西南印度洋49°～56°E洋脊段的热液羽状流：来自深水中的氦同位素异常证据

卢映钰，韩喜球*，王叶剑，邱中炎

（1.国家海洋局第二海洋研究所国家海洋局海底科学重点实验室，浙江杭州 310012）

西南印度洋49°～56°E洋脊段的热液羽状流：来自深水中的氦同位素异常证据

卢映钰1，韩喜球1*，王叶剑1，邱中炎1

（1.国家海洋局第二海洋研究所国家海洋局海底科学重点实验室，浙江杭州 310012）

海水中的氦同位素能对海底热液活动进行有效示踪。本文对在西南印度洋49°～56°E洋脊段采集的5条CTD拖曳剖面共14件深水样品进行了氦氖同位素分析。通过分析水体中存在的氦同位素异常，探讨调查区热液异常的特征和热液羽状流的分布。分析表明，5条CTD剖面均存在δ3He异常，其中CTD7－2（位置：37.927°S、49.412°E，水深2 140 m，离底高度100 m）的δ3He值最大，达到49.2%。根据δ3He分布特征，认为调查区内存在至少6处热液羽状流，其中37.927°S、49.412°E以西数千米范围内可能存在海底热液喷口。

西南印度洋脊；氦同位素异常；热液羽状流；海底热液活动

1 引言

现代洋中脊系统存在活跃的构造和岩浆活动，导致海底热液活动现象较为常见。从热液喷口释放出来的热液流体与周围海水在物理性质（温度、密度、浊度等）和化学性质（甲烷、氦同位素、硫化氢以及铁和锰含量等）上存在显著差异，在与周围海水混合过程中，热液流体的特征物理和化学参数存在梯度变化，根据其变化情况可刻画出热液羽状流的形态特征［1］。对热液羽状流的探测是示踪热液喷口和寻找伴生的多金属硫化物资源最直接有效的手段。

自从在太平洋深处的热液流体中发现有氦同位素现象以来［2］，氦同位素在海底热液系统的调查研究中得到了越来越多的应用，不仅被用来示踪深海环流、热液羽状流的分布和来源，还被用于追踪热液喷口［3—13］。氦属于保守元素，当具有高3He浓度的热液流体从热液喷口喷出后，3He随着热液羽状流扩散和迁移，可形成长达数千千米的3He异常区［14—15］，利用氦同位素的这些特性，前人在不同海域通过分析不同深度的海水中的氦同位素特征来了解热液羽状流的分布和来源，或结合其他热液异常信号（如温度、盐度、甲烷、浊度、锰、3He或悬浮颗粒等）来寻找喷口的位置［7—15］。在印度洋，相关的研究主要体现在用氦同位素示踪深海环流以及北西印度洋脊和中印度洋脊的热液活动，如Jamous等和Srinivasan等通过研究印度洋深水中3He的分布来示踪深部海水的循环特点［9—10］；Ray等通过分析水柱中的3He、溶解锰、甲烷和悬浮颗粒等特征来示踪北西印度洋Carlsberg脊热液羽状流的分布［11—12］；Kawagucci等通过分析中印度洋脊18°～20°S之间海水中的3He、甲烷和锰来寻找热液喷口和探讨热液羽状流的动力学机制［13］。

本研究区位于西南印度洋脊49°～56°E范围内，区内分布有Gallieni断裂带、Gazelle断裂带和Gauss断裂带（图1）［16—17］。根据现场调查并结合海底地形，49°～52.3°E洋脊段岩浆活动较强，52.3°～56°E洋脊段则以构造作用为主［18］。迄今，研究区内已报道的热液区共有6处，其中在西南印度洋脊53.26°E和49.21°E报道存在热液异常［19—20］，在西南印度洋脊49.26°E、49.65°E、51.73°E和50.47°E采集到多金属硫化物样品［19—25］。大洋21航次第七航段在研究区水深2 000～3 600 m范围内利用CTD进行了分层采水，并利用加挂的浊度和甲烷传感器进行拖曳式热液异常探测。本研究对该航段5个站位采集的14件水样（站位位置见图1）进行了氦氖同位素分析，了解深水中的氦同位素异常的空间分布特征，揭示西南印度洋脊49°～56°E洋脊段热液羽状流的分布，并探讨热液喷口可能存在的位置。

