现代海底热水活动的系统性研究及其科学意义

现代海底热水活动是当前地球系统科学研究的一个重要组成部分，它是研究海底地质作用体系中的一个关键环节。海底的构造作用、岩浆活动等因素制约了热水循环的发育和活动规律，而热水活动又直接或间接地产生了一些地质效应，如海底的热水喷流成岩成矿效应，此外它还与海底的热能输导与转化、海洋化学组分特征、海洋生命和生命起源等现象有着密切的成因联系。开展现代海底热水活动的系统性研究，应注重将热水循环的内部动力学机制和热水活动所引发的外部环境效应相结合，为此我们把它初步展开为：热水循环的空间组构研究、热量输导作用研究、热水流体的化学成分研究、热水活动与极端生命的关系研究以及热水活动的生命周期研究等 5个方面，分别解析其内部特征以及引发的环境效应。最后初步探讨了开展海底热水活动的系统性研究的科学意义。     

海底热水活动——一种重要的成矿作用

海底热水活动不仅形成海底热水矿床,而且由于其独特的地质作用,为海洋中其它成矿作用提供了能量与物质来源,为其它海底矿床的形成创造了条件。通过对海底热水活动与海底热水矿床、铁锰结核、气体水合物等关系的了解,提出加强海底热水活动的研究,促进海洋资源的综合开发利用。     

热水沉积作用的研究历史、现状及展望

热水沉积作用的研究已经历70余年,目前初步统一了热水沉积及其沉积岩的相关概念。按照形成矿物的温度和颜色特征及类型,将热水沉积作用分为白烟囱型和黑烟囱型,前者主要是在较低温度(100～320℃)下形成硅酸盐、硫酸盐等浅色矿物,后者主要在较高温度(320～400℃)下形成硫化物、氧化物等暗色矿物。大陆的热水沉积热液与海洋热液在温度与物理化学性质方面存在明显差异,大陆热水温度比海洋低,变化范围较海洋大;pH均值比海洋高,变化范围较海洋热水小;Na+K离子浓度与海洋接近,Ca离子与Cl离子浓度比海洋高,但它们的变化范围较海洋大。初步建立了一些关于热水沉积的沉积模式,如海底热液对流模式、盆地压实卤水对流模式、洋中脊岩浆热液—海水混合循环对流模式、热液溢流—喷流—溢流模式。由于热水沉积作用及热水沉积岩的分布具有特殊性和局限性,目前的研究程度较低,对热水沉积的化学过程和热力学过程、热流体成因、物质来源、热水沉积分异、热水沉积机理还不十分清楚,有待于进一步深入系统研究。     

西成矿化集中区矿床有机地球化学特征

通过对西成矿化集中区泥盆系海底热水沉积型和热水沉积-改造型矿床中的有机地球化学特征研究,认为赋存在海相富有机质沉积层段中的两类矿床,其中的有机质富集作用与泥盆纪海底热水流体活动有关,且热流体活动导致菌藻类微生物繁盛,是沉积物中有机质富集的主导原因.     

微晶丘成因新认识

微晶丘主要由灰泥组成,仅见少量生物碎屑,其成因尚无圆满解释。借鉴现代海底勘查成果,依据北京西山微晶丘、白云鄂博赋矿微晶丘、腮林忽洞微晶丘的特征,认为微晶丘是海底热水(伴CO2)的化学作用产物：现代海底勘查发现的微晶丘是形成于洋中脊、热点或弧后盆地;北京西山等地的纯灰岩微晶丘是形成于大陆内部;而白云鄂博赋矿白云岩是一个大型微晶丘,形成于被动大陆边缘。微晶丘中的生物作用仅是深海热水活动的伴生作用,并不是微晶丘形成的主导作用。     

