南大西洋中脊26°S热液区烟囱体矿物学研究

邵明娟，杨耀民，苏 新，叶 俊，石学法

(1.中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083；2.国家深海基地管理中心，山东 青岛 266061；3.海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

自从1977年在加拉帕戈斯群岛发现海底热液喷口至今，在全球洋底已经确定了300多处热液喷口，其中165处具有较高的资源量。预测在大洋中脊、岛弧以及弧后盆地形成的块状硫化物的资源量可达6×108t，其中包括3×107t的铜和锌，这与陆地新生代块状硫化物矿床开采中所发现铜、锌的总量相似，具有非常大的资源潜力[1]。

研究表明，慢速扩张洋脊更适合形成大型的热液硫化物矿床[2]。近30年人们在北大西洋中脊发现了30多个热液区，也证明了这一点，这也使人们对同为慢速扩张洋脊、地质背景相似的南大西洋中脊的成矿潜力也有期待[2]。

南大西洋中脊26°S热液区处于大洋中脊轴部地形高点，具有特殊的地质构造背景，是由我国首次发现，也是南大西洋中脊上迄今为止发现的最南端的热液区。本文首次对该区的硫化物烟囱体进行了矿物学研究，以阐明烟囱体的矿物学特征及其生长过程。

1 地质背景

热液区位于大西洋中脊25°10′S～26°35′S之间的洋脊段内，该洋脊段长约100km，并以Rio Grande转换断层为北界，Moore Fracture构造带为南界。洋中脊在26°S地区的半扩张速度向西约为19.3mm/a，向东约为16.3mm/a[3]。在该洋脊段的近中点附近的中央裂谷内存在一个火山，其顶部水深约2600m[4]。从该火山向南和向北，裂谷轴部的深度逐渐加深至转换断层处深达4100m[5]。研究区位置见图1。

中国大洋科考22航次第Ⅲ航段摄像资料显示，研究区位于大西洋中脊26°S中央裂谷内部的火山顶部的两个火山峰之间洼地内。该处地形起伏相对较缓，热液区中心可见大量块状硫化物、硫化物烟囱残块以及个别熄灭的热液喷口。热液区周围大量碎石堆积，碎石之间空隙处可见红褐色热液沉积物充填或覆盖，也可见大量生物贝壳[注]大洋科考DY22航次第Ⅲ航段报告。。

2 样品及研究方法

本文所使用的样品都来源于2011中国大洋科考22航次第Ⅲ航段在26°S使用电视抓斗抓取的硫化物样品，取得样品的坐标为13°W，26°S，水深为2545m。

样品为为烟囱壁碎片(图2)，新鲜断面具明显的三层结构，外层灰白色，灰绿色，厚3.5～4cm，致密，矿物颗粒较细，胶状结构，主要矿物组成为黄铁矿、白铁矿、少量黄铜矿，无定形硅。中层厚度变化在5～6cm，灰色，较外层疏松，颗粒总体较外层大，从外壁向内，颗粒变大，黄铜矿逐渐富集。最内层厚度在1cm左右，主要为黄铜矿，大颗粒。

对南大西洋26°S热液区所获取的硫化物样品磨制了光片，利用光学显微镜，电子探针对光片进行了矿物组成、结构构造、成矿期次分析。

图2 烟囱体碎块手标本照片

3 矿物学特征

本文所研究的样品是一个烟囱壁碎片，具有明显的层状构造、孔洞构造，能够体现烟囱体连续成长过程及热液活动的环境变化。

按照矿物组成，该样品从外到内依次为3类：外部富Fe型硫化物、中部Fe-Cu型硫化物和内部富Cu型硫化物。矿物组合见表1。

表1 南大西洋中脊26°S热液区硫化物矿物组合

外部富Fe型硫化物：主要矿物由胶状黄铁矿、黄铁矿和白铁矿组成。样品的最外部为胶状黄铁矿、白铁矿集合体(图3a)，都被无定形硅胶结交代。在胶状黄铁矿、白铁矿集合体之间的缝隙中有时会有后期沉淀的粒状黄铁矿(图3a)，粒度从10μm到200μm。向内是韵律层状的黄铁矿，层间为胶状黄铁矿、无定形硅和一些杂质(图3b)，黄铁矿的表面非常不平整，小的溶蚀空洞很多。这些韵律层状黄铁矿呈不标准的同心圆环形，有时独立存在，有时互相溶蚀(图3b)。大片的韵律层状黄铁矿之间，有时会发育粗粒他形、粒状自形黄铁矿，并开始发现粒状他形黄铜矿。

中部Fe-Cu型硫化物：主要矿物为黄铁矿、黄铜矿，微量微粒闪锌矿。该类样品中，黄铁矿，黄铜矿含量大致相当。开始出现自形、晶形良好的粗粒黄铁矿(图3c)，粒度能达到200μm。晶形良好的黄铁矿中有闪锌矿星出溶(图3d)，其粒度可从几微米到20μm。

内部富Cu层硫化物：主要矿物为黄铜矿、黄铁矿。黄铜矿片状，表面光滑(图3e)，黄铁矿含量相对较少。可见圆形、椭圆形的管状疑似生物遗迹构造(图3f)，直径约为300～500μm，管壁为胶状黄铁矿，管道内部充填了大量细粒，粗粒黄铁矿，并被后期的无定形硅所胶结，管道外壁常被黄铜矿增生包围。

