火山是地球深部碳排放的重要通道(Hilton et al.，2002；Oppenheimer et al.，2003)。据统计，全球火山每年向大气圈排放的CO₂总量约为3.67×10⁸t，其中陆地火山的CO₂排放通量约为2.42×10⁸t·a^-1(Mörner and Etiope，2002)。在火山喷发期，火山活动以喷发柱的形式向大气圈排放温室气体；在火山活动的间歇期，火山区温室气体的排放形式包括喷气孔脱气、温泉脱气和土壤微渗漏等(Granieri et al.，2010)。

图 1

Fig. 1

图 1 腾冲新生代火山区温泉及采样点分布图(据皇甫岗和姜朝松，2000；赵慈平，2008) 图中数字1-17所指示的温泉名称见表 1和表 2 Fig. 1 Simplified map showing the distribution of hot springs in Tengchong Cenozoic volcanic area(modified after Huangfu and Jiang，2000; Zhao，2008) Hot springs sampled in this study are marked by Numbers 1 to 17，and their names are shown in Table 1 and Table 2

尽管火山活动间歇期的温室气体排放强烈程度较弱，但是间歇期持续时间更长，温室气体排放面积更大。因此，在间歇期火山区对大气圈温室气体含量增加的贡献同样尤为重要(郭正府等，2010; 张茂亮等，2011b)。目前国内火山区温室气体排放的研究程度较低，亟需全面系统地开展相关工作。

腾冲火山区位于青藏高原东南缘的腾冲微板块(上官志冠等，2000)，东部以及南部边界为高黎贡剪切带所限，西侧为NE-SW向的Sagaing走滑断层，北部与青藏高原相接(Wang et al.，2008)。新生代以来，印度板块与欧亚板块发生碰撞，导致本区经历了复杂的构造演化历史。断裂多为南北走向或北东-南西走向，包括梁河断裂、大盈江断裂、固东-腾冲断裂等(皇甫岗和姜朝松，2000)。腾冲火山区内出露的地层主要为元古界高黎贡山群变质岩、二叠系和三叠系碳酸盐岩、新近系和第四系堆积物等(Zhu et al.，1983；皇甫岗和姜朝松，2000)。

腾冲新生代火山活动强烈，主要喷发活动可分为四期(皇甫岗和姜朝松，2000)。第一期为上新世玄武岩，在整个腾冲火山区均有分布，是四期喷发活动中分布最广泛的一期火山活动，岩性主要为块状的玄武岩和气孔状玄武岩；第二期为早更新世酸性火山岩，其分布仅次于第一期火山岩，广泛分布于整个腾冲火山区，岩性以安山质英安岩和英安质安山岩为主；第三期为晚更新世基性火山岩，主要分布于腾冲-马站盆地，主要岩性为橄榄玄武岩；第四期为全新世基性火山岩，主要分布于腾冲-马站盆地的黑空山、打莺山和马鞍山三座火山，主要岩性为安山玄武岩和玄武安山岩(樊祺诚等，1999；Wang et al.，2006;郭正府等，2011)。

腾冲火山区南北长111km，东西宽60km，在约5690km²的空间范围内，总计有62个水热活动区(图 1)，平均每100km²分布着一个水热活动区(佟伟和章铭陶，1989)。腾冲新生代火山区的温泉具有分布广、数量多、水温范围大和类型多样等特点。温泉的分布北起大河头温泉，南至黑石河温泉，东为窜龙澡塘温泉，西抵黑泥塘温泉，总计139处(周真恒等，1996)。区内近南北走向的龙川江断裂、大盈江断裂和槟榔江断裂为地热流体的上升提供了良好的通道(张天乐等，1997)。根据区域构造及地貌研究(Wang and Huangfu，2004)，将温泉分为东、中、西三个南北走向的温泉带。东带温泉群沿龙川江两岸分布，出露于龙川江及其支流的河谷中，以大塘、石墙两泉群规模较大；中带泉群出露于龙川江上游和大盈江及其支流的河谷中，包括北部的瑞滇温泉群、南部的热海地热区、攀枝花硝塘和蒲川黑石河热泉等；西带泉群出露在槟榔江上游古永河谷和大盈江上游缅箐河谷中，包括黑泥潭、胆扎、古永硝水塘等(皇甫岗和姜朝松，2000)。腾冲水热活动区分布范围虽广，但高温区主要集中在南部和西部，且多分布在火山岩流的周边或非火山岩区(图 1)。腾冲既发育大量的温泉(25~60℃)和热泉(60~95℃)，还分布着大量的沸泉(>95℃)，其中沸泉以热海地热区最为发育。本文的采样点覆盖了腾冲东、中、西三条温泉带的主要温泉以及位于龙陵的邦腊掌温泉和大沸泉(图 1)。

