中国东北新生代火山区CO_2释放规模与成因

板片俯冲过程将地表碳带入地球内部,火山作用将深部碳输送至地球外部圈层,两者构成了地球深部碳循环的主要方式,进而影响了地史时期的气候变化。我国东北新生代火山活动被认为是太平洋板片深俯冲作用的产物,板片俯冲导致岩浆源区强烈的碳酸盐组分交代作用,进而使东北亚上地幔成为一个新生代时期的巨型深部碳库,它的活动和释放将会对全球的气候与环境变化造成重要影响。然而,有关该深部碳库向当今大气圈输送CO_2气体的规模及其演化过程尚不清楚,从而影响了进一步定量评估该碳库在全球变化研究中的地位和作用。针对上述科学问题,本文对我国东北长白山、五大连池和阿尔山火山释放CO_2气体的规模与成因进行了研究。结果表明,东北新生代火山区的土壤CO_2释放通量介于9.6～41.2g·m~(-2)·d~(-1)之间,每年向当今大气圈释放CO_2气体约为2.1Mt(其中,长白山火山区为0.94Mt,五大连池火山区为1.2Mt)。气体地球化学研究证实,长白山与五大连池火山气体均起源于太平洋板片深俯冲环境;但是,与长白山相比,五大连池火山气体具有较高比例壳源组分贡献。阿尔山火山气体的成分与长白山和五大连池火山区存在着明显的差异,它们以N_2为主( 95%),并且其δ~(15)N_(N_2)值高于空气值(1.3‰～1.9‰),~3He/~4He比值较低(0.14～0.18R_A),δ~(13)C_(CO_2)较轻(-13.7‰～-6.2‰),表明壳源富氮有机沉积物的贡献占比较大的比例。上述特征进一步表明,阿尔山火山气体在上升经过地下水时可能滞留了较长时间,混染了大量的陆壳组分,其源区并未受到太平洋板片俯冲物质的显著影响。     

2002~2005年长白山火山气体的释放特征与地球化学异常研究——多源高光谱遥感证据

长白山火山区是我国具有潜在喷发危险的活火山,在2002~2005年火山活动性增强出现了岩浆房扰动。利用卫星遥感技术具有观测范围大、观测时间长且连续的优势。因此,本文利用对流层污染探测仪（MOPITT）和大气红外探测仪（AIRS）高光谱遥感数据提取了2002~2005年长白山天池火山区CO总量、O₃总量、水汽总量和地表温度异常信息,讨论了高光谱遥感气体地球化学异常信息与火山活动性之间的关系,并对2002~2005年长白山天池火山区火山活动性进行了研究。结果表明,高光谱遥感数据观测到的气体地球化学（CO、O₃、水汽）异常与地震、形变监测结果以及地面流体（CO₂、He、H₂）观测结果相一致,表明MOPITT和AIRS高光谱遥感卫星观测到的气体异常变化较好地反映了2002~2005年大规模的深部岩浆局部扰动。在2002~2005年火山活动期间,CO总量、O₃总量、水汽总量和地表温度均出现了显著异常且异常出现时段相应准偏差显著增大,反映了气体逸出量在时间上具有不均一性,可能与火山、地震活动过程中地应力的作用和变化有关。从气体异常持续的时间以及地面观测结果综合分析,2002~2005年岩浆房扰动并没有产生长时间的地幔物质流的上升和迁移。在火山活动性增强的时间段内,地表温度出现异常低值,这可能与太平洋板块俯冲过程中引起的断裂拉张增强有关。此外,火山活动过程中逸出的气体进入大气圈产生大气化学反应也会导致高光谱遥感所观测到的气体地球化学异常。研究结果为2002~2005年长白山火山活动性的研究提供了来自高光谱遥感数据的气体地球化学新证据,也对高光谱分辨率遥感数据在火山活动规律的研究以及火山监测中的应用具有一定意义。     

