西太平洋弧后盆地的熱液系統及其巖漿環境研究

曾志剛，張玉祥，陳祖興，李曉輝，齊海燕，王曉媛,5，陳帥,5，殷學博,5

1. 中國科學院海洋研究所，青島 266071

2. 中國科學院海洋地質與環境重點實驗室，青島 266071

3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，青島 266237

4. 中國科學院大學，北京 100049

5. 中國科學院海洋大科學研究中心，青島 266071

近23年的調查研究，使我們認識到分布于洋中脊、弧后盆地、島弧以及熱點等環境的海底熱液活動發育在多種圍巖類型之上，包括超基性巖石、基性巖石、中性巖石、酸性巖石和沉積物，且海底熱液流體循環受到了巖漿去氣作用、流體-巖石/沉積物相互作用和流體-海水混合等過程的影響，獲取了巖漿、巖石、海水和沉積物的物質貢獻，產生了高溫、低氧、高或低pH值、富含Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Hg、As等元素以及氣體組分（甲烷、氫等）的噴口流體，形成了熱液柱、硫化物、含金屬沉積物和蝕變巖石等熱液產物，并影響了海水、沉積、巖石和生物環境，從而組成了海底熱液系統[1]。同時，海底熱液噴口區的地質、物理及化學特征為了解海底熱液系統的形成和演化、確定海底熱液成礦物質來源和重建成礦過程提供了重要線索。為此，我們已先后對東太平洋海隆（East Pacific Rise, EPR）13°N附近的玄武巖和火山玻璃樣品、東海陸架邊緣玄武巖和沖繩海槽南端流紋巖中的角閃石進行了研究，揭示了EPR 13°N附近玄武質巖漿的演化過程，劃分了EPR 13°N附近玄武巖中斜長石微斑晶和玄武質玻璃邊緣的化學蝕變類型，明確了東海陸架邊緣玄武質巖漿形成過程中的溫度、壓力和氧逸度條件，揭示了沖繩海槽南端流紋巖中角閃石的結晶環境及成因，這對深入認識洋中脊和弧后盆地熱液活動期間的蝕變過程和化學交換，明確洋中脊、東海和沖繩海槽巖漿活動的形成、演化具有重要的意義，有助于了解大陸架與弧后盆地形成演化過程的內在聯系以及沖繩海槽南北差異的形成機制，評估全球洋殼蝕變過程中的整體地球化學收支情況，并可為海底熱液活動的物源體系及硫化物等熱液產物形成機理研究提供工作基礎[1]。

進一步，在海底熱液產物研究方面，進行了熱液流體中REE對海底熱液過程的示蹤分析，揭示了海水對EPR 13°N附近熱液硫化物中元素的改造情況，提出了兩種新的計算熱液柱溫度異常值的方法，建立了龜山島熱液區自然硫煙囪體的形成模式，并分別探討了大西洋TAG熱液區和沖繩海槽Jade熱液區中熱液硫化物以及龜山島熱液區自然硫煙囪體中REE、硫、鉛、鋨與稀有氣體的來源和演化，明確了沖繩海槽Jade熱液區硫化物的形成年代，認識到熱液柱顆粒物的快速沉淀導致了EPR 13°N附近Si-Fe-Mn羥基氧化物中的低REE含量和偏高的Mn含量，分析了EPR熱液硫化物的資源潛力。進而指出了EPR 13°N附近熱液Fe-羥基氧化物中元素富集的機理、海水和熱液柱的物質供給以及與其他海區Fe-羥基氧化物不同的原因，論證了PACMANUS熱液區中Si-Fe-Mn氧化物顯微結構的形成過程、Si-Fe-Mn羥基氧化物的成因以及Si-Mn質核和Si質核的形成過程及其與生物活動的關系，闡述了EPR 13°N附近熱液柱和沖繩海槽熱液活動對沉積作用的影響，以及含金屬沉積物中的物質組成及其元素賦存狀態和來源[1]。同時，取得了若干新認識，包括：① 明確噴口流體中Re和Os更傾向于進入Fe-Cu-硫化物礦物相中；② 高溫流體環境中沉淀的硫化物能夠保持原始熱液流體的He同位素組成，而低溫流體環境中沉淀的硫化物、硫酸鹽、蛋白石則不能；③ 相對較低的溫度（＜116 ℃）、氧化和酸性流體環境條件有利于形成自然硫煙囪體；④ “湯圓”形成模式是淺海熱液區自然硫球的主要形成機制；⑤ 提出海底熱液活動、冷泉及天然氣水合物的“同源異匯”假說。上述認識及假說為海底熱液地質過程及其資源環境效應研究提供了理論基礎[2]。進一步，將東太平洋海隆作為地球系統的窗口，從分析熱液硫化物和玄武巖的礦物、元素和同位素組成，揭示蝕變玄武巖中礦物的化學組成變化，闡述海底熱液活動對水體和沉積環境的影響狀況，剖析海底熱液循環系統及其成礦模式，以及構建Fe-羥基氧化物成因模式等多個角度展示了東太平洋海隆熱液地質的研究進展，為了解以流體為橋梁的跨圈層動力過程與物質能量循環這一重大科學問題，服務于東太平洋海隆硫化物資源調查、環境保護等重大需求提供了研究支撐[3]。

