腾冲火山区现代幔源氦释放特征及深部岩浆活动研究

论文摘要

解决的问题与研究方法1、解决的科学问题已有研究成果表明:腾冲火山区现今仍有热能和幔源挥发份的大量释放,腾冲火山区地下可能有多个岩浆囊存在,腾冲火山的喷发可能与板块俯冲无关,是局部地幔上隆产生的。但腾冲火山区现代热能和幔源物质释放的强度及其空间分布特征以及与地下岩浆囊的关系,这些岩浆囊的数量、空间分布、几何尺度、温度和活动性以及腾冲火山成因机理的具体模式等问题还没有得到解决。本论文拟尝试解决这些科学问题。2、思路本论文以揭示现今腾冲火山区岩浆活动为目标,以温泉为研究对象,以化学地质温标、同位素示踪、同位素地质温标为手段,依托现代化学和同位素分析测试技术,通过对腾冲火山区温泉逸出气体的大规模采样及成份和同位素分析测试,来研究腾冲火山区现今幔源物质释放场、上地壳温度场和岩浆囊现今温度,并结合前人深部探测、活动监测及成因研究方面的成果,提出腾冲火山孕育喷发的成因机制模型。3、应用的原理火山喷发是地球内部物质和热能向地表释放的一种方式。岩浆在向上运移或滞留在地壳中时,都会对由热传导形成的正常地热梯度造成局部扰动。反过来,正常地热梯度的局部扰动量可以反映岩浆囊的存在。温泉的形成与当地的地热梯度有关,温泉水中溶解的化学物质含量与热储的温度有关。温泉水化学地质温标可以用来揭示其循环深度范围内的正常地热梯度的局部扰动量,从而可以间接反映岩浆囊或其热晕的存在。溶解在岩浆中的气体是火山喷发的驱动力,也是火山岩浆活动的示踪剂。当岩浆向地表上升运移、喷出或在地下冷却结晶时都可释放出气体。气体在火山岩浆运移和喷发中起着重要作用,尤其是在爆炸性喷发中起着支配作用。气体组分和同位素组成资料可用于热力学计算,从而可以研究深部岩浆的物理化学状态。氦气是最稳定、最轻、挥发性最强和扩散渗透能力最强的惰性气体,当岩浆向地表上升运移时,它可以先于岩浆到达地表,因此,在岩浆上侵过程或侵入后的活动过程中,通过对其先行逸出和正在逸出的气体氦同位素组成进行测试,就可以利用其示踪原理确定岩浆的物质来源:对正在上侵的岩浆,应能观测到氦同位素组成的突然变化;对正在或已冷却的岩浆,氦同位素组成的变化会相当的平稳,氦同位素组成值的不同会反映它们的新老程度。来自岩浆的同源共生的CO2-CH4分子间的碳同位素平衡分馏受温度控制,其平衡时间与温度相关。温度越高,平衡时间越短,温度越低,平衡时间越长。平衡时间与平衡温度呈指数关系,高温（比如1000℃）时需要数小时或数天时间量级能达到平衡的在低温时（比如300℃）可能需要百万年的时间量级才能达到新的平衡。因此,当从高温岩浆区上升到地表时,气体的温度是迅速降低的,这使得在高温区达成的同位素平衡在低温区很难被改变,即同位素组成被“冻结”。同位素平衡分馏系数和平衡温度有关,因此通过测试到达地表低温区的CO2-CH4分子间的碳同位素组成,如能判断其同位素交换是平衡的,则可以通过同位素分馏方程来计算平衡温度,而这个温度代表的不是地表再平衡的温度,而是被“冻结”的高温源区温度,即岩浆囊的温度。4、技术路线本论文采取如下技术路线进行研究。首先利用前人已分析过的大量温泉的水化学资料,根据地球化学热力学原理,利用化学地质温标来研究腾冲火山区及其邻近地区的上地壳温度场。温度场可以间接反映岩浆的存在及其活动状况,地热梯度越高,岩浆存在的可能性越大,岩浆活动性越强。研究结果将为利用同位素示踪原理揭示岩浆囊和利用同位素地质温标原理获得岩浆囊温度工作的野外采样设计和实施提供依据。然后利用在腾冲火山区广泛分布的温泉,采集逸出气体为测试对象,分析其常规组分含量和He、Ne的同位素组成。在火山岩区及其外围（如怒江断裂带）的较大范围获取氦同位素组成数据,利用氦同位素3He/4He比值的示踪原理,揭示是否在整个火山区存在一个统一的或几个幔源物质释放中心,这一个或几个幔源物质释放中心则对应一个或几个岩浆囊。在此前提下、利用温度对CO2-CH4的碳同位素平衡分馏的控制原理,通过测试这个或这几个岩浆囊（范围已大大缩小）的CO2和CH4的碳同位素组成,计算这个或这几个岩浆囊的温度。温度越高,岩浆囊的活动性越强。接着,根据本论文的上述观测资料和研究成果,结合前人获得的大地电磁测深、人工地震测深等深部探测资料来佐证岩浆囊的存在,并研究这个或几个岩浆囊的规模及埋深;利用本研究和前人通过20多年积累的幔源物质释放强度的长期观测资料,岩浆囊温度资料,结合前人获得的形变、地震等活动性监测资料研究这个或几个岩浆囊的现今活动性。