云南腾冲热海地球科学野外教学资源及实习基地建设

郭 静， 曾芝瑞， 郭 震， 程斯宇， 张传伦

（南方科技大学海洋科学与工程系，广东 深圳 518055）

0 引 言

丰富和有效的野外实践是培养地球科学相关研究人才的必备实践教学环节。实习基地和实习课程体系建设是野外实习课程得以开展的主要基础和依托，也是教学体系建设的重要组成部分［1］。海洋科学是地球科学的重要组成，由于洋流造成海洋复杂多变的环境条件，加上传统的海上实习运行成本高昂，因此国内目前还缺乏系统、规范和综合，并且既能体现海洋与地球科学特色，又能满足创新人才培养需求的野外实践基地。

热泉分为海底热泉和陆地热泉两种，大多分布在地壳运动活跃的板块交界处。云南腾冲火山区地处印度板块和欧亚板块相撞交接的地方，由于两个板块碰撞隆升，使腾冲成为世界罕见且典型的地热火山并存区。腾冲火山地热区是我国大陆最年轻的活火山区之一，也是研究岩浆活动与地壳应力相互作用的理想区域［2］。在腾冲地热带内的诸多地热区中，热海地热区水热活动最集中、最强烈、类型最齐全，是一个典型的地热代表。其富硅高温（＞85 ℃）氯碱型（Na-HCO3-Cl）热泉分布广泛，露于新近系花岗质砂砾岩分布区，具有生物地球化学研究的丰富资源。陆地热泉是一个现存与地球早期环境非常相似的生态系统，其pH、温度和水化学类型等条件呈现极端化和多样化，具有活跃的生物地球化学过程，因此孕育独特且丰富的极端微生物资源。加强陆地热泉生态系统研究，对揭示地圈与生物圈协同演化的奥秘、认识生命与环境互相作用规律及探究地球生命过程演化具有重要意义，对地球系统科学研究也具有重大科学研究价值［3-5］。

我校海洋科学与工程系的老师从2002 年开始就对腾冲热海开展了大量野外调查和科学研究［6-13］，发现腾冲热海地热田在地形地貌、构造结构及热泉形成的地质条件和过程特色明显，且热泉分布格局典型多样化，具有开展地学野外教学资源教学实习的综合潜质。为此，将围绕腾冲热海景区的地学野外教学资源和实习基地建设展开探讨，为建立地球综合人才培养方案提供参考。

1 极端环境生命过程教学资源分析

1.1 腾冲热海区域简介

云南腾冲位于我国云南的西南部，青藏高原东南缘［见图1（a）］。腾冲拥有丰富的火山资源和地热资源，其中包括60 余处地热活动区和80 余处温泉群。其中热海地热区位于整个腾冲火山温泉带的核心区，面积约9 km2，是腾冲地热区唯一证实存在岩浆热源的地热区，也是腾冲热力最猛、外部显示也最为奇妙的地热区。热海地热区主要存在出露新近系、元古宇和第四系地层；还可见白垩纪侵入的中、晚更新世喷发的中－基性火山岩和花岗岩［见图1（b）］。热海区内断裂密布且构造非常发育，主体构造为南北向断裂，其次为近东西向、北东向的断裂［见图1（c）］。在南北向与东西向断裂交叉的地方，地热活动尤为明显，多为沸泉，广泛分布各种喷气孔、喷气地面和泉华等。在热海到处都可以看到热泉在呼呼喷涌，当地政府对热海的热泉资源进行了多年的开发，建立了国家重点风景名胜区——腾冲热海景区［14］。景区内热海热泉种类繁多且齐全、情景之壮观实属少见，并且安全措施完善，为开展地学野外实习提供了良好的平台。

图1 地球科学野外实习基地基本情况

1.2 独特的地质、地震构造

腾冲火山地热区中丰富而独特的地热资源形成的主要原因是地壳活动。该区域位于印度板块和欧亚板块碰撞带的东侧，两大板块之间频繁的地壳活动所引发的岩浆活动与断裂构造发育，是活跃的地热活动的基础［16］。这些地壳活动及多次的火山喷发活动造成花岗质、玄武质岩浆大规模侵入［17-18］。热海地热田岩层分布极具特色，由表到里依次为：全新世冲积层、中更新世玄武岩、早更新世山岩、上新世砾岩、白垩纪花岗岩，元古代片麻岩及混合岩［19］和燕山期花岗岩，其中燕山期花岗岩的年龄达到了68.8Ma。燕山期花岗岩和元古代变质岩组成了热海地热系统的含水层，而盖层主要由强烈变质的砂砾岩构成［16，19］。热海温泉以南北向背斜脊部的纵向断裂为主，东西向横断主要分布在澡塘河附近，如澡塘河断裂。区域内两组近南北及东西向断裂带是形成大规模水热活动强烈的热泉重要原因。在热海区内，可见各种不同规模的构造行迹剖面，如具有岩石破碎、裂隙特征的断裂、断裂破碎带、导热、导水断裂和沙坡断裂等。这些丰富而且典型的岩石和地质构造，为开展地质实习提供了绝佳条件。印度板块向东深俯冲导致岩浆上涌在腾冲境内形成了火山群，并且火山区岩浆处于活跃状态，区域内最近一次火山喷发发生在400 年前。确定火山区深部结构是理解该火山地质过程及演化的重要条件。由于腾冲火山区地质构造复杂、地震活动频繁，也是研究岩浆活动与地壳应力相互作用的理想区域，一直受到地震学家的广泛关注［2，20-23］。腾冲的断裂带、火山喷发等地壳活动及岩层入侵产生热流都能为开展地质学、地球物理、海底地震教学及地球演化教学提供丰富的素材。

