海底熱液成因含金屬沉積物的研究現(xiàn)狀及展望

朱啟寬, 周懷陽(yáng)

海底熱液成因含金屬沉積物的研究現(xiàn)狀及展望

朱啟寬, 周懷陽(yáng)

(同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院, 上海 200092)

海底熱液成因含金屬沉積物廣泛分布于全球各大洋與弧后活動(dòng)擴(kuò)張中心、大洋玄武巖上覆沉積層的底部以及板內(nèi)火山的頂部等區(qū)域。塊狀硫化物煙囪體經(jīng)氧化蝕變發(fā)生再沉積作用、熱液羽流的擴(kuò)散和沉降作用或低溫彌散流的直接沉淀均可形成含金屬沉積物。盡管不同熱液區(qū)的含金屬沉積物在礦物和化學(xué)組成上具有一定的差異, 但其相對(duì)正常遠(yuǎn)洋沉積物均表現(xiàn)為富含F(xiàn)e、Mn并虧損 Al 和Ti等組分, 其中的主要礦物通常為結(jié)晶程度較差的鐵錳氧化物/氫氧化物和富鐵蒙脫石(綠脫石)。自二十世紀(jì)七十年代末發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代海底熱液活動(dòng)以來(lái), 大量的研究不僅基本明確了含金屬沉積物的形成機(jī)制, 還在與之相關(guān)的微生物礦化作用和自生黏土礦物的成因研究等方面取得了重要的進(jìn)展。對(duì)含金屬沉積物開(kāi)展綜合研究, 確定其鑒別分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn), 既能豐富人們對(duì)海底熱液循環(huán)系統(tǒng)、熱液活動(dòng)對(duì)全球海洋熱和化學(xué)通量的貢獻(xiàn)以及對(duì)海底深部生物圈的認(rèn)識(shí), 也可為尋找多金屬硫化物礦床、揭示古板塊中類(lèi)似礦床的成因和分布規(guī)律以及探索古海洋環(huán)境演化等提供重要信息。

含金屬沉積物; 熱液活動(dòng); 鐵氧化物; 微生物礦化; 綠脫石

海底熱液循環(huán)在巖石圈、水圈以及生物圈的物質(zhì)與能量交換過(guò)程中具有重要作用, 與之相關(guān)的各種地質(zhì)與生命現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)自然科學(xué)界最重大的成果之一[1-3]。迄今, 在沿全球海底洋脊與弧后擴(kuò)張中心以及板內(nèi)海山等地, 共有711處熱液噴口和熱液異常點(diǎn)被確認(rèn)或探測(cè)到, 其中包括正在活動(dòng)的熱液區(qū)657處(根據(jù)https://www.interridge.org, 2019)。海底熱液系統(tǒng)發(fā)育的多金屬硫化物礦床可作為將來(lái)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要儲(chǔ)備資源[4], 而關(guān)于海底熱液活動(dòng)與地球生命起源關(guān)系的研究則有力地推動(dòng)了地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生物學(xué)的多學(xué)科交叉, 極大地豐富了人類(lèi)對(duì)于地球上過(guò)去與現(xiàn)在正在發(fā)生的各種地質(zhì)作用及其與生命活動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

海底熱液活動(dòng)往往伴隨著巖石的蝕變、多金屬硫化物以及含金屬沉積物等產(chǎn)物的形成。這些熱液活動(dòng)產(chǎn)物既是海底熱液循環(huán)存在的證據(jù), 也可作為探索海底熱液系統(tǒng)形成與演化的窗口, 因此成為海洋科學(xué)研究與海底礦產(chǎn)資源勘探的重要研究對(duì)象。含金屬沉積物(metalliferous sediments)是指, 與海底熱液活動(dòng)有關(guān)的深海未固結(jié)沉積物, 以富集Fe、Mn、Cu、Pb、Zn及As等元素并虧損Al和Ti等元素為特征[5-10], 可區(qū)別于正常的遠(yuǎn)洋沉積物。具體來(lái)看, 含金屬沉積物的形成方式包括以下三種: 塊狀硫化物煙囪體經(jīng)氧化蝕變發(fā)生再沉積[6, 8-11]; 熱液羽流的擴(kuò)散與沉降作用[6, 9-10]; 低溫彌散流直接沉淀出鐵錳氧化物于沉積物中[8-9, 12-13]。本文旨在總結(jié)前人對(duì)海底熱液成因含金屬沉積物的研究, 系統(tǒng)介紹含金屬沉積物的研究歷史、分布與組成特征、判別標(biāo)準(zhǔn)及成因, 著重闡述近些年來(lái)受到重點(diǎn)關(guān)注的鐵氧化物與綠脫石這兩類(lèi)特征礦物以及含金屬沉積物的研究意義, 并在此基礎(chǔ)上提出對(duì)未來(lái)進(jìn)一步研究的展望, 以期更全面地認(rèn)識(shí)海底熱液活動(dòng)并挖掘出更多蘊(yùn)藏在含金屬沉積物中的信息。

