我國海底熱液活動研究的階段性進展與展望*

曾志剛

我國海底熱液活動研究的階段性進展與展望*

曾志剛1, 2, 3

(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. 中國科學院大學 北京 100049)

海底熱液活動調查研究是深海進入、深海探測和深海開發的切入點之一。近十年來, 中國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, 發現了一批新的海底熱液活動區, 圍繞著熱液活動區的硫化物、流體、熱液柱、生物等熱液產物開展了調查研究, 構建了海底熱液地質學, 提出了熱液活動、冷泉及天然氣水合物的同源異匯假說, 出版了《海底熱液地質學》、《現代海底熱液硫化物成礦地質學》、《現代海底熱液活動》、《東太平洋海隆熱液地質》專著, 獲得了一批調查研究成果。未來, 聚焦海底熱液活動的深部過程及其資源環境效應關鍵問題, 發展海底熱液活動探測技術, 拓展極地海底熱液活動調查研究新領域, 圍繞煙囪體、熱液柱、含金屬沉積物、流體以及熱液區生物等熱液產物, 開展深入、系統的調查研究工作, 無疑將推動海底熱液地質學取得新的進展。

海底熱液活動; 深海研究; 探測技術; 未來發展

礦產資源是國民經濟的重要物質基礎, 是國家現代化建設和社會發展的重要戰略資源, 是主權國家綜合國力的基本構成。進入21世紀, 礦產資源的供需矛盾日益突出, 正對人類社會、經濟的可持續發展產生深刻影響。

海底熱液活動不僅是深海研究的切入點之一, 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6×108t, 既是智能手機、電動汽車等產業發展不可或缺的元素, 也是重要的海底戰略性關鍵礦產資源。同時, 我國因人口眾多也是一個銅、金等資源需求量極大的發展中國家, 掌握海底多金屬硫化物資源狀況, 無疑將是我國陸域礦產資源的重要補充和戰略接替。

要掌握海底多金屬硫化物資源狀況, 首先需要認識硫化物的成礦機理和分布規律, 然而探測海底熱液活動及其硫化物資源有難度, 有關它們的形成過程和流體條件等問題長期存在爭議, 更缺少對硫化物等熱液產物中元素賦存狀態及其來源的深入了解, 不清楚巖漿活動、流體-巖石相互作用、沉積物和海水等因素對硫化物的形成和保存的多重約束, 這嚴重制約了對海底硫化物形成條件、形成過程和資源潛力的認識。

為此, 開展海底熱液活動及其硫化物資源調查研究, 已成為國內外的共識及長期持續付諸實施的重要工作內容。目前, 一方面國際上正處于競相爭奪海底硫化物資源的局面, 西方國家、日韓及國際礦業公司對硫化物資源已呈壟斷態勢, 開采利用海底硫化物資源已不再是遙遠的夢。同時, 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, 圍繞海底熱液活動及其多金屬硫化物資源, 國外科學家已分別開展了熱液煙囪體的3維(3 dimension, 3D)可視模擬, 以及熱液產物的礦物、元素和同位素組成研究, 分析了煙囪體的生長階段、熱液柱的物質組成和生物活動的特征, 使用海底觀測網絡觀測了活動的海底熱液系統, 使用3D打印技術進行了煙囪體結構的重構等多方面的研究工作, 而我國對洋中脊, 特別是弧后盆地硫化物資源的分布規律及其資源量的了解相對薄弱。因此, 掌握海底硫化物資源狀況, 事關我國能否在海底礦產資源競爭中占有一席之地, 對增加我國戰略銅、金等資源儲備、維護國家海洋權益非常重要。另一方面, 持續長期開展此項工作, 有利于掌握海底熱液活動分布規律, 認識洋中脊和弧后盆地的構造、巖漿作用與熱液循環及其成礦的關系(Tao, 2020), 揭示海底熱液活動對海水、沉積和生態環境的影響狀況, 這將為了解流體作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, 占領深?？茖W研究制高點, 服務于海底硫化物資源調查、熱液生態環境保護等重大需求提供工作基礎(曾志剛, 2020)。

1 調查發現新的海底熱液活動區,研究其分布規律

在過去的十年, 我國已在西太平洋、東太平洋海隆、南大西洋洋中脊和印度洋脊發現了一批新的海底熱液活動及其硫化物分布區, 研究了海底熱液活動的分布規律及其成礦機理(李家彪, 2017; 欒錫武, 2017; 圖1)。其中, 自2007年以來, 中國共有4個大洋航次在西南印度洋脊進行了硫化物調查研究, 發現了8個熱液噴口。2008年DY115-20航次在西南印度洋脊, 用攝像拖體和電視抓斗發現了斷橋(Duanqiao)熱液區。2010年在西南印度洋脊, 用攝像拖體發現了玉皇山(Jade Emperor Mountain)熱液區。同時, 指出了在未來的硫化物調查中, 應著重研究西南印度洋脊硫化物成礦的控制因素、隱伏和非活動硫化物堆積體的找礦方法、硫化物資源評價方法以及近底的硫化物調查技術體系(Tao, 2014)。明確了中國在西南印度洋脊的合同區(47°—51°E)具最高的后驗概率值, 可選擇作為補充勘探的保留區, 并通過縮小勘探范圍, 提高勘探精度, 為海底熱液硫化物資源的勘探提供重點工作區域(Ren, 2016)。

