2012CB417300-G西南印度洋洋中脊热液成矿过程与硫化物矿区预测.Doc

项目名称：西南印度洋洋中脊热液成矿过程与硫化物矿区预测首席科学家：周怀阳 同济大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部 上海市科委一、关键科学问题及研究内容2.1 拟解决的关键科学问题本项目拟以洋中脊热液活动和热液成矿过程为主线，研究西南印度洋超慢速扩张洋中脊热液成矿作用，重点解决如下两个关键科学问题： 超慢速扩张洋中脊热液硫化物成矿的地质背景、特征和机制； 西南印度洋洋中脊热液活动与环境的相互作用。2.2 主要研究内容围绕国家重大需求，针对上述关键科学问题，本项目拟从地质学、地球物理学、地球化学、物理海洋学、生物学及生物地球化学等多方面对西南印度洋洋中脊特定区域进行综合研究，主要研究内容概述如下：1. 热源和热液活动热源是海底热液活动和热液成矿作用的基础，只有当深部有足够的热源并且有足够的流体参与热液活动时，有价值的热液成矿作用才有可能发生。洋中脊处的热状况与地壳及上地幔结构有关。目前人们对地壳和上地幔结构以及热源的认识，主要来自于对快速、中速和慢速扩张洋中脊以及残留在陆地上的蛇绿岩套的研究。超慢速扩张洋中脊具有自身独特的一系列特点：洋中脊扩张中心水深较大，轴部较宽，出现大量的拆离断层和核心杂岩体，大面积的超基性岩直接出露于地表，火山喷发中心在轴部旁侧不规则出现，活动时间一般较短等等。这类洋中脊的地壳和上地幔结构到底是怎样的？是否存在岩浆房（或低速带）？如果存在，低速带的深度和形态如何？与美国地震学界1993年在超快速扩张的南东太平洋海隆（17S）“Melt Experiment”探测的上地幔低速带有什么不同？相邻不同成因洋脊段的深部结构和低速带有何不同？究竟是什么类型的热源驱动了超慢速扩张洋脊上的热液活动？目前知之甚少。为解决上述问题，本项目拟对西南印度洋洋中脊的地壳和上地幔结构进行研究，揭示该区域温度场特征、热源类型及其热量供给特征，分析该区域热液活动的可能性及其强度；在此基础上，结合其它扩张速率的大洋中脊的观测结果，讨论上地幔转换带和洋中脊海底扩张动力学过程的相关性。 2. 成矿热液的形成、演化和成矿机制通常，在热液活动过程中，下渗的海水（流体）在逐渐被加热的情况下不断与围岩进行相互作用，从围岩中淋滤出成矿元素而形成含矿的成矿热液（矿液）；当成矿热液上升到海底表面附近时，因所处物理化学条件变化，所携带的金属元素会产生沉淀、成矿。因此，成矿元素的来源、成矿热液的形成和演化机制、成矿元素的迁移形式及其稳定性、成矿金属元素沉淀的机理等等，成为理解海底热液成矿作用的关键。与较快速扩张的洋中脊不同，当前对于超慢速扩张洋中脊的热液成矿作用的认识还极其有限。在超慢速扩张的洋中脊，非岩浆成因和岩浆成因的洋脊交替出现，玄武岩洋壳一般较薄，很多地方大面积地出露超基性岩，其热液成矿物质除来自玄武岩围岩之外，超基性岩是否有所贡献？贡献程度如何？除了海水-围岩相互反应提供了成矿物质之外，可能的岩浆房或上地幔是否也提供了相当数量的成矿物质或其它组分？成矿物质形成后是以何种机制进入热液流体并被输运到海底表面附近成矿的？一直都是悬而未决的问题。本项目拟对西南印度洋洋中脊热液成矿作用的物质来源、高温高压流体对超基性岩（基性岩）的蚀变作用、成矿金属元素的活化机理和动力学、成矿元素迁移形式和稳定性、金属元素的热力学稳定性以及金属与硫结合形成硫化物沉淀的有利条件等方面进行研究，揭示该区域成矿热液的形成和演化机制，认识海底热液流体成矿的机理及其影响因素，分析特定条件下成矿元素的活化、输运和沉淀成矿特征。3. 