海底熱液活動的研究歷史及其主要問題

海底熱液活動的研究歷史及其主要問題

海底熱液活動的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)海上科學(xué)研究的一項重要課題之一。現(xiàn)代海底熱液活動的調(diào)查研究,是當(dāng)代海洋科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、礦床學(xué)及海洋生物學(xué)等多學(xué)科共同面臨的重大使命,已成為國際上重大前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域之一。特別是最近20多年來,隨著地球系統(tǒng)科學(xué)概念的提出,對現(xiàn)代海底熱液活動的研究,更賦予了新的內(nèi)涵。地球系統(tǒng)科學(xué)的定義是:“將地球作為一個整體來研究的全部知識;對地球的氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的各種作用及各層圈間相互作用進行的研究”。這種學(xué)術(shù)思想對海底熱液活動的研究起了重要的推動作用:(1)熱液活動產(chǎn)生的巨大熱通量是一個不可忽視的能量來源,它可能對氣候變化產(chǎn)生一定的影響。國際熱流委員會認(rèn)為地球表層15～500m之間的溫度是地球深部熱流和地球表面溫度綜合作用的結(jié)果。這一結(jié)論將內(nèi)動力和外動力研究一體化。(2)流體與大洋沉積物和大洋玄武巖之間的相互作用是影響化學(xué)元素全球循環(huán)的重要因素。這一結(jié)論將地球現(xiàn)象遠(yuǎn)距離的影響互相聯(lián)系起來。(3)海底“熱液生物”、“深部生物圈”等概念的提出,將地質(zhì)作用和生物作用研究一體化。同時,海底熱液活動的研究大大豐富了海洋科學(xué)的研究內(nèi)容,并對一些傳統(tǒng)的觀點和理論提出了挑戰(zhàn)。至此,人們認(rèn)識到在研究地球系統(tǒng)科學(xué)的許多問題時都需要將海底熱液活動作為一個重要因素加以考慮。1海底熱液活動的研究海底熱液活動多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定的區(qū)域,如洋中脊、弧后盆地、板內(nèi)熱點等。由海底熱液循環(huán)產(chǎn)生的熱水溶液,攜帶大量的物質(zhì),噴出海底可沉淀形成獨特的熱液多金屬硫化物或其它沉積物,同時可引起周圍巖石和沉積物發(fā)生蝕變。海底熱液活動不僅直接影響著大洋底巖石、沉積物和海水之間的熱與化學(xué)交換,其沉積產(chǎn)物-熱液多金屬硫化物和軟泥,往往直接形成高品位的多金屬礦床,具有重要的成礦意義。海底熱液活動的研究始于20世紀(jì)60年代中期,現(xiàn)已迅速發(fā)展成為當(dāng)今地球科學(xué)研究的主要熱點之一。20世紀(jì)60年代中期,在紅海慢速擴張中心(擴張半速率為1cm/a)首次發(fā)現(xiàn)了多金屬熱鹵水和軟泥,隨后類似的熱液多金屬沉積物在東太平洋海隆被確認(rèn),從而揭開了海底熱液活動研究的序幕。70年代,海底熱液活動的調(diào)查和研究基本上以洋中脊為主。1972年,在大西洋中脊26°N海區(qū)發(fā)觀了TAG熱液活動區(qū),隨后在Galapagos斷裂帶發(fā)現(xiàn)了Fe和Mn的氫氧化物。1978年,美、法聯(lián)合用Cyana號深潛器在東太平洋海隆2l°N首次發(fā)現(xiàn)了金屬塊狀硫化物(MassiveSulphideOreDeposits)。l979年4月,經(jīng)過綜合技術(shù)裝備的“ALVIN”號深潛器再次成功地沿海隆軸定位出25個正在活動的熱液噴口。1982年夏天美國伍茲霍爾海洋研究所對TAG海區(qū)進行了潛水采樣調(diào)查。l985年l2月大洋鉆探計劃((ODP)在大西洋中脊23°N的高溫?zé)嵋夯顒訁^(qū)(又稱Snakepit),鉆取到了未固結(jié)的塊狀硫化物。