1.3 全面多样的热液地球化学系统

热海是典型的岩浆热源，也是大陆唯一的大型强酸性热泉水热区［19，24］。热泉的水体环境有别于普通的水体，水温高，酸碱度、盐离子浓度也异于寻常。如表1 所示，热海热泉的pH 范围跨度大（2 ～10）、温度范围广（47.2 ～91.2 ℃）、水化学成分复杂，含有硫化物、亚硝酸盐、硝酸盐、亚铁离子等矿物质［25］。热海碱性热泉总溶解固体含量高、高硅、高氯，属于Na-Cl-HCO3型。并且热海酸性热泉是蒸汽上升与浅层冷水混合后出露到地表形成的，热泉周围硫单质沉积发育，伴有被热水蚀变的黏土矿物，水化学类型属于HS04型［26］。

表1 热海热泉基本信息和地球化学参数

热海地热体验区的热泉口虽然都处于同一个区域［见图2（a）］，但是它们的温度、pH、电导率及水化学参数却差异巨大。该区域温度变化范围从47 ～78 ℃，pH范围在2 ～5 之间，电导率也在800 ～4 000 μS／cm之间变化，相邻热泉之间硫化物、亚硝酸盐及亚铁离子浓度相差可达数十倍。理化参数的巨大差异暗示着地热体验区地热环境的不均匀性，其形成过程和地下的地质结构肯定会有所差异。在怀胎井、鼓鸣泉、珍珠泉温度都达到了90 ℃以上，其中又以珍珠泉［见图2（b）］温度最高，为94.2 ℃。就硫化物含量而言，不同热泉喷口间的差距可达几百倍，怀胎井、鼓鸣泉、姐妹泉含量较高。值得注意的是这几个热泉采样点从地理上看相距较近，根据其在硫化物等离子浓度及温度上的相似性，判断其水体来源相同或相似。因此，热海一方面是研究地热水中汞、砷化物、硫化物等元素的地球化学成因和形态分布的理想场地［27-30］。另一方面，结合热海特殊的地质构造背景与其典型的地球化学参数，是开展地球科学野外实习的理想对象。

图2 部分采样热泉点

1.4 丰富宝贵的极端微生物资源

腾冲热海的热泉是一个天然实验室，它的空间分布广、温度跨度大和地球化学梯度宽，蕴含着丰富且独特的极端微生物资源，不同热泉的微生物物种差异非常明显。但相较于美国的黄石公园，该区域一直未成为世界热泉和极端环境微生物研究的热点。根据文献记载，北京大学和云南大学最早在20 世纪80 年代中后期报道了腾冲热泉中嗜热微生物［9］，并且得到了国内第一株高温菌，且获得了第一个微生物全基因组测序。之后，云南大学加强了对该热泉中细菌群落分离研究的报道，先后分离获得了多个微生物新物种［10-12］。近些年来，由于分子生物学、16S rRNA 基因扩增子测序和纯培养等技术的日趋成熟，热海热泉中细菌、古菌、真菌以及病毒等的研究有一定的进展［6，9-11，26，31］。主要分析了热泉水体和泉底沉积物中的极端微生物多样性和群落结构的差异，或是分析特殊功能微生物基因。但与国际一流水平相比，极端微生物多样性，生物地理模式以及与地球化学特性之间的关系等国家基础研究的重大科学问题还缺乏深入研究。因此，对利用该区域开展极端环境生命过程研究，不仅符合国家的基础研究需求，而且能够有助于发掘更多极端微生物新类群及功能微生物资源，是培养多学科交叉的海洋地球科学人才的理想基地。

2 实习基地建设探讨

2.1 突出区域特色，建设多学科交叉的实习基地

海洋科学是多学科交叉学科，然而现有的海洋学科专业结构和内容缺乏多专业交叉融合。在野外实践教学中这些问题表现得更加明显，海洋地质方向和海洋生物方向的学生对彼此领域的知识缺乏了解、技能储备不足。为此，我校海洋系教学团队在探讨实习基地建设方案的过程中，更加注重于基地综合野外实践功能。

