云南騰沖熱海地球科學野外教學資源及實習基地建設

郭 靜， 曾芝瑞， 郭 震， 程斯宇， 張傳倫

（南方科技大學海洋科學與工程系，廣東 深圳 518055）

0 引 言

豐富和有效的野外實踐是培養(yǎng)地球科學相關研究人才的必備實踐教學環(huán)節(jié)。實習基地和實習課程體系建設是野外實習課程得以開展的主要基礎和依托，也是教學體系建設的重要組成部分［1］。海洋科學是地球科學的重要組成，由于洋流造成海洋復雜多變的環(huán)境條件，加上傳統(tǒng)的海上實習運行成本高昂，因此國內(nèi)目前還缺乏系統(tǒng)、規(guī)范和綜合，并且既能體現(xiàn)海洋與地球科學特色，又能滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求的野外實踐基地。

熱泉分為海底熱泉和陸地熱泉兩種，大多分布在地殼運動活躍的板塊交界處。云南騰沖火山區(qū)地處印度板塊和歐亞板塊相撞交接的地方，由于兩個板塊碰撞隆升，使騰沖成為世界罕見且典型的地熱火山并存區(qū)。騰沖火山地熱區(qū)是我國大陸最年輕的活火山區(qū)之一，也是研究巖漿活動與地殼應力相互作用的理想?yún)^(qū)域［2］。在騰沖地熱帶內(nèi)的諸多地熱區(qū)中，熱海地熱區(qū)水熱活動最集中、最強烈、類型最齊全，是一個典型的地熱代表。其富硅高溫（＞85 ℃）氯堿型（Na-HCO3-Cl）熱泉分布廣泛，露于新近系花崗質(zhì)砂礫巖分布區(qū)，具有生物地球化學研究的豐富資源。陸地熱泉是一個現(xiàn)存與地球早期環(huán)境非常相似的生態(tài)系統(tǒng)，其pH、溫度和水化學類型等條件呈現(xiàn)極端化和多樣化，具有活躍的生物地球化學過程，因此孕育獨特且豐富的極端微生物資源。加強陸地熱泉生態(tài)系統(tǒng)研究，對揭示地圈與生物圈協(xié)同演化的奧秘、認識生命與環(huán)境互相作用規(guī)律及探究地球生命過程演化具有重要意義，對地球系統(tǒng)科學研究也具有重大科學研究價值［3-5］。

我校海洋科學與工程系的老師從2002 年開始就對騰沖熱海開展了大量野外調(diào)查和科學研究［6-13］，發(fā)現(xiàn)騰沖熱海地熱田在地形地貌、構(gòu)造結(jié)構(gòu)及熱泉形成的地質(zhì)條件和過程特色明顯，且熱泉分布格局典型多樣化，具有開展地學野外教學資源教學實習的綜合潛質(zhì)。為此，將圍繞騰沖熱海景區(qū)的地學野外教學資源和實習基地建設展開探討，為建立地球綜合人才培養(yǎng)方案提供參考。

1 極端環(huán)境生命過程教學資源分析

1.1 騰沖熱海區(qū)域簡介

云南騰沖位于我國云南的西南部，青藏高原東南緣［見圖1（a）］。騰沖擁有豐富的火山資源和地熱資源，其中包括60 余處地熱活動區(qū)和80 余處溫泉群。其中熱海地熱區(qū)位于整個騰沖火山溫泉帶的核心區(qū)，面積約9 km2，是騰沖地熱區(qū)唯一證實存在巖漿熱源的地熱區(qū)，也是騰沖熱力最猛、外部顯示也最為奇妙的地熱區(qū)。熱海地熱區(qū)主要存在出露新近系、元古宇和第四系地層；還可見白堊紀侵入的中、晚更新世噴發(fā)的中－基性火山巖和花崗巖［見圖1（b）］。熱海區(qū)內(nèi)斷裂密布且構(gòu)造非常發(fā)育，主體構(gòu)造為南北向斷裂，其次為近東西向、北東向的斷裂［見圖1（c）］。在南北向與東西向斷裂交叉的地方，地熱活動尤為明顯，多為沸泉，廣泛分布各種噴氣孔、噴氣地面和泉華等。在熱海到處都可以看到熱泉在呼呼噴涌，當?shù)卣畬岷５臒崛Y源進行了多年的開發(fā)，建立了國家重點風景名勝區(qū)——騰沖熱海景區(qū)［14］。景區(qū)內(nèi)熱海熱泉種類繁多且齊全、情景之壯觀實屬少見，并且安全措施完善，為開展地學野外實習提供了良好的平臺。

