2. 中国科学院 地质与地球物理研究所, 油气资源研究重点实验室, 兰州 730000;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
近年来,随着全球环境与气候的不断恶化,气候作为一种公共资源日益引起公众和科技界的广泛关注。人类已经认识到气候变化正深刻地影响着全球经济的可持续发展。回顾世界气候变化大会的历史,从1992年联合国环境与发展大会到2015年巴黎气候变化大会,温室气体减排与碳排放清单问题一直都涉及到政治、经济、人口、环境、科学、技术、文化等许多领域,并且历来是全球气候变化大会的核心问题和人类道德的制高点,其实质则是国家间政治经济利益的博弈,甚至直接影响到国际关系的发展。2015年在法国巴黎召开的联合国气候变化大会则更以“国家自主贡献”来取代其自上而下“摊牌式”的强制减排模式,这在使减排承诺更具自主权和灵活性的同时,又增加了中国应对国际气候变化谈判的压力。作为世界第二大经济体,中国已成为全球第一的碳排放大国,以其大的碳排放量受到了全世界的广泛关注,同时也承受着各种复杂的国际压力。虽然中国碳排放总量大,但中国人均碳排放量却远远低于美国、日本、加拿大等发达国家。国内外的研究成果表明,目前大气圈温室气体浓度的增加是自然因素 (火山作用、热泉、温泉、泥火山、油气盆地、活动的深大断裂构造体系等) 和人类活动共同作用的结果 (郑乐平,1998; Hilton et al., 2002; Etiope et al., 2004, 2007;Du et al., 2008; Etiope and Ciccioli, 2009; Etiope and Klusman, 2010; 郭正府等, 2010, 2014; 马向贤等,2012; Zhou et al., 2016) 。因此,探查和估算中国自然因素释放的温室气体总量是目前中国碳减排工作的首要任务之一。
地质源温室气体释放是导致当前大气圈温室气体浓度增加的重要的自然因素之一。地质源温室气体是指伴随各种地质作用并通过自然过程向大气圈释放的温室气体 (Etiope et al., 2004, 2007; Etiope and Ciccioli, 2009; Etiope and Klusman, 2010; 郭正府等, 2010, 2014; 马向贤等,2012; Zhou et al., 2016) ,是自然源温室气体排放 (例如森林、湿地、河流、地质源等) 的重要组成部分。例如,火山爆发和地热活动 (郭正府等, 2010, 2014;Burton et al., 2013) 、泥火山系统 (Etiope et al., 2004, 2007; Etiope and Ciccioli, 2009; Etiope and Klusman, 2010; 马向贤等, 2012, 2014) 、地震-断裂带气体逸出 (Du et al., 2008; Zhou et al., 2016) 、油气盆地与天然气水合物分解释放 (吴庐山,2008) 等都是导致大气圈温室气体含量增加的地质因素。受特殊地质背景所决定,中国地质源温室气体释放区域的分布具有点多、线长、面广、类杂和研究程度低的特点。相对而言,人为因素导致的温室气体排放的种类简单、界限清楚,并已有大量的研究成果 (IPCC, 2001, 2014) 。地质源温室气体排放不仅涉及到地球脱气的重大基础科学问题,而且影响到温室气体对大气环境效应的总体评价。然而,由于不同构造背景的地质条件各异、地质作用的极端复杂和年代尺度大等特点,目前学术界对地质源温室气体排放的认识水平还很局限,各种地质源向大气圈释放的温室气体总量仍不清楚。而且,地质作用向大气圈排放温室气体的过程极为复杂,影响因素众多,所以地质源温室气体排放的过程、通量等关键科学问题目前尚待深入研究,这也进一步影响到判断大气圈温室气体中人为排放量比例的准确性。显而易见,据此制定的温室气体减排政策往往会面临着基础研究数据和证据不足的困惑,甚至可能影响社会经济的合理布局。为了应对国际气候谈判,国外有关地质源碳排放观测和研究成果在本世纪前10年集中涌现,公开发表了大量基础数据和代表性的研究结果 (Etiope et al., 2004, 2007;Newell et al., 2008; Werner et al., 2008; Etiope and Ciccioli, 2009;Etiope and Klusman, 2010) 。而在同时期,中国由于地质源温室气体测量与观测研究起步较晚,不仅调查区域有限,而且研究程度较低,高质量的地质源温室气体排放数据很少。