现代海底热液成矿作用研究现状及发展方向

现代海底热水成矿作用研究的重大进展表现在两个方面：（１）大批活动的和窒息的热液活动区和硫化物矿床在洋脊、岛弧、弧后盆地及板内火山活动中心等海底环境相继发现。在沉积物饥饿洋脊，矿床规模较小，Ｃｕ－Ｚｎ为主，沉积物覆盖洋脊，矿床规模巨大，Ｐｂ－Ｚｎ为主。弧后扩张或弧间裂陷盆地，形成Ｐｂ－Ｚｎ→Ｚｎ－Ｐｂ－Ｃｕ→Ｃｕ－Ｚｎ矿床谱系。岛弧环境硫化物矿床不具规模，板内火山活动中心以氧化物－硫化物矿化为特色。（２）现代海底热水成矿作用观察和研究为古代ＶＭＳ矿床成因研究提供了重要信息，对现有成矿理论产生重要影响。现代成矿观念强调：①海底成矿作用虽可产生于不同环境，但均与张裂断陷事件密切相关。矿床规模和分布特点受张裂速率制约；②成矿物质主体来源于热水循环的火山－沉积岩和下伏基底物质；③硫化物堆积发生于丘堤－烟囱联合构成的机构和结壳下部，通过开放空间的硫化物充填和先成矿石淋滤迁移来实现。④热液流体呈双扩散对流循环。现代海底热水成矿作用的未来研究方向可概括为强度方向和广度方向。广度研究将加大力度去发现新的矿床，强度研究将采用地球物理方法并配以必要的钻探，深入揭示矿床的三维结构和热液体系及成矿机制。     

湖南怀化麻池寨铀矿地质特征及成矿机制研究

麻池寨铀矿床位于湖南省怀化市,矿化严格受地层岩性控制,赋矿地层为上震旦统留茶坡组中段,赋矿岩性为上、下硅质岩为主的层位之间的硅质板岩。在总结矿床地质特征的基础上,对成矿机制进行了探讨。通过对控矿因素、成矿作用特征、含矿岩系硅质岩与海底热水喷流沉积的关系等研究分析认为,矿化受地层岩性、岩相古地理、古气候、区域构造活动等控矿因素控制,成矿作用具有沉积成岩型铀矿床特点,含矿岩系硅质岩具有海底热水喷流沉积特征,矿床是由多期的、间歇性海底热水喷流将地壳深部的铀带到沉积海盆,在富含有机质的黏土吸附作用下富集成矿,矿床成因类型为海底热水喷流起主导成矿作用的沉积成岩型铀矿床。     

贵州瓮安生物群和磷矿形成的沉积地球化学研究

运用沉积学和元素地球化学的理论和方法,通过对瓮福磷矿陡山沱组地层古地理背景与沉积环境分析,进一步揭示沉积记录中热水作用的客观存在性。研究认为,上震旦统陡山沱组“瓮安生物群”繁盛及磷块岩富集与海底热水喷流活动存在联系,热水活动在海洋生物的繁盛和海洋磷的运移过程中可能扮演了一个极其重要的角色,在缺氧带和亚氧化带的大量细菌对磷的分解和有影响力的铁—硫酸盐的循环作用下,富集的磷在海底上升洋流作用下,运移到氧化还原界面上富集成矿。     

热水沉积成矿研究现状与展望

热水沉积成矿作用是当今地质学和地球化学领域的研究热点和重要课题，至今已经取得了许多重要的研究成果。通过对国内外相关研究资料的综合调查分析，对热水沉积成矿的概念、矿物岩石学标志、地球化学特征、成因机制及其与金属成矿作用的关系等方面进行归纳总结，重点评述了热水沉积元素地球化学和同位素地球化学方面的判别标志。文章认为，对地质环境背景、有机地球化学与分子古生物学、成矿系统与成矿动力学以及现代海底热水沉积成矿机理等方面进行深入的研究，将是热水沉积成矿研究的必然趋势。     

