西太平洋弧后盆地的热液系统及其岩浆环境研究

研究海底热液系统及其岩浆环境,可为了解西太平洋流固界面跨圈层物质与热交换过程,揭示板块俯冲过程的岩浆活动和资源环境效应提供研究支撑。为此,研究了冲绳海槽热液活动的岩浆环境、马努斯海盆的热液柱以及弧后盆地和洋中脊背景下的硫化物与玄武岩的同位素组成,对冲绳海槽热液区附近玄武岩、安山岩、粗安岩、英安岩、流纹岩及其基性岩浆包体进行了岩相学、矿物学以及主量元素、微量元素和同位素组成分析,对马努斯海盆PACMANUS和Desmos热液区的热液柱及海水进行了测量,在海底热液区岩浆混合过程及时间尺度、透视冲绳海槽深部岩浆房及岩浆演化过程和岩浆对热液系统物质贡献研究方面获新进展,揭示了俯冲蛇纹岩对琉球构造带南部岩浆活动的影响,论证了熔体包裹体对弧后盆地岩浆演化的指示,获得了冲绳海槽玄武质岩浆来源新证据,揭示了弧后盆地与洋中脊硫化物和玄武岩中铁、铜、锌的来源及其同位素在硫化物形成和岩浆活动过程中的分馏情况,明确了热液柱的物理、化学空间结构与物质组成特征,以及热液柱的扩散受深度和底流流速的影响,且热液柱扩散过程中溶解铁浓度异常比溶解锰的维持时间更长。未来,发展非传统稳定同位素和挥发份测试技术,进一步了解西太平洋板块俯冲环境下热液活动与岩浆作用的关系,将有助于海底热液系统及其成矿过程研究获得新进展。     

琼东南盆地冷泉差异发育特征及其深部控制机理

海底冷泉与天然气水合物资源、全球气候变化和极端环境生态系统等重大问题密切相关,具有重要的科学意义。冷泉系统形成演化影响因素众多,其时空分布、活动特征及相关物理、化学和生物作用差异较大。冷泉活动的浅表层响应与深部控制要素的耦合关系、冷泉差异发育的流体动力学过程与控制机理等科学问题有待深入研究。以琼东南盆地为主要研究对象,针对冷泉差异发育特征及其控制机理问题,以流体动力学研究为主线,深浅连通,将浅表层冷泉观测数据与深部地质环境、地层压力等要素相结合,精细刻画冷泉流体从物源层向浅表层运移的渗漏通道特征,建立冷泉浅表层响应与深部要素之间的耦合关系,揭示冷泉差异发育的流体动力学模式,探讨冷泉差异发育的控制机理,以期为冷泉环境水合物勘查与试采、深海物质和能量迁移转化及极端环境的生态系统研究提供理论依据。     

西太平洋典型弧后盆地的地质构造、岩浆作用与热液活动

研究了西太平洋典型弧后盆地冲绳海槽和马努斯海盆的区域地质背景、岩浆岩、喷口流体、热液柱、沉积物以及多金属硫化物。结果表明,冲绳海槽在构造和地球物理特征上南北分异,从北向南地壳厚度减薄,南部重力异常变化大,发育条带状磁异常,中部则具有最高的热流值。马努斯海盆的重力异常变化较小,磁力异常呈东西向展布,海底扩张中心附近出现磁异常条带。马努斯海盆已出现洋壳,冲绳海槽的地壳属于过渡性地壳,在中南部的地堑中可能已出现洋壳。 冲绳海槽与马努斯海盆玄武岩的岩浆是由地幔源区部分熔融产生的原始岩浆与板块俯冲组分混合构成。中酸性岩与基性岩具有相同的岩浆物质来源,是玄武质岩浆结晶分异的产物。与马努斯海盆火山岩相比,冲绳海槽火山岩存在不同程度的地壳混染。 冲绳海槽的喷口流体为富含金属元素（Mn、Fe、Zn、Pb）的酸性高温（高达320 °C）流体,其热液柱中的Zn2 、Cd2 、Pb2 、Cu2 离子浓度明显高于正常海水。马努斯海盆的热液柱呈现出CH4、Mn、Al、δ3He正异常及pH负异常的特征。与马努斯海盆PACMANUS热液区的喷口流体（220–276 °C、pH = 2.5–3.5）相比,DESMOS热液区的喷口流体温度（≥88–120 °C）相对较低,酸性更强（pH ≤ 2.1）,二者较低的δ34SH2S和δD值表明岩浆演化过程中有酸性挥发分进入岩浆流体。冲绳海槽与马努斯海盆含金属沉积物的分布及其元素含量特征具有差异,相应地,两个弧后盆地含金属沉积物中的微生物群落也不同。冲绳海槽和马努斯海盆热液区均具富Zn型、Ba-Pb-Zn型、Si-硫化物型和Si-硫化物-硫酸盐型热液产物。与冲绳海槽的多金属硫化物相比,马努斯海盆中多金属硫化物的Pb和Au含量较低。     

