曾志剛

我國(guó)海底熱液活動(dòng)研究的階段性進(jìn)展與展望*

曾志剛1, 2, 3

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

海底熱液活動(dòng)調(diào)查研究是深海進(jìn)入、深海探測(cè)和深海開(kāi)發(fā)的切入點(diǎn)之一。近十年來(lái), 中國(guó)在西太平洋弧后盆地、東太平洋海隆、大西洋洋中脊和印度洋脊, 發(fā)現(xiàn)了一批新的海底熱液活動(dòng)區(qū), 圍繞著熱液活動(dòng)區(qū)的硫化物、流體、熱液柱、生物等熱液產(chǎn)物開(kāi)展了調(diào)查研究, 構(gòu)建了海底熱液地質(zhì)學(xué), 提出了熱液活動(dòng)、冷泉及天然氣水合物的同源異匯假說(shuō), 出版了《海底熱液地質(zhì)學(xué)》、《現(xiàn)代海底熱液硫化物成礦地質(zhì)學(xué)》、《現(xiàn)代海底熱液活動(dòng)》、《東太平洋海隆熱液地質(zhì)》專著, 獲得了一批調(diào)查研究成果。未來(lái), 聚焦海底熱液活動(dòng)的深部過(guò)程及其資源環(huán)境效應(yīng)關(guān)鍵問(wèn)題, 發(fā)展海底熱液活動(dòng)探測(cè)技術(shù), 拓展極地海底熱液活動(dòng)調(diào)查研究新領(lǐng)域, 圍繞煙囪體、熱液柱、含金屬沉積物、流體以及熱液區(qū)生物等熱液產(chǎn)物, 開(kāi)展深入、系統(tǒng)的調(diào)查研究工作, 無(wú)疑將推動(dòng)海底熱液地質(zhì)學(xué)取得新的進(jìn)展。

海底熱液活動(dòng); 深海研究; 探測(cè)技術(shù); 未來(lái)發(fā)展

礦產(chǎn)資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ), 是國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源, 是主權(quán)國(guó)家綜合國(guó)力的基本構(gòu)成。進(jìn)入21世紀(jì), 礦產(chǎn)資源的供需矛盾日益突出, 正對(duì)人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。

海底熱液活動(dòng)不僅是深海研究的切入點(diǎn)之一, 其形成的多金屬硫化物堆積體富含銅、鋅、金和銀等有用元素, 資源量達(dá)6×108t, 既是智能手機(jī)、電動(dòng)汽車等產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的元素, 也是重要的海底戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)資源。同時(shí), 我國(guó)因人口眾多也是一個(gè)銅、金等資源需求量極大的發(fā)展中國(guó)家, 掌握海底多金屬硫化物資源狀況, 無(wú)疑將是我國(guó)陸域礦產(chǎn)資源的重要補(bǔ)充和戰(zhàn)略接替。

要掌握海底多金屬硫化物資源狀況, 首先需要認(rèn)識(shí)硫化物的成礦機(jī)理和分布規(guī)律, 然而探測(cè)海底熱液活動(dòng)及其硫化物資源有難度, 有關(guān)它們的形成過(guò)程和流體條件等問(wèn)題長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議, 更缺少對(duì)硫化物等熱液產(chǎn)物中元素賦存狀態(tài)及其來(lái)源的深入了解, 不清楚巖漿活動(dòng)、流體-巖石相互作用、沉積物和海水等因素對(duì)硫化物的形成和保存的多重約束, 這嚴(yán)重制約了對(duì)海底硫化物形成條件、形成過(guò)程和資源潛力的認(rèn)識(shí)。

為此, 開(kāi)展海底熱液活動(dòng)及其硫化物資源調(diào)查研究, 已成為國(guó)內(nèi)外的共識(shí)及長(zhǎng)期持續(xù)付諸實(shí)施的重要工作內(nèi)容。目前, 一方面國(guó)際上正處于競(jìng)相爭(zhēng)奪海底硫化物資源的局面, 西方國(guó)家、日韓及國(guó)際礦業(yè)公司對(duì)硫化物資源已呈壟斷態(tài)勢(shì), 開(kāi)采利用海底硫化物資源已不再是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)。同時(shí), 在南太平洋的島弧、東太平洋加拉帕戈斯裂谷、東北太平洋胡安德富卡洋脊、東太平洋海隆、大西洋洋中脊、中印度洋脊和西南太平洋弧后盆地, 圍繞海底熱液活動(dòng)及其多金屬硫化物資源, 國(guó)外科學(xué)家已分別開(kāi)展了熱液煙囪體的3維(3 dimension, 3D)可視模擬, 以及熱液產(chǎn)物的礦物、元素和同位素組成研究, 分析了煙囪體的生長(zhǎng)階段、熱液柱的物質(zhì)組成和生物活動(dòng)的特征, 使用海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)了活動(dòng)的海底熱液系統(tǒng), 使用3D打印技術(shù)進(jìn)行了煙囪體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)等多方面的研究工作, 而我國(guó)對(duì)洋中脊, 特別是弧后盆地硫化物資源的分布規(guī)律及其資源量的了解相對(duì)薄弱。因此, 掌握海底硫化物資源狀況, 事關(guān)我國(guó)能否在海底礦產(chǎn)資源競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地, 對(duì)增加我國(guó)戰(zhàn)略銅、金等資源儲(chǔ)備、維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益非常重要。另一方面, 持續(xù)長(zhǎng)期開(kāi)展此項(xiàng)工作, 有利于掌握海底熱液活動(dòng)分布規(guī)律, 認(rèn)識(shí)洋中脊和弧后盆地的構(gòu)造、巖漿作用與熱液循環(huán)及其成礦的關(guān)系(Tao, 2020), 揭示海底熱液活動(dòng)對(duì)海水、沉積和生態(tài)環(huán)境的影響狀況, 這將為了解流體作為橋梁的跨圈層動(dòng)力過(guò)程與物質(zhì)能量循環(huán)這一重大科學(xué)問(wèn)題, 占領(lǐng)深海科學(xué)研究制高點(diǎn), 服務(wù)于海底硫化物資源調(diào)查、熱液生態(tài)環(huán)境保護(hù)等重大需求提供工作基礎(chǔ)(曾志剛, 2020)。

1 調(diào)查發(fā)現(xiàn)新的海底熱液活動(dòng)區(qū),研究其分布規(guī)律

在過(guò)去的十年, 我國(guó)已在西太平洋、東太平洋海隆、南大西洋洋中脊和印度洋脊發(fā)現(xiàn)了一批新的海底熱液活動(dòng)及其硫化物分布區(qū), 研究了海底熱液活動(dòng)的分布規(guī)律及其成礦機(jī)理(李家彪, 2017; 欒錫武, 2017; 圖1)。其中, 自2007年以來(lái), 中國(guó)共有4個(gè)大洋航次在西南印度洋脊進(jìn)行了硫化物調(diào)查研究, 發(fā)現(xiàn)了8個(gè)熱液噴口。2008年DY115-20航次在西南印度洋脊, 用攝像拖體和電視抓斗發(fā)現(xiàn)了斷橋(Duanqiao)熱液區(qū)。2010年在西南印度洋脊, 用攝像拖體發(fā)現(xiàn)了玉皇山(Jade Emperor Mountain)熱液區(qū)。同時(shí), 指出了在未來(lái)的硫化物調(diào)查中, 應(yīng)著重研究西南印度洋脊硫化物成礦的控制因素、隱伏和非活動(dòng)硫化物堆積體的找礦方法、硫化物資源評(píng)價(jià)方法以及近底的硫化物調(diào)查技術(shù)體系(Tao, 2014)。明確了中國(guó)在西南印度洋脊的合同區(qū)(47°—51°E)具最高的后驗(yàn)概率值, 可選擇作為補(bǔ)充勘探的保留區(qū), 并通過(guò)縮小勘探范圍, 提高勘探精度, 為海底熱液硫化物資源的勘探提供重點(diǎn)工作區(qū)域(Ren, 2016)。

2012年, 中國(guó)在西北印度洋的Carlsberg洋脊3.5°—3.8°N和北大西洋洋中脊4°—7°N又分別發(fā)現(xiàn)了新的海底熱液活動(dòng)區(qū), 填補(bǔ)了我國(guó)在該海區(qū)熱液活動(dòng)調(diào)查研究的空白(Tao, 2013a)。2015年, 中國(guó)大洋航次在西南印度洋脊的第27段, 使用拖體, 進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查, 在85 km長(zhǎng)的洋脊段上識(shí)別出9個(gè)熱液區(qū), 并指出即使在受熱點(diǎn)影響的超慢速擴(kuò)張洋脊上, 通過(guò)系統(tǒng)調(diào)查也有望發(fā)現(xiàn)更多的熱液活動(dòng)(Yue, 2019)。此外, 2008年, 在東太平洋海隆1.4°S和2°S, 用攝像拖體發(fā)現(xiàn)了新熱液活動(dòng)區(qū)。2009年, 在南大西洋洋中脊, 用攝像拖體發(fā)現(xiàn)了Rainbow Bay和周瑜脊(Zouyu Ridge)熱液區(qū); 在加拉帕戈斯(Galapagos)裂谷, 用攝像拖體和電視抓斗發(fā)現(xiàn)了寶石山(Precious Stone Mountain)熱液區(qū)。隨后, 2012年, 在南大西洋洋中脊, 用電視抓斗發(fā)現(xiàn)了德音(Deyin)-1熱液區(qū)。2014年, 又在西太平洋的弧后盆地沖繩海槽發(fā)現(xiàn)了唐印熱液活動(dòng)區(qū)(Zeng, 2017a)。

