718 刘嘉麒等:长白山火山研究进展 5.Ⅰ喷发期火山气体释放总量估算及其环境效应释放形式为温泉、土壤微渗漏和喷气孔( Chiodini et 长白山火山的“千年大喷发”被普遍认为是过al,19%8)。除了喷气孔之外,温泉和土壤微渗漏在 去2000年以来全球最大规模的火山喷发之一(刘长白山火山区都有出露。根据张茂亮等(2011)的 嘉麒,1999;0 oppenheimer et al.,2003; Oppenheimer,初步研究结果,长白山火山区的湖滨温泉、聚龙温 20ll; Wei et al,2013),这次喷发产生的火山灰被证泉、锦江温泉和十八道沟温泉每年向大气圈释放的 实飘落到了1000km以外的日本( Machida et al.,CO2总量为6.9×10t,CH4总量为428.4t,与意大 1990;刘嘉麒,1999; Horn and schmincke,2000),甚利 Pantelleria island火山区温泉释放的温室气体通 至在北极格陵兰地区的冰心中也发现了长白山火量规模相当( Favara et a.,2001)。需要指出的是,该 山“千年大喷发”喷出的火山灰( Zielinski et al.,方法必须建立在火山区温泉气体化学成分和温泉 1994; Sun et al.,2014)。长白山火山碱流质喷发物气体排放通量的长期监测和系统调查的基础上。 的研究显示,“千年大喷发”向大气圈输送的 HCI Zhang等(2015)利用密闭气室法对长白山火山西坡 为109.9×10°t,HF为196.8×10 为的土壤微渗漏CO2释放通量开展了测量与估算工 14738×10°t,SO2为23.1×10°1,H2SO4气溶胶作。结果显示,该地区的土壤微渗漏CO2释放通量 为354×10°t,喷发物总量仅次于发生于1815年为194g·m2·d-,接近2010年的测量结果 的 Tambora火山喷发(郭正府等,2001) 长白山火山 长白山火山喷发期火山气体释放总量的估算口附近的植被稀疏的高海拔地区面积约为 研究有助于探讨火山喷出气体对区域乃至全球气110km2。假设这些地区的土壤微渗漏CO2释放强 候的影响。现代火山活动的观测结果( Signal,度与长白山火山西坡相当,则长白山火山区通过土 2001)表明,SO23、H2S、HCI和HF属于短期气候效应壤微渗漏向大气圈释放的CO2总量约为7.79 气体(主要产生于中酸性火山喷发),而CO2属于长103u/a(郭正府等,2014)。 期气候效应气体。由于中酸性火山喷发的喷发柱 长时间尺度、连续的休眠火山区土壤微渗漏 可达平流层,大量气体进入平流层后会迅速地扩散CO2释放通量测量与火山气体地球化学成分及其成 至半球甚至全球范围。所以,中酸性喷发对气候、因研究是开展火山监测与预测的理想方法( Baubron 环境影响的空间范围较大(郭正府等,2003)。矿物eal.,1991; Sparks,2003; Granieri et al,2006; Lewicki 原生岩浆包裹体研究表明( Guo et a.,2006),长白山etal.,2007)。长白山火山及其周边地区人口稠密, 火山“千年大喷发”喷出的气体以卤化物为主,但旋周边有水电站、水库、工厂等重要基础设施。一旦 回晩期硫化物气体有增加趋势。以卤化物气体为火山在未来喷发,其造成的经济损失和灾难性后果 主的喷发对周围环境的影响主要体现在两个方面:将不堪设想。因此,开展长白山火山的实时监测研 ①HF气体吸附在火山灰表面,形成迅速扩散的剧究迫在眉睫。以往研究(上官志冠和孙明良,1996 毒HF气体云,沉降后污染植被和水质;②火山H 上官志冠等,1997; Hahm et al.,2008; Xu et al.,2012 气体破坏大气圈臭氧层,甚至形成“臭氧层空洞 Zhang et al.,2015)表明,长白山火山区温泉和土壤 严重破坏环境和生态平衡。