1986年5月“ALVIN”號深潛器在對TAG海區(qū)作了3次潛水觀察采樣后,又在Snakepit海區(qū)潛水一次,現(xiàn)場采集了塊狀硫化物、熱液沉積物、熱液流體及熱液活動區(qū)的生物樣品;l988年7～8月和l990年1～2月,英國劍橋大學(xué)同美國伍茲霍爾海洋研究所合作兩次去大西洋中脊?jié)撍鳂I(yè),對熱液噴口及其周圍環(huán)境進行了系統(tǒng)全面的觀察采樣,對高溫、低溫?zé)嵋夯顒蛹啊昂谏珶焽琛?BlackSmoker)和“白色煙囪”(WhiteSmoker)分別進行了系統(tǒng)的研究。從80年代開始,海底熱液活動的研究逐漸擴展到全球各大洋構(gòu)造活動帶,如板內(nèi)熱點、海山以及弧后擴張盆地等。其中較著名的調(diào)查研究有:1984年及1986年日本對沖繩海槽中部進行的熱水沉積調(diào)查;1987年4月,美國“ALVIN”號深潛器對馬里亞納海槽進行的以硫化物礦床為目標(biāo)的海洋調(diào)查;l988～l990年期間,日本使用“深海2000”號深潛器再次對沖繩海槽的熱液活動區(qū)進行了多次潛水觀察及調(diào)查采樣。與國際研究相比,我國海底熱液活動的調(diào)查和研究起步較晚,主要包括:1988年中一西德合作So-57航次對馬里亞納海槽區(qū)熱液硫化物的分布情況和形成機理進行的調(diào)查和研究;l988年9月～1989年1月期間,中國科學(xué)院海洋研究所組隊參加了原蘇聯(lián)科學(xué)院組織的為期5個月的太平洋綜合調(diào)查,沿太平洋海嶺采到熱水沉積物樣品;1992年在國家基金委的支持下,中國科學(xué)院海洋研究所首次在國內(nèi)獨立組隊對沖繩海槽熱液活動區(qū)進行調(diào)查采樣。所采水樣、表層沉積物和柱狀巖芯樣品的初步分析結(jié)果表明,沖繩海槽的海底熱液活動對該區(qū)的海水化學(xué)成份和底質(zhì)沉積物均有不容忽視的貢獻,并且正在形成一些富Cu,Zn,Fe,Mn和Hg的沉積物。目前,美、日、英等國家仍在執(zhí)行洋中脊(Ridge)計劃和DSDP/ODP,使海底熱液和尋找礦點的研究得到了空前的發(fā)展。從1963年美國“發(fā)現(xiàn)”號在紅海發(fā)現(xiàn)熱液成因的金屬軟泥以來,到上世紀(jì)末已在海洋中發(fā)現(xiàn)了近500處各種類型的熱液活動區(qū)。通過各國幾十年的努力,海底熱液活動的研究已取得了許多重要成果。2巖-水反應(yīng)與海底熱液成礦的關(guān)系2.1地質(zhì)背景研究特定條件下的地質(zhì)活動總是與相應(yīng)的地質(zhì)背景相聯(lián)系。要研究海底熱液活動,必須研究熱液活動產(chǎn)出的地質(zhì)背景。大量調(diào)查說明,熱液區(qū)主要分布在地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定的區(qū)域,如洋中脊、弧后盆地、板內(nèi)熱點。這些區(qū)域大都與地震、火山、斷裂、擴張緊密相關(guān)。洋中脊型產(chǎn)于板塊增生邊緣的洋中脊擴張帶或轉(zhuǎn)換斷層處,如東北太平洋的勘察者海脊、JDF海脊、戈達海脊;中太平洋的瓜伊馬斯盆地、Tamayo轉(zhuǎn)換帶、EPR21°N,13°N,20°S熱液區(qū);大西洋的TAG區(qū),FAMOUS區(qū),Atlantis擴張脊,BrokenSpur,Snakepit等熱液區(qū);印度洋的卡爾斯伯格海嶺、亞丁灣等。熱點型產(chǎn)于板塊內(nèi)部,以塔希提島、復(fù)活節(jié)火山鏈和夏威夷群島的洛希海山為代表?；『笈璧刂饕植荚谖魈窖蠛臀髂咸窖?如沖繩海槽、伊豆—小笠原弧、馬里亞納海槽、伍德拉克盆地、勞海盆和馬努斯盆地等。目前發(fā)現(xiàn)的熱液活動區(qū)約有500處,它們主要分布在10°S和30°N之間,其水深范圍為2500～2900m?？梢灶A(yù)測,隨著科技水平的提高和人們對海洋的興趣,必將有更多的熱液活動區(qū)被發(fā)現(xiàn)。2.2海水—巖石反應(yīng)研究海底熱液活動的物質(zhì)來源主要有4個方面,即來自地?；驇r漿房、海底巖石的蝕變、沉積物的浸出及海水。而海底巖石的蝕變與洋底巖石同海水間的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。