2 海底熱液活動(dòng)及其產(chǎn)物研究

2.1 硫化物等熱液產(chǎn)物研究

在調(diào)查發(fā)現(xiàn)新的海底熱液活動(dòng)區(qū), 研究其分布規(guī)律的基礎(chǔ)上, 中國(guó)學(xué)者已對(duì)印度洋脊、南大西洋洋中脊、東太平洋海隆和西太平洋弧后盆地的硫化物等熱液產(chǎn)物開(kāi)展了分析工作(表1)。在印度洋脊, 先后研究了塊狀硫化物與煙囪體等熱液產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、礦物和地球化學(xué)組成, 使用230Th/238U測(cè)年法對(duì)硫化物進(jìn)行分析, 探討了表層含金屬沉積物中的礦物來(lái)源; 測(cè)量了硫化物、玄武巖和橄欖巖的物理性質(zhì)(磁化率、電阻率、孔隙度、密度以及聲波波速), 建立了海底塊狀硫化物找礦預(yù)測(cè)模型。其中, 在西南印度洋脊的49°39′E熱液區(qū), 指出了該區(qū)煙囪體的特征與東太平洋海隆和大西洋洋中脊上的相似, 其平均金(Au)、銀(Ag)含量分別高達(dá)2.0和70.2 μg/g, 高于洋中脊大部分熱液區(qū)中塊狀硫化物的。同時(shí), 硫化物煙囪體的稀土元素組成特征與貧沉積物覆蓋洋中脊熱液區(qū)中硫化物的明顯不同, 其輕稀土元素富集, 呈弱或負(fù)Eu的異常, 這歸因于該區(qū)特殊的成礦環(huán)境或流體組成(Tao, 2011)。隨后, 在49.6°E的龍旂(Longqi)熱液區(qū), 發(fā)現(xiàn)了塊狀硫化物富含金, 低溫富鋅硫化物中Au的顯著富集以及熱液產(chǎn)物中鋅和鐵的有效分離, 揭示了Au在熱液流體中的遷移和沉淀, 且塊狀硫化物的Au純度較低, 表明硫的活度可能是影響塊狀硫化物中Au純度的主要因素之一(Ye, 2012)。進(jìn)一步, 指出了硫化物與巖石之間的物理差異, 并討論了熱液蝕變對(duì)基巖的影響, 闡述了巖石的物理性質(zhì)如何有助于海底熱液區(qū)的地球物理勘探, 這對(duì)于深入開(kāi)展熱液活動(dòng)研究, 特別是海底硫化物的找礦工作具有重要意義(Tao, 2013b)。不僅如此, 在斷橋熱液區(qū), 中國(guó)學(xué)者揭示該區(qū)的熱液活動(dòng)經(jīng)歷了4個(gè)階段(68.9—84.3, 43.9—48.4, 25.3—34.8和0.7—17.3 ka), 煙囪體的平均生長(zhǎng)速率小于0.02 mm/a, 且該區(qū)硫化物的礦石量約為0.5×106—2.9×106t (Yang, 2017)。隨后, 在龍旂-1熱液區(qū), 證實(shí)該區(qū)的熱液活動(dòng)至少具～100 ka的歷史, 且在1.2—3.0 ka間, 硫化物沉淀的速率很快(Liang, 2018)。不僅如此, 在49.6°E的龍旂熱液區(qū), 發(fā)現(xiàn)富鉛、砷、鎳、鋇、錳、鉬、鈾、釩的微細(xì)浸染狀他形硫化物形成于煙囪體壁生長(zhǎng)的初期, 而富錫、硒、鈷的塊狀粗粒自形硫化物則形成于熱液成礦后期, 且在煙囪體生長(zhǎng)過(guò)程中, 熱液流體的化學(xué)組成發(fā)生了很大的變化。進(jìn)一步, 證實(shí)煙囪體作為海底熱液活動(dòng)的產(chǎn)物, 可以用來(lái)了解塊狀硫化物堆積體的形成過(guò)程及其記錄的流體演化(Yuan, 2018)。同時(shí), 在龍旂和斷橋熱液區(qū), 指出海底熱液成礦過(guò)程可分別分為3和2個(gè)階段。明確了龍旂和斷橋熱液區(qū)閃鋅礦中的細(xì)粒黃銅礦包裹體分別是由共沉淀機(jī)制和交代作用形成的, 不同世代黃鐵礦和黃銅礦中鋅含量的變化可能是區(qū)域精煉過(guò)程(zone refining process)的結(jié)果, 龍旂熱液區(qū)的流體溫度可能比斷橋的高, 氧逸度和硫逸度值相對(duì)較低, 且與前者相比, 后者受圍巖成分的影響較大(Zhang, 2018a)。不僅如此, 還首次報(bào)道了斷橋和玉皇(Yuhuang)熱液區(qū)硫化物中汞(Hg)的含量和同位素組成,明確其硫化物中的Hg含量較高, 是Hg在深海環(huán)境的一個(gè)重要匯, 且斷橋熱液區(qū)中硫化物的Hg主要來(lái)自巖漿/地幔Hg, 而玉皇熱液區(qū)中硫化物的Hg主要來(lái)自巖漿/地幔和海水Hg的混合物(Zhu, 2020a)。此外, 在49.6°E熱液區(qū), 發(fā)現(xiàn)了表層含金屬沉積物中的輝石、蛇紋石、磁鐵礦、閃鋅礦、方解石和重晶石是海底基巖風(fēng)化和熱液活動(dòng)的產(chǎn)物, 且沉積物中的硫化物顆粒主要來(lái)自熱液柱(Zhang, 2020a)。

圖1 我國(guó)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的海底熱液區(qū)(紅點(diǎn))

表1 洋中脊與弧后盆地海底熱液產(chǎn)物的對(duì)比及其形成條件

Tab.1 Comparison and formation conditions of seafloor hydrothermal products

在中印度洋脊, 研究了Edmond熱液區(qū)熱液產(chǎn)物樣品中的Au和Ag。發(fā)現(xiàn)多個(gè)富鋅煙囪體碎片和以硬石膏為主的熱液產(chǎn)物樣品中, 其貴金屬含量高于富鐵銅塊狀硫化物和富硅熱液沉淀物的。天然Au顆粒主要與閃鋅礦、硬石膏、重晶石以及Fe-羥基氧化物伴生, 大量的亞顯微Au-Ag合金傾向于沿銅鐵硫化物與砷黝銅礦的顆粒邊界分布, 或靠近貧鐵閃鋅礦顆粒的邊緣, 且在流體與海水混合冷卻, 導(dǎo)致富鋅礦物沉淀后, 產(chǎn)生了二次Au富集。明確該熱液區(qū)長(zhǎng)期的高溫?zé)嵋夯顒?dòng)導(dǎo)致了熱液改造普遍存在, 并指出熱液產(chǎn)物產(chǎn)生后經(jīng)歷的表生過(guò)程對(duì)早期形成的貴金屬的再活化和局部再富集非常重要, 可能是在重結(jié)晶塊狀硫化物和煙囪體碎片中形成相對(duì)粗粒自然Au或Ag的原因(Wu, 2016b), 以上研究有助于確定海底熱液產(chǎn)物中貴金屬分布的控制因素。隨后, 研究發(fā)現(xiàn)在水深約2 450 m, 以超鎂鐵質(zhì)火成巖為圍巖的Kairei熱液區(qū), 黃鐵礦中硒、碲和鉍含量的變化很可能受強(qiáng)烈的流體溫度梯度控制, 且超鎂鐵質(zhì)熱液體系中的蛇紋石化作用對(duì)低砷黃鐵礦中Au的富集起重要作用。明確了控制硫化物中硒富集的主要因素是噴口流體的溫度, 這為了解硫化物中微量元素的分布, 以及控制這些礦物中微量元素分布的因素提供了支撐(Wang, 2018b)。此外, 在西北印度洋Carlsberg洋脊的臥蠶(Wocan)熱液區(qū), 分布著四類熱液產(chǎn)物: (1)富銅煙囪體; (2)富銅塊狀硫化物; (3)富鐵塊狀硫化物; (4)硅化塊狀硫化物。其中, 熱液產(chǎn)物的晚期礦物組合中顯著的Ag富集可能與流體低溫和pH值升高有關(guān)(Wang, 2017d)。

在南大西洋洋中脊, 研究了硫化物和煙囪體的礦物組成和地球化學(xué)特征, 分析了煙囪體中的有機(jī)質(zhì)組成。其中, 在南大西洋洋中脊26°S熱液區(qū), 硫化物堆積體可能起源于玄武巖與熱液流體的相互作用, 并通過(guò)玄武巖與熱液流體的相互作用聚集了分散的成礦元素, 致使硫化物具高鐵、低鋅含量的特征(Fan, 2014)。在南大西洋洋中脊15°S附近的德音(Deyin)-1熱液區(qū), 硫化物可分為富鐵硫化物、富鐵銅硫化物和富鐵鋅硫化物三種類型, 且硫化物中的稀土元素來(lái)源相同, 但其經(jīng)歷了不同的遷移或富集過(guò)程。與其他熱液區(qū)的硫化物相比, 其具Zn含量明顯偏高, Cu含量相對(duì)偏低的特點(diǎn), 這為了解成礦元素的富集規(guī)律和熱液成礦作用提供了研究支撐(Wang, 2017a, b)。此外, 在南大西洋洋中脊的德音熱液區(qū), 煙囪體中完整的極性甘油二烷基甘油四醚脂(GDGTs)較煙囪體核心的GDGTs豐富, 且煙囪體中完整的極性類異戊二烯GDGT-0是主要的成分(>70%的類異戊二烯GDGTs), 這表明有嗜熱性廣古菌門古菌的輸入, 且大多數(shù)的GDGTs可能起源于原位的嗜熱細(xì)菌(Li, 2018a)。

