海底热液活动的研究历史及其主要问题

海底热液活动的研究历史及其主要问题

海底热液活动的发现是20世纪海上科学研究的一项重要课题之一。现代海底热液活动的调查研究,是当代海洋科学、地质学、地球化学、矿床学及海洋生物学等多学科共同面临的重大使命,已成为国际上重大前沿热点研究领域之一。特别是最近20多年来,随着地球系统科学概念的提出,对现代海底热液活动的研究,更赋予了新的内涵。地球系统科学的定义是:“将地球作为一个整体来研究的全部知识;对地球的气圈、水圈、生物圈和岩石圈的各种作用及各层圈间相互作用进行的研究”。这种学术思想对海底热液活动的研究起了重要的推动作用:(1)热液活动产生的巨大热通量是一个不可忽视的能量来源,它可能对气候变化产生一定的影响。国际热流委员会认为地球表层15～500m之间的温度是地球深部热流和地球表面温度综合作用的结果。这一结论将内动力和外动力研究一体化。(2)流体与大洋沉积物和大洋玄武岩之间的相互作用是影响化学元素全球循环的重要因素。这一结论将地球现象远距离的影响互相联系起来。(3)海底“热液生物”、“深部生物圈”等概念的提出,将地质作用和生物作用研究一体化。同时,海底热液活动的研究大大丰富了海洋科学的研究内容,并对一些传统的观点和理论提出了挑战。至此,人们认识到在研究地球系统科学的许多问题时都需要将海底热液活动作为一个重要因素加以考虑。1海底热液活动的研究海底热液活动多发生在地质构造不稳定的区域,如洋中脊、弧后盆地、板内热点等。由海底热液循环产生的热水溶液,携带大量的物质,喷出海底可沉淀形成独特的热液多金属硫化物或其它沉积物,同时可引起周围岩石和沉积物发生蚀变。海底热液活动不仅直接影响着大洋底岩石、沉积物和海水之间的热与化学交换,其沉积产物-热液多金属硫化物和软泥,往往直接形成高品位的多金属矿床,具有重要的成矿意义。海底热液活动的研究始于20世纪60年代中期,现已迅速发展成为当今地球科学研究的主要热点之一。20世纪60年代中期,在红海慢速扩张中心(扩张半速率为1cm/a)首次发现了多金属热卤水和软泥,随后类似的热液多金属沉积物在东太平洋海隆被确认,从而揭开了海底热液活动研究的序幕。70年代,海底热液活动的调查和研究基本上以洋中脊为主。1972年,在大西洋中脊26°N海区发观了TAG热液活动区,随后在Galapagos断裂带发现了Fe和Mn的氢氧化物。1978年,美、法联合用Cyana号深潜器在东太平洋海隆2l°N首次发现了金属块状硫化物(MassiveSulphideOreDeposits)。l979年4月,经过综合技术装备的“ALVIN”号深潜器再次成功地沿海隆轴定位出25个正在活动的热液喷口。1982年夏天美国伍兹霍尔海洋研究所对TAG海区进行了潜水采样调查。l985年l2月大洋钻探计划((ODP)在大西洋中脊23°N的高温热液活动区(又称Snakepit),钻取到了未固结的块状硫化物。1986年5月“ALVIN”号深潜器在对TAG海区作了3次潜水观察采样后,又在Snakepit海区潜水一次,现场采集了块状硫化物、热液沉积物、热液流体及热液活动区的生物样品;l988年7～8月和l990年1～2月,英国剑桥大学同美国伍兹霍尔海洋研究所合作两次去大西洋中脊潜水作业,对热液喷口及其周围环境进行了系统全面的观察采样,对高温、低温热液活动及“黑色烟囱”(BlackSmoker)和“白色烟囱”(WhiteSmoker)分别进行了系统的研究。从80年代开始,海底热液活动的研究逐渐扩展到全球各大洋构造活动带,如板内热点、海山以及弧后扩张盆地等。其中较著名的调查研究有:1984年及1986年日本对冲绳海槽中部进行的热水沉积调查;1987年4月,美国“ALVIN”号深潜器对马里亚纳海槽进行的以硫化物矿床为目标的海洋调查;l988～l990年期间,日本使用“深海2000”号深潜器再次对冲绳海槽的热液活动区进行了多次潜水观察及调查采样。与国际研究相比,我国海底热液活动的调查和研究起步较晚,主要包括:1988年中一西德合作So-57航次对马里亚纳海槽区热液硫化物的分布情况和形成机理进行的调查和研究;l988年9月～1989年1月期间,中国科学院海洋研究所组队参加了原苏联科学院组织的为期5个月的太平洋综合调查,沿太平洋海岭采到热水沉积物样品;1992年在国家基金委的支持下,中国科学院海洋研究所首次在国内独立组队对冲绳海槽热液活动区进行调查采样。