本文采用北京捷思达仪分析仪器研发中心生产的GL-103B型和GL-105B型数字皂膜通量仪测量腾冲火山区温室气体的排放通量，该仪器的量程分别为50~2500mL·min^-1、50~30000mL·min^-1，测量精度ΔQ<±1%。仪器装置如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 数字皂膜通量仪工作原理示意图(据张茂亮等，2011a) Fig. 2 The working principle diagram of GL-103B digital bubble flowmeter(modified after Zhang et al.，2011a)

数字皂膜通量仪测量温室气体排放通量的程序如下：在测量前，将漏斗、塑料管与通量仪依次连接，通量仪中注入预先配制的皂液，将漏斗没入水面以下。测量时，先将通量仪倾斜15°左右，使漏斗收集到的气体在进气孔形成皂膜，然后将流量计垂直放平，皂膜在不断涌入的气体的压力下上升，依次通过上下两个传感器，完成一次测量，通量仪记录下皂膜通过上下传感器的时间间隔并计算出流量(mL·min^-1)。通量仪可连续进行五次测量并自动求出平均值。测量结果默认状态为101.3kPa，25℃，测量时可根据实际情况调整初始状态。根据温泉气体通量的大小灵活选择不同量程的通量仪。在每次测量前，需清洗通量仪，以保证上下传感器感光灵敏，同时润湿皂膜管，使皂膜光滑地通过传感器。在测量时须确保漏斗一直位于水面以下，并且保持位置不变。若为间歇性温泉，皂膜通过上下传感器应为单次气泡溢出所致。对于温度较高的温泉，测量时可能有较多的水蒸汽进入并在进气口冷凝导致皂液浓度降低，这会干扰皂膜的形成，建议每完成一组测量重新注入新鲜的皂液。

对于一个温泉群，由于气体溢出的剧烈程度差异较大，在测量通量时，首先根据气泡溢出的剧烈程度将其分类。每类气泡取其中一些作为代表进行测量，以通量的平均值作为这类气泡的通量。根据气泡的个数以及平均通量计算每类气泡的总通量，将各类气泡总通量求和即可计算该温泉群溢出气体的总通量。在此基础上，结合前人获得的温泉气体成分结果，可以进一步估算出温泉排放的CO₂等温室气体的排放通量。

本文分别于2011年8月中旬(表 1)与2011年10月下旬(表 2)先后2次对腾冲新生代火山区温泉CO₂气体排放通量开展实地测量与研究，我们在野外将温泉采样点由北向南依次编号，总计17处(图 1)。在上述温室气体通量的测量过程中，由于地理因素和人文因素，未能将所有温泉完成2次测量。腾冲温泉采样点CO₂的通量测量结果见表 1和表 2。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 腾冲新生代火山区温泉CO2排放通量的测量结果(测量时间：2011年8月) Table 1 CO2 flux of hot springs in Tengchong Cenozoic volcanic area(August，2011) 编号 位置 温泉 名称 水温(℃) 总通量(mL·min-1) 单个气泡最大通量(mL·min-1) 备注 1 界头 大塘 70.8 20054.69 305.27 气泡不连续，无泉华 2 瑞滇 竹园 84.3 676.38 676.38 气泡较连续，无泉华 3 古永 胆扎 50.8 18995.03 825.87 气泡不连续，无泉华 4 古永 黑泥潭 63.4 2113.10 769.35 气泡不连续，刺鼻的 硫磺味，钙华沉积 5 界头 石墙 66.6 17667.39 2592.47 气泡不连续，钙华沉积 6 界头 石竹坝 46.1 17182.10 749.75 气泡较连续，无泉华，也叫永安澡塘洼 7 荷花 荷花 64.7 31306.45 129.60 气泡较连续，钙华沉积 9 热海 老滚锅 94.5 45464.85 817.93 气泡不连续，硅华沉积 10 热海 大滚锅 86.4 7175.83 1025.12 气泡不连续，硅华沉积 11 热海 怀胎井 93.8 2951.88 140.41 气泡较连续，无泉华 12 热海 珍珠泉 93.0 46418.40 580.23 气泡较连续，硅华沉积 13 热海 狮子头 85.6 87849.13 935.87 气泡较连续，钙华沉积 15 新华 太和 81.3 2710.23 281.11 气泡连续，无泉华 16 龙陵县 邦腊掌 91.8 1362.40 138.54 气泡较连续，钙华沉积 注：表中编号1-6为北区温泉，7-16为南区温泉，单个气泡最大通量是指每个温泉群中气体溢出最剧烈的气泡的通量