塔里木下寒武统富有机质沉积层段地球化学特征及意义

塔里木盆地寒武系下统玉尔吐斯组底部富有机质沉积层段分布广泛,层位稳定,其中的硅质岩发育,并伴有磷矿产出.硅质岩的Al(Al Fe Mn)和Si/(Si Al Fe)比值分别在0.0023～0.0046和0.965～0.98之间,表明其形成于海底热水沉积环境,远离陆源区.富有机质沉积层段明显富集As、Hg、Pb、Zn、Cu、Co、P、V、Ba等微量元素,富集系数F(N)远大于1.Ba/Sr比值远远大于1,与现代海底热水沉积物中的Ba/Sr比值相似,具有明显的海底热水沉积特征;Th/U和V/Sc比值显示其形成与海洋缺氧事件有关,而导致缺氧事件发生的主要原因则是海底火山作用及其与之相伴的海底热水流体活动.     

浅海热液活动的地球化学示踪研究进展及展望

海底热液活动是海洋地质的前沿和热点研究领域之一，相比于深海热液活动较高的关注度和取得的较多的研究成 果，浅海热液活动研究一直处于“不温不火”的状态。但浅海热液系统一般靠近人类活动的区域，对人类生活具有一定的 影响，深入开展浅海热液活动的研究有助于深刻理解热液流体循环过程、热液成因机制及相关动力学过程。文章在简要介 绍国内外浅海热液活动地球化学研究的主要成果和最新进展的基础上，提出了今后对浅海热液活动的研究应主要集中于以 下几个方面：浅海热液流体及气体的来源；浅海热液系统模式及与构造环境的关系；浅海热液活动对人类的影响。     

浅海热液活动的地球化学示踪研究进展及展望

海底热液活动是海洋地质的前沿和热点研究领域之一,相比于深海热液活动较高的关注度和取得的较多的研究成 果,浅海热液活动研究一直处于“不温不火”的状态。但浅海热液系统一般靠近人类活动的区域,对人类生活具有一定的 影响,深入开展浅海热液活动的研究有助于深刻理解热液流体循环过程、热液成因机制及相关动力学过程。文章在简要介 绍国内外浅海热液活动地球化学研究的主要成果和最新进展的基础上,提出了今后对浅海热液活动的研究应主要集中于以 下几个方面：浅海热液流体及气体的来源;浅海热液系统模式及与构造环境的关系;浅海热液活动对人类的影响。     

Geologic Control on Hydrothermal Activities in the Okinawa Trough

Revealing the controlling effect of geological structure on seafloor hydrothermal activities is of great significance in understanding the formation mechanism of hydrothermal system and searching for seafloor sulfide resources. This article summarized the topography and faults, crustal structure, gravity and magnetic field, heat flow and magmatism in the middle and southern Okinawa Trough, as well as the general characteristics of hydrothermal field distributions and hydrothermal products. By comparing the Okinawa Trough with the Manus Basin, Mariana Trough, North Fiji Basin and Lau Basin with different rock basements and extension stages, we generalized some specific geological characteristics of the Okinawa Trough, including the transitional crustal nature, low extension degree, high heat flow value, extremely thick sediments, and bimodal volcanism. The hydrothermal activities in the Okinawa Trough are controlled by fault structures, magmatism, and spreading rate, and at the same time, are affected by basement rock types and sediment covers. In the middle and southern parts of the trough, two group of faults that are parallel and perpendicular to the strike of the back-arc basin promote the fluid circulation, and large-scale magmatic activity provides sufficient heat for the hydrothermal system. In addition, the interaction of fluids with the widespread silicic volcanic rocks and thick sediments leads to the enrichment of organic matter, CO ₂, and metals such as Ag and Au in the hydrothermal products. According to the extension rate and geological features of the Okinawa Trough, we believe that the Okinawa Trough has potential to have new hydrothermal fields discovered and we speculate that new hydrothermal fields most possibly exist in the regions influenced by ridge subduction as well as the neo-volcanic zones closed to the island arc.     

