西南印度洋脊49°39′E热液活动区IODP钻探计划的科学意义

自20世纪70年代以来,现代海底热液活动调查研究一直是地球科学领域研究的热点和焦点。中国大洋19航次第Ⅰ、Ⅱ航段于2007年3月在西南印度洋脊首次发现的海底热液活动区,为IODP在超慢速扩张洋脊热液活动区进一步的调查和研究创造了条件。为了能够更深入地开展该热液区的地质地球物理、矿产资源和生物多样性调查研究,笔者建议应在该区域开展IODP钻探研究,以便对热液活动区硫化物矿体、基岩及深部物质的三维分布和结构物质组成,热液流体与岩石、沉积物相互作用关系,以及热液循环、热及物质通量和成矿机制、成矿物质来源演化关系等方面得到更深入的认识,进而探索地球深部极端环境下的微生物生命现象。

西南印度洋脊中段Indomed-Gallieni洋中脊岩浆-构造动力模式

利用西南印度洋脊中段Indomed-Gallieni洋段49—51°E区段全覆盖高分辨率多波束水深地形资料,应用构造地貌学分析方法,结合区域地形及其他地球物理等资料,在分段分析49—51°E区段岩浆一构造动力学模式的基础上,进一步探讨了约10 Ma以来Indomed-Gallieni洋段的演化史.28、29洋段目前岩浆供应不足,在轴部不对称深断层的控制之下不对称扩张。属于超慢速扩张洋脊较常见的演化方式.轴部火山建造主要向北翼增生,发育与火山脊相关的火山地貌;南翼构造拉张作用强烈,地貌上可观察到大量断块,拆离断层可能大量存在.而27洋段水深浅、火山密集、轴部缺失裂谷,超慢速扩张下却具有较高的岩浆通量.Indomed-Gallieni洋段地形高地建造于一次岩浆增强事件,但应该不是因为Crozet热点的影响.27洋段为目前仍受该岩浆增强事件影响的唯一区段,但其强度和规模也在逐渐减小;包括28、29洋段在内的Indomed-Gallieni段其他部分,已重新恢复到岩浆供应不足的正常超慢速扩张洋脊演化模式.28、29洋段和27洋段岩浆供应均存在岩浆通量由多至少的周期,周期内岩浆供应较多时期轴部建脊,减少时期轴部火山建造裂离.但27洋段由于仍受岩浆增强事件的影响,与28、29洋段表现形式不同,主要表现为火山建造裂离方式、岩浆供应周期长短以及构造活动强烈程度的不同.

西南印度洋脊49.6°E热液区热液产物和玄武岩地球化学特征

利用X射线荧光法和ICP-MS等方法对取自超慢速扩张的西南印度洋脊(SWIR)49.6°E热液区的热液产物和玄武岩样品进行元素地球化学特征分析研究,结果表明:(1)与亏损型洋中脊玄武岩(N-MORB)相比,研究区玄武岩样品的主量元素组成显示其偏碱性,而微量元素对比表明该区玄武岩明显富集Pb元素;(2)对热液产物的综合分析表明这些样品多为Fe-Si-Mn氧羟化物且都为热液来源;(3)热液产物的∑REE含量介于玄武岩和海水之间,经球粒陨石标准化的稀土元素(REE)分布模式均表现出Eu正异常和轻稀土(LREE)富集的特征。另外,本研究还表明,利用玄武岩和热液产物地球化学指标不仅能够模拟出以热液喷口为中心的元素地球化学晕,而且能反映出热液活动的影响范围。