所采水样、表层沉积物和柱状岩芯样品的初步分析结果表明,冲绳海槽的海底热液活动对该区的海水化学成份和底质沉积物均有不容忽视的贡献,并且正在形成一些富Cu,Zn,Fe,Mn和Hg的沉积物。目前,美、日、英等国家仍在执行洋中脊(Ridge)计划和DSDP/ODP,使海底热液和寻找矿点的研究得到了空前的发展。从1963年美国“发现”号在红海发现热液成因的金属软泥以来,到上世纪末已在海洋中发现了近500处各种类型的热液活动区。通过各国几十年的努力,海底热液活动的研究已取得了许多重要成果。2岩-水反应与海底热液成矿的关系2.1地质背景研究特定条件下的地质活动总是与相应的地质背景相联系。要研究海底热液活动,必须研究热液活动产出的地质背景。大量调查说明,热液区主要分布在地质构造不稳定的区域,如洋中脊、弧后盆地、板内热点。这些区域大都与地震、火山、断裂、扩张紧密相关。洋中脊型产于板块增生边缘的洋中脊扩张带或转换断层处,如东北太平洋的勘察者海脊、JDF海脊、戈达海脊;中太平洋的瓜伊马斯盆地、Tamayo转换带、EPR21°N,13°N,20°S热液区;大西洋的TAG区,FAMOUS区,Atlantis扩张脊,BrokenSpur,Snakepit等热液区;印度洋的卡尔斯伯格海岭、亚丁湾等。热点型产于板块内部,以塔希提岛、复活节火山链和夏威夷群岛的洛希海山为代表。弧后盆地主要分布在西太平洋和西南太平洋,如冲绳海槽、伊豆—小笠原弧、马里亚纳海槽、伍德拉克盆地、劳海盆和马努斯盆地等。目前发现的热液活动区约有500处,它们主要分布在10°S和30°N之间,其水深范围为2500～2900m。可以预测,随着科技水平的提高和人们对海洋的兴趣,必将有更多的热液活动区被发现。2.2海水—岩石反应研究海底热液活动的物质来源主要有4个方面,即来自地幔或岩浆房、海底岩石的蚀变、沉积物的浸出及海水。而海底岩石的蚀变与洋底岩石同海水间的化学反应有关。冷海水通过地质裂缝进入海底与岩浆房接触,受热而成高温海水,在上升通道中与围岩作用,变成与海水成分不同的热液,由于温度不同,在流出海底时可形成黑烟囱、白烟囱。热液的化学成分变化反映在洋壳内部存在复杂的岩-水反应。岩-水反应对海水化学成分的影响主要有三方面,一是吸收来自江河带入海洋的Na和Mg;二是向海洋提供一定量的Ca和Si;三是还原海水中的SO2−442-,形成硫化物,消耗海洋中的S。如果岩-水反应(包括高温和低温反应)涉及到70%左右的洋壳岩石,则这种反应有可能控制着海洋中Na,Mg,Ca,Si,Fe,Mn和H+等元素的地球化学平衡。2.3海底热液成矿作用研究在热液研究过程中发现岩—水反应可以形成许多矿物,如金属硫化物、硫酸盐、氧化物、氢氧化物、碳酸盐和硅酸盐等,但最有价值和开发远景的主要是硫化物。20世纪60年代科学家发现在阿特兰蒂斯Ⅱ海渊有卤水和硫化物存在,继而红海成了研究的热点,先后在20°N～26°N,35°E～39°E的广大海区发现了13个海渊有卤水和硫化物的存在。通过调查,在太平洋、大西洋、印度洋的不同区域也发现了上百个硫化物矿区的存在,仅1993年就有139个矿点被发现。在冲绳海槽伊是名海洼高温区(320℃)也发现有明显的硫化物沉积存在,不仅Zn,Pb,Cu成矿元素含量高,Ag,Au,As,Sb和Hg元素也较富集。在多金属沉积区,发现热液沉积过程是有规律的,它们依一定的次序逐步沉积下来,最先沉积出来的是硫化物,包括闪锌矿、黄铜矿、黄铁矿、白铁矿和方铅矿等,其次是硅酸铁,最后是氧化铁和氧化锰。由此看出,热液沉积物代表着矿化溶液演化的不同阶段,见Binns等。显然硫化物发生于演化阶段的早期,铁锰氧化物发生于演化阶段的晚期。2.4热液元素通量的计算使海水组成的恒定性解释受到了挑战长期以来,人们认为在长达数亿年的历史中,海水的主要化学组成(Na+,Mg2+,Ca2+,K+,Cl-和SO2−442-)是恒定的,而河流输入则认为是海洋物质的主要来源。实际上,河水组成与海水组成是很不相同的,为此,Sillen提出了稳态模型来解释海水化学组成的恒定性。根据这一模型,认为控制元素平衡的机制是海水与非晶质铝硅酸盐相互作用产生黏土矿物和CO2。玄武岩在低温蚀变中可以从海水中摄取阳离子构造铝硅酸盐结构,放出挥发物质,在平衡过程中消耗HCO-3和碱金属而产生H+离子。