（海洋地质专业论文）现代海底热液活动中巨羽流形成机制的模型研究.pdf

中国海洋大学博士研究生学位论文 现代海底热液活动中巨羽流形成机制的模型研究 摘要 海底熟液活动系统是近十几年迅速发展起来的国际研究热点，而大型或集中 在一定范围内的众多喷口组成的巨型羽状流系统，由于常常在热液喷溢区上方形 成公里量级的热液羽状体并伴随有大型热液沉积多金属硫化物矿体的形成，加 之，人们对海底之下的热液作用过程至今仍不清楚，其成因也就成了众所关注而 又没有解决的重要科学问题。 本文首先对现代海底热液活动的研究现状，包括业已取得的主要研究成果和 主要研究方向进行了分析总结。对已有的热液活动的数学模型进行了归纳，分析 了其合理性与不足之处。 在上述工作基础上，首先建立了模拟普通黑烟囱热液系统及巨羽流形成的基 本数学模型，对巨羽流的生成周期、生成时的温度和热液的物质通量进行求解， 并探讨了热源温度、渗透率、反应区体积和释放区横截面积等因素对巨羽流生成 的影响。得到的主要结论如下：巨羽流系统可以由普通黑烟囱系统发展演化而成， 普通黑烟囱流系统经过2 到3 年的时间则可形成巨羽流系统，巨羽流产生时的热 源温度必须超过5 0 0 ( 2 ，喷出热液的最高温度为4 1 3 ( 2 左右。当反应区热源温度 增大时，产生巨羽流的时间明显变小，可以不到一年时间，而巨羽流生成时的温 度及巨羽流的最大物质流速几乎不随其变化随着渗透率的增大，巨羽流的最大 物质流速也随之增大，但其增速随渗透率的进一步增大而变缓，并逐渐趋向一个 相当于下渗流无摩擦阻力时的极限稳定值。 第二个模型是在保持前一个模型基本结构的基础上又考虑了代表下渗低温 海水对热液的稀释作用。得到的主要结论有：下渗冷海水是很难进入到烟囱体内 对热液进行稀释；当熟液高速喷发时，下渗海水通道有可能成为薪的热液上升通 道，这可能是大面积热液喷溢区存在的主要原因；海底的低温释放流可能是热液 系统演化的早期阶段的产物。 第四章的模型是模拟巨羽流形成机制的裂缝模型，用来探讨系统中合理的热 中国海洋大学博士研究生学位论文 源类型。模型验证了岩墙作为系统中唯一存在的热源的不合理性；文中又构建了 将岩墙热源和反应区热源结合在一起的新模型。在对j u a nd ef u e a 洋脊巨羽流的 模拟中，与传统的裂缝模型相比，新模型的运算结果与b a k e r 的观测更为接近 模型还揭示：正常喷发的两热源结构的臣羽流热液系统可能对应着反应区下方热 能正在枯竭的岩浆房，只要反应区热液的初始温度足够高，这样的系统在巨羽流 衰减成普通黑烟囱流后，仍能维持近2 0 0 0 天的热液喷发。 几个模型的运行结果表明：只有带有盖层的管状模型能对巨羽流生成前的发 育过程进行模拟，裂缝模型只能模拟巨羽流的衰减过程。因此得到了在巨羽流生 成前应该有普通黑烟囱流热液循环系统存在的结论。巨羽流生成的原因可能是在 普通黑烟囱流系统的释放区有岩墙出现，也可能是释放区项部盖层的碎裂。 关键字：巨羽流；普通黑烟囱流；热夜循环系统；数学模型；物质流速 中目海洋大学博士研究生学位论文 t h es t u d yo ni i i o d o i sf o rf o r m a t i o no fm e g a p l u m ef l o wi n m o d e r ns e a f i o o rh y d r o t h e r m la o t i v i t y a b s t r a c t s e 斌l o o rb ，d r o l h 廿m a la c t i v i t ys y s t e md e v e l o p su pt ob e 雠i n t e r n a t i o n a lh o t p o i n tf o rs t u d yi nr e n t1 0y e a r s 1 1 砖m e c h a n i s mo ff o r m a t i o nf o rm e g a p l u m ef l o w s y s t e mt h a th a sab i gv e n to rc o n s i s t so fm o r ev e n t sb e c o m e sa l li m p o r t a n ta n d m a s o l v ls u b j e c t , b e c a u s eo ff o r m a t i o no fm a s s i v e s u l p h i d e sf r o m i t s m e g a h y 出o t b 黜a lp l u m ea n dt h ei g n o r a n c eo f f o r m a t i o n 畔s s e s i nt h ep a p e r , d u - 叼t i o n sa n dr e s u l t so f t h es t u d yo nm o d e r ns e a , l o o th y d r o t h e r m a l a c t i v i t ya l ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e df i r s t l y t r a d i t i o n a lm