在東太平洋海隆, 中國(guó)學(xué)者研究了9o—10oN洋脊段之間的L噴口煙囪體, 發(fā)現(xiàn)該煙囪體中分布著硬石膏, Sr同位素組成顯示其為熱液流體和海水混合的產(chǎn)物, 且煙囪體中硬石膏的稀土元素(rare earth element, REE)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式, 呈現(xiàn)輕稀土元素(light rare earth element, LREE)富集, Eu正異常的特征(Yao, 2015)。

在東北太平洋, 研究表明熱液柱移動(dòng)路徑下方的含金屬沉積物中記錄了熱液柱的擴(kuò)散過(guò)程。其中, 在胡安德富卡(Juan de Fuca)洋脊的Endeavour段的翼部, 熱液流體通過(guò)熱液柱對(duì)含金屬沉積物貢獻(xiàn)了一定比例的鐵錳氧化物(占整體沉積物的4.51%—7.17%), 使其明顯富集熱液來(lái)源鋁、鈣和一些微量元素, 且活性鐵和錳在沉降過(guò)程中的解耦行為以及隨后在含金屬沉積物中的早期成巖作用, 為未來(lái)有關(guān)元素的歸宿及其在海洋收支的研究提供了有價(jià)值的啟示(Sun, 2018)。

在西太平洋的弧后盆地, 研究了Lau海盆和沖繩海槽的煙囪體、含金屬沉積物和重晶石等熱液產(chǎn)物。其中, 在Lau海盆的中國(guó)大洋協(xié)會(huì)探索(COMRA discovery expedition, CDE)熱液區(qū), 分布著大量、松散的Fe-Si-Mn羥基氧化物和小的富硅氧化物煙囪體, 對(duì)該煙囪體進(jìn)行了礦物學(xué)和地球化學(xué)分析, 建立了煙囪體的生長(zhǎng)模型(Sun, 2012)。研究了Lau海盆瓦盧法脊熱液區(qū)中鐵硅氧化物的礦物學(xué)特征, 特別是分析了嗜中性鐵氧化細(xì)菌在鐵硅氧化物形成中的作用。指出太古宙海洋中可能不存在原始的交替富硅和富鐵層, 且條帶狀含鐵建造(banded iron formations, BIF)中的交替條帶代表了一個(gè)成巖過(guò)程, 這為揭示前寒武紀(jì)BIF的沉淀和成巖機(jī)制提供了一個(gè)潛在的線索(Sun, 2013)。

在沖繩海槽, 為了認(rèn)識(shí)其南部的熱液成礦環(huán)境及其物質(zhì)來(lái)源, 研究了唐印熱液區(qū)含金屬沉積物的礦物和硫同位素組成特征, 指出巖漿H2S的加入可能是唐印熱液區(qū)含金屬沉積物具低硫同位素組成特征的最可能原因(Yang, 2020)。同時(shí), 利用電子探針和LA-MC-ICP-MS (laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometer)分別測(cè)定了沖繩海槽Yonaguni IV熱液區(qū)中重晶石的元素含量和Sr同位素組成, 討論了熱液循環(huán)過(guò)程中流體與沉積物的相互作用及重晶石結(jié)晶的物理化學(xué)條件, 指出沉積物在熱液成礦過(guò)程中起著關(guān)鍵作用, 且沉積物組分在重晶石結(jié)晶和硫化物礦化之前進(jìn)入了海底熱液系統(tǒng)(Zhang, 2020b)。

不僅如此, 中國(guó)學(xué)者還先后開(kāi)展了硫化物等熱液產(chǎn)物的錸(Re)、鋨(Os)、稀有氣體、硫(S)、鉛(Pb)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鋅(Zn)同位素以及REE組成研究。其中, 在熱液硫化物的Re和Os同位素組成方面, 分析了東太平洋海隆(East Pacific Rise, EPR)、大西洋洋中脊(Mid-Atlantic Ridge, MAR)、中印度洋脊(Central Indian Ridge, CIR)、西南印度洋脊(Southwest Indian Ridge, SWIR)和弧后盆地(Back-Arc Basin, BAB)中不同熱液區(qū)38個(gè)塊狀硫化物樣品的Re和Os含量及其同位素組成, 明確大多數(shù)硫化物的187Os/188Os比值, 其范圍很窄(1.004—1.209), 反映其Os來(lái)自于海水, 且在低溫(<200 °C)條件下富集。同時(shí), 指出海水與熱液流體混合形成的古海底熱液硫化物礦床的187Os/188Os比值可用于示蹤古海水的Os同位素組成。此外, 估計(jì)現(xiàn)代海底硫化物堆積體含有約0.6—44 t的Re和1—48 kg的Os, 且全球低溫?zé)嵋毫黧w的Os通量約為11 kg/a(Zeng, 2014)。進(jìn)一步研究了中印度洋脊Edmond和Kairei熱液區(qū)中塊狀硫化物堆積體的鉑族元素(platinum group element, PGE)和Os同位素組成, 指出該區(qū)的富Cu硫化物與基性-超基性巖有關(guān), 具較高的PGE含量(平均達(dá)8.98 ng/g)。在Edmond熱液區(qū), 膠狀閃鋅礦中存在著自然Au, 其Pd分餾與高溫流體條件下黃銅礦的沉淀和結(jié)晶緊密相關(guān)。在Kairei和Edmond熱液區(qū), 硫化物中的Os同位素組成與現(xiàn)代海水的接近, 其可能是海水和熱液流體混合的結(jié)果(Wu, 2014a)。以上工作, 證實(shí)海底硫化物中Re和Os含量及其同位素組成的研究是理解熱液系統(tǒng)演化的一個(gè)重要工具, 可有效確定這兩種金屬元素的來(lái)源并重建其沉淀的物理化學(xué)條件。

在熱液硫化物的REE組成方面, 指出為了重建成礦流體的演化過(guò)程, 確定海底硫化物沉淀的物理化學(xué)條件, 需要更好地了解硫化物中REE的來(lái)源、影響硫化物中REE含量的因素以及從熱液流體到硫化物的REE通量。為此, 通過(guò)研究硫化物中的REE組成, 表明全球海底熱液系統(tǒng)中的塊狀硫化物, 其稀土元素配分模式與噴口流體中的相似, 呈現(xiàn)輕稀土元素富集的特征, 且硫化物中不同的稀土元素含量、銪(Eu)異常以及輕稀土元素和重稀土元素之間的分餾與流體的稀土元素性質(zhì)和塊狀硫化物的礦物化學(xué)組成有關(guān), 估計(jì)現(xiàn)代海底硫化物堆積體中含有約280 t的稀土元素。此外, 流體中未被硫化物捕獲的大量稀土元素, 其可能會(huì)被流體和熱液柱搬運(yùn), 并結(jié)合在硫酸鹽礦物和含金屬沉積物中(Zeng, 2015a)。

在海底硫化物等熱液產(chǎn)物中流體包裹體的稀有氣體同位素組成方面, 已知分析硫化物中惰性氣體的同位素組成對(duì)于了解成礦流體的成因有著重要的意義, 既能確定惰性氣體的來(lái)源, 又能揭示流體-巖石相互作用和地幔脫氣的程度。為此, 研究了EPR、MAR、CIR、SWIR和北斐濟(jì)弧后盆地不同熱液區(qū)27個(gè)硫化物、3個(gè)硫酸鹽和2個(gè)蛋白石礦物集合體樣品中的惰性氣體濃度和同位素組成, 證實(shí)低溫?zé)嵋毫黧w在冷卻過(guò)程中失去了地幔氦(He), 且高(>7 Ra)、中(1—7 Ra)以及低(≈1 Ra)3He/4He比值樣品中的He分別主要來(lái)源于巖漿脫氣的地?；蜓髰u玄武巖(Ocean Island Basalt, OIB)地幔、成礦過(guò)程中熱液與海水的混合以及周圍的海水。依據(jù)He/熱的比值計(jì)算, 全球高溫?zé)嵋簢娍诘腍e和熱通量約為每年0.05×104—6×104kg和0.1×1012—12×1012W, 這意味著大約0.3%的海洋熱量由海底高溫?zé)嵋夯顒?dòng)提供(Zeng, 2015b)。此外, 在西南印度洋脊49°—50°E, 其海底硫化物中的He和Ar分別來(lái)自于地幔和海水, 且部分的He通過(guò)Marion和Crozet熱點(diǎn)的活動(dòng)可能來(lái)自下地幔(Wang, 2014)。隨后, 為了解中印度洋脊Edmond熱液區(qū)成礦流體的來(lái)源和性質(zhì), 研究了熱液產(chǎn)物的流體包裹體及其He-Ar同位素組成, 指出硫化物樣品中含有稀有氣體He、Ne、Kr和Xe, 其豐度介于空氣飽和水(air saturated water, ASW)和洋中脊玄武巖(mid-ocean ridge basalt, MORB)之間, 證實(shí)其He來(lái)源于MORB與海水的混合物, 且硫化物中的Ar則主要來(lái)源于海水(Wang, 2017c)。