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

2 海底熱液活動及其產物研究

2.1 硫化物等熱液產物研究

在調查發現新的海底熱液活動區, 研究其分布規律的基礎上, 中國學者已對印度洋脊、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物開展了分析工作(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物的結構、礦物和地球化學組成, 使用230Th/238U測年法對硫化物進行分析, 探討了表層含金屬沉積物中的礦物來源; 測量了硫化物、玄武巖和橄欖巖的物理性質(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測模型。其中, 在西南印度洋脊的49°39′E熱液區, 指出了該區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2.0和70.2 μg/g, 高于洋中脊大部分熱液區中塊狀硫化物的。同時, 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中硫化物的明顯不同, 其輕稀土元素富集, 呈弱或負Eu的異常, 這歸因于該區特殊的成礦環境或流體組成(Tao, 2011)。隨后, 在49.6°E的龍旂(Longqi)熱液區, 發現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基巖的影響, 闡述了巖石的物理性質如何有助于海底熱液區的地球物理勘探, 這對于深入開展熱液活動研究, 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, 中國學者揭示該區的熱液活動經歷了4個階段(68.9—84.3, 43.9—48.4, 25.3—34.8和0.7—17.3 ka), 煙囪體的平均生長速率小于0.02 mm/a, 且該區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, 證實該區的熱液活動至少具～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, 發現富鉛、砷、鎳、鋇、錳、鉬、鈾、釩的微細浸染狀他形硫化物形成于煙囪體壁生長的初期, 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, 且在煙囪體生長過程中, 熱液流體的化學組成發生了很大的變化。進一步, 證實煙囪體作為海底熱液活動的產物, 可以用來了解塊狀硫化物堆積體的形成過程及其記錄的流體演化(Yuan, 2018)。同時, 在龍旂和斷橋熱液區, 指出海底熱液成礦過程可分別分為3和2個階段。明確了龍旂和斷橋熱液區閃鋅礦中的細粒黃銅礦包裹體分別是由共沉淀機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域精煉過程(zone refining process)的結果, 龍旂熱液區的流體溫度可能比斷橋的高, 氧逸度和硫逸度值相對較低, 且與前者相比, 后者受圍巖成分的影響較大(Zhang, 2018a)。不僅如此, 還首次報道了斷橋和玉皇(Yuhuang)熱液區硫化物中汞(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在深海環境的一個重要匯, 且斷橋熱液區中硫化物的Hg主要來自巖漿/地幔Hg, 而玉皇熱液區中硫化物的Hg主要來自巖漿/地幔和海水Hg的混合物(Zhu, 2020a)。此外, 在49.6°E熱液區, 發現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化和熱液活動的產物, 且沉積物中的硫化物顆粒主要來自熱液柱(Zhang, 2020a)。

圖1 我國調查發現的海底熱液區(紅點)

表1 洋中脊與弧后盆地海底熱液產物的對比及其形成條件

Tab.1 Comparison and formation conditions of seafloor hydrothermal products

在中印度洋脊, 研究了Edmond熱液區熱液產物樣品中的Au和Ag。發現多個富鋅煙囪體碎片和以硬石膏為主的熱液產物樣品中, 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, 導致富鋅礦物沉淀后, 產生了二次Au富集。明確該熱液區長期的高溫熱液活動導致了熱液改造普遍存在, 并指出熱液產物產生后經歷的表生過程對早期形成的貴金屬的再活化和局部再富集非常重要, 可能是在重結晶塊狀硫化物和煙囪體碎片中形成相對粗粒自然Au或Ag的原因(Wu, 2016b), 以上研究有助于確定海底熱液產物中貴金屬分布的控制因素。隨后, 研究發現在水深約2 450 m, 以超鎂鐵質火成巖為圍巖的Kairei熱液區, 黃鐵礦中硒、碲和鉍含量的變化很可能受強烈的流體溫度梯度控制, 且超鎂鐵質熱液體系中的蛇紋石化作用對低砷黃鐵礦中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, 分布著四類熱液產物: (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(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特征, 分析了煙囪體中的有機質組成。其中, 在南大西洋洋中脊26°S熱液區, 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, 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源相同, 但其經歷了不同的遷移或富集過程。與其他熱液區的硫化物相比, 其具Zn含量明顯偏高, Cu含量相對偏低的特點, 這為了解成礦元素的富集規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, 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, 且大多數的GDGTs可能起源于原位的嗜熱細菌(Li, 2018a)。

在東太平洋海隆, 中國學者研究了9o—10oN洋脊段之間的L噴口煙囪體, 發現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物, 且煙囪體中硬石膏的稀土元素(rare earth element, REE)球粒隕石標準化配分模式, 呈現輕稀土元素(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路徑下方的含金屬沉積物中記錄了熱液柱的擴散過程。其中, 在胡安德富卡(Juan de Fuca)洋脊的Endeavour段的翼部, 熱液流體通過熱液柱對含金屬沉積物貢獻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源鋁、鈣和一些微量元素, 且活性鐵和錳在沉降過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, 為未來有關元素的歸宿及其在海洋收支的研究提供了有價值的啟示(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物。其中, 在Lau海盆的中國大洋協會探索(COMRA discovery expedition, CDE)熱液區, 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, 對該煙囪體進行了礦物學和地球化學分析, 建立了煙囪體的生長模型(Sun, 2012)。研究了Lau海盆瓦盧法脊熱液區中鐵硅氧化物的礦物學特征, 特別是分析了嗜中性鐵氧化細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成巖過程, 這為揭示前寒武紀BIF的沉淀和成巖機制提供了一個潛在的線索(Sun, 2013)。