西太平洋典型弧后盆地的地质构造、岩浆作用与热液活动

本文研究了西太平洋典型弧后盆地冲绳海槽和马努斯海盆的区域地质背景、岩浆岩、喷口流体、热液柱、沉积物及多金属硫化物。结果表明,冲绳海槽在构造和地球物理特征上南北分异,从北向南地壳厚度减薄,南部重力异常变化大,发育条带状磁异常,中部则具有最高的热流值。马努斯海盆的重力异常变化较小,磁力异常呈东西向展布,海底扩张中心附近出现磁异常条带。马努斯海盆已出现洋壳,冲绳海槽的地壳属于过渡性地壳,在中南部的地堑中可能已出现洋壳。冲绳海槽与马努斯海盆玄武岩的岩浆是由源区地幔部分熔融产生的原始岩浆与板块俯冲组分混合构成。中酸性岩与基性岩具有相同的岩浆物质来源,是玄武质岩浆结晶分异的产物。与马努斯海盆火山岩相比,冲绳海槽火山岩存在不同程度的地壳混染。冲绳海槽的喷口流体为富含金属元素(Mn、Fe、Zn、Pb)的酸性高温(高达320°C)流体,其热液柱中的Zn~(2+)、Cd~(2+)、Pb~(2+)、Cu~(2+)离子浓度明显高于正常海水。马努斯海盆的热液柱呈现出CH_4、Mn、Al、δ~3He正异常及pH负异常的特征。与马努斯海盆PACMANUS热液区的喷口流体(220~276°C、pH=2.5~3.5)相比,DESMOS热液区的喷口流体温度(88~120°C或120°C以上)相对较低,酸性更强(pH≤2.1),二者较低的δ~(34)S_(H_2S)和δD值表明,岩浆演化过程中有酸性挥发分进入岩浆流体。冲绳海槽与马努斯海盆含金属沉积物的分布及其元素含量特征具有差异,相应地,两个弧后盆地含金属沉积物中的微生物群落也不同。冲绳海槽和马努斯海盆热液区均具富Zn型、Ba-Pb-Zn型、Si-硫化物型和Si-硫化物-硫酸盐型热液产物。与冲绳海槽的多金属硫化物相比,马努斯海盆中多金属硫化物的Pb和Au含量较低。     

我国海底热液活动研究的阶段性进展与展望

海底热液活动调查研究是深海进入、深海探测和深海开发的切入点之一。近十年来,中国在西太平洋弧后盆地、东太平洋海隆、大西洋洋中脊和印度洋脊,发现了一批新的海底热液活动区,围绕着热液活动区的硫化物、流体、热液柱、生物等热液产物开展了调查研究,构建了海底热液地质学,提出了热液活动、冷泉及天然气水合物的同源异汇假说,出版了《海底热液地质学》、《现代海底热液硫化物成矿地质学》、《现代海底热液活动》、《东太平洋海隆热液地质》专著,获得了一批调查研究成果。未来,聚焦海底热液活动的深部过程及其资源环境效应关键问题,发展海底热液活动探测技术,拓展极地海底热液活动调查研究新领域,围绕烟囱体、热液柱、含金属沉积物、流体以及热液区生物等热液产物,开展深入、系统的调查研究工作,无疑将推动海底热液地质学取得新的进展。     