根据Etiope (2015) 对温室气体地质源的划分方案,中国境内火山-地热区、深大断裂带、泥火山系统与油气盆地、海底渗漏、煤自燃、碳酸盐岩风化等温室气体地质源都有不同程度的分布。基于目前的研究现状和资料积累,本文重点对中国大陆火山-地热区、泥火山系统与油气盆地、巨型活动断裂带等重要地质源的温室气体释放特点与规模进行综述。并在此基础上,实时总结近5年来中国在新生代火山-地热区温室气体释放通量与成因方面的主要研究成果,为进一步开展的国际气候谈判提供基础数据;并对火山-地热区温室气体成分与释放通量的连续观测在中国活火山监测中的应用进行必要的展望。
1 中国地质源温室气体排放的特点地球内部不断地以脱气 (例如CO2) 的方式进行着内部各圈层与外部圈层间的物质与能量交换 (Hilton et al., 2002; Etiope et al., 2007, 2009; Du et al., 2008; Etiope and Ciccioli, 2009; 郭正府等,2010) 。火山-地热区、泥火山系统、深大断裂活动带等都是地球内部脱气的重要区域,其气源和排放通量与机理等各有特征。
1.1 火山-地热区火山活动是固体地球系统将深部的碳运送到大气圈的重要方式之一。固体地球深部 (地壳、地幔,甚至地核) 是一个巨大的碳库。碳地球化学研究表明,与深部循环有关的碳储量和碳通量分别高达1022-23 g·a-1和1012-13 g·a-1 (Dasgupta and Hirschmann, 2010) 。火山活动是碳排放的一个重要场所。火山喷发能够贯穿地球系统的不同圈层,从而将固体地球深部的大量碳输送到地球大气圈中 (Hilton et al., 2002; Etiope et al., 2007, 2009; Dasgupta and Hirschmann, 2010; 郭正府等, 2010, 2014;Burton et al., 2013) ,造成大气圈温室气体含量增加。火山作用贯穿于地球的整个演化历史,火山喷发主要出现在大洋俯冲带、洋中脊和板内等构造背景下。由于大规模火山活动贯穿了地球的不同层圈系统,将大量富含CO2的温室气体输送到大气圈,因此火山活动在深部碳循环的研究中具有重要的甚至不可替代的作用。当前国际学术界已经将火山活动视为探索地球深部碳向地表输送过程的有效途径之一,力图通过火山活动研究,为深刻理解地球深部碳循环过程和全球大气圈温室气体浓度变化提供有力的证据。
中国大陆的活火山区主要分布在中国东部 (特别是东北地区) 和青藏高原及其周边地区 (图 1;刘嘉麒,1999) ,它们的地球动力学背景是不同的,分别属于太平洋构造域和特提斯构造域的范畴。这些新生代以来的火山区是地球深部碳排放的主要场所和重要通道。虽然中国的新生代火山区均处于火山活动间歇期,目前没有大规模的火山喷发,没有岩浆溢出地表,但由于地下深部仍然滞留着高温岩浆房 (囊) ,并且不断地对其围岩加热烘烤,形成地下的高温干热岩系统,导致处于间歇期的火山区内出现高地热流、火山喷气孔 (fumarole) 、热泉 (hot spring) 和土壤微渗漏 (micro-seepage) 等多种脱气形式,使巨量的CO2等温室气体进入大气圈 (郭正府等, 2010, 2014) 。
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1-长白山;2-龙岗;3-镜泊湖;4-五大连池-科洛;5-阿尔山;6-阿什库勒;7-腾冲;8-雷琼;9-大屯 图 1 中国大陆地质源温室气体释放类型及其分布简图 (修改自刘嘉麒,1999; Chen et al., 2009; 郭正府等,2015) Figure 1 simplified map showing distribution of greenhouse gases emitted from geological sources in China (modified after Liu Jiaqi, 1999; Chen et al., 2009; Guo Zhengfu et al., 2015) |