西南印度洋脊龙旂热液区蚀变岩岩石学特征及对热液流体循环的指示

慢速-超慢速扩张洋脊的海底热液活动区多出露类型多样的蚀变岩石,记录了地壳深部的流体与围岩的相互作用,为研究深部热液流体特征以及循环过程提供了样本。本研究选取了中国大洋第30、34和40航次在超慢速扩张西南印度洋脊龙旂热液区(A区、B区和C区)利用电视抓斗采集的蚀变玄武岩、蚀变辉长岩、蚀变辉石岩和蛇纹岩等蚀变岩样品,利用光学显微镜、电子探针开展了岩相学和矿物化学分析。岩相学结果表明,龙旂热液区蚀变岩石样品约95%发生了地壳浅部的脆性变形作用,靠近龙旂1号热液区(A区)约有5%的蚀变岩石混合发育了脆性变形及脆性-塑性变形特征。研究区岩石蚀变属于中-低温变质作用,变质相近似绿片岩相,变质矿物组合为绿泥石-绿帘石-钠长石-阳起石-榍石。其中,A区的蚀变岩中的绿泥石形成温度(201~341℃)以及蛇纹石、阳起石、绿泥石等蚀变矿物的Fe元素含量(17.5%~27.5%)都高于龙旂3号热液区(B区和C区)的绿泥石形成温度(239~303℃)和Fe元素含量(16.8%~26.5%),这也与在该区观测到高温的热液喷口相符合。本研究认为龙旂热液区所在洋脊段发育的拆离断层为热液流体的向上运移提供了通道,洋壳扩张后期轴部的岩浆熔体在轴侧区域的岩浆侵入或喷发活动可能为热液循环提供了热源。

西南印度洋脊龙旂热液区富铝蚀变黏土矿物类型和地球化学特征研究

产出于不同地质背景下的热液成因黏土矿物组成、晶体结构及化学成分等信息,可指示与海底热液作用有关的水-岩反应过程和流体的物理化学条件变化。但目前对于以西南印度洋脊为代表的超慢速扩张脊热液区的黏土矿物研究程度较低,尚未了解其经历的热液蚀变作用及形成过程。本文综合应用SEM-EDS、XRD、FT-IR、EPMA和LA-ICP-MS等多种分析测试手段对采自龙旂热液区矿化蚀变角砾的形貌结构、矿物组成及其化学成分进行系统表征。研究表明:该蚀变角砾中的共生矿物相主要由具二八面体结构、富Al端元的蒙皂石族矿物贝得石与蛋白石组成,角砾中可见呈细粒浸染状的TiO_2。蚀变黏土矿物的化学成分较为单一,具有富Al、贫Mg和贫Fe的特征;其稀土元素总量普遍不高(2. 43～43. 45μg/g),配分模式呈负Eu异常(0. 31～0. 53)而未显示Ce异常(1. 09～1. 16)。推断产出于硫化物堆积丘体边部的矿化角砾长期受酸性、相对还原的、低温热液流体持续叠加和淋滤改造,除Al和Ti以外大部分元素被活化迁移,形成矿物组成简单的富铝黏土矿物相。本研究查明了龙旂热液区新的蚀变黏土矿物类型及其元素地球化学特征,反映该区广泛发育低温热液蚀变作用,为进一步探讨西南印度洋超慢速扩张脊热液成矿系统的水-岩反应过程提供了一定依据。

西南印度洋脊14°E-25°E区域洋壳增生的构造与岩浆特征

文章利用高精度船载多波束测深及重力数据研究了超慢速西南印度洋脊14°E—25°E区域洋壳增生的构造与岩浆特征。首先采用滤波的方法将原始地形数据分为短波长地形(波长小于20km)和长波长地形(波长大于20km)。然后利用长波长地形剖面获得洋中脊裂谷的深度,利用短波长地形剖面和坡度来识别正断层,并计算出岩浆作用在整个扩张过程中所占的比例,即M值。同时从自由空气重力异常中去除海底地形、参考莫霍面以及板块冷却等重力效应,获取能够表征相对洋壳厚度的剩余地幔布格重力异常(Residual Mantle Bouguer Anomaly,RMBA)。最后在垂直于洋脊的剖面上以10km宽的窗口计算出一系列窗口内的M值、平均RMBA值以及断层的垂直断距,并探讨它们之间的相关性。研究发现在超慢速扩张的西南印度洋脊14°E—25°E区域,岩浆率M值随时间和空间变化明显,裂谷深度呈现较强的两翼不对称性,裂谷深度在一定程度上反映了脊轴附近的平均M值。区域性的平均构造拉伸率(即1-M)处于20%~50%之间,南翼整体处于较强的拉伸状态。统计结果表明,在岩浆作用较强的时期,M值偏大,通常产生较厚的洋壳以及断距较小的断层。

