EPR 9°~10°N L喷口黑烟囱体形成环境重建：来自矿物学及铅 210年龄的限制EPR 9°~10°N L喷口黑烟囱体形成环境重建：来自矿物学及铅 210年龄的限制

为了重建EPR 9°~10°N L喷口的形成环境，采用矿物学、地球化学及年代学的方法，对黑烟囱体的矿物组成、矿物结构、元素剖面分布以及黑烟囱体内外层铅210测年进行了研究。矿物学观察表明，该喷口烟囱体内壁主要由方黄铜矿组成，而外壁则主要由硬石膏组成。铅210测年结果表明，烟囱体形成于EPR 9°~10°N区域内1991年的火山喷发事件之后，并有较低的生长速率，约为03 cm/a。结合该喷口及其附近A喷口已发表资料认为，该烟囱体开始生长是由于蒸气相流体引起的，其后期受到卤水相流体的影响，而且流体温度应不小于330 ℃。     

EPR 9°～10°N L喷口黑烟囱体形成环境重建:来自矿物学及铅-210年龄的限制

为了重建EPR 9°~10°N L喷口的形成环境,采用矿物学、地球化学及年代学的方法,对黑烟囱体的矿物组成、矿物结构、元素剖面分布以及黑烟囱体内外层铅-210测年进行了研究。矿物学观察表明,该喷口烟囱体内壁主要由方黄铜矿组成,而外壁则主要由硬石膏组成。铅-210测年结果表明,烟囱体形成于EPR 9°~10°N区域内1991年的火山喷发事件之后,并有较低的生长速率,约为0.3cm/a。结合该喷口及其附近A喷口已发表资料认为,该烟囱体开始生长是由于蒸气相流体引起的,其后期受到卤水相流体的影响,而且流体温度应不小于330℃。     

胡安·德富卡洋中脊富锌烟囱体流体通道演化特征

对采自Faulty Towers(47°57.447'N,129°6.568'W)硫化物烟囱群一个不再活动的烟囱体硫化物开展了详细的矿物学和地球化学研究。样品从外壁往内壁方向可划分为4个矿物组合带,分别为重晶石-无定形硅-铁氧羟化物带;白铁矿-黄铁矿-无定形硅-重晶石带;白铁矿-黄铁矿-闪锌矿-纤锌矿带;纤锌矿-黄铜矿-白铁矿带。从底部到顶部,样品通道形态主要有3种:不规则、不连续的多通道;椭圆形单通道;封闭的通道。矿物学研究证实,烟囱体以低温矿物组合白铁矿、纤锌矿为主,高温矿物黄铜矿少见,仅局限分布在流体通道附近。210Pb定年结果表明,烟囱壁形成经历较短时间(约3 a),而通道的闭合则经历了相对长的过程(约17 a)。结合矿物学研究,最终恢复了整个尖塔结构的生长历史。     

东太平洋海隆13°N附近热液Fe-S-H_2O系统布拜图及其地质意义

在热力学计算的基础上,依据硫化物中矿物组合和热液流体化学组成绘制东太平洋海隆13°N附近热液Fe-S-H2O系统布拜图(Peurbax diagram),阐明了实际情况下东太平洋海隆13°N附近热液流体由高温至低温的过程中,硫化物中优势矿物黄铁矿的稳定场的演化。结合已有的动力学实验和硫同位素分馏的研究成果,揭示了沉淀硫化物的热液活动过程中形成优势矿物黄铁矿的可能的主要化学反应历程。在东太平洋海隆13°N附近海底热液系统中,热液流体由高温(T200℃)演化至低温(25~200℃)过程中黄铁矿的形成机制发生了明显的改变。     

东太平洋海隆13°N表层含金属沉积物物质组成与元素赋存状态

为了解不同类型含金属沉积物在物质组成和元素赋存状态的差异,对东太平洋海隆13°N洋中脊两侧表层含金属沉积物(站号:E271和E53)进行了矿物学、地球化学分析,顺序提取实验,并与前人对轴部表层沉积物(站号:17A-EPR-TVG1)的研究结果作了对比分析。研究结果表明, E271和E53是远端含金属沉积物,由非浮力热液羽状流中颗粒物沉降所形成的;17A-EPR-TVG1沉积物是近喷口含金属沉积物,由黑烟囱或者热液硫化物丘状体崩塌、堆积,或者由热液羽状流中Fe-Mn氧化物和硫化物快速沉淀而形成的,近喷口沉积物比远端沉积物更富集Fe、Cu和Zn等元素。元素在两种含金属沉积物中的赋存状态基本相同,除了Fe,Cu,Zn,Mo和稀土元素(REE)等元素在远端沉积物中主要存在于Fe-Mn氧化物相,在近喷口沉积物中主要在残留相中。远端沉积物中REE页岩标准化配分模式与海水相似,表明REE主要来自海水,而近喷口沉积物中REE配分模式与热液流体相似,说明REE以高温热液流体来源为主。相关研究结果加深了对热液沉积作用研究的认识。     