圖1 地球科學野外實習基地基本情況

1.2 獨特的地質(zhì)、地震構(gòu)造

騰沖火山地熱區(qū)中豐富而獨特的地熱資源形成的主要原因是地殼活動。該區(qū)域位于印度板塊和歐亞板塊碰撞帶的東側(cè)，兩大板塊之間頻繁的地殼活動所引發(fā)的巖漿活動與斷裂構(gòu)造發(fā)育，是活躍的地熱活動的基礎［16］。這些地殼活動及多次的火山噴發(fā)活動造成花崗質(zhì)、玄武質(zhì)巖漿大規(guī)模侵入［17-18］。熱海地熱田巖層分布極具特色，由表到里依次為：全新世沖積層、中更新世玄武巖、早更新世山巖、上新世礫巖、白堊紀花崗巖，元古代片麻巖及混合巖［19］和燕山期花崗巖，其中燕山期花崗巖的年齡達到了68.8Ma。燕山期花崗巖和元古代變質(zhì)巖組成了熱海地熱系統(tǒng)的含水層，而蓋層主要由強烈變質(zhì)的砂礫巖構(gòu)成［16，19］。熱海溫泉以南北向背斜脊部的縱向斷裂為主，東西向橫斷主要分布在澡塘河附近，如澡塘河斷裂。區(qū)域內(nèi)兩組近南北及東西向斷裂帶是形成大規(guī)模水熱活動強烈的熱泉重要原因。在熱海區(qū)內(nèi)，可見各種不同規(guī)模的構(gòu)造行跡剖面，如具有巖石破碎、裂隙特征的斷裂、斷裂破碎帶、導熱、導水斷裂和沙坡斷裂等。這些豐富而且典型的巖石和地質(zhì)構(gòu)造，為開展地質(zhì)實習提供了絕佳條件。印度板塊向東深俯沖導致巖漿上涌在騰沖境內(nèi)形成了火山群，并且火山區(qū)巖漿處于活躍狀態(tài)，區(qū)域內(nèi)最近一次火山噴發(fā)發(fā)生在400 年前。確定火山區(qū)深部結(jié)構(gòu)是理解該火山地質(zhì)過程及演化的重要條件。由于騰沖火山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜、地震活動頻繁，也是研究巖漿活動與地殼應力相互作用的理想?yún)^(qū)域，一直受到地震學家的廣泛關注［2，20-23］。騰沖的斷裂帶、火山噴發(fā)等地殼活動及巖層入侵產(chǎn)生熱流都能為開展地質(zhì)學、地球物理、海底地震教學及地球演化教學提供豐富的素材。

1.3 全面多樣的熱液地球化學系統(tǒng)

熱海是典型的巖漿熱源，也是大陸唯一的大型強酸性熱泉水熱區(qū)［19，24］。熱泉的水體環(huán)境有別于普通的水體，水溫高，酸堿度、鹽離子濃度也異于尋常。如表1 所示，熱海熱泉的pH 范圍跨度大（2 ～10）、溫度范圍廣（47.2 ～91.2 ℃）、水化學成分復雜，含有硫化物、亞硝酸鹽、硝酸鹽、亞鐵離子等礦物質(zhì)［25］。熱海堿性熱泉總?cè)芙夤腆w含量高、高硅、高氯，屬于Na-Cl-HCO3型。并且熱海酸性熱泉是蒸汽上升與淺層冷水混合后出露到地表形成的，熱泉周圍硫單質(zhì)沉積發(fā)育，伴有被熱水蝕變的黏土礦物，水化學類型屬于HS04型［26］。

表1 熱海熱泉基本信息和地球化學參數(shù)

熱海地熱體驗區(qū)的熱泉口雖然都處于同一個區(qū)域［見圖2（a）］，但是它們的溫度、pH、電導率及水化學參數(shù)卻差異巨大。該區(qū)域溫度變化范圍從47 ～78 ℃，pH范圍在2 ～5 之間，電導率也在800 ～4 000 μS／cm之間變化，相鄰熱泉之間硫化物、亞硝酸鹽及亞鐵離子濃度相差可達數(shù)十倍。理化參數(shù)的巨大差異暗示著地熱體驗區(qū)地熱環(huán)境的不均勻性，其形成過程和地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)肯定會有所差異。在懷胎井、鼓鳴泉、珍珠泉溫度都達到了90 ℃以上，其中又以珍珠泉［見圖2（b）］溫度最高，為94.2 ℃。就硫化物含量而言，不同熱泉噴口間的差距可達幾百倍，懷胎井、鼓鳴泉、姐妹泉含量較高。值得注意的是這幾個熱泉采樣點從地理上看相距較近，根據(jù)其在硫化物等離子濃度及溫度上的相似性，判斷其水體來源相同或相似。因此，熱海一方面是研究地熱水中汞、砷化物、硫化物等元素的地球化學成因和形態(tài)分布的理想場地［27-30］。另一方面，結(jié)合熱海特殊的地質(zhì)構(gòu)造背景與其典型的地球化學參數(shù)，是開展地球科學野外實習的理想對象。