洋中脊富钛铁氧化物辉长岩成因的一个新思路:以西南印度洋脊ODP 735B岩心为例

西南印度洋脊的ODP 735B岩心中拥有大量富含钛铁氧化物的含氧化物辉长岩,此现象在岩性单元Ⅳ中表现尤为显著。同时,岩性单元Ⅳ中主要硅酸盐矿物亦具有独特的成分变化趋势。以前研究将造成岩性单元Ⅳ中氧化物辉长岩成因和主要造岩矿物成分变化趋势归因于具浮力的、高度分异的富钛铁熔体的作用,这些熔体应形成于735B钻孔之下或其附近,沿剪切带运移至剖面中,并与原岩矿物发生反应。通过对岩性单元Ⅳ氧化物辉长岩进行岩相学特征分析和结构可控的电子探针矿物成分测试,发现当某些因外来物质加入改造而成分进化的硅酸盐矿物形成之时,液相体系中钛铁氧化物并未处于饱和状态。此外,在单斜辉石结晶过程中,单斜辉石内部成分具有从普通辉石—易变辉石—普通辉石的变化,而且,在与某些后期生成的矿物(如钛铁氧化物或斜方辉石等)接触处,单斜辉石则表现出明显进化组成特征。根据岩相学特征和矿物电子探针数据,并结合对前人提出的富钛铁熔体的物理性质的讨论,本文认为在岩性单元Ⅳ形成过程中,更有可能是源自地幔的外来含水流体/含水流体与熔浆的混合体,而非仅仅是极度分异的玄武质残余熔体,参与了岩性单元Ⅳ中氧化物辉长岩的形成。从理论上讲,这些外来含水流体可能与玄武质熔体并非来自同一源区,这意味着其运移方式可能不仅有垂向运移,而且有可能为远距离侧向运移。岩性单元Ⅳ中的氧化物辉长岩可能具有相当独特的同位素特征,这可能会成为判别岩性单元Ⅳ乃至是整个735B岩心中氧化物辉长岩成因的重要线索。

西南印度洋中脊53°E百神海山表层沉积物物源特征及其对热液活动的指示

超慢速扩张洋中脊具有形成大型海底多金属硫化物堆积体的潜力,其中拆离断层控制的热液区常具规模大、富Cu、Au等特征。百神海山位于超慢速扩张西南印度洋脊Gallieni转换断层内角处,发育拆离断层构造,具有产出热液活动的有利构造条件,但一直未确认该区域是否存在热液活动。本研究对该区4站表层沉积物开展了主微量、稀土元素和微区地球化学分析,结果显示研究区沉积物中含丰富的超基性岩碎屑,并可能有玄武岩角砾的影响。沉积物中的有孔虫壳体富集Fe、Mn等热液元素,表明研究区受到热液组分的影响。根据富集特征的空间分布,可以推断热液活动喷口的位置靠近研究区的A3站位。这一综合分析深化了对该海山沉积物物源的认识,同时为超慢速洋中脊热液识别或找矿提供了有力线索。

西南印度洋中脊东段MORB微量元素地球化学及其对地幔源区组成的指示

西南印度洋中脊东段(E-SWIR)处于61°~70°E区域,具有相对匮乏的熔体供给。该区产出的大多数洋中脊玄武岩(MORB)具有富集不相容元素以及大离子亲石元素等特征,属典型E-MORB。基于玄武岩样品的微量元素地球化学资料,通过La/Sm、Zr/Nb和Lu/Tb等分析表明E-SWIR地幔具有明显的不均一性,这种不均一性可能与地幔中辉石岩含量的沿轴变化有关。利用稀土元素Ce、Sm、Lu和Yb含量结合部分熔融计算模拟结果,进一步阐明地幔源区中石榴石的作用与影响,并且认为其可能是以含金红石榴辉岩的形式赋存于地幔之中。对E-SWIR地幔源区榴辉岩性质和赋存形式的识别是探讨EMORB成因、地幔不均一性与洋中脊构造演化等科学问题的关键。