冷海水通過地質(zhì)裂縫進入海底與巖漿房接觸,受熱而成高溫海水,在上升通道中與圍巖作用,變成與海水成分不同的熱液,由于溫度不同,在流出海底時可形成黑煙囪、白煙囪。熱液的化學(xué)成分變化反映在洋殼內(nèi)部存在復(fù)雜的巖-水反應(yīng)。巖-水反應(yīng)對海水化學(xué)成分的影響主要有三方面,一是吸收來自江河帶入海洋的Na和Mg;二是向海洋提供一定量的Ca和Si;三是還原海水中的SO2?442-,形成硫化物,消耗海洋中的S。如果巖-水反應(yīng)(包括高溫和低溫反應(yīng))涉及到70%左右的洋殼巖石,則這種反應(yīng)有可能控制著海洋中Na,Mg,Ca,Si,Fe,Mn和H+等元素的地球化學(xué)平衡。2.3海底熱液成礦作用研究在熱液研究過程中發(fā)現(xiàn)巖—水反應(yīng)可以形成許多礦物,如金屬硫化物、硫酸鹽、氧化物、氫氧化物、碳酸鹽和硅酸鹽等,但最有價值和開發(fā)遠(yuǎn)景的主要是硫化物。20世紀(jì)60年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在阿特蘭蒂斯Ⅱ海淵有鹵水和硫化物存在,繼而紅海成了研究的熱點,先后在20°N～26°N,35°E～39°E的廣大海區(qū)發(fā)現(xiàn)了13個海淵有鹵水和硫化物的存在。通過調(diào)查,在太平洋、大西洋、印度洋的不同區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了上百個硫化物礦區(qū)的存在,僅1993年就有139個礦點被發(fā)現(xiàn)。在沖繩海槽伊是名海洼高溫區(qū)(320℃)也發(fā)現(xiàn)有明顯的硫化物沉積存在,不僅Zn,Pb,Cu成礦元素含量高,Ag,Au,As,Sb和Hg元素也較富集。在多金屬沉積區(qū),發(fā)現(xiàn)熱液沉積過程是有規(guī)律的,它們依一定的次序逐步沉積下來,最先沉積出來的是硫化物,包括閃鋅礦、黃銅礦、黃鐵礦、白鐵礦和方鉛礦等,其次是硅酸鐵,最后是氧化鐵和氧化錳。由此看出,熱液沉積物代表著礦化溶液演化的不同階段,見Binns等。顯然硫化物發(fā)生于演化階段的早期,鐵錳氧化物發(fā)生于演化階段的晚期。2.4熱液元素通量的計算使海水組成的恒定性解釋受到了挑戰(zhàn)長期以來,人們認(rèn)為在長達數(shù)億年的歷史中,海水的主要化學(xué)組成(Na+,Mg2+,Ca2+,K+,Cl-和SO2?442-)是恒定的,而河流輸入則認(rèn)為是海洋物質(zhì)的主要來源。實際上,河水組成與海水組成是很不相同的,為此,Sillen提出了穩(wěn)態(tài)模型來解釋海水化學(xué)組成的恒定性。根據(jù)這一模型,認(rèn)為控制元素平衡的機制是海水與非晶質(zhì)鋁硅酸鹽相互作用產(chǎn)生黏土礦物和CO2。玄武巖在低溫蝕變中可以從海水中攝取陽離子構(gòu)造鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu),放出揮發(fā)物質(zhì),在平衡過程中消耗HCO-3和堿金屬而產(chǎn)生H+離子。Carrels研究了在104～109年時間尺度內(nèi)全球的地球化學(xué)收支平衡并進行了質(zhì)量平衡計算,這是一個非常復(fù)雜的理論計算,對于揭示海水化學(xué)元素組成的恒定性是有理論價值的。但是,應(yīng)當(dāng)指出這個計算由于歷史原因而未將熱液通量的貢獻考慮進去,因此,其計算結(jié)果缺乏真實性,故必須加以修正。在熱液活動發(fā)現(xiàn)之后,Thompson,Edmond對熱液通量進行了估算,從估算結(jié)果來看,熱液對海水元素的貢獻是不可忽視的。例如,在Chester和Damm的報導(dǎo)中,熱液通量(以EPR210為根據(jù)進行的計算,單位為mol/L)與河流通量處在同一量級的有K(1.9×1012),SiO2(x.1012);熱液通量大于河流通量的有Li(1011:1010),Rb(109:106),Mn(1011:109),Fe(1011:103);熱液通量小于河流通量的有Na,Be,Mg,Ca,Al,Co,Cu,Sr和Ag。