火山地形危险重重

琼北火山区流体地球化学特征及
近期火山喷发危险性评估
^[1]

上官志冠1，^[2]　高清武1　刘　伟2　胡久常2

1.中国地震局地质研究所，北京，100029

2.海南省地震局，海口，570203

摘要：琼北火山区地下流体地球化学调查结果显示，目前马鞍岭火山附近较大范围内深层地下水仍有一定强度的深源CO2释放活动，火山口附近地下水的Na含量也相对偏高。地球化学异常指示马鞍岭、雷虎岭等火山可能仍属于休眠火山，应继续关注。但从整体上看，琼北火山区深源流体释放活动的强度较弱，因此区内近期尚没有火山喷发活动的危险。

关键词：琼北火山区；地下流体；地球化学；火山喷发危险性评估

1　琼北地区新生代玄武岩分布概况

琼北地区第四纪玄武岩覆盖面积约4160km2（黄镇国等，1993），西起北部湾沿海的洋浦，东至铺前—清澜断裂，南部在定安以西被限制在王五—文教断裂以北，定安以东越过EW向断裂向SW方向延伸至龙塘附近，北部直至海滨（图1）。

琼北地区火山喷发活动始于新近纪晚期，从中更新世至全新世共有4期大的喷发，形成了9个玄武岩岩被，其中雷虎岭—马鞍岭一带的橄榄玄武岩属于全新世（曾广策，1984）。据K－Ar年龄测定结果（陈文寄等，1992），该区玄武岩的喷发时代绝大部分属于更新世，其中早更新世玄武岩分布面积最广，包括多文岩被（约940km2）和龙发岩被（约1400km2）；中更新世玄武岩分布面积较小，晚更新世玄武岩喷发活动又趋强烈。琼北地区第四纪玄武岩是在南海盆地停止扩张后形成的，因此又被称为“扩张后玄武岩”（Flower et al.，1992）。野外调查结果显示，在海口西南的荣山—岭南断裂两侧，北起石山附近的双池岭，南至岭南东南的永茂岭，长不过15km，分布有30余座火山口，区内最新的马鞍岭、雷虎岭火山均位于此（图1）。

2　琼北火山区现代地下流体释放特征

调查结果显示，目前琼北第四纪火山区内没有天然温泉出露，外围地区则有大量温泉分布。据石油钻探资料，琼北火山区所在的“雷琼拗陷”最大沉降深度达5000m，地下热水资源丰富，含水层稳定。钻井资料揭示，海口地区地下约700m深度以上有7层含水层，第2—7层含水层平均厚度约50m。海南水文工程研究院一个最新供水钻孔深度为830m，揭示的自流地热水达45℃，被称为第8层水。这表明该区地下仍大量赋存地热水。有的研究者认为，雷琼地区第四纪更新世火山岩浆余热已全部散失（陈墨香等，1991）。作者认为，这里不是一般的地热增温，构造因素可能是重要原因，但研究区内全新世火山活动的影响也不能完全排除。

2.1　采样泉点的分布和样品测试

本次研究的泉点主要集中在区内最新的马鞍岭、雷虎岭火山口附近地区，其中包括天然冷泉3个、冷热水钻孔水样6个；此外，为了解火山区可能存在的深部岩浆活动的影响，对火山区外围的7个温泉点的流体样品也做了采集。采样泉点的分布见图1。火山区地下水主要离子含量测试由中国科学院自然资源综合考察委员会分析实验室完成，研究水样的溶解二氧化碳含量及氢、氧、碳同位素样品由中国地震局火山流体实验室制备，中国科学院地质与地球物理研究所测试，结果见表1。

图1　琼北火山区第四纪玄武岩和采样泉点的分布

表1　地下水及外围温泉氢、氧及溶解碳同位素组成

（续表）

2.2　地下水的氢氧同位素组成

琼北火山区地下水与冷泉的δD值变化范围较小，从－44.7‰～49.0‰；而其δ18O值变化范围相对较大，为－6.70‰～7.42‰；海口地区地下水的δ18O值还有随深度逐渐降低的趋势（图2b）。在δD－δ18O值关系图上，该区大多数泉点位于大气降水线的左上方（图2a）。比较国内4个活动火山区地下水、冷泉和温泉水δD－δ18O值的关系，琼北火山区泉点的氢氧同位素组成比较特殊，大部分位于全球大气降水线的左上方（图3）。其他火山区的绝大多数泉点基本上沿大气降水线分布，而腾冲热海火山地热区的大多数泉点则位于大气降水线的右下方（上官志冠，2000）。

