上官志冠1，^[2]　高清武1　劉　偉2　胡久常2

1.中國地震局地質(zhì)研究所，北京，100029

2.海南省地震局，海口，570203

摘要：瓊北火山區(qū)地下流體地球化學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，目前馬鞍嶺火山附近較大范圍內(nèi)深層地下水仍有一定強度的深源CO2釋放活動，火山口附近地下水的Na含量也相對偏高。地球化學(xué)異常指示馬鞍嶺、雷虎嶺等火山可能仍屬于休眠火山，應(yīng)繼續(xù)關(guān)注。但從整體上看，瓊北火山區(qū)深源流體釋放活動的強度較弱，因此區(qū)內(nèi)近期尚沒有火山噴發(fā)活動的危險。

關(guān)鍵詞：瓊北火山區(qū)；地下流體；地球化學(xué)；火山噴發(fā)危險性評估

1　瓊北地區(qū)新生代玄武巖分布概況

瓊北地區(qū)第四紀(jì)玄武巖覆蓋面積約4160km2（黃鎮(zhèn)國等，1993），西起北部灣沿海的洋浦，東至鋪前—清瀾斷裂，南部在定安以西被限制在王五—文教斷裂以北，定安以東越過EW向斷裂向SW方向延伸至龍?zhí)粮浇?，北部直至海濱（圖1）。

瓊北地區(qū)火山噴發(fā)活動始于新近紀(jì)晚期，從中更新世至全新世共有4期大的噴發(fā)，形成了9個玄武巖巖被，其中雷虎嶺—馬鞍嶺一帶的橄欖玄武巖屬于全新世（曾廣策，1984）。據(jù)K－Ar年齡測定結(jié)果（陳文寄等，1992），該區(qū)玄武巖的噴發(fā)時代絕大部分屬于更新世，其中早更新世玄武巖分布面積最廣，包括多文巖被（約940km2）和龍發(fā)巖被（約1400km2）；中更新世玄武巖分布面積較小，晚更新世玄武巖噴發(fā)活動又趨強烈。瓊北地區(qū)第四紀(jì)玄武巖是在南海盆地停止擴張后形成的，因此又被稱為“擴張后玄武巖”（Flower et al.，1992）。野外調(diào)查結(jié)果顯示，在?？谖髂系臉s山—嶺南斷裂兩側(cè)，北起石山附近的雙池嶺，南至嶺南東南的永茂嶺，長不過15km，分布有30余座火山口，區(qū)內(nèi)最新的馬鞍嶺、雷虎嶺火山均位于此（圖1）。

2　瓊北火山區(qū)現(xiàn)代地下流體釋放特征

調(diào)查結(jié)果顯示，目前瓊北第四紀(jì)火山區(qū)內(nèi)沒有天然溫泉出露，外圍地區(qū)則有大量溫泉分布。據(jù)石油鉆探資料，瓊北火山區(qū)所在的“雷瓊拗陷”最大沉降深度達(dá)5000m，地下熱水資源豐富，含水層穩(wěn)定。鉆井資料揭示，海口地區(qū)地下約700m深度以上有7層含水層，第2—7層含水層平均厚度約50m。海南水文工程研究院一個最新供水鉆孔深度為830m，揭示的自流地?zé)崴_(dá)45℃，被稱為第8層水。這表明該區(qū)地下仍大量賦存地?zé)崴?。有的研究者認(rèn)為，雷瓊地區(qū)第四紀(jì)更新世火山巖漿余熱已全部散失（陳墨香等，1991）。作者認(rèn)為，這里不是一般的地?zé)嵩鰷?，?gòu)造因素可能是重要原因，但研究區(qū)內(nèi)全新世火山活動的影響也不能完全排除。

2.1　采樣泉點的分布和樣品測試

本次研究的泉點主要集中在區(qū)內(nèi)最新的馬鞍嶺、雷虎嶺火山口附近地區(qū)，其中包括天然冷泉3個、冷熱水鉆孔水樣6個；此外，為了解火山區(qū)可能存在的深部巖漿活動的影響，對火山區(qū)外圍的7個溫泉點的流體樣品也做了采集。采樣泉點的分布見圖1?；鹕絽^(qū)地下水主要離子含量測試由中國科學(xué)院自然資源綜合考察委員會分析實驗室完成，研究水樣的溶解二氧化碳含量及氫、氧、碳同位素樣品由中國地震局火山流體實驗室制備，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所測試，結(jié)果見表1。