a t h e m a t i cm o d e l sa l e a n a l y z c da n dt h e i rp sa n d c o b sa g ec o n c l u d e d t h eb a s i cm a t h e m a t i cm o d e li sb u i l tt os i m u l a t en o r m a lb l a c ks m o k e rs y s t e ma n d t h ef o r m a t i o no f m e g a p l u m ea n dt os o l v et h et e m p e r a t u r e , p e r i o da n dm a x i m a lm a s s f l u i dm t cw h e nm e g a p l u m ef o r m s 砀ee f f e c t so f m a i np a r a m e t e r sl i k et e m p e r a t u r eo f h o t - s o u r c e ，p e r m e a b i l i t y , v o l u m eo fr e a c t i o n - z o n ea n da 吼o fd i s c k i r g c - 黜0 1 1t h e f o r m a t i o no fm c g a p l u m ea r ed i s c u s s e d m a i nc o n c l u s i o n sa r e 鹪f o l l o w s an o r m a l b l a c ks m o k e rs y s t e mc a ne v o l v ei n t oam e g a p l u m ee r u p t i o n i nf a c t , m e g a p l u m e h y d r o t h e r m a le r u p t i o nw i l lo g c l l ri nt w oo rt h r e ey e a r s t h et e m p e r a t u r eo ft h eh o t s o l l g m u s te x c e e d5 0 0 c ，w h i l et h eh i g h e s tt e m p e m t u r e o f e r u p t i o nf l u i d i sa b o u t 4 1 3 ( 2 i f t h et e m p e r a t u r eo f t h eh o ts o u r c ：ei sh i 扣t h a n5 0 0 c ，t h ec r i t i c a lp e r i o d f o rm e g a p l u m e sf o r m a t i o nc a nb eo b v i o u s l yc u r t a i l e dt ob cl e s st h a nly e 鸥w h i l et h e c r i t i c a lm n p e r a m r ca n dt h em a x i m a lm a s sf l u i dm t ea l en e a r l yi n v a r i a b l e a st h e p e r m e a b i l i t yi n c r e a s e s ，t h em a x i m a lm a s sf l u i dr a t ei n c r e a s e sg r a d u a n yc l o s et oa s t e a d yv a l u e 1 1 圮s e c o n dm o d e la d d sa ne m b r a n c l z m c mw h i c hr e p r e s e n t sl o w e r - t e m p e r a t u r e d o w n w a r dp e r m e a t i n gs e a w a t e rt ot h ef i r s tm o d e la n ds i m u l a t e st h ed i l u t i o ne f f e c t so f p e r m e a t i n gc o l d s e a w a t e rt oh y d r o t h e r m a lf l u i d c o n c l u s i o n s a r ef o u n da f w r a n a l y 商n gt h es o l u t i o n sa sf o l l o w s ：p e r m e a t i n gc o l ds e a w a t e rc a nh a r d l yi n v a d et h e b l a c ks m o k e rt od i l u t et h eh o tf l u i d t h ee m b r a n e h m e n tz o n em a yb e c o m et h en e x t 中国海洋大学博士研究生学位论文 