热液成矿与环境的相互作用海底表层热液成矿的过程也是热液与环境相互作用的过程，热液喷发形成的羽状流携带高浓度的甲烷、氢气、氦气、铁、锰等物质进入海洋水体，可造成离海底几百到上千米的垂直范围和几公里甚至上千公里的水平范围内明显的温度异常和物质异常。与较快速扩张的洋中脊不同，在超慢速扩张的西南印度洋洋中脊，热液活动的热源不仅有来自地壳深部的岩浆供给的贡献，也可能有来自超基性岩蛇纹石化反应放出的能量。热液活动释放的热通量和物质通量有多少？其对环境的影响效应如何？目前尚不清楚。另外，西南印度洋洋底地形十分粗糙复杂，一些转换断层水深可达6000m，在这种高密度梯度和较强混合的深层海水背景下，热液羽流是如何扩散传播的？也有待研究。本项目拟通过开展超慢速扩张的西南印度洋洋中脊的热液羽流的热通量和颗粒物通量变化特征、热液羽流动力学特征和热液羽流中关键元素的生物地球化学过程等方面的多学科交叉性研究，揭示热液活动的生态环境效应，建立热液羽流传播的动力学模型，深化和完善对热液成矿系统的认识，并为热液硫化物资源的寻找和圈定提供重要的定量指标。4. 热液区的生物成矿作用根据全球生物地理学的研究，西南印度洋洋中脊应是连接南大西洋洋中脊与西太平洋生物群落的主要通道。在超基性岩大量出露，蛇纹石化反应释放出大量的甲烷和氢气的背景下，微生物的群落结构特征是怎样的？与较快速扩张的洋中脊热液生态系统中以硫化物为主要能量的化能合成微生物相比，具有哪些独特性？哪些微生物参与了热液成矿作用？生物成矿的机制如何？目前人们的认识几乎是空白，也无从知晓极端微生物的成矿作用有何特殊性。本项目拟通过开展西南印度洋洋中脊热液区的微生物种群结构及其与环境的相互作用、微生物宏基因组学比较和微生物的成矿机制研究，揭示该区域微生物的种群特征、核心代谢途径的起源和进化过程、硫和甲烷代谢的可能途径及其参与代谢过程的微生物类群，阐述碳、氮、硫循环之间的相互关系；分析成矿微生物在金属硫化物形成和演化过程中的作用，认识特殊功能微生物的生物矿化机制。5. 热液矿床的勘查和评价尽管热液循环活动和热液喷发以及硫化物矿体的出现造成的与周围未有热液活动或未矿化地段的一系列物性、电性和磁性的差异，给人们提供了采用多种地球物理、地球化学甚至生物化学的方法进行勘探的理论指导，但是与陆地同类型火山块状多金属硫化物矿床的勘查相比，海底热液硫化物资源的勘查难度仍相当大，至今已有的经验和认识十分薄弱。除了热液羽流可作为活动热液区的找矿指标外，一般认为，一些与洋中脊扩张动力过程相关的断层或裂隙既是热液的通道，同时也是控矿或成矿的构造。然而，这些构造究竟具有什么样的性质和发育机制？有什么样的分布规律？在超慢速扩张的洋中脊背景下，这些构造有何独特性？上述问题至今鲜见说明。近年来，拆离断层对热液成矿的控制作用越来越受到人们的重视。在我们选择的西南印度洋超慢速扩张洋中脊特定研究区，是否也主要是由拆离断层控制成矿的？目前尚不可知。 本项目拟在超慢速扩张的西南印度洋洋中脊热液成矿作用认识研究的基础上，采用地质学、地球物理学和地球化学等多种探测手段，揭示西南印度洋洋中脊热液区的分布特征及其原因、多金属硫化物成矿特征及其影响因素，建立多金属硫化物矿床的找矿标志和找矿模式，为我国海底热液硫化物矿区勘探和区域放弃提供必要基础和重要支撑。二、预期目标3.1 总体目标以西南印度洋超慢速扩张洋中脊特定区域热液成矿系统为研究对象，组织国内优势研究力量，结合一定的国际合作，针对“超慢速扩张洋中脊热液硫化物成矿的地质背景、特征和机制”和“西南印度洋洋中脊热液活动与环境的相互作用”两个关键科学问题开展研究，揭示该区域温度场特征和热源供给特征，研究不同类型热源下成矿热液的形成和演化机制，分析热液成矿的机理及其环境制约，阐明热液羽流的环境效应和微生物成矿的特殊性，建立多金属硫化物矿床的找矿标志和找矿模式，从而为我国海底多金属硫化物矿区勘探和区域放弃工作提供必要基础和重要支撑；力争在项目执行过程中取得一批基础性的创新性成果，深化人们对全球洋中脊热液成矿体系的认识，提高中国科学家在国际深海学术界的影响，培养和锻炼一批从事深海海底基础科学研究的高水平科技人才队伍。