國外火山氣體通量估算方法及規(guī)模研究

國外火山氣體通量估算方法及規(guī)模研究

1間歇期火山氣體排放的基本情況近年來，世界變遷及其影響已成為全世界的中心問題之一。地質(zhì)歷史時(shí)期,大火成巖省的形成多與全球變暖、海洋缺氧以及生物集群滅絕事件同時(shí)發(fā)生,表明大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)產(chǎn)生的CO2等氣體與氣候變化之間可能存在著重要的因果聯(lián)系。大氣圈CO2濃度通常會(huì)受到火山噴發(fā)的強(qiáng)烈影響。中大西洋火成巖省巖漿作用導(dǎo)致當(dāng)時(shí)大氣圈CO2濃度由約2000μmol/mol迅速升高至約4400μmol/mol?；鹕絿姲l(fā)產(chǎn)生的CO2和SO2會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間(1～10年)的氣候變冷和更長時(shí)間(100～10000年)的氣候變暖。但是,國外研究也表明:溫室氣體的環(huán)境效應(yīng)是個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問題,取決于其排放規(guī)模、排放速率、在大氣圈中的滯留時(shí)間,以及巖石風(fēng)化作用、植物光合作用、海洋物理—生化作用等過程對(duì)溫室氣體(特別是CO2)的消耗。大氣圈溫室氣體含量的增加是自然因素(如火山作用、深大斷裂系和微滲漏等)和人類活動(dòng)共同作用造成的。因此,從地質(zhì)歷史演變的角度,研究大氣圈溫室氣體的濃度變化、不同來源及其相應(yīng)貢獻(xiàn),區(qū)分影響大氣圈溫室氣體濃度的自然因素和人為因素,有助于理解地球脫氣作用對(duì)大氣圈溫室氣體含量增加的影響?；鹕綒怏w的排放貫穿了火山噴發(fā)期和火山間歇期。所謂火山噴發(fā)期是指地下巖漿快速上升并最終噴出地表的時(shí)期;火山間歇期是指2次火山噴發(fā)之間相對(duì)寧靜的時(shí)期。噴發(fā)期火山氣體的排放形式以火山噴發(fā)柱為主,尤其常見于中酸性火山噴發(fā)。具體來說,發(fā)生在島弧、活動(dòng)大陸邊緣的中酸性噴發(fā)是大氣圈火山氣體輸入的主要來源,而占全球火山噴發(fā)數(shù)量90%以上的基性噴發(fā)僅向大氣圈貢獻(xiàn)了10%～15%的火山氣體。噴發(fā)期火山氣體來源于深部巖漿體系,具有排放速度快、通量大的特點(diǎn)。1991年印度尼西亞Pinatubo火山噴發(fā)向大氣圈輸送的CO2總量高達(dá)42Mt/a?；鹕絿姲l(fā)期巖漿快速上升,從巖漿中出溶的火山氣體很少受到圍巖氧化即噴出地表。因此,火山氣體的CH4/CO2比值相對(duì)較高。間歇期火山區(qū)在地下深部高溫巖漿房的不斷加熱與烘烤下,形成高溫干熱巖系統(tǒng),導(dǎo)致火山區(qū)內(nèi)出現(xiàn)高地?zé)崃?、溫泉和大?guī)模噴氣孔,向大氣圈排放大量的溫室氣體。間歇期火山氣體來源復(fù)雜,主要包括深部巖漿、地下水和圍巖等混合成因。盡管間歇期火山氣體排放的強(qiáng)烈程度遠(yuǎn)不如噴發(fā)期,但是其持續(xù)時(shí)間相對(duì)更長,氣體排放面積相對(duì)較大,所以間歇期火山氣體的排放通量也很大。美國黃石公園是世界著名的間歇期火山地?zé)釁^(qū),其最近一次噴發(fā)可以追溯到約70kaBP。但Werner等的研究表明,黃石公園每年排放的CO2總量仍高達(dá)5Mt。由于間歇期火山氣體上升速率相對(duì)較慢且路徑復(fù)雜,它們往往會(huì)與圍巖、地下水相互作用而遭受氧化,導(dǎo)致其CH4/CO2比值相對(duì)較低。