图1 西南印度洋49°～56°E洋脊段海底地形和CTD采水位置图

2 样品与方法

在西南印度洋49°～56°E洋脊段水深2 000～3 600 m范围内（离底高度25～250 m），利用美国SEABIRD公司生产的SBE911plus CTD采集了5个站位共14件海水样品。样品上甲板后用乳胶管将水样从Niskin瓶内转移到长1 m、直径0.95 cm的铜管内，消除气泡后马上密封铜管保存，取样方法参见Jenkins等［26］。

水样的氦、氖同位素在中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心完成测试。将待测样品经过阀门与高真空取气管线相连接，对该系统抽真空至系统内压力小于0.13 Pa，消除系统残留气对样品的干扰后，将待测样品在真空管线中密闭脱气5 min，分出适量的脱出气并转移至海绵钛炉处理。稀有气体测试仪器为英国Micromass公司生产的MM5400质谱计，标准样为兰州市皋兰山顶的空气（AIRLZ2007）。实验条件为高压9.0 k V，测量氦和氖时Trap电流为800μA。4He、20Ne用法拉第杯检测，3He用电子倍增器检测。4He、20Ne的本底分别为1.10×10－14mol、1.82×10－14mol。4He、20Ne的测量值与绝对偏差见表1，其中4He的绝对偏差分布在2 ～44之间，20Ne的绝对偏差分布在5～223之间。

3 结果

海水样品的氦和氖同位素含量和比值特征见表1。由表1可知水样的4He和20Ne的含量变化范围较大，4He的含量介于6.59×10－7～2.4×10－8cm3STP／mL之间，20Ne的含量介于2.24×10－6～3.6×10－8cm3STP／m L之间。3He／4He比值变化范围为1.002～1.492 Ra，远小于上地幔的3He／4He比值（8 Ra）［27］，但大于地壳中的值（0.02 Ra）［28］。4He／20Ne比值变化范围较小，在0.259～0.680之间，远小于典型幔源和地壳放射性成因气体的4He／20Ne值（1 000）［29］，稍大于20℃空气饱水的4He／20Ne值（0.266 5）［30］。

氦剩余（δ3He）是样品相对于空气的He同位素组成异常，用以下方程表示：

式中，R样为所测海水样品的3He／4He值。

所测水样的氦剩余（δ3He）值分布在0.2%～49.2%之间，变化范围较大（见表1）。5个CTD剖面均存在δ3He异常，其中CTD7剖面的δ3He异常峰值最大，达到49.2%（CTD7－2），其后依次为CTD1剖面的26.0%（CTD1－2），CTD5剖面的22.3% （CTD5－3），CTD3剖面的13.7%（CTD3－2），CTD2剖面的δ3He异常峰值最小，为11.5%（CTD2－3）。

表1 西南印度洋49°～56°E洋脊段深水中的氦和氖同位素组成

4 讨论

地球系统中，各端元的氦同位素组成特征如下：上地幔3He／4He＝8，地壳3He／4He＝0.02，空气3He／4He＝1 R，下地幔3He／4He≥32。在洋中脊深水区，海水中的氦主要来自于地幔［33—35］，具有高3He／4He值的深部热液流体喷出海底与海水混合，形成的喷口流体的3He／4He值与周围海水区别明显，如Rudnicki报道在大西洋TAG热液区喷口流体的3He／4He值高达7.5。在热浮力的作用下，喷口流体上升并发生侧向扩散形成热液羽状流。对于慢速和超慢速扩张脊，热液羽状流的上升高度一般小于500 m［14，37］。热液中的氦随着热液羽状流在上升和扩散的过程中呈现一定的梯度变化［1，7］，越靠近喷口，其3He／4He值越大，相应地，δ3He值也越大（图2）。