中国新生代火山区往往就是地热区,火山-地热区释放的温室气体多以CO2为主 (郭正府等, 2010, 2014) 。如今,温室气体导致的全球变暖约80%是由CO2的排放引起的 (Lashof and Ahuja, 1990) 。而在 (泥) 火山-地热区,喷出的温室气体除CO2以外,还含有相当规模的CH4等气体 (Etiope and Klusman, 2010) 。研究表明,CH4是仅次于CO2的温室气体和化学活性气体。以单位分子或单位质量计算,等摩尔CH4的大气温室增温潜力约是CO2的22倍,甚至更高 (Houghton et al., 2001) 。在1997年联合国气候变化大会上通过的《京都议定书》中,CO2和CH4因对全球升温贡献占比最大而被列入明确要求进行减排的温室气体清单,并以IPCC单列项目予以计算和减排。所以,CH4等非CO2气体的温室效应问题也已受到欧、美、日等国科学家的高度重视 (Etiope et al., 2004, 2007; Newell et al., 2008; Werner et al., 2008; Etiope and Ciccioli, 2009;Etiope and Klusman, 2010) 。
1.2 泥火山系统与油气盆地泥火山是发生在特定水温地质条件下流体活动的地质现象 (王道等,1997) ,是地层深部以气体、水和泥砂为主的地质流体逸出地表后所形成的锥形地质体,地下部分具有流体上移的通道,地表以上部分外貌形似火山锥。泥火山系统已经被证明是重要的地质源温室气体排放类型 (马向贤等,2012) 。与油气藏有关的泥火山蕴藏着大量具有较高压力的水和气态烃,沿着地壳裂隙上涌喷溢至地表,往往伴随着喷气 (包含水蒸气) 、喷泥,有时可见喷火 (CH4等气体在高温下自燃) (Yang et al., 2004; 何家雄等,2010) ,多形成于油气藏发育地区。例如,阿塞拜疆马库油田 (Etiope et al., 2004) 、罗马尼亚布扎油区 (Etiope et al., 2009) 、新疆北天山 (Zheng et al., 2010;戴金星等,2012; 杜建国等,2013) 等地区的泥火山。虽然陆地泥火山的考察与观测历史悠久,但深入细致的研究还相对欠缺,尤其是泥火山与油气微渗漏系统向大气圈排放温室气体的通量至今尚未有准确的观测结果。泥火山主要通过扩散作用和喷溢作用向大气圈释放CH4气体 (马向贤等,2012) 。科学家对欧洲28个国家 (泥) 火山-地热区的研究结果表明,地质源的CH4对大气圈的贡献每年可达105 t,与其他自然来源的CH4 (例如,森林大火或生物排放) 释放量具有相同的数量级 (Etiope et al., 2007) 。另外,青藏高原及其周边分布着一系列与油气藏相关的泥火山,例如,新疆准噶尔盆地南缘和羌塘盆地的泥火山等。然而,目前中国仅对新疆独山子泥火山以CH4为主的温室气体排放通量进行了初步的原位测量和估算,该泥火山通过宏渗漏和微渗漏每年向大气圈释放的CH4分别为16.6 t和161.1 t (马向贤等,2014) ,泥火山喷口周边0.01 km2的土壤微渗漏释放CH4气体占比超过95%以上。中国新疆准噶尔盆地南缘9处泥火山每年向大气圈释放的温室气体总量约1125 m3 (戴金星等,2012) 。这些数据仅仅是在非常局限的泥火山喷口及其邻近的局部地表区域进行测量的结果。然而,新疆北天山前缘现今活动的泥火山分布与影响范围可达数千平方千米,甚至还有现今不甚活动的第四纪泥火山分布区。如果进一步考虑泥火山影响的巨大范围以及活动性,初步推断,中国的泥火山系统以及含油气盆地的温室气体的排放总量与通量将非常可观。