目前,國際上正在興起對(duì)火山氣體成分及間歇期火山區(qū)溫室氣體排放通量的系統(tǒng)調(diào)查與深入研究。本文概括了國外火山氣體的研究內(nèi)容與研究方法,并重點(diǎn)探討了間歇期火山區(qū)溫室氣體排放的估算方法,以及不同的溫室氣體排放類型對(duì)大氣圈溫室氣體含量增加的貢獻(xiàn)。最后結(jié)合國外研究成果與我國火山區(qū)的基本情況,評(píng)估開展國內(nèi)間歇期火山區(qū)溫室氣體排放估算的研究前景。2火山氣體的化學(xué)成分19世紀(jì)50年代,法國地質(zhì)學(xué)家Deville首次分析了火山氣體的化學(xué)成分。結(jié)果表明,盡管不同火山所排放的火山氣體成分百分比不盡相同,但火山氣體的成分是相同的。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,火山氣體研究體系已日臻完善,包括野外采樣、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等。2.1采樣吉氏瓶和未固結(jié)充填液相對(duì)于火山噴發(fā)期而言,間歇期火山氣體采樣的操作難度較低、可行性更高。目前,國際上通用的采樣方法為預(yù)真空采樣法,采樣儀器包括吉氏瓶(Giggenbachbottle)和雙耳真空瓶,主要步驟如下(以噴氣孔氣體采樣為例,圖1):(1)預(yù)先對(duì)吉氏瓶和雙耳真空瓶抽真空,并在吉氏瓶中裝入50mL濃度為4mol/L的NaOH溶液。對(duì)吉氏瓶進(jìn)行稱重,其目的是對(duì)比采樣前、后吉氏瓶重量的變化,以此判斷采樣成功與否。若采樣后的吉氏瓶重量減小,說明采樣過程中部分堿液從瓶中被抽走,樣品采集失敗。(2)為了區(qū)分火山氣體中H2S與SO2的含量,采樣中常使用裝有20mL濃度為0.05mol/L碘液的離心管。(3)連接鈦管、塑膠管線和采樣瓶,并將鈦管直接插入噴氣孔。為避免火山氣體與管線發(fā)生反應(yīng),采樣中常用到長約1m的鈦管。在溫度較高、噴氣量較大的采樣點(diǎn),連接鈦管的塑膠導(dǎo)管需較長,以避免危險(xiǎn)。(4)選擇欲采樣的噴氣孔。野外觀察到的噴氣孔附近常有凝結(jié)呈錐狀的硫磺,火山氣體從中不斷噴出。(5)操作抽氣泵,使火山氣體充滿鈦管及塑膠管線,并沖洗10分鐘左右,確保管線內(nèi)空氣完全排凈。然后,依次使用雙耳真空瓶、吉氏瓶和離心管進(jìn)行采樣。值得注意的是,由于噴氣孔氣體溫度很高,加之氣體與堿液反應(yīng)放出大量的熱,因此須及時(shí)使用冷水對(duì)吉氏瓶進(jìn)行降溫。采樣過程中,務(wù)必確保堿液及碘液與火山氣體充分反應(yīng)。2.2氣體組分和組分火山氣體成分可以在野外原位測(cè)試,也可以采集后在實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試。光譜學(xué)以及非色散紅外分析等是火山氣體成分和含量的主要測(cè)試技術(shù)。目前常用的火山氣體分析儀器主要有:①氣相色譜儀(GasChromatograph),用于測(cè)試CH4、C2H6、CO、CO2、Ar、N2,以及H2、He和O2等火山氣體組分的百分含量;②稀有氣體同位素質(zhì)譜儀(NobleGasIsotopeMassSpectrometer),用于測(cè)試火山氣體中3He/4He及4He/20Ne比值;③四極桿質(zhì)譜儀(QuadrupoleMassSpectrometer),用于測(cè)試火山氣體各組分的相對(duì)百分含量,可測(cè)試的氣體組分包括O2、N2、CO2、SO2、H2S、CH4、C2H6、H2、Ar等;④碳同位素分析儀,用于測(cè)試火山氣體的13C/12C比值。