国外现代海底热液活动调查研究

国外现代海底热液活动调查研究

0海底热液活动的调查研究现代海底热液活动是在岩石圈和大海之间交换能量和物质的过程。突出的特点是高热液从海底流出。这种地质现象导致了特殊的海床形态特征和上层水体异常。由于高温光源的存在，现代海底活动的海床设计和热流异常。现代海底热液活动的研究基本上是基于现代技术设备对现代海底热液活动的独特性质和相关异常进行捕捉的过程。最早正是由于瑞典的“信天翁”号科学考察船在红海地区发现底层水的温盐异常,美国“发现者”号在对这种温盐异常作进一步时调查时才发现了多金属软泥,从而导致现代海底热液活动调查研究的开端.在当时,这种多金属软泥被认为是热液成因的,后来载人深潜器在东太平洋海隆亲眼见到这种多金属软泥正在热液喷口附近形成.底层水的温盐异常则成为现代海底热液活动的一个重要指标,深潜器则成为进行现代海底热液活动调查研究一个重要的手段.冲绳海槽热液活动区的发现则是由于高热流异常的发现.1984年日本实施岩石圈计划在冲绳海槽中部的伊平屋测得高热流异常,最高达1600mW/m2.到1986年日本就在此处发现了高温的闪光水.高热流异常也成为现代海底热液活动存在的一个重要证据.国外在现代海底热液活动的调查研究方面已有多年的经验.我国由于条件的限制,在这方面的研究多限于理论研究,海上调查并不多.1研究现代海洋热液活动的方法1.1对热液活动的认识地球在持续不断地以各种形式由内向外进行着热传递.地壳热流是衡量地球热量散失的一个指标,在上世纪70～80年代曾有广泛的海底热流调查,结果表明,全球的平均地壳热流值约为60mW/m2,海底地壳的热流值稍高于陆地的地壳热流值,板块扩张边界的热流值高于板块聚敛边界的热流值.存在热液活动的地区是地壳表面强烈热散失的区域,地壳热流值应该远高于平均值.在冲绳海槽发现热液活动之前就曾有过详尽的热流测量,其中在海槽的北部、中部和南部都出现过高出平均三倍的热值.1984年日本在冲绳海槽实施DELP计划,在伊平屋测得的热流值为1600mW/m2,推测有热液活动存在.后来先后在此区发现了低温热水(42℃)和高温热液流体(220℃),证实了热液活动的存在.继伊平屋发现热液活动区后又在伊是名、南奄西和八重山等区域发现热液活动区.以前和随后的热流调查表明,热液区为高热流异常区,特别是伊是名热液区,“深海2000”的热流测量竟高达30000mW/m2.除冲绳海槽外,在其它的热液活动区如各拉帕各斯扩张中心、Cascadia盆地的BabyBare热液活动区都是由于首先发现了高的地壳热流异常后才发现热液活动区的.目前已知,高热流是热活动区的一个重要特征,高热流异常一方面可以引导我们去寻找热液活动区,另一方面有成为热液活动存在的左证.1.2热液岩石采样岩石采样是海洋地质调查最常用的调查手段,也是现代海底热液活动有力的调查方法之一.对已知的热液区进行岩石样品的采集可以对热液区的地球化学特性,热液成矿机制和热液成因机制等进行研究.对未知的热液区进行采样,如果采到热液区特有的岩石样品,则有希望在该区域找到热液活动区.热液岩石采样所采用的采样器一般为:强有力抓岩机,重力岩心取样器,斗链式挖掘器等.采样器上一般还配有摄像装置,用以对采样目标的实时检测.1.3热液柱的表征从热液喷口喷出的热液流体和周围海水混合上升至中性浮力面后,形成较为稳定形态的热液柱.热液柱和正常的海水相比,其中富含化学元素和悬浮颗粒.从而通过水体的物理或化学分析可以确定热液柱的存在.但在某些海域,如弧后扩张地区,一些浊度异常、Mn和CH4分布异常与热液过程无关,所以必须用包括物理化学和生物化学的多种独立的方法来鉴定水体异常,保证热液活动识别的可靠性.