（地球化学专业论文）西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究.pdf

iyillllllll83111111111111111111011111111tlliiillllill7吣 1 西南印度洋中脊热液成矿作用 及其地质地球化学研究 学位论文完成日期 指导教师签字 答辩委员会成员签字 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含未获得 注 垫逡查基他盂垂撞别直明的 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 住 签字日期 z o l o 年纠1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公 众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 导师签字 签字日期 撕 年6 月f 日 签字日期 叼户年6 月fe l 度洋中脊热液成矿作用 物质来源等科学问题 为海底热液矿床的寻找提供 理论依据 本次研究得出以下几个方面成果 研究区玄武岩微量元素比值显示出正常洋中脊玄武岩 n m o i 强 的性 质 但又不同于典型的n m o r b 同时包括 m o r b 型岩浆和洋岛岩浆两 种成分 玄武岩的蛛网图配分曲线反映了亏损地幔源区玄武岩的地球化学特 性 大离子亲石元素k r b 和b a 轻微富集 b a 有显著的正异常 s r 显示 负异常 并存在n b 和部分t i 的亏损 指示本区玄武岩形成过程中可能遭受 了陆源物质的混染 稀土元素表现出l r e e 相对富集 h r e e 亏损的r e e 配分模式 在 l a l a s m 变异图上 l a s m 与l a 同步增加 表明s w i r 玄武岩岩浆岩石主 要受部分熔融作用控制 取自6 9 5 9 0 e 附近热液喷溢区的硫化物 a i r l 和a i r 2 为坍塌的黑烟 囱硫化物 a i r l 主要由黄铁矿 自铁矿和黄铜矿组成 属中一高温矿物组合 相对富集c o 和n i 表明黄铜矿是在高温下 3 0 0 沉淀形成的 a i r 2 主要由黄铁矿 白铁矿和石膏组成 反映了一种中一低温矿物组合 4 9 6 4 0 e 附近的硫化物氧化物i s u l 由纤铁矿 黄铜矿以及少量黄铁矿和白铁矿组成 i s u 2 取自5 0 4 6 0 e 附近 为蚀变橄榄岩 由富水镁硼石 利蛇纹石 以及锰 的氧化物和铁的矾类矿物组成 热液白烟囱i s u 4 和i s u 5 取自5 1 0 e 附近 主要由方解石组成 其热液流体温度为中一低温 热液硫化物c u 和f e 之间显著的正相关性反映了矿物组合关系 a s s r 和a g 元素之间的相关系数均大于0 8 5 说明它们在热液成矿作用过程中经 西南印度洋中脊熟液成矿作用及其地质地球化学研究 历了相似的地球化学过程 p b 和z n 各自决定着a u 和a g 的含量 a g a s 和p b 它们之间有较高的相关性 可能表明低温再活化作用 热液硫化物的稀土元素准化配分曲线显示出明显的正e u 异常和l r e e 富集 其配分模式主要继承了热液流体中稀土元素的特性 热液白烟囱稀土 元素含量较高 l i 迮e 富集 明显的负e u 异常可能表明其相对还原的成矿环 境 关键词 s w i r 玄武岩 热液沉积 成矿作用 地质地球化学 西南印度洋中脊热 h y d r o t h e r m a imin e r ai g e o c h e mic aic h a b s t r a c t t h eb a s a l t sa n dh y d r o t h e r m a ld e p o s i t ss a m p l e sw es t u d ya l er e c o v e r e df r o mt h e d i f f e r e n tr e g i o n so ft h es o u t h w e s ti n d i a nr i d g e s w i r w eg e tt h em i n e r a l o g y p e t r o l o g ya n dg e o c h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c sb yh i 曲p e r f o r m a n c ei c p a e s m s x r a y d i f f r a c t i o na n de l e c t r o n i c m i c r o s c o p e t o d i s c u s s h y d r o t h e r m a l m i n e r a l i z a t i o n m a t e r i a ls o u r c e sa n do t h e rs c i e n t i f i cp r o b l e m sa n dg e tt h et h e o r yf o r e x p l o r i n gt h es u b m a r i n eh y d r o t h e r m a ld e p o s i t