在熱液硫化物的硫(S)、鉛(Pb)同位素組成方面, 研究了EPR、MAR、CIR、SWIR和北斐濟(jì)海盆不同熱液區(qū)中硫化物礦物的S、Pb同位素組成, 指出硫化物樣品的S同位素組成變化范圍較大(δ34S 0.0～9.6‰), 其S主要來(lái)源于火成巖, 在海水與熱液流體混合過(guò)程中, 硫化物中所含海水來(lái)源S的比例較小(<36%)。與硫化物中S的混合來(lái)源不同, 硫化物的大多數(shù)Pb同位素組成具有與玄武巖一致的Pb同位素組成, 表明其Pb主要來(lái)自玄武巖。此外, 硫化物的S、Pb同位素組成受形成海底塊狀硫化物堆積體的流體過(guò)程控制, 且S和Pb同位素組成的變化與S和Pb的來(lái)源、流體-巖石相互作用和流體-海水混合有關(guān)(Zeng, 2015c)。此外, 在大西洋洋中脊15.2°S的熱液區(qū), 也發(fā)現(xiàn)硫化物的Pb同位素組成與玄武巖樣品的相似, 表明硫化物中的Pb來(lái)源于圍巖-玄武巖, 且熱液流體在塊狀硫化物沉淀期間與海水發(fā)生了混合(Wang, 2018a)。隨后, 為了認(rèn)識(shí)硫化物在微觀尺度上的原位S同位素組成變化, 使用靈敏的高質(zhì)量分辨率離子微探針(sensitive high resolution ion microprobe, SHRIMP SI)分析了東太平洋海隆1°—2°S熱液區(qū)的硫化物煙囪體, 證實(shí)煙囪體生長(zhǎng)過(guò)程中存在海水來(lái)源S與巖漿-熱液流體來(lái)源S的混合(Meng, 2018)。此外, 研究了龜山島熱液區(qū)自然硫中的S同位素、微量元素和親硫元素(Se、Te、As、Sb、Hg)組成, 指出海水硫酸鹽中的S對(duì)自然硫的貢獻(xiàn)很小(Yu, 2019)。

在硫化物的鐵(Fe)和鋅(Zn)同位素組成方面。一方面, 先后研究了EPR和南大西洋洋中脊(South Mid-Atlantic Ridge, SMAR)中熱液硫化物的Fe同位素組成, 指出硫化物沉淀和后期氧化風(fēng)化導(dǎo)致明顯的Fe同位素分餾, 明確了SMAR硫化物中的Fe主要來(lái)自玄武巖, 且在EPR由于硫化物的快速沉淀使鐵同位素產(chǎn)生動(dòng)力分餾, 導(dǎo)致沉淀的硫化物富集輕的Fe同位素, 而重Fe同位素則富集在黃鐵礦的氧化產(chǎn)物中(Li, 2018c)。研究了黃銅礦、黃鐵礦和閃鋅礦中Fe同位素組成的變化及其可能的控制因素, 指出洋中脊熱液體系中Fe同位素組成的范圍很大, 具有54Fe相對(duì)富集的特征, 且噴口流體的溫度、性質(zhì)和礦物的沉淀過(guò)程顯著影響著硫化物的δ56Fe值。證實(shí)黃銅礦優(yōu)先富集56Fe, 而閃鋅礦和黃鐵礦則富集54Fe(Li, 2017a)。此外, 報(bào)道了南大西洋洋中脊德音-1熱液區(qū)煙囪體壁的橫向上硫化物的Fe和S同位素組成, 發(fā)現(xiàn)煙囪體壁內(nèi)黃鐵礦的δ34S和δ56Fe從外到內(nèi)增加, 其可能與黃鐵礦和流體之間S和Fe同位素分餾的增強(qiáng)有關(guān), 且煙囪體壁內(nèi)Fe與S同位素的規(guī)律性和耦合變化有效地制約了硫化物的形成過(guò)程(Wang, 2020a), 這表明海底熱液煙囪體不僅是一種重要的金屬資源, 且對(duì)海洋化學(xué)平衡具有重要影響。

另一方面, 分析了SMAR(13°—15°S)熱液區(qū)中不同類型硫化物及其氧化產(chǎn)物的Zn同位素組成, 發(fā)現(xiàn)EPR(9°N、21°N)的熱液區(qū)和MAR的TAG(trans-Atlantic geotraverse)熱液區(qū)中硫化物樣品的Zn同位素組成一般都在其他洋中脊熱液區(qū)硫化物的Zn同位素組成變化范圍內(nèi), 且與其他熱液區(qū)硫化物的Zn同位素組成相比, 南大西洋洋中脊中的硫化物存在Zn同位素相對(duì)偏輕(平均δ66Zn=+0.39‰)的特點(diǎn)。證實(shí)富Zn硫化物對(duì)輕Zn同位素的明顯富集, 則是由于其在沉淀過(guò)程中Zn同位素發(fā)生動(dòng)力分餾所致。此外, 硫化物及其氧化產(chǎn)物的Zn同位素組成(平均δ66Zn=+0.12‰)明顯輕于海水的Zn同位素組成(δ66Zn=+0.5‰), 其作為輕Zn同位素的匯, 進(jìn)一步制約了現(xiàn)代海洋中Zn同位素的循環(huán)(Li, 2018d), 這表明在海底熱液活動(dòng)中發(fā)生了顯著的Zn同位素分餾。因此, 探討熱液和氧化過(guò)程對(duì)Zn同位素組成的影響, 將有助于更好地了解熱液循環(huán)及洋中脊硫化物的沉淀過(guò)程。

2.2 海底熱液流體研究

在海底熱液流體方面, 圍繞其CO2濃度的測(cè)定和物理性質(zhì)、化學(xué)組成以及有機(jī)質(zhì)的分析開(kāi)展了研究。包括, 針對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法不能直接測(cè)定高溫?zé)嵋毫黧w中溶解CO2的濃度, 研究建立了一種適合于熱液環(huán)境的原位拉曼定量測(cè)定流體中溶解CO2的方法(Li, 2018b)。隨后, 在沖繩海槽的Yokosuka熱液區(qū)觀察到溫度高達(dá)383.3 °C的微光水, 其存在過(guò)熱的蒸汽相, 屬于低密度的熱液流體, 且該低密度熱液流體的噴發(fā)對(duì)于海洋環(huán)境和資源分布的影響值得重視(Li, 2020b)。此外, 利用原位拉曼光譜技術(shù), 對(duì)沖繩海槽南部熱液噴口中出現(xiàn)的超臨界CO2進(jìn)行了識(shí)別, 發(fā)現(xiàn)超臨界CO2中的N2峰明顯大于海水和噴口流體中的N2峰, 表明超臨界CO2能富集周圍環(huán)境中的N2, 且指出在地球早期, 具高N2的超臨界CO2可能是水-氣界面附近主要的CO2相, 這促進(jìn)了對(duì)生命起源至關(guān)重要的氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的合成、預(yù)富集和保存(Zhang, 2020c)。

研究了海底熱液流體的物理化學(xué)特征。包括, 在超慢速擴(kuò)張西南印度洋脊49.6°E的龍旂熱液區(qū), 于2015年1月載人潛器(human occupied vehicle, HOV)“蛟龍”號(hào)下潛過(guò)程中, 采集到熱液流體樣品, 發(fā)現(xiàn)了該區(qū)具有單一的流體來(lái)源, 存在經(jīng)過(guò)相分離(約28—30.2 MPa和400.6—408.3 °C)產(chǎn)生的鹵水相和蒸汽相流體, 且其端員流體的化學(xué)組成與已知的全球海底熱液流體的化學(xué)組成變化范圍相當(dāng)或落在其變化范圍內(nèi), 證實(shí)了洋中脊擴(kuò)張速率不是直接控制熱液流體化學(xué)組成的關(guān)鍵因素, 而熱液區(qū)的基底巖石組成、水-巖相互作用和相分離是控制噴口流體化學(xué)組成的主要因素(Ji, 2017)。

開(kāi)展了臺(tái)灣東北部龜山島熱液區(qū)中流體的有機(jī)質(zhì)組成分析。在2010年8月的兩次航行中, 從該熱液區(qū)的白色噴口和黃色噴口采集了水樣, 發(fā)現(xiàn)在白色噴口及其下方1 m處, 其流體在波長(zhǎng)300 nm處的吸收系數(shù)(2.52±0.88 m–1), 遠(yuǎn)高于背景值(0.34±0.12 m–1), 這表明海底熱液區(qū)的白色噴口流體是海水發(fā)色溶解有機(jī)物(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)以及類腐殖酸和類酪氨酸溶解有機(jī)物的來(lái)源(Yang, 2012)。進(jìn)一步, 測(cè)定了沖繩海槽西南端龜山島熱液區(qū)中海水、安山巖、噴口流體和熱液柱樣品的硼濃度和硼同位素組成, 發(fā)現(xiàn)噴口流體和熱液柱中的硼主要來(lái)自海水, 很少來(lái)自安山巖, 這說(shuō)明龜山島熱液區(qū)海底下流體與安山巖的相互作用持續(xù)時(shí)間較短, 熱液柱的硼濃度和硼同位素組成可以用來(lái)描述控制海水環(huán)境中熱液柱化學(xué)組成的擴(kuò)散過(guò)程, 且從黃色噴口到海洋的硼通量在1.17×105—1.32×105mol/a之間, 而從白色噴口到海洋的硼通量則在6.69×104—7.17×104mol/a之間(Zeng, 2013)。同時(shí), 研究指出, 在龜山島熱液區(qū), 黃泉噴口流體的總REE濃度與白泉噴口流體的相似, 顯著高于周圍海水的, 且噴口流體的稀土元素組成受水-巖相互作用、流體極低的pH值(2.81和2.29)、流體沸騰和自然硫沉淀的影響(Wang, 2013)。