火山硫化物气体导致微渗漏释放的温室气体(以CO2为主)的通量、同位 地表温度下降,形成酸雨和剧毒的火山灰云幕,危素组成与深部岩浆囊活动性之间具有密切的关系。 害动物生存、水循环、植被以及土地肥力。作为主因此,通过对长白山火山温室气体释放通量的连续 要的温室气体,CO2的气候环境效应是导致地表温测量,并结合火山气体地球化学与成因研究,可以 度升高以及全球变暖。如果火山喷出的CO2总量有效地示踪火山区地下岩浆囊的活动状态,探讨火 较大时,也会在短时间内造成区域乃至全球尺度上山气体地球化学特征与地下岩浆囊活动的关系,为 的气候环境变化。例如,地质历史时期,大火成岩监测和预测长白山火山未来喷发提供火山气体资 省的形成多与全球变暖、海洋缺氧以及生物集群灭料。此外,大气圈温室气体含量是地质历史长期演 绝事件同时发生,表明大规模火山喷发产生的CO2变的结果,包括了自然因素(例如,火山作用、温泉 等火山气体与气候环境变化之间可能存在着重要土壤微渗漏等)和人类活动的贡献(郭正府等 的因果联系( Signal,2001; Sobolev et al.2011)。 2001)。长时间尺度、连续地测量土壤微渗漏CO 5.2休眠期火山气体释放总量估算及其意义 释放通量有助于准确地估算长白山火山休眠期的 休眠期火山活动释放的火山气体以CO2为主,温室气体释放通量与规模,对于深入理解现今地球刘嘉麒等：长白山火山研究进展 ５１ 喷发期火山气体释放总量估算及其环境效应 长白山火山的“千年大喷发”被普遍认为是过 去 ２０００年以来全球最大规模的火山喷发之一（刘 嘉麒，１９９９；Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍｅｒｅｔａｌ．，２００３；Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍｅｒ， ２０１１；Ｗｅｉｅｔａｌ．，２０１３），这次喷发产生的火山灰被证 实飘落到 了 １０００ｋｍ 以 外 的 日 本 （Ｍａｃｈｉｄａｅｔａｌ．， １９９０；刘嘉麒，１９９９；ＨｏｒｎａｎｄＳｃｈｍｉｎｃｋｅ，２０００），甚 至在北极格陵兰地区的冰心中也发现了长白山火 山“千 年 大 喷 发”喷 出 的 火 山 灰 （Ｚｉｅｌｉｎｓｋｉｅｔａｌ．， １９９４；Ｓｕｎｅｔａｌ．，２０１４）。长白山火山碱流质喷发物 的研究显示，“千年大喷发”向大气圈输送的 ＨＣｌ 为 １０９９ × １０６ ｔ，ＨＦ为 １９６８ × １０６ ｔ，Ｈ２Ｏ 为 １４７７８×１０６ ｔ，ＳＯ２ 为 ２３１×１０６ ｔ，Ｈ２ＳＯ４ 气溶胶 为 ３５４×１０６ ｔ，喷发物总量仅次于发生于 １８１５年 的 Ｔａｍｂｏｒａ火山喷发（郭正府等，２００１）。 长白山火山喷发期火山气体释放总量的估算 研究有助于探讨火山喷出气体对区域乃至全球气 候的 影 响。现 代 火 山 活 动 的 观 测 结 果 （Ｗｉｇｎａｌｌ， ２００１）表明，ＳＯ２、Ｈ２Ｓ、ＨＣｌ和 ＨＦ属于短期气候效应 气体（主要产生于中酸性火山喷发），而 ＣＯ２ 属于长 期气候效应气体。由于中酸性火山喷发的喷发柱 可达平流层，大量气体进入平流层后会迅速地扩散 至半球甚至全球范围。所以，中酸性喷发对气候、 环境影响的空间范围较大（郭正府等，２００３）。矿物 原生岩浆包裹体研究表明（Ｇｕｏｅｔａｌ．，２００６），长白山 火山“千年大喷发”喷出的气体以卤化物为主，但旋 回晚期硫化物气体有增加趋势。以卤化物气体为 主的喷发对周围环境的影响主要体现在两个方面： ①ＨＦ气体吸附在火山灰表面，形成迅速扩散的剧 毒 ＨＦ气体云，沉降后污染植被和水质；②火山 ＨＣｌ 气体破坏大气圈臭氧层，甚至形成“臭氧层空洞”， 严重破坏环境和生态平衡。