圖2 部分采樣熱泉點

1.4 豐富寶貴的極端微生物資源

騰沖熱海的熱泉是一個天然實驗室，它的空間分布廣、溫度跨度大和地球化學梯度寬，蘊含著豐富且獨特的極端微生物資源，不同熱泉的微生物物種差異非常明顯。但相較于美國的黃石公園，該區(qū)域一直未成為世界熱泉和極端環(huán)境微生物研究的熱點。根據(jù)文獻記載，北京大學和云南大學最早在20 世紀80 年代中后期報道了騰沖熱泉中嗜熱微生物［9］，并且得到了國內(nèi)第一株高溫菌，且獲得了第一個微生物全基因組測序。之后，云南大學加強了對該熱泉中細菌群落分離研究的報道，先后分離獲得了多個微生物新物種［10-12］。近些年來，由于分子生物學、16S rRNA 基因擴增子測序和純培養(yǎng)等技術(shù)的日趨成熟，熱海熱泉中細菌、古菌、真菌以及病毒等的研究有一定的進展［6，9-11，26，31］。主要分析了熱泉水體和泉底沉積物中的極端微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的差異，或是分析特殊功能微生物基因。但與國際一流水平相比，極端微生物多樣性，生物地理模式以及與地球化學特性之間的關系等國家基礎研究的重大科學問題還缺乏深入研究。因此，對利用該區(qū)域開展極端環(huán)境生命過程研究，不僅符合國家的基礎研究需求，而且能夠有助于發(fā)掘更多極端微生物新類群及功能微生物資源，是培養(yǎng)多學科交叉的海洋地球科學人才的理想基地。

2 實習基地建設探討

2.1 突出區(qū)域特色，建設多學科交叉的實習基地

海洋科學是多學科交叉學科，然而現(xiàn)有的海洋學科專業(yè)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容缺乏多專業(yè)交叉融合。在野外實踐教學中這些問題表現(xiàn)得更加明顯，海洋地質(zhì)方向和海洋生物方向的學生對彼此領域的知識缺乏了解、技能儲備不足。為此，我校海洋系教學團隊在探討實習基地建設方案的過程中，更加注重于基地綜合野外實踐功能。

我校海洋系依托騰沖熱海地理優(yōu)勢，確定以綜合性地球科學實習功能和創(chuàng)新性研究功能為核心，實現(xiàn)火山地震活動性觀測、地質(zhì)地貌調(diào)查、地球化學參數(shù)測定和極端微生物多樣性調(diào)查4 個實踐功能為目標來實施建設任務。火山地震活動性觀測將分析固定和流動地震臺站記錄的地震波形數(shù)據(jù)；地質(zhì)地貌以遴選采樣位點、添置各類地質(zhì)考察設備為主；地球化學參數(shù)測定主要為建設熱海干濕實驗室，添置地球化學參數(shù)測定設備為主；極端環(huán)境微生物多樣性調(diào)查主要以野外采集熱泉水樣和沉積物樣品，室內(nèi)實驗室進行微生物的分離、培養(yǎng)、分類鑒定。讓整個基地的實習內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，實現(xiàn)海洋地球物理、海洋地質(zhì)、海洋化學和海洋生物等多個學科覆蓋，成為一個海洋科學和地球科學綜合實踐需求的野外實踐基地。

