熱液過程

熱液過程，亦稱“海底熱液循環”（submarine hydrothermal circula）。指海水通過岩石裂隙或構造斷裂帶滲入海底地殼深層，並同地殼岩石發生化學成分交換。下滲的海水被地下岩漿房或未冷卻的玄武岩加熱後，上升並以海底熱泉形式噴出海底。噴出的熱液在微量元素組成和大多數金屬元素（例如，Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Hg、Ni和Co等）含量上，與一般海水有很大的差異。由於環境條件（例如温度、Eh值和pH值等）的突然變化，熱液發生沉澱，從而在熱液噴口附近形成熱液沉積物——多金屬軟泥或塊狀金屬硫化物。迄今所發現的海底熱液活動，主要分佈在大洋中脊、弧後擴張型盆地內，以及深大斷裂帶。例如，大西洋中脊的TAG海區（26－30°N）、Famous海區（36－37°N）、Snakepit海區（23°N）、Romaneche斷裂帶等；東太平洋海隆的11°N、13°N、21°N熱液區、科隆（Galapagos，加拉帕戈斯）擴張中心（86°09′W）、JuanbeFuca斷裂帶（45－49°N）以及Bauer盆地的轉換斷層帶（10°S，100°W）等；印度洋的Aden海灣和Carlsberg洋脊處（9°N）等；此外，還有馬里亞納海盆、沖繩海槽等弧後盆地和紅海中央裂谷等。 ^[1] 

現代海底具有超過55000km的洋中脊系統和22000km的島弧系統，其內部均不同程度地存在着熱液活動。熱液系統的重要組成因素有熱源（熔漿或者初凝的岩石）、多孔介質（具有斷層或者裂隙的火山岩洋殼）以及貫穿這一系統的流體（海水）。熱液流體的成分反映了一系列因素的共同作用：原始的海水成分、與流體相互作用的作為基岩的成分以及結構（例如裂縫或孔隙的分佈、柔性/剛性轉換面的深度等）以及熱源的深度、尺寸、形狀等。這些因素影響着熱液循環的深度、規模，決定着該體系中水巖相互作用發生時的温度、壓力，同時還控制着是否出現相分離。另外，按前人的劃分，當流體在圍巖中循環時，首先在海水下滲的通道區域，即補給區（recharge　zone）發生低温水巖反應，隨後進入深度最大、温度最高的部分，即反應區（reaction　zone），最後成為高温的具浮力的熱液流體通過上升區（discharge　zone）以較快的速度排出海底。下面按照不同熱液區的熱液循環特徵予以簡要總結。 ^[2] 

補給區洋殼的主要熱液過程包括低温下的氧化、鹼金屬和Mg的固定、硬石膏的形成以及高温下鹼金屬的淋濾。

（1）洋殼的氧化與鹼金屬的固定：氧化性較強的海水和洋殼接觸首先發生低温蝕變，使基岩中的橄欖石和硫化礦物被鐵的氧/羥化物所取代，並填充在岩石的裂隙中，同時鹼金屬（K、Rb、Cs、B等）進入綠鱗石或綠脱石中；

（2）Mg的固定：當海水進入更深的洋殼且被加熱到約150℃時，Mg會以粘土礦物形式從流體中沉澱下來，在低於或高於200℃兩種情況下分別形成富Mg蒙脱石和綠泥石，同時岩石中Ca被淋濾出來以保證溶液的電荷平衡；

（3）硬石膏的沉澱：硬石膏的溶解度隨温度的上升而降低，當温度達到150～200℃時，海水中幾乎全部的Ca和大約2/3的硫酸根就會形成硬石膏的沉澱；

（4）鹼金屬的高温淋濾：隨着温度的升高（>150℃）岩石中的鹼金屬開始被淋濾出來，導致高温熱液中鹼金屬的含量要遠高於海水。 ^[2] 

