西南印度洋49°～56°E洋脊段的熱液羽狀流：來(lái)自深水中的氦同位素異常證據(jù)

盧映鈺，韓喜球*，王葉劍，邱中炎

（1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012）

西南印度洋49°～56°E洋脊段的熱液羽狀流：來(lái)自深水中的氦同位素異常證據(jù)

盧映鈺1，韓喜球1*，王葉劍1，邱中炎1

（1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012）

海水中的氦同位素能對(duì)海底熱液活動(dòng)進(jìn)行有效示蹤。本文對(duì)在西南印度洋49°～56°E洋脊段采集的5條CTD拖曳剖面共14件深水樣品進(jìn)行了氦氖同位素分析。通過(guò)分析水體中存在的氦同位素異常，探討調(diào)查區(qū)熱液異常的特征和熱液羽狀流的分布。分析表明，5條CTD剖面均存在δ3He異常，其中CTD7－2（位置：37.927°S、49.412°E，水深2 140 m，離底高度100 m）的δ3He值最大，達(dá)到49.2%。根據(jù)δ3He分布特征，認(rèn)為調(diào)查區(qū)內(nèi)存在至少6處熱液羽狀流，其中37.927°S、49.412°E以西數(shù)千米范圍內(nèi)可能存在海底熱液噴口。

西南印度洋脊；氦同位素異常；熱液羽狀流；海底熱液活動(dòng)

1 引言

現(xiàn)代洋中脊系統(tǒng)存在活躍的構(gòu)造和巖漿活動(dòng)，導(dǎo)致海底熱液活動(dòng)現(xiàn)象較為常見(jiàn)。從熱液噴口釋放出來(lái)的熱液流體與周?chē)Ｋ谖锢硇再|(zhì)（溫度、密度、濁度等）和化學(xué)性質(zhì)（甲烷、氦同位素、硫化氫以及鐵和錳含量等）上存在顯著差異，在與周?chē)Ｋ旌线^(guò)程中，熱液流體的特征物理和化學(xué)參數(shù)存在梯度變化，根據(jù)其變化情況可刻畫(huà)出熱液羽狀流的形態(tài)特征［1］。對(duì)熱液羽狀流的探測(cè)是示蹤熱液噴口和尋找伴生的多金屬硫化物資源最直接有效的手段。

自從在太平洋深處的熱液流體中發(fā)現(xiàn)有氦同位素現(xiàn)象以來(lái)［2］，氦同位素在海底熱液系統(tǒng)的調(diào)查研究中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，不僅被用來(lái)示蹤深海環(huán)流、熱液羽狀流的分布和來(lái)源，還被用于追蹤熱液噴口［3—13］。氦屬于保守元素，當(dāng)具有高3He濃度的熱液流體從熱液噴口噴出后，3He隨著熱液羽狀流擴(kuò)散和遷移，可形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)千千米的3He異常區(qū)［14—15］，利用氦同位素的這些特性，前人在不同海域通過(guò)分析不同深度的海水中的氦同位素特征來(lái)了解熱液羽狀流的分布和來(lái)源，或結(jié)合其他熱液異常信號(hào)（如溫度、鹽度、甲烷、濁度、錳、3He或懸浮顆粒等）來(lái)尋找噴口的位置［7—15］。在印度洋，相關(guān)的研究主要體現(xiàn)在用氦同位素示蹤深海環(huán)流以及北西印度洋脊和中印度洋脊的熱液活動(dòng)，如Jamous等和Srinivasan等通過(guò)研究印度洋深水中3He的分布來(lái)示蹤深部海水的循環(huán)特點(diǎn)［9—10］；Ray等通過(guò)分析水柱中的3He、溶解錳、甲烷和懸浮顆粒等特征來(lái)示蹤北西印度洋Carlsberg脊熱液羽狀流的分布［11—12］；Kawagucci等通過(guò)分析中印度洋脊18°～20°S之間海水中的3He、甲烷和錳來(lái)尋找熱液噴口和探討熱液羽狀流的動(dòng)力學(xué)機(jī)制［13］。

