0 引言

火山喷发时会释放出大量气体，伴随着岩浆的喷涌和火山灰的扩散，这些气体不仅可以上升数十千米，直达地球大气层，还可能沉降到地面，侵蚀土壤和农作物。火山气体成分及含量的变化对预测火山喷发危险性起到关键作用，是用于监测地震与火山活动及成因的有效工具(高清武，2004；郭正府等，2015；李婷等，2015；赵文斌等，2018；Inguaggiato et al，2018；刘东阳等，2020)。除H₂O外，CO₂是火山气体中含量最高的气相组分，CO₂排放量的增加可以作为新岩浆上升到火山浅层部分的早期指标(Lan et al，2007；Giammanco et al，2013)。在世界各地的许多火山和水热系统中，测量土壤CO₂通量时空变化技术已经相对成熟，并将其用作火山和地震构造监测、地热勘探、断层和断裂带的划定，以及火山和热液源CO₂对全球碳循环贡献的估算(郭正府等，2015)。

吉林龙岗火山群是中国境内最为典型的单成因火山区之一(魏海泉等，1999)，其位于长白山天池火山西120km处，处于龙岗山脉中段。金龙顶子火山是龙岗火山群中最年轻、喷发规模最大的火山，全新世以来，龙岗火山群仅有金龙顶子火山有喷发记录，距今已有1600年的历史(刘祥等，1997；魏海泉等，1999；Fan et al，2000；樊祺诚等，2002)。1980—2010年水准观测资料和GNSS数据联合反演结果表明，东北地区火山区垂直运动明显，龙岗火山区表现为相对上升运动，垂直速率为-0.39~2.16mm/a，推测由火山区岩浆运移所引起(胡亚轩等，2022)。自1972年建立吉林省地震台网以来，龙岗火山区共记录到200余次地震，其中4.0级以上地震4次，且在1997和2009年多次发生震群活动，震源深度在1985—2002年约为20km，2003年以后平均深度小于10km。结合吉林省地震局近年监测数据来看，当前龙岗火山区的地震以及地壳活动相对活跃(刘俊清等，2013)，该区地下岩浆活动并未“休眠”，存在潜在的喷发风险。

对龙岗火山区的研究重点多集中在火山地层、火山构造、喷发产物及其分布、地幔动力学等内容(欧祥喜等，1984；樊祺诚等，1999；隋建立等，2007；于红梅等，2008；刘强等，2009；赵波等，2010)，火山监测手段较为单一，尚未开展相关气体地球化学研究工作，一定程度上制约了龙岗火山的活动监测及喷发预测预警工作。鉴于此，本文针对龙岗火山群中的全新世火山——金龙顶子火山，开展土壤火山气体(CO₂、CH₄等)流动监测，探讨龙岗火山区的火山气体释放特征，同时与其他休眠火山进行对比分析研究，为研判火山活动状态提供基础依据，也为今后在龙岗火山区建立气体地球化学监测站网提供参考。

1 区域地质概况

龙岗火山区位于龙岗山脉中段，吉林省东部辉南县、靖宇县境内，大地构造位于华北克拉通东部，紧邻郯城—庐江断裂带北段分支敦化—密山断裂(徐智涛等，2023)，龙岗火山群内的火山构造主要发育于NE向与NW向断裂带的交叉区域(刘祥，1999)。龙岗火山早期溢流式喷发形成熔岩台地到晚期爆炸式喷发形成160多座低矮火山锥和低平火山口湖(龙湾)，以单一的碱性粗面玄武岩为主，是中国近代活动火山区之一。

金龙顶子火山坐落在辉南县金川乡东南，位于龙岗火山区中部，稍偏西北方向(图 1)。该火山由火山锥体及其以东的四海一带的火山碎屑席和晚期向西流动的熔岩流组成，锥体部分喷发物主要由中心式玄武质火山爆发所形成的空中降落堆积物——玄武质火山渣、火山弹等组成。金龙顶子玄武质火山渣锥基座直径约1300m，东北侧海拔约999.4m，锥顶部沿SW方向略微凹进(为熔岩流溢出破坏形成)，NNW-SSE方向较平坦。火山渣锥自上而下为紫灰色、紫红和黑色的渐变玄武质火山渣、火山弹和火山角砾堆积，均含有超镁铁质尖晶石相橄榄岩捕虏体，锥体底部的吊水壶瀑布处含少量巨大的火山弹(刘祥等，1997)。碳化木¹⁴ C年龄的测试结果显示金龙顶子火山喷发于距今1600年左右，火山活动具有多期性特征，历史火山灾害类型主要为火山溅落灾害、空降火山渣灾害和熔岩流灾害等(樊祺诚等，1999；赵波等，2017)。

① 中国地质调查局. 2007. 中华人民共和国区域地质调查报告比例尺1 ︰ 250000靖宇县幅(K52C00 2001).

