國外現(xiàn)代海底熱液活動調(diào)查研究

國外現(xiàn)代海底熱液活動調(diào)查研究

0海底熱液活動的調(diào)查研究現(xiàn)代海底熱液活動是在巖石圈和大海之間交換能量和物質(zhì)的過程。突出的特點是高熱液從海底流出。這種地質(zhì)現(xiàn)象導(dǎo)致了特殊的海床形態(tài)特征和上層水體異常。由于高溫光源的存在，現(xiàn)代海底活動的海床設(shè)計和熱流異?！，F(xiàn)代海底熱液活動的研究基本上是基于現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備對現(xiàn)代海底熱液活動的獨特性質(zhì)和相關(guān)異常進行捕捉的過程。最早正是由于瑞典的“信天翁”號科學(xué)考察船在紅海地區(qū)發(fā)現(xiàn)底層水的溫鹽異常,美國“發(fā)現(xiàn)者”號在對這種溫鹽異常作進一步時調(diào)查時才發(fā)現(xiàn)了多金屬軟泥,從而導(dǎo)致現(xiàn)代海底熱液活動調(diào)查研究的開端.在當(dāng)時,這種多金屬軟泥被認(rèn)為是熱液成因的,后來載人深潛器在東太平洋海隆親眼見到這種多金屬軟泥正在熱液噴口附近形成.底層水的溫鹽異常則成為現(xiàn)代海底熱液活動的一個重要指標(biāo),深潛器則成為進行現(xiàn)代海底熱液活動調(diào)查研究一個重要的手段.沖繩海槽熱液活動區(qū)的發(fā)現(xiàn)則是由于高熱流異常的發(fā)現(xiàn).1984年日本實施巖石圈計劃在沖繩海槽中部的伊平屋測得高熱流異常,最高達1600mW/m2.到1986年日本就在此處發(fā)現(xiàn)了高溫的閃光水.高熱流異常也成為現(xiàn)代海底熱液活動存在的一個重要證據(jù).國外在現(xiàn)代海底熱液活動的調(diào)查研究方面已有多年的經(jīng)驗.我國由于條件的限制,在這方面的研究多限于理論研究,海上調(diào)查并不多.1研究現(xiàn)代海洋熱液活動的方法1.1對熱液活動的認(rèn)識地球在持續(xù)不斷地以各種形式由內(nèi)向外進行著熱傳遞.地殼熱流是衡量地球熱量散失的一個指標(biāo),在上世紀(jì)70～80年代曾有廣泛的海底熱流調(diào)查,結(jié)果表明,全球的平均地殼熱流值約為60mW/m2,海底地殼的熱流值稍高于陸地的地殼熱流值,板塊擴張邊界的熱流值高于板塊聚斂邊界的熱流值.存在熱液活動的地區(qū)是地殼表面強烈熱散失的區(qū)域,地殼熱流值應(yīng)該遠高于平均值.在沖繩海槽發(fā)現(xiàn)熱液活動之前就曾有過詳盡的熱流測量,其中在海槽的北部、中部和南部都出現(xiàn)過高出平均三倍的熱值.1984年日本在沖繩海槽實施DELP計劃,在伊平屋測得的熱流值為1600mW/m2,推測有熱液活動存在.后來先后在此區(qū)發(fā)現(xiàn)了低溫?zé)崴?42℃)和高溫?zé)嵋毫黧w(220℃),證實了熱液活動的存在.繼伊平屋發(fā)現(xiàn)熱液活動區(qū)后又在伊是名、南奄西和八重山等區(qū)域發(fā)現(xiàn)熱液活動區(qū).以前和隨后的熱流調(diào)查表明,熱液區(qū)為高熱流異常區(qū),特別是伊是名熱液區(qū),“深海2000”的熱流測量竟高達30000mW/m2.