我们知道，世界上绝大多数地下水都源自大气降水，在δD－δ18O值关系图上，它们大多沿全球大气降水线分布。在特殊情况下，如不平衡的蒸发、气体释放等可使其不同程度地偏离大气降水线。一般来说，高温地热水在迁移释放过程中的蒸发作用将使其向右偏离（上官志冠，2000）；地下水δ18O值发生“负漂移”，即琼北火山区、腾冲火山区、五大连池火山区、天池火山区在δD－δ18O值关系图上，泉点位置向大气降水线左上方偏离的情况较少见。在我们测试过的国内200余个不同类型的泉点中，比较典型的仅有2个泉点，一个是腾冲火山区的扯雀塘，另一个是位于红河断裂中段的南涧温泉。其δ18O值发生“负漂移”的原因可能都与泉水中长期存在大量的游离CO2释放，地热水与游离CO2发生氧同位素交换有关，随着富含18O 的CO2的不断释放导致了温泉δ18O值的降低，即泉水δ18O值出现“负漂移”现象（上官志冠等，1991）。

图2　琼北火山区及外围泉点δD－δ18O值的关系（a）；火山区泉点δ18O值随井孔深度的变化（b）

图2a显示，研究区内大多数泉点分布在大气降水线的左侧，其中包括外围地区温泉。因此从整体上看，这可能与区内特定的大气降水机制有关，但也不排除局部存在火山气体CO2释放的影响。一般认为，流量比较稳定的天然冷泉的氢氧同位素组成能可靠代表本地 区大气降水同位素组成的平均值。本次研究我们测试了海口附近3个典型地面天然冷泉，其中离最新火山口较远的八仙泉、省府宿舍冷泉大致沿大气降水线分布；而在最新的马鞍岭火山口附近玄武岩分布区内的天然冷泉玉龙泉，虽然其δD值介于八仙泉、省府宿舍冷泉之间，但其δ18O值却相对低于上述2个泉点（表1）。这种现象在马鞍岭火山南侧荔湾深井（702m）和区内最深钻孔（830m）的地下水中表现得更突出。它们的δD值均介于上述2个典型冷泉点之间，而其δ18O值则大大低于这2个冷泉点。在海口地区，地下水的δ18O值还有随含水层的深度增加而逐渐降低的趋势（图2b）。这可能暗示，区内最新火山口及附近地区深部地下水中在较长的历史时期内可能一直存在一定强度的游离CO2释放活动，而且这种CO2释放活动可能越往深处越强烈。

2.3　火山区地下水的溶解CO2含量（TCD－CO2）及其D13值

我们的测试结果显示，琼北火山区及附近地区浅部地下水中溶解CO2含量通常较低，不同构造位置和深度的地下水其含量有明显差异。表1显示，马鞍岭火山口南侧荔湾深井（701m）水的溶解CO2含量较荔湾（300m）和附近永兴自来水厂（30m）浅井水要高得多；火山区内海口开发区（830m）深井自流地热水中溶解CO2含量甚至高达0.94g/l；在天然泉水中，省府宿舍附近地区一断层泉的溶解CO2含量也较另2个地面大冷泉的相应值高出约1倍。这些数据表明，琼北火山区深部地下水中可能仍普遍存在着CO2的释放活动。