本研究區(qū)位于西南印度洋脊49°～56°E范圍內(nèi)，區(qū)內(nèi)分布有Gallieni斷裂帶、Gazelle斷裂帶和Gauss斷裂帶（圖1）［16—17］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并結(jié)合海底地形，49°～52.3°E洋脊段巖漿活動(dòng)較強(qiáng)，52.3°～56°E洋脊段則以構(gòu)造作用為主［18］。迄今，研究區(qū)內(nèi)已報(bào)道的熱液區(qū)共有6處，其中在西南印度洋脊53.26°E和49.21°E報(bào)道存在熱液異常［19—20］，在西南印度洋脊49.26°E、49.65°E、51.73°E和50.47°E采集到多金屬硫化物樣品［19—25］。大洋21航次第七航段在研究區(qū)水深2 000～3 600 m范圍內(nèi)利用CTD進(jìn)行了分層采水，并利用加掛的濁度和甲烷傳感器進(jìn)行拖曳式熱液異常探測(cè)。本研究對(duì)該航段5個(gè)站位采集的14件水樣（站位位置見(jiàn)圖1）進(jìn)行了氦氖同位素分析，了解深水中的氦同位素異常的空間分布特征，揭示西南印度洋脊49°～56°E洋脊段熱液羽狀流的分布，并探討熱液噴口可能存在的位置。

圖1 西南印度洋49°～56°E洋脊段海底地形和CTD采水位置圖

2 樣品與方法

在西南印度洋49°～56°E洋脊段水深2 000～3 600 m范圍內(nèi)（離底高度25～250 m），利用美國(guó)SEABIRD公司生產(chǎn)的SBE911plus CTD采集了5個(gè)站位共14件海水樣品。樣品上甲板后用乳膠管將水樣從Niskin瓶?jī)?nèi)轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)1 m、直徑0.95 cm的銅管內(nèi)，消除氣泡后馬上密封銅管保存，取樣方法參見(jiàn)Jenkins等［26］。

水樣的氦、氖同位素在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心完成測(cè)試。將待測(cè)樣品經(jīng)過(guò)閥門(mén)與高真空取氣管線相連接，對(duì)該系統(tǒng)抽真空至系統(tǒng)內(nèi)壓力小于0.13 Pa，消除系統(tǒng)殘留氣對(duì)樣品的干擾后，將待測(cè)樣品在真空管線中密閉脫氣5 min，分出適量的脫出氣并轉(zhuǎn)移至海綿鈦爐處理。稀有氣體測(cè)試儀器為英國(guó)Micromass公司生產(chǎn)的MM5400質(zhì)譜計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)樣為蘭州市皋蘭山頂?shù)目諝猓ˋIRLZ2007）。實(shí)驗(yàn)條件為高壓9.0 k V，測(cè)量氦和氖時(shí)Trap電流為800μA。4He、20Ne用法拉第杯檢測(cè)，3He用電子倍增器檢測(cè)。4He、20Ne的本底分別為1.10×10－14mol、1.82×10－14mol。4He、20Ne的測(cè)量值與絕對(duì)偏差見(jiàn)表1，其中4He的絕對(duì)偏差分布在2 ～44之間，20Ne的絕對(duì)偏差分布在5～223之間。

3 結(jié)果

海水樣品的氦和氖同位素含量和比值特征見(jiàn)表1。由表1可知水樣的4He和20Ne的含量變化范圍較大，4He的含量介于6.59×10－7～2.4×10－8cm3STP／mL之間，20Ne的含量介于2.24×10－6～3.6×10－8cm3STP／m L之間。3He／4He比值變化范圍為1.002～1.492 Ra，遠(yuǎn)小于上地幔的3He／4He比值（8 Ra）［27］，但大于地殼中的值（0.02 Ra）［28］。4He／20Ne比值變化范圍較小，在0.259～0.680之間，遠(yuǎn)小于典型幔源和地殼放射性成因氣體的4He／20Ne值（1 000）［29］，稍大于20℃空氣飽水的4He／20Ne值（0.266 5）［30］。