在沖繩海槽, 為了認識其南部的熱液成礦環境及其物質來源, 研究了唐印熱液區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, 利用電子探針和LA-MC-ICP-MS (laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometer)分別測定了沖繩海槽Yonaguni IV熱液區中重晶石的元素含量和Sr同位素組成, 討論了熱液循環過程中流體與沉積物的相互作用及重晶石結晶的物理化學條件, 指出沉積物在熱液成礦過程中起著關鍵作用, 且沉積物組分在重晶石結晶和硫化物礦化之前進入了海底熱液系統(Zhang, 2020b)。

不僅如此, 中國學者還先后開展了硫化物等熱液產物的錸(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38個塊狀硫化物樣品的Re和Os含量及其同位素組成, 明確大多數硫化物的187Os/188Os比值, 其范圍很窄(1.004—1.209), 反映其Os來自于海水, 且在低溫(<200 °C)條件下富集。同時, 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, 估計現代海底硫化物堆積體含有約0.6—44 t的Re和1—48 kg的Os, 且全球低溫熱液流體的Os通量約為11 kg/a(Zeng, 2014)。進一步研究了中印度洋脊Edmond和Kairei熱液區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, 指出該區的富Cu硫化物與基性-超基性巖有關, 具較高的PGE含量(平均達8.98 ng/g)。在Edmond熱液區, 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晶緊密相關。在Kairei和Edmond熱液區, 硫化物中的Os同位素組成與現代海水的接近, 其可能是海水和熱液流體混合的結果(Wu, 2014a)。以上工作, 證實海底硫化物中Re和Os含量及其同位素組成的研究是理解熱液系統演化的一個重要工具, 可有效確定這兩種金屬元素的來源并重建其沉淀的物理化學條件。

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程, 確定海底硫化物沉淀的物理化學條件, 需要更好地了解硫化物中REE的來源、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, 通過研究硫化物中的REE組成, 表明全球海底熱液系統中的塊狀硫化物, 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和塊狀硫化物的礦物化學組成有關, 估計現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, 其可能會被流體和熱液柱搬運, 并結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和北斐濟弧后盆地不同熱液區27個硫化物、3個硫酸鹽和2個蛋白石礦物集合體樣品中的惰性氣體濃度和同位素組成, 證實低溫熱液流體在冷卻過程中失去了地幔氦(He), 且高(>7 Ra)、中(1—7 Ra)以及低(≈1 Ra)3He/4He比值樣品中的He分別主要來源于巖漿脫氣的地?；蜓髰u玄武巖(Ocean Island Basalt, OIB)地幔、成礦過程中熱液與海水的混合以及周圍的海水。依據He/熱的比值計算, 全球高溫熱液噴口的He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熱液活動提供(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分別來自于地幔和海水, 且部分的He通過Marion和Crozet熱點的活動可能來自下地幔(Wang, 2014)。隨后, 為了解中印度洋脊Edmond熱液區成礦流體的來源和性質, 研究了熱液產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, 證實其He來源于MORB與海水的混合物, 且硫化物中的Ar則主要來源于海水(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和北斐濟海盆不同熱液區中硫化物礦物的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主要來源于火成巖, 在海水與熱液流體混合過程中, 硫化物中所含海水來源S的比例較小(<36%)。與硫化物中S的混合來源不同, 硫化物的大多數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程控制, 且S和Pb同位素組成的變化與S和Pb的來源、流體-巖石相互作用和流體-海水混合有關(Zeng, 2015c)。此外, 在大西洋洋中脊15.2°S的熱液區, 也發現硫化物的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生了混合(Wang, 2018a)。隨后, 為了認識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熱液區的硫化物煙囪體, 證實煙囪體生長過程中存在海水來源S與巖漿-熱液流體來源S的混合(Meng, 2018)。此外, 研究了龜山島熱液區自然硫中的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對自然硫的貢獻很小(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化導致明顯的Fe同位素分餾, 明確了SMAR硫化物中的Fe主要來自玄武巖, 且在EPR由于硫化物的快速沉淀使鐵同位素產生動力分餾, 導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相對富集的特征, 且噴口流體的溫度、性質和礦物的沉淀過程顯著影響著硫化物的δ56Fe值。證實黃銅礦優先富集56Fe, 而閃鋅礦和黃鐵礦則富集54Fe(Li, 2017a)。此外, 報道了南大西洋洋中脊德音-1熱液區煙囪體壁的橫向上硫化物的Fe和S同位素組成, 發現煙囪體壁內黃鐵礦的δ34S和δ56Fe從外到內增加, 其可能與黃鐵礦和流體之間S和Fe同位素分餾的增強有關, 且煙囪體壁內Fe與S同位素的規律性和耦合變化有效地制約了硫化物的形成過程(Wang, 2020a), 這表明海底熱液煙囪體不僅是一種重要的金屬資源, 且對海洋化學平衡具有重要影響。

