現(xiàn)代科技綜述知識(shí)文庫：海底熱液活動(dòng)和熱液硫化物

1、現(xiàn)代科技綜述系列海底熱液活動(dòng)和熱液硫化物科技是人類區(qū)別于動(dòng)物的重要文明之一，是人類對(duì)自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對(duì)科技基本概念“海底熱液活動(dòng)和熱液硫化物”的解讀，以供大家了解。海底熱液活動(dòng)和熱液硫化物人類認(rèn)識(shí)自然是無窮的。就海底資源而言，大洋錳結(jié)核的研究不過百余年，海底熱液礦產(chǎn)資源的探索雖然尚可追溯到幾十年前，但真正的海底熱液礦產(chǎn)資源的調(diào)查也不過是最近10余年的事情。1944年瑞典科學(xué)考察船“信天翁”號(hào)首先在紅海了現(xiàn)了鹽度和溫度都偏高的海水。1965年美國“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)在紅海發(fā)現(xiàn)了高熱鹵水，次年又在紅海的Atlantic 海淵發(fā)現(xiàn)了熱液金屬軟泥(Miller等，1968)，從此揭開了人類研

2、究現(xiàn)代海底熱液礦產(chǎn)資源的新篇章。1972年美國學(xué)者Rona確認(rèn)大西洋中脊26N處有熱液活動(dòng)，1976年伍茲霍爾和斯克里普斯海洋研究所在東太平洋和加拉帕戈斯斷裂帶發(fā)現(xiàn)海底熱液溢口，1978年美法聯(lián)合用法國Cyana號(hào)深潛器，在東太平洋海隆21N首次發(fā)現(xiàn)海底熱液硫化物，1979年美國“阿爾文”號(hào)再度下潛，發(fā)現(xiàn)了“黑煙囪”。自此之后，美、法、前聯(lián)邦德國、日、加、澳大利亞和前蘇聯(lián)等國科學(xué)家相繼加入了地學(xué)界這場(chǎng)最新發(fā)現(xiàn)的大角逐。至此，調(diào)查研究的范圍已擴(kuò)大至全球大洋構(gòu)造活動(dòng)帶，并陸續(xù)在大西洋中脊、湯加斐濟(jì)海盆中的Lau海盆、印度洋中脊、加利福尼亞灣擴(kuò)張中心、胡安德富卡斷裂帶，以及夏威夷構(gòu)造帶、馬里亞納海槽

3、和沖繩海槽等百余處發(fā)現(xiàn)了海底熱液活動(dòng)和熱液硫化物?？梢哉f，海底熱液硫化物的發(fā)現(xiàn)是集地球物理、海底構(gòu)造、巖石學(xué)、海洋沉積學(xué)、地球化學(xué)及礦床學(xué)諸學(xué)科的世人最注目的成果之一。隨著板塊學(xué)說的日臻完善和古海洋學(xué)資料的積累，各國科學(xué)家經(jīng)過十余載的不懈努力，到80年代初，已對(duì)海底熱液活動(dòng)發(fā)生的構(gòu)造部位有了比較清晰的認(rèn)識(shí)?？梢哉f，迄今為止人們所發(fā)現(xiàn)的百余處海底熱液硫化物，皆是由海底熱液溶解的高溫水溶液所產(chǎn)生的礦物學(xué)堆積。海底熱液溶解作用則是火山熱源驅(qū)使熱水在海底擴(kuò)張中心對(duì)流循環(huán)而產(chǎn)生。海底擴(kuò)張中心由大洋海脊斷裂帶系統(tǒng)組成，它們環(huán)繞地球5萬多公里，并通過所有主要的海盆。在板塊構(gòu)造體系中，擴(kuò)張中心是一種離散板塊邊

4、界。它們以每年數(shù)厘米的半擴(kuò)張速率連續(xù)形成新的海底，這片新海底成了深層熱液通道和產(chǎn)生硫化物的溫床。在紅海，擴(kuò)張中心呈一條斷裂帶出現(xiàn)；在大西洋和印度洋呈洋中脊形式；在太平洋，以環(huán)太平洋地震帶，間有火山、島弧或轉(zhuǎn)換斷層構(gòu)成；在東太平洋呈東太平洋海隆、加拉帕戈斯斷裂帶等構(gòu)造出現(xiàn)。不難設(shè)想，隨著調(diào)查研究的日益深入和新技術(shù)的應(yīng)用，新的海底溢口和海底熱液硫化物將會(huì)有更多的發(fā)現(xiàn)，老溢口將隨著地球熱點(diǎn)在板塊俯沖消亡帶中的相對(duì)位移而逐漸消亡，新的溢口也將在新的熱點(diǎn)和擴(kuò)張脊或斷裂帶中出現(xiàn)，帶來了新的熱液硫化物。這種情況將鼓勵(lì)著人們不斷地進(jìn)行探索和不斷地收到效益。從觀測(cè)到的眾多的海底熱液溢口的溫度變化可以將其分為3種

5、類型。第1種為高溫型，即黑煙囪類型溢口，是迄今所觀測(cè)到的海底熱液溫度最高、活度最大的溢口。由于噴出口水中含有硫化物沉淀而變?yōu)楹谏珶熿F狀而得名于“黑煙囪”，其溢口溫度至少350以上，但流出速度較小，一般為15cms。如東太平洋海隆20502057N，1090110907W范圍內(nèi)，水深26202700m處，噴口水溫度可達(dá)380 30；加拉帕戈斯斷裂帶045N，8550W處，水深在2600m的熱液噴口溫度可達(dá)350400。第2種為中溫類型，即白煙囪類溢口。流體中因含白色沉淀物而變得渾濁，其流速為每秒十幾厘米，自各種形態(tài)的海底煙囪流出的溫度低者100，最高者不超過300。伊豆小笠原斷裂帶，2642N，