總之，了解弧后盆地、島弧和洋中脊熱液區中熱液系統及其硫化物等熱液產物的化學組成特征及其巖漿環境，對于深入研究深、淺海熱液活動的演化規律、流體循環以及陸上古代類似礦床和全球現代熱液成礦作用均具有重要的意義，也有助于更深入地認識熱液硫化物的成因以及海底熱液系統中微生物與金屬元素相互作用的過程[1]。

1 西太平洋俯沖體系中熱液系統及其巖漿環境研究的意義與現狀

1.1 研究意義

俯沖帶是地表圈層與地球深部圈層之間進行化學交換和物質遷移的主要場所[4-10]。一方面，大洋板片及其上覆沉積物保存了與海洋、大氣和大陸相互作用的地球化學記錄，這些物質通過俯沖帶向地幔輸送，控制著地球深部的元素、同位素及揮發份組成特征與變化規律[4]，另一方面，島弧和弧后盆地的巖漿活動與熱液活動是地球深部物質向地表輸出的重要窗口[11]。西太平洋是全球最著名的匯聚板塊邊緣之一，發育有獨特的溝-弧-盆構造體系和弧后盆地熱液系統，其中琉球俯沖帶（洋-陸俯沖）和馬里亞納俯沖帶（洋-洋俯沖）巖漿、熱液活動頻繁，蘊藏豐富的硫化物資源，是國家調查海底戰略性資源的重要區域之一，也是研究俯沖系統中流固界面跨圈層物質和能量循環的天然實驗室。厘清琉球俯沖帶和馬里亞納俯沖帶中各成分端元對巖漿的物質貢獻，認識揮發份及金屬元素在俯沖板片脫水、巖漿演化及海底熱液過程中的行為，闡明金屬元素在俯沖帶巖漿和熱液硫化物中的富集規律，從而揭示板塊俯沖、巖漿作用與熱液活動之間的聯系和相互作用方式，將有助于深入認識西太平洋俯沖體系地表圈層與地球深部圈層的關聯機制，對于理解西太平洋俯沖體系的物質循環具有十分重要的意義。

1.2 國內外研究現狀

（1）俯沖系統對巖漿系統的物質貢獻研究

經過幾十年的研究，科學家對俯沖系統中的物質循環已經有了基本的認識：在俯沖帶，俯沖板片攜帶沉積物等進入地幔楔，并隨著溫度和壓力的升高而發生脫水、熔融，進一步，俯沖流體、熔體交代地幔，誘發巖漿活動[4-10]，且受俯沖組分的影響，島弧和弧后盆地巖漿往往富含大離子親石元素（K、Rb、Th、Ba、U等）和揮發份（H2O、CO2、SO2、F、Cl等），同時，放射性成因同位素也表現出富集的特征[11-19]。隨著分析測試技術的進步，一些新型的非傳統同位素（如B、Li、Tl、Ba、Cl、Fe、Mg、Mo等）被應用到俯沖組分的示蹤研究中[20-27]，進一步明晰了俯沖組分對俯沖帶巖漿活動的影響機制。近年來，一些學者針對俯沖沉積組分進入地幔的方式提出了新的觀點，他們認為俯沖的沉積物并沒有發生熔融，而是與俯沖板片、地幔巖石發生機械混合形成混雜巖（mélange），然后通過底辟作用進入地幔楔[28-29]，這種觀點也得到了島弧火山巖地球化學[30]和實驗巖石學研究[31-32]的支持。

馬里亞納俯沖帶和琉球俯沖帶是西太平洋“洋-洋俯沖”和“洋-陸俯沖”體系的典型代表。研究表明，馬里亞納島弧及海槽玄武巖與洋中脊玄武巖（MORB）具有相似的組成特征，且受俯沖組分的影響，其具有較高含量的大離子親石元素和揮發份組成[14,17,33]。另一方面，Nd-Hf同位素體系指示馬里亞納俯沖帶下部地幔具有印度洋型地幔的特征[34]，受俯沖沉積物的影響最為明顯[35-36]。此外，蛇紋巖、蝕變洋殼和沉積物孔隙流體對該區域巖漿的揮發份組成也有重要貢獻[37-39]。不僅如此，琉球島弧-沖繩海槽靠近亞洲大陸，俯沖組分更加復雜多樣，受其影響，下部地幔呈現多個地幔端元的混合特征，虧損地幔端元包括太平洋型（N-MORB型）地幔[40]和印度洋型地幔[41]；富集地幔端元包括OIB型EMORB[42]、EM1和EM2型富集地幔[40,43-44]。隨著沖繩海槽的擴張，其下部地幔逐漸向N-MORB型地幔演化[40,44]。同時，微量元素及同位素（Sr、Nd、Pb、Li、Tl等）地球化學研究表明，沖繩海槽南部地幔比中部地幔受到了更多俯沖組分的貢獻[43,45]。