3.2 五年预期目标本项目计划用五年时间完成研究，预期可在如下方面取得突破：1. 西南印度洋洋中脊岩浆源区结构及热源特征2. 水岩反应过程中金属元素活化机理和动力学3. 不同类型热源作用下热液成矿机制及其环境效应4. 热液羽流颗粒物通量和热通量及其与深部结构的关系5. 微生物多样性和生物矿化机制6. 热液硫化物矿床找矿标志和找矿模式预期成果将以论文形式公开发表，预计可发表论文120篇，其中SCI论文不少于70篇。同时，本项目的开展为组织、培养和锻炼国内从事深海科学研究的高水平人才队伍提供了绝佳的机会。本项目的实施将使一批中青年研究骨干迅速成长，并可为国家相关科研机构培养一批高素质人才，预期可培养博士生20名，硕士生40名。三、研究方案4.1 总体思路选择西南印度洋超慢速扩张洋中脊特定区域为研究对象，紧密结合国家重大需求和前沿科学研究，针对“超慢速扩张洋中脊热液硫化物成矿的地质背景、特征和机制”和“西南印度洋洋中脊热液活动与环境的相互作用”这两个关键科学问题，以洋中脊热液活动和热液成矿过程为主线，从热液成矿作用的热源、成矿热液形成和演化、物质沉淀成矿过程等方面开展深入研究，认识不同类型热源作用下这些过程的机理及其影响因素，综合热液活动的生态环境效应和极端微生物的生物成矿作用等方面的研究成果，全面认识海底热液成矿作用过程和机理，在此基础上，结合多种手段的实地探测资料和西南印度洋超慢速扩张洋中脊热液区时空分布特征进行综合研究，建立探寻和评价热液硫化物矿床的方法和指标。4.2 技术途径根据项目目标、思路和技术路线，总体上按照热液成矿一般过程的空间特点将课题主要研究内容分为五个部分（下图），即：地壳和上地幔深部结构和热源；热液成矿特征和成矿机制；热液羽流特征及其环境效应；热液微生物和生物成矿作用；硫化物矿区特征和找矿标志。各部分实施方案概述如下。1. 地壳和上地幔深部结构和热源研究方案在已取得西南印度洋洋中脊特定区域第一期人工震源（折射/宽角反射）三维海底地震仪台阵的观测资料的基础上，将采用24台宽频带海底地震仪分别开展第二期和第三期的天然地震OBS航次探测。其中，第二期二维台阵观测将沿横穿A区洋脊中部的剖面进行海底原位观测，记录天然地震12个月，第三期二维台阵观测将沿横穿A区洋脊以东洋脊+转换断层组的剖面进行海底原位观测，记录天然地震12个月。运用接受函数方法、SKS横波分裂方法、地震层析成像方法、地震面波成像方法等多种现代地震学方法，对所获得的观测资料进行数据处理，反演研究区地壳及上地幔二维速度结构，查明岩浆源区形态和结构，明确热源，探讨研究区域不同成因洋脊段上地幔和岩浆源区的共性和特殊性。总体研究方案思路和技术途径在国内外研究现状分析的基础上，针对存在的两个科学问题，分别从五个方面开展基于野外观测和室内分析研究的工作，在填补科学空白、取得创新性研究成果的同时，为矿区硫化物资源的预测提供有力支撑。研究工作的第五部分“矿区特征和找矿标志”不仅将以其它四部分作为研究基础，而且还将经过野外和室内的反复实践和验证，直接为矿区硫化物资源预测的目标服务。2. 热液成矿特征和成矿机制研究方案对所取得的西南印度洋洋中脊热液烟囱样品，采用高分辨率显微取样手段进行烟囱体不同部位的样品采集，之后对样品进行矿物、元素和同位素地球化学分析，结合光片和薄片的显微分析，查明烟囱样品的成矿物质来源，重建烟囱体的生长历史。采用室内高温高压实验手段和理论分析相结合的方法，对水岩相互作用过程中成矿金属元素活化、迁移和沉淀成矿的热力学和动力学特征进行分析研究，深入认识超慢速扩张洋中脊基性、超基性岩石背景下热液成矿作用的本质。