海洋中脊熱液沉積物硫同位素組成及其時(shí)空演變

海洋中脊熱液沉積物硫同位素組成及其時(shí)空演變

1994年10月至11月，對大西洋中脊柱主管（odp）進(jìn)行了大規(guī)模勘探。鉆探區(qū)定在一個(gè)直徑為200m左右,水深為3650m左右,有高溫?zé)嵋夯顒拥那馉疃逊e體上。從該丘狀堆積體的5個(gè)不同部位進(jìn)行了17次鉆進(jìn),海底以下的鉆孔深度從9—125.7m變化,從獲得的7個(gè)鉆孔巖芯剖面看,以硫化物和硫酸鹽為主的熱液沉積物厚達(dá)50m以上,垂直剖面上具特征的疊碗構(gòu)造。整個(gè)丘狀堆積體從頂部向下可分為:塊狀硫化物區(qū)、硫化物-硬石膏區(qū)、硫化物-二氧化硅區(qū)和蝕變玄武巖區(qū)4個(gè)不同的層區(qū)。目前,在該區(qū)大洋鉆探的基礎(chǔ)上,對TAG熱液活動區(qū)進(jìn)行整體全面深入的地球化學(xué)研究成為一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù),加之該區(qū)表層熱液沉積物的硫同位素工作一直是薄弱環(huán)節(jié)。因此,通過對該區(qū)海底表層熱液沉積物的硫同位素研究,結(jié)合大洋鉆探方面最新的硫同位素工作(Knottetal,1998;Herzigetal,1998;Gemmelletal,1998),對TAG熱液活動區(qū)的硫同位素組成及其時(shí)空演變、硫源、硫同位素偏重的原因和硫的演化等問題進(jìn)行深入探討。1熱液區(qū)域及構(gòu)造TAG熱液活動區(qū)位于大西洋慢速擴(kuò)張洋中脊26°08′N,44°50′W,位置靠近洋中脊裂谷的東壁,面積為25km2(圖1),由熱液沉積物、玄武巖和一系列與軸平行的斷裂構(gòu)成。其中,熱液沉積物主要分布在低溫?zé)嵋簠^(qū)、停止活動的Mir和Alvin區(qū)以及正在活動的高溫?zé)嵋簠^(qū)。低溫?zé)嵋夯顒訁^(qū)分布在水深2400—3100m的裂谷東壁,熱液沉積物主要由塊狀和層狀的鐵、錳氧化物和綠脫石構(gòu)成(Ronaetal,1984;Thompsonetal,1988)。而兩個(gè)熱液活動停止的地區(qū),位于裂谷東壁較低的地段。其中,Alvin區(qū)主要由幾個(gè)不連續(xù)的硫化物丘狀堆積體構(gòu)成;Mir區(qū)主要由一個(gè)大的硫化物堆積體構(gòu)成,局部分布有幾個(gè)高達(dá)25m的硫化物煙囪體,同時(shí)體現(xiàn)出各種階段的海底風(fēng)化作用。而正在活動的高溫?zé)嵋簠^(qū),位于擴(kuò)張軸東部2.5km處,是由一直徑大約為200m、高為50m的熱液沉積物丘狀堆積體構(gòu)成的,該區(qū)具明顯的環(huán)形特征,位于水深3650m,至少有100ka的洋殼上(Ronaetal,1986)。而且,該丘狀堆積體由熱液沉積物堆積形成的兩層環(huán)形平臺,可能代表了熱液沉積物的兩個(gè)形成堆積階段(Kleinrocketal,1996),暗示了該區(qū)熱液活動的長期性和多階段性。2樣品及樣品制備研究樣品系1988年美國伍茲霍爾海洋研究所與英國劍橋大學(xué)在大西洋中脊TAG熱液活動區(qū)聯(lián)合調(diào)查時(shí)所獲,為拖網(wǎng)取樣,起始坐標(biāo)為:26.13730°N,44.83880°W—26.13710°N,44.82330°W和26.13750°N,44.13750°W—26.13560°N,44.82030°W。樣品主要由黃鐵礦組成,其次為黃銅礦和白鐵礦,含有少量閃鋅礦,脈石礦物主要為石英。由于標(biāo)本數(shù)量有限,加之不同礦物之間的交生結(jié)構(gòu)比較發(fā)育和礦物中包裹體的存在。因此,采取挑選單礦物和硫化物集合體相結(jié)合的辦法,選擇礦物顆粒相對較粗(0.1—0.5mm左右)晶形較好的標(biāo)本,先用刀刻和破碎相結(jié)合的方法取樣,再粉碎,過篩選取60—80目之間的礦物,然后在雙目實(shí)體顯微鏡下挑純單礦物(>98%)和硫化物集合體樣品,共獲取10件黃鐵礦樣品和26件硫化物集合體樣品。