（2）俯沖帶巖漿與熱液硫化物中揮發份研究

俯沖帶島弧火山巖比洋中脊和洋島火山巖更富集H2O、S、Cl、Br和I等揮發份，這些元素在板片脫水或者熔融過程中被釋放出來，反映了板片來源流體對原始熔體成分的貢獻[46-48]。島弧巖漿具有高S特征，表明島弧區域較高的氧逸度提升了熔體攜帶溶解性硫酸鹽的能力[49]。弧后盆地火山巖同樣具有較高的Cl和H2O含量，則可能與板片來源流體交代地幔楔有關[48,50-51]。此外，地幔中超過90%的非放射性稀有氣體（Ar、Kr、Xe）和大多數鹵素（F、Cl、Br、I）也來自于俯沖作用[52-53]，可用于揭示俯沖帶揮發份進入地幔楔的過程及行為[52-57]。同時，海底蛇紋石化過程使蛇紋巖比橄欖巖更富集Cl、S[58-59]和F[60]，且在俯沖過程中，蛇紋石化的大洋巖石圈釋放的流體導致了F、Cl和S從板片內轉移至島弧 巖漿中[22, 46, 60]。

不僅如此，海底硫化物中鹵族元素的含量及比值（Br/Cl、I/Br、I/Cl）也可以用來區分地幔來源物質和海水來源物質對熱液流體的影響[61]，同時稀有氣體的研究可以為流體來源、流體通量變化以及海底熱液過程的研究提供信息[19,62]。目前俯沖帶區域海底硫化物中稀有氣體的研究主要集中在沖繩海槽Jade熱液區[63-65]、北斐濟海盆熱液區[63]和馬努斯海盆的PACMANUS熱液區[66]。研究表明熱液區內硫化物的3He/4He比值與熱液噴口流體和MORB的值接近，硫化物內的He可能主要來自于熱液系統下部 的 巖 漿[63,65,67]，且 流 體 包 裹 體 記 錄 了 原 始 熱 液 流體的He同位素組成[67]。此外，沖繩海槽Jade熱液區和北斐濟海盆熱液區中硫化物的流體包裹體內稀有氣體Ne、Ar、Kr、Xe的含量表明，其重稀有氣體主要來自于周圍的海水[65,67]，且PACMANUS熱液區硫化物中流體包裹體的氬同位素組成（40Ar/36Ar，295～310）[66]接近于大氣成分（298.56）[68-69]。

（3）金屬元素在巖漿演化過程中的行為研究

目前，對俯沖帶巖漿中金屬元素性質的研究，多集中于Pb、Cu、Au、Ag和Re。結果顯示，Pb在俯沖板片脫水過程中具有較強活動性且在巖漿演化過程中表現出強不相容性，因此，馬里亞納與琉球俯沖系統中玄武巖比洋中脊玄武巖富集Pb[45,70-72]，且演化程度高的流紋巖中Pb含量更高[73-74]。而Cu、Au和Ag在俯沖帶巖漿演化的早期均表現為中度不相容性，但其性質受氧逸度的影響較大[75-77]，如在東馬努斯海盆Pual Ridge和勞海盆西北部，當巖漿演化到一定階段時（如Mg#值約40；MgO的含量約7 wt.%），其Cu-Au-Ag含量急劇下降，這是由于磁鐵礦的分離結晶將硫酸根（SO42-）還原為硫離子（S2-），引起巖漿中氧逸度條件發生改變，造成硫化物飽和沉淀，從而導致巖漿中Cu、Au、Ag含量的降低[78]。與此不同，勞海盆Valu Fa Ridge巖漿中Cu的含量隨著巖漿演化持續降低，主要受控于原始巖漿的氧逸度條件[79]。Re通常比Au、Cu等元素更親石，尤其在氧逸度較高的島弧巖漿中，其行為主要受巖漿過程的控制。此外，Re在未去氣的島弧火山巖樣品中的含量遠高于陸相噴發的巖石，顯示其具有強烈的揮發性[80-81]。

（4）巖漿活動對熱液系統的物質貢獻研究

早期的研究主要認為，海水沿裂隙下滲，被不斷加熱并從基底巖石中淋濾金屬元素，為熱液系統提供物質[82-84]。近年來，國內外學者通過巖漿熔體包裹體及同位素示蹤等研究表明，巖漿去氣/出溶過程能夠產生富金屬元素和揮發份的不混溶熱液流體，從而向熱液系統直接提供物質[85-88]。馬里亞納海槽硫化物中的S同位素組成也反映出存在巖漿硫的貢獻[89-90]；進一步，弧后擴張中心軸部熱液區的流體具有與洋中脊玄武巖相似的He-C同位素組成，且富含堿性元素（如K、Rb和Cs），這均表明熱液區玄武質巖漿對熱液系統可能存在物質貢獻[91]。此外，沖繩海槽中硫化物的REE和S-Sr-Nd-Pb-He同位素組成，不僅表明長英質火山巖和深部地幔等是其主要物源[64-65,92-99]，其硫化物具較高的He和C同位素組成、熱液蝕變巖的高δ18O組成（2.3‰～14.7‰）、而且初始熱液流體的δ18O組成與巖漿流體相似、以及高溫（330～392 ℃）和高鹽度（6.7%～7.5%）流體包裹體發育等證據，均表明長英質巖漿對沖繩海槽熱液系統可能存在物質貢獻[63,65,91-101]。