2.3 熱液柱研究

分析了熱液柱的物理性質(zhì)和化學(xué)組成特征, 進(jìn)行了熱液柱的計(jì)算模擬, 發(fā)展了用于海底熱液柱探測(cè)數(shù)據(jù)的校正方法, 并研究了海底熱液柱上升過(guò)程中顆粒物的運(yùn)移和沉淀類型。包括, 基于拉格朗日粒子隨機(jī)游走算法(Lagrangian particle random walk algorithm), 提出了一種模擬深海熱液柱的計(jì)算模型。該模型展示了熱液柱的三維非浮力和浮力特征, 對(duì)以往用于示蹤熱液柱以及定位其源頭的技術(shù)方法提出了重大挑戰(zhàn), 為評(píng)估和優(yōu)化用于探測(cè)熱液柱的自主水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicle, AUV), 提供了一個(gè)有力的工具(Tian, 2013)。隨后, 將便攜式微型自動(dòng)熱液柱記錄儀(portable miniature autonomous plume recorders, MAPR)安裝到深海拖體上, 用于尋找熱液柱和噴口。分析了影響MAPR數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素, 提出了一套可用于MAPR的數(shù)據(jù)校正方法, 包括儀器的位置校正、降噪處理、系統(tǒng)誤差消除和海水背景降低。在此基礎(chǔ)上, 將該校正方法應(yīng)用于“大洋一號(hào)”DY115-21航次在加拉帕戈斯微板塊寶石山熱液區(qū)的調(diào)查, 為了解該區(qū)熱液活動(dòng)的分布、證實(shí)新熱液噴口的存在提供了工作支撐(Chen, 2014)。

進(jìn)一步, 研究證實(shí)了熱液柱的濁度、流速、pH值、溶解鐵和溶解錳組成可以用于了解海底熱液系統(tǒng)的空間分布及其流體來(lái)源, 且靠近噴口流體源的熱液柱(被解釋為具有相對(duì)年輕的年齡)隨著時(shí)間的推移, 發(fā)生化學(xué)擴(kuò)散, 并且其化學(xué)組成的濃度變得更類似于遠(yuǎn)離其噴口流體源的熱液柱(Zeng, 2020a), 這為了解海底熱液流體的物理和化學(xué)特征, 進(jìn)而揭示熱液系統(tǒng)的圍巖、海底面以下的流體反應(yīng)條件和海水演變過(guò)程提供了研究支撐。同時(shí), 研究了海底熱液柱上升過(guò)程中顆粒物的運(yùn)移和沉淀類型, 指出熱液柱中顆粒物的歸宿在很大程度上取決于沉降速度, 其可以懸浮、近噴口沉積或遠(yuǎn)距離輸送, 且卷吸流和熱液柱干周圍的旋渦是噴口附近含金屬沉積物富集的主要原因, 進(jìn)一步提出了沉積位置隨沉降速度變化的預(yù)測(cè)公式(Lou, 2020)。

在2007年, 重訪了東南印度洋脊的K段, 并在CTD作業(yè)站位觀測(cè)到了一個(gè)水柱濁度異常。該站位位于1996年美國(guó)科學(xué)家探測(cè)到的熱液柱水體異常上, 計(jì)算其熱液柱的發(fā)生率約為0.28, 大于預(yù)測(cè)的65 mm/a擴(kuò)張速率洋脊上熱液柱的發(fā)生率0.25(Wang, 2011)。隨后, 中國(guó)“大洋一號(hào)”DY115-19航次在西南印度洋脊巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈的擴(kuò)張洋脊段處(37°47′S, 49°39′E), 發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)海底熱液活動(dòng)區(qū)。在此基礎(chǔ)上, 發(fā)現(xiàn)熱液柱中的顆粒物主要來(lái)源于噴口流體, 也包括少量的再懸浮沉積物或背景顆粒, 且由于熱液柱中有機(jī)絡(luò)合物和納米顆粒的存在, 其溶解相中的高鐵濃度可能會(huì)持續(xù)存在(Wang, 2012)。此外, 研究了西南印度洋脊熱液噴口區(qū)7個(gè)站位的水體懸浮顆粒樣品, 發(fā)現(xiàn)了29種不同形貌的閃鋅礦顆粒(Sun, 2014), 證實(shí)該熱液柱的顆粒物具有不尋常低的234Th, 進(jìn)而開(kāi)展了熱液柱中顆粒物動(dòng)力學(xué)研究, 揭示了熱液柱中不同的顆粒物動(dòng)力學(xué)特征, 并為了解全球大洋中碳和微量元素循環(huán)提供了研究支撐(Yang, 2016)。隨后, 明確了西南印度洋脊龍旂熱液區(qū)中同一熱液柱中Fe的物理分配和化學(xué)組成, 揭示熱液柱中膠體Fe和可溶性Fe的組成不同, 且可溶性配體穩(wěn)定的熱液Fe是膠體配體的2倍以上(Wang, 2019a)。

不僅如此, 在2018年, 中國(guó)學(xué)者利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)來(lái)自快速擴(kuò)張的東太平洋海隆的V噴口和Biotransect噴口以及中快速擴(kuò)張的胡安德富卡洋脊Endeavour段的Grotto丘和慢速擴(kuò)張北大西洋洋中脊TAG區(qū)熱液柱的數(shù)字視頻圖像進(jìn)行了定量分析, 研究了洋中脊熱液柱垂直通量的短周期變化, 論證了熱液柱通量的振蕩周期和振幅隨熱液柱垂直通量的減小而增大, 且觀測(cè)到的熱液柱振蕩周期具相對(duì)較窄的帶寬(0.5—5 s)(Zhang, 2019b)。同時(shí), 研究了沖繩海槽中南部25個(gè)站位熱液柱樣品的主要成分組成, 明確黑潮的輸入影響了沖繩海槽熱液柱的物理化學(xué)性質(zhì), 且從沖繩海槽南部至中部, 黑潮對(duì)熱液柱的影響減小, 并給出了沖繩海槽的熱液K、Ca、Mn和B通量以及熱通量, 指出沖繩海槽的熱液柱提供了約0.000 6%的海洋熱量, 這對(duì)于更好地理解生物地球化學(xué)循環(huán)和海底環(huán)境中元素的大規(guī)模分布至關(guān)重要(Zeng, 2018b)。

同時(shí), 在馬努斯弧后盆地東部的熱液柱中, 發(fā)現(xiàn)As和Sb與Mn呈顯著正相關(guān), As和Sb在熱液柱中的分布不受顆粒吸附和生物地球化學(xué)循環(huán)的控制, 表明As和Sb與Mn一樣, 可以用來(lái)探測(cè)和描述海水環(huán)境中熱液柱的特征(Zeng, 2018a)。

此外, 在龜山島熱液區(qū)的白色(24.83°N, 121.96°E)和黃色(24.83°N, 121.96°E)噴口附近, 研究了熱液柱四個(gè)深度的溫度、pH和Eh, 證實(shí)潮汐是影響環(huán)境的主要因素, 且由于退潮, 熱液柱主要由北向南擴(kuò)散。從溫度擴(kuò)散場(chǎng)上觀察到了熱液柱的旋渦, 指出Eh負(fù)異常是尋找熱液柱和確定流體噴口的較好指標(biāo)(Han, 2014)。隨后, 研究了馬里亞納弧后擴(kuò)張中心高溫、低溫噴口和擴(kuò)散噴溢口上方熱液柱中Fe的形態(tài)和Fe結(jié)合配體的分布, 指出Fe結(jié)合配體可能來(lái)源于鄰近的擴(kuò)散噴發(fā)流體, 也可能由熱液柱中的微生物產(chǎn)生(Wang, 2021)。同時(shí), 首次研究了位于臺(tái)灣東南部潮間帶中綠島熱液區(qū)的熱液系統(tǒng)。與海水相比, 其噴口流體的Mg含量低, Cl和H+含量中等富集, 顯示該區(qū)的噴口流體來(lái)自低程度亞臨界相分離形成的鹵水相, 而噴泉流體則來(lái)自低程度亞臨界相分離形成的汽相, 且相分離的溫度和壓力分別約為150 °C和7 bar, 粗略計(jì)算其水和巖石比約為2 (Chen, 2020)。不僅如此, 綠島熱液系統(tǒng)略受半日潮、潮汐負(fù)荷和潮流的影響, 且潮汐與熱液系統(tǒng)響應(yīng)之間的時(shí)間延遲約為3 h。2014年9月21日的臺(tái)風(fēng)“鳳凰”導(dǎo)致淡水(約16%)侵入該區(qū)的噴口流體, 且臺(tái)風(fēng)發(fā)生后, 流體的端元組成發(fā)生了相應(yīng)的變化, 反映其反應(yīng)區(qū)冷卻。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)后, 熱液系統(tǒng)開(kāi)始恢復(fù), 表現(xiàn)為噴泉中流體的端員組成比例增加, 淡水貢獻(xiàn)減少, 且噴泉流體的端員通量估計(jì)為460—560 L/h (Chen, 2020)。