此外,巖石學(xué)方法是研究火山巖斑晶內(nèi)原生巖漿包裹體和共存的基質(zhì)玻璃內(nèi)的揮發(fā)分的主要手段?；鹕綒怏w研究的未來發(fā)展將聚焦在先進(jìn)測(cè)試儀器的研發(fā)上,以便于在更大的空間范圍及更高的分析精度上測(cè)試火山氣體成分與含量。2.3土壤脫氣和噴氣孔脫氣間歇期火山區(qū)溫室氣體排放類型包括土壤脫氣(Soildegassing)、溫泉脫氣(Hotspringdegassing)和噴氣孔脫氣(Fumaroledegassing)3類。土壤脫氣通常發(fā)生在火山錐體及其周邊地區(qū),以微滲漏的形式向大氣圈輸送溫室氣體。溫泉脫氣指的是火山區(qū)內(nèi)的溫泉向大氣圈排放溫室氣體的形式。噴氣孔脫氣通常發(fā)生在噴氣孔、火山口等場(chǎng)所。針對(duì)不同的溫室氣體排放類型,采用不同的方法估算間歇期火山區(qū)溫室氣體排放通量。(1)密閉氣室法cort該方法適用于土壤脫氣通量研究,已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科學(xué)、氮循環(huán)研究以及火山區(qū)溫室氣體排放估算等方面。目前,國際上通用的測(cè)量儀器為意大利WestSystem公司生產(chǎn)的帶有密閉氣室的流量計(jì),它包括4個(gè)部分:①高10cm、面積300cm2的倒置圓形氣室,內(nèi)部裝有風(fēng)扇,其作用是將氣室內(nèi)部的氣體混合均勻;②紅外光譜儀,用于測(cè)量0～5000μmol/mol的CO2濃度,氣室與紅外光譜儀之間裝有Mg(ClO4)2干燥劑,用于吸收氣體中的水蒸氣,以防止其損害紅外光譜儀;③模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器;④掌上電腦。密閉氣室法測(cè)量土壤脫氣通量的步驟如下(圖2):①將圓形氣室倒置于土壤表面,壓實(shí)氣室邊緣的土壤,以排除大氣CO2對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾;②利用紅外光譜儀測(cè)量氣室內(nèi)部CO2濃度隨時(shí)間增加的趨勢(shì);③模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將測(cè)得的CO2濃度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至掌上電腦;④掌上電腦展示出CO2濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì),利用相關(guān)軟件估算其初始斜率α,并計(jì)算土壤脫氣所排放的CO2通量。Wen等對(duì)長白山天池火山西坡土壤脫氣的實(shí)地測(cè)量結(jié)果平均值為22.8g/(m2·d),這一結(jié)果可以作為長白山火山區(qū)土壤脫氣通量的背景值。對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行合理的網(wǎng)狀布點(diǎn)是密閉氣室法應(yīng)用的關(guān)鍵。此外,土壤滲透度易受到大氣降水的影響,通常,晴朗無風(fēng)的天氣是測(cè)量土壤脫氣通量的理想氣候條件。為了使土壤脫氣通量具有統(tǒng)一的背景值,應(yīng)選擇在相似的天氣條件下開展實(shí)地測(cè)量工作。(2)釋放氣通量測(cè)量該方法適用于溫泉脫氣通量研究,它建立在對(duì)火山區(qū)溫泉?dú)怏w化學(xué)成分和溫泉水化學(xué)成分、溫泉?dú)怏w排放速率和溫泉水流速等的系統(tǒng)調(diào)查和長期監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)之上。