西北印度洋天休熱液區(qū)熱液成因礦物特征與分布及其指示意義

蔡翌旸，韓喜球,3，邱中炎，王葉劍，李謀,3，Samuel Olatunde Popoola,3

1.自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自然資源部第二海洋研究所，杭州 310012

2.上海交通大學(xué)海洋學(xué)院，上海 200240

3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，舟山 316021

熱液成因礦物是海底熱液活動的產(chǎn)物，形成于海底熱液與低溫海水的混合過程中，主要類型包括金屬硫化物礦物、富鐵氧化物（硅化物）、鐵錳氫氧化物、硫酸鹽礦物[1]。其礦物組合、礦物學(xué)和礦物形貌學(xué)等特征攜帶有熱液成因的相關(guān)信息，常被用來反映熱液流體組成及溫度等要素[2-4]。熱液成因礦物主要存在兩種沉積形式：熱液堆積體（如熱液丘和煙囪體等）的失穩(wěn)垮塌遷移和熱液羽流自生礦物顆粒的沉降[5-8]。熱液成因礦物的沉積范圍受到熱液系統(tǒng)的熱源、洋中脊構(gòu)造環(huán)境等要素制約，不同制約條件的熱液系統(tǒng)，熱液成因礦物的空間分布范圍具有一定的差異性[9-13]，如在快速擴(kuò)張的東太平洋海隆，巖漿活動頻繁，熱液成因礦物可擴(kuò)散至距海隆超1 000 km 的區(qū)域[14-15]，而在慢速擴(kuò)張的北大西洋洋脊，熱液成因礦物分布范圍較小，主要集中分布在中央裂谷[15-16]。因而，熱液成因礦物的空間分布對于熱液活動區(qū)的位置與范圍具有一定指示作用。

2015 年，中國大洋33 航次在卡爾斯伯格脊63°50′E 附近發(fā)現(xiàn)了天休熱液區(qū)，并通過海底視像觀察到塊狀硫化物堆積體以及一處活動噴口[17]。邱中炎等[18]對天休熱液區(qū)表層沉積物進(jìn)行了全巖稀土元素分析，結(jié)果初步指示沉積物中存在高溫?zé)嵋航M分。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對天休熱液區(qū)活動噴口及其周邊地區(qū)所采集的表層沉積物進(jìn)行研究，分析其中熱液成因礦物的粒度特征、礦物學(xué)特征以及豐度變化情況，旨在總結(jié)天休熱液區(qū)熱液成因礦物相對活動噴口的空間變化規(guī)律。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

卡爾斯伯格脊（Carlsberg Ridge）是慢速擴(kuò)張洋中脊，其全擴(kuò)張速率為22～32 mm/a[19]。該洋脊地處西北印度洋10°～2°N 之間，北起歐文斷裂帶，南至酈道元斷裂帶，走向由西北-東南向逐漸彎曲至近南北向，全長約1 500 km[20-22]。卡爾斯伯格脊具有5 個(gè)一級洋脊段[20,22]。其中，第4 洋脊段位于徐霞客斷裂帶和寶船斷裂帶之間，為非對稱擴(kuò)張洋脊段，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，巖漿供給不充分，軸部具有深大斷裂，平均水深3 750 m[19-20]。天休熱液區(qū)位于3°45′N、63°45′E 附近，是卡爾斯伯格脊上發(fā)現(xiàn)的首個(gè)以超鎂鐵質(zhì)巖為圍巖的熱液系統(tǒng)[17]，地處中央裂谷南側(cè)山坡，距離洋脊中軸約5 km，平均水深約為3 450 m，沿北東-西南向呈不規(guī)則展布，與洋脊走向大體垂直（圖1）[23]。

2 樣品與方法

表層沉積物樣品由大洋26 航次和33 航次利用電視抓斗獲取。4 個(gè)采樣站位分別位于天休熱液區(qū)活動噴口處、噴口西南側(cè)0.22 km、西北側(cè)1.84 km和西南側(cè)6.05 km，水深分布在2 700～3 500 m（表1，圖1）。其中33I-TVG07 和26I-TVG05 站位于活動熱液噴口附近，樣品含大量熱液成因礦物及圍巖碎屑礦物，顏色深（圖2a），密度大，黏稠度高，易污手。26I-TVG04 和33I-TVG11 站位與熱液噴口距離較遠(yuǎn)，樣品為正常遠(yuǎn)洋沉積物，成分以鈣質(zhì)生物碎屑為主，含有極少量金屬氧化物（氫氧化物），呈淺黃色，分選較好，有顆粒感（圖2b）。