另一方面, 分析了SMAR(13°—15°S)熱液區中不同類型硫化物及其氧化產物的Zn同位素組成, 發現EPR(9°N、21°N)的熱液區和MAR的TAG(trans-Atlantic geotraverse)熱液區中硫化物樣品的Zn同位素組成一般都在其他洋中脊熱液區硫化物的Zn同位素組成變化范圍內, 且與其他熱液區硫化物的Zn同位素組成相比, 南大西洋洋中脊中的硫化物存在Zn同位素相對偏輕(平均δ66Zn=+0.39‰)的特點。證實富Zn硫化物對輕Zn同位素的明顯富集, 則是由于其在沉淀過程中Zn同位素發生動力分餾所致。此外, 硫化物及其氧化產物的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, 進一步制約了現代海洋中Zn同位素的循環(Li, 2018d), 這表明在海底熱液活動中發生了顯著的Zn同位素分餾。因此, 探討熱液和氧化過程對Zn同位素組成的影響, 將有助于更好地了解熱液循環及洋中脊硫化物的沉淀過程。

2.2 海底熱液流體研究

在海底熱液流體方面, 圍繞其CO2濃度的測定和物理性質、化學組成以及有機質的分析開展了研究。包括, 針對傳統的化學分析方法不能直接測定高溫熱液流體中溶解CO2的濃度, 研究建立了一種適合于熱液環境的原位拉曼定量測定流體中溶解CO2的方法(Li, 2018b)。隨后, 在沖繩海槽的Yokosuka熱液區觀察到溫度高達383.3 °C的微光水, 其存在過熱的蒸汽相, 屬于低密度的熱液流體, 且該低密度熱液流體的噴發對于海洋環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, 對沖繩海槽南部熱液噴口中出現的超臨界CO2進行了識別, 發現超臨界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, 這促進了對生命起源至關重要的氨基酸和其他有機物質的合成、預富集和保存(Zhang, 2020c)。

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

開展了臺灣東北部龜山島熱液區中流體的有機質組成分析。在2010年8月的兩次航行中, 從該熱液區的白色噴口和黃色噴口采集了水樣, 發現在白色噴口及其下方1 m處, 其流體在波長300 nm處的吸收系數(2.52±0.88 m–1), 遠高于背景值(0.34±0.12 m–1), 這表明海底熱液區的白色噴口流體是海水發色溶解有機物(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)以及類腐殖酸和類酪氨酸溶解有機物的來源(Yang, 2012)。進一步, 測定了沖繩海槽西南端龜山島熱液區中海水、安山巖、噴口流體和熱液柱樣品的硼濃度和硼同位素組成, 發現噴口流體和熱液柱中的硼主要來自海水, 很少來自安山巖, 這說明龜山島熱液區海底下流體與安山巖的相互作用持續時間較短, 熱液柱的硼濃度和硼同位素組成可以用來描述控制海水環境中熱液柱化學組成的擴散過程, 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, 研究指出, 在龜山島熱液區, 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和化學組成特征, 進行了熱液柱的計算模擬, 發展了用于海底熱液柱探測數據的校正方法, 并研究了海底熱液柱上升過程中顆粒物的運移和沉淀類型。包括, 基于拉格朗日粒子隨機游走算法(Lagrangian particle random walk algorithm), 提出了一種模擬深海熱液柱的計算模型。該模型展示了熱液柱的三維非浮力和浮力特征, 對以往用于示蹤熱液柱以及定位其源頭的技術方法提出了重大挑戰, 為評估和優化用于探測熱液柱的自主水下機器人(autonomous underwater vehicle, AUV), 提供了一個有力的工具(Tian, 2013)。隨后, 將便攜式微型自動熱液柱記錄儀(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數據質量的因素, 提出了一套可用于MAPR的數據校正方法, 包括儀器的位置校正、降噪處理、系統誤差消除和海水背景降低。在此基礎上, 將該校正方法應用于“大洋一號”DY115-21航次在加拉帕戈斯微板塊寶石山熱液區的調查, 為了解該區熱液活動的分布、證實新熱液噴口的存在提供了工作支撐(Chen, 2014)。

進一步, 研究證實了熱液柱的濁度、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的空間分布及其流體來源, 且靠近噴口流體源的熱液柱(被解釋為具有相對年輕的年齡)隨著時間的推移, 發生化學擴散, 并且其化學組成的濃度變得更類似于遠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特征, 進而揭示熱液系統的圍巖、海底面以下的流體反應條件和海水演變過程提供了研究支撐。同時, 研究了海底熱液柱上升過程中顆粒物的運移和沉淀類型, 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, 進一步提出了沉積位置隨沉降速度變化的預測公式(Lou, 2020)。