2.2 融合科研與教學，培養(yǎng)綜合型人才

為強化訓練和提高學生野外綜合調(diào)查和室內(nèi)實驗操作能力，同時加深學生對地球生物化學環(huán)境及相關學科現(xiàn)象與規(guī)律的認識，需搭建實踐基地平臺和開展野外實踐項目。我校海洋系老師在實習內(nèi)容提出了一個重要的科學問題，即在板塊構(gòu)造理論框架下，匯聚板塊邊緣的構(gòu)造活動與微生物生命過程研究相偶聯(lián)，以期更好地促進固體地球科學與生命科學在整個地球動力系統(tǒng)下的深度交叉融合，從而深入探討構(gòu)造活動從宏觀到微觀尺度上與微生物活動之間的內(nèi)在聯(lián)系和協(xié)同機制［32］。把與地質(zhì)活動相關的極端環(huán)境微生物引入到海洋系本科實習，從熱泉微生物地理分布、地質(zhì)構(gòu)造、火山地震和微生物資源開發(fā)與利用等角度，開展多尺度多研究手段的深入研究，挖掘更多的極端微生物資源，從微觀到宏觀、野外到室內(nèi)多方面結(jié)合，豐富教學實習內(nèi)容。一方面得到了地球生物化學參數(shù)和大量微生物多樣性資料，另一方面，鼓勵學生圍繞有價值有意義的前沿熱點課題和項目進行深入的研究，有助于闡明深部地質(zhì)活動對生物圈影響的過程及機制。

實習分為兩個部分，一部分為野外實踐，另一部分為室內(nèi)實驗。在野外實踐期間，學生對熱海區(qū)域地質(zhì)地貌和地震勘測進行學習，測定水化學參數(shù)，采集并保存熱泉水樣和沉積物樣品（見圖3）。在實驗室內(nèi)，對野外采集的樣品系統(tǒng)地開展熱泉微生物資源的分離與培養(yǎng)研究實驗，學會分離和純化熱泉微生物，研究熱泉微生物適應極端環(huán)境的機制，探索極端微生物資源的利用潛力，提高極端微生物領域的研究水平，這十分符合國家基礎科研的重大科學方向。實習結(jié)束后，學生可以根據(jù)野外實踐所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象、問題和獲得的數(shù)據(jù)，申報大學生科技創(chuàng)新項目。同時，積極獎勵有學術(shù)成果產(chǎn)出的學生，不斷提升學生參與和完成科研項目的積極性。

圖3 騰沖熱海野外樣品采集測定現(xiàn)場

2.3 開展校地合作發(fā)揮熱海景區(qū)科普和教學功能

熱海地熱資源具有豐富且穩(wěn)定、水溫高和礦物質(zhì)含量豐富等特質(zhì)，然而對該區(qū)域的開發(fā)還僅限在旅游觀光和洗浴療養(yǎng)。因此，與景區(qū)開展校地合作，科學開發(fā)、合理利用熱泉資源，突出區(qū)域特色，豐富溫泉旅游資源是一項合作共贏的工作。

騰沖熱海景區(qū)水熱活動強烈，形成了很寬的水熱蝕變帶，顯示風格多變的水熱現(xiàn)象，另有豐富和奇特的溫泉地表熱顯示，是溫泉科普教育的理想場地，也有極佳的觀賞性，可有效提高學生的學習興趣。學生定期對熱泉水化學參數(shù)進行測定和研究，可以確保溫泉資源合理開發(fā)和利用，發(fā)揮溫泉資源優(yōu)勢。以科研數(shù)據(jù)為支撐的方式開發(fā)溫泉，一方面使得生態(tài)得以保護，另一方面讓旅游管理部門為科學利用溫泉提供科學依據(jù)。

圍繞熱海得天獨厚的資源優(yōu)勢，開展巖漿活動與地殼應力相互作用、熱田堿水文地球化學和極端微生物資源的研究，將實踐教學與大眾科普并舉，將有效提升景區(qū)旅游的文化內(nèi)涵，形成具有自身特色的溫泉旅游產(chǎn)品。因此，在地學野外實習基地建設中需要與熱海景區(qū)的深入建設緊密結(jié)合，發(fā)揮景區(qū)熱泉旅游文化和天然地熱資源的優(yōu)勢，開發(fā)特色突出的教學實習內(nèi)容，圍繞熱海景區(qū)校地合作深入建設，是教學實習基地建設的有效途徑。

3 結(jié) 語

騰沖熱海擁有復雜多樣的熱泉，集火山、地熱、地震一體的地球生物化學系統(tǒng)，是開展海洋地球科學的天然實驗室，具備開展地學野外實習的基本條件。本實習基地建設后續(xù)工作將突出熱海海洋地球科學實踐教學和科普特色；繼續(xù)深入挖掘地質(zhì)學、地震學、地球化學、極端微生物學教學資源；充分開展校地合作，整合區(qū)域高校和學科力量建設綜合實踐基地；有效實現(xiàn)熱海景區(qū)多層次建設和區(qū)域特色人才培養(yǎng)的雙贏。