火山硫化物气体导致 地表温度下降，形成酸雨和剧毒的火山灰云幕，危 害动物生存、水循环、植被以及土地肥力。作为主 要的温室气体，ＣＯ２ 的气候环境效应是导致地表温 度升高以及全球变暖。如果火山喷出的 ＣＯ２ 总量 较大时，也会在短时间内造成区域乃至全球尺度上 的气候环境变化。例如，地质历史时期，大火成岩 省的形成多与全球变暖、海洋缺氧以及生物集群灭 绝事件同时发生，表明大规模火山喷发产生的 ＣＯ２ 等火山气体与气候环境变化之间可能存在着重要 的因果联系（Ｗｉｇｎａｌｌ，２００１；Ｓｏｂｏｌｅｖｅｔａｌ．，２０１１）。 ５２ 休眠期火山气体释放总量估算及其意义 休眠期火山活动释放的火山气体以 ＣＯ２ 为主， 释放形式为温泉、土壤微渗漏和喷气孔（Ｃｈｉｏｄｉｎｉｅｔ ａｌ．，１９９８）。除了喷气孔之外，温泉和土壤微渗漏在 长白山火山区都有出露。根据张茂亮等（２０１１）的 初步研究结果，长白山火山区的湖滨温泉、聚龙温 泉、锦江温泉和十八道沟温泉每年向大气圈释放的 ＣＯ２ 总量为 ６９×１０４ ｔ，ＣＨ４ 总量为 ４２８４ｔ，与意大 利 ＰａｎｔｅｌｌｅｒｉａＩｓｌａｎｄ火山区温泉释放的温室气体通 量规模相当（Ｆａｖａｒａｅｔａｌ．，２００１）。需要指出的是，该 方法必须建立在火山区温泉气体化学成分和温泉 气体排放 通 量 的 长 期 监 测 和 系 统 调 查 的 基 础 上。 Ｚｈａｎｇ等（２０１５）利用密闭气室法对长白山火山西坡 的土壤微渗漏 ＣＯ２ 释放通量开展了测量与估算工 作。结果显示，该地区的土壤微渗漏 ＣＯ２ 释放通量 为 １９４ ｇ·ｍ－２ ·ｄ－１ ，接 近 ２０１０年 的 测 量 结 果 （２２８ｇ·ｍ－２ ·ｄ－１ ；Ｗｅｎｅｔａｌ．，２０１１）。长白山火山 口 附 近 的 植 被 稀 疏 的 高 海 拔 地 区 面 积 约 为 １１０ｋｍ２ 。假设这些地区的土壤微渗漏 ＣＯ２ 释放强 度与长白山火山西坡相当，则长白山火山区通过土 壤微渗 漏 向 大 气 圈 释 放 的 ＣＯ２ 总 量 约 为 ７７９× １０５ ｔ／ａ（郭正府等，２０１４）。 长时间 尺 度、连 续 的 休 眠 火 山 区 土 壤 微 渗 漏 ＣＯ２ 释放通量测量与火山气体地球化学成分及其成 因研究是开展火山监测与预测的理想方法（Ｂａｕｂｒｏｎ ｅｔａｌ．，１９９１；Ｓｐａｒｋｓ，２００３；Ｇｒａｎｉｅｒｉｅｔａｌ．，２００６；Ｌｅｗｉｃｋｉ ｅｔａｌ．，２００７）。长白山火山及其周边地区人口稠密， 周边有水电站、水库、工厂等重要基础设施。一旦 火山在未来喷发，其造成的经济损失和灾难性后果 将不堪设想。因此，开展长白山火山的实时监测研 究迫在眉睫。以往研究（上官志冠和孙明良，１９９６； 上官志冠等，１９９７；Ｈａｈｍｅｔａｌ．，２００８；Ｘｕｅｔａｌ．，２０１２； Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１５）表明，长白山火山区温泉和土壤 微渗漏释放的温室气体（以 ＣＯ２ 为主）的通量、同位 素组成与深部岩浆囊活动性之间具有密切的关系。 因此，通过对长白山火山温室气体释放通量的连续 测量，并结合火山气体地球化学与成因研究，可以 有效地示踪火山区地下岩浆囊的活动状态，探讨火 山气体地球化学特征与地下岩浆囊活动的关系，为 监测和预测长白山火山未来喷发提供火山气体资 料。此外，大气圈温室气体含量是地质历史长期演 变的结果，包括了自然因素（例如，火山作用、温泉、 土壤 微 渗 漏 等）和 人 类 活 动 的 贡 献 （郭 正 府 等， ２００１）。长时间尺度、连续地测量土壤微渗漏 ＣＯ２ 释放通量有助于准确地估算长白山火山休眠期的 温室气体释放通量与规模，对于深入理解现今地球 ７１８