1 含金屬沉積物研究概述

1.1 含金屬沉積物的研究歷史

事實(shí)上, 含金屬沉積物的發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)早于現(xiàn)代海底熱液活動(dòng), 其首次發(fā)現(xiàn)是在1876—1893年“挑戰(zhàn)者”號(hào)的環(huán)球科學(xué)考察中[10]。但在之后的半個(gè)多世紀(jì)中, 含金屬沉積物并未受到科學(xué)家們的關(guān)注。直到Skornyakova[14]率先提出東太平洋隆起富含金屬元素的沉積物與海底熱液活動(dòng)相關(guān)后, Bostr?m等[15-17]對(duì)東太平洋隆起的含金屬沉積物開(kāi)展了詳細(xì)的研究, 提出其中的金屬物質(zhì)來(lái)自地球內(nèi)部釋放并基本明確含金屬沉積物的分布特征。與此同時(shí), 大規(guī)模的海洋調(diào)查在紅海Atlantis II、Discovery和Chain等多個(gè)洼地發(fā)現(xiàn)了由非晶質(zhì)鐵氧化物、針鐵礦、富鐵蒙脫石及硫化物等組成的富金屬沉積物, 研究表明[7]紅海的富金屬沉積物形成于熱鹵水與海水的混合作用。1977年,“Alvin”號(hào)載人深潛器首次在Galapagos熱液丘附近觀測(cè)到彌散流噴口, 隨后DSDP54航次和DSDP70航次連續(xù)在此開(kāi)展鉆探工作, 氧同位素測(cè)溫指示以綠脫石為主的丘體沉積物形成于低溫?zé)嵋毫黧w的沉淀[18-19]。在大西洋TAG熱液區(qū), 對(duì)丘體附近沉積柱的研究證實(shí)圍繞熱液丘分布的含金屬沉積物具有濁流搬運(yùn)的硫化物碎屑和沉降的熱液羽流顆粒物兩種來(lái)源[6, 11]。早期的深海鉆探計(jì)劃還在各大洋盆相繼發(fā)現(xiàn)了覆蓋于玄武巖之上的古含金屬沉積物[20-21], 揭示了古海底熱液活動(dòng)與成礦作用的存在。而且, 類(lèi)似的富金屬沉積物在陸上也有相關(guān)報(bào)道, 如日本黑礦中的富鐵硅質(zhì)沉積物和塞浦路斯、阿曼等特提斯域中生代蛇綠巖雜巖體沉積層中的鐵帽、赭石等[22-23], 它們可作為尋找硫化物礦床的重要指標(biāo)。這類(lèi)富集金屬元素的沉積物又因其在化學(xué)組成與構(gòu)造背景上與前寒武紀(jì)Algoma型條帶狀鐵建造(BIFs)的相似性而備受地質(zhì)學(xué)界的關(guān)注。

關(guān)于含金屬沉積物的研究主要集中在20世紀(jì)六十至八十年代末, 一些學(xué)者[15-18, 24-25]圍繞礦物與地球化學(xué)組成、物質(zhì)來(lái)源以及特征礦物綠脫石的成因等方面, 對(duì)東太平洋隆起、太平洋海山以及大西洋TAG熱液區(qū)的含金屬沉積物開(kāi)展大量的研究。然而, 在現(xiàn)代海底熱液活動(dòng)被發(fā)現(xiàn)后, 人們多將目光轉(zhuǎn)向海底熱液循環(huán)系統(tǒng)、硫化物煙囪體的沉淀機(jī)制以及高溫?zé)嵋簢娍谏锶郝浼吧鷳B(tài)系統(tǒng)等方面, 逐漸忽視了對(duì)分布最為廣泛但主要組成單一的含金屬沉積物的研究。

Gurvich[7]指出, 前人只是把含金屬沉積物作為熱液活動(dòng)的產(chǎn)物來(lái)研究, 卻忽略了以海底熱液活動(dòng)形成的地球化學(xué)分散暈形式存在的含金屬沉積物能有效地記錄海底熱液活動(dòng)的歷史及其影響范圍, 并可為圈定熱液活動(dòng)區(qū)和尋找硫化物礦體提供方向指引。目前, 對(duì)大洋鉆探獲取的底層含金屬沉積物的研究也僅局限于部分鉆孔中樣品的巖性描述、礦物組成和元素含量等方面。近二十年來(lái), 由微生物代謝活動(dòng)形成的絲縷狀鐵氧化物在胡安德富卡洋脊、Galapagos擴(kuò)張中心、Eolo海山及勞盆地等區(qū)域的含金屬沉積物中不斷被發(fā)現(xiàn)[26-30], 其常與低溫?zé)嵋夯顒?dòng)密切相關(guān), 這使科學(xué)家以其為對(duì)象研究微生物礦化作用及探索地質(zhì)歷史時(shí)期類(lèi)似礦床的形成機(jī)制成為可能。

1.2 含金屬沉積物的分布與組成特征

含金屬沉積物在全球各大洋均有發(fā)現(xiàn), 主要集中于洋中脊兩側(cè)沿其軸向大致呈對(duì)稱(chēng)分布, 還出現(xiàn)在弧后盆地、板內(nèi)火山等地, 與海底熱液活動(dòng)區(qū)域存在緊密聯(lián)系。大洋鉆探成果揭示, 位于沉積序列底層的古含金屬沉積物在太平洋、印度洋、大西洋鉆達(dá)玄武巖基底的鉆孔中的出現(xiàn)比例依次為48%、33%、18%[7], 其厚度可達(dá)數(shù)十米乃至超過(guò)一百米。