氦剩余（δ3He）是樣品相對(duì)于空氣的He同位素組成異常，用以下方程表示：

式中，R樣為所測(cè)海水樣品的3He／4He值。

所測(cè)水樣的氦剩余（δ3He）值分布在0.2%～49.2%之間，變化范圍較大（見(jiàn)表1）。5個(gè)CTD剖面均存在δ3He異常，其中CTD7剖面的δ3He異常峰值最大，達(dá)到49.2%（CTD7－2），其后依次為CTD1剖面的26.0%（CTD1－2），CTD5剖面的22.3% （CTD5－3），CTD3剖面的13.7%（CTD3－2），CTD2剖面的δ3He異常峰值最小，為11.5%（CTD2－3）。

表1 西南印度洋49°～56°E洋脊段深水中的氦和氖同位素組成

4 討論

地球系統(tǒng)中，各端元的氦同位素組成特征如下：上地幔3He／4He＝8，地殼3He／4He＝0.02，空氣3He／4He＝1 R，下地幔3He／4He≥32。在洋中脊深水區(qū)，海水中的氦主要來(lái)自于地幔［33—35］，具有高3He／4He值的深部熱液流體噴出海底與海水混合，形成的噴口流體的3He／4He值與周?chē)Ｋ畢^(qū)別明顯，如Rudnicki報(bào)道在大西洋TAG熱液區(qū)噴口流體的3He／4He值高達(dá)7.5。在熱浮力的作用下，噴口流體上升并發(fā)生側(cè)向擴(kuò)散形成熱液羽狀流。對(duì)于慢速和超慢速擴(kuò)張脊，熱液羽狀流的上升高度一般小于500 m［14，37］。熱液中的氦隨著熱液羽狀流在上升和擴(kuò)散的過(guò)程中呈現(xiàn)一定的梯度變化［1，7］，越靠近噴口，其3He／4He值越大，相應(yīng)地，δ3He值也越大（圖2）。

4.1 δ3He的分布特征和異常識(shí)別

圖3為各CTD剖面的δ3He值和甲烷、濁度的異常值在不同采樣點(diǎn)的分布特征，其中圓形代表δ3He異常，圓的直徑越大，表示δ3He值越大。正方形和三角形分別代表甲烷傳感器探測(cè)到的甲烷異常最大值和濁度傳感器探測(cè)到的濁度異常最大值出現(xiàn)的位置，星號(hào)則為現(xiàn)場(chǎng)CTD水樣中測(cè)到的甲烷異常最大值出現(xiàn)的位置。

圖2 洋中脊熱液系統(tǒng)的δ3He分布

從圖3可以看出，CTD1的2個(gè)水樣均存在δ3He異常。其中在34.727°S、54.623°E附近水深3 288 m 處δ3He異常較顯著，δ3He值高達(dá)26.0%。往西，在西南印度洋脊34.786°S、54.620°E附近，采集于水深3 238 m的CTD1－1水樣的δ3He值降低到5.1%。根據(jù)大洋21航次第七航段調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告［18］，在34.727 0°S、54.623 5°E水深3 283 m處采集的水樣中甲烷濃度為4.2 nmol／L，在34.827 2°S、54.614 4°E附近水深約1 580 m處、34.822 2°S、54.614 7°E附近水深約1 887 m處以及34.798 4°S、54.616 9°E附近水深約2 966 m處，分別探測(cè)到162 m V、161 m V和115 mV的顯著濁度異常。

圖3 各CTD剖面水樣的δ3He值和甲烷、濁度的異常值在空間上的分布特征

CTD2剖面在水深3 580 m、3 530 m和3 380 m采集的3個(gè)水樣也均檢測(cè)出存在δ3He異常。其中在34.290°S、55.505°E水深3 380 m處采集的CTD2－3水樣出現(xiàn)的δ3He值高達(dá)11.5%，但往東在34.291°S、55.507°E附近水深3 530 m處，δ3He值下降到0.2%，再往東，水深3 580 m處又上升到9.6%。34.290 5°S、55.506 3°E附近水深3 395 m處探測(cè)到9 m V的濁度異常，水樣中的甲烷濃度為7.7 nmol／L［18］，約是背景值的4倍。