s w eg e tt h er e s u l t sa sf o l l o w i n g t r a c ee l e m e n tr a t i o so fb a s a l t ss h o w i n gt h es i m i l a rc h a r a c t e r i s t i c st ot h en o r m a l m i d o c e a nr i d g eb a s a l t n m o r b b u td i f f e r e n tf r o mt h et y p i c a ln m o r b w h i l e i n c l u d i n gt w oc o m p o n e n t s m o r b t y p em a g m aa n do c e a ni s l a n dm a g m a t h e s p i d e rd i a g r a ms h o w st h ed e p l e t e d m a n t l em a g m as o u r c e s l i g h tr i c hi nl i l e k r b a n db a p o o ri nn ba n dp a r t so ft i b as i g n i f i c a n tp o s i t i v ea n o m a l i e s s rs h o w s n e g a t i v ea n o m a l i e s w h i c hm i g h ti n d i c a t et h ec o n t a m i n a t i o no ft e r r e s t r i a l t h er e e s h o w st h er e l a t i v ee n r i c h m e n to fl r e et oh r e e l a s ma n dl as i m u l t a n e o u s i n c r e a s e i n d i c a t i n gt h a tt h eb a s a l tm a i n l yc o n t r o lb yp a r t i a lm e l t i n g a i r la n da i r 2a r et h ec o l l a p s e db l a c kc h i m n e y ss u l f i d e n e a rt h e6 9 5 9 oe a i r 1i s m i d d l e h i g ht e m p e r a t u r em i n e r a la s s e m b l a g e s d o m i n a t e d 嘶吐1p y r i t e m a r c a s i t ea n dc h a l c o p y r i t e r e l a t i v ee n r i c h m e n to fc oa n dn i i n d i c a t i n gt h a t c h a l c o p y r i t ep r e c i p i t a t ea tah i g ht e m p e r a t u r e 3 0 0 a i r 2i sm e d i u m l o w t e m p e r a t u r em i n e r a la s s e m b l a g e s d o m i n a t e d 晰mp y r i t e m a r c a s i t ea n dg y p s u m i s u1i st h es u l f i d eo x i d e s m a i n l yc o n s i s to fl e p i d o c r o c i t e c h a l c o p y r i t ea n dp y r i t e s a m p l i n gf r o mt h e4 9 6 4 oe i s u 2i s b i r b i r i t e n e a r5 0 4 6 oe m a i n l yc o n s i s to f k u m a k o v i t e l i z a r d i t e m a n g a n e s eo x i d ea n di r o na l u mm i n e r a l s h y d r o t h e r m a l w h i t ec h i m n e i e si s u 4a n di s u 5f r o m51 oea r o u n d m a i n l yc o m p o s e do f c a l c i t e 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 t h et e m p e r a t u r eo fh y d r o t h e r m a lf l u i d si sm i d d l e l o wt e m p e r a t u r e c ua n df eo ft h es u l f i d e ss h o w i n gs i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o