單礦物樣品使用Cu2O制備氣體,硫化物集合體樣品先經(jīng)碳酸鹽-氧化鋅半熔法提純,再用V2O5氧化法制備氣體,制備好的SO2氣體在MAT230C質(zhì)譜計(jì)上測試,采用的國際標(biāo)準(zhǔn)為CDT,分析精度為±0.2‰,測試結(jié)果見表1。3硫同位素組成的對比大西洋中脊TAG熱液活動區(qū)熱液沉積物中254件硫化物樣品的δ34S值從0.35‰—10.27‰變化,均值為6.71‰,在直方圖上呈塔式分布(圖2)。其中,所貢獻(xiàn)的36件樣品的硫同位素比值(δ34S值從3.9‰—7.6‰變化,均值為5.98‰)與Gemmell等(1998)、Knott等(1998)和Herzig等(1998)的測試結(jié)果一致,基本上代表了TAG熱液活動區(qū)海底表層熱液沉積物的硫同位素組成。并且,本區(qū)除一件δ34S值(0.35‰)最小的樣品和一件δ34S值最大(10.27‰)的樣品外,絕大多數(shù)硫化物樣品的δ34S值分布在5‰—8‰這樣一個(gè)狹窄的范圍內(nèi),表明6.71‰的δ34S均值可以很好的代表TAG熱液活動區(qū)熱液沉積物中硫化物的硫同位素組成,同時(shí)也反映出硫化物樣品中硫同位素組成的變化程度不大。由于TAG熱液活動區(qū)的熱液沉積物在垂向上具明顯的分層(Knottetal,1998),結(jié)合ODP近期的研究結(jié)果,作者將TAG熱液活動區(qū)從海底表層向下分出5個(gè)層區(qū):表層硫化物區(qū)、塊狀硫化物區(qū)、硫化物-硬石膏區(qū)、硫化物-二氧化硅區(qū)和蝕變玄武巖區(qū)(表2)。并且,表層硫化物區(qū)和塊狀硫化物區(qū)的熱液沉積物的礦物組合和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征基本一致,為便于對比研究才將其分開?？梢钥闯?從表層硫化物區(qū)到蝕變玄武巖區(qū),盡管硫化物的硫同位素組成總體上保持一致,但由上到下δ34S值還是表現(xiàn)出明顯增加的趨勢(圖3),反映出空間上熱液沉積物組合的變化與其硫同位素組成有一定的對應(yīng)關(guān)系。同時(shí),將同一層區(qū)在不同地段(按布鉆分區(qū)劃分地段)分布的海底熱液成因硫化物的硫同位素組成在橫向上從西向東進(jìn)行對比(圖4)?？梢钥闯?同一層區(qū)不同地段硫化物的硫同位素組成基本上沒有太大的變化,但將同一層區(qū)硫同位素組成的空間分布與正在噴出高溫(350—360℃)熱流體的黑煙囪相聯(lián)系時(shí),卻發(fā)現(xiàn)同一層區(qū)中熱液沉積物的硫同位素組成隨著與黑煙囪水平距離的加大有逐漸增大的趨勢,而且在白煙囪出露且有相對低溫(260—300℃)熱流噴出的TAG-2區(qū)(Kremlin區(qū)),熱液沉積物的硫同位素組成明顯增大,表明海底熱流對熱液沉積物的硫同位素組成具有明顯的控制作用。從時(shí)間上看,TAG區(qū)的海底熱液活動經(jīng)歷了一個(gè)漫長的演化過程。根據(jù)年代學(xué)方面的資料(Lalouetal,1990,1993),目前熱液正在活動的TAG熱液沉積物丘狀堆積體可能在50—40ka開始的熱液活動(在Kremlin區(qū)可能開始的更早),經(jīng)過一段熱液活動停止期,在20ka左右的時(shí)期,又開始了新一輪的海底熱液活動,從此以后,每隔5ka海底熱液都要重新活動一個(gè)時(shí)期,而且從20—5ka之間是該區(qū)高溫?zé)嵋撼练e物形成的主要時(shí)期。而對應(yīng)每個(gè)階段形成的熱液沉積物,其硫同位素組成是否在時(shí)間上也表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律?結(jié)合ODPLeg158航次的有關(guān)年代學(xué)方面的成果(Lalouetal,1998),可以看出熱液沉積物的硫同位素組成與熱液沉積物形成的早晚并沒有必然的聯(lián)系,表明熱液沉積物的硫同位素組成變化不受時(shí)間的控制,控制熱液沉積物硫同位素組成變化的主要因素是熱液流體的溫度、pH值等物理化學(xué)條件。