海底下面的火山口

就在２０多年前,科学家勘查洋中脊系统,首次发现了壮观的黑烟囱由金属硫化物矿物构成的热液火山管强有力地释放出热的、充满粒子的黑色流体进入海洋。这些烟囱喷发的流体的最终来源是海水,但海水和热液流体的化学成分明显不同。喷口流体不仅远比周围的海水热,而且它们的酸性更大,更富集金属,并且具有较高的溶解气浓度,如氢、甲烷和硫化氢等。受流体频繁搬运的金属在海底形成矿床,溶解气供给一个丰富的生物群体,它们是通过化学反应而不是阳光获得能量的。那么,海水是通过什么过程转变成从黑烟囱中喷出的流体的呢？答案就在海底下面…     

胡安·德富卡洋中脊富锌烟囱体流体通道演化特征

对采自Faulty Towers(47°57.447'N,129°6.568'W)硫化物烟囱群一个不再活动的烟囱体硫化物开展了详细的矿物学和地球化学研究。样品从外壁往内壁方向可划分为4个矿物组合带,分别为重晶石-无定形硅-铁氧羟化物带;白铁矿-黄铁矿-无定形硅-重晶石带;白铁矿-黄铁矿-闪锌矿-纤锌矿带;纤锌矿-黄铜矿-白铁矿带。从底部到顶部,样品通道形态主要有3种:不规则、不连续的多通道;椭圆形单通道;封闭的通道。矿物学研究证实,烟囱体以低温矿物组合白铁矿、纤锌矿为主,高温矿物黄铜矿少见,仅局限分布在流体通道附近。²¹⁰Pb定年结果表明,烟囱壁形成经历较短时间(约3 a),而通道的闭合则经历了相对长的过程(约17 a)。结合矿物学研究,最终恢复了整个尖塔结构的生长历史。     

东太平洋海隆(EPR) 13°N 附近含金属沉积物孔隙率研究

研究了采自东太平洋海隆13°N(EPR 13°N)的一个热液成因含金属箱式沉积物岩心E272的孔隙率变化特征。样品孔隙率在70.0%-85.2%之间,顶部层位比底部层位高14%左右。孔隙率随深度增加而指数式单调递减,平均递减梯度约为-0.31%/cm。该岩心上部层位呈红棕色,下部层位呈黄绿色,表明该岩心经历了显著的早期化学成岩作用。前人关于该岩心的元素地球化学,粒度和年代学数据,共同证明该岩心孔隙率随深度变化特征受稳态压缩过程控制。其孔隙率随深度的变化关系符合稳态压缩模型的经验拟合公式。E272顶部沉积物-水界面处溶解物质与海水的交换以离子扩散机制为主,而岩芯内部溶解物质的迁移则可能主要受自下而上的孔隙水流动机制控制,这与岩芯中活动元素含量上部高,下部低的分布模式一致。该研究对将来进一步讨论E272岩心在早期成岩作用中的化学过程具有指导意义。     

Study on the porosity of a metalliferous sediment core from the East Pacific Rise 13°N

研究了采自东太平洋海隆13°N（EPR13°N）的一个热液成因含金属箱式沉积物岩心E272的孔隙率变化特征。样品孔隙率在70．O％～85．2％之间,顶部层位比底部层位高14％左右。孔隙率随深度增加而指数式单调递减,平均递减梯度约为-0.31％／cm。该岩心上部层位呈红棕色,下部层位呈黄绿色,表明该岩心经历了显著的早期化学成岩作用。前人关于该岩心的元素地球化学,粒度和年代学数据,共同证明该岩心孔隙率随深度变化特征受稳态压缩过程控制。其孔隙率随深度的变化关系符合稳态压缩模型的经验拟合公式。E272顶部沉积物．水界面处溶解物质与海水的交换以离子扩散机制为主,而岩芯内部溶解物质的迁移则可能主要受自下而上的孔隙水流动机制控制,这与岩芯中活动元素含量上部高,下部低的分布模式一致。该研究对将来进一步讨论E272岩心在早期成岩作用中的化学过程具有指导意义。     

台湾东北部龟山岛附近海域自然硫烟囱体的铅同位素组成及地质意义

为了探讨龟山岛附近热液自然硫烟囱体的物质来源,通过测定烟囱体内铅同位素的组成特征,分析了该地区热液活动的铅元素物源.研究结果表明,龟山岛附近热液自然硫烟囱体中的铅同位素组成具有很小的变化范围和较均一的铅同位素组成特征,但是与其它深海热液沉积物的铅源不同,与北半球铅同位素的参考线(NHRL)相距甚远.虽然自然硫烟囱体出现在海水环境,但是海水对其不存在铅的贡献,烟囱体内的元素铅主要是陆壳来源.根据以上结果可以进一步推断,龟山岛热液活动区的下伏地层中,存在一定分布范围的陆壳,这对于研究该地区复杂的地质构造特征具有一定意义.     