一般情況下, 含金屬沉積物中最主要的組成礦物是結(jié)晶程度較差的鐵錳氧化物/氫氧化物(非晶質(zhì)形式或水鐵礦、針鐵礦、水鈉錳礦及鋇鎂錳礦等)和/或富鐵蒙脫石(綠脫石)[10, 31-32]; 靠近高溫?zé)嵋簢娍? 含金屬沉積物中還常出現(xiàn)黃鐵礦、黃銅礦和閃鋅礦等硫化物碎屑。覆蓋在Galapagos擴(kuò)張中心低溫?zé)嵋呵痼w頂層的錳氧化物殼層主要為鋇鎂錳礦, 丘體內(nèi)部的沉積物則由互層綠脫石和鐵氧化物/氫氧化物組成, 偶夾鈣質(zhì)生物軟泥[18-19]。由于陸源碎屑與生物組分等背景沉積物的混入, 不同地區(qū)含金屬沉積物的礦物組成具有明顯差異。胡安德富卡洋脊近噴口的含金屬沉積物含有大量的Fe-Mn-Si質(zhì)膠體與玄武質(zhì)碎屑等無(wú)定形物質(zhì)以及細(xì)粒的硫化物、重晶石; 而洋脊兩翼的含金屬沉積物全巖組成為鐵錳氧化物、方解石、石英、重晶石和各類(lèi)黏土礦物, 在<2 μm組分中, 富鐵蒙脫石的含量最高(60%～66%), 伊利石次之(20%～26%), 綠泥石含量最低(14%～17%), 這反映了陸源沉積物不同程度的加入[8]。

相對(duì)于正常的背景沉積物, 含金屬沉積物表現(xiàn)為富集Fe、Mn并貧Al、Ti等元素, 與其基本定義一致, 部分研究區(qū)含金屬沉積物的平均化學(xué)組成見(jiàn)表1。含金屬沉積物的化學(xué)組成受到熱液活動(dòng)強(qiáng)度、熱液流體的成分、洋殼擴(kuò)張速率、與洋脊擴(kuò)張中心的距離、深層洋流的性質(zhì)及背景沉積物組成和堆積速率等眾多因素控制[7]。例如, 在胡安德富卡洋脊, 從近噴口至洋脊兩翼, 含金屬沉積物中Fe、Cu、Zn、Pb、As、Mo和Au等元素的含量不斷降低, 這反映了隨與高溫?zé)嵋簢娍诰嚯x的增加, 熱液羽流中的顆粒物不斷發(fā)生擴(kuò)散與沉降[8]。西南太平洋熱液活動(dòng)區(qū)的含金屬沉積物遭受了高沉積速率的陸源物質(zhì)的稀釋作用, 其中Al的堆積速率為20～250 mg?cm–2?ka–1, 顯著高于東太平洋隆起(1.75 mg?cm–2?ka–1)的含金屬沉積物[33], 因此Fe、Mn、Cu等熱液物質(zhì)的含量相對(duì)偏低。

表1 部分研究區(qū)含金屬沉積物的平均化學(xué)組成

2 含金屬沉積物的判別標(biāo)準(zhǔn)與成因

2.1 含金屬沉積物的判別標(biāo)準(zhǔn)

海底不僅有熱液活動(dòng)形成的含金屬沉積物, 還有組成類(lèi)似的水成型與成巖型富鐵錳沉積物, 因此用“含金屬沉積物”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)描述熱液成因的富金屬沉積物容易引起歧義, 該詞在本文中特指受到熱液來(lái)源物質(zhì)供應(yīng)的富金屬沉積物。

考慮傳統(tǒng)作圓求交點(diǎn)制梯形槽法的不足皆是因?yàn)閭鹘y(tǒng)法所制梯形槽參數(shù)與理想梯形槽參數(shù)不相符，故本文最后提出以作平行線求交點(diǎn)制理想梯形槽電樞沖片法的完善措施，以此種方法所制梯形槽參數(shù)與理想梯形槽參數(shù)完全相符。建議在電機(jī)研制生產(chǎn)中，將以作平行線求交點(diǎn)制梯形槽電樞沖片法替代傳統(tǒng)制梯形槽電樞沖片法，以降低電機(jī)槽滿(mǎn)率和熱負(fù)荷，縮短電機(jī)研制周期，提高電機(jī)運(yùn)行效率。

前人已經(jīng)提出了多種基于地球化學(xué)組成的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判別含金屬沉積物, 對(duì)現(xiàn)代海底富金屬沉積物和陸上類(lèi)似礦床的成因鑒別都具有重要參考意義。Bostr?m[17]提出海底含金屬沉積物中[Fe/(Al + Fe + Mn)]>0.5、[Al/ (Al + Fe + Mn)]<0.3、[(Fe + Mn)/Al]>2.5的劃分標(biāo)準(zhǔn)。Bonatti[34]發(fā)現(xiàn)含金屬沉積物具有與海水相似的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式, 相對(duì)于水成型富鐵錳沉積物更貧過(guò)渡族金屬元素并通過(guò)(Co + Ni + Cu)×10-Fe-Mn三角圖(圖1a)來(lái)劃分海底水成型、成巖型富鐵錳沉積物和熱液成因含金屬沉積物。但太平洋的遠(yuǎn)洋黏土[35]落入了熱液成因的范圍, 而且這種分類(lèi)也不能完全將熱液型含金屬沉積物與成巖型富鐵錳沉積物區(qū)分開(kāi)來(lái)。