图3　中国4个火山活动区主要泉点δD－δ18O的关系

我们知道，火山气体的最主要成分是CO2，典型深源CO2的δ13 C值为－4.7‰～8.0‰（PDB标准，下同）（Pineauet al.，1976；Mooreet al.，1977）；而生物成因碳和沉积碳酸盐的δ13C平均值分别为－25‰和0‰左右。表1显示，在整个海南无论是琼北火山区泉点，还是外围地区的温泉都没有明显的沉积碳酸岩来源的CO2释放。值得注意的是，琼北火山区最新活动的马鞍岭火山口南侧荔湾酒家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‰）；附近地区较深层的地下水，如海口电大井和水工院新井溶解CO2 的δ13C平均值为－9.4‰，也比较接近深源CO2的值。而区内其他浅层地下水以及冷泉的溶解CO2不仅含量低，而且其δ13C值也很低，平均值为－17.8‰，最低值达－20.5‰。显然这些CO2大都为浅部生物成因。如果设定深部火山来源（幔源）和浅部生物成因CO2的δ13C值分别为－7‰和－25‰，按二元混合模型计算，马鞍岭火山口南侧荔湾酒家701m深井水中的溶解CO2基本上都为火山来源（98％以上）；海口电大井和水工院新井的溶解CO2中大约87％为火山来源；海口地区其他泉点深部幔源CO2的含量变化范围为25％～56％，平均约为40％，远远高于一般的地下水，也高于外围地区温泉。从海口地区800m以下地下水溶解CO2含量迅速增加的情况看，目前琼北火山区最新火山口附近地区深层地下水中仍有一定强度的深源CO2的释放活动，而浅层地下水深源CO2释放水平较低，可能与第四纪以来雷琼拗陷的巨厚沉积物覆盖有关。

图4　琼北火山区地下水及邻近地区温泉水Na－Cl含量关系

2.4　马鞍岭火山口附近地下水的Na含量异常

Na是地下水中最保守的组分之一，深源流体或火山流体上涌常常导致地下水出现明显的Na含量异常。一般来说，同一地区同类地下水中Na和Cl的含量存在正相关关系，这在琼北地区地下水和邻近地区温泉水中有正常的反映。图4显示，在马鞍岭火山口附近的地下水，无论深浅井都明显偏离区内的Na－Cl相关线，显示Na含量相对偏高，其原因可能与火山活动带来了大量的深部Na有关。另外，海口电大井也存在类似的情况。该井不仅有较高的Na含量异常，而且也存在深源CO2释放异常（图5），表明该地热井可能与区内某个深源流体上涌通道相连。我们认为，马鞍岭火山口附近深浅井的地下水都存在Na含量相对偏高的异常情况，而且与深源CO2的异常释放同时存在时，这种现象应该不会是偶然的，它至少指示该火山口附近地区的深源流体活动要强于区内其他地区。

图5　琼北火山区地下水Na，Cl含量与溶解CO2的δ13C值关系

3　琼北火山区邻近地区温泉的地球化学特征

如前所述，在琼北火山区内目前没有发现天然地热流体释放活动，但在火山区外围地区则有大量的温泉存在。为了解这些温泉与火山活动的关系，有必要研究其流体地球化学背景特征。本次研究我们采集了7个温泉流体样品做分析测试，气体及同位素测试结果见表2。

我们的测试结果显示（图4），外围地区温泉Na和Cl含量之间的相关线斜率与琼北火山区地下水的明显不同，显示二者Na，Cl离子的溶入和迁移机制是不相同的。这意味着，周围地区的地热流体活动与琼北地区的火山活动可能没有直接的成因上的联系。

表2显示，外围地区温泉逸出气体的主要成分是N2，平均含量高达96％以上，而CO2平均含量仅有0.84％。这与中国腾冲、长白山、五大连池等活动火山区地热流体逸出气体的化学组成明显不同。He同位素测定结果显示，外围地区温泉逸出气的3He/4He比值均大大低于空气值（Ra＝1.4×10－6），特别是位于琼北火山区大片玄武岩南部边缘的兰洋、西达温泉，其3He/4He比值分别为0.076Ra和0.066Ra，属于典型的壳源He。温泉溶解碳的δ13C值介于－12.8‰～15.2‰之间，平均值为－13.8‰，大大低于深源CO2的δ13C值。氦、碳同位素证据都表明，外围地区温泉逸出气体属于正常的构造活动成因的气体释放，逸出气体中的He和CO2均为壳内气体，与琼北火山区内的深源气体释放活动无关。