New evidences of hydrothermal fluids circulation at the Devonian Kess Kess mounds,Hamar Laghdad (eastern Anti‐Atlas,Morocco)

New evidences based on a combination of field and laboratory investigations reinforce the hypotheses that the circulation of warm fluids has remarkably contributed to the origin and development of the Devonian Kess Kess mounds of the Hamar Laghdad Ridge (eastern Anti‐Atlas, Morocco). The limestones of the Hamar Laghdad Ridge were deposited above a structural high generated by calc‐alkaline volcanic activity that has probably fuelled the circulation of warm fluids throughout the overlying carbonate units. The geological and palaeontological attributes described throughout the succession of the Hamar Laghdad Ridge (from the Lochkovian to Frasnian intervals) are interpreted as the result of hydrothermal processes related to a volcanic system. In particular, these attributes seem consistent with a chemo‐physical environment fuelled by the circulation of warm and late magmatic fluids. These attributes include a very low oxygen stable isotope signature (δ¹⁸O ~ −10‰) for carbonates. Evidences for a late magmatic fluid circulation consist of volcanic glass and pyroclasts replacement with hydrothermal minerals such as quartz, anatase and clinochlore. Fluids circulating through veins and pores into sediments, and venting to the seafloor, probably induced the formation of cavities where monospecific trilobite communities were detected. The partially silicified trilobite remains are associated with traces of goethite. This iron‐bearing oxide mineral is also present in the upper part of the Hamar Laghdad Ridge. All these attributes are here interpreted as possible evidences for a low‐temperature hydrothermal venting system active during the Lochkovian–Frasnian time span. This study combines an updated revision with new petrographic, geological and geochemical results aimed at providing an overall framework on the origin and early diagenesis of the Devonian succession of Hamar Laghdad. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

大洋钻探对海底热液活动研究的贡献

大洋钻探为海底热液活动研究提供了大量数据资料和样品。在此基础上,通过研究流体-沉积物／岩石相互作用,热、物质通量和流体流动,分析构造对海底热液活动的控制作用,使人们对海底热液循环有所了解,并对深部热液成因石油的特征,海底热液沉积物的空间结构和物质组成,以及深部生物与海底热液活动的关系有了一些认识。未来通过实施IODP,海底热液活动研究将会取得更多新的成果。     

关于现代海底热液活动系统模式的思考

现代海底热液活动往往与岩浆作用相伴生.传统的热液系统循环模式认为:海水沿裂隙（通道）下渗,被加热并与围岩发生水岩反应,萃取岩石中的金属元素,形成热液流体并上涌喷出海底,沉积生成多金属硫化物矿体.这一模式合理地解释了构成现代海底热液系统的3个基本要素:流体、通道和热源,与我们现今条件下所观察到的许多事实相吻合.然而,基岩渗透率、热液流体性质、热液生态系统和热液产物上的差异表明现代海底热液活动系统可能存在另一种注入式循环模式,即热液流体来自深部岩浆房流体和挥发性组分的直接注入.据此提出现代海底热液活动系统可能存在两种模式:一种是浅层循环模式,即传统的热液循环模式;另一种是岩浆后期热液注入模式（简称"注入模式"）.在岩浆作用强烈和构造裂隙发育的环境中,两种模式可能同时存在,形成双扩散对流循环模式.双扩散对流循环模式可以很好地解释现代海底热液活动研究中近期所发现的多种现象和事实.对弧后盆地而言,在研究其岩浆作用与热液活动时,还要考虑板块俯冲的构造背景和俯冲组分及陆壳组分加入等因素,同时构建了适用于弧后盆地海底热液活动系统的理论模型.      