一般深层海水中,CH4的浓度往往小于10nl/kg,3He浓度仅为5.5×10-5nl/kg,而溶解Mn的浓度一般为40ng/L.现代海底热液活动区热液柱的CH4、3He和Mn含量都很高.如冲绳海槽伊是名和伊平屋热液活动区热液柱的CH4浓度分别为8900nl/L和3800nl/L.EPR21°N热液活动区热液柱3He的浓度可达0.83E-13cc/g.TAG热液活动区热液柱Mn的浓度为680μmol/kg,JDFR热液活动区热液柱Mn的浓度为545μmol/kg.下表给出几个热液活动区热液柱的CH4、3He和溶解Mn的测量值(表1).从上表可以看出,热液柱和正常的底层海水相比,其中CH4和3He和Mn的浓度有较大异常,一般地,三者异常的耦合出现是热液柱的典型特征.水样中3He,Mn,CH4的浓度是在实验室中经过分析以后得出的.这种方法的弱点是速度慢,数据量小,不能对水体异常进行实时观测.1.4海水深度和深度对硅氧的溶解氧含量的影响热液流体和海水混合后同样可以改变原来海水的硅氧浓度,从而引起硅氧浓度异常.本文引用Cascadia盆地热液活动区的测量结果说明热液活动区热液柱的硅氧浓度异常特征.Cascadia盆地海区,正常情况下溶解氧的浓度值在海面最大,随深度的增加而迅速降低,并在1000m左右取得最小值,而后缓慢增加,直至海底.溶解硅的浓度值在海面最小,随海水深度的增大而迅速增大,同样在1000m左右的深度,其浓度增大的幅度明显降低,而后缓慢增大至到海底.如此不同的是,在该盆地中出现热液活动的区域,溶解氧和溶解硅的浓度都在水深2400m处开始迅速增加.硅异常可达50μmol/L,而氧异常可达0.5mL.硅氧异常的出现要求有额外的硅氧源,Casscadia盆地底层海流不可能是硅氧的补给原因,而且在其它地方也没有发现类似的异常现象,热液才可能是直接的补给源.随后在该盆地中Bobybare热液活动区的发现证实了这种推测是正确的.海水中硅氧的浓度需要对所采水样进行室内检测后才能给出,将这种方法用于热液活动的观测,同样存在数据量小,速度慢,不能对水体异常进行实时观测的弱点.1.5水体热液活动监测如前所述,从高温的热液喷口喷出后,和周围的海水混合后,必然改变周围海水的温度、盐度.又由于热液流体中含有大量的悬浮颗粒,热液流体和周围海水混合后除引起温度、盐度、密度异常外还将引起海水的透光度异常.CTDT可以对水体实施现场的温度、盐度和透光度测量.早在1988年Thomson等就用装有压力和水温传感器的热探针在卡斯卡地亚盆地进行了热液活动调查研究.热探针具有很高的分辨率,可以每10秒钟记录一个水体的现场温度值.但因为热探针达到热平衡需要一定时间,这就限制了用热探针进行水体温度测量时热探针上升或下行的速度.1993年Thomson等重又在该盆地进行水体的热液活动调查.此次调查使用了两种剖面包.一种是将一个数字CTD和一个透光度仪(T)和一个9瓶取样器组合在一起:另一种是将一个改造的CTD、一个透光度仪和一个声多谱勒流速剖面仪(ADCP)组合在一起.两组装置都进行剖面上行和下行的测量,记录数据直接传输到船上,CTDT以25kHz的频率取样,温度和盐度的测量精度分别为0.001℃和0.01psu,该系统可以比较快的速度进行上升和下行的测量.结果在该盆地的BabyBare区发现了较大的温度、盐度异常和海水浊度异常.而且温度、盐度异常和透光度异常相关性很好.这种偶合说明CTDT异常是热液成因的,而不是海底沉积物的再悬浮现象.