超緩慢擴張的swir海底熱液活動

超緩慢擴張的swir海底熱液活動

由于東太平洋海隆21n發(fā)現(xiàn)高溫黑煙，關(guān)于海氣東太平洋的作用研究由來已久。在東太平洋迅速擴張的過程中，人們注意到了高溫?zé)嵋旱幕顒?。人們相信，只有在海拔高度較高的沿海地區(qū)才能發(fā)現(xiàn)高溫的熱液活動。后來,在慢速擴張的大西洋中脊(MAR)也同樣發(fā)現(xiàn)了類似的高溫?zé)嵋夯顒蛹案邷責(zé)嵋撼练e硫化物,進一步深化了人們對現(xiàn)代海底熱液活動的認識。由于西南印度洋中脊(SWIR)熱流值很低,中脊擴張作用不明顯(超慢速),曾經(jīng)被多數(shù)人認為沿SWIR不可能有高溫?zé)嵋夯顒?。日本、美國等科考隊為了在SWIR證實是否存在類似于EPR和MAR的現(xiàn)代海底熱液活動及其相應(yīng)的熱液沉積硫化物,對SWIR附近的斷裂帶和深淵區(qū)進行了重點勘探調(diào)查。1998年日本Yokosuka調(diào)查船Indoyo航次首次在Melville斷裂帶東面洋脊軸部(27°51′S、63°56′E)發(fā)現(xiàn)了由熱液硫化物組成的熱液煙囪和熱液丘,測年數(shù)據(jù)表明熱液活動發(fā)生在70000~13000aBP以前。此次發(fā)現(xiàn)第一次證實了高溫?zé)嵋夯顒蛹捌鋲K狀硫化物也可在像SWIR這樣超慢速擴張的洋脊出現(xiàn)。取自SWIR的熱液硫化物與快速擴張洋脊熱液硫化物相比無論礦物學(xué)還是在化學(xué)組成上都有很大不同,這為進一步認識全球洋中脊熱液系統(tǒng)提供了新的研究思路和內(nèi)容,也必將進一步豐富和發(fā)展現(xiàn)代海底熱液活動及其成礦作用的理論。SWIR超慢速擴張段特殊的構(gòu)造環(huán)境提供了另一個了解洋脊深部過程和熱液系統(tǒng)的天然實驗室。在慢速擴張脊,構(gòu)造活動事件頻率較低,使得熱液與巖石反應(yīng)時間和熱液上升至海底的時間相對延長。相對快速擴張和不穩(wěn)定的洋脊熱液系統(tǒng)而言,較長周期的幕式活動和較穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境更有利于大型礦床的形成。因此,加強對SWIR超慢速擴張段熱液活動系統(tǒng)的研究必將進一步豐富和深化已有的現(xiàn)有海底熱液成礦作用理論,有助于諸如地球內(nèi)部動力狀態(tài)、深部構(gòu)造、巖漿起源與演化,以及生命起源和極端條件下生態(tài)系統(tǒng)等重大科學(xué)問題的解決。1轉(zhuǎn)換斷層與洋脊整體上看,印度洋中脊呈漢字“入”字形展布,由中印度洋脊、西南洋脊(SWIR)和東南洋脊在羅德里格斯附近構(gòu)成三聯(lián)點。SWIR是全球大洋的一個主要板塊邊界,全長約7700km,在100Ma前曾將非洲板塊和南極板塊分開。在構(gòu)造上,SWIR有兩個獨特的特征:一個是超慢的擴張速率(沿N—S方向半擴張速率僅為0.7~0.8cm/a),緩慢擴張的洋脊與地幔溫度變冷和巖石圈變厚有關(guān),代表了全球洋中脊體系中的一個端員;另一特點是由于SWIR兩個終點單元(BTJ和RTJ,圖1)分別與快速擴張脊連接,導(dǎo)致總長度的快速增加。SWIR中央裂谷地形與構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜,既有非巖漿作用擴張帶,也有強烈的巖漿作用聚集區(qū),表現(xiàn)為一系列多樣化的海底地形。