西南印度洋中脊热液区岩石声学特性

西南印度洋中脊(Southwest Indian Ridge,SWIR)热液区具有潜在发育的大规模硫化物矿床,当前正在开展SWIR硫化物矿产资源评价。测量分析硫化物和不同围岩的声速等物性特征是硫化物近底地震勘探资料处理和解释的基础。该文对西南印度洋中脊热液区的硫化物和围岩等样品进行了系统的物性测量,结合岩石物性(包括密度、孔隙度、P波速度)与矿物组成,深入分析了西南印度洋中脊热液区岩石声速变化特性及其影响因素。结果表明,SWIR热液区围岩的P波速度受到岩石骨架矿物、孔隙和围压的影响。由于岩石孔隙度总体偏小,对P波速度的影响并不显著,但围压的增加使岩石微裂缝和孔隙逐渐闭合,P波速度呈非线性指数变化。蚀变作用导致了矿物成分改变,是影响围岩声速的最关键因素。单一物性参数测量结果可能存在多解性,联合波速、密度、磁性和电性等多物性参数测量有利于岩性区分。该研究成果有助于识别硫化物和围岩,为我国西南印度洋合同区多金属硫化物地震勘探工作提供重要支撑。

西南印度洋洋中脊49.6°E高H_(2)O/Ce比值玄武岩

本文报道来自西南印度洋超慢速洋脊49.6°E洋脊处的新鲜洋中脊玄武岩(MORB)玻璃样品的主微量元素和w(H_(2)O)。样品w(H_(2)O)范围为0.31%~0.40%,高于其他洋脊一般的N-MORB样品。样品H_(2)O/Ce的比值范围为543~613,显著高于大西洋、太平洋MORB和前人发表的邻近洋脊样品数据。根据熔融模型计算,地幔源区w(H_(2)O)高于450×10^(-6),显著高于前人估计的亏损地幔源区(DMM)w(H_(2)O)范围50×10^(-6)~200×10^(-6)。流体活动性元素和Nb之间的线性正相关关系,以及w(H_(2)O)与不相容元素之间的相关关系表明,相对高的w(H_(2)O)和H_(2)O/Ce比值并非遭受混染了的蚀变产物造成的。相反,它们反映了源区地幔的特殊性,很有可能来自于源区中小尺度的古老地幔楔熔融残余。

西南印度洋超慢速扩张洋脊49.2°E-50.5°E热液区热液沉积物的地球化学特征及成因

分析了西南印度洋超慢速扩张洋脊49.2°E-50.5°E热液区热液沉积物样品的矿物组成和元素地球化学特征,结果显示研究区热液沉积物矿物组成以黄铁矿和黄铜矿为主,还含有少量闪锌矿等,而硅烟囱和残留氧化物分别主要由无定形硅和碳酸钙、铁氢氧化物(如针铁矿)等矿物组成,由热液沉积物到硅烟囱,再到残留氧化物过渡过程中,矿物组成中硫化物含量以及矿物结晶程度的降低,指示了成矿温度逐渐降低的趋势。同时,通过XRF、ICP-AES等手段对热液沉积物的主微量元素分析,主微量地球化学特征指示海水的贡献逐步增大,而热液对其影响逐步减小,形成环境也逐步从热液羽状流环境向海相水成的低温氧化环境转变。在稀土元素分析中,热液沉积物中稀土元素总体含量较高,∑REE(26.37~32.86)×10^(-6);残留氧化物中稀土元素含量次之,∑REE(5.58~30.43)×10^(-6);硅烟囱中稀土元素含量较低∑REE(0.92~6.96)×10^(-6)。研究区样品均表现出轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的特征,δCe值变化范围为0.34~1.00,具有Ce负异常特征;δEu值变化范围为0.87~4.24,具有Eu正异常特征,指示样品继承热液流体的部分地球化学特征的同时,又受到了海水的明显影响,稀土来源具有多样性的特征。综合分析表明,研究区由于受制于较弱的热液活动,以中低温为主的成矿环境,成矿流体主要起源于海水,因此成矿过程受海水混合作用影响较大。

