海底喷流成矿作用研究现状及展望①

赵　静　梁金龙　韩　波

成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059

综述

海底喷流成矿作用研究现状及展望①

赵静*梁金龙韩波

成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059

提要海底喷流活动和海底喷流矿床是目前地球科学领域的研究热点之一，经过半个多世纪的不断探索，已在全世界范围内发现了众多的喷流活动点和海底喷流矿床。系统总结现代海底喷流活动、古代海底喷流活动以及海底喷流矿床的地质特征和地球化学特征对指导该类型矿床的找矿和研究工作具有重要意义。

海底喷流研究现状海底喷流矿床

海底喷流活动和海底喷流矿床的研究是近年来地球科学领域最重要的课题之一。通过近半个世纪以来的深海探测器活动、深海钻探计划（DSOP，1968--1983）、大洋钻探计划（ODP，1985--2003）和综合大洋钻探计划（IODP，2003--2013）的不断开展，人们对现代海底正在进行的喷流活动有了越来越多的认识，并以现代海底喷流活动为参照，开展了对古代海底喷流和喷流沉积矿床的研究。

1　现代海底喷流活动

海底喷流活动属于热水活动的一种特殊类型，它的发现始于1948年，瑞典科学家率先在红海海底发现了水温和盐度异常，由此拉开了人类探索海底喷流活动的序幕【1】。随后的1963～1966年间，美、德相继证实了红海海底热卤水和多金属软泥沉积的存在，同时还发现了金属矿化分带现象【2】。1971～1974年，美国和法国在大西洋洋中脊地区（Mid-Atlantic Ridge，简称MAR）发现了与海底喷流相关的富Fe、Mn的沉积物丘隆，在此之后又在北纬 26°处观察到了明显的水温异常和较纯的金属氧化物沉积【3】。1977年，Weiss等首次在太平洋Galapagos地区发现了海底喷流活动和热液微生物【4】。两年之后，科学家们在太平洋洋隆直接观察到了正在活动的海底喷流现象——海底“黑烟囱”，其顶部热液温度可以达到350℃，附近还存在着大量生物群落【5～8】。自此以后的半个多世纪中，俄罗斯、日本、加拿大等诸多国家先后加入到了对海底喷流活动的探寻和研究中，迄今为止在世界范围内发现了超过 200处的现代海底喷流活动【9】，包括富硫热液喷溢形成的“黑烟囱”和富BaSO4、SiO2清澈热液喷溢而成的“白烟囱”【1】，以及海底喷流金属沉积。近年来，类似的喷流活动点仍在不断发现中。这就说明海底喷流作用绝非个别现象，而是一种较为普遍的海底热水活动。这种海底热液活动不仅在现代洋底仍在持续进行，而且在地质历史时期也极有可能曾大规模发生过【3】。现在发现的这些喷流活动点多集中在于红海、大西洋中脊、东太平洋隆起、西南印度洋中脊、西太平洋消减带等五大区域【10】。研究表明，现代海底喷流活动与板块运动的关系极其密切，其主要发生在板块构造的边界、洋脊扩张中心、弧后扩张中心以及板内火山活动中心，是岩石圈物质排放和能量转换的重要途径【11，12】。这些海底喷流活动点（区）是人类研究地球内部结构的天然“望远镜”，更是探索古代海底喷流活动和喷流成矿作用最佳的“实验室”。

国内外专家学者对于海底喷流的探索和研究已有60余年的历史。研究发现，海底喷流活动多发育于板块拉张区域，多数受到断层控制，有着较高的地热值和盐度值；海底喷流活动具有明显的阶段性、突发性和不稳定性的特点；流体起源具有多样性，但基本都受到了海水组成成分的影响；热液流体的运移是地球内部能量传递的基本方式，海底热液循环散失的热量占地球总散热量的 20%；热液喷口附近的极端环境中发现有大量生物存在，这些生物以喷出的硫化物为食物，通过自身的作用将其转化为生命所需的营养物质，称为化能自养生物【1，6，10，13～15】。尽管如此，受当前研究方法和技术手段的制约，成矿物质的来源、热水流体在地壳中的循环、海底喷流对海洋环境的影响、以及海底喷流与生命的起源的关系（生命是否起源于“海底黑烟囱”？）等诸多问题都尚未得到有效的解决。以热水流体在地壳中的循环为例，海洋地质学家提出了单径对流循环和双扩散对流两种循环模式（图1），前者认为热液对流通道可以依据物理化学性质被细分为下渗区、高温反应区和上升区三个区间，下渗的冷海水到达地球内部，在高温反应区经历水-岩反应，最后经上升区排泄至海底；后者则认为海底热液系统由两个垂向上相互分离的对流循环胞组成，上部为温度较低的海水循环胞，下部为高温、高盐度和高密度的热卤水层，在岩浆作用和构造运动的影响下，海水注入热卤水中导致热卤水上升形成热水流体，最终喷出地表【10，16，17】。这两种循环模式各有千秋，都不能很好地解释其中存在的诸多问题。