反應區內海水和岩石的反應決定着熱液流體的最終化學組成。而相分離作用是最重要的一個因素。當該區温度和壓力一旦超過了海水臨界點，熱液就會分離成低鹽度的蒸汽相和滷水相，揮發性組分（例如H₂S）會優先進入蒸汽相，滷水相因為密度較大留在系統的裂隙中。相分離作用直接導致絕大多數熱液流體中Cl元素含量和正常海水相比常常有很大差異，從而導致可溶性金屬元素含量的波動，這是由於高温流體中大多數金屬元素的遷移是以與Cl元素結合成絡合物的方式進行的。此外，熱液循環過程中岩漿脱氣組分（例如³He、CO₂、CH₄和H₂）的加入也能影響流體成分。在一些島弧或弧後擴張系統中，由於岩漿富含Si和H₂O，其熱液流體的pH值更低，並且具有岩漿來源的SO₂。這些與島弧以及弧後有關的熔漿流體還可以向熱液流體提供額外的金屬元素（例如Cu、Zn、Fe、As、Au等）。 ^[2] 

反應區中相分離的作用使熱液流體與海水相比具有很大浮力，因此能迅速噴出海底。上升區分為集中流區和彌散流區。集中流的上升通道通暢且可能直接與深部反應區連通，能更快速地噴出海底，而彌散流由於噴發前和海水能發生不同程度的混合，温度低，浮力小，噴出的速度慢，且無法形成黑煙囱結構，但能形成分佈範圍更廣的含金屬沉積物（metal－liferous　sediments）或Fe－Mn氧化物殼層。上升區岩石中常常出現Mg虧損和Ca富集的特徵，蝕變過程的水巖比較大（約500～1000），表明熱液流體在噴出海底過程中同樣與岩石發生了離子的交換。

值得指出的是，儘管對於以玄武岩為圍巖的熱液系統已進行了詳盡的實驗研究、理論推導以及野外考察，但對於其他類型的圍巖熱液系統卻仍缺乏瞭解，比如對於安山岩、流紋岩、英安巖（存在於弧後盆地、裂谷島弧以及海底火山島弧中）、橄欖岩（沿部分慢速擴張洋脊分佈）甚至沉積物等。在較低的水巖比（<5）條件下安山岩－海水相互作用的模擬結果表明，除了產生的流體富Ca、Mn、Si、Fe外，蝕變礦物的類型組合與玄武岩－海水相互作用時導致的結果類似。例如安山岩地區獲得熱液流體組分中具有更多的微量元素（例如Zn、Cd、Pb、As），但是常常具有低pH值，給人們正確解釋此種現象造成了困難，因為這些低pH值流體可能反映了岩漿中揮發性組分（例如岩漿來源的SO₂）的貢獻。 ^[2] 

海水與洋殼相互作用可形成2大類沉積體：以金屬硫化物、硫酸鹽甚至碳酸鹽為主的近噴口熱液沉積體和遠離噴口的富金屬（Fe、Mn等）沉積物。這種劃分反映了不同來源和類型的熱液物質的貢獻：近噴口熱液沉積體由各種各樣的煙囱體和熱液丘組成，由中－高温的集中流形成；而遠離噴口的含金屬沉積物主要由低温彌散流和熱液羽流以及熄滅的硫化物煙囱體的風化垮塌形成。對於前者，發現的佔絕對主體的為金屬硫化物堆積體，以硫酸鹽、碳酸鹽甚至硅酸鹽為主的實例也有所發現，但遠不如金屬硫化物普遍和重要。 ^[2] 

Lost　City熱液場位於Atlantis地塊（～30°N）的大西洋中脊上，距離軸線中心約15km，該熱液系統圍巖由地幔岩石（橄欖岩與蛇紋岩）以及輝長岩組成，最早於2000年由Alvin發現。Lost　City熱液場發現的流體成分與洋中脊及弧後盆地熱液具有非常明顯的差異，表現為高pH值（約為10～11）、低金屬和硫化物組分，其温度也明顯低於其餘地區的熱液流體，最高僅為91℃（Kelley，2005）。發現的沉積體主要由高大（可達60m）的煙囱體及側翼結構構成。由於端元流體中缺乏金屬和硫化物組分，且温度過低（<91℃），Lost　City煙囱體普遍缺乏金屬硫化物和硬石膏等礦物，相反很高的pH值卻能導致文石（CaCO3）普遍達到飽和狀態，並且大規模沉澱下來，形成主要由文石構成的組分並呈多孔易碎的網狀構造，外面覆蓋着氫氧鎂石（Mg（OH）₂）。基於14C定年知，LostCity的熱液活動已經持續了約30000年。