樣品分析流程如下：首先對各站位樣品分別進(jìn)行洗鹽、篩分和烘干處理，并對樣品進(jìn)行分粒徑稱量。將篩分后粒徑＞1 mm（礫—粗砂）的樣品和＜1 mm（砂—泥）的樣品分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（參照Udden-Wentworth 粒度分級標(biāo)準(zhǔn)）[24-25]。用掃描電鏡-能譜（SEM-EDS）對粒徑＞1 mm 的樣品進(jìn)行礦物組成鑒定。對粒徑＜1 mm 的樣品，先利用X 射線衍射分析（XRD）初步確定礦物種類和相對豐度，再通過雙目體視顯微鏡（型號：LEICA M205 C）進(jìn)行鏡下鑒定及統(tǒng)計(jì)，并用SEM-EDS 對挑選的典型樣品進(jìn)行礦物學(xué)分析。所使用的X 射線衍射儀型號為X’ Pert PRO，選用Cu 靶，激發(fā)電壓45 kV，電流40 mA，測試范圍為0～70°。掃描電鏡型號為Zeiss Ultra-55，加速電壓15 kV，能譜型號為Oxford-Inca X-Max 20，兩項(xiàng)測試分析時(shí)使用高真空模式。以上實(shí)驗(yàn)均在自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果

3.1 粒度特征

對各站位粒徑＞1 mm（礫—粗砂）與＜1 mm（砂—泥）的沉積物樣品稱量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示。在研究區(qū)不同站位，兩種粒徑的樣品質(zhì)量百分比不同。近噴口端礫—粗砂級組分百分含量較高，而遠(yuǎn)噴口端主體為砂—泥級組分。33I-TVG07 站位（活動噴口處）礫—粗砂級組分質(zhì)量百分比為43%，砂—泥級組分質(zhì)量百分比為57%；26I-TVG05 站位（距噴口0.22 km）礫—粗砂組分質(zhì)量百分比為22%，砂—泥級組分質(zhì)量百分比為78%；26I-TVG04 站位（距噴口1.84 km）礫—粗砂組分約為3%，砂—泥級組分上升至97%；33I-TVG11 站位（距噴口6.05 km），未見礫—粗砂組分。

圖1 天休熱液區(qū)及本文沉積物采樣點(diǎn)位置圖多波束地形數(shù)據(jù)來自中國大洋24 航次EM120 多波束測深系統(tǒng)，精度80 m，等深線間距200 m。Fig.1 The location of the Tianxiu Hydrothermal Field and sampling stationsAll bathymetry is based on the EM120 data collected by DY 24th cruise in 2012 （200 m contours, accuracy 80 m）.

表1 采樣位置信息Table 1 The coordinates of sampling stations

3.2 礦物組成及豐度

對各站位沉積物的礦物組成進(jìn)行了鑒定統(tǒng)計(jì)（圖3—6，表2），結(jié)果如下：熱液成因礦物在近噴口端和遠(yuǎn)噴口端均存在，且礦物類型具有明顯差異，近噴口端主要有黃鐵礦、磁黃鐵礦、古巴礦、等軸古巴礦、閃鋅礦、硬石膏、鐵的氧化物和氫氧化物等，遠(yuǎn)噴口端僅可見鐵錳氧化物和氫氧化物。對粒徑＜1 mm 的熱液成因礦物進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)33ITVG07 和26I-TVG05 站位中的熱液成因礦物分別占該粒級沉積物中礦物總量的21%和16%；在33ITVG07 站位，磁黃鐵礦、閃鋅礦、古巴礦、等軸古巴礦和硬石膏等礦物豐度明顯高于26I-TVG05 站位。遠(yuǎn)噴口端的26I-TVG04 和33I-TVG11 站位，以遠(yuǎn)洋鈣質(zhì)沉積為主，熱液成因礦物的豐度極低，數(shù)量百分比低于該粒級沉積物中礦物總量的1%。除熱液成因礦物外，在近噴口端的沉積物中可見圍巖蝕變礦物，主要以蛇紋石為主；在遠(yuǎn)噴口端可見大量生物成因鈣質(zhì)礦物。

圖2 天休熱液區(qū)沉積物甲板照片a.近噴口端沉積物甲板采樣照片，b.遠(yuǎn)噴口端沉積物甲板采樣照片。Fig.2 The pictures of sediments near the active vent and in a distancea.Sediments collected near the hydrothermal vent,b.Sediments collected far from hydrothermal vent.