在2007年, 重訪了東南印度洋脊的K段, 并在CTD作業站位觀測到了一個水柱濁度異常。該站位位于1996年美國科學家探測到的熱液柱水體異常上, 計算其熱液柱的發生率約為0.28, 大于預測的65 mm/a擴張速率洋脊上熱液柱的發生率0.25(Wang, 2011)。隨后, 中國“大洋一號”DY115-19航次在西南印度洋脊巖漿活動強烈的擴張洋脊段處(37°47′S, 49°39′E), 發現了第一個海底熱液活動區。在此基礎上, 發現熱液柱中的顆粒物主要來源于噴口流體, 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絡合物和納米顆粒的存在, 其溶解相中的高鐵濃度可能會持續存在(Wang, 2012)。此外, 研究了西南印度洋脊熱液噴口區7個站位的水體懸浮顆粒樣品, 發現了29種不同形貌的閃鋅礦顆粒(Sun, 2014), 證實該熱液柱的顆粒物具有不尋常低的234Th, 進而開展了熱液柱中顆粒物動力學研究, 揭示了熱液柱中不同的顆粒物動力學特征, 并為了解全球大洋中碳和微量元素循環提供了研究支撐(Yang, 2016)。隨后, 明確了西南印度洋脊龍旂熱液區中同一熱液柱中Fe的物理分配和化學組成, 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, 中國學者利用粒子圖像測速技術對來自快速擴張的東太平洋海隆的V噴口和Biotransect噴口以及中快速擴張的胡安德富卡洋脊Endeavour段的Grotto丘和慢速擴張北大西洋洋中脊TAG區熱液柱的數字視頻圖像進行了定量分析, 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, 且觀測到的熱液柱振蕩周期具相對較窄的帶寬(0.5—5 s)(Zhang, 2019b)。同時, 研究了沖繩海槽中南部25個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性質, 且從沖繩海槽南部至中部, 黑潮對熱液柱的影響減小, 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, 這對于更好地理解生物地球化學循環和海底環境中元素的大規模分布至關重要(Zeng, 2018b)。

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

此外, 在龜山島熱液區的白色(24.83°N, 121.96°E)和黃色(24.83°N, 121.96°E)噴口附近, 研究了熱液柱四個深度的溫度、pH和Eh, 證實潮汐是影響環境的主要因素, 且由于退潮, 熱液柱主要由北向南擴散。從溫度擴散場上觀察到了熱液柱的旋渦, 指出Eh負異常是尋找熱液柱和確定流體噴口的較好指標(Han, 2014)。隨后, 研究了馬里亞納弧后擴張中心高溫、低溫噴口和擴散噴溢口上方熱液柱中Fe的形態和Fe結合配體的分布, 指出Fe結合配體可能來源于鄰近的擴散噴發流體, 也可能由熱液柱中的微生物產生(Wang, 2021)。同時, 首次研究了位于臺灣東南部潮間帶中綠島熱液區的熱液系統。與海水相比, 其噴口流體的Mg含量低, Cl和H+含量中等富集, 顯示該區的噴口流體來自低程度亞臨界相分離形成的鹵水相, 而噴泉流體則來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, 粗略計算其水和巖石比約為2 (Chen, 2020)。不僅如此, 綠島熱液系統略受半日潮、潮汐負荷和潮流的影響, 且潮汐與熱液系統響應之間的時間延遲約為3 h。2014年9月21日的臺風“鳳凰”導致淡水(約16%)侵入該區的噴口流體, 且臺風發生后, 流體的端元組成發生了相應的變化, 反映其反應區冷卻。臺風經過后, 熱液系統開始恢復, 表現為噴泉中流體的端員組成比例增加, 淡水貢獻減少, 且噴泉流體的端員通量估計為460—560 L/h (Chen, 2020)。

2.4 海底熱液活動的成礦作用研究

海底硫化物堆積體具有巨大的潛在經濟價值和良好的開發前景。在南大西洋洋中脊和卡德諾斷裂帶之間的內角交叉點, 進行了海底熱液活動的成礦作用研究, 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Ce異常共存, 表明該區的硫化物是海水和噴口流體混合后擴散排放的產物(Li, 2014)。隨后, 通過分析在南大西洋洋中脊周瑜-1和周瑜-2熱液區多年(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據, 進行了活動噴口區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, 通過硫化物的Zn同位素組成和元素比值研究, 分析了玉皇-1熱液區的Zn同位素分餾、成礦條件和成礦過程, 指出了該熱液區存在兩期的硫化物成礦作用(Liao, 2019)。

此外, 現代化能自養微生物的成礦作用被認為是地圈和生物圈之間的紐帶, 是生物科學和地質學的重要補充。研究現代海底熱液系統中的生物成礦作用, 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。隨著微電子技術和分子生物學技術的引入, 熱液生物成礦作用已成為近十年來地質生物學研究的熱點。在可預見的未來, 研究熱液生物成礦作用將繼續促進地球科學和生物科學的發展, 豐富我們對地球歷史、生命演化乃至天體生物學的認識(Zhang, 2019a)。

2.5 構建海底熱液地質學

構建了海底熱液地質學的框架, 包括厘定了海底熱液活動研究的基本概念, 劃分了海底熱液產物的類型, 將熱液活動及其產物的分布劃分為域、帶、亞帶、區和點五級, 建立了硫化物“兩階段六過程”調查模式, 在沖繩海槽, 發現新熱液活動區-唐印熱液區, 觀測到巨型海底硫化物丘狀體, 為我國海底硫化物資源調查、熱液成礦作用研究及建立深海熱液活動及硫化物資源調查研究基地等工作提供了支撐(曾志剛, 2011)。