1.3 巨型活动断裂带活动板块和板内块体边界及其它活动断裂等薄弱地带不仅是强烈的地震活动带,而且也是地球强烈脱气的地带 (King,1986; 朱宏任等,1991; 强祖基和杜乐天,2001) 。活断层与地震气体地球化学研究表明,大地震的发生常伴有地球内部气体 (CO2、H2、Hg、He、Rn和CH4等) 的大量排放。因此,地震带断层气已成为地震前兆研究的重要对象,相应的断层气研究技术和方法在中国已得到了较大的发展 (Du et al., 2008; Zhou et al., 2010; Li et al., 2013) 。地表观测资料和震例 (Weinlich et al., 2006; Du et al., 2008; Walia et al., 2009;Zhou et al., 2010; Li et al., 2013) 的研究结果表明,在震中区及距震中几百千米的范围 (8级以上地震可以达到1000 km) ,地震活动可以增加地震带气体的排放量,气体异常的时空变化多种多样,一般异常持续时间从几个小时到几个月,逸出量与地震烈度大小往往呈正相关 (或正消长) 关系 (King,1986; 朱宏任等,1991; King et al., 2006) 。野外地质调查与观测结果显示 (Zhou et al., 2010) ,与断裂 (或者地震带) 有关的CO2和CH4释放通量异常增大,可能是由大范围的气体地质扩散和背景排放引起的。尽管这些深部断裂温室气体通量的测量结果比火山-地热区的数值低,但是因其涉及的空间范围大,向大气圈排放温室气体的总量可能非常大。例如,汶川MS8.0地震断裂带的持续破碎,导致岩层孔隙度增加,土壤气中CO2、Rn和Hg平均浓度和最大值伴随着地震的发生都呈现出上升的趋势 (Zhou et al., 2010) 。张景廉等 (2011) 通过研究汶川地震与中地壳低速高导层的成因关系,认为该地震可能与天然气的爆炸有关。Zheng等 (2013) 研究了青竹江的气体排放,认为沿断裂或破裂存在着浅层气藏气体向大气圈排放的特点。大型断裂带强烈活动地段的地质源碳排放往往也很强烈 (Hahm et al., 2008; Newell et al., 2008; Zhou et al., 2010) 。
卫星遥感研究也证明地震带会向大气圈中释放大量的温室气体。强祖基等 (1997) 认为卫星热红外观测到的温度异常是由地球排放到大气圈中的气体发生温室效应造成的,并得到了试验验证 (徐秀登等,1995; 卢振权等,2005) 。屈春燕等 (2004) 利用卫星热红外观测和研究了地球排气现象。Pulinets和Dunajecka (2007) 发现1985年墨西哥Michoacan地震前后的热红外影像显示了一些地区气温和水汽含量的异常。利用高空间分辨率和高光谱分辨率的红外遥感影像可以探测地表热异常,被称作“最小热变化探测” (Tank et al., 2008) 。高光谱传感器 (MOPITT、AIRS、OCO、IASI、TANSCO等) 的问世,使得人们利用卫星遥感数据研究大气中各种成分 (CO2、CH4、CO、O3、水汽等) 的变化成为可能。研究表明,利用遥感技术可以观测到地震前后地球深部排放气体浓度的变化 (陈彧等,2008) 。例如,利用卫星资料发现了2001年1月26日印度MS 7.8 Gujarat地震前后O3浓度 (Torrion et al.,2002) 、水汽含量 (Dey et al., 2004) 、CO含量 (Singh et al., 2010a) 变化;利用卫星高光谱数据在2002年3月31日台湾MS 7.5强震 (郭广猛等,2006) 、2011年4月14日玉树地震 (崔月菊等,2011a) 、2010年4月5日墨西哥下加利福尼亚地震 (崔月菊等,2011b; Cui et al., 2013) 、2004、2005年苏门答腊两次大地震 (孙玉涛等,2014) 前后都发现了CO的浓度异常;高光谱传感器监测结果显示,多个研究区地震前后的O3变化趋势相似,在地震发生当天O3浓度突然降低,震后逐渐升高,7~14天达到最高值后慢慢降至正常水平 (Singh et al., 2007; Ganguly,2009; Amani et al., 2014; 孙玉涛等,2014) 。此外,汶川地震后CO升高异常与余震对应较好,地震前2个月CO2和水汽含量都有明显的升高异常 (Singh et al., 2010b;崔月菊,2011) 。显然,断裂带的微观排气是全球碳循环的来源之一,应该受到进一步的关注。