冲绳海槽沉积演化的时空特征

冲绳海槽是晚中新世(9～6Ma)以来形成的与板块俯冲作用密切相关的弧后盆地。将冲绳海槽的沉积演化分成3个阶段：中新世晚期(9～6Ma)-上新世末期(2Ma)、上新世末期-晚更新世(130ka)、晚更新世-现在。研究分析表明,冲绳海槽北段发育最早(中新世晚期),但盆地演化程度最低;中段发育次之而演化程度高;南段发育晚(上新世末期)而演化程度高。现阶段的冲绳海槽,其北段处于衰退期,而中段和南段处于扩阔期。构造活动在盆地的演化中占主导作用,它首先为海槽相当长的地质时期内提供宏观的初始沉积格局,其次为盆地沉积提供部分沉积物质(火山物质和热液)。在构造活动强烈的时期,地壳拉伸对沉积层序的影响大于沉积作用,当构造活动趋于缓和时,相对海平面变化控制了盆地内部沉积结构的变化。     

以大洋钻探开展冲绳海槽热液活动研究的建议

关于沟弧盆构造体系下的海底热液活动,因涉及的问题繁多,一直是海洋地质学界十分注目的重要研究课题。相比之下,西太平洋沟弧盆体系的马里亚纳海槽和西南太平洋的汤加－斐济海盆中的劳海盆都有ＤＳＤＰ／ＯＤＰ的支撑,有关海底热液活动及其构造属性、地壳类型、形成时代等已有了十分明确的结论,唯冲绳海槽至今尚未有此机会。为了迎接１９９８年大洋钻探船来西太平洋海域,特建议在冲绳海槽设站钻探,可在地理座标２７°１５′～２７°３５′Ｎ,１２６°５６′～１２７°１０′Ｅ的范围、水深１３００～１５５０ｍ水域内海底热液活动活跃区选站,连续钻探４～５孔,其目的拟解决以下４个问题：１．冲绳海槽现代海底热液活动通道在岩层中的最大透过深度及其岩石学性质;２．冲绳海槽的热液类型和成岩成矿作用;３．热液活动与地壳性质;４．热液活动在沟弧盆体系演化中的意义。     

西太平洋岛弧-弧后盆地热液活动与硫化物特征

基于国内外研究成果对西太平洋岛弧-弧后盆地热液活动的分布规律、扩张速率、水深以及热液硫化物的矿物组成与金属品位等特征进行探讨。西太平洋岛弧-弧后盆地热液硫化物区以活动型热液区为主,受扩张速率的影响明显主要分布在20～60 mm/a地区;水深分布规律主要受所处构造单元的水深特征控制,而非由热液硫化物区的形成特征所决定;研究区内的热液产物主要为富Zn-Cu、富Ba-Zn以及富Fe-Cu型硫化物;热液硫化物中冲绳海槽具有最高的Ag、Pb含量,劳海盆具有最高的Zn含量,马努斯海盆和伊豆-小笠原-马里亚纳海槽具有较高的Au含量,北斐济海盆具有最高的Cu含量。本研究将进一步为西太平洋岛弧-弧后盆地地区热液硫化物资源的勘探与潜在资源量的估算提供参考。     

热液和冷泉10种无脊椎动物基因组大小测定及比较

基因组大小(或称C值)作为生物单倍体细胞中全套染色体的DNA总量,在一定程度上是恒定的,因而C值可以作为生物物种的一个特定参数。深海热液和冷泉为更好地理解C值与不同环境之间的关系提供了一个特征性的模型。本文采用流式细胞术,测定了来自热液和冷泉环境中的10种深海无脊椎动物的C值,其分布范围从0.87 pg到12.28 pg,其中,相比于软体动物和多毛类,甲壳生物基因组大小及变异均较大。对比热液和冷泉两个群落中共有种(深海偏顶蛤Bathymodiolus platifrons、柯氏潜铠虾Shinkaia crosnieri以及长角阿尔文虾Alvinocaris longirostris)的基因组大小,发现C值差异并不显著。同时,综合已有的数据,对深海化能极端环境与其他环境条件下的物种C值进行对比分析,结果显示深海化能极端环境下生物的基因组大小并没有发现明确的变化趋势。     