2.4 海底熱液活動(dòng)的成礦作用研究

海底硫化物堆積體具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值和良好的開(kāi)發(fā)前景。在南大西洋洋中脊和卡德諾斷裂帶之間的內(nèi)角交叉點(diǎn), 進(jìn)行了海底熱液活動(dòng)的成礦作用研究, 明確其熱液堆積體以塊狀黃鐵礦-白鐵礦角礫巖為特征, 含富硅脈石礦物, 且稀土元素配分模式顯示正Eu異常和負(fù)Ce異常共存, 表明該區(qū)的硫化物是海水和噴口流體混合后擴(kuò)散排放的產(chǎn)物(Li, 2014)。隨后, 通過(guò)分析在南大西洋洋中脊周瑜-1和周瑜-2熱液區(qū)多年(2009、2011、2013年)收集的熱液柱的濁度、氧化還原電位和溫度異常數(shù)據(jù), 進(jìn)行了活動(dòng)噴口區(qū)及其硫化物堆積體的定位(Tao, 2017)。在西南印度洋脊的玉皇-1熱液區(qū), 通過(guò)硫化物的Zn同位素組成和元素比值研究, 分析了玉皇-1熱液區(qū)的Zn同位素分餾、成礦條件和成礦過(guò)程, 指出了該熱液區(qū)存在兩期的硫化物成礦作用(Liao, 2019)。

此外, 現(xiàn)代化能自養(yǎng)微生物的成礦作用被認(rèn)為是地圈和生物圈之間的紐帶, 是生物科學(xué)和地質(zhì)學(xué)的重要補(bǔ)充。研究現(xiàn)代海底熱液系統(tǒng)中的生物成礦作用, 有助于揭示地球早期歷史、生命演化、深部生物圈和外太空微生物的奧秘。隨著微電子技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)的引入, 熱液生物成礦作用已成為近十年來(lái)地質(zhì)生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái), 研究熱液生物成礦作用將繼續(xù)促進(jìn)地球科學(xué)和生物科學(xué)的發(fā)展, 豐富我們對(duì)地球歷史、生命演化乃至天體生物學(xué)的認(rèn)識(shí)(Zhang, 2019a)。

2.5 構(gòu)建海底熱液地質(zhì)學(xué)

構(gòu)建了海底熱液地質(zhì)學(xué)的框架, 包括厘定了海底熱液活動(dòng)研究的基本概念, 劃分了海底熱液產(chǎn)物的類型, 將熱液活動(dòng)及其產(chǎn)物的分布劃分為域、帶、亞帶、區(qū)和點(diǎn)五級(jí), 建立了硫化物“兩階段六過(guò)程”調(diào)查模式, 在沖繩海槽, 發(fā)現(xiàn)新熱液活動(dòng)區(qū)-唐印熱液區(qū), 觀測(cè)到巨型海底硫化物丘狀體, 為我國(guó)海底硫化物資源調(diào)查、熱液成礦作用研究及建立深海熱液活動(dòng)及硫化物資源調(diào)查研究基地等工作提供了支撐(曾志剛, 2011)。

2.6 研究海底熱液活動(dòng)與生物活動(dòng)的關(guān)系

對(duì)位于超慢速擴(kuò)張西南印度洋脊上熱液煙囪體的宏基因組進(jìn)行了熱測(cè)序, 以闡明相關(guān)的微生物硫循環(huán)。在硫氧化自養(yǎng)細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了幾種碳代謝途徑, 特別是開(kāi)爾文循環(huán)(Calvin-Benson-Bassham, CBB)的途徑和固定CO2的還原性三羧酸循環(huán), 明確了短鏈烷烴在硫循環(huán)中起著重要作用。闡明了微生物硫循環(huán)在維持超慢速擴(kuò)張洋中脊熱液煙囪體中整個(gè)微生物群落的重要作用, 指出它具有不同于其他類型熱液區(qū)煙囪體中微生物群落的特征(Cao, 2014), 證實(shí)了硫是維持熱液噴口微生物群落的重要元素, 且硫氧化在熱液區(qū)化能合成中具有重要的作用, 對(duì)硫酸鹽還原產(chǎn)生了影響。隨后, 研究了西南印度洋脊熱液柱中的微生物群落結(jié)構(gòu), 指出熱液柱中的微生物群落來(lái)源于周圍的海水, 而不是起源于熱液噴口(Li, 2016)。不僅如此, 還對(duì)來(lái)自Guaymas海盆的煙囪體樣品進(jìn)行了整合的宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)硫代謝途徑及其宿主微生物的全面研究, 并構(gòu)建了發(fā)生在該區(qū)的微生物硫循環(huán), 進(jìn)而證實(shí)了在煙囪體壁的分層硫氧化和硫酸鹽還原。此外, Guaymas海盆的硫代謝與碳循環(huán), 特別是與油氣降解過(guò)程密切相關(guān)。這一結(jié)果不僅支持了熱液生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部硫循環(huán)強(qiáng)度大、凈硫收支低的觀點(diǎn)(He, 2015), 也表明煙囪體中無(wú)機(jī)硫化合物是豐富的, 并通過(guò)化學(xué)合成途徑進(jìn)行了積極的轉(zhuǎn)化, 且鑒于微生物硫循環(huán)的復(fù)雜性, 未來(lái)需對(duì)熱液噴口中的硫收支進(jìn)行細(xì)致的刻畫及認(rèn)識(shí)。進(jìn)一步研究了現(xiàn)代海底熱液系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和生物礦化, 指出鐵錳硅循環(huán)和無(wú)機(jī)流體與微生物的相互作用可能保留甚至遵循了古海洋的原始運(yùn)行模式, 且整個(gè)海洋演化過(guò)程中的熱液活動(dòng)對(duì)于研究古物質(zhì)循環(huán)和古環(huán)境重建均具有重要意義(Sun, 2016)。同時(shí), 從東太平洋海隆熱液區(qū)的硫化物中分離出了一株厭氧嗜熱鐵還原菌(Caloranaerobacter ferrireducens sp.nov.)(Zeng, 2015c)。隨后, 研究了南大西洋洋中脊深海熱液噴口中真菌的分布和多樣性, 發(fā)現(xiàn)其真菌群落以子囊菌綱和擔(dān)子菌綱為主, 且煙囪體樣品中的真菌群落結(jié)構(gòu)與硫化物樣品中的真菌群落結(jié)構(gòu)不同, 這為深入了解深海熱液噴口生態(tài)系統(tǒng)中真菌的多樣性和豐富度提供了新的見(jiàn)解, 增加了對(duì)深海環(huán)境中真菌多樣性的認(rèn)識(shí)和理解(Xu, 2017)。