盡管如此，圍繞西太平洋俯沖物質循環研究國際上仍存在一些亟待解決的問題，例如，在俯沖系統對巖漿系統物質貢獻方面，我們仍不明確俯沖組分進入地幔楔的方式和控制機制；在陸緣俯沖帶（如琉球俯沖帶），則難以完全區分俯沖組分貢獻與地殼混染對巖漿成分的影響。在俯沖帶揮發份研究方面，尚不清楚稀有氣體和鹵族元素在板片脫水過程中的地球化學行為。在俯沖帶巖漿中金屬元素行為的研究方面，不了解金屬元素（Zn、Cu、Au、Ag等）在“洋-洋”和“洋-陸”俯沖過程中的活動性，不清楚巖漿演化過程中分離結晶、同化混染等地質作用以及氧逸度條件變化對巖漿中金屬元素遷移與富集的影響。在俯沖帶巖漿活動與熱液活動關系方面，仍不清楚巖漿活動對熱液系統的物質貢獻方式。無疑，這些問題的解決將有助于深入認識西太平洋俯沖系統熱液活動和巖漿作用的跨圈層物質交換過程。

為此，我們開展了沖繩海槽熱液系統的巖漿環境、馬努斯海盆熱液柱以及洋中脊和弧后盆地中硫化物和玄武巖的同位素組成研究。

2 沖繩海槽熱液系統的巖漿環境

2.1 海底熱液區的巖漿混合過程及時間尺度研究

對采自沖繩海槽熱液區附近的英安巖及其基性巖漿包體內的斜長石進行了詳細的礦物學及微區主量元素、微量元素和Sr同位素組成分析。結果顯示，英安巖中斜長石斑晶表現出明顯的成分環帶，即核部具有高An值和高Sr/Ba比值，邊部具有低An值和低Sr/Ba比值，且從核部到邊部An值與Sr/Ba比值驟降。不僅如此，斜長石斑晶邊部具有低Sr/Ba比值且87Sr/86Sr比值與英安巖全巖的Sr同位素組成相似，則表明斜長石邊部是在寄主英安質巖漿中結晶的[102]。相比之下，斜長石核部的Sr同位素組成具有兩種類型：一種是富集放射性成因Sr同位素組成（87Sr/86Sr=0.70724～0.70791）；另一種具有非放射性成因Sr同位素組成（87Sr/86Sr=0.70535～0.70595），且這兩種類型斜長石的核均具有高An值和高Sr/Ba比值的特征[102]。此外，斜長石核部具高Ca/Na比值及其平衡熔體高Sr含量均表明它們與寄主英安質巖漿不平衡，且來自于深部不同的鐵鎂質巖漿系統，被上升巖漿夾帶進入淺層巖漿房[102]。

進一步，使用Mg元素在斜長石中的擴散速率結 合 擴 散 方 程（菲 克 第 二 定 律；?C/?t=D（?2C）/（?X2）），利用有限差分的數值方法模擬計算出鈣質斜長石核部進入淺層巖漿房后經歷了很長的滯留時間（可達600年），這說明熱液區淺部巖漿房具較長的持續時間。同時，包體和寄主英安巖中斜長石不同的Sr同位素組成，尤其是其鈦磁鐵礦成分的顯著差異（鈦磁鐵礦晶體內陽離子擴散速率快，易達到擴散平衡），則反映了基性巖漿注入淺層巖漿房中形成包體到巖漿噴發必須發生在很短的時間內（幾十天），從而抑制了包體與寄主英安巖發生完全化學平衡。因此，基性巖漿的注入很可能觸發了英安質巖漿的噴發，且熱液區酸性巖漿中具有復雜的、開放體系結晶歷史的礦物組合，幔源基性巖漿注入淺層酸性巖漿房內，隨后進行的巖漿混合作用，則是控制巖漿化學成分和礦物結構多樣性的重要過程且是巖漿噴發的主要誘因[102]。

2.2 海底熱液區巖漿活動對熱液系統的物質貢獻研究

研究西太平洋弧后盆地熱液區附近巖漿中硫化物飽和及溶解機制，有助于理解俯沖帶巖漿活動對熱液系統的物質貢獻方式[103]。研究發現，在沖繩海槽南部八重山地塹熱液區附近的玄武安山巖中存在巖漿硫化物飽和及溶解現象，且通過全巖地球化學和礦物化學的研究，明晰了硫化物飽和時巖漿房的深度以及寄主巖漿的溫度、氧逸度、含水量和S含量等特征，揭示了巖漿分異過程中熔體的S含量增加以及溫度降低、熔體成分變化導致硫化物飽和時所需S含量的降低共同驅使玄武安山質巖漿中硫化物飽和，而巖漿上升噴發過程中的揮發份（H2O、S等）去氣/出溶作用則導致巖漿攜帶的硫化物發生溶解。同時，由于巖漿中硫化物作為親銅元素最主要的寄主礦物，該溶解過程將促使Cu重新進入熔體中，并再分配進入出溶的巖漿流體，從而形成富金屬元素的巖漿流體，并在噴發去氣過程中直接釋放進入海洋中[103]。進一步研究表明，由于巖漿硫化物密度較大，大部分巖漿硫化物不能被上升巖漿攜帶而沉入巖漿房底部，此過程亦可實現親銅元素的預富集。后期其他巖漿過程，如氧化性基性巖漿注入巖漿房，導致硫化物氧化溶解，可實現親銅元素再活化，而巖漿噴發前的去氣作用則將該富金屬元素的巖漿流體直接貢獻于巖漿房上覆的熱液系統中[103]。