在Fe2+、Mn2+被氧化沉淀時(shí), 鐵錳氧化物顆粒對(duì)海水中稀土元素的快速清掃作用使含金屬沉積物稀土元素配分模式通常具有與海水類(lèi)似的Ce負(fù)異常特征[7-8, 10], 這與稀土元素在水成型與成巖型富金屬沉積物中的地球化學(xué)行為截然不同, 因此稀土元素與Y(REY)可作為判別前述三類(lèi)沉積物的重要指標(biāo)。Bau等[36]依據(jù)大量鐵錳結(jié)核結(jié)殼和熱液型鐵錳沉積物數(shù)據(jù), 使用CeSN/CeSN*-Nd和CeSN/CeSN*-YSN/HoSN(經(jīng)澳大利亞后太古界沉積巖標(biāo)準(zhǔn)化, 其中CeSN* = 0.5×LaSN+0.5×PrSN)圖解(見(jiàn)圖1b)可有效將具有Ce負(fù)異常與Y正異常的熱液成因含金屬沉積物和水成型、成巖型富鐵錳沉積物區(qū)分。

圖1 a. 海底富鐵錳沉積物(Co+Ni+Cu)×10-Fe-Mn三角分類(lèi)圖(改自文獻(xiàn)[10, 34]); b. 海底富鐵錳沉積物CeSN/CeSN*-YSN/HoSN比值判別圖(改自文獻(xiàn)[36])

2.2 含金屬沉積物的成因

在海底熱液活動(dòng)中, 僅有5%的金屬元素賦存于熱液區(qū)上部的塊狀硫化物堆積體中, 高達(dá)95%的金屬元素會(huì)隨著熱液羽流、低溫彌散流等遷移到熱液區(qū)及其外圍[37], 進(jìn)入海水或發(fā)生沉淀并與背景沉積物混合形成含金屬沉積物(見(jiàn)圖2)?？拷蠹垢邷?zé)嵋夯顒?dòng)區(qū), 從高溫?zé)嵋毫黧w中沉淀出的硫化物煙囪體在熱液活動(dòng)逐漸停止后發(fā)生氧化性風(fēng)化, 隨后崩塌形成硫化物碎屑堆, 在噴口周?chē)蜻w移一定距離形成含金屬沉積物。高溫?zé)嵋毫黧w在噴出海底之后迅速遭受海水稀釋作用形成攜帶大量可溶性金屬元素(Fe、Mn、Cu等)和顆粒物的浮力羽流, 并在噴口附近幾百米范圍內(nèi)先沉淀出粗粒的硫化物; 當(dāng)浮力羽流上升至密度接近海水時(shí), 演化成非上浮羽流(攜帶的細(xì)粒物質(zhì)占全部粒級(jí)的90%以上)并橫向擴(kuò)散、沉降, 其影響范圍甚至可達(dá)距離熱液噴口上千公里的地方[6, 8], 這對(duì)全球海底含金屬沉積物的形成具有重要作用。洋脊兩翼廣泛發(fā)育的低溫彌散流對(duì)全球海洋熱通量和化學(xué)通量具有巨大貢獻(xiàn)[37-38], 通常以擴(kuò)散的方式安靜地溢出洋底, 會(huì)使洋底巖石和沉積物發(fā)生蝕變并沉淀出Fe-Si-Mn氧化物和自生黏土礦物, 也能形成分布范圍很廣的含金屬沉積物。由于海底擴(kuò)張作用, 熱液來(lái)源的金屬物質(zhì)與背景沉積物在混合后隨下覆洋殼不斷向洋脊兩側(cè)移動(dòng), 并逐漸被遠(yuǎn)洋沉積物掩埋。

前人多將含金屬沉積物簡(jiǎn)單歸類(lèi)為熱液羽流末端沉淀的產(chǎn)物, 但上述不同類(lèi)型的熱液產(chǎn)物常與復(fù)雜多樣的背景沉積物混合, 而且低溫彌散流在很多熱液區(qū)往往伴隨著高溫集中流同時(shí)出現(xiàn), 這些因素使含金屬沉積物的成因與物質(zhì)來(lái)源更加復(fù)雜。因此, 對(duì)熱液成因含金屬沉積物的具體成因進(jìn)行研究是認(rèn)識(shí)海底熱液成礦過(guò)程、揭示熱液活動(dòng)演化歷史的重要部分。