通常認為Lost　City熱液場的流體、相關的沉積物以及所支持的生態羣落的產生所需要的熱量並非來自於岩漿或者熱岩石的冷凝，而在110～150℃時蛇紋石化反應（海水與地幔橄欖岩反應的結果）釋放出的熱量可能是驅動熱液循環的根本原因。但近年來利用理論推導與熱量平衡模型研究後證明蛇紋石化釋放出來的熱量並不足以驅動該系統運轉，深部熔漿或熱岩石的冷卻釋放出的熱量仍是其熱源的最可能來源，這顯示該系統的熱液驅動問題尚需進一步的研究支持。最近，人們在Lost　City熱液場開展了一系列生物地球化學循環的研究，發現即使在大量產甲烷古菌存在的前提下，該系統中甲烷仍主要來源於無機作用。由於超基性岩在地球發展的早期以及太陽系其他類地行星分佈非常普遍，這些發現將有助於人們理解太古代還原性碳對於生物圈的貢獻，同時還有可能為探究地球的早期演化及尋找外星生命提供重要的借鑑意義。 ^[2] 

基於化能無機自養微生物類羣所產生的初級生產力，海底熱液環境支持着獨特的生物羣落。相關研究表明，海底熱液生態系統的運轉依靠地球化學和礦物學系統維持，各種微生物主要通過化能合成自養過程，利用多種無機和有機化學能量生長繁殖。在熱液系統中發生的各種生物、地球化學、地質過程實際上是一個耦合在一起的有機整體。 ^[3] 

超慢速擴張洋脊指擴張速率小於2mm/a的大洋中脊，主要包括西南印度洋洋脊、加克海脊（Gakkel　Ridge）以及一些小海脊（Snow　and　Ed－monds，2007），其長度約佔全球洋脊的25%，其在全球的分佈區見圖5所示。由於種種因素，過去對超慢速擴張洋脊重視程度一直不足，直到近年來才有所改善並逐漸成為當前研究的熱點問題之一。如InterRidge的全球大洋中脊研究10年計劃（2004—2013年）也將超慢速擴張洋脊的調查研究列為主要研究方向的第1位。當前，有關超慢速擴張洋脊熱液系統的新區勘探和研究已進入到一個新的階段，而西南印度洋成為了當前研究的焦點區域。1997年“Fuji”航次率先在西南印度洋脊的東部區域發現了6處熱液異常；2000—2001年“R/V　Knorr162”航次又在西南印度洋脊西部發現了8個熱液異常點。2007年1—3月中國大洋19航次在洋脊49°39′E/37°47′S地區發現了一個熱液噴口羣，拍攝到了正在活動的熱液硫化物煙囱體，並取得了大量硫化物、玄武岩及熱液生物樣品；2008—2010年中國大洋20、21航次在擴展區域又發現了多個熱液系統和異常區，並採集了大量的數據和地質生物樣品。以此為基礎，我國科學家在超慢速擴張洋脊的成礦研究上已處於國際先進水平，並有了一些開創性的成果。與此同時，對北冰洋超慢速擴張脊的調查研究工作也取得了較大進展。迄今，在Knipovich洋脊和Kolbeinsey洋脊上已發現了廣泛的熱液活動的存在；同時，科學家對於Kolbeinsey洋脊Grimsey熱液區的3He、CO2、CH4等痕量氣體的來源進行了研究；2001年“AMORE”航次在加克海脊6°15′W/82°53′N採集到了硫化物煙囱體和8處熱液異常點。 ^[4]