冲绳海槽唐印热液区中硬石膏的化学及其硫同位素组成

硬石膏是最早构成热液烟囱体壁的矿物之一,其对于了解流体-海水混合以及海底热液系统中元素的迁移与循环具有重要的意义。为此,对西太平洋冲绳海槽唐印热液区中的硬石膏,进行了微区原位元素以及硫同位素组成分析。根据硬石膏的结晶形态,可以将硬石膏分为两种类型：较早形成的I型硬石膏,其呈半自形或他形晶,似针状、放射状及不规则晶的集合体产出;较晚形成的II型硬石膏,其呈自形晶,以板状及粒状晶的集合体产出。当热液流体初次遇到海水时,将快速沉淀形成I型硬石膏,并构成了热液烟囱体的壁。随后,II型硬石膏经历了一个相对充分的生长阶段。同时,硬石膏中的Ba、Al、Sr、Ni、Fe、Mn和Cr含量明显高于海水,表明产生硬石膏沉淀的热液流体来自于海底面以下,是经历了流体-岩石和/或沉积物相互作用的流体。硬石膏的Mg含量明显分别低于海水和高于喷口流体,表明其是流体-海水混合的结果。I型硬石膏,其Sr含量明显低于II型硬石膏,表明在形成自形、板片状或粒状硬石膏的期间,来自热液流体的Sr,主要进入II型硬石膏中。硬石膏的Fe、As、Sr、Ba和Pb含量,明显高于冲绳海槽喷口流体的,则表明这些来自流体中的元素更容易随着硬石...     

黄土高原西部9～3.8 kaBP的湿润气候

野外调查表明,沼泽-湿地相地层在黄土高原西部广泛分布,测年结果表明该地层形成于9～3.8 kaBP.该地层有机质含量很高,指示区域普遍湿润;粒度记录表明9～3.8 kaBP 冬季风较弱.孢粉记录表明,9～3.8 kaBP 黄土高原西部植被繁茂,孢粉组成中乔灌木成分的含量最高可达80%以上.水生-湿生类型的蜗牛在9～3.8 kaBP大量出现, 其总体积约占该时段地层体积的25%,也指示区域普遍湿润;3.8 kaBP以后气候总体趋向干旱.可能的机制是(1)65°N 的太阳辐射在9～8 kaBP达到峰值,巨大的海陆热力差异使季风迅速强盛;(2)在6 kaBP前后北半球夏季辐射增强,加强了东亚季风的水汽输送;(3)全新世中期良好的植被的正反馈加强了夏季风;(4)长尺度的厄尔尼诺活动在全新世中期较弱,对东亚季风有加强作用.     

龟山岛附近海底热液自然硫烟囱体的硫同位素研究

利用稳定同位素质谱仪对龟山岛附近海底热液自然硫烟囱体分层取样的硫同位素分析,获得了自然硫烟囱体的硫同位素特征。结果表明,龟山岛附近海底热液自然硫烟囱体的δ34S值变化不大,幅宽只有0.913,说明自然硫的来源较为单一,受控因素相对较少。根据硫同位素值的特征,划分出三种类型的烟囱体,它们是由热液流体中的硫同位素值和海水与烟囱体外壁的反应来控制,Ⅰ型烟囱体、Ⅱ型烟囱体的外壁与海水发生化学反应,形成一定量的自然硫沉淀,烟囱体的生长是向内、向外两个角度同时生长;Ⅲ型烟囱体则主要是向内一个角度生长。热液流体中的δ34S值(H2S)随时间的变化是由于海水端元和玄武岩端元不同比例的混合所致。     

