西南印度洋龍熱液區(qū)羽流信號(hào)的檢測(cè)與通量估算

陳小丹，梁楚進(jìn)*，董昌明

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；4. 地球與行星物理研究所，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校，美國(guó) 加利福尼亞州 洛杉磯 90095)

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陳小丹1,2，梁楚進(jìn)*1,2，董昌明3,4

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；4. 地球與行星物理研究所，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校，美國(guó) 加利福尼亞州 洛杉磯 90095)

摘要:熱液流體在物理化學(xué)特征方面與周圍海水存在較大差異，探測(cè)溫度異常和濁度異常是尋找熱液羽狀流信號(hào)的重要手段。本文采用“大洋一號(hào)”科考船第20航次的拖曳CTD數(shù)據(jù)和濁度數(shù)據(jù)，以及21航次的定點(diǎn)CTD數(shù)據(jù)，研究了西南印度洋龍熱液區(qū)的溫度異常和濁度異?，F(xiàn)象。研究表明熱液區(qū)中性浮力層在水深2 550~2 650 m間，厚度約為100 m，溫度異常達(dá)0.01 ℃；水深 2 750~2 800 m間亦有溫度異常，最大可達(dá)0.08 ℃；溫度異常水深處存在相應(yīng)的濁度異常。深層背景海水位溫和位密間存在簡(jiǎn)單線性關(guān)系。此外，經(jīng)初步估計(jì)，熱液活動(dòng)區(qū)初始浮力通量為8.78×10-4m4/s3；通過(guò)中性浮力層估算熱液熱通量，約為130±43 MW。

關(guān)鍵詞:西南印度洋；熱液羽流；溫度異常；濁度異常；熱通量

0引言

海底熱液活動(dòng)是一種全球尺度的地質(zhì)現(xiàn)象，人們對(duì)其的認(rèn)識(shí)源于紅海底層水體存在溫鹽異常的現(xiàn)象[1]。隨著美國(guó)“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)作進(jìn)一步科學(xué)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)熱液成因的多金屬軟泥[2-3]，神秘的海底逐漸揭開面紗，打破人們的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，眾多領(lǐng)域的學(xué)者開始熱衷探究海底熱源相關(guān)事物。海底熱液系統(tǒng)包含的學(xué)科亦越來(lái)越廣，涉及地球化學(xué)、物理海洋學(xué)和海洋地質(zhì)學(xué)等。盡管熱液活動(dòng)發(fā)現(xiàn)至今已有30多年，但是超慢速擴(kuò)張洋中脊上的熱液活動(dòng)研究才剛剛興起。西南印度洋中脊是超慢速擴(kuò)張洋中脊的典型代表，由于位置偏遠(yuǎn)，直到2007年，人們才在該洋中脊上發(fā)現(xiàn)了正在活動(dòng)的熱液區(qū)。迄今為止，人們對(duì)西南印度洋中脊上的熱液活動(dòng)特征、熱液引起的物理化學(xué)異常的空間分布特點(diǎn)等都知之甚少。開展該洋中脊上熱液活動(dòng)區(qū)的研究分析，將有助于深化對(duì)熱液活動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

熱液噴口主要位于大洋中脊斷裂帶、峽谷以及部分海盆擴(kuò)張區(qū)。熱液流體噴出后，快速上升的同時(shí)與周圍海水進(jìn)行混合，因而熱液組分的濃度迅速稀釋，變?yōu)樵械?0-4~10-5倍[4-5]。熱液流體在熱浮力的作用下可上升數(shù)百米，側(cè)向擴(kuò)散可達(dá)數(shù)千公里[5]。底層海流對(duì)熱液羽狀流的形狀有一定影響，往往使其朝背景海水流動(dòng)方向偏移。在不考慮底層流的情況下，熱液柱由兩部分組成，下部是上粗下細(xì)的熱液頸，上部是呈透鏡狀的熱液透鏡[6]。熱液流體在物理化學(xué)特征方面與周圍海水形成較大差異，其具有較高的溫度，較高的金屬含量以及不同的化學(xué)組分等[7]。

1西南印度洋區(qū)域概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1西南印度洋地質(zhì)條件

西南印度洋中脊(SWIR)是典型的超慢速擴(kuò)張洋中脊，其沿南北向的半擴(kuò)張速率僅為0.7~0.8 cm/a[10]。西南印度洋中脊從Rodrigues三聯(lián)點(diǎn)(RTJ，25°20′S，70°00′E)到Bouvet三聯(lián)點(diǎn)(BTJ，54°50′S，00°40′W)，共延伸7 700 km[11]，是全球大洋的一個(gè)主要板塊邊界。