在東北太平洋胡安德富卡洋脊的Main Endeavor熱液區(qū), 中國(guó)學(xué)者不僅研究了硫化物和硫酸鹽煙囪體的結(jié)構(gòu)、礦物和化學(xué)組成, 還分析了在煙囪體表面積聚的二次蝕變產(chǎn)物的超微結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)其與鐵氧化細(xì)菌(FeOB)相關(guān)的超微結(jié)構(gòu)豐富, 具有指示性的形態(tài)學(xué)特征, 且鐵氧化物種可能促進(jìn)硫化物煙囪體的氧化風(fēng)化, 并與鐵氧化、固氮、氨氧化和反硝化等一系列地球化學(xué)過(guò)程密切相關(guān)。最后, 通過(guò)對(duì)熱液煙囪體內(nèi)微生物群落的研究, 可以推斷出從硫酸鹽煙囪體形成早期到成熟的硫化物結(jié)構(gòu), 再到最終蝕變的硫化物煙囪體的微生物群落演替規(guī)律, 微生物參與氧化風(fēng)化過(guò)程和微生物演替發(fā)生在高溫?zé)嵋夯顒?dòng)停止后的硫化物煙囪體中(Li, 2017c), 這使得我們對(duì)熱液硫化物煙囪體在海底經(jīng)歷的氧化風(fēng)化過(guò)程以及風(fēng)化過(guò)程中相關(guān)的微生物群落結(jié)構(gòu)及其演替有了更深入的認(rèn)識(shí)。此外, 在進(jìn)行熱液噴口區(qū)分離株(黃綠假交替單胞菌的亮氨酸氨基肽酶)的克隆與鑒定過(guò)程中, 證實(shí)乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)、蛋白酶抑制劑和Cu2+、Zn2+、Cd2+等金屬離子對(duì)重組表達(dá)胞外亮氨酸氨基肽酶(recombinant expressed extracellular enzyme leucine aminopeptidases, rPtLAP)有抑制作用, 且rPtLAP對(duì)熱液噴口中富集的Mn2+有較強(qiáng)的耐受性。此外, 胞外酶(extracellular enzyme leucine aminopeptidases, PtLAP)執(zhí)行有機(jī)物的降解, 有助于微生物在深海環(huán)境中的適應(yīng)性生存, 并可能在海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮重要作用(Zhang, 2018c)。同時(shí), 從東太平洋海隆硫化物中分離到一株新的嗜壓、嗜熱、厭氧、發(fā)酵的梭狀芽孢桿菌屬鐵還原細(xì)菌, 命名為發(fā)酵厭氧桿菌DY22613T。研究了它的細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)酵代謝產(chǎn)物、生物礦化以及異化鐵還原, 明確發(fā)酵厭氧桿菌DY22613T在深海熱液沉積物中的潛在作用是將鐵還原和礦物轉(zhuǎn)化與生物分子的發(fā)酵耦合起來(lái), 且這種細(xì)菌可能參與了深海熱液區(qū)復(fù)雜的生物地球化學(xué)鐵循環(huán), 并有助于深入了解發(fā)酵厭氧桿菌DY22613T中異化鐵(III)還原的機(jī)制, 及其在深海熱液區(qū)鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用(Li, 2019), 這表明異化鐵還原微生物在鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用, 且影響著鐵礦物的形成和轉(zhuǎn)化。隨后, 研究了微生物群落在熱液柱擴(kuò)散路徑上的分布和演變, 并在西南印度洋脊的龍旂熱液區(qū), 研究發(fā)現(xiàn)在噴口附近形成的初始熱液柱, 微生物種群以豐富多樣的噴口相關(guān)群落為特征, 包括(超)嗜熱菌, 以及一些化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)生物。相比之下, 在上升的浮力熱液柱和鄰近海水中, 大多數(shù)與噴口相關(guān)的微生物類群仍然存在, 但對(duì)群落組成的貢獻(xiàn)很小(Li, 2020a)。同時(shí), 證實(shí)了深海熱液噴口處的擴(kuò)散流體產(chǎn)生快速、劇烈的物理化學(xué)梯度, 其與噴口動(dòng)物群的分布密切相關(guān)(Zhu, 2020b)。此外, 在臺(tái)灣東北部龜山島熱液區(qū)的酸性噴口流體附近生活著烏龜怪方蟹(), 發(fā)現(xiàn)其對(duì)金屬元素的積累是通過(guò)呼吸途徑而不是通過(guò)食物的吸收, 且金屬元素在其組織中的分布模式與在肝胰腺和肌肉中的相似, 但在鰓和外骨骼中卻有很大的不同, 這可能是由于金屬元素在不同組織中的利用途徑不同所致(Peng, 2011)。隨后, 采用13C標(biāo)記法測(cè)定了龜山島熱液區(qū)熱液柱中光、暗溶解無(wú)機(jī)碳(dissolved inorganic carbon, DIC)的吸收速率, 指出隨著熱液柱擴(kuò)散和混合的繼續(xù), 化能自養(yǎng)活動(dòng)開(kāi)始上升, 并在Si(OH)4處于低到中等含量的熱液柱中達(dá)到峰值, 且在熱液柱的邊緣, 化能自養(yǎng)能力下降到背景水平, 以浮游植物的光合作用為主(Lin, 2021)。同時(shí), 在東太平洋海隆, 研究發(fā)現(xiàn)硫化物礦物被廣泛淋濾, 礦物表面有特征的微生物溶坑; 加之, 原位觀測(cè)到與溶坑密切相關(guān)的類硫桿菌及其代謝產(chǎn)物, 證實(shí)了海底硫化物堆積體中存在著微生物對(duì)固體礦物的淋濾作用(Liu, 2020a)。進(jìn)一步, 指出在海底熱液產(chǎn)物堆積體中所發(fā)現(xiàn)的不同數(shù)量的鐵和硫氧化微生物, 其在海底硫化物堆積體的風(fēng)化作用中起著重要作用。同時(shí), 將基因組解析的宏基因組學(xué)應(yīng)用于東太平洋海隆9°—10°N熱液噴口區(qū)的硫化物煙囪體, 發(fā)現(xiàn)在流體正在活動(dòng)的煙囪體(L-vent)中, 硫化物和/或氫氧化Campylobacteria和Aquificae被確定為主要的群落成員和初級(jí)生產(chǎn)者, 其通過(guò)還原性三羧酸(tricarboxylic acid cycle, rTCA)循環(huán)固定碳。相比之下, 流體停止活動(dòng)的煙囪體(M-vent), 其微生物群主要由各種細(xì)菌門的異養(yǎng)菌組成, 包括Delta-/Beta-/Alphaproteobacteria和Bacteroidetes, 且Gammaprotobacteria被確定為主要的初級(jí)生產(chǎn)者, 其通過(guò)CBB利用硫化物的氧化和/或鐵的氧化以及硝酸鹽的還原來(lái)固定碳(Hou, 2020)。

3 發(fā)展了用于海底熱液活動(dòng)及其硫化物調(diào)查研究的高新技術(shù)

中國(guó)學(xué)者先后發(fā)展了用于海底熱液活動(dòng)及其硫化物等熱液產(chǎn)物調(diào)查研究的技術(shù)方法。包括, 設(shè)計(jì)了一種新型的、可用于深海熱液流體取樣器的鈦取樣閥, 其能在水深6 000 m、溫度達(dá)400 °C的噴口流體處作業(yè)。在2008年的KNOX18RR航次, 該新型取樣閥已被應(yīng)用于氣密取樣器上, 且在大西洋洋中脊采集了深度744—3 622 m、溫度94—370 °C的噴口流體, 證實(shí)了該新型取樣閥對(duì)深海熱液流體的采集是有效的(Wu, 2011)。隨后, 研制了海底熱液噴口溫度場(chǎng)測(cè)量的聲學(xué)方法, 提出了兩種聲學(xué)信號(hào)傳播路徑的拋物線插值和彎曲補(bǔ)償技術(shù), 提高了運(yùn)行時(shí)間估計(jì)的精度。同時(shí), 通過(guò)對(duì)不同平均值下溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的比較, 給出了最大絕對(duì)誤差、最大相對(duì)誤差和均方根誤差, 可以應(yīng)用于海底熱液噴口周圍溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量(Cai, 2012)。進(jìn)一步針對(duì)海底硫化物堆積體形成的地質(zhì)復(fù)雜性和鉆孔取樣的有限性, 研究提出了一種穩(wěn)健最小二乘支持向量機(jī)(robust weighted least square support vector machine, LS-SVM)回歸模型來(lái)解決西南太平洋馬努斯海盆Solwara 1海底硫化物堆積體的礦石品位估算問(wèn)題, 并提出一種加權(quán)K近鄰(weighted K-neared neighbor, WKNN)算法對(duì)缺失值進(jìn)行插值, 證實(shí)了穩(wěn)健加權(quán)(robust weighted least square support vector machine, LS-SVM)算法性能優(yōu)于其他方法, 且具有很強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力和泛化能力(Zhang, 2013)。

隨后, 研制了一種新型的氣密取樣器, 其采用電控取樣閥進(jìn)行流體采集, 并在取樣時(shí)測(cè)量和顯示熱液流體的溫度, 既可在手動(dòng)模式下工作, 通過(guò)外部信號(hào)控制, 也能在自動(dòng)模式下根據(jù)溫度采集流體樣品, 可以很容易地放置在潛水器上或由潛水員攜帶, 用于收集深海和淺水熱液噴口的流體樣品, 且已通過(guò)在淺水熱液噴口現(xiàn)場(chǎng)的初步試驗(yàn)掌握了該采樣器的性能(Wu, 2014b)。隨后, 研究提出了一種同時(shí)測(cè)定水樣中H2和CH4濃度的方法。該方法首先將水樣中的H2和CH4提取到注射器的頂空中, 然后注入氣相色譜系統(tǒng)。H2和CH4均被脈沖放電氦離子化檢測(cè)器檢測(cè)到。通過(guò)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間窗口將O2和N2從載氣流中切換出來(lái), 可以實(shí)現(xiàn)海水中CH4與O2和N2的分離, 且使用該方法已成功地測(cè)定了西南印度洋脊熱液柱水樣中H2和CH4的濃度(Wang, 2015)。

為了了解洋中脊硫化物堆積體的磁性及其磁性結(jié)構(gòu)特征, 研究建立了鎂鐵質(zhì)和超鎂鐵質(zhì)圍巖中硫化物堆積體的三維正演模型來(lái)模擬近底磁場(chǎng), 指出鎂鐵質(zhì)圍巖中硫化物堆積體上方存在低幅磁異常, 超鎂鐵質(zhì)圍巖中硫化物堆積體上方存在高幅磁異常, 可用于識(shí)別和分類硫化物堆積體的圍巖以及識(shí)別磁異常的邊緣?；诖? 提出了空間微分矢量強(qiáng)度法可作為確定硫化物堆積體邊界的有效方法(Wu, 2016a)。隨后, 提出了一種新的深海硫化物開(kāi)采設(shè)備, 分析了該設(shè)備在開(kāi)采過(guò)程中的工作機(jī)制, 并應(yīng)用仿真技術(shù)驗(yàn)證了該設(shè)備的適用性(Hu, 2016)。同時(shí), 研制了超高居里溫度(>800 °C)低燒結(jié)溫度Bi2(1-x)La2xWO6壓電材料, 可用于海底熱液噴口探測(cè)(Liao, 2016)。

發(fā)展了海底熱液柱探測(cè)技術(shù)。利用時(shí)間分辨粒子圖像測(cè)速儀(time-resolved particle image velocimetry, PIV)測(cè)量了長(zhǎng)時(shí)間線性分層海水中實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的湍流浮力水柱的瞬時(shí)二維速度矢量場(chǎng)。從PIV實(shí)測(cè)的時(shí)間序列流動(dòng)數(shù)據(jù)中, 定量分析了水柱平均流動(dòng)和湍流的特征(Zhang, 2017b)。隨后, 提出了一種模擬海底熱液噴發(fā)的新穎可視化實(shí)驗(yàn)裝置, 其主要由丙烯酸壓力容器和熱液流體注射器泵組成, 可360°地觀察模擬的流體噴發(fā)和熱液柱, 且通過(guò)理論計(jì)算和有限元分析, 論證了丙烯酸壓力容器材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。目前, 已在300 °C和12 MPa的高溫高壓條件下對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn), 且利用該裝置成功地進(jìn)行了熱液流體噴發(fā)實(shí)驗(yàn), 獲得了清晰的熱液柱圖像(Wu, 2018)。