n r e f l e c t st h e r e l a t i o n s h i po fm i n e r a la s s e m b l a g e s t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e na s s ra n da gw e r e h i g h e rt h a n0 8 5 i n d i c a t i n gt h a tt h e yh a v eu n d e r g o i n gt h es i m i l a rg e o c h e m i c a l p r o c e s s e si nh y d r o t h e r m a lm i n e r a l i z a t i o n p ba n dz np e s p e c t i v e l yd e t e r m i n e st h e c o n t e n to f a ua n da g t h e r ea r es i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e na g a sa n d p b w h i c hm i g h ti n d i c a t er e m o b i l i z a t i o nu n d e rl o w e rt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s t h es u l f i d es a m p l e sa r ec h a r a c t e r i z e db ys i g n i f i c a n tp o s i t i v ee ua n o m a l i e s a n dt h e e n r i c h m e n to fl r e er e l a t i v et o h r e e i n h e r i t i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so f h y d r o t h e r m a lf l u i d s t h er e ec o n t e n t sa r eh i g hi nw h i t ec h i m n e y sr i c hi nc a l c i t e c h o n d r i t e n o r m a l i z e dp a t t e r ns h o w sl r e ee n r i c h m e n ta n dn e g a t i v ee ua n o m a l i e s m a yi n d i c a t et h er e l a t i v er e d u c t i v ee n v i r o n m e n t k e y w o r d s s w i r b a s a l t s h y d r o t h e r m a ld e p o s i t s m i n e r a l i z a t i o n g e o l o g i c a la n d g e o c h e m i c a l i v 西南印度洋 l l h 1 月u 舌 1 1 研究意义 1 1 2 选题依据与研究方案 5 1 2 1 课题来源及研究内容 5 1 2 2 样品描述及测试分析 5 2 区域地质概况 9 2 1 区域地质背景 9 2 1 1 构造 9 2 1 2 扩张速率 1 2 2 2s w l r 调查研究现状 1 2 2 2 1 海上调查 1 2 2 2 2 研究进展 1 4 2 3s w l r 热液活动研究中的重要科学问题 1 9 3s w i r 玄武岩地球化学特征 2 2 3 1 微量元素 2 2 3 1 1 组成特征 2 2 3 1 2 构造环境 2 4 3 2 稀土元素 2 8 3 2 1 组成特征 2 8 3 2 2 主要的参数及意义 2 9 3 3 卅 l 31 4 海底热液烟囱及蚀变岩矿物学特征 3 3 4 1 矿物成分及其组合 3 3 4 2 矿物组合特征 3 7 4 3 组构特征与成因标志 3 9 4 3 1 组构特征 3 9 4 3 2 胶状构造 4 0 4 3 3 交代结构 a l t e r e ds t r u c t u r e 与充填构造 4 0 4 4 热液流体特征 4 0 4 5s w i r 热液硫化物矿物生成顺序及成矿阶段 4 1 4 6 小结 4 2 5 热液成矿作用及其地球化学 4 4 5 1 成矿元素组成 4 4 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 5 2 不同地质环境下硫化物化学组成 4 6 5 3 元素组合特征 一4 7 5 4 稀土元素地球化学 4 9 5 4 1 稀土元素特征 5 0 5 4 2 稀土元素来源 5 2 5 5 小结 5 4 6 结论 5 5 图版i 5 8 图版i i 5 9 图版iii 6 1 图版 6 3 参考文献 6 4 发表的学术论文 7 5 致谢 7 6 2 