Carrels研究了在104～109年时间尺度内全球的地球化学收支平衡并进行了质量平衡计算,这是一个非常复杂的理论计算,对于揭示海水化学元素组成的恒定性是有理论价值的。但是,应当指出这个计算由于历史原因而未将热液通量的贡献考虑进去,因此,其计算结果缺乏真实性,故必须加以修正。在热液活动发现之后,Thompson,Edmond对热液通量进行了估算,从估算结果来看,热液对海水元素的贡献是不可忽视的。例如,在Chester和Damm的报导中,热液通量(以EPR210为根据进行的计算,单位为mol/L)与河流通量处在同一量级的有K(1.9×1012),SiO2(x.1012);热液通量大于河流通量的有Li(1011:1010),Rb(109:106),Mn(1011:109),Fe(1011:103);热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明显高于河流通量,Na,Mg,Sr明显低于河流通量。由此看来,在研究海水化学成分的恒定规律时,热液通量的贡献必须作为一个重要因子加以考虑。2.5利用3He/热比值计算大洋热通量大洋中的热量一方面来自太阳辐射,另一方面来自地幔的热散射,后者的热量可以通过3He/热比值计算方法求得。Jenkins等根据在EPR210N测定的3He/热比值计算为0.5×10-12cm3STP/卡,估算了从地幔中进入大洋的3He通量为(4±1)原子/cm2.S,此值相当每年有6.5×1026个3He原子进入大洋中。以此为根据计算出的大洋的热通量为4.9×1019卡/年,这一结果与地球物理法求得的结果非常吻合。2.6生物与热液活动关系的研究自1977年人类首次在加拉帕戈斯隆起水深2500m处发现了热液喷口周围密集的生物群体,又先后在大洋中脊和东太平洋海隆等现代海底热液活动区发现了与热液喷口对应的“热液生物”群体,这些生物可以自由地生活在100℃左右的水环境中。大型生物在热液喷口群集,说明与热液的喷溢活动有着密切的关系。因此研究这些生物的物种起源、种属分布、生态习性和与现代海底热液活动的关系,有助于探讨海底热液活动的规律性和成矿作用机制。地质学研究海底热液活动不仅有起始阶段、发展阶段、鼎盛期和消亡期,而且有强弱、化学成分和温度等方面的变化或周期性。对应于热液喷溢活动的不同时期,热液喷口周围的生物结构也应有相应的差别。生物对环境的反应是灵敏的,热液活动在强弱、断续及其它物理化学指标上的微小变化会立即影响到周围的海水,而生物壳体结构、化学元素(尤其是微量元素)及同位素组成会精确地记录下这种变化。所以,通过研究热液生物化石中保存的热液活动记录来探讨热液活动的规律性是今后研究的重要方面之一。3海底热液开采的研究展望近几十年来,海洋学家从多种角度对海底热液活动进行了研究,并积累了大量的资料,为作为更深一步研究的起点,特提出以下几点粗浅的认识。(1)海底热液可能以两相流体形式存在,即低盐度蒸汽流体和高盐度卤水型流体。通过分析得知,随着时间的延续,两相流体不断的变化。为此,Butterfield和Massoth,VonDamm,提出了相分离模式,指出,在高温下形成的高盐度卤水先期储存在洋壳中,随后排出,而富含气体的低氯度组分优先排出,这一模式阐明了热液活动的内在规律。(2)海底热液沉积多金属矿床的储量及分布和今后开发利用的可行性调查研究,以及调查、开采技术的发展应加大力度。虽然热液矿区的发现引起了各国的关注和兴趣,但真正达到可利用和开采的阶段仍需很长的时间,或许也像早期宣传开采Fe,Mn结核那样,只是一种理想而难以在短期内变为现实。(3)热液通量的不确定性。应当指出,目前计算的热液元素通量并不十分准确,因为计算时对岩-水反应的范围、深度、新洋壳形成的速度,反应时间等都是在假定的基础上进行的,由于多个不确定因素而使结果的可信度降低,因此,准确计算热液元素通量的工作仍是迫在眉睫的任务。(4)人们知道,热量变化是影响气候变化的主要因素,热量的来源包括天然因素和人工因素。前者主要是太阳辐射和火山爆发等,后者包括石油、天然气和有机物的燃烧。近年来由于后者的原因而使大气CO2猛增,形成温室效应,造成气候变暖,这些因素已为人们所知,但热液活动产生的热效应对海洋和气候的影响并不被重视。作者认为热液活动产生的巨大热通量是一个不可忽视的能量来源,它可能对气候变化产生一定的影响,但这种能量在气候变化和海洋热源中究