高溫?zé)嵋簢娍诟浇闪蚧镂g變形成的含金屬沉積物一般富集Cu、Zn、Co與Ni等過(guò)渡族金屬元素, 具有較低含量的Si, 并會(huì)繼承高溫?zé)嵋篍u正異常的特點(diǎn), 而由熱液羽流沉降或低溫?zé)嵋簭浬⒘鞒恋淼暮饘俪练e物因受海水影響程度較大而具有弱Eu正異?；蜇?fù)Eu異常[8, 11, 27]。比如, 挑戰(zhàn)者號(hào)環(huán)球考察時(shí)在東南太平洋隆起獲取的由熱液羽流形成的含金屬沉積物就都具有輕微的Eu負(fù)異常特征[10]。Main Endeavour熱液區(qū)高溫?zé)釃娍诟浇饘俪练e物的地球化學(xué)特征則表現(xiàn)為硫化物蝕變和低溫?zé)嵋旱墓餐暙I(xiàn)[8], 其中混合的硫化物和鐵氧化物具有最高可達(dá)33%的SiO2含量。TAG熱液區(qū)靠近熱液丘的含金屬沉積物由風(fēng)化的硫化物碎屑與鈣質(zhì)軟泥組成, 其中富集金屬硫化物碎屑層具有與熱液流體類(lèi)似的REE分布模式特征和高含量的過(guò)渡金屬元素, 且其中U的含量也相當(dāng)高, 而鈣質(zhì)軟泥層則具有與上部非浮力羽流顆粒物類(lèi)似的30Thxs/Fe,231Paxs/Fe和REE/Fe分布特征[11], 這表明該含金屬沉積物具有硫化物蝕變和熱液羽流顆粒物沉降的雙源特征。因此, 對(duì)于含金屬沉積物的物質(zhì)來(lái)源與熱液組分的類(lèi)型, 需要依據(jù)礦物學(xué)與地球化學(xué)特征并結(jié)合其與高溫?zé)嵋簢娍诘木嚯x等產(chǎn)出背景來(lái)進(jìn)行細(xì)致的研究和探討。

圖2 海底熱液成因含金屬沉積物的形成模式示意圖

①-低溫?zé)嵋簭浬⒘鞯闹苯映恋? ②-硫化物煙囪體的氧化風(fēng)化與再沉積; ③-熱液羽流的擴(kuò)散與沉降

① direct precipitation by low-temperature diffusive flow; ② oxida-tive weathering and re-deposition of massive sulfide chimneys; ③ hydro-thermal plume diffusion and sedimentation

3 含金屬沉積物的兩類(lèi)重要特征礦物

3.1 鐵氧化物與微生物礦化作用

現(xiàn)代海底含金屬沉積物中存在的Fe-Mn-Si氧化物(尤其是鐵氧化物)因具有與微生物類(lèi)似的顯微形貌特征(如圖3), 吸引國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其沉淀機(jī)制開(kāi)展了大量研究[27, 30, 39-41], 為認(rèn)識(shí)微生物礦化作用及地質(zhì)歷史時(shí)期類(lèi)似礦床的成因提供了參考依據(jù)。不同于以光合作用為生存基礎(chǔ)的生態(tài)群落, 海底熱液環(huán)境中發(fā)育的生態(tài)群落以化能合成自養(yǎng)微生物為“初級(jí)生產(chǎn)力”。低溫彌散流和非浮力羽流具有適宜的溫度并富含F(xiàn)e元素, 可為通過(guò)化能合成作用獲得能量的嗜中性鐵氧化菌(屬于變形桿菌門(mén),)提供良好的生存條件[42]。

微生物的代謝活動(dòng)與無(wú)機(jī)的氧化作用共同導(dǎo)致了鐵氧化物的沉淀, 且具有不同習(xí)性的鐵氧化菌可通過(guò)自身代謝活動(dòng)產(chǎn)生具有不同顯微形態(tài)的鐵氧化物。在胡安德富卡洋脊、東太平洋隆起以及夏威夷Loihi海山廣泛存在的可形成由鐵氧化物組成、長(zhǎng)度從幾微米到幾百微米不等的管狀中空鞘體[28, 42], 而近期的研究卻發(fā)現(xiàn)這種管狀中空鞘體也可能是和其近緣種等ξ-變形桿菌門(mén)的產(chǎn)物[43]。Kennedy等[29]認(rèn)為胡安德富卡洋脊存在的主要由二線水鐵礦組成的螺旋狀鐵氧化物是由的代謝活動(dòng)形成的。從Loihi海山熱液流體中分離出來(lái)的在代謝過(guò)程中能形成扭曲的絲狀鐵氧化物[44], 與該噴口發(fā)現(xiàn)的鐵氧化物類(lèi)似。但也有研究[45]表明與的代謝機(jī)理類(lèi)似, 均可形成螺旋狀結(jié)構(gòu)的鐵氧化物。盡管特定的超微形態(tài)特征常用來(lái)指示特定種類(lèi)的微生物參與礦化作用, 但這一證據(jù)并不充分, 仍需開(kāi)展培養(yǎng)工作來(lái)確認(rèn)各類(lèi)鐵氧化菌的功能。

圖3 a. 由Mariprofundus ferrooxydans形成的彎曲狀結(jié)構(gòu)[28]; b.分別由Leptothrix ochracea和Gallionella ferruginea形成的長(zhǎng)桿狀鞘體與螺旋絲帶結(jié)構(gòu)[29]; c. 由Leptothrix ochracea形成的長(zhǎng)桿狀鞘體; d. 由Leptothrix ochracea形成的長(zhǎng)桿狀鞘體的熒光染色圖像[42]