6、14105E 900m水深處，熱液溢口溫度293；下加里福尼亞北部AguaBlanca斷裂，水深2530m處，熱液水溫102。在白煙囪溢口附近的水層中，可形成CH4或3He的羽狀流。第3種類型為低溫型溢口，溫度一般為1020，具有清澈透明到稍有混濁的熱液流體，它們以每秒數(shù)厘米的慢速度從溢口緩緩流出。如東太平洋海隆2147N東北部熱泉，溫度520，加拉帕戈斯斷裂帶047N，860515W，水深200250m的軸部溢口，水溫712。關(guān)于熱液煙囪物的形成機(jī)制，因涉及內(nèi)外營力和多種作用因素，目前尚處于不成熟的模式階段。但是，近10年來各國學(xué)者在對(duì)紅海熱液多金屬軟泥的產(chǎn)狀研究、對(duì)塞浦路斯塊狀硫化物礦床成

7、因機(jī)制與東太平洋海隆熱液硫化物的對(duì)比研究，以及對(duì)加拉帕戈斯斷裂帶硫化物的研究后，至今已提出了多種模式。一般認(rèn)為，海底熱液硫化物是熱液水溶離洋底玄武巖、在熱液溢口附近產(chǎn)生的礦物學(xué)沉淀。這期間，重要的是海水沿?cái)U(kuò)張裂隙下滲，并受到深部熱力加溫，形成了酸性的、具有強(qiáng)溶蝕能力的高溫?zé)崴?，在?duì)流循環(huán)的上涌過程中溶離出玄武巖中大量的金屬元素，并以熱液或蒸汽狀態(tài)噴入海水中。在高溫體系內(nèi)，巖石中的硫酸鹽被還原成H2S或HS，促使Cu、Zn等硫化物在熱液通道及噴口內(nèi)迅速沉淀堆積，形成了塊狀熱液多金屬硫化物。如此說來，塊狀硫化物是在高溫、酸性的原始熱液溶液直接從玄武巖裂隙溢口噴入正常海水沉淀堆積形成的。此類熱液硫化

8、物是已發(fā)現(xiàn)的最多的類型，它以快速擴(kuò)張的東太平洋海隆軸部熱液區(qū)最為典型。另外在胡安德富卡(Juan de Fuca)海脊、加里福尼亞灣的多金屬硫化物及土丘沉淀物、巴布亞新幾內(nèi)亞熱液煙囪物(Both，1986)，以及東印度洋海脊噴出物，都是此類塊狀熱液硫化物堆積的實(shí)例。這類煙囪也是含Cu、Zu、Fe、Ag等金屬和貴金屬最富的熱液產(chǎn)物，有的已大大超過工業(yè)品位而構(gòu)成可能的多金屬塊狀硫化物礦床，因此是最具礦產(chǎn)意義和工業(yè)價(jià)值的海底熱液煙囪種類。熱液煙囪物的礦物成分隨海區(qū)的構(gòu)造部位和煙囪物的具體部位的不同而有明顯的差別。黑煙囪的溫度高(350以上)，沉淀物大都為結(jié)晶的CuFe硫化物，主要礦物有黃鐵礦、閃鋅礦

9、、黃銅礦、白鐵礦、磁黃鐵礦、纖鋅礦和斑銅礦等；白煙囪發(fā)生的溫度稍低，沉淀物大都以蛋白石、石膏和重晶石為主；與低溫?zé)嵋阂缈谟嘘P(guān)的沉淀物，一般可見熱液成因的粘土礦物綠脫石和蒙脫石等。另外，在黑煙囪的不同部位，沉淀的礦物也有差異。熱液溢口周圍先析出的礦物是硬石膏，它們皆沉淀于煙囪通道的外壁，在海水的降溫作用影響下，同時(shí)也沉淀了磁黃鐵礦、黃銅礦和閃鋅礦微粒。煙囪通道的內(nèi)壁，由于熱液溫度高、呈酸性環(huán)境，不斷沉淀CuFe硫化物。當(dāng)今世界關(guān)于海底熱液硫化物的研究，已向人們展示了它在大洋底礦產(chǎn)資源家族中的潛在地位，它是人類對(duì)于現(xiàn)代海洋演化和成巖成礦作用的最新認(rèn)識(shí)。大洋盆地已不再是單純的被動(dòng)接受陸上侵蝕作用的盆

10、地，它包含著許多活躍的作用過程和平衡體系。海底擴(kuò)張中心所發(fā)生的熱液噴出作用，因其有可能形成具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新型海底礦產(chǎn)資源，將成為今后海洋科學(xué)中人們關(guān)注的焦點(diǎn)。1988年美國國家海洋和大氣局特此制定了研究全球性海底熱液變化的戰(zhàn)略規(guī)劃，其主要理論依據(jù)是海底熱液噴出物在控制全球大洋中化學(xué)元素的收支平衡起著的主導(dǎo)作用。由此可見，人們所面臨著的既是一個(gè)涉及全球觀的成巖成礦作用的重大理論問題，又是人類將由此獲得新型礦產(chǎn)資源的現(xiàn)實(shí)問題?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】： 1 Miller A R,et al. Geoch. Cosmoch. Acta, 1966,30:341 359 2 CYAMEX Scientific Team. Nature, 1979,277:523528 3 Lonsdale P. EOS Trans Amer Geophys Union ,1980,61: 995 4 Rise Project Group. Science, 1980,207:1421 1433 5 Malahoff A. Marine Technology Society Journal, 1982.16: 39 45 6 Scott S D. Proceedings OCEANS, 83, San Francisco.1983,818 - 824 7Both R,et al.