4.1 δ3He的分布特征和异常识别

图3为各CTD剖面的δ3He值和甲烷、浊度的异常值在不同采样点的分布特征，其中圆形代表δ3He异常，圆的直径越大，表示δ3He值越大。正方形和三角形分别代表甲烷传感器探测到的甲烷异常最大值和浊度传感器探测到的浊度异常最大值出现的位置，星号则为现场CTD水样中测到的甲烷异常最大值出现的位置。

图2 洋中脊热液系统的δ3He分布

从图3可以看出，CTD1的2个水样均存在δ3He异常。其中在34.727°S、54.623°E附近水深3 288 m 处δ3He异常较显著，δ3He值高达26.0%。往西，在西南印度洋脊34.786°S、54.620°E附近，采集于水深3 238 m的CTD1－1水样的δ3He值降低到5.1%。根据大洋21航次第七航段调查现场报告［18］，在34.727 0°S、54.623 5°E水深3 283 m处采集的水样中甲烷浓度为4.2 nmol／L，在34.827 2°S、54.614 4°E附近水深约1 580 m处、34.822 2°S、54.614 7°E附近水深约1 887 m处以及34.798 4°S、54.616 9°E附近水深约2 966 m处，分别探测到162 m V、161 m V和115 mV的显著浊度异常。

图3 各CTD剖面水样的δ3He值和甲烷、浊度的异常值在空间上的分布特征

CTD2剖面在水深3 580 m、3 530 m和3 380 m采集的3个水样也均检测出存在δ3He异常。其中在34.290°S、55.505°E水深3 380 m处采集的CTD2－3水样出现的δ3He值高达11.5%，但往东在34.291°S、55.507°E附近水深3 530 m处，δ3He值下降到0.2%，再往东，水深3 580 m处又上升到9.6%。34.290 5°S、55.506 3°E附近水深3 395 m处探测到9 m V的浊度异常，水样中的甲烷浓度为7.7 nmol／L［18］，约是背景值的4倍。

CTD3剖面分别在西南印度洋脊34.416°S、55.213°E和34.433°S、55.255°E水深2 645～2 595 m之间采集了3个样品，其中，在西南印度洋脊34.416° S、55.213°E附近采集的2个水样中，水深2 645 m处（CTD3－1）出现了明显的δ3He异常，其δ3He值为10.7%，往上在水深2 595 m处（CTD3－2）δ3He值更加显著，高达13.7%。往西到34.433°S、55.255°E附近，采集于水深2 557 m的CTD3－3水样也出现明显的δ3He异常，其δ3He值为11.2%。

CTD5剖面中，在西南印度洋脊37.445°S、51.362°E附近2 780 m处（样品CTD5－3）存在显著的δ3He异常，δ3He值高达22.3%。往西，在37.433° S、51.361°E附近采集的2个水样中，样品CTD5－1（水深2 950 m）和样品CTD5－2（水深2 900 m）的δ3He均较小，其δ3He值分别为1.2%和2.0%。CTD5剖面的水样同时也检测到甲烷异常和浊度异常，如在37.435°S、51.360°E附近水深2 952 m处采集的水样中甲烷浓度高达11 nmol／L，在水深2 604 m处探测到8 mV的浊度异常［18］。

CTD7剖面中，在西南印度洋脊37.928°S、49.412°E水深2 140 m处采集的CTD7－2水样出现显著的δ3He异常，δ3He值高达49.2%，是本次研究所发现的最大值。在37.928 1°S、49.411 1°E水深2 211 m处采集的水样中甲烷浓度高达9 nmol／L［18］。此外，CTD7剖面在37.9°S、49.2°E附近水深1 550 m处和2 575 m处分别探测到显著的甲烷异常，其浓度分别为48 nmol／L和64.8 nmol／L。