4討論4.1大洋底玄武巖硫同位素組成的對比由于TAG熱液活動區(qū)中熱液沉積物的基底為典型的N型洋中脊玄武巖(Normal-MORB),因此為該區(qū)熱液沉積物的形成提供硫的可能來源是下伏的玄武巖和上覆的海水。但是,TAG熱液活動區(qū)中熱液沉積物的硫同位素組成與現(xiàn)代海水硫酸鹽(δ34S值為20.99‰左右)(Reesetal,1978)和大洋底玄武巖[δ34S值為(0.3±0.5‰)](Sakaietal,1984)的硫同位素組成明顯不同,其明顯偏向玄武巖來源硫這一端,表明TAG熱液活動區(qū)硫的來源不是單一來源,可能是海水硫酸鹽和玄武巖中硫不同程度混合后的結(jié)果,并且玄武巖來源硫占了較大的份額。但是,目前很難找到一個(gè)有效的模式來估計(jì)熱液沉積物中海水硫酸鹽來源硫和玄武巖來源硫所占的比例。已有的研究表明,流體中的H2S如果有10%—20%來自海水硫酸鹽的還原作用,有80%—90%來自玄武巖,將產(chǎn)生2‰—4‰的δ34S值(Styrtetal,1981)。因此,在TAG熱液活動區(qū),熱液沉積物中硫可能有20%—40%來自海水硫酸鹽中硫,而有60%—80%來自玄武巖。而且,從表層區(qū)到蝕變玄武巖區(qū),熱液成因硫化物中海水來源硫的比例有增大的趨勢,而玄武巖來源硫的比例有減少的趨勢。4.2熱液流體成巖物質(zhì)組成特征在無沉積物覆蓋洋中脊的熱液活動區(qū)中,例如:軸向海嶺(AxialSeamount)、加拉帕戈斯裂谷(GalapagosRift)、蛇坑區(qū)(Snakepit)等,熱液沉積物中硫的來源有著相同的端元,并且海水來源硫端元與玄武巖來源硫端元的混合為熱液成因硫化物的形成提供了硫(Woodruffetal,1988;Kerridgeetal,1983;Fouquetetal,1996;Arnoldetal,1981;Shanksetal,1987;Alt,1988;Kaseetal,1990;Hanningtonetal,1988;Skirrowetal,1982)。TAG熱液活動區(qū)與這些地質(zhì)背景相似的洋中脊熱液活動區(qū)相比,其熱液沉積物中硫化物的硫同位素組成明顯偏重(圖5)。并且,導(dǎo)致TAG熱液活動區(qū)中熱液成因硫化物的硫同位素組成偏重的一個(gè)重要原因是由于海底熱流循環(huán)體系中海水來源硫占了相對較大的比例。而與其它洋中脊熱液活動區(qū)相比,TAG區(qū)熱液流體中海水來源硫比例之所以相對增加的原因與該區(qū)海水硫酸鹽還原作用過程中特有的溫度和水/巖比值條件有關(guān)。結(jié)合該區(qū)Sr、O同位素和流體包裹體方面的研究成果(Chibaetal,1998;Petersenetal,1998)可以看出,當(dāng)海水下滲到蝕變玄武巖區(qū)時(shí),由于下部巖漿的加熱(海水被加熱的溫度可達(dá)300—400℃以上,這也可通過TAG區(qū)黑煙囪噴出流體的溫度高達(dá)360℃、白煙囪噴出流體的溫度高達(dá)260—300℃(Ronaetal,1993)得到間接證明)和該地段所具備的水/巖比值較低的條件,使該地段成為進(jìn)行海水硫酸鹽還原作用較有利的地方,進(jìn)而導(dǎo)致相對較多的海水硫酸鹽發(fā)生快速的還原作用,同時(shí)不產(chǎn)生硫同位素分餾(Shanksetal,1981;Ohmotoetal,1982;Shanksetal,1987;Alt,1994)。這種經(jīng)過海水硫酸鹽還原作用產(chǎn)生的硫與玄武巖質(zhì)來源硫進(jìn)行混合,可使熱液沉積物的硫同位素組成明顯偏重。因此,在溫度較高和水/巖比值較低的條件下進(jìn)行海水硫酸鹽還原作用,是導(dǎo)致TAG區(qū)熱液成因硫化物中海水來源硫相對增加的一個(gè)主要原因。