总体来看，从外部富Fe型硫化物到中部Fe-Cu型硫化物，再向内到内部富Cu型硫化物，黄铜矿含量逐渐增高，黄铜矿表面也由不平整趋于平滑，由原来的他形细粒到自形粗粒，粒度从几十微米变为几百微米。

根据硫化物的矿物组成及结构特征，可以认为三种硫化物形成于同一个成矿期，并可以将该成矿期分为三个成矿阶段：即富Fe硫化物阶段，Fe-Cu硫化物阶段和富Cu硫化物阶段。

第一阶段：主要矿物组合为黄铁矿-白铁矿，矿物的生成顺序为胶状黄铁矿-白铁矿-细粒黄铁矿-细粒黄铜矿。

第二阶段：主要矿物组合为黄铁矿-黄铜矿，矿物的生成顺序为细粒自形黄铁矿-细粒他形黄铜矿-粗粒黄铁矿-粗粒黄铜矿。

第三阶段：主要矿物组合为黄铜矿-黄铁矿。矿物的生成顺序为细粒黄铁矿-粗粒黄铜矿-铜蓝。

图4 南大西洋26°S热液区硫化物的矿物成矿序列

4 讨论

4.1 烟囱体生长过程

根据硫化物样品矿石和矿物的组成、结构和构造，可以恢复南大西洋中脊26°S热液区硫化物的形成过程。首先早期的热液流体和海水迅速混合形成了胶状黄铁矿的外壳，此时，烟囱体外壁具有很多空隙，海水能够渗透入烟囱体和热液流体进行混合。无定形硅在烟囱体外壁通过传导冷却沉淀并交代早期形成的Fe硫化物。随着富Fe型硫化物外壁的形成以及无定形硅的胶结，烟囱体外壁的孔隙度减小，海水向内的渗透、混合作用减弱，无定形硅停止沉淀，烟囱体内部热液流体的温度逐步升高，从烟囱体外壁向内沉淀粒状黄铁矿，细粒他形黄铜矿，在晶形良好的黄铁矿中出现闪锌矿星，随着温度的进一步升高，粗粒自形黄铜矿开始在自形黄铁矿的外部包裹沉淀。

在热液区黑烟囱形成的过程中,早期所形成的硫酸盐矿物(如重晶石、硬石膏等),当温度高于150℃时，便容易被溶蚀，被溶蚀后形成的空间被后期形成的硫化物所充填或交代。研究区所获取样品中，整体缺少在黑烟囱中普遍存在的硬石膏，这可能是由于：烟囱体停止活动，温度降低，导致了硬石膏溶解[6]；样品整体缺少硫酸盐为主的成矿阶段；由于样品来源于同一抓斗，可能代表不了该热液区的全部特征。

与太平洋海隆理想烟囱生长模式相对比[11]，26°S热液区烟囱体样品发育第5、6矿物相，即黄铜矿相和黄铁矿相。Graham研究认为，发育成熟的烟囱应由矿物相6、7、8组成，具有较大的、开放的通道，矿物单一，发育良好的单矿物组成的黄铁矿带、黄铜矿带、斑铜矿带，具有较高的硫化物/硫酸盐、Cu/Fe以及Fe/Zn比值的特征[11]。因此推测26°S热液区的烟囱发育已较为成熟。

4.2 生物遗迹

从样品的显微照片中可以发现(图3f)，26°S热液区硫化物中存在保存较完整的管状疑似生物遗迹。这种管状生物遗迹是由多种管状蠕虫形成的，在各个大洋的各热液区都观察到过，如大西洋的TAG、Broken Spur热液区等[12-13]，太平洋的胡安德夫卡热液区、北斐济热液区等[14-16,10]以及印度洋的MESO热液区[14,17]。

26°S热液区的烟囱体的外部和内部发育管状生物遗迹，管道内部都发育胶状黄铁矿，被无定形硅充填胶结，大部分的管道还保持有完整或半完整的管道形态。管道形成后，成为热液流体的通道，使当时的热液流体在通道内沉淀结晶。管道内部只有胶状黄铁矿和无定形硅，说明了管道形成于烟囱体形成初期，温度较低时。管道形成，矿物充填后，阻断了后期的高温热液的进入。烟囱体内部富Cu硫化物中也发育有大量的管状生物遗迹，这些生物遗迹的管道内部是胶状黄铁矿，被无定形硅胶结充填，外壁已经被黄铜矿交代，代表了热液流体温度的骤然升高，热液环境的不连续变化。

5 结论

1)南大西洋26°S热液区烟囱体样品主要是由硫化物矿物组成，仅含少量的无定形硅。根据矿物组成，可以将该热液区硫化物样品分为三类：富Fe型硫化物、Fe-Cu型、富Cu型硫化物。

2)根据矿物组合及结构构造特征，可以将26°S热液区硫化物成矿的成矿期次分四个阶段：富Fe硫化物阶段、Fe-Cu硫化物阶段、富Cu硫化物阶段以及海水混合期。

3)根据Graham的太平洋海隆烟囱理想生长模式，推测26°S热液区烟囱发育较成熟。

致谢：感谢参加大洋科考22航次第Ⅲ航段的所有科学家和船员！

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