后来,为了有效地通过水体各种异常测量来进行现代海底热液活动的调查研究,出现了多种热液柱剖面仪,如CTD-RMS系统和MAPR剖面仪等.这些仪器一般都由CTD、透光度仪、声脉冲发射器和多个取样瓶组成.可以对水体的温度、盐度和透光度进行直接的实时测量,并能够在需要时对水体进行取样.这种剖面仪即可以固定在某一个站位进行上行和下行的测量,也可以将其沉放在离海底一定的深度以一定的速度在行进中测量.近几年这种仪器设备和工作方法在东南印度洋、西南印度洋和印度洋三叉脊区的现代海底热液活动调查研究中得到了广泛的应用并取得了很好的效果.1.6gus、agus系统和热液室的海底形貌热液活动区在地形上往往都有一些特有的标志,如烟囱、硫化物丘、海底裂隙、热液生物群落等.旁扫声纳系统、海底照像系统、多波束仪的研制与应用,可以对海底热液系统进行直接的观测,这对海底热液活动的研究有较为重要的贡献.较早使用的Augus摄像系统可以拍摄35mm的彩色图片,工作时将它沉放到距海底以上4m的距离,拍摄半径为6m,考察船以0.5～1节的速度行进,它可以每8～16秒拍摄一次,每投放一次Augus系统可以拍摄3000幅彩色照片,当光源增强时,Augus系统可以提升到距海底10～15m处,从而增大拍摄半径.其位置由其工作状态和船的位置决定,拍摄的照片直接传到船上处理.Augus系统在各拉帕各斯热液活动区一条150km长的剖面上共获得57000张彩色海底照片,为热液活动区的研究提供了详细的海底地形、地貌资料.SeaMarcⅠ和MarcⅡ是一种深拖旁扫声纳和多波束测深系统,附带的照像系统用以对比声纳图像,有1.5,3,6km等多个扫描宽度选择挡.该系统曾多次进行热液系统的海底测量.1.7海底热液活动的obs观测热液活动区一般都处在构造活动的部位,深部的岩浆活动、断裂活动、下渗海水的高温汽化都会产生大小不等的地震活动,这是现代海底热液活动区的又一重要特征.这已经为现代海底热液活动区的OBS观测所证实,并且OBS观测也已成为现代海底热液活动观测的一项重要手段.Hussong等在马里亚纳海槽热液活动区附近的扩张脊—转换断裂带—扩张脊的交汇处,安放了6台OBS,测得每天发生15次局部地震,量级15—40,确定了300多个震源.震源集中在一第大约5km宽,75km深的地震带上.Kiyoyuki等用小阵列OBS排列来观测伊是名海穴中黑烟囱口处热液活动区的地震颤动.投放的三个OBS呈三角形排列.间距为500m,投放4天,共记录了40小时的地震记录.从背景擅动分辨出三种事件:自然地震50次,持续时间短,能量小的间断地震事件共30次,持续时间一般在10～12分钟的小地震事件多次.1.8调查研究的内容深潜器在现代海底热液活动的调查研究中起到了非常重要的作用,它可以直接下潜到热液活动区,观测热液烟囱的形态、测量喷口的温度、采集烟囱及块状硫化物标本、采集热液生物标本、拍摄热液活动的照片等.美国的Alvin号深潜器,法国的Nautile号深潜器在东太平洋海隆及大西洋中脊热液活动区的调查研究中功勋卓著,前苏联Mir号深潜器,日本的深海2000号和深海6500号深潜器在西太平洋边缘、印度洋海隆热液区的调查研究中则是功不可没.2海底热液活动的调查和研究方法现代海底热液活动持续不断地由地球的内部向外传递着物质和热量,一方面它把地球内部的有关信息带给我们,同时也在不断地调整、改变着我们的生存环境,它的发现同时带给我们认识地球内部和外部环境的两把钥匙.现代海底热液活动的研究在海洋科学的研究中虽然年轻,但却占有相当重要的地位.到目前为止,现代海底热液活动的调查研究已经历了半个世纪的里程,但我们无论对海底调