此外, 微生物參與非活動(dòng)硫化物煙囪體的氧化風(fēng)化也已被證實(shí)[48-49], 這對(duì)含金屬沉積物的形成具有重要意義。在熱液活動(dòng)停止后, 還原性的熱液流體以及氣體(H2S、CH4、H2)不復(fù)存在, 殘留的多金屬硫化物成為支撐化能合成微生物群落繼續(xù)繁衍生息的物質(zhì)基礎(chǔ)。Edward等[48]對(duì)煙囪體硫化物開(kāi)展為期兩個(gè)月的原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明原先光滑的礦物表面不僅被微生物占據(jù), 還發(fā)生了不同程度的蝕變形成溶蝕坑與絲縷狀的鐵氧化物。Barco等[50]以磁黃鐵礦為基底開(kāi)展原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)并分離出一株新型的鐵氧化菌(sp. SC-1), SC-1的代謝作用具有同時(shí)氧化Fe與S的能力并可形成球狀的鐵氧化物。這些研究表明微生物在硫化物礦物的氧化過(guò)程中發(fā)揮著重要營(yíng)力作用, 改變了硫化物煙囪體的礦物、化學(xué)組成組成以及形態(tài)結(jié)構(gòu)特征, 同時(shí)也促進(jìn)了含金屬沉積物的形成。

3.2 自生綠脫石的成因及其對(duì)熱液活動(dòng)的示蹤

綠脫石是一種具有二八面體結(jié)構(gòu), 貧Al富Fe的蒙脫石族礦物, 普遍存在于現(xiàn)代熱液活動(dòng)區(qū)的含金屬沉積物中[24-25, 51]。洋脊、海山等不同地質(zhì)背景的綠脫石成分顯示[51-52], 綠脫石中SiO2含量在46%～57%之間, 而Fe2O3含量介于25%～34%之間。前人[30, 51]使用穆斯堡爾譜來(lái)分析綠脫石中Fe的賦存形態(tài), 發(fā)現(xiàn)綠脫石中的Fe均以三價(jià)的形式存在并占據(jù)結(jié)構(gòu)中的八面體位置。綠脫石在埋藏后會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變形成類(lèi)似高嶺石的無(wú)定形態(tài)鋁硅酸鹽礦物或者Fe氧化物[51], 因此, 在大洋鉆探和陸上的古含金屬沉積物中均未發(fā)現(xiàn)綠脫石。

含金屬沉積物的研究豐富了我們對(duì)自生黏土礦物成因的認(rèn)識(shí)。前人對(duì)海底自生綠脫石的成因共提出以下四種模式: ①塊狀硫化物或含金屬沉積物的海底風(fēng)化作用[24-25]; ②由低溫彌散流或者熱液羽流直接沉淀形成[30, 51-53]; ③從熱液流體中沉淀出的鐵氧化物與熱液或生物成因蛋白石反應(yīng)形成[30, 51]; ④海底巖石、火山玻璃及遠(yuǎn)洋沉積物遭受低溫?zé)嵋毫黧w蝕變而成[53-54]。部分研究根據(jù)綠脫石具有與微生物類(lèi)似的細(xì)絲狀等結(jié)構(gòu)認(rèn)為微生物參與了熱液綠脫石的形成[39, 51-52], 但其中具體的生物地球化學(xué)過(guò)程還未明確。Ta等[55]對(duì)南大西洋低溫?zé)嵋撼恋砦镩_(kāi)展綜合的地球化學(xué)、礦物學(xué)和微生物學(xué)分析, 認(rèn)為低溫?zé)嵋毫黧w驅(qū)動(dòng)的微生物群落可為綠脫石的沉淀提供成核位置, 微生物的被動(dòng)礦化對(duì)缺氧條件下綠脫石的形成起重要作用。

利用綠脫石的氧同位素測(cè)溫計(jì)可限定其形成時(shí)熱液流體的溫度條件, 通常使用公式(1)進(jìn)行計(jì)算[56]。大量研究[53-54, 57]表明自生的熱液綠脫石形成于中低溫條件下(表2), 而且主要受控于熱液流體的溫度, 不同地區(qū)、不同成因綠脫石的形成溫度稍有差異。目前的報(bào)道中, TAG熱液區(qū)從低溫?zé)嵋毫黧w中沉淀的綠脫石形成溫度最高(81～96 ℃), 但在實(shí)測(cè)的TAG熱液區(qū)低溫?zé)嵋毫黧w的溫度范圍內(nèi)。