發(fā)展了海底熱液硫化物開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。包括, 對(duì)海底硫化物樣品進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度(uniaxial compressive strength, UCS)和三軸抗壓強(qiáng)度(triaxial compressive strength, TCS)試驗(yàn), 獲得其關(guān)鍵力學(xué)性能數(shù)據(jù)資料, 包括黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度, 彈性模量和泊松比。然后, 利用PFC3D (particle flow code in three dimensions)程序, 進(jìn)行了單軸和三軸數(shù)值模擬。在此過(guò)程中, 通過(guò)校準(zhǔn)過(guò)程改變模擬中的微觀特性, 直到它們與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中測(cè)量的硫化物樣品的宏觀特性相匹配。最后, 利用該微觀特性對(duì)單截齒和相鄰兩截齒的切削過(guò)程進(jìn)行仿真, 并對(duì)短截齒破碎過(guò)程中的切削力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集, 這對(duì)短切采礦機(jī)的開(kāi)采模擬和截齒最大受力的預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義(Dai, 2019)。同時(shí), 由于海底硫化物的年齡是估算熱液堆積體規(guī)模的重要指標(biāo), 為此, 研制了海底硫化物樣品中鈾、釷同位素的提純和分離方法, 即將小于0.2 g的樣品, 稱重、溶解、加入229Th-233U-236U雙倍加標(biāo)溶液, 鐵共沉淀, 并在陰離子交換樹(shù)脂萃取柱上分離。采用該技術(shù), 分離出的鈾和釷組分可以滿足多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜(multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry, MC-ICPMS)的測(cè)量要求, 為了解海底硫化物的年齡提供了測(cè)試分析方法支撐(Wang, 2019b)。

為了對(duì)潛在的熱液活動(dòng)區(qū)實(shí)現(xiàn)低成本、針對(duì)性強(qiáng)、范圍廣的準(zhǔn)確預(yù)測(cè), 提出了一種基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的海底熱液活動(dòng)區(qū)預(yù)測(cè)方法。首先, 將來(lái)自于InterRidge噴口數(shù)據(jù)庫(kù)的熱液位置信息與Argo數(shù)據(jù)庫(kù)中的熱液溫度信息集成起來(lái), 構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)集。然后, 將小波分析與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合, 建立了一種小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法。最后, 將溫度和鹽度數(shù)據(jù)輸入小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 對(duì)海底熱液活動(dòng)區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用七次交叉驗(yàn)證對(duì)模型進(jìn)行了性能評(píng)價(jià), 預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到90.43%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 鹽度與熱液活動(dòng)區(qū)的存在無(wú)關(guān), 而與周圍水溫有很強(qiáng)的相關(guān)性。因此, 利用以海水溫度為輸入的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)海底熱液活動(dòng)區(qū)是有效可行的。雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不能完全替代傳統(tǒng)的熱液活動(dòng)調(diào)查技術(shù), 但它無(wú)疑可以提供針對(duì)性很強(qiáng)、有價(jià)值的參考(Liu, 2020b)。同時(shí), 研制了可采集多個(gè)深海氣密流體樣品的新型系列采樣器, 其由采樣閥和六個(gè)采樣氣缸組成, 可放置在載人潛器(human occupied vehicle, HOV)或遙控操作機(jī)器人(remote operated vehicle, ROV)上, 作業(yè)水深達(dá)7000 m, 實(shí)現(xiàn)每個(gè)氣缸可采集約160 mL的氣密性流體樣品, 同時(shí), 可將樣品保持在接近原位的壓力狀態(tài)下, 且該采樣器已在胡安德富卡洋脊和印度洋脊的熱液噴口處, 成功采集到了流體樣品(Wang, 2020c)。不僅如此, 針對(duì)海底塊狀硫化物(seafloor massive sulfide, SMS)堆積體越來(lái)越受到人們的關(guān)注, 已成為當(dāng)前海底礦產(chǎn)資源勘查的重點(diǎn)之一, 且一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何圈定SMS堆積體, 并估計(jì)其數(shù)量和質(zhì)量, 以便進(jìn)行資源評(píng)價(jià)及未來(lái)開(kāi)采。為此, 研制了一種固定的海洋可控源電磁法(controlled-source electromagnetic method, CSEM)進(jìn)行SMS勘探, 并通過(guò)針對(duì)海底淺部導(dǎo)電目標(biāo)的海洋CSEM測(cè)量數(shù)值模擬, 研究了沉積地層電各向異性的影響(Peng, 2020)。

4 未來(lái)展望及發(fā)展趨勢(shì)

在過(guò)去的10年, 通過(guò)開(kāi)發(fā)新的聲學(xué)濁度傳感器、熱液柱探測(cè)和原位光譜測(cè)量等海底熱液活動(dòng)調(diào)查方法和探測(cè)技術(shù), 調(diào)查了海底熱液活動(dòng)的地質(zhì)過(guò)程及其對(duì)資源和環(huán)境的影響, 從而推動(dòng)了對(duì)海底硫化物和含金屬沉積物資源潛力的認(rèn)識(shí)。包括建立了一個(gè)“兩階段、六過(guò)程”的海底熱液活動(dòng)調(diào)查研究模型, 發(fā)現(xiàn)唐印等一批新的海底熱液活動(dòng)區(qū), 分析了熱液產(chǎn)物, 特別是硫化物的物質(zhì)來(lái)源及其成礦的控制因素, 揭示了硫化物的形成過(guò)程, 建立了計(jì)算硫化物氦/熱比以值及同位素組成離散度和變化率的新方法, 為確定硫化物等熱液產(chǎn)物的成因提供了研究支撐。同時(shí), 拓展了將熱液區(qū)螺、蟹等生物作為地質(zhì)樣品, 揭示了其記錄的熱液活動(dòng)信息, 實(shí)現(xiàn)了熱液活動(dòng)如何影響海底地質(zhì)環(huán)境的多維解釋, 為保護(hù)海底熱液生態(tài)環(huán)境提供了研究支撐。不僅如此, 提出了海底熱液活動(dòng)、冷泉及天然氣水合物的同源異匯假說(shuō), 推動(dòng)了海底熱液地質(zhì)學(xué)的進(jìn)步(曾志剛, 2011, 2020; Zeng, 2020b)。

在此基礎(chǔ)上, 未來(lái), 將聚焦海底熱液活動(dòng)的深部過(guò)程及其資源環(huán)境效應(yīng)關(guān)鍵問(wèn)題, 發(fā)展海底熱液活動(dòng)探測(cè)、原位觀測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)技術(shù), 結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用, 拓展北極和南極及其鄰域的海底熱液活動(dòng)調(diào)查研究, 以海底熱液區(qū)的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成為重點(diǎn), 開(kāi)展系統(tǒng)的調(diào)查研究工作, 繪制海底熱液區(qū)深部地質(zhì)圖, 并圍繞熱液煙囪體、熱液丘狀體、熱液柱、含金屬沉積物、噴口流體以及熱液區(qū)生物等熱液產(chǎn)物, 明確海底熱液活動(dòng)的物質(zhì)、能量輸運(yùn)及其與環(huán)境的關(guān)系, 揭示大生物和細(xì)菌的元素富集特征及其成礦機(jī)理, 分析硫化物和含金屬沉積物等熱液產(chǎn)物的資源潛力, 將為了解海底熱液活動(dòng)在地球系統(tǒng)多圈層相互作用過(guò)程中的角色提供工作支撐, 無(wú)疑將推動(dòng)海底熱液地質(zhì)學(xué)研究取得新的進(jìn)展。

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PROGRESS AND PROSPECT IN CHINA IN RESEARCH TO SUBMARINE HYDROTHERMAL ACTIVITIES

ZENG Zhi-Gang1, 2, 3

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Investigation and study on submarine hydrothermal activity is one of the key tasks for deep-sea entry, deep-sea exploration, and deep-sea development. In the past 10 years, Chinese scientists have discovered several new submarine hydrothermal fields in the western Pacific, the Eastern Pacific Rise, the Mid-Atlantic Ridge, and the Indian Ridge, and carried out many investigations on hydrothermal products including sulfide, vent fluid, hydrothermal plume, and organism in hydrothermal fields. At present, Chinese scientists has established submarine hydrothermal geology, and they proposed a hypothesis that hydrothermal activity, cold spring, and gas hydrate are originated from a same methane source but situate in different methane sinks. Based on above researches, Chinese scientists have made many research achievements in this field, and published monographs of,,, and, etc. In the future, it is important to focus continuously on the sub-seafloor geologic process of hydrothermal activity and the key issues of its resource and environmental effects, to develop the detection technology of submarine hydrothermal activity, to reach out to the polar regions, and to carry out systematic projects on hydrothermal products such as chimney, hydrothermal plume, metalliferous sediment, vent fluid, and hydrothermal organism, which will undoubtedly promote new waves of development in submarine hydrothermal geology.

submarine hydrothermal activity; deep-sea research; exploration technology; research prospect

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 91958213號(hào); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng), XDB42020402號(hào); 全球變化與海氣相互作用專項(xiàng), GASI-GEOGE-02號(hào); 中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目, 133137KYSB20170003號(hào); 大洋“十三五”深海資源潛力評(píng)估項(xiàng)目, DY135-G2-1-02號(hào); 泰山學(xué)者工程專項(xiàng), ts201511061號(hào); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目, 2013CB429700號(hào)。曾志剛, 研究員, E-mail: zgzeng@qdio.ac.cn

2021-04-19,

2021-05-27

P736.4

10.11693/hyhz20210400097