图1　海底热液循环模式（据付伟等，2005修改）Fig.1 The cyclic model of hydrothermal fluid（after ref.【10】）

现代海底正在进行的喷流活动是古海底喷流的缩影，加强对现代海底喷流的探索和研究不仅能帮助我们认识地球内部的组成和结构，还能进一步加深我们对海底喷流成矿过程认识和了解。

2　古海底喷流成矿作用

海底喷流作用在文献中被称为 exhalation，该词源自于拉丁语“exhalati”，取蒸发、流出之意【18】。这个概念最早是由德国著名矿床学家Schneiderhohm于1925年将其引入矿床学中的，并提出了“矿化流体海底上升喷气”理论【19】。 自此以后，海底喷流作用才正式进入人类的视野。海底喷流成矿理论的提出是对长期统治地学界的岩浆热液成矿说的巨大挑战，它否定了“岩浆基本上是矿床中全部金属的来源”的假设，认为岩浆喷溢到洋盆中时必然伴随着大规模的热水活动【20】，这已经被随后进行的多次海洋地质调查活动所证实。

由于海底喷流成矿作用被研究的历史不长，许多文献中对此类矿床都曾冠以不同的名称，包括喷气矿床、喷流矿床、喷气-沉积矿床等。Sangster（1985）认为喷到海底的流体绝非气体，一定是液体【19；21】。目前，矿床学家认为海底喷流成矿作用泛指不同成因的（含矿）热水流体在喷溢出海底的过程中，在喷流口以下的热液通道中通过充填、交代作用，在喷流口以上的海底则通过与冷海水之间的广泛相互作用，使热水中携带的有用物质沉淀富集形成矿床的过程【19】。这个概念包含了两个方面的内容，即在喷流口之上发生的以混合和沉积为主的成矿作用以及在喷流口之下所发生的以充填和交代为主的成矿作用，这两种截然不同的成矿作用既可以单独存在，也可以同时出现。由海底喷流成矿作用使热水溶液中的矿质富集、沉淀形成的矿床被称之为海底喷流矿床（sedimentary exhalative deposit，简写为Sedex）【19】。但有学者对此提出了异议，他们认为一些所谓的Sedex矿床应该称之为CD矿床（clastic-dominated deposit，碎屑岩主导型矿床），因为这部分传统意义上的Sedex矿床缺乏明确的喷流沉积的证据，特别是缺乏同生、甚至是早期成岩作用的证据，同时一些矿床中所具有的同沉积组构被认为是海洋基底下发生的交代作用的产物【22，23】。

3　海底喷流矿床的基本特征

世界范围内典型的海底喷流矿床包括澳大利亚 Bischof锡矿床、日本黑矿矿床、我国华南寒武纪Ni-M0-PGE多金属硫化物矿床【24】等。概括起来，海底喷流矿床在构造环境、矿体特征、岩矿石组构、地球化学等多个方面有着不同于其它类型矿床的独特特征。

3.1大地构造特征

国内外研究表明，海底喷流矿床多分布于拉张伸展的构造环境中，与地壳受热—拉张—变薄的裂谷化过程有关，具体表现为受裂谷带控制的克拉通内部及边缘的沉积盆地【1，20，25～31】。如我国南秦岭晚古生代的喷流矿床发生于Ⅲ级或更低级的盆地之中【32】。这种裂谷环境不仅有利于沉积作用的广泛发育，继而形成厚度惊人的沉积柱；同时，裂谷环境还有利于流体的渗透循环，使其能够较充分地萃取地层中的金属元素，形成含矿流体；此外，裂谷地区岩浆活动频繁，通常具有较高的地温梯度值，这样便可以为流体的运移提供足够的热源【1，3】。这种裂谷环境中同生断裂发育【33～38】，同生断裂的存在不但为流体的运移提供了通道，更重要的是它往往作为一种地球化学障而成为矿质沉淀、聚集的场所。

