中国科学院深海科学与工程研究所

利用蚀变洋壳绿帘石脉约束海底热液循环过程

文章来源：田丽艳 | 发布时间：2023-03-16

　　海底热液循环可以改变海水和洋壳的化学组成，也会影响洋壳的增生和冷却过程，对于理解岩石圈-水圈的物质和能量循环具有重要意义。作为中-高温热液活动的产物，绿帘石对于沉积热力学环境变化尤为敏感，是探究岩石圈热液循环系统的极佳示踪对象。由于受到温度、水-岩比值等条件约束，洋壳中热液绿帘石脉通常会出现在较深位置（例如在ODP504B钻孔中，绿帘石脉出现在沉积物/基岩界面以下900米），取样难度极大，目前关于热液绿帘石的认知大多来自于陆上蛇绿岩，缺少原位大洋玄武岩中绿帘石的详细研究，极大限制了对海底热液循环系统的认知。

　　中科院深海所田丽艳研究员（通讯作者）、自然资源部第二海洋研究所丁巍伟研究员（共同通讯作者）及团队利用国际大洋发现计划（IODP）368航次在南海初始洋壳区钻探的U1502B钻孔（图1）蚀变玄武岩，首次开展了绿帘石脉的矿物学和原位地球化学研究，约束了南海海底扩张初期海底热液循环系统的蚀变流体类型和化学组成、绿帘石生长环境特征等信息。

图1 IODP 368航次U1502站位位置图

　　本研究发现U1502B钻孔蚀变玄武岩中出现的绿帘石脉破碎严重，具有再胶结现象和环带结构，表明在绿帘石脉形成时，钻孔附近区域构造运动活跃。根据绿帘石的稀土元素和原位Sr同位素组成特征（图2），可以推测U1502B钻孔热液系统的循环流体包括三种类型：（1）改性海水（具有负Ce异常，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = ~0.708）；（2）高温热液（具有正Eu异常，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = ~0.706）；（3）岩浆流体（具有负Eu异常，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = ~0.704），且以高温热液流体为主。

图2 U1502B钻孔热液系统中三种循环流体的地球化学特征

　　此外，单个绿帘石颗粒的元素含量和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值变化（图3）表明在其生长过程中，残余高温热液流体的演化或者后期岩浆流体的补给造成了不同类型蚀变流体之间的混合，形成了绿帘石复杂的稀土分布模式。

图3 单个绿帘石颗粒生长过程中的地球化学特征变化图

　　通过绿帘石脉的岩相学和地球化学特征，结合区域地质背景，本研究认为U1502B钻孔基岩绿帘石脉的形成可能与南海的初始扩张相关。与典型的洋中脊热液系统不同，U1502B钻孔的热液系统以侵入岩墙作为热源，以海底扩张初期在初始洋壳形成的正断层作为流体迁移通道；在侵入岩墙的加热下，高温热液、岩浆流体与改性海水混合上涌在洋壳浅部的热液释放区形成绿帘石脉（图4）。该项工作弥补了利用陆地非原位体系绿帘石示踪热液循环系统的不足；同时也证明了洋壳绿帘石化现象不仅限于洋中脊热液系统，也可以发生在与海底扩张初期拉张活动相关的热液活动中，完善了对于海底热液循环系统的认知。

图4 U1502B钻孔热液系统模式图

　　这一研究成果近期在国际地学期刊Lithos在线发表，论文第一作者为中国科学院深海科学与工程研究所硕士研究生陈凌轩，合作者包括来自自然资源部第二海洋研究所、澳大利亚科学与工业研究组织（CSIRO）、中国地质大学（北京）和浙江大学的研究人员。该项工作得到了国家自然科学基金（41876044，42025601）、海南省重点研发计划科技合作方向项目（GHYF2022009）、海南省自然科学基金（421RC594）等多个科研项目的资助。

　　论文信息：Chen, L., L. Tian*, S.-Y. Hu, X. Gong, Y. Dong, J. Gao, W. Ding*, T. Wu, and H. Liu (2023), Seafloor hydrothermal circulation at a rifted margin of the South China Sea: insights from basement epidote veins in IODP Hole U1502B, Lithos, 444-445, 107102, https://doi.org/10.1016/j.lithos.2023.107102.

研究进展