休眠期火山主要通过土壤微渗漏、地热水(温泉)以及喷气孔三种途径向大气圈释放温室气体。龙岗火山区尚未发现明显的喷气孔及火山温泉，本研究在金龙顶子火山锥体40km范围内，针对其土壤气体组分CO₂及CH₄浓度和通量开展测量工作，并对个别点位进行H₂、Rn浓度测量。

2 测量方法及结果

依据野外地质考察结果，同时考虑气候等因素带来的干扰和影响，采用环线式布点方式，于2023年7月和2024年4月围绕金龙顶子火山锥体进行两次土壤气体野外流动测量工作。

土壤气野外流动测量所用的仪器为意大利ETG公司的便携式温室气体分析仪EDK6 900-X，采用高分辨率非色散红外测量CO₂及进口激光TDLAS法测量CH₄浓度值。仪器设定每30s完成一次抽样气流检测，检测范围为0~100000×10^-6，标定误差为±1%。测量前，尽量选择植被覆盖较少的点位，土壤气通量测量采取密闭气室法，该方法已广泛应用于火山地热区等地的土壤微渗漏碳释放动态调查研究(Chiodini et al，1999；赵文斌等，2021；刘兆飞等，2023)。通过在土壤中下挖埋入特制大小的铝质集气罩并与仪器相连，记录密闭气室内气体的累积浓度值与时间之间的变化关系，从而得到土壤微渗漏CO₂释放通量值，且数据范围在0.2~10000g/(m² ·d)是符合绝大部分间歇期火山区土壤CO₂释放强度的(Chiodini et al，1998；郭正府等，2014；Sun et al，2018；刘兆飞等，2023)。土壤气CO₂及CH₄浓度测量即在点位处用钢钎打出深0.8~1m的孔洞，将空心采样杆置于孔内，密闭后与仪器(EDK6 900-X)相连进行测量。土壤气H₂浓度测量选用杭州超距科技ATG-300H便携式氢分析仪，Rn浓度测量选用美国Durridge Red 7便携式测氡仪，两者同样采用钢钎钻孔方法。测量前进行同点位的空气组分浓度测量，以保证测量数据的有效性。CO₂稳定同位素利用中国科学院东北地理与农业生态研究所实验室Delta V advantage稳定同位素质谱仪测量。

本研究在金龙顶子火山锥体测量土壤微渗漏气体组分，两期共获得45组CO₂及CH₄浓度及通量有效数据，7组H₂及Rn浓度测量有效数据(表 1、表 2)。测量结果显示如下：第一期24个点位CO₂浓度均值范围在0.07%~0.33%，CO₂通量范围4.28~160.13g/(m² ·d)，通量平均值为52.46g/(m² · d)；CH₄浓度很低，大部分接近零；H₂及Rn浓度测量3个点位，浓度范围分别为7.02~21.81×10^-6、0.74~2.37kBq/m³。第二期CO₂浓度均值范围在0.06%~0.23%，CO₂通量范围13.33~146.02g/(m²·d)，通量平均值为54.33g/(m² · d)；CH₄浓度很低；H₂及Rn浓度测量4个点位，浓度范围分别为4.96~70.89×10^-6、0.59~5.83kBq/m³。

3 分析与讨论 3.1 土壤微渗漏释放的CO₂气体特征及成因分析

火山系统排出的气体是岩浆深部脱气的重要表现，火山脱气趋势与火山气体的类型有关，在平衡脱气条件下，火山气体在岩浆中的溶解度越低，则越容易被溶解。随着岩浆的上升，火山气体优先按照CO₂、S、H₂、HCl和HF顺序出溶(郭正府等，2002；Werner et al，2013)，即当富含CO₂的岩浆新注入岩浆房或岩浆脱气增强时，CO₂通量往往会增加。

