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超慢速扩张洋脊热液循环系统运行机制研究取得重要进展

编辑:admin 作者:顾春华 时间:2020年03月13日 访问次数:1099

该成果于2020年3月10日发表在Nature Communications上:
Chunhui Tao*, W.E. Seyfried Jr*., R.P. Lowell, Yunlong Liu, Jin Liang, Zhikui Guo, Kang Ding, Huatian Zhang, Jia Liu, Lei Qiu, Igor Egorov, Shili Liao, Minghui Zhao, Jianping Zhou, Xianming Deng, Huaiming Li, Hanchuang Wang, Wei Cai, Guoyin Zhang, Hongwei Zhou, Jian Lin, Wei Li. Deep high-temperature hydrothermal circulation in a detachment faulting system on the ultra-slow spreading ridge. Nature Communications. (2020) 11:1300, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-15062-w       

 

       洋中脊热液循环系统是由热源驱动、受岩浆-构造活动控制的海水-洋脊相互作用的循环体系,伴生富含铜、锌和金的多金属硫化物这一重要海底资源。同时,洋中脊热液系统也汇聚了洋壳演化、物质循环和极端生态环境等科学问题。理解热液循环系统的形成机制是建立海底热液成矿模型并开展成矿预测的前提。前人通过长期的调查研究,对快速和慢速扩张洋脊的热液循环模型认识已较为清晰。受区域地理位置和调查程度的限制,超慢速扩张洋脊热液循环机制尚不清楚。其中重要的科学问题包括:(1)超慢速洋脊热液循环可以达到多深的深度?(2)超慢速洋脊热液循环是如何被驱动的?
       在中国大洋协会“十三五”项目和国家重点研发计划项目等多个项目支持下,自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室陶春辉研究员组织了由国内外多个科研单位科学家组成的研究团队,以我国西南印度洋多金属硫化物勘探合同区内的龙旂热液区为研究对象(图1a,b),进行了海底微震、热液喷口流体化学成分、热源循环数值模拟等多学科的综合调查和研究。该工作为理解超慢速扩张洋脊热液循环的运行机制提供了多个视角的新模型。

 

图1 龙旂热液区的地质构造背景及微震分布

       在李家彪院士团队对该区速度结构、岩浆活动及热液断层通道等研究工作基础上,开展的海底微震长期观测结果显示,龙旂热液区微震从海底面至海底下13千米处均有分布。主要地震带位于洋中脊裂谷中部的AVR(轴部火山脊)的下方呈条带状分布,从垂直于洋脊的剖面上来看(图1c),两条线性分布的地震带与构造断层关系密切,结合反射地震速度成像的结果,将这两条地震带解释为两条拆离断层。微震定位结果勾勒出了位于中央裂谷南翼的双拆离断层的几何形态并推测其多期次的拆离断层的演化过程(图1c. 一期DF1及二期 DF2),最大拆离深度可达到海底以下13+2千米。特别是DF2,其深度显著大于大西洋上的TAG、Logatchev热液区所观察到微震的最大深度(海底下7千米)。考虑到拆离断层一般都具有比较高的渗透率,这样的断层势必为海水的下渗提供了良好的通道。因此,微震定位结果暗示了龙旂热液循环系统中的海水下渗深度很可能已达到了海底以下13+2千米。此外,对龙旂-1热液区多个高温喷口流体的流体化学成分分析显示了以下几个特征(图2):(1)流体亏损B,却具有相对海水较高的Cl; (2)中等高的Si和Li含量;(3)较亏损的H2含量;(4)显著高于海水的δ18O和δD。这些特征支持了该热液循环系统的需有较长的水岩反应区,并且水岩反应涉及了海水与橄榄岩和玄武岩或辉长岩的反应两类岩石的反应(hybrid model)。

图2 龙旂-1热液区的喷口流体成分与其他热液区的对比

       利用有限元方法及在上述提到的地球物理数据的约束下,对龙旂热液系统的热液循环模式及其形成条件(热源温度、拆离断层宽度及渗透率等)进行了数值模拟。通过一系列不同参数的模拟结果与实际观测的喷口温度和热通量相比较,对龙旂热液区的热液循环动力学机制有了定量的认识:(1)在位于海底以下 ~13 千米深的650 C热源(与微震定位结果得到的脆性-韧性转换带对应)的驱动下,热液可以沿着拆离断层从深部汲取能量而形成高温喷口,流体温度场和温度-压力路径如图3所示。在此热源温度和压力范围内,热液循环处于单相(液相)范围内;(2)如果拆离断层DF1的宽度约400 m(与地震定位的结果对应),则其渗透率需要比背景(围岩)渗透率高10~60倍,才可能使喷口温度达到350~400 C的高温;(3)相比拆离断层的宽度,其渗透性对喷口温度的影响更大,喷口温度与拆离断层宽度和渗透率的关系见图3c;(4)DF1在龙旂-1热液循环中并没有起到很重要的作用。数值模拟结果显示DF1的渗透率较DF2低,这与其弱活动性是相符的。

图3 热液循环二维数值模拟结果

       (a)断层宽度为400 m,围岩和断层渗透率分别kdf = 3 × 10−14 m2, kb = 5 × 10−16 m2时,热液循环达到稳态时的温度分布;(b)流体在循环过程中经历的温度-压力路径曲线,显示位于单相区域,未发生相分离;(c)一系列不同断层宽度和渗透率模型得到的喷口温度。
       以上研究从不同方面解析并建立了超慢速扩张洋中脊上的典型高温热液循环模型(图4),为理解超慢速洋脊热液循环系统的运行机制提供了全面和可靠的证据。提出的一种超慢速扩张洋中脊热液循环模型具有二个特点:(1)超慢速扩张洋脊热液循环起源深度比其他洋中脊热液区更深,达到了Moho面以下;(2)而其热源可以不是在洋壳中的岩浆房,而是存在于岩石圈下部的熔体聚集带。这暗示了其热液系统可能循环得更深、持续时间更长、产出富Cu-Au 型矿床的概率更大。

图4 龙旂热液区超慢速扩张洋中脊热液循环地质模型图