軸部峽谷水深超過5000m,起伏非常大,被一系列N—S向的轉(zhuǎn)換斷層所切割(圖1)。斷層附近偶爾出露有地幔物質(zhì)—蛇紋巖化橄欖巖,沿SWIR大的斷裂帶,可見作為洋底基巖的輝長巖和巖漿噴溢形成的玄武巖。SWIR西段(9°~25°E)平均擴張速率1.6cm/a,9°~16°E之間,洋脊與區(qū)域擴張方向高角度斜交;16°~24°E之間,洋脊段與擴張方向近似直角,在SWIR16°~25°E之間,洋脊由一系列非轉(zhuǎn)換斷層分支構(gòu)成的短段(大約42km)組成。1995年10月,法國R/VL’AtalanteGallieni航次詳細調(diào)查了SWIR49°E和AtlantisII(TF;57°E,圖1)之間大約800km的區(qū)域,利用所獲得的測深、重力、磁力和背反射等資料對軸部區(qū)進行了分段研究。研究工作發(fā)現(xiàn)深海測深確定的分段與重力、磁力或背反射資料所確定的分段并不相符,從而認為可能是不同洋脊段巖漿供應(yīng)上的差異所致。SWIR東部段(63.6°~64.3°E)以1.4cm/a的速率沿南北向擴張,與相對快速擴張的大西洋中脊相比,洋殼增生的不對稱性和空間變化更加明顯。CannatM研究了SWIR最東部淺成熔融區(qū)的勘測資料,分析了洋脊的生長歷程和時間演化,發(fā)現(xiàn)沿洋脊很少有、甚至缺失火山活動,這和以往認為所有洋中脊是火山活動區(qū)的觀點不一致。在SWIR,轉(zhuǎn)換斷層在巖漿供應(yīng)、擴張速率和洋脊地形傾斜中可能起著重要作用,大量軸部正斷層的存在實際上是洋殼增生的主要特征。地磁異常特征表明,SWIR(61°~67°E)板塊邊界幾何形態(tài)至少在過去26Ma以來保持穩(wěn)定,深拖聲納探測資料進一步證實了火山建造的缺乏。通過多波束測深資料識別出了3類不同海底地形,其中“平坦”海底地形在該研究區(qū)達到37%,是最有利于地幔巖石出露的地方。平坦海底具有高的RMBA值,這與低的巖漿輸入一致,特別是因為平坦海底部分洋殼由幔源橄欖巖組成。AtlantisII和Melville兩轉(zhuǎn)換斷層之間分布有一個海底山聚集區(qū),海底山高出海底幾十米到幾百米不等,許多新的火山脊分布在Melville和RTJ之間,火山高達幾十米,橫向拓展可達幾千米。東西向的地塹或較小的斷裂平行或垂直于新火山脊的走向,地塹約有5m深,東西向延伸幾十米,斷裂只有幾厘米寬,側(cè)向延伸數(shù)米。拉伸作用在該區(qū)占統(tǒng)治地位,軸向火山脊常被一系列小的東西向斷裂切割,這里既有火山活動又有構(gòu)造活動,是產(chǎn)生熱源和對流路徑、允許熱液循環(huán)的先決條件,通常認為該區(qū)是熱液活動和大型硫化物礦體形成的重要場所。2swir研究2.1海底熱液活動的現(xiàn)狀SWIR因其超慢的擴張速率,在全球大洋中脊系統(tǒng)中獨具特色,成為近十多年來的大洋中脊調(diào)查研究的熱點之一。在過去的10多年中,對該區(qū)域的調(diào)查采樣已有近20個航次,使SWIR成為目前世界上調(diào)查研究較好的海底地區(qū)之一。針對SWIR現(xiàn)代海底熱液活動的調(diào)查報道主要包括:(1)1998年,日本Yokosuka調(diào)查船Indoyo航次采用“Shinkai6500”號深潛器首次對印度洋中脊進行了深潛調(diào)查,在Melville斷裂帶以東洋脊軸部(27°51′S、63°56′E)發(fā)現(xiàn)了4個已停止活動的熱液區(qū),它們位于新火山脊頂,水深大約2940m,并被稱為MountJourdanne熱液區(qū)。