基于钻井温的长白山天池火山北坡浅部岩浆房赋存深度研究

钱 程，崔天日，唐 振，江 斌，张 超，陈会军，吴 桐

中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034

0 前言

长白山天池火山位于吉林省东部的中朝边境地区，晚新生代以来持续活动，为地球上最大的活火山之一［1］.20世纪60年代初，吉林地质调查局在长白山开展了4幅1∶20万区域地质填图，初步揭开了长白山火山的神秘面纱；80年代以来，学者们针对天池火山的成因、形成时代、岩浆作用、活动期次、喷发机制、火山灾害等进行了系统研究，取得了一系列的成果.在诸多研究工作中，天池火山岩浆系统的空间定位及活动性评估是判定火山活动未来走势与预警火山喷发等现实性问题的关键.目前，关于天池火山岩浆系统的探测工作主要围绕以下几个方面：1）通过火山岩岩石学研究，在天池火山之下建立了地幔（深部）和地壳（浅部）双层岩浆房结构模式［2-5］，并识别出地壳浅部两个独立岩浆房［6］；2）基于物理火山学分析，推测天池火山之下存在巨大的岩浆柱，在地壳、岩石圈地幔和下地幔中存在多个岩浆房［7］；3）利用大地电磁和深地震等地球物理探测，获得了长白山地区的地壳结构及地温结构特征，进而揭露其下伏岩浆房赋存特征［8-17］.

学者们通过人工地震、火山地震和大地电磁等地球物理探测方法，将天池火山浅部岩浆房顶界面的赋存深度限制于天池偏北下方5～15 km范围.但根据不同方法解析所得到的具体深度不甚一致，主要有12 km［13］、8～9 km［16］、5 km［9］、7 km［10］等，究其原因在于地球物理探测岩浆系统所成的影像具有局限性和多解性.也有学者利用天池火口及周边千年大爆发喷发物的地球化学和斑晶特征研究确定了火口之下碱流质和粗面质岩浆房的深度分别为5 km和7～9 km［6］.近年来，中国地质调查局沈阳地质调查中心在长白山天池火山及池北地区开展了4个以科学研究为目的科钻工程.其中CZK07钻孔位于天池北坡“U”形谷的南部地区，距天池北泄口3～4 km，坐标为128°03′39″E、42°03′12″N，海拔为1 805 m，钻孔开孔倾角90°，进尺644.8 m，岩心长度566.8 m，主要揭露了天池火山晚新生代以来的火山喷发物［18］.该孔位位于地球物理探测所推测的浅部岩浆房正上方，靠近天池火山千年大喷发和气象站期碱流质火山喷发的火口，其井温测量所揭示的地温变化规律对于揭示区域地壳热结构、定位浅部岩浆房赋存特征、监测岩浆房动态信息等科学问题具有重要意义.钻孔测温资料显示，该井地温较高且与井深呈线性相关关系，一定程度上反映了天池火山北坡浅部岩浆房上覆地壳的地温梯度及其变化特征.本文重点对该钻孔的测温情况进行报道，并在井温资料与地温梯度评价的基础上，结合前人全新世火山喷发物的岩浆温度研究，估算天池火山浅部岩浆房的赋存深度.

1 区域概况

长白山天池火山横跨中朝边境，整体呈现山地地貌，沟壑纵横，地形复杂，相对高差较大，其中心火山口分布较多，相互叠置、多期活动，并塌陷积水成湖，形成国内外知名的高山淡水湖——天池［19］.区内水系发育，呈放射状，为鸭绿江、松花江和图们江的源区［20］.大地构造位置上，该区属中朝古板块东北缘，新生代处于日本海弧后盆地和中国东北松辽断陷盆地之间的北北东向隆起区［21-24］，属西太平洋板块向欧亚板块俯冲的前缘地区，是环太平洋火山链和地震带的重要组成部分［21-26］.晚新生代以来长白山火山活动强烈，相继经历了玄武质—粗面质—碱流质的演化过程［2］（图1a）.围绕天池发育环状火山构造，并在天池外坡的锥体上发育放射状火山构造，控制沟谷及水系分布.天池火山形成于中新世玄武岩台地之上，相继形成了上新统军舰山组玄武岩，下更新统漫江组玄武岩、小白山组粗安-粗面质碎屑岩及熔岩、老房子小山组玄武岩，中—上更新统白头山组Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段粗面岩及其碎屑岩，全新统冰场组火山泥石流、火山碎屑流和空降堆积，全新统白云峰组火山泥石流、熔岩流、火山碎屑流和空降堆积，全新统八卦庙组空降堆积和熔结凝灰岩（图1b）.