表2　琼北火山区外围温泉逸出气体的化学和同位素组成

4　琼北火山区地下流体释放异常与近期火山喷发危险性评估

综上所述，琼北火山区现今深源流体释放活动整体上比较弱，但仍有一些异常显示。主要有：（1）马鞍岭火山口附近地下水无论深浅井都存在Na离子含量相对升高的异常，较深层的地下水还有一定强度的深源CO2释放活动；（2）区内800m以下地下水溶解CO2含量迅速增加，甚至一些与深断裂有联系的相对较浅的地下水（如海口电大井）也有明显的深源CO2释放活动；（3）火山区地下水δ18O值有随含水层深度的增加而逐渐降低的趋势；（4）火山区溶解CO2的碳同位素测试结果显示，马鞍岭火山口附近深井水中的溶解CO2基本上都为火山来源（98％以上），海口电大井和水工院新井的溶解CO2中大约87％为火山来源，海口地区其他泉点深部幔源CO2的含量平均约为40％，远远高于一般的地下水，也高于外围地区温泉。上述事实表明，目前琼北火山区深层地下水中仍有一定强度的深源CO2的释放活动。

我们认为，马鞍岭火山口附近地下水的Na离子含量的相对升高异常与深源CO2释放活动同时存在，可能指示琼北火山区马鞍岭等火山仍属于休眠火山，应继续给予适当关注。由于琼北火山区现今深源流体异常活动点基本上都集中在雷虎岭、马鞍岭火山口附近（高清武等，2003），因此该区域应列为琼北地区未来火山活动的重点监视区。与长白山、腾冲等国内其他休眠火山相比，研究区内深源流体释放活动的强度相对较弱。本项研究结果认为，琼北地区近期尚没有发生火山喷发活动的危险。

野外工作得到海南省地震局胡金文等同志的大力支持，气体测试由范树全副研究员协助完成，特此致谢。

参考文献

［1］陈墨香，夏斯高，杨淑贞.雷州半岛局部地热异常及其形成机制［J］.地质科学，1991，26 （4）：369－383

［2］陈文寄，葛同明，李大明，等.雷琼地区新生代玄武岩的K－Ar磁性地层年代学［A］.见：刘若新主编.中国新生代火山岩年代学与地球化学.北京：地震出版社，1992.239－245

［3］高清武，上官志冠，胡金文.琼北火山及断裂的活动性：氡钍气体放射性示踪［J］.地震地质，2003，25（2）：280－287

［4］黄镇国，蔡福祥，韩中元，等.雷琼第四纪火山［M］.北京：科学出版社，1993.1－7

［5］上官志冠.腾冲热海地热田热储结构与岩浆热源的温度［J］.岩石学报，2000，16（1）：83－90

［6］上官志冠，张忠禄.滇西实验场区温泉的稳定同位素地球化学研究［A］.见：国家地震局地质研究所.现代地壳运动研究（5）.北京：地震出版社，1991.87－95

［7］曾广策.海南岛北部第四纪玄武岩岩石学［J］.地球科学，1984，9（1）：63－72

［8］Flower M F G，Zhang M，Chen C Y，et al.Magmatism in the South China Basin：2 post－spreading Quaternary basalt from Hainan Island，South China［J］.Chem Geol，1992，97：65－87

［9］Moore J G，Bachelder J N，Cunningham C G.CO2－filled vesicles in mid－ocean basalt ［J］.Jour Volcanol Geothermal Res，1977，2：309－327

［10］Pineau P，Javoy M，Bottinga Y.13C/12 C ratios of rocks and inclusions in popping rocks of the Mid－Atlantic Ridge and their bearing on the problem of isotopic compositions of deep－seated carbon［J］.Earth Planet SciLett，1976，29：413－421

【注释】

[1]本文发表于《地震地质》2003年第25卷增刊。

[2]上官志冠，男，1945年出生，1969年毕业于中国科学技术大学近代化学系，1981年于北京大学地质系地球化学专业获硕士学位，研究员，博士生导师，现主要研究方向为火山流体地球化学和稳定同位素地球化学。电话：010－62009087，E－mail：Z.Shangguan＠263.sina.com