圖1　瓊北火山區(qū)第四紀(jì)玄武巖和采樣泉點的分布

表1　地下水及外圍溫泉氫、氧及溶解碳同位素組成

（續(xù)表）

2.2　地下水的氫氧同位素組成

瓊北火山區(qū)地下水與冷泉的δD值變化范圍較小，從－44.7‰～49.0‰；而其δ18O值變化范圍相對較大，為－6.70‰～7.42‰；?？诘貐^(qū)地下水的δ18O值還有隨深度逐漸降低的趨勢（圖2b）。在δD－δ18O值關(guān)系圖上，該區(qū)大多數(shù)泉點位于大氣降水線的左上方（圖2a）。比較國內(nèi)4個活動火山區(qū)地下水、冷泉和溫泉水δD－δ18O值的關(guān)系，瓊北火山區(qū)泉點的氫氧同位素組成比較特殊，大部分位于全球大氣降水線的左上方（圖3）。其他火山區(qū)的絕大多數(shù)泉點基本上沿大氣降水線分布，而騰沖熱?；鹕降?zé)釁^(qū)的大多數(shù)泉點則位于大氣降水線的右下方（上官志冠，2000）。

我們知道，世界上絕大多數(shù)地下水都源自大氣降水，在δD－δ18O值關(guān)系圖上，它們大多沿全球大氣降水線分布。在特殊情況下，如不平衡的蒸發(fā)、氣體釋放等可使其不同程度地偏離大氣降水線。一般來說，高溫地?zé)崴谶w移釋放過程中的蒸發(fā)作用將使其向右偏離（上官志冠，2000）；地下水δ18O值發(fā)生“負(fù)漂移”，即瓊北火山區(qū)、騰沖火山區(qū)、五大連池火山區(qū)、天池火山區(qū)在δD－δ18O值關(guān)系圖上，泉點位置向大氣降水線左上方偏離的情況較少見。在我們測試過的國內(nèi)200余個不同類型的泉點中，比較典型的僅有2個泉點，一個是騰沖火山區(qū)的扯雀塘，另一個是位于紅河斷裂中段的南澗溫泉。其δ18O值發(fā)生“負(fù)漂移”的原因可能都與泉水中長期存在大量的游離CO2釋放，地?zé)崴c游離CO2發(fā)生氧同位素交換有關(guān)，隨著富含18O 的CO2的不斷釋放導(dǎo)致了溫泉δ18O值的降低，即泉水δ18O值出現(xiàn)“負(fù)漂移”現(xiàn)象（上官志冠等，1991）。

圖2　瓊北火山區(qū)及外圍泉點δD－δ18O值的關(guān)系（a）；火山區(qū)泉點δ18O值隨井孔深度的變化（b）

圖2a顯示，研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)泉點分布在大氣降水線的左側(cè)，其中包括外圍地區(qū)溫泉。因此從整體上看，這可能與區(qū)內(nèi)特定的大氣降水機制有關(guān)，但也不排除局部存在火山氣體CO2釋放的影響。一般認(rèn)為，流量比較穩(wěn)定的天然冷泉的氫氧同位素組成能可靠代表本地 區(qū)大氣降水同位素組成的平均值。本次研究我們測試了?？诟浇?個典型地面天然冷泉，其中離最新火山口較遠(yuǎn)的八仙泉、省府宿舍冷泉大致沿大氣降水線分布；而在最新的馬鞍嶺火山口附近玄武巖分布區(qū)內(nèi)的天然冷泉玉龍泉，雖然其δD值介于八仙泉、省府宿舍冷泉之間，但其δ18O值卻相對低于上述2個泉點（表1）。這種現(xiàn)象在馬鞍嶺火山南側(cè)荔灣深井（702m）和區(qū)內(nèi)最深鉆孔（830m）的地下水中表現(xiàn)得更突出。它們的δD值均介于上述2個典型冷泉點之間，而其δ18O值則大大低于這2個冷泉點。在?？诘貐^(qū)，地下水的δ18O值還有隨含水層的深度增加而逐漸降低的趨勢（圖2b）。這可能暗示，區(qū)內(nèi)最新火山口及附近地區(qū)深部地下水中在較長的歷史時期內(nèi)可能一直存在一定強度的游離CO2釋放活動，而且這種CO2釋放活動可能越往深處越強烈。