溫泉?dú)怏w和溫泉水的成分研究可以為溫室氣體排放估算提供CO2及CH4的濃度數(shù)據(jù),結(jié)合溫泉?dú)怏w排放速率、溫泉水流速測(cè)量結(jié)果以及相關(guān)地質(zhì)資料,對(duì)間歇期火山區(qū)內(nèi)的水體(特別是溫泉)溫室氣體排放通量進(jìn)行估算。目前,國內(nèi)溫泉?dú)怏w排放通量測(cè)量所用的儀器為數(shù)字皂膜流量計(jì),量程5～5000mL/min,測(cè)量精度小于±1%。該儀器可完整顯示氣壓、溫度、溶劑、時(shí)間、流量等信息,并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。圖3展示了數(shù)字皂膜流量計(jì)的工作原理。測(cè)量前,將漏斗、塑膠管線及流量計(jì)相連接,置漏斗于水面下,保持固定以捕獲氣泡。橡膠球內(nèi)裝有預(yù)先配制好的皂液(采用普通洗滌靈,加水稀釋至10%即可)。測(cè)量時(shí),將流量計(jì)垂直放正,擠壓橡膠球使之產(chǎn)生氣泡。在氣體的持續(xù)推動(dòng)下,皂液氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)樵砟?并上升至測(cè)量區(qū)域。測(cè)量區(qū)域由上、下2個(gè)傳感器和中間的玻璃管組成,傳感器的作用是感應(yīng)皂膜并記錄測(cè)量的起止時(shí)間。皂膜通過測(cè)量區(qū)域時(shí),流量計(jì)內(nèi)部的蜂鳴器均發(fā)出“嘟”的短促聲,表明測(cè)量開始和結(jié)束。流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果默認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)果,即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.3kPa和室溫25℃下的結(jié)果?？筛鶕?jù)實(shí)際的測(cè)量情況,調(diào)整測(cè)量結(jié)果的給出狀態(tài)。(3)火炬氣排放的設(shè)置方法采用密氣室法和so2通量方法,見表2該方法適用于噴氣孔脫氣通量研究,其原理如下:利用安裝在飛行器上的非分散CO2分析儀測(cè)量火山氣柱內(nèi)、外的CO2濃度在垂向上的變化,利用Surfer軟件繪制CO2濃度等高線圖,由此得到單位面積的CO2濃度,然后結(jié)合測(cè)量時(shí)的風(fēng)速估算噴氣孔脫氣所排放的CO2通量。該方法所使用的儀器為LI-COR非分散CO2分析儀,CO2濃度測(cè)量范圍為0～2000μmol/mol。此外,還可通過火山氣體中不同氣體組分的濃度比值估算溫室氣體通量。Allard等利用高溫(>400℃)火山氣體的C/S比值(接近1.5±1.0)以及SO2通量,估算得到Etna火山CO2排放量約為25.5Mt/a,這相當(dāng)于4個(gè)1000MW火力發(fā)電站所排放的CO2總和。上述3種溫室氣體排放通量估算方法各有其特點(diǎn)。密閉氣室法適用于土壤脫氣通量研究,其應(yīng)用常會(huì)受到地表植被、天氣等客觀自然因素的影響,但易于操作。氣體化學(xué)與水化學(xué)法適用于火山區(qū)內(nèi)溫泉脫氣所排放的溫室氣體通量研究。飛行器實(shí)地測(cè)量法適用于火山氣體排放強(qiáng)烈的地區(qū)(如意大利Etna火山)的噴氣孔脫氣,但是由于其代價(jià)昂貴,應(yīng)用難度較大。