這些昔日的海底熱液活動區(qū)在空間分布上都與E—W向斷裂構(gòu)造有關(guān),東西向的構(gòu)造包括地塹或較小的斷裂。海底流狀熔巖和枕狀玄武巖已被破壞,表明伴隨巖漿的噴溢活動發(fā)生了構(gòu)造運動。然而,并沒有觀察到如其他正在活動的熱液區(qū)所出現(xiàn)的光異常、化學(xué)異常以及熱液區(qū)特有的生物群落等特征,說明熱液活動已停止。此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)第一次證實了高溫?zé)嵋夯顒蛹捌渌纬傻膲K狀硫化物煙囪體,也可以在像SWIR這樣超慢速擴張的洋中脊上出現(xiàn)。(2)據(jù)Baneqee等報道,在SWIR10°~16°E段也發(fā)現(xiàn)了熱液沉積。熱液沉積物包括蛋白石狀硅氧結(jié)殼、蒙脫石和Mn的氧化物膠結(jié)的玄武巖角礫巖以及部分已氧化的塊狀硫化物。海泡石作為一種少見的深海富Mg黏土礦物也被發(fā)現(xiàn),可能形成于海水與超鎂鐵質(zhì)巖相互反應(yīng)的過程中。(3)2005年,中國大洋協(xié)會組織了中國首次環(huán)球科考,“大洋一號”調(diào)查船在印度洋考察中通過MARP在西南印度洋中脊Gallieni轉(zhuǎn)換斷層的西部首次發(fā)現(xiàn)了水柱濁度異常,這是我國首次在該區(qū)域開展熱液活動調(diào)查研究。(4)2007年2月,“大洋一號”船再次來到SWIR熱液活動區(qū),采用MAPR、CTD和其他傳感器對目標區(qū)進行了更為細致的調(diào)查,檢測到明顯的水柱濁度異常(達3.8V)、溫度異常(達0.2℃)和甲烷異常。利用水下機器人下潛到2800m水深處拍攝到了大量正在“冒煙”的海底熱液活動噴口。使用電視抓斗,先后兩次從海底抓獲了約120kg的熱液硫化物樣品(主要是黃銅礦、黃鐵礦等硫化物礦石)。這是我國在海底調(diào)查中首次現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)新的海底熱液活動區(qū)和熱液噴口,也是首次在SWIR上發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代海底熱液活動及其所形成的硫化物,并“捕獲”到了相當數(shù)量的樣品。(5)2008—2009年,中國大洋協(xié)會組織了第二次環(huán)球科考。在SWIR超慢速擴張洋中脊共新發(fā)現(xiàn)6個海底熱液活動區(qū),其中包括世界上第一個以地幔巖為基底的熱液沉積硫化物區(qū)。另外,這次調(diào)查還發(fā)現(xiàn)了約20km超大范圍的新型碳酸鈣(“白煙囪”)熱液沉積區(qū)以及已停止活動的海底熱液區(qū)。這些調(diào)查發(fā)現(xiàn)對于評價不同構(gòu)造環(huán)境下熱液活動的特征以及演化機制具有重要的意義。