南大西洋中脊26°S熱液區煙囪體礦物學研究

邵明娟，楊耀民，蘇 新，葉 俊，石學法

(1.中國地質大學(北京)海洋學院，北京 100083；2.國家深海基地管理中心，山東 青島 266061；3.海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

自從1977年在加拉帕戈斯群島發現海底熱液噴口至今，在全球洋底已經確定了300多處熱液噴口，其中165處具有較高的資源量。預測在大洋中脊、島弧以及弧后盆地形成的塊狀硫化物的資源量可達6×108t，其中包括3×107t的銅和鋅，這與陸地新生代塊狀硫化物礦床開采中所發現銅、鋅的總量相似，具有非常大的資源潛力[1]。

研究表明，慢速擴張洋脊更適合形成大型的熱液硫化物礦床[2]。近30年人們在北大西洋中脊發現了30多個熱液區，也證明了這一點，這也使人們對同為慢速擴張洋脊、地質背景相似的南大西洋中脊的成礦潛力也有期待[2]。

南大西洋中脊26°S熱液區處于大洋中脊軸部地形高點，具有特殊的地質構造背景，是由我國首次發現，也是南大西洋中脊上迄今為止發現的最南端的熱液區。本文首次對該區的硫化物煙囪體進行了礦物學研究，以闡明煙囪體的礦物學特征及其生長過程。

1 地質背景

熱液區位于大西洋中脊25°10′S～26°35′S之間的洋脊段內，該洋脊段長約100km，并以Rio Grande轉換斷層為北界，Moore Fracture構造帶為南界。洋中脊在26°S地區的半擴張速度向西約為19.3mm/a，向東約為16.3mm/a[3]。在該洋脊段的近中點附近的中央裂谷內存在一個火山，其頂部水深約2600m[4]。從該火山向南和向北，裂谷軸部的深度逐漸加深至轉換斷層處深達4100m[5]。研究區位置見圖1。

中國大洋科考22航次第Ⅲ航段攝像資料顯示，研究區位于大西洋中脊26°S中央裂谷內部的火山頂部的兩個火山峰之間洼地內。該處地形起伏相對較緩，熱液區中心可見大量塊狀硫化物、硫化物煙囪殘塊以及個別熄滅的熱液噴口。熱液區周圍大量碎石堆積，碎石之間空隙處可見紅褐色熱液沉積物充填或覆蓋，也可見大量生物貝殼[注]大洋科考DY22航次第Ⅲ航段報告。。

2 樣品及研究方法

本文所使用的樣品都來源于2011中國大洋科考22航次第Ⅲ航段在26°S使用電視抓斗抓取的硫化物樣品，取得樣品的坐標為13°W，26°S，水深為2545m。

樣品為為煙囪壁碎片(圖2)，新鮮斷面具明顯的三層結構，外層灰白色，灰綠色，厚3.5～4cm，致密，礦物顆粒較細，膠狀結構，主要礦物組成為黃鐵礦、白鐵礦、少量黃銅礦，無定形硅。中層厚度變化在5～6cm，灰色，較外層疏松，顆粒總體較外層大，從外壁向內，顆粒變大，黃銅礦逐漸富集。最內層厚度在1cm左右，主要為黃銅礦，大顆粒。

對南大西洋26°S熱液區所獲取的硫化物樣品磨制了光片，利用光學顯微鏡，電子探針對光片進行了礦物組成、結構構造、成礦期次分析。

圖2 煙囪體碎塊手標本照片

3 礦物學特征

本文所研究的樣品是一個煙囪壁碎片，具有明顯的層狀構造、孔洞構造，能夠體現煙囪體連續成長過程及熱液活動的環境變化。

按照礦物組成，該樣品從外到內依次為3類：外部富Fe型硫化物、中部Fe-Cu型硫化物和內部富Cu型硫化物。礦物組合見表1。

表1 南大西洋中脊26°S熱液區硫化物礦物組合

外部富Fe型硫化物：主要礦物由膠狀黃鐵礦、黃鐵礦和白鐵礦組成。樣品的最外部為膠狀黃鐵礦、白鐵礦集合體(圖3a)，都被無定形硅膠結交代。在膠狀黃鐵礦、白鐵礦集合體之間的縫隙中有時會有后期沉淀的粒狀黃鐵礦(圖3a)，粒度從10μm到200μm。向內是韻律層狀的黃鐵礦，層間為膠狀黃鐵礦、無定形硅和一些雜質(圖3b)，黃鐵礦的表面非常不平整，小的溶蝕空洞很多。這些韻律層狀黃鐵礦呈不標準的同心圓環形，有時獨立存在，有時互相溶蝕(圖3b)。大片的韻律層狀黃鐵礦之間，有時會發育粗粒他形、粒狀自形黃鐵礦，并開始發現粒狀他形黃銅礦。

中部Fe-Cu型硫化物：主要礦物為黃鐵礦、黃銅礦，微量微粒閃鋅礦。該類樣品中，黃鐵礦，黃銅礦含量大致相當。開始出現自形、晶形良好的粗粒黃鐵礦(圖3c)，粒度能達到200μm。晶形良好的黃鐵礦中有閃鋅礦星出溶(圖3d)，其粒度可從幾微米到20μm。

內部富Cu層硫化物：主要礦物為黃銅礦、黃鐵礦。黃銅礦片狀，表面光滑(圖3e)，黃鐵礦含量相對較少。可見圓形、橢圓形的管狀疑似生物遺跡構造(圖3f)，直徑約為300～500μm，管壁為膠狀黃鐵礦，管道內部充填了大量細粒，粗粒黃鐵礦，并被后期的無定形硅所膠結，管道外壁常被黃銅礦增生包圍。