冲绳海槽南部海底热液活动区地形地貌特征及成因分析

为了进一步理解构造地质过程对弧后盆地热液活动及成矿作用的影响和控制,以实测和收集的多波束资料为基础,对冲绳海槽南部多个海底热液活动区的地形地貌特征进行了精细刻画。结合前人研究成果,从构造地质学的角度分析了热液区地形地貌的成因机制。结果表明,冲绳海槽南部热液区均为海底火山成因地貌,不同热液区的海底地貌分属于不同类型岩浆作用的产物:D海丘受岛弧和弧后盆地岩浆作用的双重影响,A海丘群由岛弧为主的多源岩浆作用产生,C海丘和B海丘群属于琉球火山岛弧,雨花海丘形成于造山期后地壳伸展导致的岩浆上涌。冲绳海槽中央地堑与琉球火山岛弧的交汇处有利于形成大规模岩浆和地热活动。琉球火山岛弧的岩浆活动存在时空迁移,与海槽构造演化过程中由分散式裂陷向中心式裂陷的转换有关。唐印热液区的存在表明台湾北火山带在槽底北缘及陆坡区仍具有较强的岩浆和地热活动性,是未来冲绳海槽南部海底热液调查的重要靶区之一。     

构造地质过程对冲绳海槽热液活动及成矿作用的控制研究综述

在对冲绳海槽及邻区构造地质学和热液地质学调查研究成果进行全面总结的基础上,将深部地球动力学机制、冲绳海槽形成演化、岩浆作用过程、热液系统结构、流体循环模式和成矿作用特征等多方面的问题,纳入到统一的框架下,探讨了冲绳海槽构造地质过程对热液活动和成矿作用的控制机理。分析认为,区域中尺度地幔流引起了东亚大陆边缘岩石圈向东的蠕散,并驱动了菲律宾海板块沿琉球海沟向欧亚板块之下的俯冲。在弧后小尺度地幔对流、岩石圈减薄、板片反卷和俯冲后退的共同作用下,冲绳海槽发生弧后张裂。张裂作用在岩石圈内形成了网状破裂系统,为岛弧和弧后岩浆上涌提供了通道,并且引起了不同来源岩浆的干扰和混合。侵位到地壳浅部的岩浆为热液活动提供了热源和主要成矿物质来源,是影响热液活动分布的主要因素。沉积层覆盖改变了流体的浅部循环结构和原始流体成分。热液区内普遍存在的流体相分离过程,导致了广域成矿作用的发生。     

海洋沉积物中金属依赖型甲烷厌氧氧化作用研究进展及展望

海洋沉积物中大部分甲烷会通过甲烷厌氧氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)而被消耗。早期研究表明,AOM可与硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐的还原作用相耦合,从而有效减少甲烷向大气的排放。最近,金属依赖型AOM(metal-AOM,活性金属氧化物还原反应驱动的AOM)被证实存在于自然界沉积物和富集培养的样品中。但是,目前仍未从自然海洋环境中分离获得能够介导metal-AOM的微生物。对海洋沉积物中metal-AOM的研究大多聚焦于热液或冷泉等海洋特殊生境,一系列研究表明地质流体在这些海底化能自养生态系统的维持和演化方面起到了重要作用,并深刻影响全球地球化学循环,因此,该科学问题研究吸引了越来越多的注意力。本文讨论了可能参与海洋沉积物中metal-AOM的微生物类群及其地球化学证据,并在前人工作基础上,以冲绳海槽冷泉-热液共生区为例,提出一种新的metal-AOM作用机制。认为在全球冷泉-热液系统相互作用地区的调查有助于更好地探讨metal-AOM的发生机制及微生物在深海生境中分布的连通性问题。     