3火山氣體研究意義日本地球化學(xué)家Matsuo曾說過,“火山氣體是來自地球內(nèi)部的電報(bào)”?；鹕綒怏w研究有助于探討火山作用的構(gòu)造背景、監(jiān)測(cè)與尋找隱伏斷裂帶、火山活動(dòng)性及地震的長期監(jiān)測(cè)、示蹤早期地球的熱演化、探討火山氣體對(duì)大氣圈溫室氣體增加的貢獻(xiàn)等。本文將重點(diǎn)討論國外間歇期火山區(qū)溫室氣體排放的最新研究成果。3.1火炬氣體組成方面,我國南北方地?zé)崛?.火山氣體由多種成分組成,主要包括H2O、CO2、SO2、H2S、CH4、H2、O2、N2、CO,稀有氣體成分He、Ne、Ar、Kr、Xe,以及鹵族元素化合物HF、HCl、HBr等。其中摩爾百分比含量最高的是H2O(35%～90%),其次為CO2(5%～50%),SO2含量為2%～30%?；鹕綒怏w的成分常受溫度、壓力及氧化還原條件的影響。如H2S為地下深部巖漿氣體的主要硫組分;當(dāng)巖漿到達(dá)地殼淺部位置時(shí),壓力降低使H2S被氧化為SO2,導(dǎo)致后者成為火山氣體中主要的硫組分。研究表明:不同的構(gòu)造環(huán)境中火山氣體的組成特點(diǎn)是不同的(表1)。Hoke等根據(jù)西藏南部地?zé)崛信欧诺臍怏w的He同位素組成研究將研究區(qū)劃分為2個(gè)區(qū)域:地殼He區(qū)域,RC/RA<0.05;地幔He區(qū)域,RC/RA>0.1(RA表示空氣3He/4He比值,RC表示以空氣為標(biāo)準(zhǔn)校正后的3He/4He比值),并據(jù)此定義了西藏高原之下地幔熔融及地幔熔體萃取的南部界線。Crossey等對(duì)南Colorado高原地區(qū)溫泉?dú)怏w的研究結(jié)果表明,溶解于泉水中的氣體的3He/4He比值為0.1～1.16RA,暗示出至多約15%的He來自于MORB類型地幔,或者30%的He來自于巖石圈地幔。3.2火山活動(dòng)的影響火山活動(dòng)性的長期監(jiān)測(cè)對(duì)于保障火山周圍地區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。火山氣體的地球化學(xué)成分可以反映地下深部巖漿活動(dòng),其成分的時(shí)空變化與火山活動(dòng)性密切相關(guān)。Fischer等對(duì)哥倫比亞Galeras火山為期5年的火山氣體研究結(jié)果表明,S含量在短時(shí)間內(nèi)的劇變是火山噴發(fā)的前兆。Notsu等認(rèn)為,在遠(yuǎn)程紅外光譜測(cè)量可獲得的眾多參數(shù)中,HCl/SO2比值和HF/HCl比值能最好地反映火山活動(dòng):噴發(fā)期火山氣體的HCl/SO2和HF/HCl比值要高于間歇期。3.3其他地區(qū)和國際間歇期火山區(qū)土壤co排放通量國外火山區(qū)間歇期溫室氣體(主要是CO2)排放估算研究始于20世紀(jì)80年代,并已取得大量有意義的估算數(shù)據(jù)(表2～4)。以往火山區(qū)溫室氣體排放通量研究多集中在噴發(fā)期,火山活動(dòng)排放溫室氣體的總量往往被低估了,更全面準(zhǔn)確地估算數(shù)據(jù)應(yīng)該將土壤脫氣、溫泉脫氣、噴氣孔脫氣等間歇期溫室氣體排放類型考慮在內(nèi)。表2為國外間歇期火山區(qū)土壤CO2排放通量的估算結(jié)果。由于火山活動(dòng)性的動(dòng)態(tài)變化,同一火山區(qū)不同時(shí)期的土壤CO2排放通量略有差別。研究表明,間歇期火山區(qū)土壤CO2排放通量介于0.001～2.25Mt/(km2·a)之間,平均值為0.233Mt/(km2·a)。