總體來看，從外部富Fe型硫化物到中部Fe-Cu型硫化物，再向內到內部富Cu型硫化物，黃銅礦含量逐漸增高，黃銅礦表面也由不平整趨于平滑，由原來的他形細粒到自形粗粒，粒度從幾十微米變為幾百微米。

根據硫化物的礦物組成及結構特征，可以認為三種硫化物形成于同一個成礦期，并可以將該成礦期分為三個成礦階段：即富Fe硫化物階段，Fe-Cu硫化物階段和富Cu硫化物階段。

第一階段：主要礦物組合為黃鐵礦-白鐵礦，礦物的生成順序為膠狀黃鐵礦-白鐵礦-細粒黃鐵礦-細粒黃銅礦。

第二階段：主要礦物組合為黃鐵礦-黃銅礦，礦物的生成順序為細粒自形黃鐵礦-細粒他形黃銅礦-粗粒黃鐵礦-粗粒黃銅礦。

第三階段：主要礦物組合為黃銅礦-黃鐵礦。礦物的生成順序為細粒黃鐵礦-粗粒黃銅礦-銅藍。

圖4 南大西洋26°S熱液區硫化物的礦物成礦序列

4 討論

4.1 煙囪體生長過程

根據硫化物樣品礦石和礦物的組成、結構和構造，可以恢復南大西洋中脊26°S熱液區硫化物的形成過程。首先早期的熱液流體和海水迅速混合形成了膠狀黃鐵礦的外殼，此時，煙囪體外壁具有很多空隙，海水能夠滲透入煙囪體和熱液流體進行混合。無定形硅在煙囪體外壁通過傳導冷卻沉淀并交代早期形成的Fe硫化物。隨著富Fe型硫化物外壁的形成以及無定形硅的膠結，煙囪體外壁的孔隙度減小，海水向內的滲透、混合作用減弱，無定形硅停止沉淀，煙囪體內部熱液流體的溫度逐步升高，從煙囪體外壁向內沉淀粒狀黃鐵礦，細粒他形黃銅礦，在晶形良好的黃鐵礦中出現閃鋅礦星，隨著溫度的進一步升高，粗粒自形黃銅礦開始在自形黃鐵礦的外部包裹沉淀。

在熱液區黑煙囪形成的過程中,早期所形成的硫酸鹽礦物(如重晶石、硬石膏等),當溫度高于150℃時，便容易被溶蝕，被溶蝕后形成的空間被后期形成的硫化物所充填或交代。研究區所獲取樣品中，整體缺少在黑煙囪中普遍存在的硬石膏，這可能是由于：煙囪體停止活動，溫度降低，導致了硬石膏溶解[6]；樣品整體缺少硫酸鹽為主的成礦階段；由于樣品來源于同一抓斗，可能代表不了該熱液區的全部特征。

與太平洋海隆理想煙囪生長模式相對比[11]，26°S熱液區煙囪體樣品發育第5、6礦物相，即黃銅礦相和黃鐵礦相。Graham研究認為，發育成熟的煙囪應由礦物相6、7、8組成，具有較大的、開放的通道，礦物單一，發育良好的單礦物組成的黃鐵礦帶、黃銅礦帶、斑銅礦帶，具有較高的硫化物/硫酸鹽、Cu/Fe以及Fe/Zn比值的特征[11]。因此推測26°S熱液區的煙囪發育已較為成熟。

4.2 生物遺跡

從樣品的顯微照片中可以發現(圖3f)，26°S熱液區硫化物中存在保存較完整的管狀疑似生物遺跡。這種管狀生物遺跡是由多種管狀蠕蟲形成的，在各個大洋的各熱液區都觀察到過，如大西洋的TAG、Broken Spur熱液區等[12-13]，太平洋的胡安德夫卡熱液區、北斐濟熱液區等[14-16,10]以及印度洋的MESO熱液區[14,17]。

26°S熱液區的煙囪體的外部和內部發育管狀生物遺跡，管道內部都發育膠狀黃鐵礦，被無定形硅充填膠結，大部分的管道還保持有完整或半完整的管道形態。管道形成后，成為熱液流體的通道，使當時的熱液流體在通道內沉淀結晶。管道內部只有膠狀黃鐵礦和無定形硅，說明了管道形成于煙囪體形成初期，溫度較低時。管道形成，礦物充填后，阻斷了后期的高溫熱液的進入。煙囪體內部富Cu硫化物中也發育有大量的管狀生物遺跡，這些生物遺跡的管道內部是膠狀黃鐵礦，被無定形硅膠結充填，外壁已經被黃銅礦交代，代表了熱液流體溫度的驟然升高，熱液環境的不連續變化。

5 結論

1)南大西洋26°S熱液區煙囪體樣品主要是由硫化物礦物組成，僅含少量的無定形硅。根據礦物組成，可以將該熱液區硫化物樣品分為三類：富Fe型硫化物、Fe-Cu型、富Cu型硫化物。

2)根據礦物組合及結構構造特征，可以將26°S熱液區硫化物成礦的成礦期次分四個階段：富Fe硫化物階段、Fe-Cu硫化物階段、富Cu硫化物階段以及海水混合期。

3)根據Graham的太平洋海隆煙囪理想生長模式，推測26°S熱液區煙囪發育較成熟。

致謝：感謝參加大洋科考22航次第Ⅲ航段的所有科學家和船員！

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