表 1 腾冲新生代火山区温泉CO2排放通量的测量结果(测量时间：2011年8月) Table 1 CO2 flux of hot springs in Tengchong Cenozoic volcanic area(August，2011)

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 腾冲新生代火山区温泉CO2排放通量的测量结果(测量时间：2011年10月) Table 2 CO2 flux of hot springs in Tengchong Cenozoic volcanic area(October，2011) 编号 位置 温泉名称 水温(℃) 总通量(mL·min-1) 单个气泡最大通量 (mL·min-1) 备注 1 界头 大塘 70.2 8061.06 58.13 气泡溢出不连续，无泉华 2 瑞滇 竹园 85.0 728.73 364.37 气泡溢出较连续，无泉华 5 界头 石墙 66.1 36789.56 5507.16 气泡不连续，钙华沉积 7 荷花 荷花 76.6 26317.98 1199.96 气泡较连续，钙华沉积 8 马鞍山 迭水河 30.5 19557.85 1285.83 气泡较连续，无泉华 9 热海 老滚锅 66.5 71017.86 3875.65 气泡不连续，硅华沉积 10 热海 大滚锅 86.2 28446.51 3555.81 气泡不连续，硅华沉积 11 热海 怀胎井 93.3 4249.46 165.38 气泡较连续，无泉华 13 热海 狮子头 84.7 85328.76 1479.72 气泡较连续，钙华沉积 14 热海 凉亭泉 84.5 127103.40 2500.82 气泡溢出剧烈且连续，刺鼻的硫磺味，硅华沉积 15 新华 太和 67.7 2447.35 281.80 气泡溢出连续，无泉华 16 龙陵县 邦腊掌 89.7 2091.52 139.44 气泡溢出连续，钙华沉积 17 龙陵县 大沸泉 90.0 12797.78 182.83 气泡溢出连续，钙华沉积 注：表中编号1-5为北区温泉，7-17为南区温泉，单个气泡最大通量是指每个温泉群中气体溢出最剧烈的气泡的通量

表 2 腾冲新生代火山区温泉CO2排放通量的测量结果(测量时间：2011年10月) Table 2 CO2 flux of hot springs in Tengchong Cenozoic volcanic area(October，2011)

本文在计算腾冲新生代火山区温泉CO₂排放通量的过程中，所涉及的温泉释放气体的成分数据(表 3)主要引自下列文献：上官志冠等(1999)，2000、Shangguan et al.(2000) 和赵慈平(2008) 。本研究所以采用上述文献中的成分数据，主要有以下四方面的依据：(1) 上述文献中的成分数据同时测量了CO₂、N₂、O₂、H₂、CH₄等主要气体的浓度，可以满足本文的计算需求；(2) 由于温泉气体成分是随着时间的变化而变化的，上述气体成分的测试时间与本文采样时间的间隔最近；(3) 温泉气体成分分析精度随着采样仪器和方法以及测试技术等的更新而不断提高，上述气体成分是最新的数据，能更好的反映腾冲温泉气体的成分特点；(4) 上述数据多为同一批样品的测量结果，这样可有效的降低系统误差。本文的CO₂通量计算所采用的是每个温泉点气体成分的平均值。由表 3可以看出，腾冲温泉气体成分以CO₂为主，除大塘温泉CO₂仅占33.41%外，其余温泉CO₂含量可达81.25%~98.37%。其中，尤其以热海地区温泉CO₂含量较高，均达到90%以上。每个温泉点近年来(1997~2006年)的成分含量均较稳定，这也为CO₂通量估算提供了可靠的依据。