在此基础上，结合实际观测资料，分析热液活动的强度、成矿特征及其成矿机制。3. 热液羽流特征及其环境效应研究方案以现有的西南印度洋洋中脊A区热液喷口群为基础，采取断面拖曳和一年以上的长期定点锚系相结合的观测方式，设计深拖拖曳站位，在深拖上搭载CTD、浊度计、ADCP或LADCP进行拖曳测量，获取热液喷口海域多尺度过程的高分辨率物理化学参数数据，分析热液喷口海域水文特征分布，判断热液羽流在海水中的上升高度以及可能的传播模式；开展长期锚系观测，获取至少一年以上的流速剖面、温度、盐度、压力、浊度、高分辨率流场观测，得到“区域”局地水文参数的水平和垂向分布特征。特别重要的是，可以得到从潮汐尺度到季节尺度甚至年际尺度的时间变化特征，包括深层环流、内潮、湍流混合多种尺度的动力过程，从而，评估“区域”热通量、物质和动量的输运。在此基础上，采用Puff模型和MTT模型，结合观测资料，模拟热液能量、颗粒物在海水中的传播，探讨水文背景条件对热液物质、能量输运所造成的影响。利用船载CTD采水器、时间序列沉积物捕获器以及颗粒物采样器等手段，采集特定热液区羽流不同时空尺度上的水体和颗粒物样品，采用实验室化学分析和模拟培养相结合的方法，分析羽流中关键化学组分（CH4、CO2、3He/4He、不同结合态Fe、Mn等）时空分布特征，揭示羽流中甲烷和铁的氧化动力学机制；在测定连续时间序列颗粒物化学组成的基础上，计算羽流颗粒物及其化学物质的通量；结合羽流物理海洋特征、地形地貌及地质条件，阐述羽流关键元素生物地球化学过程及其响应机制，评估热液羽流的环境效应。4. 热液微生物和生物成矿作用研究方案获取具有理化梯度的热液羽流、硫化物和氧化物样品，通过提取环境DNA, 采用454、Solexa等最新的高通量测序技术对微生物16S rRNA、宏基因组、转录组和代谢组进行大规模测序并重组，以及生物信息学等手段，在分析微生物群落结构及多样性、基因图谱和主要代谢途径的基础上，对环境中特定功能基因进行扩增及多样性分析，富集和分离培养参与硫循环、金属氧化还原过程中的菌群，分析特定菌株的功能基因及代谢途径；了解热液生境中微生物的分布与不同矿物组成之间的关系，认识微生物在超慢速扩张洋中脊热液成矿过程中的作用。5. 硫化物矿区特征和找矿标志研究方案以大洋17、19、20、21航次和后续航次的调查资料和样品为基础，综合运用地球物理、地质、地球化学和数值计算等方法，深入分析西南印度洋洋中脊热液区的地球物理、地质和水文等多方面的资料，探讨地形地貌、断层分布、应力场等各种因素对热液区分布的影响，建立西南印度洋超慢速扩张洋中脊多金属硫化物区的位置、规模、结构和组成等与地质构造和地球物理特征之间的联系，探索西南印度洋超慢速扩张洋中脊多金属硫化物区的找矿标志和找矿模式。4.3 创新点和特色1. 首次在西南印度洋洋中脊开展天然地震二维海底地震仪台阵试验，揭示超慢速扩张洋中脊的深部构造和热源，完善板块构造理论洋中脊深部构造和热源的研究目前主要集中在快速、中速和慢速扩张洋中脊，对于北极Gakkel Ridge和西南印度洋这类超慢速扩张洋中脊则研究程度较低。但是有限的研究认为，西南印度洋洋中脊可能代表了一类新的板块边界。本项目选择国际上研究极为薄弱的超慢速扩张的西南印度洋洋中脊作为研究区域，将首次实施天然地震二维海底地震仪台阵试验，以查明西南印度洋洋中脊的地壳和上地幔的结构以及岩浆源区的形态和结构等。至今在全球65,000公里长的洋中脊系统仅有美国地震学界于1993年在超快速扩张的南东太平洋洋中脊（17S）开展过唯一一次针对上地幔部分熔融区的OBS台阵探测“Melt Experiment”。本项目的研究成果不仅将揭示超慢速扩张洋中脊的深部构造和热源，了解热液循环的驱动力，而且必将有助于深入了解全球洋中脊的深部构造和热源，完善板块构造的理论框架。