海洋中脊熱液系統(tǒng)演化與成礦的關(guān)鍵因素

海洋中脊熱液系統(tǒng)演化與成礦的關(guān)鍵因素

0熱液流體的作用機理海洋中上部熱液系統(tǒng)是在漿熱、結(jié)構(gòu)作用和生物地球化學(xué)作用的影響下進(jìn)行熱液轉(zhuǎn)化的過程。它顯示了熱液轉(zhuǎn)化和熱傳輸?shù)臒釀恿W(xué)機制。熱源主要為巖漿熱源以及新生玄武巖的冷卻或水-巖反應(yīng),巖石圈基巖及其中發(fā)育的斷裂及裂隙構(gòu)造,構(gòu)成了海底熱液系統(tǒng)的構(gòu)造體系。一般認(rèn)為,熱液流體的循環(huán)過程如下:海水通過構(gòu)造裂隙進(jìn)入地殼,被熾熱的巖石加熱后與其發(fā)生水-巖反應(yīng),并溶解大量礦物質(zhì)元素,形成富含金屬礦物質(zhì)元素和化合物組分的高溫浮力熱液流體,這些熱液流體由地表裂隙部位噴出,即形成黑煙囪,其中的金屬礦物組分在噴口處結(jié)晶沉淀,形成硫化物堆積體(圖1)。單通熱液循環(huán)模式認(rèn)為,熱液循環(huán)作用可簡單地被分為海水下滲(Recharge)、海水被加熱(Heating)和熱液噴出釋放(Discharge)3個階段。雙擴散對流循環(huán)模式(Double-diffuseConvectionModel)則認(rèn)為,熱液系統(tǒng)存在2個循環(huán)單元,即除了上層的海水滲透循環(huán)單元外,在深部還存在另一個由巖漿熱源驅(qū)動的熱鹵水循環(huán)單元。熱液流體在上浮至靠近海底表面時,受到淺層滲透海水不同程度混合作用的影響,將在熱液噴口場以不同強度和不同物理化學(xué)狀態(tài)沿著構(gòu)造裂隙或者煙囪噴口釋放。熱液流體在熱液噴口場的輸出形式主要有3種:低溫?zé)嵋簲U散流(或彌散流),通過噴口集中輸出且相對穩(wěn)定的高溫噴射流(包括高溫黑煙囪和較高溫的白煙囪),以及大面積集中爆發(fā)形成的巨型羽狀流(圖1)。在構(gòu)造體系相對穩(wěn)定的情況下,熱液噴口場表現(xiàn)為穩(wěn)定的黑煙囪噴出以及周圍低溫擴散流的散布,但當(dāng)巖漿構(gòu)造作用影響強烈時,會爆發(fā)巨型羽狀流(EventplumeorMegaplume)。深入研究熱液系統(tǒng)在海底表面活動的規(guī)律及其演化特征,將有利于了解大洋中脊海底熱液系統(tǒng)的內(nèi)部動力學(xué)機制及其控制機理,并有助于分析大洋中脊海底熱液多金屬硫化物礦床的成因。1快速擴展中脊柱熱液系統(tǒng)的發(fā)育特征1.1巖漿供給充足與巖漿作用經(jīng)過近年來對海底的調(diào)查,快速擴張的東太平洋中脊帶的熱液系統(tǒng)得到了較為全面、系統(tǒng)的研究,研究者甚至還對有些熱液活動區(qū)進(jìn)行了長期的觀測,如胡安·德·富卡(JuandeFuca)洋中脊安得維爾段熱液區(qū)(MainEndeavour)、東太平洋海隆9°50′N熱液區(qū)(EPR9°50′N)等?？