普通黑烟囱热液系统及巨羽流形成的基本数学模型

建立了一种新的管状模型来模拟普通黑烟囱体的热液循环系统,分别用达西方程、湍流方程、Ergun方程和“浮压力差”方程来描述热液循环不同关键环节处的动力学系统,用一个温度场的对流-扩散方程来描述反应区的热能交换及系统的温度变化规律.在联立几个方程并用有效的数值算法及Matlab语言编程求解后,得出了系统中温度、压力及物质流速随时间的变化曲线,并对黑烟囱体内部的动态热平衡和压力平衡进行了分析.在普通黑烟囱体系统模型的基础上进一步建立了巨型羽状流(巨羽流)生成的数学模型.选择胡安·德富卡(Juan de Fuca)洋脊热液喷口对巨羽流的形成进行了模拟,其结果与Baker根据实测数据估算的近似值吻合很好.在上述模型的基础上进一步探讨了巨羽状流形成的一系列条件及主要参数对巨羽流生成周期、温度和最大物质流速等的影响.主要结论如下:巨羽流系统可以由普通黑烟囱系统发展演化而成,其实际过程是普通黑烟囱流系统活动所形成的热液沉积在一定程度上会堵塞热液喷溢通道(相当于形成盖层),造成热液在海底之下积蓄和升温,从而导致浮压力差增大,经过2~3 a(浮压力差达到盖层破裂极限值)则可形成巨羽流系统,巨羽流产生时的热源温度必须超过500℃,喷出热液的最高温度为413℃左右(与实际观测到的海底热液的最高温度一致).当反应区热源温度增大时,产生巨羽流的临界时间明显变短(可能不到1 a),而临界温度(巨羽流生成时的温度)及巨羽流的最大物质流速几乎不随其变化;随着渗透率的增大,巨羽流的最大物质流速也随之增大,但其增速随渗透率的进一步增大而变缓,并逐渐趋向一个相当于下渗流无摩擦阻力时的极限稳定值.     

东北印度洋85°E海脊的性质和起源:综述和新认识

85°E海脊是东北印度洋一条重要的线性基底隆起,形成于中生代印度板块北漂过程中的构造和岩浆活动。海脊的结构、性质和起源蕴含了东印度洋扩张和印度板块北漂过程的关键信息,然而目前对其构造属性和形成演化的认识存在较大争议。分析了85°E海脊及邻区的重磁异常特征,结合前人对海脊外部形貌、内部结构、深部构造以及东印度洋板块重建的研究成果,探讨了海脊的性质和起源。结果表明,85°E海脊的形成是热点活动、洋脊扩张、转换断层、扩张中心跃迁以及板块汇聚远程效应等多种地质过程综合作用的结果。海脊呈现明显的构造分段性,不同分段的结构、性质和成因机制不同。12°N以北的海脊形成于板内热点型岩浆作用;2°～12°N的海脊与NW-SE向和N-S向两期海底扩张的边界高度吻合,是白垩纪东印度洋扩张中心调整和板块重组的产物;2°N以南的阿法纳西-尼基廷海山是随着海底扩张逐渐侵位的热点型海脊,可能与2°N以北的海脊不存在成因上的关联。分析认为,2°～12°N的海脊中段是未来部署地球物理测量、进一步确认海脊性质和成因的关键区域。通过深海钻探揭示海脊不同分段的物质组成和形成时代,是破解85°E海脊的性质和起源、白垩纪印度洋板块重建事件以及热点-洋中脊相互作用机制等重大地质问题的关键途径。     

胡安·德富卡洋脊因代沃段热液黑烟囱体成矿物质来源:硫同位素的限制

选取胡安.德富卡洋脊(Juan de Fuca Ridge,JDFR)因代沃(Endeavour)段的17个热液黑烟囱体样品对其中的硫同位素进行分析测定,讨论了因代沃段热液活动区内黑烟囱体成矿的物质来源、将硫同位素数据与已发表的热液流体及硫化物数据耦合,并结合前人的成果得到如下认识:(1)因代沃段硫化物的硫同位素组成与其他无沉积物覆盖的洋脊硫化物硫同位素组成相似,然而其相比于南胡安.德富卡洋脊(South Juan de Fuca Ridge,SJFR)硫化物亏损重同位素;(2)结合前人研究成果,如果SJFR硫化物的硫全部来自基底玄武岩的淋洗与海水中的硫酸盐,那么因代沃段硫化物的硫可能有1%～3%来自沉积物的贡献,故提出因代沃段成矿系统中的硫来源主要来自基底玄武岩,同时伴随有少量海水硫酸盐来源及沉积物来源的硫加入;(3)将硫同位素数据与已发表的热液流体及硫化物数据进行耦合发现热液流体中的沉积物信号与硫化物中的硫可能来自不同的源,并提出沉积物端元可能位于下渗区。     