但是,中国大陆主要地震带对大气圈的温室气体贡献有多少、引起的大气成分变化有多大,特别是断裂系统碳循环的通量与机制等都是亟待解决的科学问题。另外,断层泥中也含有一定量的CO2、CH4等吸附气体 (Ma et al., 2015) ,并且这些吸附温室气体的种类和含量对断层活动性 (地震) 也具有一定的指示意义。尽管地球脱气在野外考察和室内的实验室测试研究中都得到了不同程度的证实,但是,对这些复杂多样的地质源温室气体排放通量和规模等关键的科学问题,国内学者还没有进行全面而有效的针对性系统调查和深入研究。目前,中国各种类型的活动断裂带释放温室气体的总通量还很不清楚。国外研究表明,美国San Andreas断裂向大气圈中释放CO2的通量大于18 gm-2 d-1 (Lewicki and Brantley, 2000) ,Colorado高原受断裂控制的土壤微渗漏体系向大气圈释放的CO2通量高达1428~36259 gm-2 d-1 (Jung et al., 2014) 。在中国,位于渤海盆地的济阳坳陷受高青-平南断裂的影响,地幔来源的气体沿断裂运移形成气藏 (Zheng et al., 2001; 申宝剑等,2007) 。郯庐断裂作为切割岩石圈的巨型断裂,伴有大量CO2气田和温泉出露。然而,以往的研究主要集中在对气体来源的探讨 (上官志冠等,1998; 陶士振和刘德良,2000; 刘德良等,2001; 陶明信等,2005) ,对于郯庐断裂带温室气体释放通量目前尚不清楚,亟待开展相关的观测与研究工作。参考国外已发表的研究成果 (Etiope et al., 1999, 2007; Annunziatellis et al., 2008; Burton et al., 2013; Etiope,2015; Zhou et al., 2016) ,初步推断,中国大陆断裂带的温室气体排放量可能是非常巨大的。中国大陆分布有众多的大、中型断裂带,例如,雅鲁藏布江深断裂带、东昆仑深断裂、阿尔金深断裂、龙门山深断裂、金沙江-红河深断裂、班公错-怒江深断裂、郯城-庐江深断裂等,而针对这些断裂带的碳排放研究和通量估算工作还很稀少。到目前为止,仅见一些零星的研究成果报道,然而根据这些初步研究结果,其巨大的CO2排放量已初见端倪。例如,汶川地震破裂带CO2排放量的初步估算结果为0.57×106 t·a-1 (Zhou et al., 2016) 。大型深断裂带是地幔脱气的主要构造通道 (陶明信等,2005) 。
2 中国火山-地热区温室气体释放通量与成因 2.1 中国大陆火山-地热区温室气体释放通量当前国际上,密闭气室法、气体化学方法和水化学方法分别是对火山-地热区土壤微渗漏CO2释放通量、温泉释放的气态CO2以及温泉水中溶解的CO2释放量的通用测量方法 (郭正府等,2014) 。表 1展示了近年来中国大陆典型新生代火山-地热区的温室气体释放通量的研究成果。
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表 1 中国大陆典型火山-地热区的温室气体释放通量 Table 1 Flux of greenhouse gas emission from typical volcano-geothermal area in China |
表 1中的火山-地热区温室气体排放量仅为典型地区的随机测量和离散取样结果,中国开展实际测量的火山-地热区面积、测点密度以及取样的时间尺度都很局限。因此,表 1的温室气体通量的估算结果仅为中国火山-地热区温室气体释放通量的保守数值 (郭正府等,2014) 。
2.2 中国大陆火山-地热区温室气体的源区与成因火山活动的空间分布范围很广,主要分布在大洋俯冲带、洋中脊以及板块内部等构造背景。新生代火山区和地热区往往在空间分布上重合或者具有成因联系,而多数的新生代火山区都有地热显示,所以这些地区往往也是地热区。然而,通常认为火山是地下深处 (地壳、上地幔) 岩浆活动的地表显示,而地热区一般被认为与地壳浅部的构造活动和热异常有关,尽管有些温泉也是与地球深部相联系的。因此,火山区与地热区释放的温室气体成分和来源往往存在显著差异,主要体现在温室气体的化学组分和同位素组成、稀有气体组分及其同位素组成等方面。