焖贁U張洋中脊的全擴張速度大于55mm/a(包括DICKetal認(rèn)為的中速、快速及超快速擴張洋中脊),巖漿供給充足且?guī)r漿房發(fā)育較淺(如東太平洋海隆巖漿房深度約1.5km),巖漿作用和熱液活動在時空上密切相關(guān)。BAKERetal通過分析大洋中脊帶熱液活動區(qū)的分布規(guī)律,很好地驗證了快速擴張洋中脊帶熱液活動區(qū)的分布幾率與巖漿供給之間的正相關(guān)關(guān)系。若將巖漿作用下形成的熱液系統(tǒng)發(fā)生的一次完整熱液釋放作為一個準(zhǔn)循環(huán)過程,根據(jù)熱液活動區(qū)輸出熱液流體的溫度和熱通量等特征,這個準(zhǔn)循環(huán)過程可大致被分為3個階段,即熱液系統(tǒng)的生成階段、持續(xù)階段和衰退階段(圖2)。1.1.1巖漿房上覆巖石圈基巖層發(fā)生的流場分布,為熱液系統(tǒng)循環(huán)提供了良好的通道在快速擴張洋中脊帶熱液系統(tǒng)的早期形成過程中,巖漿涌出形成新的玄武巖后逐漸冷卻,這個過程中散發(fā)的熱量成為熱液活動的重要熱源;同時,深部巖漿房也通過熱傳導(dǎo)作用提供了部分熱量來源;此外,深部巖漿活動輸出的熱鹵水,也為熱液流體提供了充足的熱源和豐富的化學(xué)組分。上述熱源成為驅(qū)動熱液系統(tǒng)流體循環(huán)的動力因素。在巖漿活動或構(gòu)造作用影響下,巖漿房上覆巖石圈基巖層形成的構(gòu)造裂隙,為熱液循環(huán)提供了良好通道。由于海底表面的巨大壓力,海水順著基巖裂隙滲透至深部,與熱鹵水層接觸,并發(fā)生混合作用,導(dǎo)致熱液流體在次臨界或臨界狀態(tài)時沸騰并發(fā)生相分離:即高密度、高鹽度的液態(tài)流體與低密度、低鹽度的氣相流體發(fā)生空間分離,其中,高密度的熱液流體下沉,而低密度富氣的流體則上升,形成主要的熱液流體。同時,深部高溫反應(yīng)使得熱液活動區(qū)輸出的熱液流體中富含He、CO2、CH4和H2等氣體組分。在淺層巖漿活動或構(gòu)造作用的強烈作用下,相分離產(chǎn)生的高溫、低密度的熱液流體快速上涌,在海底表面通透性較好的裂隙構(gòu)造交叉部位積蓄并大量噴發(fā),熱液流體溫度可達(dá)350～400℃,故在快速擴張洋中脊帶的熱液活動區(qū)常爆發(fā)巨型羽狀流,而通過多個噴口向海底表面輸出熱液流體的區(qū)域即為熱液噴口場。1.1.2熱液流體單元熱液噴口場在其生成后會相對穩(wěn)定下來,即進(jìn)入了持續(xù)階段。熱液系統(tǒng)在持續(xù)發(fā)育的過程中,一般具有相對穩(wěn)定的熱來源,這可能與巖漿房次表層熱傳導(dǎo)界線層的熱傳輸作用有關(guān),而巖漿作用或構(gòu)造活動停止后,熱傳導(dǎo)界線層則表現(xiàn)為緩沖帶(圖1)。雙擴散對流循環(huán)模式理論認(rèn)為,發(fā)生高溫混合反應(yīng)后,2個流體單元將趨向于形成熱供給和熱輸出的平衡狀態(tài)。深部滲透海水在循環(huán)過程中持續(xù)從熱傳導(dǎo)界線層接收熱量以維持熱液噴口流體的高溫狀態(tài)(±350℃),并保持相對穩(wěn)定的噴口熱通量輸出(1×106～1×108W)。同時,熱液噴口場的高溫噴口附近還可能形成次級輸出通道,這些部位噴出相對低溫的白煙囪熱液流體,而在熱液噴口周圍廣泛分布的裂隙部位則輸出無色的低溫擴散熱液流。