表2 部分熱液區(qū)自生綠脫石的成因與溫度

此外, 綠脫石Sr同位素組成還可以示蹤熱液流體和成礦物質(zhì)的來(lái)源以及熱液流體與海水的混合比例。Eolo海山的綠脫石具有與現(xiàn)今海水類(lèi)似的87Sr/86Sr比值, 但略向負(fù)值偏移[51], 反映從玄武巖中淋濾出的Sr或火山灰對(duì)綠脫石形成的貢獻(xiàn)。TAG活動(dòng)熱液區(qū)含金屬沉積物中的綠脫石87Sr/86Sr比值在0.708 1～0.709 1之間[53], 由質(zhì)量平衡原理可計(jì)算出該綠脫石由不到15%的熱液流體與海水混合沉淀而成。Alvin不活動(dòng)熱液區(qū)以綠脫石為主的黏土具有與北大西洋沉積物和大陸風(fēng)塵類(lèi)似的Sr同位素組成[53], 表明該綠脫石為熱液流體交代遠(yuǎn)洋沉積物的產(chǎn)物。

4 含金屬沉積物的研究意義

除了可作為潛在的資源, 含金屬沉積物在海底熱液活動(dòng)的演化、古海洋環(huán)境演化等方面也具有重要的指示意義, 因此受到了廣泛的關(guān)注。

(1) 作為勘探硫化物和示蹤海底熱液活動(dòng)的重要指標(biāo)。含金屬沉積物記錄了熱液活動(dòng)的歷史和活動(dòng)范圍, 其組成和堆積速率能為重建熱液活動(dòng)的演化歷史、尋找熱液噴口和具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的硫化物堆積體提供重要信息。TAG活動(dòng)熱液區(qū)的含金屬沉積物指示在最近25 ka內(nèi)發(fā)生了三個(gè)旋回的高溫?zé)嵋夯顒?dòng), 每個(gè)旋回持續(xù)約3～6 ka, 具有約10 ka的周期[7, 58]。Gurvich[7]根據(jù)ODP138航次的相關(guān)研究資料估計(jì)了東太平洋隆起5°S～12°N范圍內(nèi)表層和玄武巖之上的底層含金屬沉積物中Fe的沉降通量, 并據(jù)此重建了12 Ma以來(lái)東太平洋洋脊擴(kuò)張過(guò)程中可能會(huì)存在塊狀硫化物堆積體的區(qū)域。另外, 含金屬沉積物中自生綠脫石的礦物學(xué)與地球化學(xué)特征研究可以用來(lái)示蹤熱液流體的性質(zhì), 保存在陸地上蛇綠巖套中的含金屬沉積物也使研究地質(zhì)歷史時(shí)期的海底熱液活動(dòng)的性質(zhì)與規(guī)模成為可能。

(2) 影響海水化學(xué)組成與記錄古海洋環(huán)境信息。鐵錳氧化物通過(guò)共沉淀和清掃作用影響以水合陰離子形式存在的元素(例如P、V、As等)、稀土元素等的地球化學(xué)行為, 對(duì)全球元素循環(huán)和探索古海水中相關(guān)微量元素變化乃至指示洋流或水團(tuán)混合具有重要意義[59-63]。據(jù)Wheat等[61]估計(jì), 在不考慮洋脊兩翼低溫?zé)嵋撼练e影響的情況下, 從熱液羽流中沉淀的鐵氧化物顆粒每年就至少?gòu)暮Ｋ星鍜呒s1.7× 1011g的磷(占河流輸入溶解態(tài)磷的18%)并將其固定在含金屬沉積物中。Elderfield等[64]估計(jì)低溫彌散流的熱通量占TAG熱液區(qū)總熱通量的3/4～6/7, 但低溫彌散流及從其中沉淀出的鐵錳氧化物對(duì)海洋化學(xué)的貢獻(xiàn)卻一直難以定量研究。Gurvich[7]對(duì)太平洋從始新世至今的含金屬沉積物的稀土元素特征進(jìn)行總結(jié), 其均具有相似的配分模式和一致的Ce負(fù)異常, 并據(jù)此認(rèn)為太平洋海水的稀土元素組成在近50 Ma以來(lái)未發(fā)生明顯變化。

(3) 認(rèn)識(shí)微生物礦化作用與指示陸地類(lèi)似礦床的成因?，F(xiàn)代海底含金屬沉積物與Algoma型BIFs具有相似的成礦環(huán)境, 已有大量的研究認(rèn)為形成BIFs的Fe源自海底熱液活動(dòng), 但關(guān)于二價(jià)鐵如何在早期海洋缺氧條件下被氧化以及BIFs中硅鐵韻律層的成因仍存在很多爭(zhēng)論。BIFs中存在的微生物化石具有細(xì)絲狀結(jié)構(gòu), 這與現(xiàn)代海底含金屬沉積物中鐵氧化物的顯微結(jié)構(gòu)可以對(duì)比[65], 表明了微生物可能與BIFs中鐵礦物的沉淀存在密切的聯(lián)系。有學(xué)者提出海底熱液的周期性噴發(fā)會(huì)控制硅鐵韻律層的沉淀及其相對(duì)厚度變化, Sun等[66]在西南印度洋發(fā)現(xiàn)了受熱液流體溫度變化控制而沉淀的富Fe條帶與富Si條帶交替層, 進(jìn)一步為該猜想提供證據(jù)。雖然地質(zhì)歷史時(shí)期的古海洋環(huán)境與現(xiàn)代海洋存在差異, 但含金屬沉積物對(duì)認(rèn)識(shí)熱液微生物群落及相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán)和揭示陸上類(lèi)似礦床的成因等研究仍值得進(jìn)一步探索。