2. 首次开展超慢速扩张洋中脊热液成矿模型的建设，为我国矿区圈定提供关键的科学依据，为陆地块状硫化物矿床的勘探提供借鉴尽管热液活动发现至今已经有三十多年，但是超慢速扩张的西南印度洋洋中脊上的热液活动直到2007年才在国际上首次由中国科学家发现，迄今人们对超慢速扩张洋中脊上热液活动的特征和成矿机制知之甚少。同时，由于海底多金属硫化物的产出环境极为复杂，目前，即使是热液活动研究程度较高的东太平洋海隆和大西洋中脊，对于海底多金属硫化物找矿标志和矿区评价方面的研究尚处于起步阶段。本项目从热液来源和演化、成矿过程和成矿机理、多金属硫化物矿体的特征等展开多学科交叉研究，构建国际上首个基于超慢速扩张背景的多金属硫化物成矿模型，不仅可以揭示认识超慢速扩张洋中脊热液活动的特征和成矿机理，满足我国在国际海底硫化物矿区圈定的重大需求，而且将丰富全球洋中脊多金属硫化物的成矿机理，为人类寻找和发现更多的海底热液硫化物资源提供理论基础。与陆地上早已停止活动的同类型火山块状硫化物矿床不同，大洋中脊正在活动的热液成矿系统，是成矿作用研究的“天然实验室”，多金属硫化物成矿模型的构建还将为陆地上块状硫化物矿床的勘察提供借鉴。3. 运用多学科交叉手段，尝试建立热通量模型，揭示超慢速扩张洋中脊生物-地质的耦合过程超慢速扩张洋中脊具有独特的地质构造背景，在这一区域，生物化能合成作用的能量来源不仅可能来自深部的岩浆供给，而且可能来自超基性岩蛇纹石化反应释放的能量。这种与较快速扩张洋中脊存在明显差异的热液系统，热液活动释放的热通量有多少？支持了何种生态系统？这种生态系统对热液成矿的作用如何？至今人们的认识几乎是空白。本项目将运用地质、地球化学和微生物学多学科交叉手段，回答这一问题。建立的基于超慢速扩张背景下的全球首个热通量模型，将有助于深入认识热液活动的环境效应及其对全球气候变化的影响；同时，对生物-地质耦合作用的研究成果还将有助于完善热液成矿理论。4. 借助多种先进的技术手段，大量开展野外原位观测实验工作本项目的另一大特色是将开展大量的野外原位观测实验工作，除借助中国大洋矿产资源研究开发协会的先进科考船以外，还将通过国际合作等多种形式获得多种先进仪器设备，如海底地震仪、多参数传感器拖体、模块化声波速度仪、水下机器人等，在此基础上，获取大量的第一手宝贵数据和样品，为本项目的成功奠定坚实的基础。4.4 可行性分析（1）前期工作基础扎实，研究实力较强，拥有一支长期从事海底热液系统研究的中青年研究队伍本项目汇集了目前国内（含港澳台地区）研究海底热液系统的主要科研力量。各参加单位和人员长期从事与海底热液系统相关的理论研究工作，积累了深厚的研究经验，研究领域涉及地球物理、地球化学、矿床学、物理海洋、海洋生物等多个学科和领域，为本项目的顺利实施打下了坚实的理论研究基础。项目组成员先后承担过国家重大基础专项（973项目）、国家自然科学重点/面上基金、国家863项目以及大洋专项等项目，具有深厚的研究工作积累；研究团队是一支年龄结构合理、专业知识互相匹配的、以中青年学术带头人为主的精干队伍；项目实施过程中还将有多位院士参加课题指导，可保证本项目研究的顺利开展。（2）调查和研究设施保障得力本项目承担单位掌握一批先进的调查和研究设施。中国大洋矿产资源研究开发协会管辖的“大洋一号”船配备较为先进的科学考察设备（包括ROV、多波束、单道地震、重力/磁力仪、电视抓斗、CTD、地质拖网、MAPER、METS、ADCP、ADV等），能够为本项目的开展提供船时、野外调查与实验以及研究所需样品的保障。此外，项目承担单位还拥有OBS综合台阵探测试验所需的OBS仪器，其中国家海洋局第二研究所拥有5台宽频带海底地震仪，其余所需的OBS将由法国IPGP Satish Singh教授提供。