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 1 前言 1 1 研究意义 现代海底热液活动是普遍发育于海洋中的活动板块边界及板内火山活 动中心的一种在岩石圈和海水之间进行能量和物质交换的过程 至1 9 7 7 年 美国科学家乘 阿尔文 号深潜器在加拉帕哥斯裂谷附近发现活动的热液喷 口以来 c o r l i s s 等 1 9 7 9 科学家们在早期线索的引导下沿着探索之路展 开了一场科学的革命 现代海底热液系统涉及许多学科 包括海洋地质学 地球化学 物理海洋学 矿床学 生物学 地热学等 热液系统的研究已经 成为国际自然科学领域的焦点之一 1 大洋海底热液活动的调查 围绕海底热液活动 人们从太平洋到大西洋再到印度洋开展了大量调查 和研究 海底热液活动研究的主要科学问题有海底热液活动的分布规律 成 因机制 成矿机理及其环境效应等 热液活动发育的构造环境研究不仅可以 从理论上认识热液活动发育的机制 同时也可以为新的热液活动区的调查指 明方向 2 0 世纪7 0 年代以前a 1 1 r h e n i u s 等 1 9 6 5 认为只有快速扩张的大洋中脊才 能发育热液活动 但于1 9 7 4 年r o n a 等就宣布了在慢速扩张的大西洋中脊著 名的t a g 热液活动区的发现 1 9 7 4 年劳海盆中热液活动区的发现又将热液 活动发育的构造背景从大洋中脊扩大到了弧后盆地 很快 人们就认识到现 代海底热液活动是一种全球性的地质现象 栾锡武 2 0 0 4 人们真正认识超 慢速扩张洋脊这一海洋地质领域的新概念 始于2 0 世纪9 0 年代初期 e l d h o l m k a r a s i k 和r e k s n e s 1 9 9 0 在研究北美洲板块边界时 发现北冰洋 g a k k e l 海脊的扩张速率仅为0 3 0 7 c m a 并具有许多与众不同的特征 从而引起地学 海洋科学等领域的研究热情与关注 很多文章总结了各个时 期太平洋 大西洋乃至全球的现代海底热液活动调查研究 并在此基础上进 行热液活动区的分布规律研究 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 海底热液硫化物矿产资源是继大洋铁锰结核和结壳之后发现的又一具 有巨大开发远景的海底矿产资源 近二 三十年来 许多国家 如美 英 德 法 日 纷纷投入巨资开展了针对大洋底的热液硫化物资源的勘查和研 究工作 并取得巨大成功 发现了许多林立的海底硫化物烟囱 圈定了一大 批海底热液 矿床 或 矿点 同时在成矿理论研究上也取得了许多重大 突破 r o n a 1 9 8 4 1 9 8 8 吴世迎 2 0 0 0 翟世奎等 2 0 0 1 侯增谦等 2 0 0 3 长达6 0 0 0 0 k m 的大洋中脊是地球上火山活动最为频繁 岩浆大规模上涌 和新洋壳形成的构造带 也是海底热液活动的主要发生地 热液硫化物矿床 的重要产出地和热液喷口生物的主要聚居地 超慢速扩张洋中脊热液活动的 发现和研究是进一步认识地球内部动力状态 深部构造 岩浆起源与演化 以及生命起源与极端条件下生态系统等重大地学前沿问题的突破口 2 s w i r 热液活动的发现及意义 西南印度洋中脊 s w i r 因为很低的热流值 正如十年前的大西洋中脊 曾经认为沿着s w i r 不可能有高温热液活动 为了在s w i r 寻找热液喷口位 置或者硫化物矿床 深海潜水器调查把有利于热液活动形成的断裂和深渊区 划为重点探测区 因为沿着断裂和海沟具有很好的渗透性 有助于流体的对 流 1 9 9 8 年日本y o k o s u k a 调查船i n d o y o 航次首次在m e l v i l l e 断裂带东面 2 7 5 l s 6 3 5 6 7 e 洋脊轴部发现热液硫化物 以及热液烟囱和热液丘 测年数据表明热液活动发生在7 00 0 0 到1 30 0 0 年以前 f u j i m o t o 1 9 9 9 u t e m u n c h 等 2 0 0 1 此次发现第一次证实了高温块状硫化物烟囱也可以在像 西南印度洋中脊这样超慢速扩张的洋脊出现 而且取自该区的热液硫化物与 快速扩张洋脊相比无论矿物学还是在化学组成上都有很大不同 2 0 0 7 年 大洋一号 调查船在s w i r 上发现海底热液硫化物活动区并 捕 获 样品 此次成果是快速寻找活动型喷口的典型例证之一 其采用的探测 技术和方法如下 陶春辉提供 1 采用船载多波束进行地形测量 同时进行浅地层剖面和重力 磁力 测量 得到基本的地形 浅地层和重 磁信息 2 利用c t d 拖拽式c t d m a p r 温度 浊度测量 m e t s 甲烷测 量 a d c p 和海底摄像进行探测 得到温度 浊度和甲烷异常 观测到玄武 2 岩蚀变 逐步逼近喷口 3 利用a b e a u v 进行三次下潜探测 逐步锁定喷口位置 图l 一1 第一次下潜在2 5 k m 2 5 k m 范围内进行羽状流探测 主要进行温度 e h 和浊度探测 第二次在第一次的基础上缩小范围至1 0 0 0 m 8 0 0 m 范围内进 行微地形探测 第三次在离底5 m 高度进行照相 从而锁定喷口 4 利用电视抓斗抓取烟囱体和玄武岩样品 图l 一1 西南印度洋多金属硫化物探测示意图 陶春辉提供 f i g u r ei id e t e c t i