b 蟾g e rd i s c t m r g e - z o n ew h e nt h eh o tf l u i dd i s c h a r g e si nh i g hs p e e d , w h i c hm a yb e t h em a i nr e a s o nf o rt h ee x i s t e n c eo fb i g - a r e ad i s c h a r g e - z o n e l o w - t e m p e r a t u r e d i s c h a r g ef l u i di ns c a f i o o rm a yb et h em a m a t u r ep r o d u c ti nt h ee v o l v e m e n to f h y d r o t b e r m a ls y s t e m t h em o d e l si nc h 和4a r ef i s s u r em o d e l sf o rt h ee v o l v e m e n to fm e g a p l u m e f l o wh y d r o t h c r m a ls y s t e m t h e ya l eu s e dt od i s c u s st h er e a s o n a b l et y p eo f h o ts o u r c 七 i nt h es y s t e ma n dt e s t i f yt h a tt h ed i k em a yn o tb et h eo n l yh o ts o r r c co ft h e m e g a p l u m es y s t e m an e wm o d e li sb u i l tw i t ht h eu n i f i c a t i o no ft h ed i k eh o ts o u i t 碡 a n dt h er e a c t i o nz o n e t h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t s 黜m o l ec o n s i s t e n tw i t hb a k e r s o b s e r v a t i o nt h a nt h et r a d i t i o n a lf i s s u r em o d e l s t h en e wm o d e la l s os h o w st h a tt h e m a g m ac h a m b e rb e l o wt h er e a c t i o n7 - , 0 1 1 0o fav e n t i n gm e g a p l u m ef l o ws y s t e mm a y b ed r y i n gu p ，a n d e v e l lw h e nt h em e g a p l u m ed i s a p p e a r s ，t h en o r m a lb l a c ks m o k e r s c a l ev e n t i n gg a sl a s t2 0 0 0d a y sf f t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo f h y d r o f l 蜘n n a lf l u i di sh i g h e n o u g h r e s u l t so fp r e v i o u sm o d e l sp r e s e n tt h a to n l yt u b em o d e lc a ns i m u l a t et h e f o r m a t i o no fm e g a p l u m e , a n df i s s u r em o d e lc a no n l ys i m u l a t et h ea t t e n u a t i o no f m e g a p l u m e t h e r e f o r e ，t h ec o n c l u s i o nt h a tn o r m a lb l a c kp l u m ef l u i dd o e se x i s tb e f o r e t h ef o r m a t i o no fm e g a p l u m ei sa t t a i n e d t h er e a s o nf o r t h ef o r m a t i o no fm e g a p l u m e m a y b et h a td i k ea p p e a r si nt h ed i s c h a r g ez o n eo f t h en o r m a lb l a c ks m o k e rs y s t e mo r t h ec a t a c l a s mo f t h ec a pa tt h et o po f t h ed i s c h a r g ez o n e k e yw o r d wn o r m a lb l a c ks m o k e rf l o w ；m e g a p l u m ef l o w ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ； m a s sf l o wr a t e ；h y d r o t h e r m a lc i r c u l a t i o ns y s t e m 中国海洋大学博士研究生学位论文 0 前言 迄今，对海底热液活动的调查研究取得了很多重大的成果，但对于某些问题 的研究依然处于不成熟阶段，特别是理论模式的建立仍有许多方面不能确定。