5 展望

含金屬沉積物中既有地球深部物質(zhì)的貢獻(xiàn), 又有陸源碎屑、海水物質(zhì)與生物組分的加入, 對(duì)于地球系統(tǒng)科學(xué)研究的重要性不言而喻。當(dāng)前, 在含金屬沉積物的分布、組成、形成機(jī)制以及與之相關(guān)的微生物礦化作用和自生黏土礦物成因等方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展, 但我們對(duì)其的認(rèn)識(shí)與重視仍存在不足。隨著新世紀(jì)大洋鉆探計(jì)劃的實(shí)施, 加上我國(guó)正在大力發(fā)展載人深潛器和海底觀測(cè)平臺(tái)以及相關(guān)先進(jìn)的深海采樣技術(shù)等, 并輔以越來(lái)越先進(jìn)的分析測(cè)試方法, 我們能通過(guò)含金屬沉積物更加全面地認(rèn)識(shí)過(guò)去和現(xiàn)在正在發(fā)生的海底熱液活動(dòng)。針對(duì)已有的相關(guān)研究, 我們提出以下幾點(diǎn)展望:

(1) 低溫?zé)嵋合到y(tǒng)對(duì)全球海洋熱通量和化學(xué)通量具有難以估量的巨大貢獻(xiàn), 可作為深部生物圈研究的窗口。在今后的研究中, 低溫彌散流及其形成的含金屬沉積物應(yīng)當(dāng)被予以更多關(guān)注。相關(guān)工作對(duì)于明確海底熱液活動(dòng)在全球海洋元素循環(huán)中的貢獻(xiàn)和揭示地球內(nèi)部的巖石、流體和生物之間的相互作用機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題具有重要意義。

(2) 相比于從海水中自生沉淀的水成鐵錳結(jié)核/結(jié)殼, 熱液成因的鐵錳氧化物沉淀速率十分快, 更有可能作為高分辨率、高精度的古環(huán)境信息記錄。陸上的古含金屬沉積物和大洋鉆探獲取的不同海區(qū)、不同時(shí)期的含金屬沉積物可用于恢復(fù)古海水中相關(guān)元素及其同位素組成的變化, 然而該記錄可能會(huì)受到成巖作用的影響而產(chǎn)生變化, 且當(dāng)前的研究大多局限于熱液物質(zhì)與背景沉積物的混合組成。因此, 含金屬沉積物對(duì)古海洋環(huán)境的指示意義仍有待進(jìn)一步解讀。

(3) 大洋鉆探向人們揭示了覆蓋在玄武巖基底之上的古含金屬沉積物, 這使得追蹤洋殼生長(zhǎng)過(guò)程中古熱液活動(dòng)的演化和海底熱液活動(dòng)產(chǎn)物形成后的遷移、埋藏、蝕變以及保存機(jī)制等可成為今后的研究方向之一。

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Reviews and prospects of submarine metalliferous sediments of hydrothermal origin

ZHU Qi-kuan, ZHOU Huai-yang

(School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China)

metalliferous sediments; hydrothermal activity; Fe-oxide; bio-mineralization; nontronite

Submarine metalliferous sediments of hydrothermal origin occur widely in the global ocean and back-arc spreading centers, and basal sedimentary layers overlie oceanic basalts and the top of intraplate volcanos. Metalliferous sediments may be formed by oxidative weathering and re-deposition of massive sulfide chimneys, hydrothermal plume diffusion and sedimentation, or direct precipitation from low-temperature diffusive flows. These sediments are mainly composed of poorly crystallized Fe-Mn oxide/oxyhydroxides and Fe-rich smectite (nontronite). Although obvious regional differences in the composition of metalliferous sediments from various hydrothermal fields have been observed, the sediments are usually characterized with more metallic elements, such as Fe and Mn, and less Al and Ti compared with pelagic sediments. Since the discovery of modern submarine hydrothermal activity in the late 1970s, the formation mechanism of metalliferous sediments has been clarified, and important advances in the microbial mineralization and origins of authigenic clay minerals have been made. A comprehensive study of metalliferous sediments and detailed explication of their identification criteria can not only enrich the current understanding of seafloor hydrothermal systems and their heat and chemical fluxes to the global ocean as well as the understanding of deep sea biosphere, but also provide insights into the development of polymetallic sulfide deposits, reveals the origin and distribution of the ancient analogs of these sediments on paleo-plates as well as information to explore the evolution of the paleo-oceanographic environment in the future.

Dec. 21, 2019

the National Basic Research Program of China, No. 2012CB417300; the National Natural Science Foundation of China (Key Program), No. 91428207]

朱啟寬(1995—), 男, 安徽蚌埠人, 碩士研究生, 主要從事海底熱液活動(dòng)研究, E-mail: zhuqikuan1995@163.com; 周懷陽(yáng)(1961—), 通信作者, 教授, 主要從事海洋地質(zhì)和地球化學(xué)研究, 電話(huà): 021- 65983385, E-mail: zhouhy@#edu.cn

P736

A

1000-3096(2021)08-0069-12

10.11759/hykx20191221001

2019-12-21;

2020-03-04

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB417300); 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(91428207)

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)