2.2巖石地球化學(xué)2.2.1eb的缺失聚合酶基因,表現(xiàn)為級5.85.25.3的bou水生植物t-morb的類型,其培育特征見表3Leroex系統(tǒng)的分析了取自布韋三聯(lián)點(BTJ)和11°E之間斷裂區(qū)和洋脊斷裂帶的玄武巖,將其分為三類:一類是典型的虧損型洋中脊玄武巖(N-MORB),高的Zr/Nb(>17)、Y/Nb(>8)和143Nd/144Nd(0.51312±2~0.51302±2)比值,虧損LREE(La/YbN=0.35~1.1)和相對低的87Sr/86Sr比值(0.70267±4~0.70297±4);第二類是輕微富集型玄武巖,具有典型的熱柱特征(P-MORB),較低的Zr/Nb(5.8~6.8)、Y/Nb(0.9~1.2)和143Nd/144Nd(0.51295±2~0.51286±2)比值,明顯富集LREE(La/YbN=4.8~6.9)和高的87Sr/86Sr(0.70356±4~0.70364±4)比值,這些特征和取自附近Bouvet島的熔巖相似;第三種類型是過渡類型(T-MORB),相對低的Zr/Nb(7.7~11.8)、Y/Nb(1.3~3.0)和l43Nd/144Nd(0.51301±2~0.51284±2)比值,輕微富集LREE(La/YbN=1.7~4.3)和相當高的87Sr/86Sr(0.70291±4~0.70370±4)比值。三種玄武熔巖的主要元素組成相近。SWIR(57°E和66°E)玄武巖玻璃的主量元素組成與理論的地幔熔融模式一致,該模式考慮了在非常慢速擴張洋脊之下的熔體上涌時,傳導(dǎo)熱損失對地幔熔融程度造成的影響。玻璃質(zhì)年輕玄武巖的Mg指數(shù)(Mg#)在50~60之間,表明虧損地幔(N-MORB)的淺成熔融作用。Kentaro等將取自羅德里格斯三聯(lián)點(RTJ)附近的玄武巖分為三類:新鮮熔巖(F類)、低溫蝕變巖(L類)和高溫蝕變巖(H類)。新鮮熔巖含有極少的次生礦物,基本上與典型的N-MORB化學(xué)組成一致,LILE(大離子親石元素)和Nb分別輕微富集和虧損;低溫蝕變巖含有黏土礦物和Fe的氫氧化物,由于富K綠磷石的出現(xiàn)、Fe的氫氧化物對U的吸附以及黏土礦物的存在導(dǎo)致低溫蝕變巖富集K2O、Rb和U。高溫蝕變引起的綠泥石化、鈉長石化和主要金屬的增加導(dǎo)致高溫蝕變巖富集MnO、MgO、Na2O、Cu和Zn,而虧損CaO、Na2O、Cr、Co、Ni、Rb、Sr和Ba。此外,在高溫蝕變巖中發(fā)現(xiàn)有鈾的富集現(xiàn)象,熱力學(xué)模擬實驗證明,在高溫還原熱液中鈾的溶解度明顯降低。在熱液蝕變過程中,該區(qū)玄武巖的變化類似于取自太平洋DSDP/ODP504B鉆孔的樣品,這表明全球大洋中脊熱液活動系統(tǒng)中,除了各大洋中脊的獨特性之外,也可能存在有某些相似性。2.2.2蛇紋石化的成分慢速-超慢速擴張洋中脊通常出露的超鎂鐵質(zhì)巖,在很大程度上可以影響海底噴出熱液的物質(zhì)組成。與以玄武巖為基巖的噴口流體不同,以超鎂鐵質(zhì)巖系為基巖的噴口流體中H2的含量很高。相對于玄武巖系統(tǒng),超鎂鐵質(zhì)巖系統(tǒng)熱液流體的化學(xué)成分更加穩(wěn)定。沿著SWIR,非巖漿活動脊段直接出露有大量的橄欖巖,只有少量的玄武和輝長巖呈散點狀分布。地幔橄欖巖所經(jīng)歷的熔融程度非常低,代表了最接近軟流圈的地幔組分。蛇紋石化橄欖巖是洋殼的重要組成部分,它們通常出現(xiàn)在慢速到超慢速擴張的洋脊環(huán)境。與洋殼的平均密度(2.8g/cm)相比,蛇紋巖具有更低的密度(2.5g/cm)。調(diào)查研究表明,所有在海底出露的深海橄欖巖都或多或少地遭受了蛇紋石化。SWIR10°~16°E段出現(xiàn)的塊狀海泡石可以作為蛇紋石化存在的另一標志。