以往的研究表明,上覆板块含有碳酸盐岩的大陆弧火山活动是全球大气圈CO2浓度增加的重要来源之一,其温室气体释放规模明显大于岛弧火山活动温室气体的释放规模 (Lee et al., 2013) 。近期研究表明,位于太平洋构造域的长白山与五大连池火山区的土壤微渗漏CO2平均释放通量和总量明显低于特提斯构造域的腾冲火山区和羊八井地热区 (表 1) 。对中国大陆典型火山-地热区的初步研究 (成智慧等,2014; 郭正府等, 2014, 2015; 张丽红等,2014; Zhang et al., 2015, 2016) 表明,长白山火山区释放的温室气体来源于深俯冲的太平洋板片,表现出幔壳混源的特点,但以幔源为主 (Zhang et al., 2015) ;五大连池火山区的温室气体来源于古老流体交代的岩石圈地幔 (Xu et al., 2013) ,并且温室气体在上升过程中受到了围岩的混染 (上官志冠和武成智,2008) ;腾冲火山区温室气体具有壳幔混合的特征,但以壳源为主,是现今印度大陆俯冲带的产物 (成智慧等,2014; Zhang et al., 2016) ;处于大陆碰撞带构造背景下的羊八井地热区的温室气体显示出更强烈的地壳混染特征 (张丽红等,2014) ,反映了在大陆碰撞带动力学背景下更强烈的地壳混染过程;青藏高原南部新生代火山-地热区的温室气体释放可能包括了幔源碳排放与壳源碳排放2种类型,但以后者为主 (郭正府等,2014) 。
3 火山-地热区温室气体成分与释放通量的连续测量与火山活动性监测研究中国大陆典型火山-地热区温室气体释放通量的初步研究结果 (张茂亮等, 2011a, 2011b; 郭正府等,2014; Zhang et al., 2015, 2016) 表明,火山-地热区释放的温室气体规模是巨大且不容忽视的。国外大量的研究结果也显示,除水蒸气 (H2O) 以外,CO2是火山气体中含量最高的气相组分 (Giggenbach,1996; Lan et al., 2007) 。在火山喷发过程中,CO2能够快速地从上升的岩浆中出溶并到达地表,可以近乎实时地指示火山地下深部的岩浆扰动过程 (郭正府等,2003) 。通过对长白山火山气体成分的连续监测与测试研究,也表明温室气体的释放与地下岩浆囊的活动性之间具有成因联系 (Xu et al., 2012; Zhang et al., 2015) 。这些初步的研究结果显示,开展火山区温室气体成分与释放通量的连续监测与研究对于深部碳排放观测和火山监测研究具有重要的作用。意大利、美国和日本等国家通过火山区温室气体成分与释放通量的连续监测,不仅获得了火山-地热区温室气体释放通量的准确测量结果与变化趋势,而且对火山区下部岩浆活动状态也进行了有效的探测与研究 (Sano et al., 2015; Kagoshima et al., 2016) 。例如,日本学者通过对Ontake火山自1981年以来的火山气体的连续观测与测量的结果研究,获得了该火山在2014年9月27日喷发前的火山气体异常显示 (Sano et al., 2015; Kagoshima et al., 2016) 。近期的研究 (Sano et al., 2015; Kagoshima et al., 2016) 表明,火山气体的连续观测与测量在监测和预测hydro-volcanic喷发中效果尤为突出,因为类似于2014年日本Ontake火山喷发 (hydro-volcanic喷发) 前,没有明显的火山喷发物理前兆 (例如,地震活动、火山锥体膨胀等) ,因此,喷发前火山气体的异常特征就显得尤为重要与关键。结合最近国外学者对2014年9月日本Ontake火山的hydro-volcanic喷发模式的研究结果 (Sano et al., 2015; Kagoshima et al., 2016) ,初步认为,中国腾冲火山区的火山活动特点 (姜枚等,2012) 与hydro-volcanic喷发模式较吻合,因为腾冲火山区的下部也存在着近于连续的浅部流体层 (姜枚等,2012) ,建议进一步开展腾冲火山区火山气体连续观测的探索与研究,为在中国开展hydro-volcanic喷发特点与成因判识奠定基础。
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