3.3 形貌特征

利用體視鏡和SEM 觀察到，沉積物中粒徑＞1 mm（礫—粗砂）和＜1 mm（砂—泥）粒級的熱液成因礦物有明顯的形貌學(xué)差別。粒徑＞1 mm 的熱液成因碎屑由硫化物礦物及圍巖礦物的集合體組成，多呈棱角狀，部分存在風(fēng)化現(xiàn)象（圖5a、5b）；粒徑＜1 mm 的熱液成因礦物多由硫化物單礦物或細(xì)粒礦物集合體組成。在近噴口端，可見大量自形—半自形硫化物和氧化物礦物，如33I-TVG07 站位可見六方板狀磁黃鐵礦（圖6b）、四面體和菱形十二面體閃鋅礦（圖6a）、半自形等軸古巴礦（圖6e），鐵氧化物細(xì)晶集合體（圖6f）；在26I-TVG05 站位可見四面體和十二面體黃鐵礦（圖6c、6d）。遠(yuǎn)噴口端26ITVG04 和33I-TVG11 站位樣品中，金屬氫氧化物多為鐵銹色或橙黃色，呈疏松多孔的隱晶質(zhì)集合體或膠狀集合體，該形貌特征與Popoola（2018）所述氫氧化物較為一致[26]（圖6i、6k）。

圖3 表層沉積物熱液成因礦物中粗顆粒（＞1 mm）和細(xì)顆粒（＜1 mm）的占比及細(xì)顆粒熱液成因礦物的豐度與噴口距離變化的關(guān)系圖Fig.3 The weight percentage of coarse size（＞1 mm）and fine size（＜1 mm）hydrothermal minerals in the surface sediments and the variation of abundances of fine size hydrothermal minerals( ＜1 mm ) with distance from active venting siteThe bar graph represents the weight percentage of minerals for two grain sizes in metalliferous sediments

4 討論

4.1 垮塌成因熱液成因礦物的分布特征及指示意義

前人研究認(rèn)為，海底硫化物堆積體垮塌和坡移是一種普遍存在的物理遷移過程，可以垮塌碎片等形式向低勢能區(qū)輸送熱液信號[8]。該過程由熱液硫化物堆積體的硬石膏骨架階段性溶解所導(dǎo)致，貫穿整個(gè)熱液活動始終[8,27]。據(jù)此判斷，研究區(qū)沉積物中應(yīng)存在硫化物堆積體垮塌和坡移成因的熱液成因物質(zhì)輸入。研究結(jié)果顯示，研究區(qū)粒徑＞1 mm（礫—粗砂）的硫化物、氧化物和圍巖礦物的集合體（圖5a、5b），其棱角狀結(jié)構(gòu)以及局部氧化現(xiàn)象均與上述過程較為符合，推測為物理遷移的產(chǎn)物，而該類礦物集合體可能為熱液丘體垮塌產(chǎn)生的碎屑。

研究區(qū)近噴口端的活動噴口處（33I-TVG07）和220 m（26I-TVG05）處樣品中均發(fā)現(xiàn)有上述礫—粗砂粒級的碎屑物質(zhì)（圖5a、5b），而在遠(yuǎn)噴口端的1.84 km（26I-TVG04）和6.05 km（33I-TVG11）站位樣品中未見。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，物理遷移對活動噴口處（33I-TVG07）的影響最為顯著，對西南側(cè)距噴口220 m 處的26I-TVG05 站位的物質(zhì)輸入相較前一站位減半，但仍有較大影響，對1.84 km 處的26ITVG04 和6.05 km 處的33I-TVG11 的影 響 極小。（圖3）這在一定程度上表明了隨著與熱液噴口的距離增加，沉積物中垮塌來源的物質(zhì)輸入減少，相應(yīng)的礫—粗砂級熱液成因碎屑物質(zhì)豐度迅速降低（圖7）。

圖4 各站位沉積物樣品中粒徑＜1 mm 礦物的X 射線衍射分析圖譜a.33I-TVG07 站位，b.26I-TVG05 站位，c.26I-TVG04 站位，d.33I-TVG11 站位。Iso-等軸古巴礦；Sph-閃鋅礦，Py-黃鐵礦，Po-磁黃鐵礦，Lz-利蛇紋石，Ctl-纖蛇紋石，Cal-方解石，Qtz-石英。Fig.4 XRD patterns of sediments ( grain size ＜1 mm) from different sampling stationa.station 33I-TVG07,b.station 26I-TVG05, c.station 26I-TVG04,d.station 33I-TVG11.