此外,TAG熱液活動區(qū)從海底表層區(qū)到下伏的蝕變玄武巖區(qū),熱液沉積物的礦物組合特征發(fā)生了相應(yīng)的變化,其反映出:(1)蝕變玄武巖區(qū)和硫化物-二氧化硅區(qū)的存在,表明海水-玄武巖相互作用的存在和廣泛發(fā)育,該作用是本區(qū)熱液沉積物形成過程中,玄武巖提供硫源的一個(gè)重要證據(jù);(2)硫化物-硬石膏區(qū)的存在,表明歷史上熱液流體曾有Ca2+和SO2-4高濃度的長期演化階段,而熱流體中SO2?442-高濃度的存在是相對大量的海水硫酸鹽被加熱并直接加入海底熱流循環(huán)體系的一個(gè)有力證據(jù);(3)表層區(qū)和塊狀硫化物區(qū)中以黃鐵礦為主的塊狀硫化物的大量堆積,表明該區(qū)熱液沉積物形成時(shí)流體中SO2?442-濃度明顯降低,海水以間接的方式為熱液沉積物的形成提供硫。以上討論說明,TAG熱液活動區(qū)特征的熱液沉積物堆積序列不僅是該區(qū)熱液活動長期演化、多期次活動(Lalouetal,1990,1993)的一個(gè)有力證明,同時(shí)也說明TAG熱液活動區(qū)中硫同位素偏重與該區(qū)海底熱液長期演化、多期次活動有關(guān)。4.3熱液成因有機(jī)物供氧量的特征在無沉積物覆蓋的洋中脊,海底熱液中的硫主要匯集了海水硫酸鹽和玄武巖中的硫。其中,海水中硫的提供,一是通過海水硫酸鹽下滲加熱后直接加入流體中,這也是TAG區(qū)大量硬石膏沉淀形成的一個(gè)重要條件;二是通過海水-玄武巖相互作用為熱流體提供硫。而玄武巖提供硫,主要通過流體-玄武巖相互作用得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),在海水與洋中脊玄武巖相互作用過程中,當(dāng)T≥250℃時(shí),海水硫酸鹽與Fe2+反應(yīng)并還原形成H2S,同時(shí)與玄武巖中淋濾出來的硫混合,最終可以導(dǎo)致δ34S值>5‰的熱液沉積物的沉淀形成(Styrtetal,1981)。從本區(qū)海底表層區(qū)到下伏的蝕變玄武巖區(qū),硫同位素組成表現(xiàn)出增大的趨勢,表明流體中硫的演化具有一定的階段性,即在蝕變玄武巖形成階段,熱液成因硫化物中的硫,主要通過海水硫酸鹽還原形成的H2S提供,該過程要求海水的滯留時(shí)間相對較長,流體的流速較慢,并被充分加熱,同時(shí)具備海水/巖石比值較低的條件,從而保證海水硫酸鹽還原形成大量的H2S,該階段熱液成因硫化物的δ34S平均值為7.56‰左右,這要求海水和玄武巖來源硫的比例大約為36∶64;在硫化物-二氧化硅形成階段,是海水-玄武巖相互作用較為徹底的一個(gè)階段,也是流體以玄武巖為主要物質(zhì)基礎(chǔ)并對其徹底改造的階段,該階段形成熱液成因硫化物的硫部分來自下伏蝕變玄武巖區(qū)熱液成因硫化物的重溶,部分來自玄武巖中淋濾出來的硫,而海水硫酸鹽中硫的比例(海水和玄武巖來源硫的比例大約為33∶67)有一定降低。在硫化物-硬石膏形成階段,流體中有大量的硫直接來自被加熱的海水,同時(shí)流體在循環(huán)過程中,下伏硫化物-二氧化硅區(qū)、蝕變玄武巖區(qū)中熱液成因硫化物的重溶作用,以及流體-玄武巖的相互作用也為該階段熱液沉積物的形成提供了一部分硫,其中重溶作用提供硫的比例相對增加,而流體中海水硫酸鹽還原形成的H2S所占的比例明顯降低,同時(shí)海水的滯留時(shí)間較短,流體的流速加大,并被迅速加熱,且對應(yīng)較高的海水/巖石比值,該階段海水和玄武巖來源硫的比例大約為30∶70。在表層區(qū)和塊狀硫化物區(qū),流體中海水SO2?442-的濃度急劇降低,流體中的硫主要是通過下伏硫化物-硬石膏區(qū)、硫化物-二氧化硅區(qū)和蝕變玄武巖區(qū)中熱液成因硫化物的重溶、硫酸鹽礦物(硬石膏)的還原作用和玄武巖中淋濾出來的硫提供,而海水硫酸鹽還原形成的H2S所占的比例明顯減少,該階段海水和玄武巖來源硫的比例大約為28∶72。而且,從TAG熱液活動區(qū)1986、1990、1993、1994和1995年噴口熱流的化學(xué)特征來看(Gamoetal,1996;Edmondsetal,1996;Charlouetal,1996),噴口熱流體中的硫主要以H2S形式存在,證明了海水硫酸鹽對噴口熱流的影響很小,表明形成海底表層區(qū)和塊狀硫化物區(qū)的熱液沉積物時(shí),海水不經(jīng)過海底循環(huán)直接在熱液噴口處通過硫酸鹽還原作用提供硫的可能性很小。由上述可以看出,不同階段各端元為熱液沉積物形成提供硫的比例和方式均明顯不同,