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 腾冲新生代火山区温泉气体的主要成分(vol%) Table 3 The main composition of gas from hot springs in Tengchong Cenozoic volcanic area(vol%) 编号 温泉名称 H2(×10-6) N2 O2 CH4 CO2 采样时间(a) 采用的CO2含量 1 大塘 61.71 0.65 0.29 33.41 2006 33.41 2 竹园 7.81 90.28 1999 90.57 7.22 90.85 1999 3 胆扎 88 4.10 1.72 1.09 94.45 2004 94.45 4 黑泥潭 88 4.10 1.72 1.09 94.45 2004 94.45 5 石墙 10 11.92 5.34 0.02 81.25 2006 86.43 119 3.03 1.96 0.05 91.61 2006 6 石竹坝 60 1.91 1.27 0.04 93.51 2006 93.31 127 1.97 0.93 0.48 93.11 2006 7 荷花热水塘 100 3.51 1.34 0.09 93.71 2003 93.71 8 迭水河 481 7.03 0.05 92.61 1997 94.74 10 3.90 0.24 0.79 94.78 2003 3.33 0.31 97.05 2004 12 4.34 1.07 0.14 94.52 2006 9 老滚锅 631 3.12 0.64 96.17 1997 96.17 10 大滚锅 2287 2.18 0.03 1.22 94.86 1998 94.98 1010 1.43 0.24 1.09 94.87 2003 984 2.25 0.21 1.69 96.32 2004 597 2.02 0.21 0.64 93.87 2006 11 怀胎井 1555 6.25 0.79 0.01 91.88 1998 95.13 720 1.79 0.15 98.37 2003 12 珍珠泉 4999 1.74 0.03 0.03 94.50 1997 94.50 13 狮子头 5813 2.62 0.01 0.02 94.19 1998 94.19 14 凉亭泉 984 2.25 0.21 1.69 96.32 2004 96.32 15 太和 4255 11.51 4.4 0.35 80.51 2006 86.39 355 5.00 1.07 1.03 92.26 2006 16 邦腊掌 3917 8.48 0.07 0.51 86.83 2006 85.31 9.17 83.79 1999 17 大沸泉 12.21 81.96 1999 81.96 注：表中编号1-6为北区温泉，7-17为南区温泉.数据源自上上官志冠，1999；上官志冠等，1999，2000；Shangguan et al.，2000;赵慈平，2008

表 3 腾冲新生代火山区温泉气体的主要成分(vol%) Table 3 The main composition of gas from hot springs in Tengchong Cenozoic volcanic area(vol%)

随着所测温泉在南北方向上距最南部邦腊掌温泉的距离变化，腾冲温泉气体的CO₂排放通量也呈现明显的变化(图 3)。从图 3可以看出，温泉气体通量的两次测量结果均显示南部温泉CO₂通量较大，且变化范围较大(1.73×10³~1.27×10⁵mL·min^-1)，最大为凉亭泉(位于热海大滚锅东南方向10m的山坡上)，CO₂通量值1.27×10⁵mL·min^-1；北部温泉CO₂通量值较小，且变化范围较小，多集中于2.0×10⁴mL·min^-1，最大为石墙温泉，通量为3.68×10⁴mL·min^-1。根据温泉的CO₂通量、温度以及温泉的分布特征不同，本文以迭水河井为界将腾冲温泉分为两个区：北区和南区。北区温泉包括：大塘、竹园、胆扎、黑泥潭、石墙和石竹坝6处温泉；南区温泉包括：迭水河、荷花温泉、老滚锅、大滚锅、怀胎井、凉亭泉、珍珠泉、狮子头、太和、大沸泉和邦腊掌11处温泉(图 3)。

图 3

Fig. 3

图 3 腾冲新生代火山区温泉CO2通量(mL·min-1)和温泉采样点距龙陵县邦腊掌温泉南北向距离(km)关系图 A为最南端的龙陵县邦腊掌温泉，B为最北端的大塘温泉 Fig. 3 CO2 flux(mL·min-1)vs. distance(km)from Banglazhang hot spring in Longling County A stands for the southernmost hot spring Banglazhang，B is for the northernmost hot spring Datang