2.6 研究海底熱液活動與生物活動的關系

對位于超慢速擴張西南印度洋脊上熱液煙囪體的宏基因組進行了熱測序, 以闡明相關的微生物硫循環。在硫氧化自養細菌中發現了幾種碳代謝途徑, 特別是開爾文循環(Calvin-Benson-Bassham, CBB)的途徑和固定CO2的還原性三羧酸循環, 明確了短鏈烷烴在硫循環中起著重要作用。闡明了微生物硫循環在維持超慢速擴張洋中脊熱液煙囪體中整個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煙囪體中微生物群落的特征(Cao, 2014), 證實了硫是維持熱液噴口微生物群落的重要元素, 且硫氧化在熱液區化能合成中具有重要的作用, 對硫酸鹽還原產生了影響。隨后, 研究了西南印度洋脊熱液柱中的微生物群落結構, 指出熱液柱中的微生物群落來源于周圍的海水, 而不是起源于熱液噴口(Li, 2016)。不僅如此, 還對來自Guaymas海盆的煙囪體樣品進行了整合的宏基因組和宏轉錄組學分析, 以實現對每個硫代謝途徑及其宿主微生物的全面研究, 并構建了發生在該區的微生物硫循環, 進而證實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, 特別是與油氣降解過程密切相關。這一結果不僅支持了熱液生態系統內部硫循環強度大、凈硫收支低的觀點(He, 2015), 也表明煙囪體中無機硫化合物是豐富的, 并通過化學合成途徑進行了積極的轉化, 且鑒于微生物硫循環的復雜性, 未來需對熱液噴口中的硫收支進行細致的刻畫及認識。進一步研究了現代海底熱液系統的物質循環和生物礦化, 指出鐵錳硅循環和無機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行模式, 且整個海洋演化過程中的熱液活動對于研究古物質循環和古環境重建均具有重要意義(Sun, 2016)。同時, 從東太平洋海隆熱液區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, 發現其真菌群落以子囊菌綱和擔子菌綱為主, 且煙囪體樣品中的真菌群落結構與硫化物樣品中的真菌群落結構不同, 這為深入了解深海熱液噴口生態系統中真菌的多樣性和豐富度提供了新的見解, 增加了對深海環境中真菌多樣性的認識和理解(Xu, 2017)。

在東北太平洋胡安德富卡洋脊的Main Endeavor熱液區, 中國學者不僅研究了硫化物和硫酸鹽煙囪體的結構、礦物和化學組成, 還分析了在煙囪體表面積聚的二次蝕變產物的超微結構, 發現其與鐵氧化細菌(FeOB)相關的超微結構豐富, 具有指示性的形態學特征, 且鐵氧化物種可能促進硫化物煙囪體的氧化風化, 并與鐵氧化、固氮、氨氧化和反硝化等一系列地球化學過程密切相關。最后, 通過對熱液煙囪體內微生物群落的研究, 可以推斷出從硫酸鹽煙囪體形成早期到成熟的硫化物結構, 再到最終蝕變的硫化物煙囪體的微生物群落演替規律, 微生物參與氧化風化過程和微生物演替發生在高溫熱液活動停止后的硫化物煙囪體中(Li, 2017c), 這使得我們對熱液硫化物煙囪體在海底經歷的氧化風化過程以及風化過程中相關的微生物群落結構及其演替有了更深入的認識。此外, 在進行熱液噴口區分離株(黃綠假交替單胞菌的亮氨酸氨基肽酶)的克隆與鑒定過程中, 證實乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)、蛋白酶抑制劑和Cu2+、Zn2+、Cd2+等金屬離子對重組表達胞外亮氨酸氨基肽酶(recombinant expressed extracellular enzyme leucine aminopeptidases, rPtLAP)有抑制作用, 且rPtLAP對熱液噴口中富集的Mn2+有較強的耐受性。此外, 胞外酶(extracellular enzyme leucine aminopeptidases, PtLAP)執行有機物的降解, 有助于微生物在深海環境中的適應性生存, 并可能在海洋生物地球化學循環中發揮重要作用(Zhang, 2018c)。同時, 從東太平洋海隆硫化物中分離到一株新的嗜壓、嗜熱、厭氧、發酵的梭狀芽孢桿菌屬鐵還原細菌, 命名為發酵厭氧桿菌DY22613T。研究了它的細胞生長、發酵代謝產物、生物礦化以及異化鐵還原, 明確發酵厭氧桿菌DY22613T在深海熱液沉積物中的潛在作用是將鐵還原和礦物轉化與生物分子的發酵耦合起來, 且這種細菌可能參與了深海熱液區復雜的生物地球化學鐵循環, 并有助于深入了解發酵厭氧桿菌DY22613T中異化鐵(III)還原的機制, 及其在深海熱液區鐵的生物地球化學循環中的作用(Li, 2019), 這表明異化鐵還原微生物在鐵的生物地球化學循環中起著重要作用, 且影響著鐵礦物的形成和轉化。隨后, 研究了微生物群落在熱液柱擴散路徑上的分布和演變, 并在西南印度洋脊的龍旂熱液區, 研究發現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群落為特征, 包括(超)嗜熱菌, 以及一些化能無機自養生物。相比之下, 在上升的浮力熱液柱和鄰近海水中, 大多數與噴口相關的微生物類群仍然存在, 但對群落組成的貢獻很小(Li, 2020a)。同時, 證實了深海熱液噴口處的擴散流體產生快速、劇烈的物理化學梯度, 其與噴口動物群的分布密切相關(Zhu, 2020b)。此外, 在臺灣東北部龜山島熱液區的酸性噴口流體附近生活著烏龜怪方蟹(), 發現其對金屬元素的積累是通過呼吸途徑而不是通過食物的吸收, 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標記法測定了龜山島熱液區熱液柱中光、暗溶解無機碳(dissolved inorganic carbon, DIC)的吸收速率, 指出隨著熱液柱擴散和混合的繼續, 化能自養活動開始上升, 并在Si(OH)4處于低到中等含量的熱液柱中達到峰值, 且在熱液柱的邊緣, 化能自養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, 在東太平洋海隆, 研究發現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, 原位觀測到與溶坑密切相關的類硫桿菌及其代謝產物, 證實了海底硫化物堆積體中存在著微生物對固體礦物的淋濾作用(Liu, 2020a)。進一步, 指出在海底熱液產物堆積體中所發現的不同數量的鐵和硫氧化微生物, 其在海底硫化物堆積體的風化作用中起著重要作用。同時, 將基因組解析的宏基因組學應用于東太平洋海隆9°—10°N熱液噴口區的硫化物煙囪體, 發現在流體正在活動的煙囪體(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生產者, 其通過還原性三羧酸(tricarboxylic acid cycle, rTCA)循環固定碳。相比之下, 流體停止活動的煙囪體(M-vent), 其微生物群主要由各種細菌門的異養菌組成, 包括Delta-/Beta-/Alphaproteobacteria和Bacteroidetes, 且Gammaprotobacteria被確定為主要的初級生產者, 其通過CBB利用硫化物的氧化和/或鐵的氧化以及硝酸鹽的還原來固定碳(Hou, 2020)。