腾冲新生代火山区温泉CO2气体排放通量研究

近期研究表明,不仅火山喷发期会向当时的大气圈输送大量的温室气体,火山间歇期同样会释放大量的温室气体。在火山活动间歇期,火山区主要以喷气孔、温(热)泉以及土壤微渗漏等形式向大气圈释放温室气体。腾冲是我国重要的新生代火山区,同时也是重要的水热活动区,那里出露大量的温泉,然而目前未见腾冲火山区温泉气体排放通量的研究报道。本文利用数字皂膜通量仪测量了腾冲新生代火山区温泉中CO₂的排放通量。研究结果表明,腾冲新生代火山区温泉向当今大气圈输送的CO₂通量达3.58×10³ t·a^-1,相当于意大利锡耶纳Bassoleto地热区温泉中CO₂的排放规模。腾冲火山区温泉的CO₂释放通量主要受深部岩浆囊、断裂分布、地下水循环、围岩成分等多方面因素的影响。本文根据温泉中CO₂的排放特征,将腾冲温泉分为南北两区,南区温泉CO₂通量远高于北区的温泉,热海地热区的通量为腾冲CO₂通量的最大值。在北温泉区,CO₂通量主要受控于断裂的分布;而在南温泉区,除受到断裂控制外,热海地热区底部的岩浆囊及其与围岩的相互作用成为CO₂气体的重要物质来源,同时高温的岩浆囊为温泉及CO₂的形成提供了重要热源。     

青藏高原东缘鲜水河-安宁河断裂带深源气体释放

青藏高原东南缘分布的大规模超壳走滑断裂带和中-高温地热区释放大量深源气体.鲜水河-安宁河断裂带温泉水和逸出气体的化学和同位素组成分析结果显示,该断裂带的水-岩相互作用显著,深源含碳流体强烈释放,是研究大陆碰撞造山带巨型走滑断裂系统深源CO2释放的重要地区.δ18OH2O和δDH2O值显示温泉水主要来源于不同补给高度的大...     

长白山火山区温泉温室气体排放通量研究

温泉是深部岩浆活动在地表的直接表现,并且向大气圈排放大量的温室气体.然而,国内尚无火山区温泉排放的温室气体通量研究报道.我国长白山火山区水热活动强烈,主要有湖滨温泉带、聚龙温泉群、锦江温泉以及火山口外围的十八道沟温泉.本文利用数字皂膜流量计测量温泉气体排放通量,并结合前人对长白山火山区温泉气体成分的研究成果,估算了研究区温泉所排放的温室气体通量.结果表明,长白山火山区温泉排放的CO2通量为6.9×104t·a-1,CH4排放通量为428.44t·a-1,与意大利Pantelleria Island火山区温泉排放的温室气体通量规模相当.本文的测试结果表明:数字皂膜流量计在火山区温室气体排放通量估算研究中的应用是可行的.     