本项目参加单位与之具有良好的合作关系，曾于2010年在西南印度洋进行过合作研究。项目的研究依托于教育部、国家海洋局、香港科技大学等有关部门和单位的国家以及省部属重点实验室，研究条件良好，具备项目开展所需的各种仪器、设备以及基础研究条件，为本项目研究工作的顺利开展和创新性成果的获取提供了强有力的保障。（3）科学目标明确，技术路线可行项目以西南印度洋超慢速扩张洋中脊特定区段热液成矿系统为研究对象，瞄准国际上海底热液系统研究的薄弱区域，针对“成矿地质背景、特征和机制”以及“热液活动和环境的相互作用”两个前沿科学问题展开研究，并寻求创新性突破，学术思路清晰，科学目标明确。项目紧密结合我国“海底多金属硫化物矿区的区域放弃工作”这一国家重大需求，利用多金属硫化物资源调查的大洋考察航次，可以保证本项目的数据采集和研究所需的材料，辅以室内的模拟、测试和分析，从而确保研究工作的顺利开展。（4）开展卓有成效的国际合作与交流，确保创新性成果的获取本项目的研究团队成员与国外相关研究机构长期保持着密切的合作关系，本项目将充分利用这些国际合作，增强项目的研究基础和技术支撑，提高项目的研究水平，确保创新性成果的获取。针对本项目将要开展的热液羽流热通量和颗粒物通量变化的研究，项目组将与美国伍兹霍尔海洋研究所的林间教授展开合作，他将为热液羽流的探测提供模块化声波速度仪，并为后期数据的处理和解释提供支持。同时，本项目还将针对热液成矿作用的物质来源与控矿构造的研究，与伍兹霍尔海洋研究所的著名岩石学专家Henry Dick教授展开合作；针对热液的形成和演化研究，与美国华盛顿大学的知名海底热液研究专家Marvin Lilley教授展开合作；针对热液硫化物矿床的找矿指标和评价方法的研究，与美国夏威夷大学的矿床评价专家Charles Morgen教授展开合作。鉴于本项目是我国首次在超慢速扩张的西南印度洋深海海底开展被动源（天然地震）二维海底地震仪台阵观测，为确保本项目OBS试验的顺利进行和高水平成果的获取，除了继续和已有良好合作关系的法国IPGP的Satish Singh教授保持合作外，还将与美国华盛顿大学地球科学系主任、具有十几次OBS航次经验的OBS专家Douglas A. Wiens教授建立合作关系。Satish Singh教授将为本项目提供所需的OBS，Wiens教授将为OBS数据的处理和解释提供软件，这些合作将为本课题OBS航次的成功实施和航次后数据的分析与地壳和上地幔结构的反演等提供支持和保障。针对热液区微生物的多样性和生物成矿作用的研究，将与美国哈佛大学的RobertKolter教授和Scripps海洋研究所的WilliamsFenical和PaulJensen教授展开国际合作。此外，项目组成员与欧洲海洋研究中心（IUEM，其整合了法国国家海洋研究所Ifremer、法国国家科学研究中心CNRS和西布列塔尼大学UBO的优秀海洋微生物科学家的力量）的极端微生物实验室（UMR6197）以及日本海洋科技中心（JAMSTEC）已建立了长期的合作关系，主要的合作领域涉及深海微生物样品保藏技术、深海热液区嗜热菌和嗜压菌的分离培养、共生微生物等方面。项目组成员可以通过这些国际间的合作研究，提高研究水平，并创造出特色。4.5 课题设置课题间关系针对项目的目标、所要解决的关键科学问题和主要研究内容，本项目按照洋中脊热液成矿过程（形成、演化、输运、成矿）基础研究、热液环境效应研究、最终到以与区域放弃和圈矿直接相关的研究的总体思路进行课题设置，拟设置五个课题，列举如下：课题一：地壳和上地幔深部结构和热源；课题二：热液成矿特征和成矿机制；课题三：热液羽流特征及其环境效应；课题四：热液微生物和生物成矿作用；课题五：硫化物矿区特征和找矿标志。