现 代海底热液活动的核心问题是热液循环，其主要能量来源可能是岩浆源，也可能 是海底之下约2l 的水岩反应带。这种主要由热驱动的高温流体，又调动了洋 壳之下2k i n , 甚至更深的水岩物质交换的频繁发生，热液喷口作为热液循环的一 个很重要环节，把岩石圈的地热和地球化学物质贡献给大洋( 王兴涛2 0 0 5 ) 当前， 对海底热液循环的研究方法主要有“海底现场观测取样一、“实验室模拟”和“数 值模拟”三种。海底现场观测取样的技术目前还不是很成熟，直接沿洋脊顶峰的 一个剖面对热液源的热通量进行测量需要先进的科学技术和昂贵的物力与人力。 对具有连续性和事件性的热源，其热通量的测量都只能根据对水柱的采样和观测 来推算。但是，对于巨羽流的观测，由于它的突发性和瞬时性，采样和观测工作 都十分困难。在“实验室模拟”方面，许多学者已做了大量的工作，包括烟囱体 的形成和发育过程、烟囱体内部流体的压力分布和演化过程c r u m e r 和c a m p b e l l 1 9 8 7 ) 、不同模式下热液的成矿过程及沉淀顺序( h o s h i n o 等2 0 0 0 ) 的研究等。“数 值模拟”是研究当前取样观测技术还不能触及的深部过程和定量研究热液循环系 统的有效手段，早已受到世界各国科研工作者的重视，从2 0 世纪7 0 年代至今， 针对热液的流体性质、烟囱体的演化、热液的大规模输运、硫化物的沉积过程、 热液对大洋的热输送、热液循环系统的发育过程及巨羽流的形成机制等设计了多 种模型来进行模拟、分析并讨论其影响因素。对“海底现场观测取样”和“实验 室模拟”两种方法得到的数据进行后期处理和挖掘，提炼上升到理论模式更离不 开“数值模拟” o 1 现代海雇热液活动的模型研究 随着“数值模拟”研究的深入，一些有关海底热液活动的模型相继出现，归 纳目前热液活动的模型主要分为以下四类： o 1 1 有关烟囱体及热通量的研究 中国海洋大学博士研究生学位论文 一t u m o r 和c a m p b e l l ( 1 9 8 7 ) 在实验室中对黑烟囱的生长过程进行模拟并作了理 论分析一让k n 0 3 最先从一个输入羽状流( 冷k 2 c 0 3 ) 周围的温热近饱和溶液中结 晶出来形成烟囱体。烟囱体几乎是匀速增高。当。热传导“引发“结晶”作用时， 烟囱体变厚当c - m s 0 4 溶液以逐渐增大的流速通过烟囱体0 0 , r 0 3 ) 时，由于烟囱 体内外压差的增大，流体能够流到烟囱壁( 多孔介质) 外。他们对线源烟囱体( 裂缝) 也进行了模拟和研究，实验中，裂缝的大部分很快被结晶物堵塞，而增长只集中 在几个点、形成了几个近似轴对称的烟囱体。他们给出的分析结论是：由于流体 流速和烟囱体内径的改变能导致流体流进、流出烟囱壁，因此，随着烟囱体的演 化，稳定矿床的位置有可能发生改变。数值模拟还进一步给出了锥形烟囱体内的 压力分布。计算结果表聪：烟囱壁的内外压差在烟囱体高度的近l 2 处改变符号， 从而使流体的流向发生改变( 流进或流出烟囱壁) 。数值计算尽管是对实验室中 生成的烟囱体的发育过程进行模拟、对烟囱体中的流体性质进行定量分析，但烟 囱体的生成、喷口的堵塞和冷水向烟囱体内的渗入等现象都是很难实际观测到 的，他们的试验结果和计算结果为我们在这一方面作了一定的弥补，提供了感性 上的认识，并为以后构建数学模型提供了参照对象 d i s k s o n ( 1 9 9 0 ) 等通过对大洋中脊顶部热液喷溢点的空间分布以及对喷溢物 ( 扩散的) 的温度和速度的直接观澳l 构造了硫化物堆积物的结构模型和海底下熟液 循环的模型模型给出的结论是：当瑞利数较低时，对流的热流量与扩散的热流 量相当；羽状流的剖面形状取决于堆积物构造的水平- 垂直渗透率的比率；即使 瑞利数很高，如果该比率很低( 小于1 ) ，热交换主要以。热传导”方式进行，但 随着该比率的增高，“对流”方式最终会替代“热传导”方式。模型主要了探讨 “羽状流的形状”、“堆积物构造的水平一垂直渗透率的比率”及“系统的热传递 方式”三者之间的关系，提出了一个通过观测羽状流形状来推断堆积物构造的性 质及热液系统内部。热传递”方式的模式，但因缺少与实际情况的对比，很难证 明模型的准确性和实用性。 王兴涛等( 2 0 0 5 ) 运用有限元软件a n s y s 分析了烟囱体( 黑烟囱和自烟囱) 的结 构特征和热场特征，并讨论了烟囱体内、外流场的对流系数( 反映热液及海水的 扰动程度) 对烟囱体热分布的影响，探讨了带有细小分支的烟囱体的热场特征。 应用a n s y s 软件分析了不同形状、流速、黏度系数和雷诺数下裂缝的流场特征。 