从平静到动荡？埃尔奇琼火山湖的扩散性气体排放量增加（2021–2025年）

《Journal of South American Earth Sciences》：From quiescence to unrest? Increase in diffuse gas emissions from El Chichón volcano lake (2021–2025)

　　玛丽安娜·帕特里夏·哈科梅·帕斯 | 罗宾·坎皮恩 | 塞巴斯蒂安·瓦拉德 | 弗朗切斯科·马西梅蒂 | 马里奥·莫利纳
墨西哥国立自治大学地球物理研究所自然资源系
墨西哥城科约阿坎市大学城研究区

**摘要**
本研究详细分析了墨西哥奇亚帕斯州埃尔奇琼火山口湖及周边土壤中二氧化碳（CO2）和硫化氢（H2S）扩散释放的时间演变过程。埃尔奇琼火山拥有一个活跃的热液系统，该系统被一个酸性湖水覆盖。通过使用图形统计方法（GSA），研究人员处理了2013年至2025年间收集的数据，将气体通量分为背景组和热液/岩浆来源的异常组。结果表明，系统动态发生了显著变化：在早期阶段（2014-2015年），高排放组（第2组）的H2S通量平均仅为0.226克/平方米·天，而到2025年1月，这一数值急剧上升至6.7克/平方米·天，占所有数据总量的70%。同时，CO2的释放也呈现出强烈的脉冲式变化，第2组在2021年的平均值达到12,734克/平方米·天，并在2025年初稳定在5,957克/平方米·天。这种释放阈值的显著增加以及异常组比例的上升表明深层流体的对流增强或浅层热液系统的净化能力减弱。总释放通量的增加也反映了这一点，CO2和H2S的年释放量分别接近900吨和1吨，表明与2008年及2013-2021年的测量结果相比，火山活动有所增强。此外，两次近期的地震群（2021年和2025年6月以来）与释放量的增加同时发生，表明热液界面的渗透性增强和挥发性物质传输增加。这些发现揭示了该地区存在地球化学不稳定状态，强调了实施连续自动化监测系统以加强火山监测和风险管理的迫切需求。

**引言**
埃尔奇琼火山（位于墨西哥南部奇亚帕斯州）是第四纪火山复合体，属于奇亚帕内坎火山弧的一部分（Manea & Manea, 2008）。现代火山体是一个直径约1公里的圆形火山口，由1982年的普林尼式喷发形成，其上覆盖着一个较老的多阶段火山复合体（Layer et al., 2009）。埃尔奇琼火山喷发的岩浆成分介于粗安山岩和安山岩之间。该火山系统以广泛的热液蚀变和富含硫酸盐的火山碎屑沉积为特征。这些特征，加上岩浆中存在蒸发岩污染的证据，被用来解释1982年喷发时异常高的硫释放量（Rye et al., 1984; Varekamp et al., 1984; Taran et al., 1998）。

埃尔奇琼火山是墨西哥最危险的火山系统之一，因其爆炸性喷发历史及其靠近脆弱社区。1982年的灾难性喷发凸显了其突然发生高强度活动的潜力，进一步强调了持续监测的必要性（Jácome Paz et al., 2025）。尽管具有高风险，但埃尔奇琼火山仍缺乏一个全面整合的连续监测系统，特别是在长期地球化学监测方面，这限制了我们早期发现活动迹象的能力。除了地震和大地测量技术外，对热液系统的地球化学监测对于理解地下岩浆和热液动态至关重要。火山气体、热水以及土壤中扩散排放物的成分和通量变化可以作为火山不稳定的前兆信号（Caudron et al., 2012）。因此，综合地球化学监测不仅对喷发预测至关重要，也对评估当前的热液活动及其环境与健康风险具有重要意义。

来自火山地区的CO2和H2S扩散排放为了解地下岩浆和热液过程提供了关键信息（Pérez et al., 2012; Fisher & Chiodini, 2014; Aiuppa et al., 2025）。该领域的研究通常旨在量化土壤气体通量的空间和时间变化，以检测火山不稳定的早期迹象，并评估扩散释放模式与断层和裂缝等结构控制因素之间的关系（例如Hernández et al., 2015; Lamberti et al., 2019; Jácome Paz et al., 2020）。活跃火山中CO2和H2S排放量的增加可能反映了潜在的岩浆和热液系统的重大变化（Giggenbach, 1996）。CO2通量的升高通常被解释为深层岩浆气体上升的迹象，可能与岩浆补给或系统压力增加有关（Viveiros & Silva, 2024）。同样，H2S浓度的增加可能表明热液活动增强、流体路径变化或地下氧化还原条件的改变（Rouwet et al., 2020）。

因此，本研究的主要目的是调查并展示埃尔奇琼火山口湖中CO2和H2S扩散释放的空间和时间变化，以理解其热液系统的动态及其相关变化。在过去五年中，这项研究还结合了正在进行的火山监测工作，特别是针对火山体附近和下方检测到的异常地震活动。这些观察结果加强了系统地球化学监测的必要性，作为综合努力的一部分，以更好地约束热液系统的行为及其与地下不稳定性的关系。