腾冲新生代火山区CO2气体释放通量及其成因

许多研究结果表明,休眠期火山主要通过喷气孔、温泉以及土壤微渗漏三种方式向大气圈释放温室气体。腾冲是我国重要的新生代火山区之一,同时也是主要的水热活动区,但是关于温室气体释放通量的研究却鲜有报道。本文首次估算了该地区土壤微渗漏和温泉水的CO2释放通量,并根据气体成分的分析结果探讨了这些温室气体的来源。2012~2013年连续两年使用密闭气室法现场测量了土壤微渗漏CO2通量,结果表明,马站、热海-黄瓜箐和五合-蒲川-团田三个地区通量较高,其中,热海-黄瓜箐地区平均通量最高,马站次之,五合-蒲川-团田地区最低。较高的土壤微渗漏CO2释放地区同前人推断的岩浆囊的分布在空间上具有较好的一致性;三个地区气体的3He/4He比值较高,三端元模拟结果表明,它们均有较高含量的幔源He释放;根据气体CO2/3He与δ13CCO,CO2模拟计算,CO2主要来源于碳酸盐矿物的脱碳作用和岩浆脱气。由此推断2的释放同深部的岩浆囊具有重要的成因联系,它为碳酸盐矿物的脱碳作用提供了主要的热源,同时也是重要的物质来源。根据土壤微渗漏CO2平均通量及火山、地热异常区的分布面积估算出三个地区土壤微渗漏CO2的释放通量分别为1.8×106t/a(马站),3.2×106t/a(热海-黄瓜箐)和2.0×106t/a(五合-蒲川-团田)。腾冲新生代火山区每年通过土壤微渗漏向大气圈释放CO2的量至少可达7.0×106t,为意大利Etna火山区释放CO2通量(1.4×107t/a)的二分之一。通过水岩相互作用计算温泉水中CO2气体的释放通量为4.9×104t/a。腾冲温泉气泡及温泉水向大气圈释放CO2气体的总通量为5.3×104t/a,远高于意大利Vulcano火山区温泉释放的CO2总通量(3.7×103t/a)。     

中国大陆新生代典型火山区温室气体释放的规模及其成因

火山活动能够将地球深部的碳输送到大气圈,是地质碳排放和深部碳循环的重要形式.火山作用不仅在喷发期能够释放大量温室气体,而且在休眠期也能释放巨量的温室气体.在全球变暖的背景下,定量化地研究火山活动对大气圈温室气体含量增加的贡献具有至关重要的意义.本文利用密闭气室法等该领域国际先进的测试技术,测量并计算了长白山、腾冲、五大连池及青藏高原南部的羊八井等典型火山区的温室气体释放规模.结果显示,我国大陆新生代典型火山区向大气圈输送的温室气体总通量约为8.13×10⁶t·a^-1,接近10⁷t·a^-1级别,相当于全球火山活动导致的温室气体(主要为CO₂)释放总量的6%左右.太平洋构造域火山区的温室气体在释放通量与总量方面均低于特提斯构造域,并且太平洋构造域火山气体的地壳混染程度较低,显示出大洋俯冲带与大陆俯冲带火山区温室气体释放的成因差异.     

利用三维CT扫描技术定量计算熔岩流气泡体积的研究与实现

气泡体积算法及其计算机实现是火山熔岩流气泡古高度计应用研究中的难点之一,直接制约着古高度计算结果的精确度。本文提出了一种新的基于计算机断层成像技术的熔岩流气泡众数统计方法,即通过计算机断层成像技术对气孔状玄武岩样品进行三维重构,利用不同物质对射线吸收衰减系数的不一致性,标记重构数据中的岩石、气泡与无效部分,进而提取气泡连通区域的骨架,确定独立气泡之间的分割面,最终统计出气泡的数量与体积。考虑到玄武岩中气泡截面轮廓不规则的特点,采用逐点法有效地计算了截面面积,排除了连通区域轮廓对面积计算结果的影响。采用基于区域划分的阈值计算方法统计玄武岩样品的气泡数量与体积,解决了传统的单一阈值计算方法导致的小连通区域过度分割的问题。在上述新方法的基础上,本文设计并构建了新的气泡数量与体积的统计软件,计算程序的初步运算结果证实了研究方法的有效性与可行性。该方法有望提高熔岩流气泡数量、体积以及火山熔岩流气泡古高度计的计算精度,成为重建高原隆升历史的快速分析工具。     