CTD3剖面分別在西南印度洋脊34.416°S、55.213°E和34.433°S、55.255°E水深2 645～2 595 m之間采集了3個(gè)樣品，其中，在西南印度洋脊34.416° S、55.213°E附近采集的2個(gè)水樣中，水深2 645 m處（CTD3－1）出現(xiàn)了明顯的δ3He異常，其δ3He值為10.7%，往上在水深2 595 m處（CTD3－2）δ3He值更加顯著，高達(dá)13.7%。往西到34.433°S、55.255°E附近，采集于水深2 557 m的CTD3－3水樣也出現(xiàn)明顯的δ3He異常，其δ3He值為11.2%。

CTD5剖面中，在西南印度洋脊37.445°S、51.362°E附近2 780 m處（樣品CTD5－3）存在顯著的δ3He異常，δ3He值高達(dá)22.3%。往西，在37.433° S、51.361°E附近采集的2個(gè)水樣中，樣品CTD5－1（水深2 950 m）和樣品CTD5－2（水深2 900 m）的δ3He均較小，其δ3He值分別為1.2%和2.0%。CTD5剖面的水樣同時(shí)也檢測(cè)到甲烷異常和濁度異常，如在37.435°S、51.360°E附近水深2 952 m處采集的水樣中甲烷濃度高達(dá)11 nmol／L，在水深2 604 m處探測(cè)到8 mV的濁度異常［18］。

CTD7剖面中，在西南印度洋脊37.928°S、49.412°E水深2 140 m處采集的CTD7－2水樣出現(xiàn)顯著的δ3He異常，δ3He值高達(dá)49.2%，是本次研究所發(fā)現(xiàn)的最大值。在37.928 1°S、49.411 1°E水深2 211 m處采集的水樣中甲烷濃度高達(dá)9 nmol／L［18］。此外，CTD7剖面在37.9°S、49.2°E附近水深1 550 m處和2 575 m處分別探測(cè)到顯著的甲烷異常，其濃度分別為48 nmol／L和64.8 nmol／L。

綜上所述，這5個(gè)CTD剖面在離底50～250 m的水深范圍內(nèi)共探測(cè)到9處明顯的δ3He異常，其中CTD7剖面的異常信號(hào)最強(qiáng)，其次為CTD1和CTD5剖面，CTD3和CTD2剖面的異常信號(hào)較弱。出現(xiàn)δ3He異常的位置附近也往往探測(cè)到甲烷異?；驖岫犬惓?。這些異常信號(hào)相互印證，為研究區(qū)存在熱液異常提供了確鑿的證據(jù)。

4.2 熱液羽狀流的示蹤

熱液羽狀流中的氦剩余異常在橫向上的變化趨勢(shì)在一定程度上受控于當(dāng)?shù)厣詈：Ａ鞯倪\(yùn)動(dòng)方向。西南印度洋深海環(huán)流主要受地形和南極底流的共同影響［38—40］。南極底流穿過(guò)Enderby深海平原向北流動(dòng)進(jìn)入西南印度洋后，在30°E以西分叉，其中2個(gè)支流向東北流至Conrad海隆后從Crozet和Kerguelen島之間的缺口向東北流入Crozet海盆，之后在30°～40°S左右轉(zhuǎn)向西北，穿過(guò)洋脊上的斷裂通道，最后進(jìn)入Madagascar海盆；另一個(gè)支流向北穿過(guò)洋脊的缺口并經(jīng)過(guò)Agulhas海盆進(jìn)入Mozambique海盆［39—40］。研究區(qū)位于34°～38°S的洋脊上，南極底流方向?yàn)槲鞅毕颉?/p>