图1 长白山天池地区地质图Fig.1 Geological map of Tianchi Volcano in Changbai Mountain

2 井温测试与地温梯度计算

2.1 测温原理

对于CZK07钻孔的井温测量，使用了自制留点温度计升降设备.该设备是在方形铁架里固定铝合金汽车轮毂，轮毂轴两端用轴承固定，再把直径1 mm、长约700 m的镀锌油丝绳缠绕在轮毂凹槽里，在油丝绳的尾端绑定1.5 kg左右的重锤，而后自尾端开始每隔50 m绑定1个铜套留点温度计，共计12个.测温时，首先固定方形铁架及汽车轮毂，使尾端绑定重锤的油丝绳缓慢匀速送往钻孔，保证油丝绳撑开拉直，以减少飞轮抖晃对测温结果的影响，待重锤落底后，等待30～60 min后，缓慢匀速提升油丝绳，待铜套留点温度计到达地表后迅速卸载，观测其内留点温度，并记录.测温过程采用铜套留点温度计的好处在于其内水银柱指示的位置不随周围温度的下降而下降，保留在曾经达到过的最高点，此外铜套对留点温度计也起到良好的保护作用，本次测温使用的是江苏省常州市瑞明仪表厂生产的铜套留点温度计，温度测量范围0～150℃.

2.2 井温资料

CZK07钻孔的井温资料主要来源于系统测温数据.一般而言，系统测温数据是在完井之后静井4～7 d甚至数月后进行地温测井时获得的地温数据.由于静井时间长，井温和地温近于平衡，这类数据可以反映地层地温［27］.CZK07钻孔于2013年5月中旬完井，于2013年6月中下旬开展了7次系统测温工作，测温结果见表1.多次测温结果显示，孔深600 m以上的测温结果较高且一致（102.5～106.8℃），且地温随深度呈一次正相关变化（图2a），个别测温数据显示温度异常，但不影响测温数据的整体相关性特征.

表1 2013年6月CZK07孔井温记录表Table 1 Records of temperatures vs.depths in CZK07 borehole in June 2013

2.3 地温梯度计算

首先确定恒温带的深度和温度.本研究中，恒温层的深度定位为50～100 m间的第一个测点深度（D0），温度T0即为其测点的温度.如某一深度Dn点的地温为Tn，则该点的地温梯度G＝（Tn-T0）/（Dn-D0）.在数据处理时，以当天的测温记录为基础，将不同深度温度值计算出的地温梯度加以算数平均，即为其当天的平均地温梯度，多天测温得到的地温梯度的平均值即为该井的平均地温梯度.根据以上数据处理过程，得到CZK07钻孔的地温梯度与深度关系图（图2b）.

1）6月14日的两次测温的地温梯度较为稳定且一致，分别为11.0～16.8℃/100 m和13.4～16.7℃/100 m，平均地温梯度均为15.0℃/100 m.

2）其他各次测温的地温梯度变化范围较大，6月21日测温的地温梯度为16.0～24.1℃/100 m，6月23日两次测温的地温梯度为13.7～25.6、12.4～23.0℃/100 m，6月30日两次测温的地温梯度为19.4～22.9、15.0～23.2℃/100 m.3天的平均地温梯度分别为19.9℃/100 m、19.2℃/100 m和18.5℃/100 m，加权平均为19.2℃/100 m.

3）7次测温的地温梯度整体变化于11.0～25.6℃/100 m，平均值为17.8℃/100 m，但各段具有明显的变化趋势，主体呈3段式特征：孔深大于450 m的地温梯度较为稳定，变化于13.4～17.8℃/100 m（平均值为15.3℃/100 m）；孔深由450～50 m地温梯度呈增大趋势，由14.4～16.3增至16.7～23.3℃/100 m，平均值由15.3增至20.4℃/100 m；孔深由250～100 m地温梯度呈减小趋势，由16.7～23.3减至11.0～19.4℃/100 m，平均值由20.4减至14.7℃/100 m（图3b）.