2 中国海洋大学博士研究生学位论文 提出用指数衰减模型来估算海底热液热通量的方法并计算得到洋壳的平均热通 量为6 9 m w m - 2 、全球海洋热液活动总热通量为4 1 1x1 0 1 2 w ；用烟囱体及羽状体 估算的热通量分别为9 7 3 5 9 x 1 0 1 0 w 及8 4 8 9 5 x 1 0 1 0 w 。文中提出的指数衰减模 型是假设热通量密度随洋壳时代变老而呈指数衰减并承认“封闭年龄”( 距今 6 5 m a 以前的洋壳内不发生热液活动) ，这与s t e i n ( 1 9 9 4 ) 构造的估算全球热液活动 热通i ( 1 1 1 + 3 9 1 0 拉、聊的模型相比，更贴近实际，从而更具合理性。m c a u f f 等( 2 0 0 2 ) 根据e a s tp a c i f i cr i s e2 1o n 的资料，估算单个喷口的热通量为9 1 1 0 6 w ，单个低温热液扩散区的热通量为2 0 x 1 0 7 w 。如果烟囱体的数目按9 5 ( 当 时发现的烟囱体数) 算，总的热通量为8 6 4 5x1 0 w 。硫化物表面的低温扩散流 的外推值为- 1 0 加w 。栾锡武等( 2 0 0 2 ) 估算的单个喷口的热通量为1 0 7 l o t w ， 单个低温热液扩散区的热通量为6 1 5 1 0 8 w 。假设共有4 9 4 处热液活动区且每 个热液区有l o 个黑烟囱体，所有海底热液活动区向大洋输送的热通量为3 5 7 1 0 l l w 。 从以上对热通量的估算来看，对单个热液喷口及单个喷溢区的热液热通量的 估算值相差不大，均处于同一数量级，而对于海底热液活动向大洋贡献的总热通 量的估算差别较大，由于所取的参数( 烟囱体及热液区的个数) 不同，严重地影 响了最后的估算结果和精度。另外，目前所有对“总热通量”的估算模型只考虑 了普通黑烟囱热液流系统从未考虑巨羽流热液系统。b a k e r ( 1 9 8 7 ) 估算了j u a nd e f u c a 洋脊巨羽流热液系统释放的热量为一1 0 1 7 j ，取时问为一1 0 6 s ，其热通量应为 一1 0 1 1 w ，假设这种规模的巨羽流每十年生成一个，那么在对“总热通量”的估算 中，仍有1 0 左右的热液活动贡献的热通量被忽略了。从这一点就可以看出对巨 羽流系统进行研究的必要性。 0 1 2 基于海底现场观测取样的数值分析 w i l l i a m s 等( 1 9 8 6 ) 建立了三维对流模型来模拟c o s t ar i c a 裂谷d s d p 5 0 4 b 孔 3 中国海洋大学博士研究生孝位论文 处的热液系统。模拟结果表明：在5 0 4 b 孔存在一个活动热液的对流单元，由对 流单元的存在推测出应该有一个低渗的盖层存在在5 0 4 b 孔钻探完成后，流速 随时间减小的原因是冷海水通过非渗透盖层上的钻孔侵入了洋壳的对流单元。 f i s h e r 等( 1 9 9 4 ) 针对d s d p o d p 5 0 4 b 孔离轴热液循环系统进行模拟，模型使 用曲线边和不对中结点的网格元素对f i s h c r ( 1 9 9 0 ) 先前建立的一个矩形线性模型 进行改进，新模型加进的非线性元素能更好地模拟海底及海底下的沉积层和玄武 岩层的热液循环。模拟的结果表明：在古老的洋壳上，由于一个厚沉积层产生的 传导折射能屏蔽掉与离轴对流紧密相关的海底热流的变化。因此，对于加强海底 的离轴对流，系统的“基岩地貌”和“沉积物的厚度差比海底测量得到的数据 更为重要。这一模型揭示了环境因素在模拟热液循环系统中所起到的重要作用， 这提醒我们在建立模型时要有针对性、考虑因素要全面并且最好能取实测的参数 值，模型的通用性可以差一些，但准确性要高。 d a v i “1 9 9 叼利用地震反射剖面测量建立模型对j u a nd ef u c a 洋脊东翼年轻 ( 1 m a ) 洋壳中热液循环系统的渗透率进行研究得到的结论是：热流流通量的增 大对应着渗透率的增大；观测区渗透率的上限为2 1 盯”m 2 ，下限为2 1 0 1 4m 2 ； 对上部洋壳的渗透率的估算值要比洋壳深处孔中的渗透率大一个数量级，孔( 在 古老的洋壳中) 中渗透率的值不能代表整个热液循环的渗透率。渗透率在热液循 环的过程中起着至关重要的作用，它的不同取值会对热流的流通量、热液喷发的 速度和温度等产生重大的影响，从而直接影响模型的准确性。d a v i s 构建的模型 说明模型参数最好能实地采样取值，如果受限于技术条件而达不到要求，在模型 中对一些主要参数应设为变量并给出合理的取值范围。 0 1 3 关于硫化物沉积成矿机理的研究 c a n n ( 1 9 8 5 ) 等建立了一个由岩浆热能驱动的热平衡模型来解释块状硫化物矿 床的形成。模拟的结果是：要在4 0 0 0 年内从3 5 0 0 c 的热液中得到3 m t 的硫化 物沉淀，如果物质流速为1 4 0 k g s 1 ，则需要的热通量为1 1 0 w m 2 ，当反应区( 热液 与岩浆房发生热交换的区域) 的面积为2k m 2 时，系统总的热输入应为3 1 0 1 9 j ； 如果考虑边界层的厚度( 1 0 m ) ，将热液的温度降低到2 5 0 0 c ，需要的热通量为 4 中国海洋大学博士研究生学位论文 6 0 w m - 2 ，形成3 m r 的沉积物需要3 3 0 0 0 年，需要的总热量要大于1 2 1 0 2 0 j 。 