圖1　西南印度洋地形及相關(guān)測(cè)量站位(根據(jù)文獻(xiàn)[16]改編)Fig.1　Topography and the related measuring stations in the Southwest Indian Ocean(adapted from reference[16])

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

海水的溫度和顆粒物含量，是比較容易探測(cè)到的物理參數(shù)。熱液羽狀流從海底噴出，攜帶大量熱能和顆粒物質(zhì)，引起周圍海水溫度及濁度變化。本文主要通過(guò)水文和光學(xué)性質(zhì)差異研究熱液羽狀流，采用的數(shù)據(jù)來(lái)源于“大洋一號(hào)”科考船第20和21航次。所用數(shù)據(jù)包括定點(diǎn)站位CTD觀測(cè)數(shù)據(jù)，拖曳CTD數(shù)據(jù)和濁度數(shù)據(jù)。拖曳CTD和濁度計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自20航次，本次拖曳CTD采用美國(guó)SBE-BIRD公司的SBE 19plus CTD，其最大可測(cè)量深度為7 000 m。定點(diǎn)站位CTD數(shù)據(jù)來(lái)自21航次。以上數(shù)據(jù)具體信息如表1，表2以及圖1所示。

礦石以細(xì)粒結(jié)構(gòu)為主，均為粒狀變晶結(jié)構(gòu)，局部地段粒度較粗，礦石構(gòu)造為條帶狀、條紋狀構(gòu)造。礦石中主要礦物成分為磁鐵礦，次為赤鐵礦，少量褐鐵礦；脈石礦物主要為石英，次為角閃石，還有少量的石榴子石和黑云母。礦石自然類型為石英型和閃石型磁鐵礦石。w(Tfe)在22.45%～36.00%之間，平均為30%。

表1　拖曳CTD數(shù)據(jù)基本信息

表2　CTD定點(diǎn)站位觀測(cè)信息

2數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

2.1西南印度洋水文概述

西南印度洋表層海水呈高溫高鹽，底層海水則呈低溫相對(duì)高鹽的分布特征。從圖2中可以看出，海水在400~1 000 m左右存在溫度躍層，2 000 m以下，溫度變化很小，基本保持在2 ℃。鹽度在1 300 m左右出現(xiàn)最低值，約為34.3。之后鹽度隨深度增加而逐漸升高，當(dāng)水深超過(guò)2 000 m，鹽度可達(dá)到34.7左右。利用T-S分布圖(圖3)，并與其他文獻(xiàn)[17-18]比較可以看出，西南印度洋區(qū)域上層水與中南印度洋水團(tuán)(South Indian Central Water，SICW)性質(zhì)一致，中層與南極中層水水團(tuán)(Antarctic Intermediate Water，AAIW)性質(zhì)一致，具有低鹽特性；其深層水與繞極深層水團(tuán)(Circumpolar Deep Water，CDW)性質(zhì)一致。

2.2溫度異常

熱液羽狀流的物理化學(xué)組成和性質(zhì)與背景海水不同，這為探測(cè)熱液活動(dòng)提供了有效條件。尤其是熱液中性浮力層(即熱液流體上升至其密度與周圍海水密度相當(dāng)后，側(cè)向擴(kuò)散形成的透鏡狀液體層)對(duì)科學(xué)家們尋找噴口位置起到了放大鏡作用。水文示蹤、化學(xué)示蹤、光學(xué)示蹤和聲學(xué)示蹤等都是研究熱液羽狀流的基本途徑。本文主要討論水文示蹤(溫度異常)和光學(xué)示蹤(濁度異常)。

海水溫度異常是探測(cè)羽流信號(hào)的一種指標(biāo)。熱液溫度異常值的定義為：同一地區(qū)等密度層處熱液溫度與正常海水溫度之間的差值[19]。本文采用王曉媛[19]提出的重采樣法，自動(dòng)化計(jì)算海水溫度異常。值得注意的是，重采樣法僅適用于一定水深范圍的海底熱液柱溫度異常值計(jì)算，且需要范圍內(nèi)背景海水參數(shù)之間符合簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系式。

圖2　西南印度洋溫度(a)和鹽度(b)的垂向分布Fig.2　The vertical distributions of temperature (a) and salinity (b) in the Southwest Indian Ocean

圖3　西南印度洋 T-S分布圖Fig.3　T-S diagram in the Southwest Indian Ocean

圖4　Line1測(cè)線上位溫-位密關(guān)系圖(a)和相應(yīng)水深的溫度異常(b)Fig.4　Potential temperature-potential density diagram (a) and the corresponding temperature anomalyat different depth (b) on Line1