SWIR10°~24°E研究區(qū)玄武巖的3He/4He比值介于6.3~7.3Ra(timeatmospheric)之間,明顯低于正常洋中脊玄武巖(8±1Ra),最好的解釋是巖石圈物質(zhì)在地幔源區(qū)的再循環(huán)。12.5°E附近Shaka斷層的輝石和斜輝石中的3He/4He比值也很低,分別是6.31±1.51,6.36±0.50Ra,與MORB極低的3He/4He比值(6.2Ra)一致,表明9°~25°E洋脊段下部存在有下伏地幔,地幔的不均一性可能決定了大洋底橄欖巖的組成。巖漿熔融時釋放出大量的氦氣,說明深海橄欖巖的He同位素組成和礦物母巖有關(guān),而不是流體或熔融包裹體。大部分糜棱巖和超糜棱巖具有相當高的He含量,說明大量的惰性氣體和塑性變形構(gòu)造有關(guān)。在對橄欖巖和蛇紋巖的分析中,發(fā)現(xiàn)蛇紋巖的He含量較低,但是,其3He/4He比值和地幔相似,這說明蛇紋石化并沒有引入大氣中的He,蛇紋石化作用不是控制橄欖巖中He同位素組成的主要因素。橄欖巖中的3He/4He比值和相關(guān)玄武巖類似,表明橄欖巖的3He/4He比值可以用來判斷其源區(qū)地幔的同位素組成。KurzMD測得取自SWIR斷裂帶東側(cè)的3He/4He比值達到9.1Ra,然而,在斷裂帶東側(cè)之外的樣品中,該值卻低于7Ra,表明斷裂區(qū)是受到Bouve熱點影響的重要邊界。橄欖巖的He含量和構(gòu)造的關(guān)系表明不能簡單把橄欖巖看作是部分熔融后的殘余,隨后發(fā)生的塑性變形作用在控制稀有氣體的含量上發(fā)揮著很大的作用。2.3熱液流體的形成SWIR10°~16°E脊段廣泛出露地幔橄欖巖,所經(jīng)歷的蛇紋石化作用影響著熱液柱的物質(zhì)組成,熱液柱以高的CH4和H2含量、低的總?cè)芙釳n含量和濁度異常為特征。Gamo等首次報道了RTJ附近的Kairei(KHF)熱液流體的化學(xué)組成,包括溶解態(tài)的Si、Ca、Mg、K、SO4和氣態(tài)的CH4、CO2、H2S,熱液流體組成通常與大西洋和太平洋典型的洋脊噴出熱液類似。但后來又有報道,SWIR熱液流體含有異常高的H2(8mM)。與Kairei高溫富氫流體相似的熱液流體在Rainbow、LogatchevI和II、AshazeI和II,以及位于MAR的Nibelungen也被發(fā)現(xiàn)。深部洋殼巖石侵位在淺部洋殼這種獨特的地質(zhì)背景是產(chǎn)生獨特?zé)嵋毫黧w的根源。MAR富氫流體通常被認為是由于構(gòu)造抬升在噴口附近的深海橄欖巖蛇紋石化作用所致。然而,至今在KHF還沒有發(fā)現(xiàn)橄欖巖參與富H2熱液流體形成的證據(jù)。Kentaro對KHF熱液區(qū)的熱液流體進行了分析,發(fā)現(xiàn)其流體具有很高的H2濃度,相當高得Si,以及明顯低的CH4/H2比值。在理論上,橄欖巖為基底的熱液流體要比玄武巖基底熱液流體含有相對高的CH4和較低的Si,然而,KHF熱液流體中CH4和Si的濃度卻與其他典型的洋脊區(qū)相似。對該區(qū)斜長石橄欖巖、橄長巖、輝長橄欖巖(他們一般組成下洋殼)進行鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)橄欖巖晶體部分完全被蛇紋石和磁鐵礦所取代,H2可能來自橄欖巖和熱液流體之間的蛇紋石化反應(yīng),這為判斷流體組分的來源提供了可能。