在c a n n 的模型中，热液循环系统的释放区被假设成一组直径为3 c m 的管道，与 被假设成普通的多孔介质( 其它模型中) 相比更符合实际情况，因此更具合理性。 模型给出了热液温度随流体密度变化的一系列值，反应了循环系统的演化过程。 但模型中使用的热平衡方程是直接将温度离散化、过于简单，这与温度变化所具 有的连续性相违，因此会给模型的求解带来较大的误差。 l o w e l l ( 1 9 8 5 ) 也建立了描述块状硫化物堆积物形成过程的模型。模型首先采 用代表热液从洋壳上可渗透岩石中吸收热量的“热传导”方程，模拟结果显示： 当热液温度高于3 5 0 0 c 且搬运1 0 0 p p m 的溶解铁( 发现于东太平洋海隆的黑烟囱 中) 时，洋壳中的热量不足以形成3 m t 或更多的矿物沉积。模型又假设热液通过 l k m 厚的边界层从岩浆房顶部吸收热量，如果洋壳中岩浆房与热液系统的接触区 的渗透率为一1 0 d 5m 2 ，则对于前面的问题模拟结果可以给出合理的解释。在该篇 文章中，l o w e l l 首先分析了e a n n ( 1 9 8 2 ) 和e a t h l e s ( 1 9 8 1 ) 等所建模型的不足之处， 认为在他们的模型中没有对热液系统下方岩浆房的热传递过程作细致的研究，对 流体的“对流”、“冷却”及“岩浆房的重生”并未加以考虑。l o w e l l 的模型用一 个“半空间衰减方程”来描述“热传递”过程，该方程能体现热液温度与热源体 积、热源初始温度、边界层的厚度、边界层的面积、洋壳的渗透率、流体的速度 及时间等参数的关系，但l o w e l l 只对一组参数下的模型变量进行了求解并未对 不同时刻的多组参数下的模型变量进行求解，也就是说，其模型未能模拟热液循 环的演化过程后来，l o w e l l 等( 1 9 9 3 ) 又模拟了由氧化硅的沉积作用造成释放区 列缝封闭这一过程。模型给出：由热弹性造成的裂缝封闭要比由氧化硅沉积造成 的裂缝封闭快一个数量级。作者认为。半空间衰减方程”也有它的局限性，方程 对参数的要求很高，如果取值不合理会带来很大的误差，热液循环是伴随着“裂 缝封闭”的一个连续过程，好的模型应该能对整个过程进行模拟。 f i s h e r 等( 1 9 9 0 ) 建立了模拟c o s t ar i c a 裂谷南翼被动、离轴、对流热液循环系 统的二维模型，探讨热流、水深和沉积物厚度三种因素与流经沉积物的流体的速 度之问的关系。 日本广岛大学的h o s h i n o 等( 2 0 0 0 ) 对低氧逸度的高温流体与低温海水的两种 中国海洋大学博士研究生学位论文 混合模式( 逐渐混合、迅速混合) 下的成矿过程进行模拟，并检验了主要矿物的沉 淀顺序把日本东北部唧缸娜张矿山观测到的成矿过程作为算例，模拟的成矿 顺序由早到晚依次为重晶石( 2 7 0 0 c 卜一黄铁矿一闪锌矿( 2 1 0 0 c 卜- 方铅矿一石 英0 5 0 0 c 卜一高岭石，符合。逐渐混合”( f 氐温冷海水逐渐加入到高温源流体中) 模式；取大西洋中脊r a i n b o w 热液区的一个活烟囱作为另一个成矿作用的算例， 模型验证的主要矿物的沉淀顺序为硬石膏一黄铜矿一黄铁矿斑铜矿一闪锌矿， 符合“迅速混合”( 低温冷海水迅速加入到高温源流体中) 模式。上述的模拟实验 是用f o r t r a n 语言开发的模拟水岩反应的软件m i x 9 9 完成的，运行结果说明 数值模拟是对矿物的沉淀顺序进行仿真甚至预测的一种好方法，但文中并未给出 数学模型的控制方程，只提及软件模拟的结果与实际情况很相符，因此，很难对 模型的质量进行评价。 0 1 4 关于热液循环系统的演化及巨羽流生成机制的研究 b a k e r ( 1 9 8 7 ) 根据异常温度估算出高7 0 0 m 、直径为2 0 k i n 的j u a nd ef u e a 洋脊 巨羽流在一1 0 6 s 内释放的热量为一1 0 1 7 j 。这为巨羽流热液系统的研究揭开了序幕， 以后，有关巨羽流研究的模型的运行结果一般都要与b a k e r 的估算值做比较。但 b a k e r 的模型只是由巨羽流的密度、比热、温度和体积简单地推算出热液流所释 放的热量，并未涉及热液循环系统内部的构造。b a k e r 的模型的最大意义是为我 们提供了由实测数据推算出的热液的释放热，为购建模型和评价模型提供了参照 对象。 c a n n ( 1 9 8 9 ) 建立了一个以“热传导”方式进行热交换的热液循环系统的模型 来模拟j u a nd ef u e a 洋脊巨羽流的生成并估算出它的最大物质流速为2 0 0 0 0 k g s l 。得出结论是：巨羽流的生成与岩浆房的演化有直接的关系，当热液循环系 统的热传导速率小于岩浆房的供热速率时，流体就会增温，当温度增大到4 0 0 0 c 左右时，巨羽流生成。此模型给出了热液的温度、物质流速以及。补给区与释放 区的压力差”随温度的变化陆线，模拟了巨羽流发育、生成和衰减的过程。