o ns c h e m a t i cp i c t u r eo fs o u m w e s ti n d i a no c e a nf o r p o l y m e t a l l i cs u l p h i d e sd i a g r a m 如何利用这一宝贵样品对于进一步探索现代海底热液活动成因机制 热 液活动区的分布规律 以及对新的现代海底热液活动区的预测分布等都有重 要意义 s w i r 超慢速扩张段其特殊的环境为科学家们提供了一个良好的天 然实验室 丰富和深化了现有的成矿理论 是进一步认识地球内部动力状态 深部构造 岩浆起源与演化 以及生命起源与极端条件下生态系统等重大地 学前沿问题的突破口 也为生态学 遗传学 医药及工业行业的技术与成果 突破带来希望 翟世奎等 2 0 0 1 在慢速扩张脊 较低频率的构造事件可 能相对延长了热液与岩石反应和热液上升的时间 较长周期的幕式活动和更 稳定的构造环境相比不稳定的快速扩张脊热液系统更有利于大型矿床的形 成 r o n a 1 9 8 4 1 9 9 3 c h a r l o u 等 1 9 9 8 u t em u n c h 等 2 0 0 1 3 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 3 未来的研究趋势 三十多年的工作积累 现代海底热液活动研究已从最初阶段向纵深发 展 分析美 英 法 德 日等发达国家提出的二十一世纪初现代海底热液 活动研究计划 现代海底热液活动研究的发展趋势将是 调查发现新的热液 硫化物分布区 提高热液硫化物的勘探 开采技术 研究热液活动区的生命 现象 实施喷口生物群落基因组计划 保护深海特有生态系统 建立热液活 动的现场长期监测体系将成为发展的主流 作为该领域研究的基础 对海底 热液活动与构造 岩浆作用和环境演变的一体化研究 将得到更为细致深入 地发展 研究发展趋势可概括为以下几个方面 1 继续开展大范围的海底热活动区的调查勘探工作 借助先进的仪器 设备加强对离轴洋壳 弧后盆地扩张中心 热点地区与转换断层带的系统调 查研究 以确定海底热液活动及其沉积成矿的全球性特征 同时加大力度开 展i o d p 钻探研究 以达到对热液活动区硫化物矿体 基岩及深部物质的三 维分布和结构物质组成 热液流体与岩石 沉积物相互作用关系 以及热液 循环 热及物质通量和成矿机制 成矿物质来源演化关系等方面更深入的认 识 2 海底热液活动过程中 物质来源和热液演化问题一直存在争议 继 续运用岩石学 矿物学 矿床学和地球化学等多学科的理论方法 开展热液 硫化物矿床的成矿机制研究 烟囱 的生长机制 堆积物的矿物组合特征 分布规律等问题进行更为细致的研究 就不同类型的典型热液活动区 分别 建立具普遍意义的海底热液活动及其沉积成矿模式 为未来海底热液硫化物 矿产资源的开发及利用提供理论指导 3 海底热液矿床不仅可以解决我们所面i 临的资源日益匮乏的社会问题 同时由于与陆地古代海底热液成因的块状硫化物矿床有许多相似之处 对其 的观察和研究还可为我们提供古代矿床成因的重要信息 以海底热液成矿研 究为基础 通过陆海对比 寻找其中必然联系 推测海底热液成矿的规模和 资源量 为陆上类似矿床的寻找 勘探 评价和开采提供理论依据 4 现代海底热液活动所导致的热通量可能仅次于太阳对地球的热辐射 与火山所产生的能量类似 而物质的通量则可与大陆人海河流所形成的通量 4 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 相近 因此 海底热液活动对海洋化学环境 大洋环流及全球气候有着重要 的影响 对现代海底热液活动所导致的热和物质的通量研究是非常重要的 因为这不仅涉及到海洋环境研究的基础 而且涉及到海水性质的历史演化 5 尽管海底热液活动常见于大洋中脊 弧后扩张中心等构造断裂带 但并非在这种构造单元上都存在海底热液的喷溢作用 导致海底热液活动的 构造背景条件或控制因素有待于更进一步的调查研究 1 2 选题依据与研究方案 1 2 1 课题来源及研究内容 1 课题来源 本论文依托于国家自然科学基金项目 洋脊与海槽区海底热液成矿作用 地质地球化学比较研究 皆在探讨不同热液活动区或同一构造环境不同喷 口 点 热液活动 研究现代海底热液成矿作用过程及其地质地球化学 物 理化学条件 阐明有利于成矿作用持续进行的地质地球化学环境及其构造背 景 本文重点对s w i r 不同热液区热液烟囱矿物学以及地球化学特征进行对 比研究 2 研究内容 综合运用矿物学 岩石学 地球化学等多学科理论和技术方法 通过高 精度i c p m s x 射线衍射 电子显微镜等多种先进的实验测试手段 研究 热液硫化物和玄武岩的常微量元素组成 矿石组构与矿物组合特征 揭示热 液活动及成矿作用地质地球化学特征 为海底热液矿床的寻找提供理论依 据 1 2 2 样品描述及测试分析 1 样品描述 2 0 0 7 2 0 0 8 年 中国大洋协会先后组织的两次环球科考 在s w i r 首次 发现海底热液硫化物活动区并 捕获 样品 t a o 等 2 0 0 7 第二次环球科 考中 探测到2 0 k m 2 的超大范围新型碳酸钙 白烟囱 热液区 宋学春 2 0 0 9 本次研究样品均由环球科考航次采集 样品手标本照片如图版i 所示 取样 站位及手标本描述见表1 1 