2.3 巖漿房持續的時間：礦物內元素擴散年代學研究

巖漿房持續的時間尺度對認識巖漿房的穩定性、評估活動火山的活躍程度具有重要意義。擴散計時法將具有元素濃度梯度的礦物作為計時器，加之，由于礦物中的元素擴散再平衡過程符合菲克第二定律，與時間有關，從而可以限定巖漿作用過程的時間尺度，進而指示巖漿房持續的時間。該方法目前已廣泛應用于不同的火山巖礦物，如橄欖石和輝石中Fe-Mg元素擴散、斜長石中Mg元素擴散、石英中Ti元素擴散以及鋯石中Li元素擴散等，可以記錄持續數小時至幾百萬年的巖漿過程。未來，隨著原位分析測試技術的不斷發展，與巖漿作用有關的擴散系數，其可用性和精度的增加，以及擴散模型的完善將極大地推動礦物內元素擴散年代學的發展[104]。

2.4 獲得沖繩海槽熱液區玄武質巖漿來源新證據

橄欖巖源區和輝石巖源區是產生玄武質巖漿的兩個重要源區。由于Ni、Ca、Mn等元素在巖漿源區不同礦物內分配系數的差異，使得橄欖石的地球化學成分可以很好地用于鑒別橄欖巖源區和輝石巖源區在玄武質巖漿產生時的貢獻程度。近年來研究表明，洋島玄武巖（OIB）和大火成巖省（LIP）火山巖的產生具有較大源區輝石巖熔融的貢獻。然而，由于缺乏高精度橄欖石成分分析，在俯沖帶區域及其海底熱液活動區關于玄武質巖漿來源的研究較少，且僅有的少量工作集中在堪察加半島、中墨西哥火山帶、中美洲及安第斯南部火山帶等區域[105]。

為了更進一步認識俯沖帶區域及其海底熱液區中火山巖的巖漿源區特征，對采自沖繩海槽熱液區火山巖中橄欖石的地球化學分析顯示，該區橄欖石具有較低的Ni、Ca含量及Fe/Mn比值，較高的Mn和Mn/Zn比值，除Ca含量外，其余特征與橄欖巖源區相似，低Ca含量落入了輝石巖源區范圍。研究發現，俯沖帶海底熱液區火山巖中橄欖石的Ca含量普遍低于洋中脊玄武巖（MORB），這種特征可能由于俯沖帶海底熱液區巖漿的高H2O含量降低了Ca在橄欖石內的分配系數，這與弧后盆地橄欖石內熔體包裹體的高H2O含量特征相一致。此外，氧同位素分析結果顯示在玄武質安山巖和安山巖中均存在低δ18O值（＜5‰）的橄欖石。低δ18O值的橄欖石在全球范圍內分布較少，通常受到高溫熱液蝕變的影響，在巖漿形成過程中具有重要的指示意義。我們通過對低δ18O值橄欖石的產出特征及其地質背景進行分析，認為低δ18O值的橄欖石不是來自于高溫熱液蝕變的下洋殼部分熔融，而是同化了高溫熱液蝕變具低δ18O值的陸殼圍巖，這證明了陸殼同化混染在巖漿產生過程中具有重要意義。與低δ18O值的橄欖石相反，沖繩海槽熱液區的火山巖普遍具高δ18O值的特征（＞6‰），這可能是巖漿演化后期淋濾了具高δ18O值的陸源物質或發生了低溫熱液蝕變的結果。詳細的橄欖石元素及氧同位素組成分析首次確認了沖繩海槽熱液區內具低δ18O值巖漿的存在，打破了火山巖全巖研究的局限，明確了具低δ18O值的巖漿在沖繩海槽火山巖演化過程中的重要貢獻，從橄欖石的新角度辨別出陸殼混染對沖繩海槽熱液區火山巖的產生具有重要影響[105]。

2.5 透視沖繩海槽熱液區深部巖漿房及巖漿演化過程研究

俯沖帶巖漿活動是海底熱液地質學研究的熱點問題之一，由于俯沖洋殼、俯沖沉積物等物質的影響，俯沖帶火山巖往往成分多樣，成因復雜。弧后盆地作為重要的俯沖構造單元，其海底熱液區火山巖的研究可為進一步明確俯沖帶巖漿作用過程提供幫助。傳統火山巖全巖的研究由于受到后期巖漿演化及蝕變作用的影響而不能很好地刻畫巖漿演化過程。單斜輝石是巖漿演化過程中的早期結晶礦物，可存在于巖漿演化的大部分階段，且不同結構環帶、元素組成的單斜輝石具有不同的成因。因此，火山巖中單斜輝石可以保存巖漿房物理化學狀態及其巖漿演化過程信息，指示多期巖漿充填或混合現象，是研究巖漿組成、演化及運移的理想工具[106]。