西太平洋弧后盆地火山岩中熔体包裹体研究进展

熔体包裹体是在矿物生长过程中被包裹的硅酸盐小液滴,由于寄主矿物的保护,受最小程度的后期岩浆作用影响,可以有效的保留原始岩浆组成、地幔源区性质及岩浆演化过程等重要信息。熔体包裹体的研究可以弥补传统全岩因受后期复杂地质过程影响而导致部分信息失真的不足。文章简要总结了熔体包裹体的主要研究领域及分析测试技术,概述了国内外关于西太平洋典型弧后盆地火山岩中熔体包裹体研究的相关进展。冲绳海槽、劳海盆及北斐济海盆内熔体包裹体的研究证明了地幔源区不均一性的特征,明确了岩浆物质来源及俯冲物质在源区的加入;马里亚纳海槽和马努斯海盆熔体包裹体内挥发份研究指示了俯冲板片物质对弧后盆地岩浆源区挥发份组成的贡献;马努斯海盆熔体包裹体中金属元素浓度分析表明岩浆流体可为海底热液系统提供成矿金属;此外,马里亚纳海槽和冲绳海槽熔体包裹体测温实验反映出岩浆多期次的演化过程。尽管熔体包裹体在西太平洋弧后盆地岩浆活动的很多方面有了一定研究,但各弧后盆地研究参差不齐、综合研究程度低。将来在进一步完善熔体包裹体测试分析手段基础上,加大熔体包裹体在弧后盆地的研究力度,有助于我们更清晰地认识弧后盆地岩浆源区物质组成,明确俯冲作用下弧后盆地岩浆来源及物质转化机制。     

冲绳海槽的地质构造属性

冲绳海槽构造属性是地学界争论的问题之一,迄今已提出过断陷盆地、坳陷盆地、弧间盆地、弧后盆地、边缘海盆、张裂盆地等多种看法。本文作者在多次赴冲绳海槽调查和系统总结前人研究成果的基础上提出,冲绳海槽是一条现代活动裂谷,具有一系列典型的裂谷构造特征,其活动机制属于与洋壳俯冲作用有关的弧后裂谷。     

冲绳海槽表层沉积物元素地球化学及其对物源和热液活动的指示

对采自冲绳海槽北部和南部唐印、第四与那国热液区附近的表层沉积物进行了主、微量和稀土元素分析。结果表明冲绳海槽北部和南部表层沉积物元素组成具有很大差异。北部沉积物中Ca、Sr、Na元素含量较高,大部分微量和总稀土元素含量较南部沉积物低。北部沉积物中有钙质生物组分及火山物质的加入,由于这些物质稀土含量较低,对沉积物中的稀土元素造成了稀释作用。北美页岩标准化稀土元素配分模式整体较平坦,轻稀土略富集,重稀土相对亏损,弱Ce和Eu异常,表明冲绳海槽北部表层沉积物陆源物质主要来自黄河和台湾河流输入的部分物质。冲绳海槽南部表层沉积物Si、Fe、Ba、Cu、Pb、Zn和稀土元素含量较高,轻重稀土分馏减弱,重稀土含量升高。由于受热液活动影响,一定量的黄铁矿、磁黄铁矿、重晶石及热液Fe-Mn氧化物的加入,使得南部沉积物的Fe以及部分微量元素含量升高,并表现出类似热液流体正Eu异常的稀土特征。这些Fe-Mn氧化物不仅从热液流体中清扫稀土元素,而且可以从海水中清扫稀土元素,使得沉积物负Ce异常减弱,总稀土含量升高。此外,样品中有一定量的过剩Si,来自热液活动。稀土元素配分模式及(La/Sm)N-(Gd/Yb)N比值表明冲绳海槽南部沉积物主要陆源物质来自台湾。     

冲绳海槽早期扩张作用中岩浆活动的演化

不同于其他典型的弧后扩张型盆地,在冲绳海槽内广泛分布着酸性的火山岩──浮岩,本文对具有代表性的柱状岩心进行了系统的矿物学和岩石化学分析,讨论了冲绳海槽在早期扩张作用中岩浆活动的性质及其演化.结果表明,浮岩岩浆来源于地幔,但经历了结晶分异和地壳物质混染两个过程.冲绳海槽的岩浆活动有自酸性向基性演化的趋势,随着海槽的进一步扩张,岩浆活动会加剧,海槽地壳将由过渡型向大洋型发展.     