3 發展了用于海底熱液活動及其硫化物調查研究的高新技術

中國學者先后發展了用于海底熱液活動及其硫化物等熱液產物調查研究的技術方法。包括, 設計了一種新型的、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400 °C的噴口流體處作業。在2008年的KNOX18RR航次, 該新型取樣閥已被應用于氣密取樣器上, 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, 證實了該新型取樣閥對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測量的聲學方法, 提出了兩種聲學信號傳播路徑的拋物線插值和彎曲補償技術, 提高了運行時間估計的精度。同時, 通過對不同平均值下溫度場計算結果的比較, 給出了最大絕對誤差、最大相對誤差和均方根誤差, 可以應用于海底熱液噴口周圍溫度場的準確測量(Cai, 2012)。進一步針對海底硫化物堆積體形成的地質復雜性和鉆孔取樣的有限性, 研究提出了一種穩健最小二乘支持向量機(robust weighted least square support vector machine, LS-SVM)回歸模型來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題, 并提出一種加權K近鄰(weighted K-neared neighbor, WKNN)算法對缺失值進行插值, 證實了穩健加權(robust weighted least square support vector machine, LS-SVM)算法性能優于其他方法, 且具有很強的預測能力和泛化能力(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行流體采集, 并在取樣時測量和顯示熱液流體的溫度, 既可在手動模式下工作, 通過外部信號控制, 也能在自動模式下根據溫度采集流體樣品, 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, 且已通過在淺水熱液噴口現場的初步試驗掌握了該采樣器的性能(Wu, 2014b)。隨后, 研究提出了一種同時測定水樣中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。H2和CH4均被脈沖放電氦離子化檢測器檢測到。通過在適當的時間窗口將O2和N2從載氣流中切換出來, 可以實現海水中CH4與O2和N2的分離, 且使用該方法已成功地測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構特征, 研究建立了鎂鐵質和超鎂鐵質圍巖中硫化物堆積體的三維正演模型來模擬近底磁場, 指出鎂鐵質圍巖中硫化物堆積體上方存在低幅磁異常, 超鎂鐵質圍巖中硫化物堆積體上方存在高幅磁異常, 可用于識別和分類硫化物堆積體的圍巖以及識別磁異常的邊緣?；诖? 提出了空間微分矢量強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采設備, 分析了該設備在開采過程中的工作機制, 并應用仿真技術驗證了該設備的適用性(Hu, 2016)。同時, 研制了超高居里溫度(>800 °C)低燒結溫度Bi2(1-x)La2xWO6壓電材料, 可用于海底熱液噴口探測(Liao, 2016)。

發展了海底熱液柱探測技術。利用時間分辨粒子圖像測速儀(time-resolved particle image velocimetry, PIV)測量了長時間線性分層海水中實驗室產生的湍流浮力水柱的瞬時二維速度矢量場。從PIV實測的時間序列流動數據中, 定量分析了水柱平均流動和湍流的特征(Zhang, 2017b)。隨后, 提出了一種模擬海底熱液噴發的新穎可視化實驗裝置, 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和熱液柱, 且通過理論計算和有限元分析, 論證了丙烯酸壓力容器材料選擇和結構設計的合理性。目前, 已在300 °C和12 MPa的高溫高壓條件下對該實驗裝置進行了試驗, 且利用該裝置成功地進行了熱液流體噴發實驗, 獲得了清晰的熱液柱圖像(Wu, 2018)。