2023年7月和2024年4月分别进行两次金龙顶子火山锥体土壤气体野外流动测量工作(图 2)，两期测量的点位、气象因素较为一致，所用仪器及参数、测量人员均未改变，数据具有可靠性。植被可能对土壤释放CO₂有一定的影响(Mäki et al，2019)，2023年7月测量时周边植被稍显繁密，浓度值稍高可能是受植物呼吸作用、有机物分解等影响所致，但从通量上来看，整体差别不大，因而季节性因素可以忽略不计。其次，靠近大龙湾以及大泉眼等水系附近CO₂浓度及通量值稍高，结合前人研究(赵瑞一等，2015)表明，土壤湿度的提升在一定范围内会激发微生物的活性，从而促进土壤中CO₂的生成，导致浓度升高。

从两次测量结果来看，金龙顶子火山锥体土壤微渗漏气体组分含量差别不大，基本上可以恒定在CO₂浓度均值范围0.06%~0.33%，CO₂通量范围4.28~160.13g/(m² ·d)，通量平均值为53.33g/(m² · d)；CH₄浓度很低，接近于零。通常认为CO₂通量超过60g/(m² · d)即可判断为有地质来源成分(顾国辉等，2024)，由此可以看出，龙岗火山区金龙顶子火山范围内存在地质源CO₂的释放。结合火山锥体及附近区域的地质踏勘结果进行分析，并未发现明显的断层出露现象，深部气体不易穿过火山锥体直接到达地表。进而认为可能是金龙顶子火山1600多年前喷发形成的熔岩流在地表下的通道内固结，导致在地表释放的火山气体含量较低。

目前已查明中国大陆全新世有过喷发的14座活火山均为休眠火山，对比各休眠火山的土壤气体释放量对火山未来的活动趋势研究具有重要意义。我国东北新生代火山活动常被视为太平洋板片深俯冲作用的产物，形成了长白山、龙岗、五大连池和阿尔山等多个成分以玄武质熔岩为主的火山区，前人已经开展了一系列温室气体释放通量及成因研究(成智慧等，2014；郭正府等，2014；赵文斌等，2018、2021；Sun et al，2021；Pan et al，2023)。在长白山天池火山锥体顶部西坡及北坡进行土壤CO₂释放测量，获得了19.4g/(m² · d)(Zhang et al，2015)和22.8g/(m² · d)(Wen et al，2011)的通量，火山锥体外围的土壤CO₂平均释放通量为41.2g/(m² · d)(Sun et al，2021)。最新的研究结果显示，长白山天池火山区土壤气释放在锥体不同海拔高度呈环带状分布，火山口至外围具有“先升高后降低”的特征，CO₂通量范围0.16~1051.39g/(m² · d)，平均值为90.01g/(m² · d)(顾国辉等，2024)。

金龙顶子火山位于长白山天池火山西约120km处，本研究测量的CO₂平均通量值为53.33g/(m² · d)。从土壤气体空间分布来看，长白山锥体覆盖有厚层的伊格尼姆岩以及火山灰等松散、高孔隙火山碎屑堆积物，且常年伴有大风天气，不利于气体的富集。而金龙顶子火山区海拔相对较低，锥体部分为玄武质火山渣堆，相对较为致密，且气候温和，因而土壤CO₂释放性较天池火山锥体外围稍有增强。

大规模的火山活动是地球深部碳循环的重要环节之一，东北亚上地幔新生代时期为一巨型深部碳库，该区活动和气体释放将会对全球气候与环境变化造成重要影响。整体上，我国东北地区火山温室气体释放以中低温地热特征为主，CO₂气体释放通量及总量较低，显示较为平静的火山活动状态(赵文斌等，2021)。前人研究表明长白山火山区每年向大气圈释放CO₂气体约为0.94×10⁶t，结合长白山天池火山土壤气释放“先升高后降低”的环带状分布特征(顾国辉等，2024)，以及前人在测量点位上的选择差异(如断裂带、地下水、火山岩覆盖等不同地质因素影响)，现有研究尚不能全方位代表整个长白火山区深部碳的释放情况。此外，东北地区其他火山如五大连池火山区CO₂气体年释放量为1.2×10⁶t，阿尔山火山区为0.063×10⁶t，本研究测量金龙顶子火山锥体年释放CO₂气体通量为0.73×10⁶t(表 3)。