其中a i r l 和a i r 2 以及玄武岩为第一航次获取 5 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 i s u l i s u 2 i s u 4 i s u 5 在第二航次中取得 表l i 样品取样站位及描述 t a b l e1 1s a m p l i n gs t a t i o n sa n dd e s c r i p t i o n 站位 样品号水深 n 1 名称样品手标本 备注 提供者 经度 e 纬度 s i b a i a5 0 4 7 3 13 7 6 5 8 21 7 5 1 玄武岩 i b a i b5 0 4 7 3 13 7 6 5 8 21 7 5 1玄武岩 枕状构造 岩石表面有新鲜的 i b a 2 a4 9 6 4 7 83 7 7 8 3 92 8 2 5 玄武岩 陶春辉 火山玻璃 i b a 2 b4 9 6 4 7 83 7 7 8 3 92 8 2 5玄武岩 i b a 56 3 9 2 9 32 7 8 5 1 22 0 3 4 玄武岩 黄色 多孔构造 矿物具明显 a i r l6 9 5 9 6 72 3 8 7 83 2 9 2 黑烟囱 分带 大洋样品馆 外层覆盖有红色物质 内层为 a i r 26 9 5 9 6 72 3 8 7 83 2 9 2 黑烟囱 黑色 硫化物氧化深灰色致密块状构造 外层覆 i s u i4 9 6 4 8 13 7 7 8 0 22 7 8 3 物盖有氧化物 黄色 多孔构造 矿物分带明 显 最外层为黑色松散物 其 i s u 25 0 4 6 7 23 7 6 5 8 61 7 4 0 热液蚀变岩 次为黄褐色带 红黄色带 最 陶春辉 内层为浅黄色带 i s u 45 0 9 4 5 5 3 7 6 2 4 2 0 9 8 白烟囱土黄色松散团块状 i s u 55 1 0 0 9 13 7 62 0 3 4 白烟囱白色松散团块状 2 测试分析及其工作量 完成的主要分析测试项目如表l 2 所示 对样品进行矿物成分 化学成 分 结构构造等分析 为了去除样品中海水污染物质对样品的影响 在制样 前用超纯水对样品进行多次震荡冲洗 再自然风干 其中 抛光片用于矿 6 西南印度洋 相 结构分析 薄片用于 析测试 具体分析测试方法简要如下 表1 2 本次研究所完成的样品处理和分析测试 t a b l e1 2w o r kc a p a c i t yo fs a m p l ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i s 工作内容工作量分析单位 样品前期处理和制样1 1 件中国海洋大学独立完成 磨制光片 薄片 8 个 山东地质科学院协助完成 完成光片和薄片的鉴 矿相显微镜观察 拍照独立完成 定 5 0 张照片 x 射线衍射1 1 件样品协助完成 热液沉积常微 中国海洋大学 6 件样品 量元素分析 独立完成 玄武岩常微量 5 件样品 元素分析 1 矿物鉴定 本论文对样品矿物组成的鉴定主要通过高倍矿相显微镜观察 在中国海 洋大学显微分析实验室使用o l y m p u s 显微照相仪完成 矿物成分的鉴定采 用了镜下鉴定和x 射线衍射分析相结合的方法 基本达到准确进行矿物成分 鉴定的目的 x 射线分析采用粉末法在d m a x r b 型号x 射线衍射仪上进行 用c u 靶照射 扫描速度3 m i n 扫描范围3 8 0 2e 2 化学分析 样品的化学分析包括常量和微量元素分析 取样时 不同类型的矿石分 别取全岩样品 同一类型的矿石样品 依据矿物组成 粒度不同在矿石不同 部位分别取样 常量元素分析 玄武岩和热液沉积样品的常量元素分析在中国海洋大学海洋地球科学 7 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 学院元素分析实验室 进行 仪器由美国p e r k i ne l i m e r 公司生产 型号为 o p t i m a 4 3 0 0 i c p a e s 对常量元素分析的标准偏差 1 具体操作步骤如 下 i 用玛瑙研钵将样品研磨成粉末 2 0 0 目 i i 将粉末样品放入1 0 5 c 条件下烘箱中恒温干燥2 h 然后转入干燥器冷 却平衡2 4 h 用高精度天平称取0 0 4 9 样品于消解罐中 加入2 m l 混酸 h n o h f 1 0 1 h n o 和h f 均为亚沸二次蒸馏纯酸 轻轻摇匀 微波消解器中 执行微波消解程序 将消解后的溶液移至聚四氟乙烯坩埚 用电热板加热至溶液冒烟 近干 再加入2 h n o 2 m l 加热 直至白烟冒尽 v 取下坩埚 冷却 将样品转移至样品瓶中 并用超纯水将洗液倒入 样品瓶 用2 h n o 定容至2 0 9 摇匀 用i c p a e s 进行常量元素测试 微量元素及稀土元素分析 玄武岩和热液沉积样品中微量元素及稀土元素的分析在 中国海洋大学 海洋地球科学学元素分析实验室 进行 仪器由安捷伦公司生产 型号为 a g i l e n t7 5 微量元素分析的标准偏差 1 7 y n b 8 和1 4 3 n d 1 n d 0 5 1 3 1 2 2 0 5 1 3 0 2 2 比值 亏损l r e e l a y b o 3 5 1 1 和相对低的8 7 s r