根据墨西哥国家地震服务局（SSN）的数据库，1982年5月1日至2025年7月1日期间，在埃尔奇琼火山口周围50公里半径范围内（纬度17.361°，经度-93.229°）共记录了350次地震（未过滤震级和深度信息）。2020年12月25日至2021年2月15日期间，SSN报告了发生在奇亚帕斯州皮丘卡尔科附近、距离火山体约20公里的54次地震，其中最大震级为4.1级，发生在2020年12月27日01:27（SSN, 2021）。自2025年6月以来，该地区记录了异常地震活动，大多数地震发生在火山体下方。截至2025年8月，SSN在其特别报告中记录了613次地震，最大震级为3.6麦加利（Mc），如图1和图2所示。地震活动持续到2026年2月，共记录了4652次地震，SSN（2026）数据库中记录的最大震级为3.8麦加利，发生在2025年10月16日，随后在2025年9月21日、2026年2月2日和2月5日分别发生了三次震级为3.7麦加利的地震。所有地震的平均深度为3.2公里（标准差=1.2公里），平均震级为2.3麦加利（标准差=0.4麦加利）。这些地震群的发生以及相对于1982-2020年背景水平的地震活动显著增加，突显了采用多参数框架解释埃尔奇琼火山活动的重要性。这对于描述地震活动本身及其与热液系统整体状态的关系都至关重要。然而，由于缺乏实时的多参数监测网络，地震数据与其他关键参数（如气体排放、变形和热液变化）的整合仍然有限。这突显了加强和扩展现有监测基础设施的必要性，以便更全面和及时地评估火山活动。

为应对这一情况以及地震活动靠近埃尔奇琼火山的情况，来自墨西哥多个机构的专家团队自2021年以来一直在合作研究埃尔奇琼火山的各个方面（Jácome Paz et al., 2026），主要重点是改进火山监测系统（包括CENAPRED-国家灾害预防中心；SSN-国家地震服务局；IG-墨西哥国立自治大学地球物理研究所；IGeo-墨西哥国立自治大学地球科学研究所；UNICACH-奇亚帕斯州科学与艺术大学；奇亚帕斯州民防系统；UC-科利马大学）。迄今为止，该工作组继续作为协作“影子网络”开展工作（参见Jácome Paz et al., 2025; Armijos et al., 2017），并通过CENAPRED进行协调。这些活动主要由学术研究计划支持，并与CENAPRED和奇亚帕斯州民防系统合作开展，确保火山监测的连续性并通过定期野外调查获取最新数据。

目前对埃尔奇琼火山的地震监测包括三个地震站：位于火山口顶部约600米的Viejo Volcán（CSVV）、位于火山口西南方向约9.7公里的Francisco León（CSFL）以及位于火山口约3.9公里的Nicapa（CSNC）（UNICACH，日期不详）。这三个站点由UNICACH、SSN和CENAPRED管理和支持。地震网络建于2009年，但由于传输问题和其他网络问题，存在数据采集间断。此外，监测系统还包括一个气象站（最近由UNICACH-IGeo工作组安装）、一个GPS站，以及UNICACH、IG-UNAM和CENAPRED团队进行的不连续地球化学监测。变形情况由CENAPRED和IG-UNAM团队监测。目前还有MOUNTS和MIROVA系统正在监测埃尔奇琼火山（Mounts，日期不详；MIROVA，日期不详；Massimetti et al., 2020）。有关埃尔奇琼火山监测系统的更多信息，请参阅UNICACH（日期不详）和关于埃尔奇琼火山仪器的最新出版文献Espinasa Pere?a et al.（2021）。

埃尔奇琼火山的火山口内有一个酸性的热活性湖泊以及一系列地表热液现象（喷气孔、温泉、渗流和酸性和中性泉水），反映了具有浅至中等流体路径的活跃火山-热液系统（Taran et al., 1998; Peiffer & Taran, 2013; Armienta et al., 2014）。地球化学和同位素研究表明，复杂的熱液循环中，岩浆挥发物与大气/地下水成分的相互作用控制着湖泊化学成分和热通量（Taran et al., 1998; Taran & Rouwet, 2008）。一些物理监测和能量/质量平衡研究表明，湖泊水位和成分会快速变化（时间尺度为每周至每月），需要定期进行地球化学监测以解决热液输入的瞬态变化（Peiffer & Taran, 2013; Rouwet et al., 2008; Armienta et al., 2014; Jácome Paz et al., 2016）。