此外,多期次的巖漿和構(gòu)造活動可能改變熱液系統(tǒng)的熱源結(jié)構(gòu)以及構(gòu)造體系通透性,進(jìn)而影響熱液流體的物理化學(xué)狀態(tài),造成熱液流體輸出溫度、化學(xué)組分的改變。特殊情況下,多期次巖漿作用也可能造成熱液流體沸騰并發(fā)生相分離,為熱液系統(tǒng)提供更加充足且飽和的熱液流體,使短期內(nèi)熱液噴口場流體的輸出強度增大。按巖漿注入體積和供給速率計算,熱液系統(tǒng)在相對穩(wěn)定的持續(xù)階段一般能維持幾年至十幾年。1.1.3熱液噴口場演化熱源持續(xù)向熱液系統(tǒng)供給熱量后將逐漸衰竭,同時伴隨著礦物質(zhì)組分的結(jié)晶和沉淀,熱液系統(tǒng)的滲透率也逐漸降低,熱液流體的輸出通量和熱通量也逐漸減小。在熱液噴口場,主干通道控制的高溫噴口在維持高溫輸出熱液流體一段時間后,熱液系統(tǒng)將演化至衰退階段。該階段熱液噴口場輸出熱液流體的溫度逐漸降低,次級通道的熱液活動將逐漸停止,廣布的低溫擴散流也逐漸消失,熱液活動將最終停滯。目前,研究者對熱液活動衰退階段演化過程的了解程度仍然有限,GERMANOVICHetal、BISCHOFFetal和LOWELLetal通過對熱液活動數(shù)學(xué)模型的研究認(rèn)為,衰退階段可以延續(xù)幾年至十幾年。1.2熱液流體輸出狀態(tài)的階段性演化洋中脊巖石圈板塊的快速擴張和活躍的巖漿作用,常能導(dǎo)致巖石圈上層形成豐富的拉張斷裂構(gòu)造,使得熱液構(gòu)造體系具有極好的滲透性,熱液流體得以快速循環(huán)并輸出,巖漿熱源很快冷卻下來。此時,熱液系統(tǒng)能在幾天時間內(nèi)釋放出1×1014～1×1017J的熱量,熱通量可達(dá)1×1011W,如JuandeFuca洋中脊CoAxial段和Cleft段,在巖漿侵入和噴出作用下形成了巨型羽狀流。在快速擴張洋中脊熱液系統(tǒng)的生成階段,熱液噴口場輸出流體的溫度在幾天時間內(nèi)可能超過400℃,熱通量可達(dá)1×109～1×1011W,之后過渡至相對穩(wěn)定的持續(xù)階段。由單次巖漿注入提供熱量的熱液活動,可能僅持續(xù)幾年就會停止,如JuandeFuca洋中脊CoAxial段的熱液活動區(qū)和EPR9°50′N熱液活動區(qū),在火山作用停止后,熱液流體的噴出僅持續(xù)了幾年時間即停止,熱液系統(tǒng)的演化時間不超過10a。東太平洋海隆21°N熱液活動區(qū),在輸出相對低溫?zé)嵋毫黧w的熱液噴口場,其熱液系統(tǒng)也可能持續(xù)演化不超過10a。在多期次的海底火山活動或巖漿侵入連續(xù)作用時,熱液系統(tǒng)的滲透率和流體輸出狀態(tài)都會受到影響,高溫?zé)嵋毫黧w噴出作用將會產(chǎn)生波動性演化過程,而整個熱液系統(tǒng)的演化壽命可能會延長至十幾年甚至幾十年。此外,洋中脊的構(gòu)造活動(如地震等)也影響著熱液構(gòu)造體系的滲透率,導(dǎo)致熱液活動狀態(tài)發(fā)生變化。