但模 型为了求解方便，使用了一个简单的描述热液从反应区的可渗透性岩石中吸收热 量的热平衡方程，方程直接将温度离散化且未考虑“对流”因素，整个系统中流 6 中国海洋大学博士研究生学位论文 体的黏度系数设为常数，这些应该会给计算结果带来较大的误差。 l o w e l l 等( 1 9 9 4 ) 构建模型来研究洋脊高温热液系统的演化，着重讨论热液 循环系统输出的热通量与热液喷发温度之间的关系。给出的结论是：来自热液系 统底部岩浆流的高熟通量是不能简单地靠岩浆房内的对流来维持的，可能是由岩 浆房的再生或在其底部形成沉积软泥( m u s h ) 的过程中所进行的热传输来维持的； 当热输出衰减时，渗透率的减小也能维持热液喷发温度的相对稳定。之后，l o w e l l 等( 1 9 9 5 ) 又建立一个裂缝模型来探讨洋脊巨羽流的形成与岩墙侵入事件的关系。 得到的结论是：由于岩墙的侵入使上升流区的渗透率增大，从而使巨羽流生成； 对于j u a nd ef u c a 洋脊巨羽流，当下渗流区的面积为1 0 4 m 2 时，渗透率必须大于 1 0 母m 2 ，当下渗流区的面积为1 0 6 m 2 时，渗透率必须大于1 0 。1 1 瑚? ；当岩墙冷却 时，巨羽流热液系统衰减，最后停止喷发。l o w e l l 的裂缝模型不同与c a n n 的管 状模型，他的模型不能模拟巨羽流的发育过程，只能模拟巨羽流的衰减过程。文 中给出了“热平衡方程”和“压力平衡方程0 但只对一组参数下的温度值和物 质流速进行了求解，并未求出各变量相对于时间的序列值，也就是说并未对热液 循环的过程进行模拟，这样的模拟结果不足以证明其模型的完备性和合理性。 w i l l i a m s ( 1 9 9 7 ) 建立了一个简单的模型来模拟洋脊热液系统中的“事件羽”的 形成。模拟显示：如果反应区中体积为o o lk m 3 - o 2 k i n 3 的加压流体，其温度符合 “两段曲线”( 在模型中给出的) ，当上升流区的渗透率变得非常大( 1 0 1 l i o 母m 2 ) 且流体被突然释放时，所生成的事件羽与观测到的值非常相符；对于小规模反应 区生成的事件羽，可认为是从正在冷却的熔岩流中吸收热量的成熟热液流所形成 的；模型也可以模拟与“构造”或“岩浆”作用导致的“渗透率增大事件”相关 而与。火山喷发”无关的小规模事件羽。模型假设补给区( 下降流) 是静态的、巨 羽流的来源是反应区的“加压流体巨羽流的生成是源于加压流体的突然释放。 作者认为这一模型的理论根据是值得怀疑的巨羽流生成的两个必要条件是“流 体运输通道的存在”和。渗透率的突然增大”，把补给区假设成静止的并不合理。 由于快速循环的流体从反应区带走的热量是有限的，不太可能被大规模气化，因 此，也很难在反应区形成模型中所描述的“加压流体”，模型的合理性值得怀疑。 之后，w l l i 姐1 s ( 1 9 9 8 ) 又用一个矩形多孔介质中的稳态环形对流模型来挖掘热液 的喷发温度与底部热源温度之间的关系。模型给出二者的比例为0 5 0 6 5 。模拟 7 中国海洋大学博士研究生学位论文 结果表明，一个高渗透率的表层能大幅降低热液的喷发温度。但c a n n 等人认为 由沉积硫化物形成的释放区( 烟囱体) 外壳是可以阻止其内部流体与外部进行热 交换的对此，作者认为在热液系统发育的不同阶段应采用不同的模型，在系统 发育的早期应注重高渗透率的表层对热液的降温作用，而对于烟囱体发育成熟的 系统，是n - - y 以将释放区的流体假设为绝热的。 r 曲i n 0 谢c 羽9 9 8 ) 等建立了一个三维模型对北j u a n 如f u c a 洋脊m i d d l ev a n e y 段的热液对流进行模拟。模型探求了渗透率在沉积层和枕席层中随深度变化的规 律，当渗透率在两层中相同时，模拟的结果与观测到的m i d d l e v a l l c y 段海底热流 场不相符，当渗透率从底到顶减小2 0 倍以上时，热液对流产生的羽状流所形成 的表面热流与观测到的值很吻合。模型还给出：补给区的达西速度为3 c m y r 时， 释放区热液的达西速度为1 6 c m y r ；羽状流内部的温度和速度足以产生所观测到 的硫化物沉淀和1 1 0 5 年2 i 0 5 年内的矿物蚀变。r a b 血哪i c z 模型中的流体 密度和黏度系数均为时间的函数，渗透率为循环深度的函数，系统中的流体遵循 多孔介质中的达西定律。模型模拟了热液系统的循环过程并给出了问题的解，是 一个较为成功的模型，遗憾的是模拟的结果没有和具体的实测数据进行对比。 r o s e n b e r g ( 2 0 0 0 ) 等对一个模拟。充分混合的含水层中大规模横向热流传输” 的数学模型进行修正，进而揭示“低温流”的成因。将含水层的厚度增大，模拟 的结果表明：一个深层可渗层较一个浅层可渗层吸收的热量要多，传送相同的热 量深层流不需要浅层流那么高的速度，因此，当横向流发生在浅层时，就需要大 规模的热液对流。模型只给出了一个一维的稳态热平衡方程用以描述流体通过沉 积层下方的含水层时进行的热交换过程，并末涉及到热液在系统的补给区和释放 区的状态。模型过于简化，但也能对一些现象进行解释。 