意大利PantelleraIsland地區(qū)土壤CO2排放通量是噴氣孔CO2排放通量的12倍。Solfatara火山區(qū)的土壤CO2排放通量為0.717Mt/(km2·a)。意大利Vulcano島每年以土壤脫氣的形式向大氣圈排放的CO2總量平均約為0.598Mt/(km2·a),最大值可達(dá)2.25Mt/(km2·a)。美國黃石公園面積約1000km2,地?zé)峄顒?dòng)異常強(qiáng)烈,火山氣體通過土壤、溫泉、噴氣孔等多種方式劇烈釋放。2006年,Werner等對(duì)美國黃石國家公園溫泉盆地內(nèi)面積約1km2的地?zé)釁^(qū)進(jìn)行了土壤溫室氣體排放調(diào)查。結(jié)果顯示,該盆地的CO2排放通量為0.15Mt/(km2·a),然而這僅占整個(gè)黃石火山系統(tǒng)總CO2排放通量的1%～3%。由此可以推算,每年至少約有5MtCO2由黃石火山地?zé)釁^(qū)注入大氣圈。另外,研究表明,尼加拉瓜CerroNegro火山區(qū)土壤CO2排放通量約為1.76Mt/(km2·a)。日本Miyakejima火山區(qū)土壤CO2排放通量約為0.101Mt/(km2·a)。表3為國外部分間歇期火山區(qū)溫泉CO2排放通量的估算研究結(jié)果,其范圍在0.001～1.2Mt/a之間,平均值約為0.252Mt/a。1954—1991年期間,冰島Grimsvotn火山區(qū)內(nèi)的水體釋放的CO2約為0.19Mt/a。Mazot等估算了墨西哥ElChichón火山口湖的CO2排放通量。結(jié)果顯示,在面積僅為0.308km2的火山口湖水域內(nèi),每年釋放的CO2總量約為0.135Mt。新西蘭Taupo火山區(qū)每年通過溫泉脫氣的方式向大氣圈排放的CO2總量約為0.383Mt。扎伊爾Niragongo火山區(qū)內(nèi)水體(包括溫泉)的CO2排放通量約為1.2Mt/a。表4為國外部分間歇期火山區(qū)噴氣孔CO2排放通量的估算結(jié)果。由于各火山區(qū)氣體排放強(qiáng)烈程度的差異,CO2排放通量變化較大,介于0.005～25.5Mt/a之間,平均值為3.11Mt/a。意大利Etna火山是歐洲最大的活火山,以噴氣孔為主要的火山氣體排放通道。1976—1985年間,Etna火山每年向大氣圈排放CO2高達(dá)25.5Mt;而1993—1997年間,Etna火山的CO2排放通量下降到4～13Mt/a;2004—2005年的CO2排放通量為3.29Mt/a。1980—1995年期間,意大利Stromboli火山噴氣孔脫氣所排放的CO2通量維持在1～2Mt/a之間。美國夏威夷Kilauea火山在1956—1984年期間,每年通過火山口及噴氣孔等通道向大氣圈排放CO2總量約1.22Mt。Delgado等對(duì)墨西哥Popocatepetl火山CO2排放通量的研究結(jié)果為14.5～36.5Mt/a。此外,Etiope等首次估算了歐洲火山地?zé)釁^(qū)的CH4排放通量:在面積小于4000km2的地區(qū),CH4排放通量約為10000t/a(4000～16000t/a),這相當(dāng)于整個(gè)歐洲森林大火或野生動(dòng)物等其他CH4自然來源的排放量。4國內(nèi)火山區(qū)溫室氣體排放特征從全球范圍來看,意大利是火山區(qū)和非火山區(qū)溫室氣體排放通量研究程度較高的國家之一(表5、6)。在火山學(xué)研究中,CO2的地質(zhì)成因包括火山成因和非火山成因:火山成因的CO2通過火山系統(tǒng)(如火山區(qū)土壤、溫泉、噴氣孔等)排放,具有明顯的巖漿來源特征。與之相反,非火山成因的CO2沒有明顯的巖漿來源特征。在相關(guān)工作的