火山口底部和湖泊的排放是浅层热液系统的主要表现形式，已有多项研究对其进行了量化。Mazot & Taran（2009）使用浮动积累室和空间统计映射方法发现，湖泊表面和火山口底部的CO2排放量很高，并与推断的断层痕迹和湖下喷气孔空间相关；他们2007年3月和12月的调查显示，湖泊的CO2排放量分别为164吨/天和59吨/天。Mazot et al.（2011）报告的总CO2通量为144吨/天。后续的多年调查显示，2013-2015年间CO2通量增加，从以扩散为主转变为以对流（沸腾）释放为主，这被解释为热液系统挥发性物质输入增加的证据（Jácome Paz et al., 2016）。通过结合能量预算、化学和同位素质量平衡方法，补充研究限定了湖泊的热流入量，提供了独立的湖泊下热量和质量通量估计（Rouwet et al., 2008; Taran & Rouwet, 2008; Peiffer & Taran, 2013）。

关于酸性蒸汽加热火山口中硫物种及其传输动力学的研究强调，在pH值约为2-3的湖泊中，H2S和SO2的行为与经典预期不同：氧化、传输以及还原态硫物种向气相的直接转移可以产生可测量的硫排放（Hasselle et al., 2018）。埃尔奇琼火山口湖的通量测量和化学分析显示，2014年二氧化碳的释放量增加，同时湖水中的氯化物浓度也有所上升（Jácome Paz等人，2016年）。而对蒸汽加热型火山口湖中硫释放的研究进一步阐明了湖水化学成分、气泡介导的传输过程以及氧化途径在控制硫释放中的作用（Hasselle等人，2018年）。Casas等人（2016年）在2014年3月、7月、10月以及2015年4月采集的湖岸样本中发现了多硫酸盐的存在。通过高效液相色谱（HPLC）分析，他们识别出了不同氧化程度的硫化合物，包括多硫酸盐：S2-、SO32-、S4O62-和SO42-，这些化合物的浓度分布与通过火山口底部裂缝进入的热液流有关。

总之，埃尔奇琼是一个活跃的火山-热液系统：（1）热液系统控制着气体的释放和流动路径；（2）火山口湖整合了随时间变化的浅层热液输入；（3）扩散（湖面和土壤）和对流（气泡和喷气孔）气体通量共同构成了追踪系统质量与热量平衡变化的关键参数。

**通量测量**
所有野外工作均使用了West System?便携式通量计。该仪器配备了LICOR LI-800红外传感器用于测量二氧化碳浓度。这种非分散红外二氧化碳传感器的检测范围为0.1至20,000 ppm，精度低于3%，在0.2至10,000 g m-2 d-1的范围内重复性小于10%（West Systems，2012年）。硫化氢（H2S）检测器采用电化学原理，其满量程为20 ppm。

**野外观察**
最近最相关的野外观察结果如下：2021年末至2022年初期间，埃尔奇琼火山口湖的颜色从绿色显著变为蓝绿色（图3和图4；Alatorre-Ibargüengoitia等人，2024年）。这一颜色变化在多次野外考察中得到证实，尽管从2022年1月到2024年5月湖水颜色仍有变化，但从未恢复到之前的翠绿色。

**讨论**
正如2021年气体释放危机期间所强调的（Jácome-Paz等人，2021年），一个关键问题是现有证据是否足以将这些变化与深层岩浆库中的过程联系起来，以及这些变化是否可能预示着火山活动的加剧。基于此，本研究评估了热液系统在重新活跃时可能出现的地球化学和形态学变化。通过整合长达十年的气体释放数据序列……

**结论**
研究表明，埃尔奇琼火山口湖的扩散气体释放活动显著增强。目前总扩散二氧化碳排放量已超过900吨/天，这是该火山有记录以来的最高排放率。同时，总扩散硫化氢排放量也达到了略高于1吨/天的水平，其浓度在火山口东部大部分区域（包括喷气孔区和相邻海湾）超过了毒性阈值。使用CRediT工具对数据进行了分析……

**作者贡献声明**
Sébastien Valade：撰写、审稿与编辑、方法学；Mario Molina：方法学、资金获取；Francesco Massimetti：撰写、审稿与编辑、方法学；Mariana Patricia Jácome-Paz：撰写初稿、软件使用、项目管理、方法学、调查、资金获取、数据分析、概念化；Robin Campion：撰写、审稿与编辑、方法学、调查。

**未引用的参考文献**
Ibargüengoitia等人，2024年；Baubron等人，1991年；Baubron等人，1990年；Chiodini等人，1998年；Fischer和Chiodini，2014年；IVHHN，2020年；Paz等人，2024年；Minarsch等人，2025年；Oppenheimer和Stevenson，1989年；Rouwet，2014年。

**数据获取**
数据可向相应作者直接索取。SSN目录链接如下：http://www2.ssn.unam.mx:8080/catalogo/；https://doir.org/10.21766/SSNMX/EC/MX

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**致谢**
感谢Chiapas州灾害综合管理研究所风险降低应用工程实验室、国家民防学院（ENAPROC）Chiapas校区、Ostuacán和Chapultenango市民防委员会、以及Chiapas州民防部门对2025年野外工作的全力支持。特别感谢……