為此，對采自沖繩海槽熱液區的玄武巖、安山巖、粗安巖和流紋巖內單斜輝石進行了詳細的巖相學及礦物學研究，并分析了其主量和微量元素地球化學特征。根據環帶結構、主量元素及稀土元素組成特征可將不同火山巖中的單斜輝石分為多種類型。其中，玄武巖中類型1的單斜輝石與粗安巖中類型1的單斜輝石在地球化學特征上具相似性，表現出虧損LREEs和無明顯Eu異常；玄武巖中類型2的單斜輝石與安山巖及粗安巖中類型2的單斜輝石在地球化學特征上具有相似性，表現出虧損LREEs及明顯Eu負異常。進一步，通過對單斜輝石的微量元素模擬發現，不同巖性中的單斜輝石可以通過玄武質巖漿發生單斜輝石+斜長石±斜方輝石±副礦物的分離結晶獲得。此外，在安山巖中存在與玄武巖中單斜輝石成分相似的環帶，表明了同源巖漿的充填和混合在不同巖性單斜輝石中普遍存在。同時，根據單斜輝石與熔體間元素分配系數獲得了基性巖中單斜輝石的平衡熔體成分。進一步，通過對平衡熔體的成分模擬，顯示源區巖漿受到明顯的俯沖沉積組分的影響，且俯沖熔體的影響強于俯沖流體。其中，首次單斜輝石的詳細研究突破了全巖成分對巖漿信息刻畫的局限，對明確海底熱液區巖漿成分、分析火山巖成因具有重要意義，且基性-中性-酸性巖中系統的單斜輝石研究明確了分離結晶及同源巖漿混合對沖繩海槽熱液區內中酸性火山巖成因起著主導地位[106]。

2.6 熔體包裹體地球化學特征對沖繩海槽熱液區巖漿演化的指示

傳統火山巖全巖成分的研究往往反映的是經歷了復雜演化過程（巖漿混合、陸殼混染、蝕變等）后的“混合”熔體，很大程度消減了熔體的差異性并掩蓋了巖漿源區及演化過程的信息。相比較而言，火山巖中熔體包裹體因受寄主礦物保護，巖漿后期改造程度小，可提供巖漿演化的瞬時信息，是研究巖漿源區地幔屬性及巖漿演化過程的有力工具[107]。

為了明確沖繩海槽弧后盆地內的巖漿演化過程，對采自沖繩海槽熱液區火山巖中橄欖石的熔體包裹體進行了詳細的元素及同位素地球化學研究，發現相比較于寄主全巖，熔體包裹體表現出更大的元素及Pb同位素組成變化范圍。根據元素及Pb同位素組成特征可以將熔體包裹體分為兩種類型：低207Pb/206Pb值熔體包裹體和高207Pb/206Pb值熔體包裹體。其中低207Pb/206Pb值熔體包裹體的地球化學特征與全巖的類似，而高207Pb/206Pb值熔體包裹體具有明顯高K2O、P2O5、Rb、U含量，低Pb、Cu含量特征。通過對熔體包裹體數據的模擬計算顯示其巖漿地幔源區受MORB、來自下陸殼的EMI成分和來自沉積物的EMII成分不同程度的混合，且安山質火山巖主要來自于同源玄武質巖漿的分離結晶，同時受到了部分具有高207Pb/206Pb值，高K2O、P2O5、Rb、U，低Pb、Cu含量熔體的混合，表現出巖漿成分的不均一特征。熔體包裹體中與全巖成分不同的高207Pb/206Pb熔體的存在，表明巖漿演化過程中外來熔體很容易被全巖組分掩蓋，導致部分巖漿演化信息的丟失[107]，這突破了火山巖的全巖成分對巖漿演化信息刻畫的局限，且首次利用火山巖中熔體包裹體反演沖繩海槽熱液區巖漿的演化過程，對明確沖繩海槽熱液區中火山巖的成因、充分認識巖漿起源及演化過程具有重要意義。

2.7 弧后盆地熱液區的巖漿混合研究

雙峰式火山巖是一套以基性巖和酸性巖為主的巖石組合，關于缺少中性巖的原因，仍存在爭議。一種解釋是，存在大量中性巖漿，但是由于某些原因而未能噴出地表。另一種解釋是，中性巖可能是由玄武質巖漿與流紋質巖漿混合而成，因此形成較少。為此，將沖繩海槽中部熱液區的安山巖分為A、B、C三種類型，并對C類安山巖開展了詳細的礦物學研究，識別出三種截然不同的礦物組合：① 基性礦物組合，② 酸性礦物組合，③ 中性礦物組合。火山巖全巖的主量和微量元素、同位素組成及礦物結晶溫度模擬計算，均指示該類安山巖由沖繩海槽的玄武質巖漿和流紋質巖漿以4:6的比例混合而成。結合前人的資料，對B類安山巖進行混合模擬計算，也展示其為玄武巖-流紋巖混合成因，這說明巖漿混合作用在弧后盆地熱液區安山巖的成因上扮演了重要角色。此外，還發現沖繩海槽的一組流紋巖也明顯受到了巖漿混合的影響，反映巖漿混合作用普遍存在，這與沖繩海槽異常高的熱流值及活躍的海底熱液活動相耦合，指示巖漿活動對熱液活動起重要的控制作用[108]。