关于现代浅海型海底热液活动的研究进展

浅海型海底热液活动一般出现于海底火山顶部或者翼部,其所处的特殊地理位置是深海热液活动和陆上热泉的过渡地形。研究浅海型海底热液活动使我们更全面了解地球内部热量的缓慢散发形式。目前浅海型热液活动研究多侧重于流体、伴生气体、沉积物等方面：对于流体研究主要通过流体元素特征探讨流体源,虽然浅海热液活动流体在海底喷出,但流体主要组分有时是海水,有时是陆上大气水—海水只是作为少部分加入其中。对于伴生气体的研究表明：热液喷出时伴生气体组分多是火山气来源,火山气的加入导致热液流体酸性增强,使热液流体较容易淅沥出围岩中的元素,因此尽管浅海型热液流体流经路程短,但是流体中依然包含了较多物质,从而在海底表面沉淀沉积物,甚至可以形成烟囱体,由此可见浅海型热液活动与火山活动紧密相关。对于沉积物的研究显示浅海热液活动产生的沉积物组分简单,也有像深海热液活动中烟囱状沉积体的形成。沉积物对周围水域中元素浓度起到积极影响,如Fe、As含量等,这是热液流体与海水相互作用的结果。 现代浅海型热液活动往往出现于近海岸处,距离人类生活较深海热液活动更加接近,所以浅海热液活动对周围环境影响的深度及广度应该成为下一步研究重点。     

Hydrothermal Processes in the Solar System:A Review

最近美国航空与空间计划署(NASA)开展的卡西尼-惠更斯外空探测计划发现,在直径为500 km的卫星--土卫二上存在水冰和间隙泉的喷发活动.这一现象和在火星上工作的"机遇号"和"勇气号"漫游车所发现的液态水一起,证明了除地球以外的其他星球上过去和现在都存在水,其中的一些星体还有火山活动的证据,这意味着这些星球上可能存在过热液活动地质过程.讨论了火星、木卫二和土卫二可能存在的热液系统类型.这些热液系统类型是根据地球上的构造背景进行相似性研究后得出的,例如海底、火山和裂谷系统.将东非裂谷和贝加尔湖裂谷系统与火星Tharsis高原上巨大的水手大峡谷进行了对比,这些地区都是由地幔柱作用下构造-热液活动导致的地壳抬升、火山和裂谷作用.在火星上,地下冰或低温层会在火山活动和(或)小行星或彗星撞击作用下溶解而形成热液对流.     

Submarine hydrothermal mineralization in the Okinawa Trough, SW of Japan: an overview

The Okinawa Trough is a heavily sedimented, rifted back-arc basin formed in an intracontinental rift zone. Submarine hydrothermal activity is located within the six back-arc rifts located in the middle and southern Okinawa Trough and its distribution is controlled principally by tectonic factors. Subduction of the Daito and Gagua Ridges beneath the Ryukyu Arc has resulted in fracturing of the brittle lithosphere beneath the Okinawa Trough. Hydrothermal activity is strongest in the volcanic arc-rift migration phenomenon (VAMP) area plus the JADE site and Southernmost Part of the Okinawa Trough (SPOT) area which form the prolongation of these two ridges. These areas are characterized by extremely high heat flow locally. Submarine hydrothermal fluids from the Okinawa Trough tend to be strongly influenced by interaction of the hydrothermal fluids with organic matter in the sediment resulting in high alkalinity and NH₄⁺ concentrations of the fluids. The fluids also contain high concentrations of CO₂ of magmatic origin. Submarine hydrothermal mineralization in the trough is diverse. The CLAM site consists principally of carbonate chimneys. Interaction of the hydrothermal fluid with organic matter in the sediment is particularly strong at this site. This is most probably a sediment-hosted deposit in which sulphide minerals have deposited within the sediment column leaving ‘spent ore-fluids’ to emerge at the seafloor. The JADE site consists of active and inactive sulphide–sulphate chimneys and mounds. The Zn–Pb-rich sulphides at this site contain the highest concentrations of Pb, Ag and Au so far recorded in submarine hydrothermal sulphide deposits. At Minami-Ensei Knoll and Hatoma Knoll, active and inactive chimneys consist principally of anhydrite and barite as a result of phase separation of the hydrothermal fluids beneath the seafloor. An intense black smoker has recently been discovered at Yonaguni Knoll in the SPOT area. If it is confirmed that sulphide mineralization is dominant at this site, this could be a highly prospective area. The most prospective areas for economic-grade minerals in the Okinawa Trough appear to be the JADE site and the SPOT area.