就单日测温而言，6月14日较为稳定，地温梯度平均值为15.0℃/100 m，其他日期变化较大，地温梯度平均值较高，变化于18.5～19.9℃/100m之间.总体变化趋势上，由浅部（孔深100 m）—中上部（孔深250 m）—中下部（孔深450 m）—下部（孔深大于450 m），地温梯度具有增大、再减小、而后稳定的趋势，平均值由14.7—20.4—15.3℃/100 m，而后稳定，变化幅度由大变小.考虑到孔深450 m以下的稳定地温梯度与6月14日较为稳定的单日情况，笔者认为CZK07钻孔的地温梯度主要变化于13.4～17.8℃/100 m，加权平均值为15.3℃/100 m.

3 浅部岩浆房定位与单井测温数据评价

3.1 浅部岩浆房地面投影定位

四平—长白山—日本地震层析剖面图显示，断面上呈现两个异常地质体，一个是从日本深海沟向西倾斜的低温高速带（正异常），另一个为长白山火山区向东南方向深部延伸的高温低速带（负异常）［28］.基于长白山火山区下部向深部延伸的高温低速带特征，学者提出了长白山火山岩浆柱，认为该岩浆柱是一个总体呈串珠状排列的层状富岩浆集合体，地壳部分存在数个高温低速囊状体，且在地壳浅部埋藏若干高温囊状体［7］，该认识得到了火山岩石学研究的佐证.小震精定位和地表形变反演表明，在天池火山地下约5 km存在一个岩浆房［29-30］，这一深度与普遍认为的碱流质岩浆的贮存深度相一致［31］.朝鲜一侧的地震观测数据计算得到在天池火山地下5～10 km的范围内存在明显的低速异常，峰值出现在8 km左右深度，推测此低速异常带为岩浆的贮存区域［32］.Jiang et al.［33］基于天池火山周边的4个深井热流数据对长白山火山的热结构进行研究，认为天池破火山口附近的热流量值最高，并向周边递减，在超出深地震成像的地壳岩浆房区降低至正常热流，并由此推测天池岩浆系统是一个以天池火山口为中心的深度为8～14 km的椭圆形岩浆房，其东西轴约20 km、南北轴约70 km.上述研究成果显示，天池火山的下伏地壳中蕴含了若干垂向上和横向上断续分布的地球物理异常囊状体，分布于天池破火山口周边地区.

长白山火山及周边的三维深地震测深研究显示，在天池地壳浅部深度小于8～9 km范围内，岩浆囊的分布范围小，集中分布在天池火山口稍北的南北方向上，4 km、6 km、8 km深度的P波慢度扰动影像显示在天池火山北坡存在一潜伏的环状构造，其内存在若干低速囊状体，最为显著的位于瀑布-导站地区［16］.长白山地区的大地电磁测深结果显示，天池火山口及附近的电性结构呈现三维异常体特征，异常体埋深12 km（浅部岩浆囊），其中4个显著的低阻体分别位于长白山锦江温泉、聚龙泉温泉、长白山北山门和双目峰附近，大体代表了浅部岩浆房顶部的潜伏高温体［13］.南北向横穿天池的二维大地电磁测深剖面揭示了剖面深部的电性结构，结果显示天池火山口下方存在明显的直立型岩浆通道，在火山口下方往北方向附近，在埋深位置约7 km深处存在一个明显的低阻异常体，与天池火山口下方的岩浆通道对接，推测其可能是地表浅部发育的岩浆囊［10］.也有学者详细调查了天池火口及周边千年大爆发喷发物的序列与分布，并基于碱流质和粗面质火山喷发物的地球化学和斑晶特征确定了火口之下地壳浅部的两个独立的岩浆房，模拟结果显示碱流质岩浆房位于天池火口偏北方向（深度为5 km），粗面质岩浆房位于天池火口正下方（深度为7～9 km）［6］.这些研究结果推测的天池火山浅部岩浆房地面投影位置主要分布于天池破火山口偏北地区，大体与天池火山区温泉群的分布（瀑布-导站）［34］及全新世气象站期碱流质火山活动定位［35-36］一致.由此推测，天池火山口偏北方向地球物理探测的异常囊状体可大致定位天池火山浅部岩浆系统的分布，其中特征最为显著的即为天池火山北坡瀑布-导站地段下部的三维异常体.而本研究中的CZK07钻孔位于瀑布至导站的中部位置，即位于浅部岩浆房的正上方.