西南印度洋龙旂热液区沉积物地球化学特征及其指示意义

热液区沉积物通常蕴含着热液活动的相关信息,其地球化学特征可以指示物质来源。本文以龙旂热液区及其周边区域沉积物样品为研究对象,通过沉积物主微量元素地球化学分析,利用元素含量特征分析、特征元素三角图解、稀土元素标准化图解、元素热液贡献计算等方法,探讨了沉积物的物质来源与热液贡献。结果表明,研究区沉积物主要为钙质生源沉积物和含碎屑沉积物;含碎屑沉积物TFe2O3、MnO、P2O5、Ni、Cr、V、Cu含量高于钙质生源沉积物,稀土元素总量整体偏低,呈轻稀土富集、Eu负异常、Ce负异常的特点;由钙质生源、火山碎屑、热液组分及海水作用形成的化学元素构成了主要沉积物物质来源;在含碎屑沉积物中,不同样品热液贡献呈现差异性;热液区对沉积物样品主要影响元素为Fe、Mn。

西南印度洋中脊51°E(#26洋脊段)地质特征及其对海底热液活动的指示

在海底多金属硫化物调查过程中,对于已知热液区需要精细地质填图工作,而这种填图往往存在覆盖面积较小、所包含的地质要素较少以及与区域构造作用和岩浆活动联系不足等问题。基于历年大洋航次在西南印度洋中脊#26洋脊段(51°E区域)所获得的深海光学拖曳系统的资料,结合高精度多波束水深数据,提出一种系统的底质热液异常划分原则,识别出热液蚀变岩石或角砾、疑似热液沉积物、热液生物及其遗骸富集和胶结碳酸盐4种底质热液异常类型。高分辨率海底地质填图结果表明,本区存在4处热液活动的异常区。#26洋脊段热液活动频率值为2~10,至少是全球海底热液活动频率经验公式的1.8倍以上。我们认为在超慢速扩张脊局部熔融异常或者发育非转换不连续带的洋脊段,可能存在更多的海底热液活动,也具有形成大型多金属硫化物矿床的潜力。

西南印度洋脊的海底热液活动和硫化物勘探

多金属硫化物是海底热液活动的主要产物,以其富含铜、锌、铅、金和银等贵金属元素成为一种潜在的海底矿产资源,备受关注.2007年以来,中国大洋调查航次在西南印度洋脊开展了4个航次共8个航段的海底热液活动调查,发现了8处热液区.在此基础上,中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局签署了西南印度洋脊1×104 km2的多金属硫化物勘探合同.系统介绍了中国在西南印度洋脊海底热液活动调查中（2007-2010年）发现的热液区（点）分布,并初步分析了典型热液区的地质特征.基于此,提出将来西南印度洋脊硫化物勘探中应注重开展西南印度洋脊多金属硫化物控矿因素、非活动/埋藏型硫化物找矿方法、海底多金属硫化物资源评价方法等方面的研究,亟需加快建立热液区尺度的近底硫化物勘探技术体系.

西南印度洋脊49°39′E热液区硫化物烟囱体的矿物学和地球化学特征及其地质意义

2007年1～3月中国大洋19航次首次在超慢速扩张的西南印度洋脊(SWIR)49°39′E发现了活动的海底热液区,这是世界上在超慢速扩张洋中脊发现的第一个活动热液区.本文对获取的硫化物烟囱体样品进行了矿物组构特征、主微量及稀土元素分析.结果表明:(1)烟囱体内部以黄铜矿为主,含少量黄铁矿和闪锌矿;中部以黄铁矿为主,含有少量闪锌矿和黄铜矿;外部以黄铁矿和闪锌矿为主,黄铜矿量较少.从烟囱体内部到外部,矿物晶粒变小,晶形变差,矿物间孔隙逐渐发育,与东太平洋海隆和大西洋中脊等其他洋中脊硫化物烟囱体的矿物组成和特点类似;(2)研究区硫化物烟囱体Cu,Fe,Zn的平均含量分别为2.83%,45.6%,3.28%;Au和Ag的平均含量分别为2.0和70.2ppm,同其他洋中脊硫化物的元素含量相比较富集;(3)研究区的硫化物烟囱体REE具有轻稀土富集、重稀土亏损的配分特点,多数样品呈现负Eu异常,与典型无沉积物覆盖大洋中脊硫化物不同,可能与该区特殊的成矿环境或者热液流体组成特征有关.