發展了海底熱液硫化物開發利用技術。包括, 對海底硫化物樣品進行了單軸抗壓強度(uniaxial compressive strength, UCS)和三軸抗壓強度(triaxial compressive strength, TCS)試驗, 獲得其關鍵力學性能數據資料, 包括黏聚力、內摩擦角、抗壓強度和抗剪強度, 彈性模量和泊松比。然后, 利用PFC3D (particle flow code in three dimensions)程序, 進行了單軸和三軸數值模擬。在此過程中, 通過校準過程改變模擬中的微觀特性, 直到它們與實驗室測試中測量的硫化物樣品的宏觀特性相匹配。最后, 利用該微觀特性對單截齒和相鄰兩截齒的切削過程進行仿真, 并對短截齒破碎過程中的切削力進行了監測和數據采集, 這對短切采礦機的開采模擬和截齒最大受力的預測具有一定的指導意義(Dai, 2019)。同時, 由于海底硫化物的年齡是估算熱液堆積體規模的重要指標, 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雙倍加標溶液, 鐵共沉淀, 并在陰離子交換樹脂萃取柱上分離。采用該技術, 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譜(multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry, MC-ICPMS)的測量要求, 為了解海底硫化物的年齡提供了測試分析方法支撐(Wang, 2019b)。

為了對潛在的熱液活動區實現低成本、針對性強、范圍廣的準確預測, 提出了一種基于小波神經網絡的海底熱液活動區預測方法。首先, 將來自于InterRidge噴口數據庫的熱液位置信息與Argo數據庫中的熱液溫度信息集成起來, 構建了一個數據集。然后, 將小波分析與人工神經網絡相結合, 建立了一種小波神經網絡優化算法。最后, 將溫度和鹽度數據輸入小波神經網絡, 對海底熱液活動區進行預測。采用七次交叉驗證對模型進行了性能評價, 預測準確率達到90.43%。實驗結果表明, 鹽度與熱液活動區的存在無關, 而與周圍水溫有很強的相關性。因此, 利用以海水溫度為輸入的小波神經網絡模型預測海底熱液活動區是有效可行的。雖然人工神經網絡不能完全替代傳統的熱液活動調查技術, 但它無疑可以提供針對性很強、有價值的參考(Liu, 2020b)。同時, 研制了可采集多個深海氣密流體樣品的新型系列采樣器, 其由采樣閥和六個采樣氣缸組成, 可放置在載人潛器(human occupied vehicle, HOV)或遙控操作機器人(remote operated vehicle, ROV)上, 作業水深達7000 m, 實現每個氣缸可采集約160 mL的氣密性流體樣品, 同時, 可將樣品保持在接近原位的壓力狀態下, 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, 針對海底塊狀硫化物(seafloor massive sulfide, SMS)堆積體越來越受到人們的關注, 已成為當前海底礦產資源勘查的重點之一, 且一個關鍵的挑戰是如何圈定SMS堆積體, 并估計其數量和質量, 以便進行資源評價及未來開采。為此, 研制了一種固定的海洋可控源電磁法(controlled-source electromagnetic method, CSEM)進行SMS勘探, 并通過針對海底淺部導電目標的海洋CSEM測量數值模擬, 研究了沉積地層電各向異性的影響(Peng, 2020)。

4 未來展望及發展趨勢

在過去的10年, 通過開發新的聲學濁度傳感器、熱液柱探測和原位光譜測量等海底熱液活動調查方法和探測技術, 調查了海底熱液活動的地質過程及其對資源和環境的影響, 從而推動了對海底硫化物和含金屬沉積物資源潛力的認識。包括建立了一個“兩階段、六過程”的海底熱液活動調查研究模型, 發現唐印等一批新的海底熱液活動區, 分析了熱液產物, 特別是硫化物的物質來源及其成礦的控制因素, 揭示了硫化物的形成過程, 建立了計算硫化物氦/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物的成因提供了研究支撐。同時, 拓展了將熱液區螺、蟹等生物作為地質樣品, 揭示了其記錄的熱液活動信息, 實現了熱液活動如何影響海底地質環境的多維解釋, 為保護海底熱液生態環境提供了研究支撐。不僅如此, 提出了海底熱液活動、冷泉及天然氣水合物的同源異匯假說, 推動了海底熱液地質學的進步(曾志剛, 2011, 2020; Zeng, 2020b)。

在此基礎上, 未來, 將聚焦海底熱液活動的深部過程及其資源環境效應關鍵問題, 發展海底熱液活動探測、原位觀測和長期監測技術, 結合人工智能和大數據技術的運用, 拓展北極和南極及其鄰域的海底熱液活動調查研究, 以海底熱液區的結構與物質組成為重點, 開展系統的調查研究工作, 繪制海底熱液區深部地質圖, 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生物等熱液產物, 明確海底熱液活動的物質、能量輸運及其與環境的關系, 揭示大生物和細菌的元素富集特征及其成礦機理, 分析硫化物和含金屬沉積物等熱液產物的資源潛力, 將為了解海底熱液活動在地球系統多圈層相互作用過程中的角色提供工作支撐, 無疑將推動海底熱液地質學研究取得新的進展。

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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

* 國家自然科學基金項目, 91958213號; 中國科學院戰略性先導科技專項, XDB42020402號; 全球變化與海氣相互作用專項, GASI-GEOGE-02號; 中國科學院國際合作局對外合作重點項目, 133137KYSB20170003號; 大洋“十三五”深海資源潛力評估項目, DY135-G2-1-02號; 泰山學者工程專項, ts201511061號; 國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目, 2013CB429700號。曾志剛, 研究員, E-mail: zgzeng@qdio.ac.cn

2021-04-19,

2021-05-27

P736.4

10.11693/hyhz20210400097