但值得考慮的是，物理遷移的距離是否會受到海底地形等因素的影響。前人研究發(fā)現(xiàn)，TAG 熱液區(qū)丘狀體直徑200 m，垂向高度50 m，丘狀體西、北、東側(cè)均為陡坡，陡坡頂?shù)状瓜蚋卟罴s20 m，可見硫化物垮塌扇，從硫化物丘底部向外延伸近百米；南側(cè)為緩坡，垮塌碎屑堆積范圍明顯小于前者[28]，反映了地形陡緩程度對物理遷移距離確實(shí)存在影響。研究區(qū)活動噴口向北為重力勢能降低的方向，西南側(cè)距噴口220 m 處與活動噴口處高差約為27 m（圖1），由于存在重力作用，從低處向高處搬運(yùn)時(shí)，地形對物理遷移存在一定的抑制作用，但本文研究結(jié)果顯示，該區(qū)存在明顯的垮塌成因物質(zhì)輸入（圖3）。此外，在活動噴口西北側(cè)1.84 km 與活動噴口高差約為?107 m 處，其物理遷移輸入的信號極小。上述現(xiàn)象在一定程度上說明地形的影響作用受到與活動噴口的距離的制約。因此，與活動噴口距離仍是垮塌成因熱液成因礦物豐度變化的主要控制因素。礫—粗砂級熱液成因碎屑物質(zhì)是熱液活動的直觀信號，對熱液堆積體及熱液噴口的位置具有重要指示意義。

4.2 羽流沉降成因礦物的分布規(guī)律及其指示意義

Feely 等[29]在對東太平洋Juan de Fuca 洋脊ASHES噴口區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)，礦物在羽流運(yùn)移過程中保持持續(xù)生長，當(dāng)其重力大于羽流浮力時(shí)沉積至海底面，發(fā)生沉降的礦物粒徑普遍為2～500 μm，少數(shù)可達(dá)到900 μm[29]。由此可推測，天休熱液區(qū)及其周邊區(qū)域＜1 mm 的熱液成因礦物主要形成于羽流沉降過程。同時(shí)，F(xiàn)eely 等[29]對羽流中顆粒物的礦物類型進(jìn)行了觀察鑒定，總結(jié)得到羽流中熱液成因礦物主要包括重晶石、硬石膏等硫酸鹽礦物、Cu-Zn-Fe硫化物礦物和Fe 氧化物等。這與研究區(qū)＜1 mm 的沉積物中存在的熱液成因礦物類型較為一致。

圖5 沉積物中粒徑＞1 mm 的碎屑礦物的典型顯微照片和能譜圖a 和b.33I-TVG07 站位粒徑＞1 mm 的礦物集合體，c-h.a 和b 的局部放大圖像及對應(yīng)能譜圖，a.雙目體視顯微鏡鏡下圖像，b、c、e 和g.掃描電子顯微鏡拍攝的二次電子圖像；Cub-古巴礦，Lz-利蛇紋石，F(xiàn)e-O-鐵的（氫）氧化物。Fig.5 Microphotos of typical minerals and their EDS data in sediments with grain size ＞1 mma, b.mineral aggregates from station 33I-TVG07 (grain size ＞1 mm),c-h.enlargement of image a or b and corresponding EDS figures,a.images taken by optical microscope,b, c, e and g.SEM images.

此后，German 等[30]對大西洋中脊羽流沉降過程進(jìn)行了研究，認(rèn)為元素的沉降具有多階段性。Rudnicki 等[31]將Fe 元素的沉降分為兩個(gè)階段，首先在熱液羽流上升階段主要形成硫化物礦物和氧化物，而后到達(dá)中性浮力面并發(fā)生擴(kuò)散沉降，產(chǎn)物主要為氫氧化物。Feely 等[32]認(rèn)為，在熱液羽流上升初期，Cu、Zn、Fe 等元素同時(shí)發(fā)生沉降。根據(jù)上述研究不難發(fā)現(xiàn)，沉降成因的熱液成因礦物在以活動噴口為中心的開放區(qū)域會形成較為顯著的空間分帶特征。研究區(qū)粒徑＜1 mm 的熱液成因礦物分布具有以下特征：Cu-Zn 硫化物礦物，如等軸古巴礦和閃鋅礦等集中分布于活動噴口周圍（圖7），F(xiàn)e 元素在噴口周圍以硫化物、氧化物和氫氧化物的形式沉淀，在遠(yuǎn)噴口端僅以氧化物和氫氧化物的形式出現(xiàn)。該分布現(xiàn)象與前人報(bào)道的羽流中元素的沉降規(guī)律[30-32]較為一致。