除沖繩海槽外,在其它的熱液活動區(qū)如各拉帕各斯擴張中心、Cascadia盆地的BabyBare熱液活動區(qū)都是由于首先發(fā)現(xiàn)了高的地殼熱流異常后才發(fā)現(xiàn)熱液活動區(qū)的.目前已知,高熱流是熱活動區(qū)的一個重要特征,高熱流異常一方面可以引導(dǎo)我們?nèi)ふ覠嵋夯顒訁^(qū),另一方面有成為熱液活動存在的左證.1.2熱液巖石采樣巖石采樣是海洋地質(zhì)調(diào)查最常用的調(diào)查手段,也是現(xiàn)代海底熱液活動有力的調(diào)查方法之一.對已知的熱液區(qū)進行巖石樣品的采集可以對熱液區(qū)的地球化學(xué)特性,熱液成礦機制和熱液成因機制等進行研究.對未知的熱液區(qū)進行采樣,如果采到熱液區(qū)特有的巖石樣品,則有希望在該區(qū)域找到熱液活動區(qū).熱液巖石采樣所采用的采樣器一般為:強有力抓巖機,重力巖心取樣器,斗鏈?zhǔn)酵诰蚱鞯?采樣器上一般還配有攝像裝置,用以對采樣目標(biāo)的實時檢測.1.3熱液柱的表征從熱液噴口噴出的熱液流體和周圍海水混合上升至中性浮力面后,形成較為穩(wěn)定形態(tài)的熱液柱.熱液柱和正常的海水相比,其中富含化學(xué)元素和懸浮顆粒.從而通過水體的物理或化學(xué)分析可以確定熱液柱的存在.但在某些海域,如弧后擴張地區(qū),一些濁度異常、Mn和CH4分布異常與熱液過程無關(guān),所以必須用包括物理化學(xué)和生物化學(xué)的多種獨立的方法來鑒定水體異常,保證熱液活動識別的可靠性.一般深層海水中,CH4的濃度往往小于10nl/kg,3He濃度僅為5.5×10-5nl/kg,而溶解Mn的濃度一般為40ng/L.現(xiàn)代海底熱液活動區(qū)熱液柱的CH4、3He和Mn含量都很高.如沖繩海槽伊是名和伊平屋熱液活動區(qū)熱液柱的CH4濃度分別為8900nl/L和3800nl/L.EPR21°N熱液活動區(qū)熱液柱3He的濃度可達0.83E-13cc/g.TAG熱液活動區(qū)熱液柱Mn的濃度為680μmol/kg,JDFR熱液活動區(qū)熱液柱Mn的濃度為545μmol/kg.下表給出幾個熱液活動區(qū)熱液柱的CH4、3He和溶解Mn的測量值(表1).從上表可以看出,熱液柱和正常的底層海水相比,其中CH4和3He和Mn的濃度有較大異常,一般地,三者異常的耦合出現(xiàn)是熱液柱的典型特征.水樣中3He,Mn,CH4的濃度是在實驗室中經(jīng)過分析以后得出的.這種方法的弱點是速度慢,數(shù)據(jù)量小,不能對水體異常進行實時觀測.1.4海水深度和深度對硅氧的溶解氧含量的影響熱液流體和海水混合后同樣可以改變原來海水的硅氧濃度,從而引起硅氧濃度異常.本文引用Cascadia盆地?zé)嵋夯顒訁^(qū)的測量結(jié)果說明熱液活動區(qū)熱液柱的硅氧濃度異常特征.Cascadia盆地海區(qū),正常情況下溶解氧的濃度值在海面最大,隨深度的增加而迅速降低,并在1000m左右取得最小值,而后緩慢增加,直至海底.溶解硅的濃度值在海面最小,隨海水深度的增大而迅速增大,同樣在1000m左右的深度,其濃度增大的幅度明顯降低,而后緩慢增大至到海底.如此不同的是,在該盆地中出現(xiàn)熱液活動的區(qū)域,溶解氧和溶解硅的濃度都在水深2400m處開始迅速增加.硅異常可達50μmol/L,而氧異?？