模型理論計算表明,H2和Si高濃度的熱液流體可歸因于KHF下部橄長巖的蛇紋石化以及隨后的熱液流體和玄武巖墻的反應(yīng)。2.4閃鋅礦成礦作用1998年,日本調(diào)查船在Melville斷裂帶東面(27°51′S、63°56′E)Jourdanne海山的脊軸火山的頂峰上首次發(fā)現(xiàn)了軸向火山脊控制的一個大型的硫化物熱液沉積區(qū)。來自MountJourdanne的塊狀硫化物,無論在礦物學(xué)還是化學(xué)成分上都不同于來自快速擴張環(huán)境的硫化物樣品,這有助于我們更好的理解超慢速擴張洋中脊的熱液過程。大部分樣品有很好的分層,磁黃鐵礦被黃鐵礦和白鐵礦廣泛交代,只有樣品外部殘存有磁黃鐵礦。塊狀硫化物樣品中閃鋅礦占主導(dǎo)地位,閃鋅礦和黃銅礦伴生,盡管黃銅礦交代閃鋅礦,同時,在閃鋅礦顆粒中發(fā)現(xiàn)有典型的“黃銅礦病毒”結(jié)構(gòu)。大部分樣品中Cu的含量較低,而Zn的含量較高(除兩個黃鐵礦樣品外)。樣品具有較高的As(平均0.6wt%)、Sb(平均447×1016)和Pb(平均1.2wt%)含量,這表明在熱液活動后期溫度降低,元素隨之沉淀析出。另外,樣品中貴金屬含量明顯較高,Au的含量達11×1016,Ag的含量達0.1wt%。大多樣品中Sb和Ag、Au、As、Pb有很好的相關(guān)性,表明可能發(fā)生了低溫再活化作用,溫度大概低于100℃。在樣品中還發(fā)現(xiàn)有方鉛礦和Pb-As硫酸鹽,在碎屑礦物中還見到有雞冠石和硫銻鉛礦。2001年,Baneqee等報道了SWIR(10°~16°E)第1個活動熱液噴口。熱液沉積物包括蛋白石狀硅氧結(jié)殼、蒙脫石和Mn氧化物膠結(jié)的玄武巖角礫巖以及部分氧化的塊狀硫化物。葉俊等對SWIR49.5°E熱液區(qū)硫化物進行了礦物學(xué)及地球化學(xué)特征研究,發(fā)現(xiàn)該區(qū)熱液硫化物至少存在兩個成礦階段:第1階段為富Fe硫化物礦石形成階段,磁黃鐵礦的出現(xiàn)指示其形成溫度相對較高;第2階段為富Zn硫化物礦石形成階段,閃鋅礦-黃鐵礦-方鉛礦-重晶石等低溫礦物組合指示其成礦溫度相對較低,為熱液演化成礦后期階段。230Th/U定年數(shù)據(jù)表明,該區(qū)硫化物形成于8kaBP內(nèi),這與大西洋TAG區(qū)年齡(大于50ka)相比要年輕許多,說明該區(qū)是一個相對年輕的熱液活動區(qū),從現(xiàn)場觀測也可見到在該區(qū)仍有熱液活動。該區(qū)硫化物中δ34S介于6.47‰~8.28‰之間,平均為7.28‰,明顯高于地幔巖,與大西洋慢速擴張脊幾個大型熱液區(qū)中硫化物的δ34S值相似。以上證據(jù)表明該區(qū)熱液體系中硫來源于地幔硫與海水硫酸鹽無機還原作用產(chǎn)生的硫兩個端元的混合,但是,海水硫酸鹽無機還原硫的貢獻較快速擴張脊熱液區(qū)要大。2.5熱液微生物組雷吉江等對SWIR熱液羽狀流體中懸浮顆粒物微生物化石進行了鏡下觀察和能譜分析,發(fā)現(xiàn)Si、O、Ca、Fe和Zn等元素的含量在微生物化石中都有高值出現(xiàn),其中絲狀體中具有Ti和Mn的高值,球狀體中Ba含量高。這一事實表明,在微生物化石化過程中不同類型的微生物體對金屬元素具有選擇性的吸收作用。最近的研究還發(fā)現(xiàn),熱液煙囪壁地化梯度與微生物數(shù)量和群落存在著密切關(guān)系,煙囪外壁微生物密集分布處常出現(xiàn)As、Ag、Au、Th、Pb、Cu、W等一些微量元素的富集。