东太平洋海隆13°N 附近洋中脊玄武岩微量元素特征

对33件采自东太平洋海隆(EPR)13°N附近的玄武岩和火山玻璃样品进行了微量元素分析,以探讨该区域玄武岩的演化过程和物质来源。测试分析结果显示所有样品的微量元素含量比值m(Tb)/m(Lu)(1.74~2.03),m(Sm)/m(Nd)(0.29~0.35)和m(Nd)/m(Y)(0.32~0.48)存在不能忽略的变化,表明它们可能受到了非均一质地幔来源的影响。m(La)/m(Nb),m(La)/m(Sm)和m(La)的线性相关性辨别结果,以及稀土元素分布型式图表现的元素分布特征等均表明东太平洋海隆13°N附近的洋中脊玄武岩可能来自不同的端元组分,也证明研究区域内的玄武岩除N-MORB(常规型MORB)外,还有E-MORB(富集型MORB)。此外,玄武岩m(Ce)/m(Pb)和m(Ce),m(Nb)/m(U)和m(Nb),以及m(Nb)/m(La)和m(La)线性相关性,均显示了这些微量元素比值和微量元素含量的正相关趋势,这可能与双组分地幔熔融有关。m(Nb)/m(Th)和m(Th)线性相关性显示出负相关,显示该区域玄武岩的地幔来源组成可能受到了富集组分的影响。分析显示,样品的Nb*值均大于1,而大部分样品的Ta*值大于1,这表示大部分玄武岩的来源很可能是从俯冲区域循环的物质。     

西北太平洋137°E断面温度场和盐度场的时空特征

本文利用日本气象厅在137°E断面获得的水温和盐度长期观测资料,分析了该断面温度场和盐度场的时空特征.结果表明,137°E断面的温度场和盐度场都存在着明显的季节差异和年际变化.冬季,温度场变化的关键区位于3°~18°N的300m以浅海域,而盐度场变化的关键区则位于18°~34°N的300m以浅海域.夏季,温度场变化的关键区位于3°~16°N的300m以浅海域,而盐度场则有两个关键区,分别位于3°~18°N的200m以浅海域和24°~34°N的300m以浅海域.温度场的年际变化与ENSO循环相联系,而盐度场的年际变化则比较复杂.     

东太平洋海隆13°N和赤道附近表层沉积物中的元素赋存状态

为了解海底热液活动对沉积物元素赋存状态的影响,对东太平洋海隆(EPR)13°N和赤道附近表层沉积物样品17A-EPR-TVG1、17A-EPR-TVG5做了全样及顺序提取分析,探讨了Al、Ca、Fe、Mn、Ti、Ba、Zn、Cu、Sr、V、Mo、U及稀土元素赋存状态。XRD结果显示,17A-EPR-TVG1沉积物的主要矿物形态为黄铁矿,17A-EPR-TVG5沉积物样品主要矿物为方解石。受热液影响明显的17A-EPR-TVG1沉积物中,除Ca、Sr外,其余元素主要赋存于铁锰氧化物与残留相中。正常深海沉积物17A-EPR-TVG5中,除Al、Ba、Ti外,其余元素主要赋存于碳酸盐相及铁锰氧化物相中。稀土元素的顺序提取结果显示,17A-EPR-TVG1沉积物4个相态稀土元素北美页岩配分曲线中均有Eu正异常,17A-EPR-TVG5沉积物4个相态稀土元素北美页岩配分曲线中均出现Ce负异常,分别指示了二者形成过程中热液与海水的加入。     

西南印度洋中脊热液产物稀土元素组成变化及其来源

对西南印度洋中脊热液区不同热液产物稀土元素(REE)进行了分析,探讨了热液产物形成过程中稀土元素组成变化及其来源。研究结果表明:不同热液产物稀土元素总量变化范围从3.47×10-7到4.80×10-5,轻重稀土比值(LREE/HREE)从2.06到6.16,表明轻重稀土有较大程度分异,δEu异常(δEu=0.86~3.88)和δCe异常(δCe=0.40~0.86)显示热液产物中REE呈Eu富集和Ce亏损特征。稀土元素球粒陨石标准化模式呈现两种类型:(1)呈轻微富集LREE的平坦模式,REE大于2×10-5;(2)呈显著富集LREE和正Eu异常模式,REE小于5×10-7。模式1类似于洋壳火山岩REE配分模式,而模式2与西南印度洋中脊黑烟囱REE模式相似,也与典型洋中脊热液喷口流体和硫化物LREE富集和正Eu异常模式类似。热液产物中稀土元素含量变化和模式特征以及Mg与LREE极强正相关关系可能反映了西南印度洋中脊硫化物形成在热液流体与海水混合沉淀的初始阶段,后期经历了广泛的热液流体再循环和海水蚀变过程。