s r 比值 o 7 0 2 6 7 4 0 7 0 2 9 7 4 第二类是轻微富集型玄武岩 具有典型的热液柱特征 p m o r b 较低的 z r n b 5 8 6 8 y n b 0 9 一1 2 和h 3 n d 1 4 4 n d 0 5 1 2 9 5 2 0 5 1 2 8 6 2 比值 明显富集l r e e l a y b 4 8 6 9 和高的盯s r 粕s r 0 7 0 3 5 6 4 0 7 0 3 6 4 4 比 值 这些特征和取自附近b o u v e t 岛的熔岩相似 第三种类型是过渡类型 t m o r b 相对低的z r n b 7 7 1 1 8 y n b 1 3 3 0 和1 4 3 n d 川n d 0 5 1 3 0 1 2 0 5 1 2 8 4 2 比值 轻微富集l r e e l a y b 产1 7 4 3 和相当高的 8 7 s r s r 0 7 0 2 9 1 4 0 7 0 3 7 0 4 比值 三种玄武熔岩其主要元素组成相近 s w i r 5 7 e 和6 6 e 玄武岩玻璃的主量元素组成与理论的地幔熔融模式 一致 该模式考虑了非常慢速扩张洋脊之下的熔体上涌时 传导热损失对地幔 熔融程度造成的影响 含玻璃的年轻玄武岩其m g 指数 m g 在5 0 6 0 之间 暗示亏损地幔 n m o r b 的浅成熔融作用 r o b i n s o n 等 1 9 9 6 k e n t a r o 等 2 0 0 7 将取自r t j 附近的玄武岩分为3 类 新鲜熔岩 f 类 低 温蚀变岩 l 类 和高温蚀变岩 h 类 新鲜熔岩含有极少的次生矿物 基本上与 典型n m o r b 化学组成一致 l i l e 大离子亲石元素 和n b 分别轻微富集和亏 损 低温蚀变岩含有粘土矿物和f e 的氢氧化物 由于富k 绿磷石的出现 f e 的氢氧化物对u 的吸附以及粘土矿物的存在导致低温蚀变岩富集k o r b 和u 高温蚀变引起的绿泥石化 钠长石化和主要金属的增加导致高温蚀变岩富集 m n o m g o n a 2 0 c u 和z n 而亏损c a o n a 2 0 c r c o n i r b s r 和b a 此 外在高温蚀变岩中发现铀的富集 热力学模拟显示高温还原热液中铀的溶解度 1 4 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 明显降低 该区玄武岩和取自太平洋d s d p 0 d p5 0 4 b 钻孔的样品具有类似的变 化 这表明全球大洋中脊热液系统可能具有某些相似性 正常m o r b 的3 h e 4 h e 值通常范围为8 1 r a m o r b 中3 h e 4 h e 变化通常用 来解释洋中脊大规模构造 包括热点岩浆 s a r d a 等 2 0 0 0 g e o r g e n 等 2 0 0 3 而解释稀有气体的一个通常假设是热点与未脱气的下地幔相关 高的3 h e 4 h e 来自地幔柱上涌 g e o r g e n 等 2 0 0 3 b t j 附近玄武岩的3 h e 4 h e 比值范围从 6 5 到1 4 2 r a k u r z 等 1 9 9 8 沿着s w i r s h o n a 和d i s c o v e r y 断裂带均 以轴部高的3 h e 4 h e 值为特征 分别为1 4 7 r a 和1 4 2 r a m o r e i r a 等 1 9 9 5 k u r z 等 1 9 9 8 s a r d a 等 2 0 0 0 到s h o n a 南部 3 h e 4 h e 比值回到较低值 7 1 1 7 6 6 r a 2 超镁铁质岩 慢速一超慢速扩张洋中脊通常出露的超镁铁质岩在很大程度上可以影响海 底喷出热液的物质组成 与以玄武岩为基岩的喷口流体不同 以超镁铁质岩系 为主的喷口流体中h 的含量很高 w e t z e l 和s h o c k 2 0 0 0 相对于玄武岩系 统超镁铁质岩系热液系统热液流体的化学成分更加稳定 李小虎等 2 0 0 8 沿着s w i r 非岩浆活动脊段直接出露有大量的橄榄岩 只有少量的玄 武和辉长岩呈散点状分布 d i c k 等 2 0 0 3 地幔橄榄岩所经历的熔融程度非常 低 代表了最接近软流圈的地幔组分 d i c k 等 2 0 0 3 m i c h a e l 等 2 0 0 3 o k i n o 等 2 0 0 2 蛇纹石化橄榄岩是洋壳的重要组成部分 它们通常出现在慢速到超慢速 扩张的环境 蛇纹岩与洋壳的平均密度 2 8 9 c m 3 相比具有更低的密度 2 5 g c m 3 a u m e n t 和l o u b m 1 9 7 1 b o n a t t i 和h a m l y n 1 9 8 1 调查研究表明 所有海底出露的深海橄榄岩或多或少遭受蛇纹石化 橄榄岩常具有蛇纹石化 变质作用的标志 b a z y l e v 和d m i t f i e v 2 0 0 5 包括绿泥石和滑石交代 辉石 被c a 角闪石 原生尖晶石被次生尖晶石 f e 铬铁矿和铬磁铁矿所交代 与 玄武岩为主的喷口流体具有相对低的h 含量相反 超镁铁质岩系为主的喷口 流体具有丰富的h 含量 w e t z e l 和s h o c k 2 