熱液成因礦物的數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，隨著與活動噴口的距離增加，熱液羽流沉降來源的熱液成因礦物百分含量呈現(xiàn)先快速減少，后基本不變的整體趨勢（圖3）。與活動噴口處相比，距離活動噴口約220 m 處的表層沉積物中，熱液成因礦物類型和豐度均明顯降低，遠(yuǎn)洋沉積的影響有所增加。隨著與活動噴口的距離繼續(xù)增大（在220 m～1.84 km 的區(qū)間內(nèi)），熱液成因礦物類型和豐度進(jìn)一步減少至趨于穩(wěn)定，接近1.84 km（26I-TVG04）外的極低值。

此外，近噴口端的表層沉積物中普遍存在有半自形的等軸古巴礦（圖6e）和磁黃鐵礦（圖6b）等硫化物礦物。等軸古巴礦是現(xiàn)代海底硫化物礦床指示高溫的標(biāo)型礦物[3,33-34]；而磁黃鐵礦的形成溫度與晶體對稱性相關(guān)，六方晶型的磁黃鐵礦形成溫度高于308 ℃[35]。因此，在近噴口端沉積物中發(fā)現(xiàn)上述晶型礦物（圖6b、6e）指示了天休熱液區(qū)存在高溫?zé)嵋撼傻V作用。

圖6 沉積物中粒徑＜1mm 的熱液成因礦物典型掃描電鏡形貌和能譜圖a-f.33I-TVG07 和26I-TVG05 站位粒徑＜1 mm 的硫化物礦物和氧化物礦物，g 和h.分別為f 的局部放大圖像及其對應(yīng)能譜圖，i-l.分別為26I-TVG04 和33I-TVG11 站位鐵的氫氧化物和能譜圖，a-f 和g.掃描電子顯微鏡拍攝的二次電子圖像，i 和k.雙目體視顯微鏡鏡下圖像。Sph-閃鋅礦，Po-磁黃鐵礦，Py-黃鐵礦，Iso-等軸古巴礦，F(xiàn)e-O-鐵的（氫）氧化物。Fig.6 SEM Photos and EDS data of typical hydrothermal minerals in sediments with grain size ＜1 mma-f.sulfide and oxide minerals at station 33I-TVG07 and 26I-TVG05,g.enlargement of image f and h is corresponding EDS figure,i-l.oxide minerals at station 26I-TVG04 and 33I-TVG11, a-f and g.SEM images, i and k.images taken by optical microscope.

圖7 天休熱液區(qū)熱液成因礦物運(yùn)移方式及分布特征示意圖（修改自文獻(xiàn)[8]）Fig.7 Schematic diagram of the migration and distribution of the hydrothermal minerals in Tianxiu Hydrothermal Field(Modified after reference [8])

表2 粒徑＜1 mm 沉積物中主要礦物半定量統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Abundance of major minerals in sediments with grain size ＜1 mm

5 結(jié)論

（1）該熱液區(qū)表層沉積物中的熱液成因礦物可分為兩類：①海底熱液硫化物堆積體（如硫化物煙囪體）失穩(wěn)垮塌產(chǎn)生的碎屑；②熱液活動產(chǎn)生的羽流中沉降的熱液成因礦物。前者多為礫—粗砂級棱角狀的礦物集合體，后者多為砂—泥級單礦物或細(xì)粒礦物集合體。

（2）垮塌來源的熱液成因礦物在活動噴口附近大量堆積，其分布主要受到與噴口距離的制約，隨距離增加，豐度迅速下降。羽流沉降的熱液成因礦物的分布具有規(guī)律性，Cu-Zn-Fe 硫化物礦物（等軸古巴礦、古巴礦和閃鋅礦等）集中分布于活動噴口周圍，氧化物和氫氧化物在近噴口端和遠(yuǎn)噴口端均有出現(xiàn)。隨著與活動噴口的距離增加，羽流沉降的熱液成因礦物數(shù)量百分比呈現(xiàn)先快速減少、后變化緩慢的整體趨勢。

（3）圍繞熱液堆積體及熱液噴口，沉積物中熱液成因礦物的類型、粒度、豐度具有的規(guī)律性分布特征可以對未知的活動和非活動熱液區(qū)提供良好的指示。

致謝：中國大洋33 航次第一航段和26 航次第一航段全體參航隊(duì)員對樣品采集給予了支持，自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本文樣品分析測試提供了實(shí)驗(yàn)支撐，本次實(shí)驗(yàn)所用樣品由中國大洋協(xié)會提供，在此一并感謝！