青藏高原东南缘腾冲后碰撞粗面安山岩形成的深部岩浆过程:来自辉长质物质的启示

位于青藏高原东南缘的腾冲火山区发育大量的后碰撞高钾钙碱性岩浆岩(8Ma至今),形成了近连续的玄武岩-玄武安山岩-粗面安山岩-英安岩系列。在晚更新世(0.3～0.4Ma)粗面安山岩中发现了大量的辉长岩包体与辉长质矿物聚晶。辉长岩包体分为两类:I类为辉长苏长岩(直径2～4cm),主要由斜长石(50%～60%)、单斜辉石(20%～30%)和斜方辉石(5%～10%)组成,矿物间呈高角度接触的开放结构并包含少量的基质玻璃; II类辉长岩包体(直径2～12cm)主要由斜长石(40%～50%)与单斜辉石(30%～40%)组成,含少量铁钛氧化物(5%～10%),矿物间见少量的基质玻璃与微晶斜方辉石(粒径50μm)。矿物聚晶(粒径2～5mm)由斜长石(40%～60%)、单斜辉石(20%～30%)和斜方辉石(5%～10%)组成,矿物间呈高角度接触的开放结构,其间贯入基质玻璃。辉长岩包体、矿物聚晶与寄主粗面安山岩斑晶具有相同的矿物组成(斜长石+单斜辉石+斜方辉石);单斜辉石具有相似的微量元素组成特征;辉长岩包体全岩主量元素成分落在玄武岩-玄武安山岩-粗面安山岩-英安岩的演化序列中,它们与寄主粗面安山岩具有一致的Sr-Nd-Pb同位素组成。上述观测结果表明,辉长岩包体和矿物聚晶与寄主岩浆同源,它们均来自粗面安山质岩浆房。矿物温度与压力计算结果表明,辉长岩包体与矿物聚晶的结晶温度低于斑晶,形成深度位于粗面安山质岩浆房的中上部。这些具有开放结构的矿物聚晶与辉长岩包体可能代表粗面安山质岩浆喷发前形成晶粥的"碎片":矿物聚晶与I类辉长岩包体矿物间基质含量较高,矿物成分与寄主粗面安山质熔体(全岩成分)平衡,可能代表寄主粗面安山质岩浆形成的晶粥; II类辉长岩包体矿物间紧密程度较高,矿物与较演化的岩浆平衡,可能代表早期较演化的岩浆形成的经历压实作用的晶粥。粗面安山质岩浆的快速上升将这些晶粥破碎并以辉长岩包体与矿物聚晶的方式运移至地表。岩浆房中基性岩浆的补给是导致安山质岩浆喷发的重要诱发机制。     

火山"熔岩流气泡古高度计"及其在云南腾冲火山区的应用

通过对火山熔岩流及其气泡特征的研究能够确定熔岩流喷发时的古高度,本文将这一方法称为火山“熔岩流气泡古高度计”.“熔岩流气泡古高度计”是在实地测量熔岩流厚度和实验室对熔岩流顶底气泡体积精确测定的基础上,利用流体力学原理和气体状态方程,通过计算古大气压强,最终获得火山喷发时的古高度.由于火山岩是开展同位素测年的理想材料,并且利用熔岩流计算古高度所需的参数(熔岩流厚度和气泡体积)不受古气候等因素(温度、降雨量等)影响,因此,这一方法以其可靠的年龄和独立的计算参数明显区别于其它古高度计.“熔岩流气泡古高度计”核心技术包括:(1)熔岩流的挑选与厚度测量;(2)熔岩流底部和顶部气泡体积的计算.中等规模、具简单冷凝历史,并且厚度稳定的偏基性熔岩流,是开展古高度计算的理想对象.熔岩流气泡体积的测试手段包括注胶、岩石抛光-扫描、体视学转换和三维CT扫描4种方法.“熔岩流气泡古高度计”最终计算结果误差为400m左右.本文利用“熔岩流气泡古高度计”计算了腾冲火山区熔岩流的古高度,研究结果显示:“熔岩流气泡古高度计”计算的黑空山熔岩流高程与目前的实际高程相吻合.开展“熔岩流气泡古高度计”研究的前提是研究区必须出露保存完好的熔岩流.我国青藏高原的隆升历史一直是国际学术界争论的热点课题,那里出露大面积熔岩流.可以预见,“熔岩流气泡古高度计”将会逐渐成为研究青藏高原隆升历史的有效手段之一.