3.2 单井测温数据评价与热储的地温影响

基于断层控制的花岗岩类侵入体固结过程研究，获得了浅层（5～15 km）侵入体的热演化过程，侵入体岩浆囊形态随时间发生变化，热力学结果显示，岩浆囊在成形后向下封闭、向上具有极高的热流值，同时出现两侧不对称的特征，且远离岩浆囊横向上的地温梯度陡然变小且稳定［37］.模式图显示，岩浆囊顶覆地壳的地温梯度可达80～200℃/km，且靠近岩浆囊呈变大趋势，而横向远离岩浆囊地区地温梯度稳定，约为25～30℃/km.Silva等［38］认为世界上火山区地下的地温梯度主要变化于30～50℃/km，并模拟了地温梯度为30℃/km和50℃/km的浅部岩浆储层热结构，两个结果显示浅部大型岩浆储层上覆地壳的地温梯度均为160℃/km左右，该值主要受浅部岩浆囊状体的顶面深度控制.据天池火山南北方向的大地电磁剖面特征［10，13］，火山之下的地壳浅部显著低阻囊状体位于天池破火山口北部，低阻囊状体顶部电阻率增大至中等，上覆地壳的电阻率较为稳定，横向上囊状体两侧电阻率等值线密度不对称，远离囊状体浅部地壳具有高阻特征，相似于上文其他学者模拟的岩浆囊热力场.

长白山地区用于商业温泉开发的钻井较多，主要分布在天池火山北腹地的二道白河镇地区和西腹地的抚松县松江河地区，地温梯度大体分布于10～30℃/km.而在天池火山锥体上的钻孔较少，仅有的几个钻孔零星分布在天池火山北坡，包括飞狐山庄钻孔（深度155 m）、二道白河长白山保护局钻孔（深度150 m）、大宇饭店钻孔（深度427 m）和双目峰钻孔（深度98 m）［39］，还有北山门东侧的浮石林峡谷钻孔（编号CZK06，深度402 m）及文本讨论的CZK07钻孔.钻孔测温资料的报道也较少.Jiang et al.［33］报道了包括CZK07在内的4个钻孔井位的地温梯度，其中天池火山锥体周边台地上钻孔的地温梯度为28～29℃/km，而天池火山锥体边部钻孔的地温梯度为30～49℃/km.笔者获得浮石林峡谷CZK06钻孔的地温梯度约为35℃/km.结合上述区域地球物理探测和地温资料，可推测天池火山的地温场与世界上其他火山区相似，浅部岩浆囊正上部地壳的地温梯度较高，达到150℃/km以上，靠近岩浆囊地壳的地温梯度急剧变小，约为30～50℃/km，远离岩浆囊地壳的地温梯度稳定变小，约为10～30℃/km.CZK07钻孔位于浅部岩浆房的正上方，地温梯度主体变化于134～178℃/km，平均为153℃/km，与火山区浅部岩浆房上覆地壳的地温梯度一致.由此判断CZK07钻孔单井测温数据可较好地反映天池火山浅部岩浆房上覆地壳的地温场特征.

天池火山锥体上的温泉主要有天池破火山口北部的湖滨温泉、北坡瀑布-导站的北坡温泉群（包括聚龙泉）、西坡锦江峡谷上部的锦江温泉群，这些温泉的最高水温可达80℃左右.上官志冠等［34］对这些温泉地热区逸出气体的物质来源进行了研究，认为这些地热水源于大气降水，与水热活动伴生的深源气体释放强度不高，少量深源气体也并非是现代上地幔活动岩浆侵入所致，而是来自历史上火山喷发活动遗留的幔源岩浆残留体.Jiang et al.［33］所获得的4个钻孔地温梯度在孔深300～460 m、330～1360 m、330～880 m地温较高且稳定，呈现较低的地温梯度.由此推测，天池火山区地热水可能主要来源于与地表水有关的浅层地下水，其热源可能主要是浅部岩浆房及上覆地壳较高的地热梯度.就CZK07钻孔井温和地温梯度与井深的关系而言，在钻孔中上段（450 m以内）呈现波动，主要表现为两个方面：1）由浅部（孔深100 m）—中上部（孔深250 m）—中下部（孔深450 m），地温梯度具有增大、再减小、而后稳定的趋势；2）地温梯度最高值出现在孔深250～350 m处，可达200℃/km，地温约为60～80℃（图2）.250～450 m的深度范围及60～80℃的地温与北坡温泉群的热储深度及温度相近，较高的地温梯度出现在热储偏上层位，且在孔深300 m以内地温梯度的变化范围较大，这些现象的出现可能均为浅层稳定热储层与地表水热交换的结果.因而推测，北坡温泉群热储对CZK07钻孔井温的影响范围应在孔深450 m范围内，影响的结果使得孔深250～350 m地温梯度升高，而整个钻孔的地温梯度平均值和450 m以下的稳定地温梯度，尤其是后者（134～178℃/km，加权平均值为153℃/km）可大致代表CZK07钻孔位置浅部地壳的地温梯度.