蛇_0.5mL.硅氧異常的出現(xiàn)要求有額外的硅氧源,Casscadia盆地底層海流不可能是硅氧的補給原因,而且在其它地方也沒有發(fā)現(xiàn)類似的異?，F(xiàn)象,熱液才可能是直接的補給源.隨后在該盆地中Bobybare熱液活動區(qū)的發(fā)現(xiàn)證實了這種推測是正確的.海水中硅氧的濃度需要對所采水樣進行室內(nèi)檢測后才能給出,將這種方法用于熱液活動的觀測,同樣存在數(shù)據(jù)量小,速度慢,不能對水體異常進行實時觀測的弱點.1.5水體熱液活動監(jiān)測如前所述,從高溫的熱液噴口噴出后,和周圍的海水混合后,必然改變周圍海水的溫度、鹽度.又由于熱液流體中含有大量的懸浮顆粒,熱液流體和周圍海水混合后除引起溫度、鹽度、密度異常外還將引起海水的透光度異常.CTDT可以對水體實施現(xiàn)場的溫度、鹽度和透光度測量.早在1988年Thomson等就用裝有壓力和水溫傳感器的熱探針在卡斯卡地亞盆地進行了熱液活動調(diào)查研究.熱探針具有很高的分辨率,可以每10秒鐘記錄一個水體的現(xiàn)場溫度值.但因為熱探針達到熱平衡需要一定時間,這就限制了用熱探針進行水體溫度測量時熱探針上升或下行的速度.1993年Thomson等重又在該盆地進行水體的熱液活動調(diào)查.此次調(diào)查使用了兩種剖面包.一種是將一個數(shù)字CTD和一個透光度儀(T)和一個9瓶取樣器組合在一起:另一種是將一個改造的CTD、一個透光度儀和一個聲多譜勒流速剖面儀(ADCP)組合在一起.兩組裝置都進行剖面上行和下行的測量,記錄數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)酱?CTDT以25kHz的頻率取樣,溫度和鹽度的測量精度分別為0.001℃和0.01psu,該系統(tǒng)可以比較快的速度進行上升和下行的測量.結(jié)果在該盆地的BabyBare區(qū)發(fā)現(xiàn)了較大的溫度、鹽度異常和海水濁度異常.而且溫度、鹽度異常和透光度異常相關(guān)性很好.這種偶合說明CTDT異常是熱液成因的,而不是海底沉積物的再懸浮現(xiàn)象.后來,為了有效地通過水體各種異常測量來進行現(xiàn)代海底熱液活動的調(diào)查研究,出現(xiàn)了多種熱液柱剖面儀,如CTD-RMS系統(tǒng)和MAPR剖面儀等.這些儀器一般都由CTD、透光度儀、聲脈沖發(fā)射器和多個取樣瓶組成.可以對水體的溫度、鹽度和透光度進行直接的實時測量,并能夠在需要時對水體進行取樣.這種剖面儀即可以固定在某一個站位進行上行和下行的測量,也可以將其沉放在離海底一定的深度以一定的速度在行進中測量.近幾年這種儀器設(shè)備和工作方法在東南印度洋、西南印度洋和印度洋三叉脊區(qū)的現(xiàn)代海底熱液活動調(diào)查研究中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了很好的效果.1.6gus、agus系統(tǒng)和熱液室的海底形貌熱液活動區(qū)在地形上往往都有一些特有的標(biāo)志,如煙囪、硫化物丘、海底裂隙、熱液生物群落等.旁掃聲納系統(tǒng)、海底照像系統(tǒng)、多波束儀的研制與應(yīng)用,可以對海底熱液系統(tǒng)進行直接的觀測,這對海底熱液活動的研究有較為重要的貢獻.