圖5　Line2測(cè)線上位溫-位密關(guān)系圖(a)和相應(yīng)水深的溫度異常(b)Fig.5　Potential temperature-potential density diagram (a) and the corresponding temperature anomalyat different depth (b) on Line2

圖6　Line3測(cè)線上位溫-位密關(guān)系圖(a)和相應(yīng)水深的溫度異常(b)Fig.6　Potential temperature-potential density diagram (a) and the corresponding temperature anomalyat different depth (b) on Line3

圖7　Line4測(cè)線上位溫-位密關(guān)系圖(a)和相應(yīng)水深的溫度異常(b)Fig.7　Potential temperature-potential density diagram (a) and the corresponding temperature anomalyat different depth (b) on Line4

表3　位溫和位密相關(guān)關(guān)系式的截距和斜率

PT=137.949 5-4.896 7×(Pden-1 000)

(1)

濁度異常和溫度異常是羽流探測(cè)最易識(shí)別的兩個(gè)標(biāo)記，相對(duì)于水文特征，光學(xué)特征是非保守的，水體中顆粒物質(zhì)的含量決定著濁度的測(cè)量值[5]。BAKER et al[24]早在1985年就已經(jīng)成功利用海水光學(xué)性質(zhì)，多次探測(cè)到熱液羽狀流。光學(xué)示蹤是熱液調(diào)查中的可靠指示劑。

利用拖曳CTD的濁度數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)Line1和Line3測(cè)線存在明顯的濁度異常(圖8)，溫度異常水深處存在相應(yīng)的濁度異常。但Line1測(cè)線在水深2 900~3 000 m間有顯著的濁度異常，Line4測(cè)線在2 600 m以下也存在濁度異常，而同一深度都沒(méi)有觀測(cè)到溫度異常，這可能因?yàn)樗械墓鈱W(xué)異常比水文異常更容易被檢測(cè)。海水的背景濁度剖面在垂向上基本保持一致，熱液羽狀流的存在引起濁度異常值增大，距離熱液噴口越遠(yuǎn)，光學(xué)信號(hào)越弱。對(duì)于海水溫度，熱液噴口附近溫度異常值很大，但由于混合，隨著距離增大，溫度急劇下降，接近背景海水溫度。BAKER et al[25]在其2001年所著的文章中就很好地展示了濁度異常和溫度的分布剖面，噴口附近濁度明顯高于背景濁度值，隨著距離增加，濁度異常逐漸減小，而溫度只存在分層現(xiàn)象，并沒(méi)有明顯的溫度異常。

圖8　4條測(cè)線的垂向濁度分布Fig.8　Vertical distribution of turbidity for the 4 measuring lines

3羽流初始浮力通量和熱通量估算

3.1初始浮力通量估算

熱液從海底噴出不斷上升，直到與背景海水密度差縮小為0，垂向速度漸變?yōu)?，熱液達(dá)到最大高度。熱液柱的上升高度在不同區(qū)域存在差異，在Endeavor熱液區(qū)，熱液羽狀流從2 200 m的海底噴口噴出，上升了200 m[4]。在TAG熱液區(qū)，近350 ℃的熱液上升了360 m[26]。羽流所能上升的最大高度由羽流的初始浮力通量和浮力頻率函數(shù)共同決定[27]。對(duì)熱液柱上升高度的估計(jì)，基于熱液區(qū)的探測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬等方法，許多學(xué)者得到一些經(jīng)驗(yàn)公式，但因不同的海洋背景環(huán)境，考慮的影響因子不同，得到的經(jīng)驗(yàn)公式有所差別，夏建新 等[28]在其文章中就對(duì)一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了總結(jié)。這里我們采用經(jīng)驗(yàn)公式 (2)反推浮力通量B0[28]：

(2)

式中：浮力頻率(N)是背景海水密度分層的量度，其定義為：

(3)

3.2熱通量的估算

熱液活動(dòng)伴隨著巨大的熱量釋放到海水中，這部分熱量影響深海背景環(huán)境場(chǎng)，影響著深海生物的繁殖生長(zhǎng)。估計(jì)熱液熱通量的方法有以下幾種：(1)通過(guò)熱液煙囪體及擴(kuò)散流估算熱通量[9]；(2)通過(guò)熱液羽狀體估計(jì)熱通量[9]；(3)根據(jù)擴(kuò)張洋脊熱液柱覆蓋率估計(jì)熱通量[29]。本文采用第2種方法，通過(guò)熱液中性浮力層估算。