综上所述，这5个CTD剖面在离底50～250 m的水深范围内共探测到9处明显的δ3He异常，其中CTD7剖面的异常信号最强，其次为CTD1和CTD5剖面，CTD3和CTD2剖面的异常信号较弱。出现δ3He异常的位置附近也往往探测到甲烷异常或浊度异常。这些异常信号相互印证，为研究区存在热液异常提供了确凿的证据。

4.2 热液羽状流的示踪

热液羽状流中的氦剩余异常在横向上的变化趋势在一定程度上受控于当地深海海流的运动方向。西南印度洋深海环流主要受地形和南极底流的共同影响［38—40］。南极底流穿过Enderby深海平原向北流动进入西南印度洋后，在30°E以西分叉，其中2个支流向东北流至Conrad海隆后从Crozet和Kerguelen岛之间的缺口向东北流入Crozet海盆，之后在30°～40°S左右转向西北，穿过洋脊上的断裂通道，最后进入Madagascar海盆；另一个支流向北穿过洋脊的缺口并经过Agulhas海盆进入Mozambique海盆［39—40］。研究区位于34°～38°S的洋脊上，南极底流方向为西北向。

在西南印度洋脊49.410°～51.362°E之间的洋脊段上，CTD7与CTD5相距约180 km，在CTD5剖面发现的δ3He异常峰值水深为2 780 m，δ3He异常峰值为22.3%。在CTD7剖面发现了本次研究最强的热液异常信号，δ3He异常峰值高达49.2%，水深为2 140 m（见图3、表1），与目前报道的热液羽状流中最大的δ3He值56%接近［15］，说明该位置可能已非常接近活动热液喷口。根据CTD7 3个水样δ3He值的变化情况（见图3、表1）以及深海海流方向，活动热液喷口可能位于37.927°S、49.412°E以西数千米范围以内（见图1）。CTD5的δ3He异常峰值没有CTD7显著，但CTD5的δ3He异常峰值出现的水深比CTD7 的δ3He异常峰值水深位置更深500 m。说明这两个热液羽状流可能来自于两个独立的热液喷口。结合3He异常的分布特征以及海流的情况，判断CTD5热液异常的源区可能位于37.445°S、51.362°E以东（见图1），水深2 780 m以深。

Tao等［19—25］报道在西南印度洋脊49.65°E附近水深2 785 m处存在活动的“A”热液区，Han等［20］报道在49.2°E水深1 400 m附近发现硫化物区“玉皇山”，并在3 000 m附近可能存在另一活动热液区。CTD7离“A”热液区和“玉皇山”热液区分别相距约27 km和19 km，其热液异常高度与已知热液区水深位置相比超过645 m，表明CTD7所探测到的热液羽状流很可能与这2个已知热液区无关，在附近很可能在存在新的热液喷口，值得进一步加密调查和取样分析。

在西南印度洋脊54.619°～55.508°E之间的洋脊段上，CTD1与CTD2和CTD3的位置分别相距约110 km和69 km，相互之间被断层不连续面所相隔。这3条CTD剖面δ3He异常峰值出现的水深依次为3 288 m、3 380 m、2 595 m（见图3、表1），暗示这些位置可能有热液羽状流的存在。其中CTD1的δ3He值最显著，与CTD2相比，其异常峰值位置更接近海底，但是水深却更浅，因此判断CTD1和CTD2所探测到的氦同位素异常并非来自同一热液羽状流，否则不符合羽状流的形态特征。根据CTD1剖面δ3He异常值由东往西逐渐减小的变化趋势，判断CTD1热液异常的源区位于西南印度洋脊34.727°S、54.623°E以东（见图1），水深3 288 m以深。对于CTD2剖面本身，其δ3He异常的分布特征表明可能存在2个独立的热液羽状流，其中一个热液羽状流的源区位于34.291° S、55.508°E以东（见图1），水深3 580 m以深；另一个热液羽状流，根据δ3He异常值由西往东逐渐减小的变化趋势，可初步判断其源区可能位于34.290°S、55.505°E以西（见图1），水深3 380 m以深。CTD3 的δ3He异常峰值的水深与CTD1、CTD2的δ3He异常峰值水深位置相比浅500 m，判断CTD3所发现的热液羽状流与CTD1和CTD2所在的热液羽状流无关，其源区可能位于西南印度洋脊34.416°S、55.213°E以西（见图1），水深2 595 m以深。