利用火山气体组分含量能够有效地示踪火山气体来源，进而探讨气体释放的成因机制。一般情况下，有机成因CO₂的δ¹³ C为-30‰~-10‰，无机成因CO₂的δ¹³ C为-8‰~-3‰(高清武，2004；成智慧等，2014；郭正府等，2014；Cui et al，2023；彭莱等，2024)。本研究选取金龙顶子火山lgg009、lgg014两个点位进行CO₂稳定同位素测量工作，分析地热释放气体的成因。两个点位CO₂气体δ¹³ C分别为-20.39‰、-24.60‰，表明土壤中释放的CO₂可能来自地壳中的有机物作用，有壳源物质混入。对比分析我国东北新生代的其他火山区，长白山和五大连池火山温泉气体碳起源于太平洋板块深俯冲环境，均以幔源为主，并受到不同程度的大陆地壳物质的混染作用，而阿尔山火山区与金龙顶子火山区类似，其源区以壳源为主(赵文斌等，2021)。分析差异的主要原因可能是由于金龙顶子火山区幔源气体在上升释放的过程中，在地下水中(如lgg014大泉眼附近)滞留的时间较长，受到较高比例陆壳物质加入的影响。

3.2 土壤微渗漏释放的其他气体

在火山喷发间歇(或休眠)期，火山区的温室气体释放速率较慢，且释放路径较为复杂，这些气体通常会与围岩以及地下水等发生相互作用，导致氧化，从而使其释放含量降低。测量发现CH₄浓度很低(0~1.44×10^-6)，接近零，对比东北地区其他火山如长白山天池火山(CH₄通量0.029g/(m² · d))以及阿尔山火山区(CH₄浓度0.33~12×10^-6)(顾国辉等，2024；Pan et al，2023)，金龙顶子火山CH₄释放水平较弱。

前人研究表明，断裂带的活动性与土壤气体(Rn、CO₂、H₂)释放强度呈正相关，断裂带使得气体扩散路径增大。因此，可以通过气体释放特征识别隐伏断裂构造，进而判断火山活动性(Li et al，2013；陈志等，2015；Chen et al，2019；王喜龙等，2021)。经过前期的野外踏勘以及查阅周边地质图，地表尚未发现明显的断层出露现象。为进一步厘清该区域地质构造环境，并补充气体地球化学特征数据，本研究选取个别点位加测了土壤气体H₂和Rn。

两期测量点位均匀分布在研究区的四周浓度值均高于空气中相应组分(图 1、表 2)，同时剔除了不符合正态分布的数据，测试有效。得出7组有效数据，H₂、Rn浓度范围为4.96~70.89×10^-6、0.59~5.83kBq/m³。其中，lg015与lgg011、lg020与lgg020两组测量点位一致，可以看出两者浓度的时间序列符合常规的夏高冬低的季节变化特征(Miklyaev et al，2020)。由于Rn为惰性气体，化学性质不活泼，受干扰影响较小，发现存在lgg012、lg015等点位H₂、Rn含量浓度值偏高的异常区域。结合龙岗火山群内的火山构造主要发育于NE向与NW向断裂带的交叉区域，这些断裂系统可能是在近EW向构造应力场作用下形成的一对共轭剪切断裂这一论述(刘祥，1999)，推测底部有隐伏断裂的可能性。同时，CO₂作为Rn从地下向上运移的载气，土壤气体CO₂通量与H₂、Rn浓度变化具有较好的相关性(图 3)，推测在CO₂通量高值区存在有利于深部气体逸出的通道，这可以为深入研究区域断裂提供思路。

4 结论

本文针对龙岗火山群中的全新世火山——金龙顶子火山开展火山土壤气体(CO₂、CH₄等)流动监测，为研判火山活动状态提供基础依据，为未来建立气体地球化学监测站网提供参考。通过野外测量和室内数据分析，得出以下结论：

(1) 金龙顶子火山锥体土壤微渗漏气体组分CO₂浓度均值范围0.06%~0.33%，CO₂通量范围4.28~160.13g/(m² · d)，通量平均值为53.33g/(m² · d)，估算火山区每年释放CO₂气体通量0.73×10⁶t；CH₄浓度很低，接近零。火山温室气体释放以中低温地热为主，CO₂气体释放通量及总量较低，显示较为平静的火山活动状态。

(2) 存在H₂、Rn含量浓度值偏高的异常区域，推测区域底部有隐伏断裂的可能性，断裂为地下深部气体的迁移提供了有利条件，后续将对该区域进一步深入研究，更好地丰富地质资料。

致谢: 感谢龙岗火山监测中心站全体成员在野外监测工作中予以的帮助以及评审专家对本文的细致审阅和提出的建设性修改意见。