冲绳海槽弧后扩张证据及关键问题探讨

在冲绳海槽区采用国内最新勘测的多波束数据构建高分辨率的DTM(Digital Terrain Model),选择典型海区绘制了相应的三维海底形态图件,并在此图件基础上定量分析了冲绳海槽典型构造地貌形态：海底峡谷、海山、构造洼地和构造台地,统计分析表明冲绳海槽存在近似平行和近似垂直海槽轴向两种走向的构造地貌单元。对构造地貌的成因机制进行了推测,认为菲律宾板块和欧亚板块间的相互作用是产生与海槽走向垂直的构造形态和弧后扩张的动力源,而弧后扩张则产生了沿海槽走向分布的线性海山和雁行排列的构造洼地。在中部和南部海槽这两种作用力交织在一起,产生两类海底地貌形态共存的构造格局。对目前关于冲绳海槽构造研究的几个关键问题进行了探讨,阐述并支持了冲绳海槽弧后盆地扩张成因的观点;定量估算了冲绳海槽三幕构造运动的方向、扩张量和半速率;从动力学角度阐述了沟-弧-盆体系的形成演化过程;阐述了冲绳海槽三幕构造运动的演化过程和特征：中新世的拱顶、断陷,上新世—早更新世的被动拉张,晚更新世—全新世后的主动弧后扩张。三幕构造运动的方向、特征和动力机制明显不同,运动方向的多次改变导致海槽内多种走向构造地貌的存在。近代的海槽扩张有明显活跃和加速趋势。     

冲绳海槽中部Jade热液活动区中海底热液沉积物的硫同位素组成及其地质意义

测定了冲绳海槽中部Jade热液活动区中18个热液沉积物样品的硫同位素组式,其中10个硫化物样品的δ34S值为5.2×10-3～7.2×10-3,7个硫酸盐样品的34S值为16.3×10-3～22.3×10-3,1个自然硫样品的δ34S值为8.2×10-3热液沉积物的硫主要来自中、酸性火山岩和海水,并且在流体与沉积物相互作用过程中海底沉积物也可能为热液沉积物的形成提供部分的硫.导致本区热液沉积物中硫化物与其他热液活动区的硫同位素组成不同的原因,主要是各热液活动区的硫源以及有关岩浆活动和构造演变的不同.海底热液体系中硫的演化是一个复杂的过程,涉及被加热海水的上升、流体与火山岩的相互作用、海水硫酸盐和中、酸性火山岩中流的混合作用以及流体与沉积物相互作周等一系列海底热液活动,其中海水和中、酸性火山岩的相互作用是本区硫演化的一个重要机制.     

冲绳海槽地热研究中若干问题的探讨

根据冲绳海槽地区实测海底热流资料,结合该地区最新的地质地球物理调查研究成果,分析了冲绳海槽地热研究中的几个问题,认为(1)相对于其它边缘海盆地,冲绳海槽是一个高热流异常区,同时具有热流值极不均匀的特点;(2)冲绳海槽的壳幔热流比值介于大陆地壳与大洋地壳之间,具有过渡性地壳的性质;(3)冲绳海槽强烈的岩浆作用是造成局部高热流的重要原因;(4)广泛分布的海底热液活动造成了局部热流值强烈的高低变化。     

冲绳海槽沉积物的化学成分特征及其地质意义

本文根据1983年采集样品系统地研究了冲绳海槽沉积物的化学成分,结果表明,冲绳海槽沉积物的主要化学成分为SiO_2,CaCO_3和Al_2O_3,尤其以CaCO_3含量较高而明显地区别于深海沉积物或陆架沉积物。从常量元素与微量元素之间的关系来看,冲绳海槽沉积物的绝大部分样品接近于陆壳物质,只有少数样品与洋壳物质相近。上述特征表明,冲绳海槽沉积物的物质来源除了生物沉积成因以外,在一定程度上仍以陆源碎屑沉积为主体,同时也有部分海底火山物质的加入。