SINHAetal和SHANKetal發(fā)現(xiàn),EPR9°50′N熱液活動區(qū)的熱液噴口,在每次地震發(fā)生后的幾天內(nèi),其輸出的熱液流體均有溫度升高的現(xiàn)象。從目前的研究來看,快速擴張洋中脊熱液系統(tǒng)的單次循環(huán)通常能持續(xù)演化十幾至幾十年。而在頻繁的巖漿、構(gòu)造作用的影響下,熱液活動輸出狀態(tài)會發(fā)生變化,熱液系統(tǒng)能持續(xù)活動較長時間,可達(dá)幾百年。通過整理分析前人的研究結(jié)果,本文建立了熱液流體輸出狀態(tài)的階段性演化概念模式圖,以通過熱液噴口場隨時間的活動狀態(tài)反映熱液系統(tǒng)的演化特征(圖3)。由圖3可見,在強烈的巖漿注入作用下,快速擴張洋中脊熱液系統(tǒng)的熱液噴口可在短暫的幾天時間內(nèi)爆發(fā)溫度超過400℃的巨型羽狀流,同時形成高達(dá)1×1011W的熱通量,主要熱液噴口處流體的溫度經(jīng)過約10a高低起伏的振蕩變化過程后,轉(zhuǎn)向衰退階段,衰退時間也可能不會超過10a。2熱液演化與巖漿源形成關(guān)系一般認(rèn)為,慢速擴張洋中脊的擴張速度小于55mm/a,巖漿房產(chǎn)出較深且沿著洋中脊帶不均勻發(fā)育,海底火山發(fā)育稀少。在巖漿供給有限的情況下,熱液系統(tǒng)依然能存在于慢速擴張洋中脊的有利構(gòu)造單元部位,如大西洋中脊35.7°～38°N地區(qū),是典型的由構(gòu)造單元控制的熱液活動區(qū)高頻率分布帶,發(fā)育了Rainbow、Saldanha、MenezHom等諸多熱液活動區(qū)。構(gòu)造控制假說認(rèn)為,該段洋中脊軸部傾斜的走向?qū)е略S多次級洋中脊段和大型末端非轉(zhuǎn)換偏移帶的形成,非轉(zhuǎn)換偏移帶的深部延伸作用和斷層的長期活動特性,提高了地殼滲透率,使得海水能夠充分滲透至洋殼深部,并被地殼結(jié)晶基巖、輝長巖侵入體或者深部地幔巖石圈充分加熱,甚至吸收蛇紋石化反應(yīng)釋放的熱量,為海底熱液系統(tǒng)的演化提供了多種熱來源。發(fā)育于大西洋中脊軸向裂谷東側(cè)底部構(gòu)造交叉部位的TAG熱液活動區(qū),基巖主要發(fā)育的是玄武巖,據(jù)熱液噴口沉積物放射性碳同位素測年顯示,熱液系統(tǒng)的演化年齡為近3×104a,并至少經(jīng)歷了3個主要演化期次。HUMPHRISetal認(rèn)為,多期次巖漿作用是熱液系統(tǒng)的主要熱來源,也是熱液系統(tǒng)間歇活動的關(guān)鍵,每次的熱液活動間歇時間可達(dá)到幾千年。近年來的研究發(fā)現(xiàn),位于大西洋中脊典型的由構(gòu)造控制的大型Rainbow熱液活動區(qū),熱液噴口流體成分也具有巖漿熱鹵水成分,顯示熱液流體經(jīng)過了高溫反應(yīng)和相分離過程,表明深部巖漿活動對熱液系統(tǒng)具有直接的熱量和流體輸出貢獻(xiàn),熱液區(qū)的熱通量高達(dá)2.3×1010W;據(jù)表層沉積物碳同位素測年分析結(jié)果,熱液系統(tǒng)持續(xù)演化時間達(dá)8×103～1.2×104a。