3.2矿体特征

海底喷流矿床的矿体在空间上存在两种不同的形态特征：一种是呈层状、似层状、与围岩整合产出的矿体，它们一般有着稳定的地层层位，延伸较远，矿体和围岩无明显区别，通常只能依靠对其化学成分的测定才能区分，这说明了喷流口之上的化学沉积过程对层状、似层状矿体的形成起着非常重要的作用【35，37，39】；第二种则是呈透镜状、网脉状产出的矿体，矿床中还可能发育有大量方解石脉和石英脉体，这类矿体多见于喷流口之下的流体通道中和同沉积断裂中，是成矿流体与围岩发生充填和交代作用的结果【3，37】。

3.3岩矿石组构特征

海底喷流型矿床岩矿石的构造以块状、纹层状、条带状、角砾状、球粒状、软变形、网脉状等构造为主，少数具韵律层、软沉积滑动变形构造、微孔构造、浸染状构造、喷气构造、淬火构造和通道构造【8，11，20，31，33，40～42】。一般情况下，靠近喷流口或喷流口附近，由于沉积物的快速堆积和持续的喷流、爆发过程，岩石具有典型的块状、角砾状和软变形构造；在稍远离喷流口的地区，温度降低，加之富硫气体的存在而使得生物聚集，因而可以形成具生物成因的球粒状构造；在距离喷流口更远的地区，其环境更接近于正常的海相沉积环境，因此多形成纹层状、条带状构造【20，27，43】。另外，对于某些矿床还存在着一些特殊的构造类型，如在大兴安岭克什克藤旗黄岗锡-铁矿床中出现的变胶状胶球构造和徽县洛坝铅锌矿床发育的淬火构造都被认为是喷流热液上升遇冷海水而温度骤降的结果【28，31】。

3.4地球化学特征下面以最具代表性的海底喷流沉积产物硅质岩为例，分别介绍其化学组成特征、稀土元素特征、同位素组成特征。

3.4.1化学组成特征海底喷流成因的硅质岩化学成分上以 SiO2为主，其余氧化物的含量均很低【11，19，44，45】。与克拉克值相比，硅质岩以富集Au、Hg、As、U、Pb、Zn、Ag、Ba、Sb、Cu为特征【11，19，32，46～48】，部分矿床还相对富集Mo、Mn、B、Ce、W、Cd、Ni等元素【47～50】。硅质岩中的Fe、Mn、Al含量值投在Fe-Mn-Al三角图上后均落于热水沉积区。同时，元素在时空上的分布上呈现明显的规律性，一般来说，喷口区富Cu，稍远富Au；在一次喷流旋回中开始富集Cu，后期则富Au、U【33】。研究表明，Hg、As、U、Ag、Ba、Sb、B主要来自于被海底热水系统淋滤的基底岩石，并且，Ba、Ti、B还可以作为反映海底喷流作用的特征指示元素【28，51】。

3.4.2稀土元素特征海底喷流成因硅质岩的稀土总量低，HREE相对富集，Ce和Eu均有一定程度的亏损【27，39，45，52～54】。其与海水稀土组成相似，经北美页岩标准化后稀土配分模式近水平或向左倾【44，55】。但需要指出的是，典型海底喷流型矿床的近源硫化物矿石往往具有Eu正异常的特征【28，56～58】。

3.4.3同位素组成特征硫同位素研究表明，岩矿石中的硫主要来源于海水硫酸盐的还原【43，59，60】，硅同位素组成则为典型的热水沉积成因【20，27，43】，碳、氧同位素组成表明流体中的二氧化碳来源于海相碳酸盐岩的溶解作用【37】。矿石中铅同位素具有混合铅的特征，代表了成矿物质具有多来源性【61，62】。