4 岩浆房深度估算

岩浆房深度海拔（H，单位为km）的估算主要基于全新世岩浆温度（T，单位为℃）和地温梯度（G，单位为℃/km）计算而得，即H＝H0-T/G（H0为计算地的海拔高度，即1.805 km）.

前人基于火山岩岩相学和岩石地球化学对天池火山全新世岩浆温度进行了大量研究.李霓等［40］通过天池火山全新世3期浮岩长石斑晶中熔体包裹体的高温热台实验研究认为：第1喷发期岩浆均一温度在938～1 014℃之间；千年大喷发期（第2喷发期）均一温度位于两个区间，分别是850～926℃和1 005～1 024℃之间；第3喷发期岩浆均一温度在974～1 062℃之间.金伯禄等［41］通过天池火山区的岩石地球化学研究，认为全新世碱流质岩浆的温度为1 070℃.潘波等［6］对千年大喷发碱流质喷发阶段和粗面质喷发阶段的喷发物进行微量元素和斑晶特征研究，认为两阶段的岩浆来自两个独立的岩浆房，岩浆房平衡温度分别为743℃和862℃.综合以上认识，笔者推测天池火山浅部（碱流质）岩浆房的岩浆温度为750～1 050℃之间.

地温梯度与岩石的导热系数存在密切相关，而导热系数除受岩石的孔隙度和含水率控制外，与岩石的岩性关系最为密切.长白山晚新生代火山岩区的基底岩石出露主要为前寒武纪变质岩系（原岩主要为火山岩和深成侵入体）、晚三叠世钙碱性流纹质火山岩、晚侏罗世钙碱性安山质火山岩和早白垩世花岗岩①吉林省地质调查院.1∶250 000和龙市、长白朝鲜族自治县区域地质调查报告.2004..以上各种岩石与钻孔揭露的晚新生代火山岩（主要为熔岩和熔结凝灰岩）的孔隙度和含水率较为一致，且受岩性控制的导热差异也较小［42］，因此初步认为钻孔岩心的导热系数与钻孔之下的岩石导热系数一致，进而推测天池火山北坡CZK07钻孔之下的地温梯度为153℃/km（主要变化范围为134～178℃/km）.

根据上述计算公式和诸多学者对全新世天池火山岩浆房温度的估测结果，计算的岩浆房赋存深度见表2.

表2 天池火山北坡浅部岩浆房深度计算Table 2 Covered depth of superficial magma chamber on the northern slope of Tianchi Volcano

Xu et al.［9］通过2002—2003年火山地震推测火山震源深度为天池下方5 km；仇根根等［10］根据大地电磁研究显示天池火山北坡低阻异常体的深度为天池下方7 km；张先康等［16］利用低P波速度反演出天池火山的地壳岩浆房浅部顶面深度约8～9 km.本研究基于CZK07钻孔井温资料，估算天池火山北坡的浅部岩浆房深度海拔为-3.10～-5.06 km，若以天池水面为基本高程（海拔为2.15 km），那么浅部岩浆房深度为5.25～7.21 km，与上述地球物理探测的反演结果相近.

5 结论

天池火山北坡的CZK07钻孔井温测量结果显示，在孔深610～613 m地温较高且稳定（102.5～106.8℃），地温随深度呈一次正相关变化，地温梯度主要变化于134～178℃/km之间，加权平均值为153℃/km，可大致代表天池火山北坡浅部岩浆房上覆地壳的地温梯度.基于岩石学研究推测的天池火山浅部（碱流质）岩浆房的温度（750～1 050℃），定量估算了天池火山北坡浅部岩浆房的赋存深度海拔为-3.10～-5.06 km，若以天池水面为基本高程，那么浅部岩浆房深度为5.25～7.21km，与地球物理探测反演所得到的认识近一致.

此外，本钻孔及天池火山口周边其他深钻的井温长期监测，不仅可以定量估算浅部岩浆系统的赋存状态，而且可以直观、及时地反映地下岩浆房的活动特征，为火山预报及火山灾害预警提供重要的技术支撑.