我校海洋系依托腾冲热海地理优势，确定以综合性地球科学实习功能和创新性研究功能为核心，实现火山地震活动性观测、地质地貌调查、地球化学参数测定和极端微生物多样性调查4 个实践功能为目标来实施建设任务。火山地震活动性观测将分析固定和流动地震台站记录的地震波形数据；地质地貌以遴选采样位点、添置各类地质考察设备为主；地球化学参数测定主要为建设热海干湿实验室，添置地球化学参数测定设备为主；极端环境微生物多样性调查主要以野外采集热泉水样和沉积物样品，室内实验室进行微生物的分离、培养、分类鉴定。让整个基地的实习内容环环相扣，实现海洋地球物理、海洋地质、海洋化学和海洋生物等多个学科覆盖，成为一个海洋科学和地球科学综合实践需求的野外实践基地。

2.2 融合科研与教学，培养综合型人才

为强化训练和提高学生野外综合调查和室内实验操作能力，同时加深学生对地球生物化学环境及相关学科现象与规律的认识，需搭建实践基地平台和开展野外实践项目。我校海洋系老师在实习内容提出了一个重要的科学问题，即在板块构造理论框架下，汇聚板块边缘的构造活动与微生物生命过程研究相偶联，以期更好地促进固体地球科学与生命科学在整个地球动力系统下的深度交叉融合，从而深入探讨构造活动从宏观到微观尺度上与微生物活动之间的内在联系和协同机制［32］。把与地质活动相关的极端环境微生物引入到海洋系本科实习，从热泉微生物地理分布、地质构造、火山地震和微生物资源开发与利用等角度，开展多尺度多研究手段的深入研究，挖掘更多的极端微生物资源，从微观到宏观、野外到室内多方面结合，丰富教学实习内容。一方面得到了地球生物化学参数和大量微生物多样性资料，另一方面，鼓励学生围绕有价值有意义的前沿热点课题和项目进行深入的研究，有助于阐明深部地质活动对生物圈影响的过程及机制。

实习分为两个部分，一部分为野外实践，另一部分为室内实验。在野外实践期间，学生对热海区域地质地貌和地震勘测进行学习，测定水化学参数，采集并保存热泉水样和沉积物样品（见图3）。在实验室内，对野外采集的样品系统地开展热泉微生物资源的分离与培养研究实验，学会分离和纯化热泉微生物，研究热泉微生物适应极端环境的机制，探索极端微生物资源的利用潜力，提高极端微生物领域的研究水平，这十分符合国家基础科研的重大科学方向。实习结束后，学生可以根据野外实践所发现的现象、问题和获得的数据，申报大学生科技创新项目。同时，积极奖励有学术成果产出的学生，不断提升学生参与和完成科研项目的积极性。

图3 腾冲热海野外样品采集测定现场

2.3 开展校地合作发挥热海景区科普和教学功能

热海地热资源具有丰富且稳定、水温高和矿物质含量丰富等特质，然而对该区域的开发还仅限在旅游观光和洗浴疗养。因此，与景区开展校地合作，科学开发、合理利用热泉资源，突出区域特色，丰富温泉旅游资源是一项合作共赢的工作。

腾冲热海景区水热活动强烈，形成了很宽的水热蚀变带，显示风格多变的水热现象，另有丰富和奇特的温泉地表热显示，是温泉科普教育的理想场地，也有极佳的观赏性，可有效提高学生的学习兴趣。学生定期对热泉水化学参数进行测定和研究，可以确保温泉资源合理开发和利用，发挥温泉资源优势。以科研数据为支撑的方式开发温泉，一方面使得生态得以保护，另一方面让旅游管理部门为科学利用温泉提供科学依据。

围绕热海得天独厚的资源优势，开展岩浆活动与地壳应力相互作用、热田碱水文地球化学和极端微生物资源的研究，将实践教学与大众科普并举，将有效提升景区旅游的文化内涵，形成具有自身特色的温泉旅游产品。因此，在地学野外实习基地建设中需要与热海景区的深入建设紧密结合，发挥景区热泉旅游文化和天然地热资源的优势，开发特色突出的教学实习内容，围绕热海景区校地合作深入建设，是教学实习基地建设的有效途径。

3 结 语

腾冲热海拥有复杂多样的热泉，集火山、地热、地震一体的地球生物化学系统，是开展海洋地球科学的天然实验室，具备开展地学野外实习的基本条件。本实习基地建设后续工作将突出热海海洋地球科学实践教学和科普特色；继续深入挖掘地质学、地震学、地球化学、极端微生物学教学资源；充分开展校地合作，整合区域高校和学科力量建设综合实践基地；有效实现热海景区多层次建设和区域特色人才培养的双赢。