可以看出:Fe,Mn,Rb,Li明顯高于河流通量,Na,Mg,Sr明顯低于河流通量。由此看來,在研究海水化學(xué)成分的恒定規(guī)律時,熱液通量的貢獻必須作為一個重要因子加以考慮。2.5利用3He/熱比值計算大洋熱通量大洋中的熱量一方面來自太陽輻射,另一方面來自地幔的熱散射,后者的熱量可以通過3He/熱比值計算方法求得。Jenkins等根據(jù)在EPR210N測定的3He/熱比值計算為0.5×10-12cm3STP/卡,估算了從地幔中進入大洋的3He通量為(4±1)原子/cm2.S,此值相當(dāng)每年有6.5×1026個3He原子進入大洋中。以此為根據(jù)計算出的大洋的熱通量為4.9×1019卡/年,這一結(jié)果與地球物理法求得的結(jié)果非常吻合。2.6生物與熱液活動關(guān)系的研究自1977年人類首次在加拉帕戈斯隆起水深2500m處發(fā)現(xiàn)了熱液噴口周圍密集的生物群體,又先后在大洋中脊和東太平洋海隆等現(xiàn)代海底熱液活動區(qū)發(fā)現(xiàn)了與熱液噴口對應(yīng)的“熱液生物”群體,這些生物可以自由地生活在100℃左右的水環(huán)境中。大型生物在熱液噴口群集,說明與熱液的噴溢活動有著密切的關(guān)系。因此研究這些生物的物種起源、種屬分布、生態(tài)習(xí)性和與現(xiàn)代海底熱液活動的關(guān)系,有助于探討海底熱液活動的規(guī)律性和成礦作用機制。地質(zhì)學(xué)研究海底熱液活動不僅有起始階段、發(fā)展階段、鼎盛期和消亡期,而且有強弱、化學(xué)成分和溫度等方面的變化或周期性。對應(yīng)于熱液噴溢活動的不同時期,熱液噴口周圍的生物結(jié)構(gòu)也應(yīng)有相應(yīng)的差別。生物對環(huán)境的反應(yīng)是靈敏的,熱液活動在強弱、斷續(xù)及其它物理化學(xué)指標(biāo)上的微小變化會立即影響到周圍的海水,而生物殼體結(jié)構(gòu)、化學(xué)元素(尤其是微量元素)及同位素組成會精確地記錄下這種變化。所以,通過研究熱液生物化石中保存的熱液活動記錄來探討熱液活動的規(guī)律性是今后研究的重要方面之一。3海底熱液開采的研究展望近幾十年來,海洋學(xué)家從多種角度對海底熱液活動進行了研究,并積累了大量的資料,為作為更深一步研究的起點,特提出以下幾點粗淺的認(rèn)識。(1)海底熱液可能以兩相流體形式存在,即低鹽度蒸汽流體和高鹽度鹵水型流體。通過分析得知,隨著時間的延續(xù),兩相流體不斷的變化。為此,Butterfield和Massoth,VonDamm,提出了相分離模式,指出,在高溫下形成的高鹽度鹵水先期儲存在洋殼中,隨后排出,而富含氣體的低氯度組分優(yōu)先排出,這一模式闡明了熱液活動的內(nèi)在規(guī)律。(2)海底熱液沉積多金屬礦床的儲量及分布和今后開發(fā)利用的可行性調(diào)查研究,以及調(diào)查、開采技術(shù)的發(fā)展應(yīng)加大力度。雖然熱液礦區(qū)的發(fā)現(xiàn)引起了各國的關(guān)注和興趣,但真正達到可利用和開采的階段仍需很長的時間,或許也像早期宣傳開采Fe,Mn結(jié)核那樣,只是一種理想而難以在短期內(nèi)變?yōu)楝F(xiàn)實。(3)熱液通量的不確定性。應(yīng)當(dāng)指出,目前計算的熱液元素通量并不十分準(zhǔn)確,因為計算時對巖-水反應(yīng)的范圍、深度、新洋殼形成的速度,反應(yīng)時間等都是在假定的基礎(chǔ)上進行的,由于多個不確定因素而使結(jié)果的可信度降低,因此,準(zhǔn)確計算熱液元素通量的工作仍是迫在眉睫的任務(wù)。(4)人們知道,熱量變化是影響氣候變化的主要因素,熱量的來源包括天然因素和人工因素。前者主要是太陽輻射和火山爆發(fā)等,后者包括石油、天然氣和有機物的燃燒。近年來由于后者的原因而使大氣CO2猛增,形成溫室效應(yīng),造成氣候變暖,這些因素已為人們所知,但熱液活動產(chǎn)生的熱效應(yīng)對海洋和氣候的影響并不被重視。作者認(rèn)為熱液活動產(chǎn)生的巨大熱通量是一個不可忽視的能量來源,它可能對氣候變化產(chǎn)生一定的影響,但這種能量在氣候變化和海洋熱源中究