3.5生物成矿作用

与正常海水相比，海底喷口及其附近属于高温、高压、酸性和强还原性的极端生命环境【15】。在这样一种与地球形成初期极其相似的环境中仍然发现有超过300种生物生存【10】。这些生物以化能自养型微生物为主，它们依靠海底喷流出的热液硫化物为食物，并从硫化物氧化的过程中获得能量以维持自身的生命活动【15】。由于数量众多的生物体的存在，不仅改变了原始的海底环境，同时还对成矿过程产生了巨大的影响。生物对成矿的影响主要表现在以下三个方面：①生物的生命活动可以影响热液中的某些物理化学过程，如pH值等，从而造成流体中某些矿质的迁移、富集和沉淀【15，63，64】；②某些微生物会选择性地富集金属元素，其死亡后遗体堆积而形成特殊的矿化【10】；③生物死亡后，遗体被分解而产生大量的有机质，有机质的存在不仅制约了金属元素的迁移和富集，同时还能形成独特的地球化学障（还原障、H2S障等），影响金属的沉淀就位【40，65，66】。

现在越来越多的研究证明，生物遗体分解所产生的有机质对海底喷流成矿起着至关重要的作用。由于海底喷流活动造成海水的分层效应，深部海水容易形成还原环境，极有利于微生物的活动和有机质的堆积【67】。这些有机质能吸附大量的金属元素，如Au【47，68】，或与金属元素结合形成络阴离子【69～72】，在海水环境中能长期稳定的存在和迁移，当外界环境发生改变后能释放金属并富集形成矿化。这些都被含矿岩层中发现大量生物化石和有机组分所证实【26，27，37，67，73～75】。同时，有机质的存在能大大提高矿物颗粒的溶解速度，成倍甚至数十倍地增强成矿金属元素的溶解能力，特别是有机酸提供的 H+能更有助于金属的溶解【65】。

3.6成因探讨

现在一般认为海水、大气降水、沉积物被压实而释放出的孔隙水等可以沿海底裂隙下渗，在地温梯度、岩浆活动和构造运动产生的热力驱动下对流循环上升，并在此过程中萃取周围岩层中的金属元素【3】。最终由于物理化学条件（温度、压力、氧逸度、pH值等）的变化，在喷流口之下的通道内发生矿质沉淀或是喷出海底与海水混合而在喷流口之上的海底沉淀，形成海底喷流矿床（图2）。但目前仍有很多学者对这种成矿模式持反对态度，他们提出了其它不同的成因模式，包括浮力驱动的自由对流模型（即热液是在浮力的作用下迁移）【76，77】、与海底火山活动密切相关的火山成因模型（即间歇性火山活动不仅为海底热液系统的循环提供了足够的热量，同时还为成矿提供了必要的成矿物质）【58，78】、预富集--后期热液成矿模型（即海底喷流作用只是形成了矿床的矿源层或部分矿体，后期的热液流体萃取了矿源层中的有用物质，并在合适的构造部位成矿）【75，79】、热液混合模型（即海水渗透和淋滤岩石，并与某种热液流体混合后喷射至海底成矿的）【38，80】等。另外，Luo 和Gao（1999）研究发现Sedex矿床与卡林型金矿床（Carlin-type deposit）有着成因上的联系，原因在于Sedex矿床分布于卡林型金矿床的附近，两者的成矿环境和围岩的形成时间大致相同等【81】。