从西南印度洋中脊轴部形态及其两侧沉降速率变化探讨热点与洋中脊相互作用

基于高精度地形数据,将西南印度洋中脊(11.88°E—66.75°E)分为6个区域,按不同区域分析洋脊轴部形态及其两侧基底沉降曲线的变化,由此探讨西南印度洋中脊的岩浆活动及其受热点影响的机制。结果显示:①对于整个西南印度洋中脊,轴部隆起占13.38%,轴部裂谷占82.8%,平坦过渡形占3.82%,其中19°E,36°E,41.2°E,43.7°E,50.4°E和64.5°E等处为较集中的洋脊轴部隆起;②埃里克辛普森—英多姆转换断层之间的区域(39.4°E—45.77°E)显示出异常浅的轴部裂谷和异常小且南北不对称的基底沉降速率,这表明埃里克辛普森—英多姆转换断层之间的区域是热点对洋中脊影响较为明显的区域,南侧较北侧异常小的基底沉降速率表明热点与洋中脊的相互作用主要表现为热点岩浆从洋中脊南部向上流动到岩石圈底部,然后与岩石圈发生相互作用。

西南印度洋超慢速扩张脊49.6°E热液区硫化物矿物学特征及其意义

2005年在西南印度洋脊49.6°E发现热液异常,并于2007年取得硫化物样品,这是首个在全球超慢速扩张洋脊发现活动的海底热液区。对该区硫化物开展了矿物学和矿物化学研究。结果表明,西南印度洋脊49.6°E热液区硫化物可划分出富Zn和富Fe两种矿石自然类型,矿石中广泛发育溶蚀孔洞构造、"黄铜矿疾病"结构、网格状固溶体分解结构、同质增生结构等结构构造。根据矿物化学成分变化,矿石矿物可划分出Fe-S系列、Zn-S系列、Cu-Fe-S系列、Cu-S系列及Au、Cu、W自然金属系列等。该区硫化物的沉积过程可划分为2个阶段:Ⅰ.富Zn硫化物沉积阶段,矿物组合以闪锌矿-黄铁矿-黄铜矿为主,成矿流体沉积温度相对较低;Ⅱ.富Fe硫化物阶段,矿物组合以黄铁矿-白铁矿-闪锌矿-等轴古巴矿为主,成矿流体沉积温度相对较高。后期沉积过程(阶段Ⅱ)对早期沉积过程(阶段Ⅰ)的硫化物进行了部分叠加改造。

西南印度洋49°～56°E洋脊段的热液羽状流:来自深水中的氦同位素异常证据

海水中的氦同位素能对海底热液活动进行有效示踪。本文对在西南印度洋49°～56°E洋脊段采集的5条CTD拖曳剖面共14件深水样品进行了氦氖同位素分析。通过分析水体中存在的氦同位素异常，探讨调查区热液异常的特征和热液羽状流的分布。分析表明，5条CTD剖面均存在δ^3He异常，其中CTD7-2（位置：37．927°S、49．412°E，水深2140m，离底高度100m）的δ^3He值最大，达到49．2％。根据δ^3He分布特征，认为调查区内存在至少6处热液羽状流，其中37．927°S、49．412°E以西数千米范围内可能存在海底热液喷口。

西南印度洋中脊扩张轴部(34.9°S)西翼沉积物地球化学分析及物源探讨

西南印度洋中脊沉积物来源广泛,是区域海洋环境演化的记录器,对其沉积物特征及物源研究是区域古海洋研究的基础。对采自西南印度洋中脊扩张轴部(34.9°S)西翼的重力柱沉积物样品进行总碳、总有机碳、生物硅、主量元素、微量及稀土元素测试,测试结果显示,样品中生物成因组分为沉积物的主要组成,主要包括碳酸盐和二氧化硅;主微量元素除了Ca、Sr与LOI外,其余元素的分布趋势基本一致,且相关系数基本大于0.8。结合不同生物组分特点进行分析计算,获得了沉积物中各生物组分的含量。去除生物成因组分重新计算了非生物成因元素含量,通过潜在物源及相应地球化学指标对比分析,发现非生物成因组分主要由非洲南部风成陆源物质组成,含少量洋中脊硫化物与结壳物质。