在有些熱液沉積硫化物樣品中,很難區(qū)別出哪是礦物,哪是生物遺體,有的生物化石本身就是礦物的集合體。因此,熱液沉積物同生物活動必然有著密切的成因聯(lián)系,只是目前我們還不清楚微生物與地球化學(xué)之間的動力機制或者生物成礦作用的過程。3熱液地球化學(xué)的研究還不夠深入相對于東太平洋海隆和大西洋中脊而言,對SWIR熱液活動的調(diào)查還十分有限,研究工作目前尚處于對其地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和生物學(xué)基本特征的調(diào)查研究階段,尚有許多問題有待進一步探討和研究。例如,對于造成SWIR熱液活動獨特特征變化的機理和控制因素、熱液流體的運移過程、熱液硫化物成礦機制、超鎂鐵質(zhì)巖系統(tǒng)的作用以及超嗜熱微生物生態(tài)系統(tǒng)等一系列重大科學(xué)問題還不清楚。利用同位素指標可以定量的評估熱液活動對沉積環(huán)境的影響和貢獻,通過微生物生態(tài)習(xí)性和生態(tài)環(huán)境的研究可以更好地認識微生物的礦化機制,利用有機地球化學(xué)指標可以揭示生物地球化學(xué)過程,等等,這些研究都有待于深入系統(tǒng)的工作。3.1第三,速度擴張脊段t以往的理論模型計算表明熱液活動或噴發(fā)頻率與擴張速率之間存在著線性關(guān)系,并預(yù)測沿著超慢速擴張洋脊熱液噴口是稀少的。但是,沿著SWIR200km長的脊段發(fā)現(xiàn)有6處熱液柱,以及最近在超慢速擴張脊段發(fā)現(xiàn)確認的6個熱液活動區(qū)表明,地幔熔融物質(zhì)噴溢和巖漿供應(yīng)率不是驅(qū)動洋中脊熱液系統(tǒng)所必須的。慢速擴張脊比我們預(yù)想的可能具有更高的噴發(fā)頻率,其釋放的物質(zhì)和熱通量也比以往我們所預(yù)測的要高。其次,如果海底熱液噴發(fā)沿脊軸的分布不是擴張速率的簡單函數(shù),那么,熱液噴溢所產(chǎn)生的化學(xué)(物質(zhì))與能量通量就不能再像以前那樣主要依據(jù)太平洋范圍估算。對印度洋超慢速擴張洋脊進行更大范圍和更為詳細的熱液活動調(diào)查,無疑將有助于全球熱液系統(tǒng)對大洋物質(zhì)與能量通量的估算,這對于研究地球圈層(主要是巖石圈和水圈)間的相互作用和建立完善全球地球化學(xué)循環(huán)模式具有重要的科學(xué)意義。3.2熱液成礦作用不同的構(gòu)造環(huán)境必然會產(chǎn)生不同的熱液活動系統(tǒng)。在超慢速擴張的SWIR,中脊擴張機制與擴張速率、巖漿供應(yīng)的規(guī)模與形式、海底基巖的類型等,都不同于快速擴張洋中脊,這就使得SWIR的熱液活動系統(tǒng)在熱液循環(huán)、巖水反應(yīng)、噴溢的規(guī)模與頻率以及物質(zhì)來源等方面有其獨特的性質(zhì)。MountJourdanne熱液區(qū)塊狀硫化物在礦物學(xué)和化學(xué)成分上,既不同于快速擴張洋中脊環(huán)境的硫化物,也不同于其他典型沉積物饑餓型洋脊的硫化物特征,而是發(fā)現(xiàn)有以往認為只有在沉積物覆蓋的洋脊和弧后擴張盆地(如沖繩海槽等)熱液硫化物中才能見到的方鉛礦及其他含鉛礦物。SWIR存在不同形式的熱液噴口,不僅存在高溫黑煙囪,也有大范圍的低溫碳酸鈣型“白煙囪”。SWIR熱液活動區(qū)沉積物的獨特性質(zhì)應(yīng)該熱液成礦作用機制的反映。