利用蝕變洋殼綠簾石脈約束海底熱液循環過程
文章來源：田麗艷 | 發布時間：2023-03-16 | 【打印】 【關閉】
海底熱液循環可以改變海水和洋殼的化學組成，也會影響洋殼的增生和冷卻過程，對于理解巖石圈-水圈的物質和能量循環具有重要意義。作為中-高溫熱液活動的產物，綠簾石對于沉積熱力學環境變化尤為敏感，是探究巖石圈熱液循環系統的極佳示蹤對象。由于受到溫度、水-巖比值等條件約束，洋殼中熱液綠簾石脈通常會出現在較深位置（例如在ODP504B鉆孔中，綠簾石脈出現在沉積物/基巖界面以下900米），取樣難度極大，目前關于熱液綠簾石的認知大多來自于陸上蛇綠巖，缺少原位大洋玄武巖中綠簾石的詳細研究，極大限制了對海底熱液循環系統的認知。
中科院深海所田麗艷研究員（通訊作者）、自然資源部第二海洋研究所丁巍偉研究員（共同通訊作者）及團隊利用國際大洋發現計劃（IODP）368航次在南海初始洋殼區鉆探的U1502B鉆孔（圖1）蝕變玄武巖，首次開展了綠簾石脈的礦物學和原位地球化學研究，約束了南海海底擴張初期海底熱液循環系統的蝕變流體類型和化學組成、綠簾石生長環境特征等信息。
圖1 IODP 368航次U1502站位位置圖
本研究發現U1502B鉆孔蝕變玄武巖中出現的綠簾石脈破碎嚴重，具有再膠結現象和環帶結構，表明在綠簾石脈形成時，鉆孔附近區域構造運動活躍。根據綠簾石的稀土元素和原位Sr同位素組成特征（圖2），可以推測U1502B鉆孔熱液系統的循環流體包括三種類型：（1）改性海水（具有負Ce異常，87Sr/86Sr = ~0.708）；（2）高溫熱液（具有正Eu異常，87Sr/86Sr = ~0.706）；（3）巖漿流體（具有負Eu異常，87Sr/86Sr = ~0.704），且以高溫熱液流體為主。
圖2 U1502B鉆孔熱液系統中三種循環流體的地球化學特征
此外，單個綠簾石顆粒的元素含量和87Sr/86Sr比值變化（圖3）表明在其生長過程中，殘余高溫熱液流體的演化或者后期巖漿流體的補給造成了不同類型蝕變流體之間的混合，形成了綠簾石復雜的稀土分布模式。
圖3 單個綠簾石顆粒生長過程中的地球化學特征變化圖
通過綠簾石脈的巖相學和地球化學特征，結合區域地質背景，本研究認為U1502B鉆孔基巖綠簾石脈的形成可能與南海的初始擴張相關。與典型的洋中脊熱液系統不同，U1502B鉆孔的熱液系統以侵入巖墻作為熱源，以海底擴張初期在初始洋殼形成的正斷層作為流體遷移通道；在侵入巖墻的加熱下，高溫熱液、巖漿流體與改性海水混合上涌在洋殼淺部的熱液釋放區形成綠簾石脈（圖4）。該項工作彌補了利用陸地非原位體系綠簾石示蹤熱液循環系統的不足；同時也證明了洋殼綠簾石化現象不僅限于洋中脊熱液系統，也可以發生在與海底擴張初期拉張活動相關的熱液活動中，完善了對于海底熱液循環系統的認知。
圖4 U1502B鉆孔熱液系統模式圖
這一研究成果近期在國際地學期刊Lithos在線發表，論文第一作者為中國科學院深海科學與工程研究所碩士研究生陳凌軒，合作者包括來自自然資源部第二海洋研究所、澳大利亞科學與工業研究組織（CSIRO）、中國地質大學（北京）和浙江大學的研究人員。該項工作得到了國家自然科學基金（41876044，42025601）、海南省重點研發計劃科技合作方向項目（GHYF2022009）、海南省自然科學基金（421RC594）等多個科研項目的資助。
論文信息：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.
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