其中，课题一和二主要从地球物理学和地球化学的角度，从机理上回答超慢速扩张洋中脊热液成矿的可能性及其潜在价值；课题三和课题四主要从物理海洋学、生物学及生物地球化学的角度，具体研究成矿环境对成矿过程的影响及其产物特征，包括成矿物质沉淀以及硫化物成矿后的改造；课题五的主要目标是根据所取得的对热液成矿作用的认识，采用地质学、地球物理学、地球化学等多种野外勘查手段和室内研究方法，建立探寻和评价热液硫化物矿床的方法和指标。每个课题各有侧重，课题之间相互配合、环环相扣、联系紧密。通过上述五个课题的研究，解决“超慢速扩张洋中脊热液硫化物成矿的地质背景、特征和机制”和“西南印度洋洋中脊热液活动与环境的相互作用”两个关键问题，提出在超慢速扩张洋中脊背景下热液硫化物成矿模型（成矿潜力）、评价依据和指标（成矿过程和产物特征）以及找矿标志和找矿模式，实现本研究的预期目标。课题设置思路与相互关系示意图该图是根据已有的国内外研究认识，加上我们的初步工作及已有野外作业条件构想的地质、地球物理成矿概念和工作设想，将整个热液系统和资源预测分成五个课题进行研究。课题一研究深部结构和热源；课题二研究热液和成矿作用；课题三研究特殊海底条件下的羽流特征；课题四研究硫化物、氧化物和热液羽流中的微生物及其成矿作用；课题五是在前四个课题基础上再通过多种精细的调查，直接为资源预测服务。课题1：地壳和上地幔深部结构和热源研究目标：本课题拟通过对西南印度洋洋中脊特定洋脊段进行海底地震仪台阵综合试验研究，探测该地区的地壳和上地幔结构，监测洋脊附近小地震活动与分布，重点研究该洋脊段的岩浆源区结构和地壳内岩浆房是否存在等悬而未决的重要问题，认识该区域温度场、热源类型及其热液供给特征，为项目研究提供最基础的地质与地球物理资料。研究内容： 地壳结构和岩浆房（OBS航次后数据处理与分析反演）对2010年2月份成功完成的（第一期）人工震源（折射/宽角反射）三维海底地震仪台阵的观测资料进行分析、处理，反演获得该区的地壳和上地幔的三维地震波速度结构，论证地壳内岩浆房的存在与否。 上地幔结构和岩浆源（OBS航次实施与航次后反演）计划在A区洋脊和以东洋脊+转换断层组研究区，先后分别实施两次（第二、三期）天然地震OBS航次探测。揭示该超慢速洋中脊地幔地震波速度结构，包括岩浆源区形态和结构，探讨超慢速扩张洋中脊地幔受Marion地幔柱影响的因果关系，厘清各研究区域上地幔和岩浆源区的共性和特殊性。经费比例：17%承担单位：北京大学、国家海洋第二海洋研究所课题负责人：陈永顺学术骨干：盖增喜、张海明、王彦宾、阮爱国课题2：热液成矿特征和成矿机制研究目标：本课题拟通过对热液硫化物烟囱样品进行结构构造、矿物学、包裹体、元素及同位素地球化学研究，揭示热液成矿物质来源，阐明烟囱体的生长机制和生长历史。在此基础上，运用模拟实验手段，研究水岩相互作用的热力学特征，并通过与快速扩张洋中脊热液成矿过程和特征的对比性研究，揭示不同热源条件下成矿热液的形成演化过程和机理以及硫化物沉淀的原因，深入认识热液成矿作用的机制。研究内容： 成矿物质来源研究通过对烟囱体样品开展矿物学、元素和同位素地球化学分析，研究区域热液成矿物质的来源。 烟囱体生长机制和生长历史研究通过对烟囱体样品结构构造、矿物分布和包裹体的分析，研究烟囱体的生长机制，重建烟囱体及其深部热液的生长和演化历史。 水岩相互作用及金属元素活化的动力学研究开展基性、超基性岩石与不同组成特征的热液的相互作用的模拟实验研究。对比实际样品的围岩蚀变特征，认识海底热液活动不同阶段的水岩相互作用及其对成矿热液形成和演化的意义。探索研究水岩相互作用过程中特定金属元素活化的机理、反应速度及其影响因素，认识不同地质背景条件对水岩反应形成成矿热液的制约。 流体中金属元素形成硫化物沉淀的热力学制约研究研究不同温度和压力条件下流体中金属元素的稳定性以及金属与硫结合形成硫化物沉淀的有利条件，认识海底热液流体成矿的一般过程及其环境制约。