根据腾冲火山区南区与北区温泉群的CO₂通量的测量结果，分别计算两区CO₂的平均通量(表 4)。由表 4可知，南区温泉CO₂平均通量明显高于北区，约为北区通量值的2倍。与8月份的数据相比，南区与北区10月份CO₂通量的平均值均有增大的趋势。单个气泡CO₂平均最大通量由8月至10月也呈现同样的变化。

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 腾冲新生代火山区南北两区温泉CO2平均通量计算结果 Table 4 The average flux of CO2 from hot springs in the south area and north area of Tengchong Cenozoic volcanic area 测量时间 2011年8月 2011年10月 温泉分区 CO2平均通量(mL·min-1) 单个气泡平均最大通量(mL·min-1) CO2平均通量(mL·min-1) 单个气泡平均最大通量 (mL·min-1) 北区 12781.45 986.52 15193.12 1976.55 南区 28154.90 506.10 37935.85 1466.72

表 4 腾冲新生代火山区南北两区温泉CO2平均通量计算结果 Table 4 The average flux of CO2 from hot springs in the south area and north area of Tengchong Cenozoic volcanic area

根据腾冲干季与湿季温泉CO₂的平均通量数据(表 4)，计算两区温泉全年CO₂平均通量：北区13987.28mL·min^-1；南区33045.37mL·min^-1。腾冲火山区温泉总计139处，其中北区61处，南区78处。已测得CO₂通量的温泉北区有6处，总通量为8.03×10⁴mL·min^-1；北区剩余55处温泉的CO₂的总通量为55×13987.28mL·min^-1=7.69×10⁵mL·min^-1，因而北温泉区CO₂气体总通量为8.50×10⁵mL·min^-1；已测得通量值的温泉南区11处，总通量为4.05×10⁵mL·min^-1，剩余67处温泉CO₂的总通量为67×33045.37mL·min^-1=22.14×10⁵mL·min^-1，因而南区CO₂气体总通量为26.19×10⁵mL·min^-1。根据上述计算结果，可得出腾冲新生代火山区温泉CO₂气体总通量为3.47× 10⁶mL·min^-1，即3.58×10³t·a^-1。

腾冲新生代火山区温泉CO₂通量为3.58×10³t·a^-1，相当于意大利锡耶纳Bassoleto地热区温泉中CO₂的排放规模(Etiope et al.，2007)。以往研究表明，在火山喷发间歇期，温室气体排放的形式包括喷气孔脱气、温泉脱气和土壤微渗漏等(Granieri et al.，2010)，火山喷发间歇期的温室气体排放形式虽然速度较慢，但持续时间较长，气体排放面积较大，因而输入到大气圈中的温室气体总量会很大(郭正府等，2010)。另外，火山喷发间歇期不同排放形式CO₂的排放通量相差较大。在意大利Pantelleria岛上CO₂总通量为0.39Mt·a^-1，其中以土壤气方式排放的CO₂占82.1%(0.32Mt·a^-1)，而以温泉排放的CO₂仅占到3.3%(0.013Mt·a^-1)(Favara et al.，2001；Armannsson et al.，2003)；对加利福尼亚Mammoth山CO₂通量的研究表明，以土壤气排放的CO₂可达到90%(Evans et al.，2002; Gerlach et al.，2001)，温泉气体仅占很小的一部分。如果按上述比例推算，腾冲新生代火山区以温泉气体排放的CO₂含量为3581.35t·a^-1，那么该火山区排放的CO₂总通量(包括土壤排气和温泉排气等)可达到每年10万吨以上，这相当于意大利Vulcano 岛CO₂的排放通量(0.13Mt·a^-1)(Chiodini et al.，1998)。