2.3　火山區(qū)地下水的溶解CO2含量（TCD－CO2）及其D13值

我們的測試結(jié)果顯示，瓊北火山區(qū)及附近地區(qū)淺部地下水中溶解CO2含量通常較低，不同構(gòu)造位置和深度的地下水其含量有明顯差異。表1顯示，馬鞍嶺火山口南側(cè)荔灣深井（701m）水的溶解CO2含量較荔灣（300m）和附近永興自來水廠（30m）淺井水要高得多；火山區(qū)內(nèi)?？陂_發(fā)區(qū)（830m）深井自流地?zé)崴腥芙釩O2含量甚至高達(dá)0.94g/l；在天然泉水中，省府宿舍附近地區(qū)一斷層泉的溶解CO2含量也較另2個地面大冷泉的相應(yīng)值高出約1倍。這些數(shù)據(jù)表明，瓊北火山區(qū)深部地下水中可能仍普遍存在著CO2的釋放活動。

圖3　中國4個火山活動區(qū)主要泉點δD－δ18O的關(guān)系

我們知道，火山氣體的最主要成分是CO2，典型深源CO2的δ13 C值為－4.7‰～8.0‰（PDB標(biāo)準(zhǔn)，下同）（Pineauet al.，1976；Mooreet al.，1977）；而生物成因碳和沉積碳酸鹽的δ13C平均值分別為－25‰和0‰左右。表1顯示，在整個海南無論是瓊北火山區(qū)泉點，還是外圍地區(qū)的溫泉都沒有明顯的沉積碳酸巖來源的CO2釋放。值得注意的是，瓊北火山區(qū)最新活動的馬鞍嶺火山口南側(cè)荔灣酒家701m深井水中的溶解CO2具有典型的深源CO2的δ13C值（平均值－7.4‰）；附近地區(qū)較深層的地下水，如?？陔姶缶退ぴ盒戮芙釩O2 的δ13C平均值為－9.4‰，也比較接近深源CO2的值。而區(qū)內(nèi)其他淺層地下水以及冷泉的溶解CO2不僅含量低，而且其δ13C值也很低，平均值為－17.8‰，最低值達(dá)－20.5‰。顯然這些CO2大都為淺部生物成因。如果設(shè)定深部火山來源（幔源）和淺部生物成因CO2的δ13C值分別為－7‰和－25‰，按二元混合模型計算，馬鞍嶺火山口南側(cè)荔灣酒家701m深井水中的溶解CO2基本上都為火山來源（98％以上）；?？陔姶缶退ぴ盒戮娜芙釩O2中大約87％為火山來源；?？诘貐^(qū)其他泉點深部幔源CO2的含量變化范圍為25％～56％，平均約為40％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的地下水，也高于外圍地區(qū)溫泉。從?？诘貐^(qū)800m以下地下水溶解CO2含量迅速增加的情況看，目前瓊北火山區(qū)最新火山口附近地區(qū)深層地下水中仍有一定強度的深源CO2的釋放活動，而淺層地下水深源CO2釋放水平較低，可能與第四紀(jì)以來雷瓊拗陷的巨厚沉積物覆蓋有關(guān)。

圖4　瓊北火山區(qū)地下水及鄰近地區(qū)溫泉水Na－Cl含量關(guān)系

2.4　馬鞍嶺火山口附近地下水的Na含量異常

Na是地下水中最保守的組分之一，深源流體或火山流體上涌常常導(dǎo)致地下水出現(xiàn)明顯的Na含量異常。一般來說，同一地區(qū)同類地下水中Na和Cl的含量存在正相關(guān)關(guān)系，這在瓊北地區(qū)地下水和鄰近地區(qū)溫泉水中有正常的反映。圖4顯示，在馬鞍嶺火山口附近的地下水，無論深淺井都明顯偏離區(qū)內(nèi)的Na－Cl相關(guān)線，顯示Na含量相對偏高，其原因可能與火山活動帶來了大量的深部Na有關(guān)。另外，?？陔姶缶泊嬖陬愃频那闆r。該井不僅有較高的Na含量異常，而且也存在深源CO2釋放異常（圖5），表明該地?zé)峋赡芘c區(qū)內(nèi)某個深源流體上涌通道相連。我們認(rèn)為，馬鞍嶺火山口附近深淺井的地下水都存在Na含量相對偏高的異常情況，而且與深源CO2的異常釋放同時存在時，這種現(xiàn)象應(yīng)該不會是偶然的，它至少指示該火山口附近地區(qū)的深源流體活動要強于區(qū)內(nèi)其他地區(qū)。

圖5　瓊北火山區(qū)地下水Na，Cl含量與溶解CO2的δ13C值關(guān)系

3　瓊北火山區(qū)鄰近地區(qū)溫泉的地球化學(xué)特征

如前所述，在瓊北火山區(qū)內(nèi)目前沒有發(fā)現(xiàn)天然地?zé)崃黧w釋放活動，但在火山區(qū)外圍地區(qū)則有大量的溫泉存在。為了解這些溫泉與火山活動的關(guān)系，有必要研究其流體地球化學(xué)背景特征。本次研究我們采集了7個溫泉流體樣品做分析測試，氣體及同位素測試結(jié)果見表2。