最后,利用以上观测研究成果,结合前人关于腾冲火山的成因研究成果,提出腾冲火山喷发孕育的机理模型。主要研究内容1、研制防大气污染和具富集功能的野外气体取样器为了保证所采集气体样品不被空气污染,提高观测结果的可信度。同时,为了克服野外采样中诸如温泉气体温度过高、采样空间狭小等原因难以近距离采样,排气规模太小以及CH4需要富集等等一系列问题,研制一套集排气装置、储气装置、微量组份富集装置、样品输出接口装置于一体的气体样品采集器具。2、采集腾冲火山区温泉逸出气体,分析测试这些气体的常规组份和氦氖碳同位素组成用本研究研制的防大气污染采样器采集腾冲火山区温泉逸出气样品,用于常规组分和碳同位素组成分析的气体样品用铝塑气体样品袋装样,用于氦同位素分析的样品用钢瓶或玻璃瓶装样。用气相色谱仪测试常规组分,质谱仪（VG5400）分析3He/4He、4He/20Ne。用本研究研制的防大气污染和具富集功能的采样器采集幔源物质释放强和相对地热梯度高的重叠异常区（岩浆活动区）上方温泉的CO2和CH4气体样品,对CH4碳同位素样品进行现场富集取样,外送分析这些样品的碳同位素组成。3、腾冲火山区上地壳温度场的研究利用前人的温泉水化学分析资料,选用统一地球化学温标,计算热储温度,假定各热储等深,则热储温度与泉口温度之差为相对地热梯度。计算腾冲火山区上地壳的相对地热梯度。通过克里金插值法获得整个腾冲火山区的相对地热梯度平面分布图。根据此空间分布图和数据,研究腾冲火山区上地壳温度场的空间分布特征,探讨与岩浆的存在及其活动性的关系4、腾冲火山区幔源物质释放场研究通过样品的4He/20Ne值对样品的大气污染进行3He/4He矫正,对样品氦同位素组成的源区百分比进行计算,最后对源区百分比进行校正计算。通过克里金插值法获得整个腾冲火山区的原始氦同位素组成3He/4He（Ra）、校正后的3He/4He校正（Ra）以及氦同位素组成地幔源贡献百分比M和校正后的氦同位素组成地幔源贡献百分比M校正的平面分布图。这种图件即能反映出腾冲火山区的幔源物质释放的空间强度水平,同一释放点的时间序列则能反映幔源物质释放的时间变化。结合具体的数据和这些图件,研究腾冲火山区幔源物质释放的时空分布特征,探讨与岩浆的存在及其活动性的关系。5、腾冲火山区岩浆囊现今温度研究对CO2-CH4碳同位素地质温度计的相关文献进行研究,选取最合理的已有平衡分馏方程,或利用最合理的平衡分馏系数数据拟合出最适用的平衡分馏方程,用本研究获得的CO2-CH4碳同位素分馏数据,计算腾冲火山区岩浆囊的的现今温度。6、岩浆的存在及其活动性的综合分析研究根据本论文的上述观测资料和研究成果,结合前人获得的大地电磁测深、人工地震测深等深部探测资料来佐证岩浆囊的存在,并研究这个或几个岩浆囊的规模;利用本研究和前人长期积累的幔源物质释放强度观测资料（20年）,岩浆囊温度资料,结合前人获得的形变、地震等活动性监测资料研究这个或几个岩浆囊的现今活动性。7、腾冲火山孕育喷发的成因机制模型研究根据本研究得到的上地壳温度场、幔源物质释放场、岩浆囊温度结果、结合前人大地电磁测深、人工地震测深成果确定目前腾冲火山区现存岩浆囊的数量、空间分布、大小和埋深。然后结合前人通过岩石学和岩石地球化学研究得到的相关成因信息,提出腾冲火山孕育喷发的成因机制模型。主要工作量为了研究目标和上述研究内容的实现,本论文2003年7月开始实施野外观测,2008年5月完成全部研究工作,历时5年。本论文在腾冲火山区及其外围共实施了3期（2003年、2004年、2006年各一期）温泉气体地球化学观测,先后使用车辆4辆,行程16200公里,在63公里半径,12350平方公里的范围内实地考察测量温泉159个次,测量温泉温度145个次,共采集气体样品254个,获得分析测试数据1229个。其中常规组份和CO2碳同位素样品117个,氦氖同位素样品88个,CH4碳同位素样品49个,获得常规气体组份数据724个（96个样品）,富集CH4常规气体组份数据181个（21个富集样品）,氦氖同位素数据264个（88个样品）,CO2碳同位素数据36个（36个样品）,CH4碳同位素数据24个（24个样品）。另外搜集与整理了研究区及外围304个温泉的前人温度和水化学成分数据。