腾冲新生代火山区温泉主要沿三条南北向的断裂带分布(图 1)。尤其是北区温泉，分布在断裂带上的温泉主要包括：东温泉带的石墙、大塘温泉；中带的瑞滇、石竹坝温泉；西带的黑泥潭、胆扎温泉等。这些温泉温度普遍较低，平均温度63.7℃，最低温度46.1℃。北区温泉CO₂气体平均排放通量较低，通量变化范围小，并且温泉多沿三条断裂带分布，推断北部温泉CO₂气体通量主要受控于断裂，它为CO₂气体排放提供了良好的通道。在南温泉区，温泉也基本沿三条断裂带分布，但是它具有显著区别于北温泉区的特征：(1) 南温泉区CO₂气体平均通量远高于北温泉区，约为北区通量值的2倍，其中，热海地热区CO₂通量为腾冲最高值；(2) 南区温泉具有较高的温度，尤其在热海地区，温泉的平均温度为91℃，最高温度可达93.8℃；(3) 以热海为代表的南温泉区地热活动类型复杂，包括沸泉、喷沸泉、高温喷气、水热爆炸等，水热活动剧烈；(4) 地震、地球物理、地壳形变以及气体同位素地球化学等资料表明，腾冲热海地区存在着一个壳内熔融的岩浆囊(白登海等，1994；Bai et al.，2001；楼海等，2002；赵慈平等，2006)，它是热海地区强烈的地热活动的重要热源，同时也是CO₂气体的重要物质来源。在岩浆囊的烘烤下，来自于地球深部、地下水以及围岩中的CO₂协同高温水沿着断裂溢出地表，形成CO₂通量较大的高温温泉(图 4)。因而，我们认为南区温泉CO₂通量主要受地下高温岩浆囊的控制。综上所述，本文认为腾冲新生代火山区温泉CO₂通量主要受两方面因素的影响：岩浆作用和断裂构造。岩浆活动为腾冲地热活动提供了热源，同时也是CO₂重要的物质来源；腾冲火山区分布的南北向为主的断裂为CO₂的溢出提供了通道，它们也控制了温泉的空间分布。

图 4

Fig. 4

图 4 腾冲新生代火山区温泉CO2成因模式图(本图据地热能网站: www.inforse.dk/europe/dieret/Geothermal/geotermal.html，修改) Fig. 4 The model diagram of the formation of CO2 from hot springs in Tengchong Cenozoic volcanic area(modified after the Geothermal Energy website at www.inforse.dk/europe/dieret/Geothermal/geotermal.html)

徐青等(1997) 根据温泉水的氢氧同位素关系图认为，腾冲温泉的地下水均来自大气降水。高清武和李霓(1999) 对腾冲地区温泉的泉华进行了碳同位素研究，结果表明，碳的来源主要有两种：一种是幔源碳，δ¹³C值为-5.7‰~-1.28‰；另一种是来自大气降水的碳，δ¹³C值为-11.15‰~-7.3‰，而大气降水中的碳经深循环进入地下水。因而，腾冲新生代火山区温泉CO₂有多种来源，主要包括深部岩浆和地下水。另外，经烘烤的围岩中碳的释放也有一部分贡献。腾冲地下水是大气降水经深循环形成的，海拔的高低对温泉中CO₂的含量也有一定的影响，腾冲南部较低的地势也同其具有较高的CO₂通量结果一致(图 4)。

应当指出，由于本研究温泉采样点数量有限，并且实际观测时间较短，本文对于制约腾冲火山区温泉CO₂气体排放通量的2个主要因素——深部岩浆囊以及断裂的分布——机理分析尚需进一步完善和补充。并且，对温室气体通量大小反映的具体地质含义尚需进一步深入探讨。

(1) 腾冲新生代火山区温泉CO₂的排放通量达3.58×10³t·a^-1，相当于意大利锡耶纳Bassoleto地热区温泉中CO₂的排放通量。根据温泉CO₂的排放特点、温度以及构造特征将腾冲温泉分为南北两区。腾冲南部地区温泉CO₂通量远高于北部的温泉，以热海地热区通量值为最大。

(2) 腾冲温泉中CO₂的形成受到深部岩浆囊、断裂分布、地下水循环、围岩成分等多方面因素的影响。在北温泉区，CO₂气体通量主要受控于断裂构造；在南温泉区，CO₂气体通量除受到断裂影响外，热海地热区地下深部的岩浆囊是CO₂气体的重要物质来源，同时高温的岩浆囊为CO₂的形成提供了重要的热源，在它的烘烤下，来自地球深部、地下水及围岩中释放的CO₂连同高温热水会沿断裂溢出。