我們的測試結(jié)果顯示（圖4），外圍地區(qū)溫泉Na和Cl含量之間的相關(guān)線斜率與瓊北火山區(qū)地下水的明顯不同，顯示二者Na，Cl離子的溶入和遷移機制是不相同的。這意味著，周圍地區(qū)的地?zé)崃黧w活動與瓊北地區(qū)的火山活動可能沒有直接的成因上的聯(lián)系。

表2顯示，外圍地區(qū)溫泉逸出氣體的主要成分是N2，平均含量高達(dá)96％以上，而CO2平均含量僅有0.84％。這與中國騰沖、長白山、五大連池等活動火山區(qū)地?zé)崃黧w逸出氣體的化學(xué)組成明顯不同。He同位素測定結(jié)果顯示，外圍地區(qū)溫泉逸出氣的3He/4He比值均大大低于空氣值（Ra＝1.4×10－6），特別是位于瓊北火山區(qū)大片玄武巖南部邊緣的蘭洋、西達(dá)溫泉，其3He/4He比值分別為0.076Ra和0.066Ra，屬于典型的殼源He。溫泉溶解碳的δ13C值介于－12.8‰～15.2‰之間，平均值為－13.8‰，大大低于深源CO2的δ13C值。氦、碳同位素證據(jù)都表明，外圍地區(qū)溫泉逸出氣體屬于正常的構(gòu)造活動成因的氣體釋放，逸出氣體中的He和CO2均為殼內(nèi)氣體，與瓊北火山區(qū)內(nèi)的深源氣體釋放活動無關(guān)。

表2　瓊北火山區(qū)外圍溫泉逸出氣體的化學(xué)和同位素組成

4　瓊北火山區(qū)地下流體釋放異常與近期火山噴發(fā)危險性評估

綜上所述，瓊北火山區(qū)現(xiàn)今深源流體釋放活動整體上比較弱，但仍有一些異常顯示。主要有：（1）馬鞍嶺火山口附近地下水無論深淺井都存在Na離子含量相對升高的異常，較深層的地下水還有一定強度的深源CO2釋放活動；（2）區(qū)內(nèi)800m以下地下水溶解CO2含量迅速增加，甚至一些與深斷裂有聯(lián)系的相對較淺的地下水（如?？陔姶缶┮灿忻黠@的深源CO2釋放活動；（3）火山區(qū)地下水δ18O值有隨含水層深度的增加而逐漸降低的趨勢；（4）火山區(qū)溶解CO2的碳同位素測試結(jié)果顯示，馬鞍嶺火山口附近深井水中的溶解CO2基本上都為火山來源（98％以上），海口電大井和水工院新井的溶解CO2中大約87％為火山來源，?？诘貐^(qū)其他泉點深部幔源CO2的含量平均約為40％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的地下水，也高于外圍地區(qū)溫泉。上述事實表明，目前瓊北火山區(qū)深層地下水中仍有一定強度的深源CO2的釋放活動。

我們認(rèn)為，馬鞍嶺火山口附近地下水的Na離子含量的相對升高異常與深源CO2釋放活動同時存在，可能指示瓊北火山區(qū)馬鞍嶺等火山仍屬于休眠火山，應(yīng)繼續(xù)給予適當(dāng)關(guān)注。由于瓊北火山區(qū)現(xiàn)今深源流體異?；顒狱c基本上都集中在雷虎嶺、馬鞍嶺火山口附近（高清武等，2003），因此該區(qū)域應(yīng)列為瓊北地區(qū)未來火山活動的重點監(jiān)視區(qū)。與長白山、騰沖等國內(nèi)其他休眠火山相比，研究區(qū)內(nèi)深源流體釋放活動的強度相對較弱。本項研究結(jié)果認(rèn)為，瓊北地區(qū)近期尚沒有發(fā)生火山噴發(fā)活動的危險。

野外工作得到海南省地震局胡金文等同志的大力支持，氣體測試由范樹全副研究員協(xié)助完成，特此致謝。

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【注釋】

[1]本文發(fā)表于《地震地質(zhì)》2003年第25卷增刊。

[2]上官志冠，男，1945年出生，1969年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代化學(xué)系，1981年于北京大學(xué)地質(zhì)系地球化學(xué)專業(yè)獲碩士學(xué)位，研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要研究方向為火山流體地球化學(xué)和穩(wěn)定同位素地球化學(xué)。電話：010－62009087，E－mail：Z.Shangguan＠263.sina.com