2.8 俯沖蛇紋巖對琉球俯沖帶南部巖漿活動的影響

蛇紋巖富含水、鹵素、稀有氣體及多種微量元素，是俯沖帶流體的重要來源，在全球地球化學循環中扮演著極為重要的角色。因此，厘清俯沖蛇紋巖對弧巖漿的物質貢獻，對于了解俯沖帶物質的遷移與循環具有重要的意義[109]。加之，硼（B）同位素是俯沖蛇紋巖的一種有效示蹤劑，為此，采用離子探針分析了沖繩海槽（琉球俯沖帶）南部八重山地塹、與那國地塹（弧后擴張中心）及伊良部海丘（現代島弧前緣）熱液區中玄武安山巖的B同位素組成和鹵素（F和Cl）含量，同時獲得了樣品的微量元素和Sr-Nd-Pb同位素組成。結果顯示，從弧后擴張中心到島弧前緣，玄武安山巖的B同位素逐漸變重，87Sr/86Sr比值逐漸增大，Cl/K、F/Nd比值及流體活動性元素與不活動元素比值逐漸升高，指示了俯沖流體輸入的增多。其中，伊良部海丘熱液區中玄武安山巖具有最重的B同位素組成（δ11B= +6.6‰ ±1.5‰），這只能由板片蛇紋巖中流體加入來解釋，表明了蛇紋巖是該俯沖帶流體的重要供給源。此外，該玄武安山巖樣品的Cl/K、F/Nd比值均與δ11B呈現良好的正相關關系，全球島弧火山巖也呈現出與其一致的變化趨勢，說明俯沖蛇紋巖對弧巖漿的鹵素通量也具有重要的貢獻[109]。

同時，伊良部海丘熱液區中火山巖的Sr同位素組成相比于其Nd同位素組成更加富集，在Sr-Nd同位素相關圖解上表現為數據點落在地幔與沉積物混合線的右側。這種Sr-Nd同位素解耦的特征在現代島弧火山巖中很常見，例如馬里亞納島弧、湯加島弧、南桑威奇島弧等。進一步，發現具有Sr-Nd同位素解耦特征的弧火山巖通常具有較重的B同位素組成，而它們所對應的弧后盆地樣品其Sr-Nd同位素組成無異常，B同位素也較輕。同時，混合模擬計算顯示，俯沖蛇紋巖的加入無法造成弧火山巖Sr同位素組成的異常富集，但蝕變洋殼可以，暗示了俯沖蛇紋巖和蝕變洋殼中的流體可能通常一起對弧巖漿的形成產生影響，這支持了地幔楔流體通道理論，即俯沖蛇紋巖流體并沒有廣泛交代地幔楔，而是經流體通道穿過地幔，到達弧巖漿源區[109]。

2.9 沖繩海槽地質構造對熱液系統的控制機理

海底熱液活動一直是當代海洋科學研究的重要前沿領域之一，了解地質構造對海底熱液活動的控制作用對于認識熱液系統的形成機理及尋找海底硫化物資源具有重要的指示意義。為此，在總結了沖繩海槽中部和南部地形與斷裂構造、地殼結構、重磁場、熱流及巖漿活動等方面的地質構造特征以及沖繩海槽熱液區分布和熱液產物基本特征的基礎上，通過對比沖繩海槽與馬努斯海盆、馬里亞納海槽、北斐濟海盆、勞海盆等基底和擴張階段不同的弧后盆地構造特征的差異，歸納了沖繩海槽地質構造的特殊性，包括過渡性地殼性質、低擴張程度、高熱流值、巨厚沉積層及雙峰式火山作用等。進一步研究發現沖繩海槽的熱液活動不僅受斷裂構造、巖漿活動、擴張速率等構造因素的控制，而且也受基巖類型和沉積物蓋層等地質條件的影響，且沖繩海槽中部和南部平行和垂直盆地走向的兩組斷裂帶為流體循環提供了通道，大規模的巖漿活動則為熱液系統提供了充足的熱量。此外，沖繩海槽內廣泛分布的酸性火山巖和較厚的沉積蓋層與流體相互作用，使得熱液產物富含有機質、二氧化碳以及Ag和Au等元素。根據沖繩海槽的擴張速率和地質構造特征，沖繩海槽中部和南部熱液活動的發生頻率整體上處在慢速擴張中心的范圍內，進一步，根據異常高的熱流值、發育的巖漿活動和斷裂構造等地質構造特征，推測沖繩海槽仍具有發現新熱液區的潛力，其中部和南部兩組斷裂交匯的部位、軸部火山、受海脊俯沖影響的區域以及靠近島弧一側的新火山帶是最有潛力發現新海底熱液活動的區域[110]。