本课题经费比例为34%（其中含航次费13%）。经费比例：34%承担单位：同济大学课题负责人：周怀阳学术骨干：彭晓彤、杨群慧、季福武、王虎、李江涛、吴正伟课题3：热液羽流特征及其环境效应研究目标：本课题拟针对西南印度洋洋中脊深层水流速快、混合强的特点，通过布放拖体和长期锚系进行原位监测和采样分析，研究活动热液区热液羽流的动力过程和分布特征，估算热通量和颗粒物通量，分析羽流中化学组分在不同时空尺度上的分布，揭示热液羽流中关键元素生物地球化学循环过程及机制，评估热液羽流的环境效应。研究内容： 西南印度洋洋中脊热液羽流的分布及动力过程对西南印度洋热液羽流开展流场、温度、盐度以及湍流混合等多物理量、多尺度过程的同步连续观测，分析各物理参数与背景场之间的差异值，提出超慢速扩张洋中脊热液羽流影响区域的判定标准；研究羽流区水文动力过程，分析超慢速扩张洋中脊热液羽流区域在时空上的变化规律及其原因。 热液喷口群源区的热通量和颗粒物通量估算利用本项目中所获得的西南印度洋洋中脊活动热液喷口群深水区地质地球物理资料及水文背景资料，计算热液喷口群在热液物质传播的不同阶段所释放的物质和热通量；建立热液物质传播的动力学模型，模拟喷口群的热液颗粒物的传播规律，反演获得热液源释放的热通量，并与观测结果进行比较。 热液羽流中关键元素生物地球化学过程选择Fe、C等关键元素为研究对象，通过分析羽流甲烷、颗粒有机碳、不同形态铁的时空分布，结合羽流的物理海洋变化特征和微生物分布，阐明羽状流的元素迁移转化机制。经费比例：17%承担单位：国家海洋局第二海洋研究所、同济大学课题负责人：梁楚进学术骨干：傅斌、吴自军、张艳伟、周蓓峰、刘晓辉课题4：热液微生物和生物成矿作用研究目标：本研究拟结合各种物理化学环境因子，通过分析热液羽流、硫化物和氧化物中的微生物群落结构，找出超慢速扩张洋中脊的热液微生物特征与典型代谢途径，揭示海底热液微生物群落结构及其与环境的相互关系，获得参与成矿过程的微生物，分析微生物在西南印度洋超慢速扩张洋中脊热液区的成矿作用，探索生物学指标对热液矿床勘查评价的指示意义。研究内容： 西南印度洋洋中脊热液区微生物群落结构研究以热液羽流、硫化物与氧化物为研究对象，结合矿物学的研究方法（XRD、EDS、SEM），获取样品的矿物组成及元素特征信息（相关工作由第二第三课题组实施）。对不同性质的样品提取环境总DNA，进行大规模测序，构建微生物群落的系统发育进化树，确定西南印度洋超慢速扩张洋中脊热液羽流和硫化物等典型生境中的微生物种群及其丰度，分析微生物群落特征与环境参数之间的关系。 西南印度洋洋中脊微生物在成矿过程中的作用研究以热液羽流、硫化物和氧化物为研究对象，获得参与成矿过程的微生物，分析其在特定成矿环境中的丰度及与矿物代谢相关的机制，了解其在矿物形成和演化过程的作用，为寻找和评价多金属硫化物矿床资源提供依据。 西南印度洋洋中脊微生物宏基因组学的比较研究开展西南印度洋洋中脊热液区典型生境样品的宏基因组研究，并与其它热液区进行比较宏基因组学研究，了解西南印度洋超慢扩张洋中脊微生物与矿物形成演化相关的功能基因、代谢途径，研究热液微生物在热液生态系统及成矿过程中的作用。经费比例：17%承担单位：广州市香港科大霍英东研究院、国家海洋局第三海洋研究所课题负责人：钱培元学术骨干：曾湘、李安安、徐颖、王勇、张桂山、姜丽晶课题5：硫化物矿区特征和找矿标志研究目标：运用地球物理、地质、地球化学和数值计算等方法，结合上述四个课题的研究成果，开展西南印度洋洋中脊热液区分布特征研究，建立超慢速扩张洋中脊多金属硫化物区的找矿模式，探讨多金属硫化物资源的评价方法，为我国在国际海底区域的多金属硫化物矿区圈定服务。研究内容： 西南印度洋洋中脊热液