在西南印度洋脊49.410°～51.362°E之間的洋脊段上，CTD7與CTD5相距約180 km，在CTD5剖面發(fā)現(xiàn)的δ3He異常峰值水深為2 780 m，δ3He異常峰值為22.3%。在CTD7剖面發(fā)現(xiàn)了本次研究最強(qiáng)的熱液異常信號(hào)，δ3He異常峰值高達(dá)49.2%，水深為2 140 m（見(jiàn)圖3、表1），與目前報(bào)道的熱液羽狀流中最大的δ3He值56%接近［15］，說(shuō)明該位置可能已非常接近活動(dòng)熱液噴口。根據(jù)CTD7 3個(gè)水樣δ3He值的變化情況（見(jiàn)圖3、表1）以及深海海流方向，活動(dòng)熱液噴口可能位于37.927°S、49.412°E以西數(shù)千米范圍以?xún)?nèi)（見(jiàn)圖1）。CTD5的δ3He異常峰值沒(méi)有CTD7顯著，但CTD5的δ3He異常峰值出現(xiàn)的水深比CTD7 的δ3He異常峰值水深位置更深500 m。說(shuō)明這兩個(gè)熱液羽狀流可能來(lái)自于兩個(gè)獨(dú)立的熱液噴口。結(jié)合3He異常的分布特征以及海流的情況，判斷CTD5熱液異常的源區(qū)可能位于37.445°S、51.362°E以東（見(jiàn)圖1），水深2 780 m以深。

Tao等［19—25］報(bào)道在西南印度洋脊49.65°E附近水深2 785 m處存在活動(dòng)的“A”熱液區(qū)，Han等［20］報(bào)道在49.2°E水深1 400 m附近發(fā)現(xiàn)硫化物區(qū)“玉皇山”，并在3 000 m附近可能存在另一活動(dòng)熱液區(qū)。CTD7離“A”熱液區(qū)和“玉皇山”熱液區(qū)分別相距約27 km和19 km，其熱液異常高度與已知熱液區(qū)水深位置相比超過(guò)645 m，表明CTD7所探測(cè)到的熱液羽狀流很可能與這2個(gè)已知熱液區(qū)無(wú)關(guān)，在附近很可能在存在新的熱液噴口，值得進(jìn)一步加密調(diào)查和取樣分析。

在西南印度洋脊54.619°～55.508°E之間的洋脊段上，CTD1與CTD2和CTD3的位置分別相距約110 km和69 km，相互之間被斷層不連續(xù)面所相隔。這3條CTD剖面δ3He異常峰值出現(xiàn)的水深依次為3 288 m、3 380 m、2 595 m（見(jiàn)圖3、表1），暗示這些位置可能有熱液羽狀流的存在。其中CTD1的δ3He值最顯著，與CTD2相比，其異常峰值位置更接近海底，但是水深卻更淺，因此判斷CTD1和CTD2所探測(cè)到的氦同位素異常并非來(lái)自同一熱液羽狀流，否則不符合羽狀流的形態(tài)特征。根據(jù)CTD1剖面δ3He異常值由東往西逐漸減小的變化趨勢(shì)，判斷CTD1熱液異常的源區(qū)位于西南印度洋脊34.727°S、54.623°E以東（見(jiàn)圖1），水深3 288 m以深。對(duì)于CTD2剖面本身，其δ3He異常的分布特征表明可能存在2個(gè)獨(dú)立的熱液羽狀流，其中一個(gè)熱液羽狀流的源區(qū)位于34.291° S、55.508°E以東（見(jiàn)圖1），水深3 580 m以深；另一個(gè)熱液羽狀流，根據(jù)δ3He異常值由西往東逐漸減小的變化趨勢(shì)，可初步判斷其源區(qū)可能位于34.290°S、55.505°E以西（見(jiàn)圖1），水深3 380 m以深。CTD3 的δ3He異常峰值的水深與CTD1、CTD2的δ3He異常峰值水深位置相比淺500 m，判斷CTD3所發(fā)現(xiàn)的熱液羽狀流與CTD1和CTD2所在的熱液羽狀流無(wú)關(guān)，其源區(qū)可能位于西南印度洋脊34.416°S、55.213°E以西（見(jiàn)圖1），水深2 595 m以深。