微地震的研究發(fā)現(xiàn),大西洋慢速擴張洋中脊段發(fā)育有延伸深度為5～8km的脆性斷裂,而快速擴張東太平洋海隆和胡安·德·富卡熱液區(qū)的熱液滲透循環(huán)不可能在1.4～2.5km的洋殼巖漿房深度以下,因此GERMANetal推測,Rainbow熱液系統(tǒng)之所以能夠以如此高熱通量輸出持續(xù)演化約1×104a,可能是由于在脆性斷裂構(gòu)造深層發(fā)育的背景下,海水通過深層滲透循環(huán)廣泛地吸收巖漿供給熱以及蛇紋石化反應(yīng)放熱所致。研究表明,位于大西洋中脊30°N地區(qū)離軸帶轉(zhuǎn)換斷層處發(fā)育的LostCity低溫?zé)嵋簣?其蛇紋石化反應(yīng)所釋放的熱量為該熱液系統(tǒng)的主導(dǎo)驅(qū)動熱源,放射性同位素測年分析結(jié)果表明,該熱液系統(tǒng)持續(xù)演化時間也達(dá)到2.5×104a?？梢娐贁U張洋中脊不僅不缺少維持熱液系統(tǒng)所必須的巖漿熱源,甚至還具有充足的超基性巖蛇紋石化所釋放的反應(yīng)熱量作為熱源,使得熱液系統(tǒng)能夠持續(xù)演化幾萬年之久。由于慢速擴張洋中脊帶的巖漿房發(fā)育較深,構(gòu)造通道較長,巖石圈經(jīng)歷了較長的冷卻時間,因而即使?jié)B透海水與巖漿熱鹵水接觸并發(fā)生高溫混合反應(yīng)(沸騰和相分離),也不可能在熱液活動區(qū)快速積聚大量的熱液流體,無法形成爆發(fā)的巨型羽狀流。但是在慢速擴張洋中脊帶發(fā)育的相對穩(wěn)定且深部延伸的大型斷裂構(gòu)造,使得熱液系統(tǒng)能夠沿著這些通道從深部巖石圈廣泛吸收熱量,在這樣的特殊構(gòu)造條件和多熱源條件下,熱液系統(tǒng)的演化過程表現(xiàn)得相對緩和,演化時間也相對漫長,故演化的階段性特征并不明顯(圖3)。3熱液形成環(huán)境的考慮超慢速擴張洋中脊具有更為特殊的構(gòu)造環(huán)境,以相銜接的巖漿增生段和非巖漿增生段為特征,全擴張速率小于12mm/a,巖漿的供給更為有限,且?guī)r漿房分布極不均勻。KELLYetal認(rèn)為,超基性巖在超慢速擴張洋中脊出露廣泛,類似LostCity熱液區(qū)的由超基性巖蛇紋石化反應(yīng)控制的熱液系統(tǒng),可能在超慢速擴張洋中脊帶具有普遍性。超慢速擴張洋中脊發(fā)育的脆性斷裂延伸至巖石圈深部幾公里以下,有利于海水的深層滲透和熱液流體的長期循環(huán)。這些有利的構(gòu)造環(huán)境和可能廣泛發(fā)育的熱源,也為超慢速擴張洋中脊熱液系統(tǒng)的形成創(chuàng)造了良好的條件。SINHAetal認(rèn)為,在慢速尤其是超慢速擴張洋中脊帶,冷海水沿著深部裂隙滲透,發(fā)生水-巖反應(yīng)(超基性巖蛇紋石化反應(yīng))并可能導(dǎo)致地幔巖石不斷發(fā)生漫延性破裂,使得海水能夠持續(xù)滲透至深部并發(fā)生水-巖反應(yīng)釋放出熱量,即超慢速擴張洋中脊可能形成一種自我維持熱輸出和熱供給平衡的熱液系統(tǒng)。