中性浮力層是熱液流體從噴口噴出進(jìn)入海水后，快速上升形成的透鏡狀液體層，此時(shí)熱液密度與周圍海水相當(dāng)，浮力為0。熱液流體在中性浮力層上側(cè)向擴(kuò)散，中性浮力層厚度可達(dá)到幾百米，水平擴(kuò)張范圍大多在1 km左右[30-31]。

通過(guò)中性浮力層估算熱通量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[28]：

H=ρ×cp×u×Δθ×Δx×Δz

(4)

式中：ρ為背景海水密度，cp為熱液熱容，u為中性浮力層橫向流速，Δθ為中性浮力層與背景海水溫差，Δx和Δz分別為中性浮力層的直徑和厚度。根據(jù)上文分析，中性浮力層厚度Δz取為150±50 m，中性浮力層溫度異常為0.01 ℃，比熱為4. 2 kJ/(kg·℃)，ρ為1 027.76 kg/m3。朱健[32]在研究西南印度洋熱液區(qū)時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)濁度異常點(diǎn)均集中在2×2 km2的區(qū)間內(nèi)，因此這里水平擴(kuò)張范圍取為2 000 m，并假設(shè)橫向流速u為0.01 m/s[9]，則產(chǎn)生的熱通量約為130±43 MW。

熱通量計(jì)算依賴于熱液系統(tǒng)中一些參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)定，但是由于深水環(huán)境，測(cè)量手段等一些限制條件，本文只能作一些粗略的估計(jì)。

4結(jié)論

(2) 熱液水柱中的光學(xué)數(shù)據(jù)較敏感，比水文數(shù)據(jù)更容易被檢測(cè)。溫度異常水深處存在相應(yīng)的濁度異常，而水深2 900~3 000 m間有濁度異常，卻未觀測(cè)到明顯溫度異常。本文只給出了溫度異常和濁度異常在垂向上的分布特征，由于缺少超短基線數(shù)據(jù)，并未對(duì)異常現(xiàn)象的水平分布進(jìn)行分析。

(3) 西南印度洋2 700~2 900 m的浮力頻率均值約為7×10-4Hz，通過(guò)羽流上升高度經(jīng)驗(yàn)公式反推初始浮力通量為8.78×10-4m4/s3。從中性浮力層估算熱通量，其值約為130±43 MW。熱通量還可以通過(guò)熱液煙囪體及低溫?zé)嵋簲U(kuò)散流進(jìn)行估算，但由于缺少相關(guān)參數(shù)，沒(méi)有進(jìn)行估算。海底熱液熱通量非?？捎^，目前的估計(jì)方法都存在很多不確定性，需要研究者們深入了解熱液系統(tǒng)，探尋其本質(zhì)，找出更加合理的計(jì)算熱通量方法。

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Detection and flux estimation of hydrothermal plumes in

the Longqi hydrothermal field in the Southwest Indian Ocean

CHEN Xiao-dan1,2, LIANG Chu-jin*1,2, DONG Chang-ming3,4

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China；

2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China； 3.SchoolofMarine

Sciences,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China；

4.InstituteofGeophysicsandPlanetaryPhysics,UniversityofCalifornia,LosAngelesCA90095,USA)

Abstract:Compared with the surrounding seawater, hydrothermal fluid has big differences in both physical and chemical characteristics. Detecting abnormal temperature and turbidity are important means for finding hydrothermal plumes signal. The towing CTD and the turbidity data from leg 20 and the CTD station data from leg 21 of “DaYang Yi Hao” expedition ship were studied. A neutral buoyancy level at the depth of 2 550~2 650 meters with a temperature anomaly about 0.01 degree, and the thickness about 100 meters is found in a hydrothermal field at 49.65°E in the Southwest Indian Ocean. It also shows that temperature anomaly appears at the depth of 2 750~2 800 meters, with the maximum value to 0.08 degree. Accompanied by temperature anomaly, turbidity anomaly also occurres at the same water levels. The potential temperature of background water shows a linear correlation with the potential density in the deep sea. In addition, it is estimated that the initial buoyancy flux is 8.78×10-4m4/s3, and the estimation value of the hydrothermal area heat flux is about 130±43 MW calculated from the neutral buoyancy level.

Key words:Southwest Indian Ocean; hydrothermal plumes; temperature anomaly; turbidity anomaly; heat flux

作者簡(jiǎn)介:張勝軍(1980-)，男，浙江臺(tái)州市人，工程師，主要從事海洋水文方面的研究。E-mail:shengjun135@163.com

收稿日期:2014-12-04修回日期:2015-11-17

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.005

中圖分類號(hào):P738.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-909X(2015)04-0043-10