氦屬于保守元素，在海水中的滯留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 000 a［41—42］。相對(duì)于氦同位素的特征，甲烷和濁度是非保守的，兩者在海水中的滯留時(shí)間相對(duì)氦同位素要短得多［1，43］，而δ3He值存在異常的位置往往對(duì)應(yīng)甲烷和濁度異常，因此，基本上可以認(rèn)為所識(shí)別出來(lái)6個(gè)熱液羽狀流均導(dǎo)源于現(xiàn)代正在活動(dòng)的熱液噴口。

5 結(jié)論

本文研究了西南印度洋49°～56°E洋脊段深水中的氦氖同位素組成特征，并結(jié)合海水濁度和甲烷濃度分析的結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）5條CTD剖面在離底高度50～250 m（水深2 000～3 600 m）范圍共探測(cè)到9處明顯的δ3He異常，其δ3He值分布在0.2%～49.2%之間。δ3He值存在異常的位置往往對(duì)應(yīng)甲烷和濁度異常，為熱液異常的存在提供了確鑿的證據(jù)。

（2）結(jié)合δ3He異常的分布特征和深海海流方向，判斷調(diào)查區(qū)內(nèi)可能存在至少6處獨(dú)立的熱液羽狀流，其中37.927°S、49.412°E附近在水深2 140 m處（離底100 m）處δ3He高達(dá)49.2%，認(rèn)為在該位置以西數(shù)公里范圍內(nèi)可能存在海底熱液噴口。

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The hydrothermal plumes over the Southwest Indian Ridge from 49°E to 56°E：Evidence from helium isotope anomalies of deep seawater

Lu Yingyu1，Han Xiqiu1，Wang Yejian1，Qiu Zhongyan1
（1．SecondInstitute of Oceanography&Key Laboratory of Submarine Geosciences，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China）

The helium isotope anomaly in the seawater is a good indicator of the hydrothermal activity in the seafloor.During DY115－21 cruise Leg 7，five CTD Toyo profiles were deployed between 49°E and 56°E on the Southwest Indian Ridge and 14 seawater samples were collected for helium and neon isotope analysis.In this paper，we examine the helium isotope anomalies in the water column and discuss the distribution of the hydrothermal plumes in the investigated area.Our results show that all of the five CTD profiles exhibit distinctδ3He anomalies. Sample CTD7－2 which was sampled at 37.927°S，49.412°E in the water depth of 2 140 m（100 m above the seafloor）exhibited the largestδ3He anomaly of 49.2%.According to the distribution pattern ofδ3He，it is suggested that there may existed at least 6 hydrothermal plumes in the investigated area，and one active hydrothermal venting site probably lies within a few kilometers west of 37.927°S，49.412°E.

Southwest Indian Ridge；helium isotope anomalies；hydrothermal plume；seafloor hydrothermal activities

P595

A

0253-4193（2014）06-0042-08

2013-03-23；

2014-02-16。

國(guó)際海底資源調(diào)查與開(kāi)發(fā)“十二五”研究課題（DY125－12－R－03）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91228101，41306056）；浙江省杰出青年基金項(xiàng)目（R5110215）。

盧映鈺（1987—），女，廣西省梧州市人，海洋地質(zhì)專(zhuān)業(yè)。E-mail：lyyluyingyu＠163.com

*通信作者：韓喜球，研究員，博士生導(dǎo)師，從事海底礦產(chǎn)資源與成礦系統(tǒng)研究。E-mail：xqhan＠sio.org.cn

盧映鈺，韓喜球，王葉劍，等.西南印度洋49°～56°E洋脊段的熱液羽狀流：來(lái)自深水中的氦同位素異常證據(jù)［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（6）：42—49，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.06.006

Lu Yingyu，Han Xiqiu，Wang Yejian，et al.The hydrothermal plumes over the Southwest Indian Ridge from 49°E to 56°E：Evidence from helium isotope anomalies of deep seawater［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（6）：42—49，doi：10.3969／j.issn. 0253-4193.2014.06.006