0 2 选题依据及本文工作 0 2 1 选题依据 经过近三十年的努力，且前对海底热液活动的研究取得了许多重大的进展， 但同时又给我们带来了更深一层次的、范围更广的新课题，无论在技术上还是理 论上都面l 每着新的挑战。人们对热液活动的可观测特征( 地表形态、羽状流形态) 8 中国海洋大学博士研究生学位论文 有了一定的了解，但对于那些温、压力条件超出我们取样能力范围的领域，数值 模拟成为最有力、有效的手段。借助于海底热流测量、海底岩石取样、水体的c l - h 、 3 h e 和i v l n 异常观测、硅氧异常观测、多波束测量、o b s 观测和深潜调查等观 测到的数据，结合实验室模拟和数值模拟，得到了一些关于海底之下热液循环系 统的认识，但在很多方面仍存在许多不清楚和不确定的问题有待我们去进一步探 讨。 ， 熟液循环系统的构造热液活动与相应的地质背景有关。现代海底热液活动 主要出现于海底扩张中心，如洋中脊、弧后盆地、板内热点( g e r m a n 等1 9 9 8 ) ， 与海底扩张、地震、火山及岩墙的侵入事件密切相关。有人根据观测数据建立模 型来推测热液循环系统的构造；也有人先假设系统的构造建立模型，再将计算得 到的羽状流形态和热液的热通量等数据与观测值作对比。但这些模型的局限性太 强、考虑因素太少，热液系统到底是对应着多孔介质的下渗区还是通道状的下渗 区? 上升流区是呈与岩墙侵入事件相关的裂缝状还是为硫化物沉积作用形成的 管道簇状体? 或者就为普通的多孔介质? 上升流区顶部是否存在盖层? 反应区 的边界层有多厚? 体积有多大? 呈什么形状? 等等，这些问题都存在着争议，不 同的模型所做的假设和给出的结论差异都很大 热液系统的循环机制热液喷口和热液循环表明洋底其实是。漏”的，大 洋的海水从洋底渗漏下去再运移上来，这种循环再通过对流和潮汐等作用，又由 于海洋中浅层和深层的水也在不断地混合交换，因此影响中浅层的海洋。热液喷 口的热量和化学物质正是通过海洋的这种漫长而复杂的多重循环作用影响着整 个海洋乃至陆地。因此说热液活动系统的循环机制是热液活动研究的关键。 对其形成机制，较为接受的观点是：在热液活动区，幔源的岩浆上涌加热上 覆的岩层，使岩层的物理性质发生改变并在岩层中出现破裂，冷海水沿裂缝下渗、 直接或间接被热岩浆加热，在加热的过程中，热流与周围岩石发生复杂的物理、 化学反应，又由于部分气化、密度变小，向上运移至海底。 对于热液活动区下是否存在岩浆房，众说不一有人支持这种观点并认为岩 浆房作为热源的热液系统活动周期较长、性质较稳定，而巨羽流的生成与上升流 区的盖层破碎有关( c a n n1 9 8 9 ) ；也有人认为高温的岩墙作为熟液系统的热源对 巨羽流的形成能给出更合理的解释( l o w e l l1 9 9 5 ) 。对于岩浆房热液系统的“热 9 k 中国海洋大学博士研究生学位论文 交换”是以“对流”方式还是以。热传导”方式进行也没有确定的判别方法，但 很多人认为“对流”方式更为合理。对于普通黑烟囱热液系统的发育过程，包括 活动周期、烟囱体的演化以及热流量的计算等，不同的模型给出的结果差异较大 对于巨羽流的生成机制，各模型的差异更大，包括巨羽流所对应的系统结构、热 源类型、生成条件等都有待于进一步研究。 熟液成矿机制热液的喷溢和海底矿化作用实质上是海底的一系列复杂 物理、化学反应的结果长时问内，水一岩反应对海水的化学成分的改变起到了 非常重要的作用，同样，海底采集的热液蚀变岩石及蛇绿岩的矿物学和化学性质 反映了脊轴及脊翼处的热液活动过程，并记录了洋壳与海水间化学交换的程度及 循环热液的成分变化。已有学者通过对蚀变岩石和蛇绿岩的研究来确定热液系统 不同比例下水一岩反应的变化( 包括补给区、反应区和释放区) ( a i t1 9 9 4 ) ；通过 实验及理论分析来描述热液反应区的物理化学特征( s a c c o c i a 譬1 9 9 4 ) 。热液成 矿作用形成硫化物矿床的位置可出现在不同的地质及构造环境，矿床的储量变化 也比较大，大多数矿床储量小于l o k t 。有很多学者构建模型对热液成矿进行量化 分析( c a a u 等1 9 8 5 ；r a b i n o w i c z 等1 9 9 8 ) 并模拟验证矿物的沉淀顺序( h o s h i n o 等 2 0 0 0 ) 。但是，热液成矿过程中仍有很多方面仍处在摸索阶段，比如：热液系统 生成的羽状流的规模与“成矿”的关系，多大规模的羽状流才能形成大规模的硫 化物沉淀? 羽状流内部的温度和速度所决定的表面热流与硫化物沉淀的对应关 系? 确定规模的硫化物沉积物的形成，对应着热液循环系统多厚的边界层? 多高 温度的热液流? 多大的物质流速? 多长的热液喷发时间? 多大的热通量? 当反 应区面积确定后，系统需要的总热输入是多少? 当以上影响因素发生变化时，硫 化物沉积物的规模和位置如何随之变化? 烟囱体的形状发生变化时，是否会使沉 积物的位置发生变化? 下渗海水的稀释作用对“热液成矿”的影响等。 以上各方面的问题都与热液循环系统本身存在着密切的关系，所以，热液循 环是热液活动研究的核心内容，揭示热液循环内部动力学系统和热力学系统的规 律是加深人们对热液活动认识与理解的关键。尽管已有人从不同角度对热液系统 进行了模拟，但这些模型考虑的因素较少，仅侧重于热液循环的某一环节或某一 作用，模型的通用性较