主要结论通过以上数据的获取和以此为基础对腾冲火山区上地壳温度场、幔源物质释放场及岩浆囊现今温度的研究,结合深部探测、活动性监测和前人的成因研究结果的综合分析,本研究得到如下5点结论:1、腾冲火山区地下现今可能存在3个岩浆囊,第1个岩浆囊位于腾冲县城和清水一带,第2个岩浆囊位于马站和曲石一带,第3个岩浆囊位于五合、龙江、团田和浦川一带。3个岩浆囊上方的上地壳相对地热梯度分别为140℃、120℃、130℃。3个岩浆囊释放挥发物质的幔源比例依次为70%、60%和30%。2、3个岩浆囊的几何尺度（水平方向的直径）可能依次约是20km、19km和23 km（长45km）。3个岩浆囊的埋藏深度不同:第1个岩浆囊位于地下5-25km之间,第2个岩浆囊可能也位于地下10-25km之间,第3个岩浆囊位于地下7-14km之间。3、3个岩浆囊的的现今温度分别为:第1个岩浆囊324-789℃间,平均555℃;第2个岩浆囊402-663℃间,平均532℃;第3个岩浆囊320-1194℃间,平均679℃。可以认为,腾冲火山区地下岩浆囊顶部气体富集区目前的温度变化范围为320-1200℃,岩浆囊的实际温度应高于平均值600℃。三大岩浆囊的边缘温度可能在300-600℃间,中心温度可能在700-1200℃间。4、3个岩浆囊的活动性不同:第1个岩浆囊集相对地热梯度、幔源物质释放、形变和地震活动等异常于一身,岩浆囊正在接受幔源岩浆的补充,活动性最强,直接位于腾冲县城之下,喷发将造成最为严重的损失,需重点监视;第2个岩浆囊的幔源物质释放强度也引人注目,岩浆囊可能也正在接受幔源岩浆的补充,需加强监测;第3个岩浆囊规模大,埋深较浅,幔源物质释放较弱（30%）,目前幔源岩浆的补充可能比较微弱,但岩浆囊温度依然较高,需引起注意。5、腾冲火山的形成与现今的板块俯冲无关,是局部地幔上隆引起地壳拉张的结果。地幔上隆的原因可能和古怒江洋壳型岩石圈或/和古密支那洋壳型岩石圈的拆沉有关,但地幔上隆和腾冲火山的喷发远远晚于东西两个古洋壳型岩石圈的俯冲时限,因此可以认为已与严格意义上的板块俯冲作用无关了。腾冲火山区现今幔源物质释放强度的空间分布图象就是这一地幔隆升区空间尺度和隆升强度的最直接反映,上隆区的大小大致为南北长100km,东西宽50km。局部上隆的地幔既为腾冲火山的孕育提供了岩浆物质来源,其产生的地壳拉张也为岩浆的上侵提供了构造通道,这种拉张得到现今本地区地貌和形变观测的支持。主要创新点本论文对腾冲火山的现今活动性这一关键科学问题进行了比较明确的回答,并结合前人通过岩石学和岩石地球化学研究得到的相关成因信息,提出了腾冲火山孕育喷发的成因机制模型,产出了如下4个创新点:1、提出了相对地热梯度的新概念和计算方法,揭示了腾冲火山区上地壳的温度场特征通过对前人温泉基本要素数据的深度挖掘,提出了相对地热梯度的新概念和计算方法。用该概念和方法揭示了腾冲火山区上地壳的温度场特征,发现腾冲火山区上地壳存在3个高于100℃的相对地热梯度异常区。相对地热梯度异常是其下方的岩浆囊的热扩散造成的,可以理解为岩浆囊的热晕（热帽）,间接反映了岩浆囊的存在。2、揭示了目前腾冲火山区的幔源物质释放强度的空间分布特征应用氦同位素示踪技术,在东起怒江,西至中缅边境的涵盖整个腾冲火山区的范围内进行了幔源物质释放强度测量。幔源物质释放强度空间分布结果表明,腾冲火山区的幔源物质释放可分强度不同的三个区域。这三个幔源物质释放较强的区域与相对地热梯度研究得到的3个高地热梯度区符合很好,进一步说明腾冲火山区岩浆囊的存在。3、发现目前腾冲火山区存在3个壳内岩浆囊,估计了它们的大小、埋深和现今温度等重要参数,评估了它们的活动性通过对腾冲火山区上地壳温度场、幔源物质释放场的分析研究,结合前人的大地电磁、人工地震等测深结果,发现目前腾冲火山区存在3个壳内岩浆囊。3个壳内岩浆囊的发现为回答腾冲火山现今活动性这一关键科学问题确立了基础。估计了3个岩浆囊的空间尺度和埋深。应用同位素地质温标原理,估算了3个岩浆囊的现今温度。评估了3个岩浆囊的活动性。4、提出了腾冲火山孕育喷发的成因机制模型根据本研究发现的目前腾冲火山区存在3个壳内岩浆囊,结合前人通过岩石学和岩石地球化学研究得到的相关成因信息,提出了腾冲火山孕育喷发的成因机制模型,认为腾冲火山的形成与板块俯冲无关,是局部地幔上隆并引起地壳拉张的结果。腾冲火山区现今幔源物质释放强度的空间分布图象就是这一地幔隆升区空间尺度和隆升强度的最直接反映。局部上隆的地幔既为腾冲火山的孕育提供了岩浆物质来源,也为岩浆的上侵提供了构造通道。