0 0 0 橄榄岩蛇纹石化过程中 产生的甲烷和其它碳氢化合物组分可以在3 0 0 5 0 0 1 0 k p a 的实验条件下 产生 b e r n d t 等 1 9 9 6 非岩浆扩张段可以与扩张方向呈任意角度 有时 1 5 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 形成倾斜裂谷 也可以产生独特的 平坦 海底 平坦地形在s w i r 东部 6 5 3 0 6 6 e 贫岩浆段能到5 0 是地幔橄榄岩出露的有利场所 与蛇纹岩有关的热液活动存在的进一步证据是水岩反应中以蛇纹石化 橄榄岩为主所形成的黑烟囱的发现 b a n e q e e 等 2 0 0 1 报道了s w i r 倾向 段 1 0 b 1 6 e 热液沉积的发现 块状海泡石是由来自蛇纹石化的流体相沉 淀形成的 作为一种稀少的深海富m g 粘土矿物也被发现 海底海泡石的存 在可以被作为深部蛇纹石化的指示标志 推测可能形成于海水或与超镁铁质 岩相互反应过程 s w i r1 0 一2 4 e 研究区玄武岩的3 h e 4 h e 比值介于6 3 7 3 r a t i m e a t m o s p h e r i c 之间 明显低于正常洋中脊玄武岩 8 i r a 最好的解释是岩 石圈物质在地幔源区的再循环 j e n n i f e re 2 0 0 3 1 2 5 e 附近s h a k a 断 层的辉石和斜辉石中的3 h e 4 h e 比值也很低 分别是6 3 l 1 5 1 r a 和6 3 6 0 5 0 r a 与m o r b 极低的3 h e 4 h e 比值 6 2 r a g e o r g e n 等 2 0 0 3 一致 表明9 2 5 e 下部存在下伏地幔 可能是地幔的不均一性决定了大洋底橄榄岩的组成 k u m a g a i 2 0 0 6 岩浆熔融时释放出大量的氦气 说明深海橄榄岩的h e 同位素组成和矿物母 岩有关 而不是流体或熔融包裹体 大部分糜棱岩和超糜棱岩具有相当高的h e 含量 表明大量的惰性气体和塑性变形构造有关 在对橄榄岩和蛇纹岩的分析 中 发现蛇纹岩的h e 含量较低 但是其 i h e 4 h e 比值和地幔相似 这说明蛇纹 石化并没有引入大气中的h e 蛇纹石化作用不是控制橄榄岩中h e 同位素组成 的主要因素 橄榄岩中的3 h e 4 h e 比值和相关玄武岩类似 表明橄榄岩的3 h e 4 h e 比值可以用来判断其源区地幔的同位素组成 k u r z md 2 0 0 6 测得取自s w i r 断裂带东侧的3 h e 4 h e 比值达到9 i r a 然而在断裂带东侧之外的样品中 该值 却低于7 r a 表明断裂区是受到b o u v e 热点影响的重要边界 橄榄岩的h e 含量 和构造的关系表明不能简单把橄榄岩看作是部分熔融后的残余 随后发生的塑 性变形作用在控制稀有气体的含量上发挥着很大的作用 2 热液流体的地球化学 近年来 印度洋中脊热液喷口流体特征被逐渐报道 g a m o 等 2 0 0 1 g a l l a n t 和v o nd a m m 2 0 0 6 不同类型的洋中脊热液活动 可能以超镁铁质 1 6 西南印度洋中脊热液成矿作用及其地质地球化学研究 岩系热液系统为主 在s w i r1 0 1 6 e 超慢速扩张段被发现 b a c hw 等 2 0 0 2 在s w i r 倾斜扩张段广泛出露的地幔橄榄岩 h o n s h o 等 1 9 9 6 所经历 的蛇纹石化作用影响热液柱 h y d r o t h e r m a lp l u m e 的物质组成 热液柱以 高的c h 4 和h 2 含量 低的总溶解m n 含量和浊度异常为特征 b e m d t 等 1 9 9 6 c h a r l o u 和d o n v a l 1 9 9 3 c h a r l o u 等 1 9 9 8 g a m o 等 2 0 0 1 首次报道 了r t j 附近的k a i r e i k h f 热液流体化学组成 包括溶解态的s i c a m g k 8 0 4 和气态的c h 4 c 0 2 h 2 s 热液流体组成通常与大西洋和 太平洋典型的洋脊类似 但后来又有报道 s w i r 热液流体含有异常高的 h 2 8 m m v a nd o v e r 等 2 0 01 t a k a i 等 2 0 0 4 g a l l a m 和v o nd a m m 2 0 0 6 k u m a g a i 等 2 0 0 8 与k a i r e i 高温富氢流体相似的热液流体在r a i n b o w l o g a t c h e vi 和ii a s h a z ei 和i i 以及位于m a r 的n i b e l u n g e n 也被发现 c h a r l o u 等 2 0 0 2 c h a r l o u 等 2 0 0 8 m e l c h e r t 等 2 0 0 8 深部洋壳岩石侵位在浅部洋壳独特 的地质背景 是产生独特热液流体的根源 m a r 富氢流体通常被认为是由于构造 抬升在喷口附近的深海橄榄岩蛇纹石化作用所致 c h a r l o u 等 2 0 0 2 d o u v i l l e 等 2 0 0 2 然而 至