另外,“白煙囪”的成因特別是熱源是否與蛇紋石化作用有關(guān)?其物質(zhì)來源以及成因機制是怎樣的等問題尚有待深入研究。就熱液化學(xué)成分而言,SWIR熱液中以富含CH4和H2、總?cè)芙釳n含量較低為特征。相對于玄武巖熱液系統(tǒng),SWIR熱液噴口流體中應(yīng)具有更高濃度的Fe(如在大西洋中脊發(fā)現(xiàn)的以超鎂鐵質(zhì)巖石為基巖的Rainbow噴口,熱液中Fe的濃度甚至高達24mmol/L,如果這一假設(shè)成立,那么,SWIR熱液流體可能是西南印度洋鐵的主要來源。SWIR熱液化學(xué)成分及熱液硫化物的獨特性質(zhì)必然是熱液循環(huán)系統(tǒng)和成礦作用機制特征的反映。然而,我們對此還所知甚少。深入系統(tǒng)的成因礦物學(xué)和元素與同位素地球化學(xué)研究將有助于該問題的解決。3.3蛇紋石化作用,是一個四重性巖前已述及,在SWIR熱液活動區(qū),大多都出露有蛇紋石化的橄欖巖。橄欖巖的蛇紋石化作用是礦物中元素質(zhì)點重新“組閣”的過程,這不僅導(dǎo)致原有礦物晶格結(jié)構(gòu)的分解破壞和新礦物的形成,而且會使元素活化遷移,同時釋放出大量的熱量,從而影響著熱液的化學(xué)組成和熱液活動的驅(qū)動機制。橄欖巖的蛇紋石化作用在SWIR熱液活動究竟發(fā)揮有多大的作用?發(fā)揮作用的機制是什么?我們都還不清楚。另外,海底巖石的蝕變作用,特別是橄欖巖的蛇紋石化作用很可能通過化合作用為自給型的海底熱液微生物提供了能源。通過調(diào)查熱液柱中甲烷和/或氫的濃度異常,可以判斷脊軸巖石蛇紋石化的強度。結(jié)合熱液活動區(qū)基巖巖石化學(xué)的研究和室內(nèi)模擬實驗,可望實現(xiàn)定量地估算蛇紋石化作用對熱液系統(tǒng)的貢獻。因此,系統(tǒng)深入地開展橄欖巖蛇紋石化作用研究,可以更好地理解超慢速擴張洋脊以超基性巖為基巖的熱液活動系統(tǒng)的動力機制和成礦作用模式,進一步探討不同構(gòu)造環(huán)境條件下殼幔物質(zhì)和能量循環(huán)通量,甚至對于研究深海熱液微生物生態(tài)系統(tǒng)都具有重要得科學(xué)意義。3.4微生物與地球化學(xué)的相互作用元素在溶液中的遷移轉(zhuǎn)化主要是化學(xué)過程,而顆粒物的運移主要是物理過程。但是,當顆粒物足夠小時,在發(fā)生物理過程的同時也在進行著化學(xué)過程。生物作用既有物理過程也有化學(xué)過程,特別是在微生物的作用中,很難區(qū)分出物理過程或化學(xué)過程。在熱液噴口周圍,微生物與元素地球化學(xué)行為之間存在一系列復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程和相互依存關(guān)系。微生物不僅依存于現(xiàn)代海底熱液活動,同時,也在熱液成礦作用中扮演著重要角色。它們一方面通過自身的吸附作用聚集成礦元素,為礦床的形成提供部分礦源;另一方面,也通過新陳代謝作用,產(chǎn)生特殊的氧化還原條件,導(dǎo)致礦物質(zhì)的溶解、遷移和沉淀。在SWIR熱液區(qū),微生物與地球化學(xué)之間相互作用和相互依存的動力機制涉及到化學(xué)動力學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、生命科學(xué)等多學(xué)科的科學(xué)問題。對此,由于受到調(diào)查研