1.8%，主要為陸殼來源(98%)?；鹕絽^(qū)內(nèi)溫泉主要分布在新生代火山群以西的山谷中(圖1c)，周邊地勢較高(Guetal., 2017)，圍巖主體為中生代花崗巖，其U、Th元素含量較高，通過衰變反應產(chǎn)生4He子體，從而導致其具有較低的3He/4He比值和較高的He含量?；鹕絽^(qū)內(nèi)廣泛分布低程度變質(zhì)的火成-沉積巖系及第四紀沉積物，它們提供了大量有機質(zhì)。因此，本文認為阿爾山火山區(qū)幔源氣體在沿斷裂上升的過程中，在地下水中滯留的時間較長，受到較高比例陸殼物質(zhì)加入的影響，例如花崗巖源區(qū)物質(zhì)、富氮有機質(zhì)等，從而導致氣體3He/4He比值和CO2/3He比值(106級)均較低，δ13CCO2比值偏輕，且δ15N比值偏重。上述氣體地球化學特征表明阿爾山火山氣體可能并未受到俯沖太平洋板片再循環(huán)物質(zhì)的顯著影響。

5 結(jié)論

本文在對東北新生代火山區(qū)進行野外碳釋放觀測的基礎上，估算了火山區(qū)深部碳釋放的通量；并利用氣體地球化學測試結(jié)果與同位素模擬結(jié)果，探討了火山氣體的成因機制。取得了以下主要認識：

(1)東北新生代火山區(qū)的土壤碳釋放通量介于9.6～41.2g·m-2·d-1之間，均值為19.1g·m-2·d-1；東北新生代火山每年向當今大氣圈釋放CO2氣體約為2.1Mt。

(2)長白山和五大連池火山碳起源于太平洋板塊深俯沖環(huán)境，并受到俯沖再循環(huán)殼源組分的影響和/或上升過程中經(jīng)歷了大陸地殼物質(zhì)的混染作用。

(3)阿爾山火山氣體在上升過程中混染了大量陸殼物質(zhì)，火山氣體的源區(qū)并未受到俯沖太平洋板片再循環(huán)物質(zhì)的顯著影響。

致謝成文過程中，第一作者與成智慧博士進行了有益的討論；樣品的測試中得到中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心李立武、李中平、杜麗、曹春輝與邢藍田等老師的悉心指導與幫助；四位審稿人及編輯部俞良軍博士均對本文初稿提出了建設性的修改意見；在此一并感謝。