以往的全球大洋熱液活動調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),在巖漿供給相對貧乏的超慢速擴張洋中脊帶,洋中脊裂谷壁等大型斷裂帶和超基性巖區(qū)也發(fā)育了較多的熱液活動區(qū),這一發(fā)現(xiàn),突破了巖漿預(yù)算假說的趨勢預(yù)測,如在北冰洋加克爾洋中脊(GakkelRidge),目前已經(jīng)探測到了至少9個熱液噴口;在西南印度洋中脊西段10°～16°E區(qū)域和東段部分也發(fā)現(xiàn)了多處活動或非活動的熱液區(qū)。2007年以來,我國研究者在西南印度洋中脊發(fā)現(xiàn)了10多個活動和非活動熱液區(qū),【注文1】,這些由特殊熱源及構(gòu)造環(huán)境控制的熱液系統(tǒng)所貢獻(xiàn)的熱和物質(zhì)通量,也可能在全球大洋熱和物質(zhì)通量循環(huán)中占有相當(dāng)重要的比例。由此推測,與慢速擴張洋中脊帶熱液系統(tǒng)相比,超慢速擴張洋中脊帶發(fā)育的熱液系統(tǒng)可能具有更為漫長的演化歷史,也更加有利于多金屬硫化物的富集成礦。4熱液系統(tǒng)長期運動有利于形成大型多金屬硫礦的礦床雖然在快速、慢速以及超慢速擴張洋中脊帶都發(fā)現(xiàn)有豐富的海底熱液系統(tǒng),但是其熱液活動并不一定是短暫的、單一模式的階段性演化過程,而熱液系統(tǒng)的熱源供給和構(gòu)造體系才是控制其演化的關(guān)鍵因素。巖漿多期次活動、巖石圈深部巖石結(jié)晶放熱以及蛇紋石化反應(yīng)放熱等,都可能為熱液系統(tǒng)提供熱量;而斷裂構(gòu)造交叉帶、火山隆起帶以及沉積物蓋層發(fā)育的特殊構(gòu)造部位等,都是熱液活動的有利地段。只有在充足的熱源供給條件下,這些有利構(gòu)造部位才可能發(fā)育成熟穩(wěn)定的熱液系統(tǒng),才可能經(jīng)歷長期演化的歷史過程。在快速擴張洋中脊熱液系統(tǒng)中,由于構(gòu)造體系相對開放且?guī)r漿熱源發(fā)育較淺,熱液系統(tǒng)在巖漿熱源的驅(qū)動下經(jīng)過3個演化階段即停止,演化時間相對短暫,通常只有十幾至幾十年,因此,在快速擴張洋中脊帶的熱液活動區(qū)只形成一些零散分布的小型硫化物礦石堆積體,難以富集形成大型礦床。在慢速擴張洋中脊熱液系統(tǒng),由于熱源分布廣泛并具有相對穩(wěn)定的構(gòu)造體系,熱液活動能夠長期進(jìn)行,熱液噴口場才能不斷沉淀多金屬硫化物,進(jìn)而富集成一定規(guī)模儲量的多金屬硫化物礦床。WILCOCKetal認(rèn)為,有利構(gòu)造單元是控制熱液系統(tǒng)長期演化的主導(dǎo)因素,如Rainbow熱液場、LostCity熱液場以及TAG熱液場等,均為由構(gòu)造單元所控制的熱液場,其中TAG熱液區(qū)活動演化時間近3×104a,富集形成的硫化物礦床儲量約4×106t。此外,在快速擴張的胡安·德·富卡洋中脊中軸谷熱液活動區(qū)(MiddleValley),由于發(fā)育了幾百米厚的沉積物蓋層,在多期次的巖漿作用下,熱液系統(tǒng)演化時間近3×105a,多期次的熱液活動與成礦作用富集形成了儲量約8.8×104t的多金屬硫化物礦床。慢速及超慢速擴張洋中脊帶發(fā)育的熱