4　存在的问题

人类对海底喷流以及海底喷流矿床的研究尽管现在已经取得了诸多令人瞩目的成果，但由于受研究手段和技术方法的制约，仍有许多不解之谜困惑着科学家们：①成矿年代的确定和成矿期次的划分是成矿规律研究的主要内容之一，成矿时代的研究对认识矿床特征、解释成矿过程以及指导找矿工作都具有极其重要的价值和意义【82～84】，但由于海底喷流矿床中的主要的岩石类型为沉积岩类，缺乏合适的定年矿物，因而长期以来关于海底喷流矿床如何定年的问题一直没有得到有效的解决，极大地妨碍了对海底喷流矿床时空分布规律的研究。②研究表明，海底喷流活动的内在动力学机制远比人们所认识的还要复杂，并且由海底喷流活动造成的海洋环境效应和生物效应也难以估量【10】，特别是海底喷流活动对海水成分、海水循环以及对海洋生物活动所产生的影响等问题并未解决。加之近年来逐渐兴起的沉积盆地动力学与盆地流体成矿理论使得海底喷流活动和海底喷流矿床变得更加扑朔迷离。因而探讨矿床形成的动力学背景及其对环境、生物活动所造成的影响应该成为未来海底喷流领域研究的重要内容。③研究发现，现代海底黑烟囱周围的环境条件与生命起源初期的早期地球环境相一致，如两者均为高温、高压、缺氧、低pH值的还原性环境等，且地球历史早期频繁发生的天体撞击和强烈的辐射使得地下环境成为了早期生命的摇篮，同时海底黑烟囱系统并不依赖于光合作用而存在，因而即便是在极端条件下，部分生物也能够幸存下来【15】。在此基础上，与海底黑烟囱有关的生命的起源问题（生命是否起源于“海底黑烟囱”？）应该逐渐引起人们的重视和关注。与此同时，我国科学家对冲绳海槽中部的热液活动区进行科学钻探研究后发现该区并不存在活跃的深部生物圈，仅在一个站位培养出了微生物群落【85】，因此海底生物活动是否具有普遍性的问题仍值得商榷。除此之外，需要指出的是，目前我国地质工作者对古代海底喷流作用的研究多局限于单一矿床，并未从全局的角度对海底喷流作用和海底喷流矿床做系统的研究，也未建立起完善的海底喷流理论，因此如何建立系统的成矿理论必须是研究者们需要认真思考和解决的一个重要问题。我国虽然拥有广阔的海域面积，但海底喷流活动的研究起步晚，发展慢，远远比不上西方国家的研究水平，因此在海洋研究方面我们必须加强国际合作，取长补短，共同进步，共同发展。

图2　海底喷流成矿模式图（据隗合明，1987修改）Fig.2 The Metallogenic model of submarine exhalation（after ref.【3】）

5　展望

海洋是世界上最广阔的沉积场所，也是地球环境中最重要的反应器。海底喷流活动作为这个巨大反应器中最关键的一环，承担着在地壳浅部和深部进行物质、能量交换的重任。目前，人类虽然能够利用多种探测器对某些海底喷流活动区进行探索和研究，也取得了大量地质、地球物理、地球化学等方面的第一手资料，这些成果在一定程度上促进了人类对海底喷流活动的认识和了解，但不可否认的是围绕海底喷流有关的诸多问题还难以解决，当前的研究成果也多局限于单一矿点（床），缺乏全局性的、系统性的研究。因此，加强对现代海底喷流活动的研究，建立完善的、系统的成矿理论，不仅可以帮助我们增强对海洋这个世界上最广阔的沉积场所的成矿作用的认识，更重要的是现代海底喷流活动只是古代海底喷流的一个缩影，它就像是一把钥匙，能帮助我们打开认识古代海底喷流作用和海底喷流矿床的大门。同时，进一步加强对古代海底喷流作用和海底喷流矿床的综合研究是未来地球科学领域的最重要课题之一，具有极其重要的科学研究意义。相信随着地球科学和海洋探测技术的不断进步，人类必将揭开海底喷流活动的神秘面纱，海底喷流成矿作用也必将被人类所熟知。

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Abstract

The research on submarine exhalation and Sedex deposits have received the widespread attention during more than half a century. A lot of submarine exhalation and Sedex deposits have been found all over the world. This paper summarizes the geological and geochemical characteristics of submarine exhalation and Sedex deposits， which will play an important role in prospecting and researching in the future.

A REVIEW AND PROSPECT OF RESEARCH ON SEDIMENTARY EXHALATIVE DEPOSITS

Zhao JingLiang JinlongHan Bo
College of Earth Science，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，Sichuan， China

submarine exhalation，research status，Sedex deposit

P736

A

1006-5296（2015）04-0236-09

①［资助项目］： 中国地调局地调科研项目《西南地区主要成矿带铜铁金多金属找矿模式与勘探技术方法综合研究》（项目编号：12120113095500）

* 第一作者简介：赵静（1991～），女，在读硕士研究生，主要从事矿床地球化学研究

2015-09-01；改回日期：2015-09-10