氦属于保守元素，在海水中的滞留时间长达1 000 a［41—42］。相对于氦同位素的特征，甲烷和浊度是非保守的，两者在海水中的滞留时间相对氦同位素要短得多［1，43］，而δ3He值存在异常的位置往往对应甲烷和浊度异常，因此，基本上可以认为所识别出来6个热液羽状流均导源于现代正在活动的热液喷口。

5 结论

本文研究了西南印度洋49°～56°E洋脊段深水中的氦氖同位素组成特征，并结合海水浊度和甲烷浓度分析的结果，得出以下结论：

（1）5条CTD剖面在离底高度50～250 m（水深2 000～3 600 m）范围共探测到9处明显的δ3He异常，其δ3He值分布在0.2%～49.2%之间。δ3He值存在异常的位置往往对应甲烷和浊度异常，为热液异常的存在提供了确凿的证据。

（2）结合δ3He异常的分布特征和深海海流方向，判断调查区内可能存在至少6处独立的热液羽状流，其中37.927°S、49.412°E附近在水深2 140 m处（离底100 m）处δ3He高达49.2%，认为在该位置以西数公里范围内可能存在海底热液喷口。

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The hydrothermal plumes over the Southwest Indian Ridge from 49°E to 56°E：Evidence from helium isotope anomalies of deep seawater

Lu Yingyu1，Han Xiqiu1，Wang Yejian1，Qiu Zhongyan1
（1．SecondInstitute of Oceanography&Key Laboratory of Submarine Geosciences，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China）

The helium isotope anomaly in the seawater is a good indicator of the hydrothermal activity in the seafloor.During DY115－21 cruise Leg 7，five CTD Toyo profiles were deployed between 49°E and 56°E on the Southwest Indian Ridge and 14 seawater samples were collected for helium and neon isotope analysis.In this paper，we examine the helium isotope anomalies in the water column and discuss the distribution of the hydrothermal plumes in the investigated area.Our results show that all of the five CTD profiles exhibit distinctδ3He anomalies. Sample CTD7－2 which was sampled at 37.927°S，49.412°E in the water depth of 2 140 m（100 m above the seafloor）exhibited the largestδ3He anomaly of 49.2%.According to the distribution pattern ofδ3He，it is suggested that there may existed at least 6 hydrothermal plumes in the investigated area，and one active hydrothermal venting site probably lies within a few kilometers west of 37.927°S，49.412°E.

Southwest Indian Ridge；helium isotope anomalies；hydrothermal plume；seafloor hydrothermal activities

P595

A

0253-4193（2014）06-0042-08

2013-03-23；

2014-02-16。

国际海底资源调查与开发“十二五”研究课题（DY125－12－R－03）；国家自然科学基金项目（91228101，41306056）；浙江省杰出青年基金项目（R5110215）。

卢映钰（1987—），女，广西省梧州市人，海洋地质专业。E-mail：lyyluyingyu＠163.com

*通信作者：韩喜球，研究员，博士生导师，从事海底矿产资源与成矿系统研究。E-mail：xqhan＠sio.org.cn

卢映钰，韩喜球，王叶剑，等.西南印度洋49°～56°E洋脊段的热液羽状流：来自深水中的氦同位素异常证据［J］.海洋学报，2014，36（6）：42—49，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.06.006

Lu Yingyu，Han Xiqiu，Wang Yejian，et al.The hydrothermal plumes over the Southwest Indian Ridge from 49°E to 56°E：Evidence from helium isotope anomalies of deep seawater［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（6）：42—49，doi：10.3969／j.issn. 0253-4193.2014.06.006