3 馬努斯弧后盆地的熱液柱

熱液柱的組成不僅可以反映海底熱液流體的物理化學特征，而且還可以反映熱液區圍巖的組成、海底流體-巖石相互作用的條件以及熱液柱的擴散過程，且分析熱液柱的濁度、pH值、溶解鐵和溶解錳濃度數據，有助于了解熱液柱的空間分布和物質來源。為此，對2015年“科學”號MANUS航次獲得的18個站位的濁度和海流數據以及8個站位的水樣進行了分析。明確研究區熱液柱的特點是高濁度、高溶解鐵及高溶解錳濃度，在PACMANUS和Desmos熱液區中熱液柱橫向擴散至數百米，最大溶解錳濃度分別為0.533 μmol/kg和0.539 μmol/kg，最大溶解鐵濃度分別為0.058 μmol/kg和0.133 μmol/kg。其中，Satanic Mills熱液柱和Fenway熱液柱，分別從海底上升140 m和220 m。同時，在PACMANUS和Desmos熱液區觀察到熱液柱的濁度、溶解鐵和溶解錳濃度異常值均高于其他層位，且所有異常均表明存在高鐵和高錳流體的輸入。不僅如此，還發現PACMANUS熱液區中熱液柱的濁度、溶解鐵和溶解錳濃度均高于Desmos熱液區，說明流體中鐵和錳的濃度對PACMANUS熱液區中熱液柱的影響更大，且PACMANUS熱液區中的熱液柱比Desmos熱液區具更高的Cl、溶解鐵、溶解錳和更低SO42-含量。同時，距離熱液區近的熱液柱比距離熱液區遠的熱液柱更年輕。進一步，揭示了熱液柱的擴散受深度和底流流速的影響，且熱液柱擴散過程中溶解鐵濃度異常比溶解錳的維持時間更長。此外，需要強調的是，在熱液柱橫向擴散過程中，溶解鐵濃度異常的擴散速度比溶解錳的擴散速度慢，在PACMANUS熱液區中，Satanic Mills熱液柱和Fenway熱液柱在水深1625 m和1550 m有明顯的交叉，且混合熱液柱的擴散趨勢與海流相關，隨著擴散距離的增加，鐵和錳對熱液柱的影響減弱[111]。

4 弧后盆地和洋中脊熱液硫化物研究

海底火山巖與硫化物中的鐵、銅和鋅同位素組成研究為理解巖漿、熱液和蝕變過程提供了重要工具，有助于確定過渡金屬元素的來源和熱液活動對巖石環境的影響。為此，分析了西太平洋弧后盆地、東太平洋海隆和印度洋脊中玄武巖與硫化物的鐵、銅和鋅同位素組成[112]。

在此基礎上，明確了洋中脊玄武巖的δ56Fe和δ57Fe值高于海底熱液流體的值，而δ66Zn和δ68Zn值則相反，這表明流體-玄武巖相互作用優先將54Fe、66Zn和68Zn結合到流體中，導致了56Fe、57Fe和64Zn在蝕變玄武巖中的富集。大部分硫化物礦物的δ56Fe值（?1.96‰～+0.11‰）處于噴口流體的范圍內，但明顯低于弧后盆地和洋中脊玄武巖的值，說明硫化物中的Fe主要來源于噴口流體。黃銅礦的δ56Fe和δ57Fe值高于閃鋅礦和黃鐵礦的值，表明高溫硫化物礦物富集56Fe和57Fe，而中低溫硫化物則虧損56Fe和57Fe[112]。

此外，硫化物礦物的δ65Cu（?0.88‰～?0.16‰）和δ66Zn（?0.39‰～?0.03‰）值顯著低于弧后盆地和洋中脊玄武巖以及熱液區噴口流體，反映了63Cu和64Zn優先從流體中去除，并分別進入黃銅礦和閃鋅礦中。因此，噴口流體的注入及硫化物礦物的沉淀可導致熱液柱、海水和沉積物具相對較重的銅和鋅同位素組成[112]。

通過該項研究揭示了流體-巖石相互作用和流體與海水混合對弧后盆地和洋中脊硫化物中Fe-Cu-Zn同位素組成的影響，指出板塊俯沖將導致弧后盆地和島弧巖石具56Fe、57Fe和64Zn富集的特征，促進了海底熱液硫化物的元素和同位素地球化學研究，這將有助于我們更好地了解海底硫化物與其基底巖石之間的關系，以及鐵、銅、鋅在地幔、熱液、基底巖石和硫化物之間的遷移過程[112]。

5 發展趨勢

在西太平洋，利用熔體包裹體反演了巖漿的演化過程，對明確沖繩海槽熱液區中火山巖的成因、充分認識巖漿的起源及演化過程具有重要意義。進一步，詳細的橄欖石元素及同位素組成分析首次確認了弧后盆地熱液區中具低δ18O值巖漿的存在，打破了火山巖全巖成分研究對巖漿信息刻畫的局限，明確了具低δ18O值的巖漿在沖繩海槽熱液區火山巖演化過程中的重要貢獻，并從橄欖石角度辨別出陸殼混染對沖繩海槽熱液區中火山巖的產生具有重要影響。不僅如此，通過研究單斜輝石，對明確海底熱液區巖漿成分、分析火山巖的成因也具有重要意義。

未來，監測和了解海底熱液系統的物理結構、化學組成、地質過程和生物多樣性，將是海底熱液地質學研究的熱點和前沿[2]。同時，促進海底熱液活動探測技術和熱液產物測試方法的發展，加快對海底熱液區的巖石、噴口流體、熱液柱、硫化物、含金屬沉積物以及熱液循環、生物活動的持續觀測與研究[1]。特別是在已有調查工作基礎上，開展西太平洋弧后盆地的熱液系統及其巖漿環境研究，深入拓展海底熱液活動對水體、沉積和生態環境的影響機制研究，探討俯沖帶巖漿源區特征、俯沖組分以及地殼混染對巖漿成分的影響，研究巖漿演化過程及其對熱液系統的物質貢獻方式，并在驗證熱液活動、冷泉及天然氣水合物的“同源異匯”假說方面獲得新的進展，進而為海底硫化物和天然氣水合物資源的開發利用提供新的調查研究基礎，無疑也將為人類探知海底地質過程及生命活動、保護海底熱液環境和合理開發利用海底資源提供有力的工作支撐[2]。