較早使用的Augus攝像系統(tǒng)可以拍攝35mm的彩色圖片,工作時將它沉放到距海底以上4m的距離,拍攝半徑為6m,考察船以0.5～1節(jié)的速度行進,它可以每8～16秒拍攝一次,每投放一次Augus系統(tǒng)可以拍攝3000幅彩色照片,當(dāng)光源增強時,Augus系統(tǒng)可以提升到距海底10～15m處,從而增大拍攝半徑.其位置由其工作狀態(tài)和船的位置決定,拍攝的照片直接傳到船上處理.Augus系統(tǒng)在各拉帕各斯熱液活動區(qū)一條150km長的剖面上共獲得57000張彩色海底照片,為熱液活動區(qū)的研究提供了詳細的海底地形、地貌資料.SeaMarcⅠ和MarcⅡ是一種深拖旁掃聲納和多波束測深系統(tǒng),附帶的照像系統(tǒng)用以對比聲納圖像,有1.5,3,6km等多個掃描寬度選擇擋.該系統(tǒng)曾多次進行熱液系統(tǒng)的海底測量.1.7海底熱液活動的obs觀測熱液活動區(qū)一般都處在構(gòu)造活動的部位,深部的巖漿活動、斷裂活動、下滲海水的高溫汽化都會產(chǎn)生大小不等的地震活動,這是現(xiàn)代海底熱液活動區(qū)的又一重要特征.這已經(jīng)為現(xiàn)代海底熱液活動區(qū)的OBS觀測所證實,并且OBS觀測也已成為現(xiàn)代海底熱液活動觀測的一項重要手段.Hussong等在馬里亞納海槽熱液活動區(qū)附近的擴張脊—轉(zhuǎn)換斷裂帶—擴張脊的交匯處,安放了6臺OBS,測得每天發(fā)生15次局部地震,量級15—40,確定了300多個震源.震源集中在一第大約5km寬,75km深的地震帶上.Kiyoyuki等用小陣列OBS排列來觀測伊是名海穴中黑煙囪口處熱液活動區(qū)的地震顫動.投放的三個OBS呈三角形排列.間距為500m,投放4天,共記錄了40小時的地震記錄.從背景擅動分辨出三種事件:自然地震50次,持續(xù)時間短,能量小的間斷地震事件共30次,持續(xù)時間一般在10～12分鐘的小地震事件多次.1.8調(diào)查研究的內(nèi)容深潛器在現(xiàn)代海底熱液活動的調(diào)查研究中起到了非常重要的作用,它可以直接下潛到熱液活動區(qū),觀測熱液煙囪的形態(tài)、測量噴口的溫度、采集煙囪及塊狀硫化物標(biāo)本、采集熱液生物標(biāo)本、拍攝熱液活動的照片等.美國的Alvin號深潛器,法國的Nautile號深潛器在東太平洋海隆及大西洋中脊熱液活動區(qū)的調(diào)查研究中功勛卓著,前蘇聯(lián)Mir號深潛器,日本的深海2000號和深海6500號深潛器在西太平洋邊緣、印度洋海隆熱液區(qū)的調(diào)查研究中則是功不可沒.2海底熱液活動的調(diào)查和研究方法現(xiàn)代海底熱液活動持續(xù)不斷地由地球的內(nèi)部向外傳遞著物質(zhì)和熱量,一方面它把地球內(nèi)部的有關(guān)信息帶給我們,同時也在不斷地調(diào)整、改變著我們的生存環(huán)境,它的發(fā)現(xiàn)同時帶給我們認(rèn)識地球內(nèi)部和外部環(huán)境的兩把鑰匙.現(xiàn)代海底熱液活動的研究在海洋科學(xué)的研究中雖然年輕,但卻占有相當(dāng)重要的地位.到目前為止,現(xiàn)代海底熱液活動的調(diào)查研究已經(jīng)歷了半個世紀(jì)的里程,但我們無論對海底調(diào)