论文目录

摘要

Abstract

引言

（一）本论文研究的目的和意义

（二）关于氦同位素示踪

1、氦同位素示踪研究

2、氦同位素数据的矫正和源区比例计算

3、氦同位素在火山活动研究中的应用

（三）关于温泉水化学地质温标

2-CH₄气体分子对碳同位素地质温标'>（四）关于CO₂-CH₄气体分子对碳同位素地质温标

（五）关于腾冲火山研究

1、地质背景

2、腾冲火山研究回顾

3、前人对腾冲火山及其活动性的认识

（六）本论文拟解决的科学问题

第一章、研究思路、技术路线和内容

（一）总体思路

（二）原理

（三）技术路线

（四）研究内容

1、研制防大气污染和具富集功能的取样器

2、计算腾冲火山区上地壳的相对地热梯度

3、腾冲火山区上地壳温度场的空间分布特征研究

4、氦同位素样品采集、分析测试及计算

5、腾冲火山区幔源物质释放的时空分布特征研究

2和CH₄气体样品采集、分析测试和岩浆温度计算'>6 CO₂和CH₄气体样品采集、分析测试和岩浆温度计算

7、岩浆的存在及其活动性的综合分析研究

8、腾冲火山孕育喷发的成因机制模型

第二章、腾冲火山区上地壳温度场研究

（一）火山岩浆分布与温泉的关系

（二）温泉地球化学资料及选取

（三）相对地热梯度

1、相对地热梯度概念

2、相对地热梯度计算

3、最可能的相对地热梯度数据的选取

4、相对地热梯度数据的空间插值

（四）讨论

1、相对地热梯度异常区域

2、与地壳速度结构的关系

3、与地壳电性结构的关系

4、与幔源物质释放的关系

5、与地壳形变的关系

6、与地震活动的关系

（五）本章小结

第三章、防大气污染和具有富集功能气体取样器的研制及改进

（一）前言

（二）系统组成及各部分作用

1、集气罩

2、观察室

3、微量组分富集装置

4、储气装置

5、排气装置

6、气体样品转接装置

7、气样袋

（三）系统组装及采样方法

1、系统排气

2、气体富集

（四）本章小结

1、采样过程中应该注意的问题

2、本装置的优点

第四章、三期地球化学观测结果

（一） 2003 年第一期地球化学观测结果

（二） 2004 年第二期地球化学观测结果

（三） 2006 年第三期地球化学观测结果

第五章、腾冲火山区幔源物质释放强度研究

（一）氦同位素示踪原理

（二）数据获取与计算方法

（三） 2003 年第一期地球化学观测数据显示的幔源物质释放强度

（四） 2004 年第二期地球化学观测数据显示的幔源物质释放强度

（五） 2006 年第三期地球化学观测数据显示的幔源物质释放强度

（六） 20 年来幔源物质释放强度的变化趋势

（七）本章小结

第六章、三大岩浆囊现今温度研究

2/CH₄分子对碳同位素地质温度计原理'>（一） CO₂/CH₄分子对碳同位素地质温度计原理

2/CH₄分子对碳同位素地质温度计计算公式的选择'>（二） CO₂/CH₄分子对碳同位素地质温度计计算公式的选择

（三）热海地区观测数据获得的岩浆囊温度

（四）腾冲火山区观测数据获得的岩浆囊温度

（五）本章小结

第七章、腾冲火山现今活动性综合研究

（一）腾冲火山区的现存岩浆囊

（二）腾冲火山的成因模型

（三）腾冲火山现今活动性

1、地壳形变

2、地震活动

3、幔源物质释放的持续增强

第八章、结论及问题

（一）主要结论

（二）主要创新点

（三）遗留问题与后续研究工作

参考文献

致谢

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