西南印度洋中脊热液硫化物成矿物质来源探讨：同位素证据

李小虎等

摘 要：报道了西南印度洋中脊47°E～55°E洋脊段热液区硫化物中He、Pb和Cu同位素特征，探讨了热液硫化物成矿物质来源特征。结果表明：硫化物N（3He）/N（4He）值变化范围较大（R/Ra=085～7.02），显示洋中脊玄武岩和海水对He来源具有不同贡献，硫化物中He主要来源于洋中脊玄武岩，也有部分放射性成因He的混入；热液硫化物Pb同位素比值变化范围很小（N（=206Pb）/N（=204Pb）=18.196～18.239，N（=207Pb）/N（=204Pb）=15.479 ～15.490和N（=208Pb）/N（=204Pb）=37951～38.023），与西南印度洋中脊玄武岩Pb同位素比值较大的变化范围相比，热液流体循环过程中Pb同位素发生了明显均一化；硫化物单矿物Cu同位素组成均为正值（δ（=64Cu）=（002～0.52）×10=-3），显示西南印度洋中脊热液硫化物呈现略微富集Cu重同位素特征；西南印度洋中脊热液硫化物中He、Pb和Cu同位素记录了热液喷口流体和金属源区特征，热液硫化物成矿物质主要来源于洋中脊玄武岩和海水，但明显经历了热液流体再循环和后期改造过程。

关键词：地球化学；热液硫化物；同位素；源区；成矿作用；西南印度洋中脊

中图分类号：P597 文献标志码：A

0 引 言

西南印度洋中脊（SWIR）从印度洋三联点（约25.7°S， 70°E）到Bouvet三联点（约55°S， 1°W），半扩张速率由每年0.6 cm到每年0.9 cm，属于慢速—超慢速扩张洋脊[1]。由于SWIR具有低的扩张速率，而且岩浆供给相对贫乏[2]，近年来在西南印度洋脊段仅发现了一系列热液异常和不活动热液硫化物丘[3-8]，而首个活动热液喷口的发现为研究超慢速扩张洋脊热液循环和硫化物形成过程提供了新的认识。对首个活动热液区（49°39′E）热液硫化物矿物学和地球化学研究表明，硫化物矿物组成和稀土元素（REE）模式与典型无沉积物覆盖洋中脊硫化物烟囱体有所差异[9-10]，而对于热液循环过程中流体来源和金属源区的认识依然有限。

热液流体与海水混合沉淀过程形成了不同金属硫化物和硫酸盐矿物，矿物中捕获的流体包裹体N（3He）/N（4He）值保留了热液流体He同位素信息，黄铁矿捕获流体中N（3He）/N（4He）值可以保留100 Ma[11]。因此，流体包裹体中N（3He）/N（4He）值可以反映流体岩石相互作用，重建流体来源，反映流体组成及其变化特征[12-13]。热液流体中金属元素主要来源于洋壳，金属同位素组成研究可以很好地示踪金属源区和成矿过程，如Pb同位素在洋壳、沉积物和海水源区中具有不同特征，且硫化物中Pb同位素组成在后期蚀变过程中很少受到改变[14]，从而可以有效示踪金属源区特征。Cu同位素在玄武岩、海水和热液沉积物等源区中相对均一且变化范围较小（平均值接近于0），而在热液硫化物矿床中呈现很大变化[15-20]，反映了热液流体再循环和低温后期改造过程。

基于此，笔者报道了西南印度洋中脊热液区硫化物中He-Ar同位素和Pb、Cu同位素分析结果，进一步认识热液硫化物成矿物质来源特征，探讨西南印度洋中脊热液硫化物形成过程。

1 样品与分析方法

1.1 样品采集

本研究样品来自中国大洋科考第20航次西南印度洋中脊热液区（47°E～55°E， 35°S～39°S），前人对研究区（图1）地质背景和地球物理特征进行了详细报道[21-23]。研究区位于西南印度洋中脊第28洋脊段，洋脊轴部近EW走向，东西端分别为Indomed和Gallieni转换断层，轴部水深北侧较深，南侧较浅[9]。硫化物样品主要来自可视抓斗取样，对6个硫化物样品进行了Pb同位素分析，对其中3个可挑选出含Cu单矿物的样品进行了He-Ar和Cu同位素分析。

1.2 He-Ar同位素分析

挑选矿物组成相对均一的硫化物样品，用玛瑙研钵磨碎后（60目，0.280 mm）在双目实体显微镜下对硫化物样品进一步分选，选取以黄铁矿、黄铜矿和闪锌矿为主的硫化物矿物颗粒，采用MM5400质谱计进行稀有气体丰度和同位素分析，标样使用兰州市皋兰山顶空气（AIRLZ2003），详细实验方法、流程和实验仪器条件见文献[24]、[25]。测试分析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。

4 结 语

（1）西南印度洋中脊热液硫化物中He同位素特征表明热液流体中He主要来源玄武岩，放射性成因He的混入和深部岩浆作用影响了热液流体和硫化物中He同位素比值。

（2）西南印度洋中脊热液硫化物中Pb同位素比值变化范围很小且十分均一，Pb同位素主要来源于玄武岩且在热液流体循环过程中发生了明显均一化。

（3）硫化物单矿物Cu同位素组成呈现富Cu重同位素特征，表明研究区热液硫化物可能形成于高温活动热液喷口流体沉淀，并经历了后期热液流体和海水改造作用。

谨以此文感谢恩师汤中立院士长期以来给予的支持和关心，在此特祝先生健康长寿，学术常青！中国大洋调查第20航次所有队员以及朱祥坤研究员、王峥嵘副教授、史宝光副研究员在Cu、Pb和He同位素分析测试中给予了大力支持，在此一并表示感谢。

摘 要：报道了西南印度洋中脊47°E～55°E洋脊段热液区硫化物中He、Pb和Cu同位素特征，探讨了热液硫化物成矿物质来源特征。结果表明：硫化物N（3He）/N（4He）值变化范围较大（R/Ra=085～7.02），显示洋中脊玄武岩和海水对He来源具有不同贡献，硫化物中He主要来源于洋中脊玄武岩，也有部分放射性成因He的混入；热液硫化物Pb同位素比值变化范围很小（N（=206Pb）/N（=204Pb）=18.196～18.239，N（=207Pb）/N（=204Pb）=15.479 ～15.490和N（=208Pb）/N（=204Pb）=37951～38.023），与西南印度洋中脊玄武岩Pb同位素比值较大的变化范围相比，热液流体循环过程中Pb同位素发生了明显均一化；硫化物单矿物Cu同位素组成均为正值（δ（=64Cu）=（002～0.52）×10=-3），显示西南印度洋中脊热液硫化物呈现略微富集Cu重同位素特征；西南印度洋中脊热液硫化物中He、Pb和Cu同位素记录了热液喷口流体和金属源区特征，热液硫化物成矿物质主要来源于洋中脊玄武岩和海水，但明显经历了热液流体再循环和后期改造过程。

关键词：地球化学；热液硫化物；同位素；源区；成矿作用；西南印度洋中脊

中图分类号：P597 文献标志码：A

0 引 言

西南印度洋中脊（SWIR）从印度洋三联点（约25.7°S， 70°E）到Bouvet三联点（约55°S， 1°W），半扩张速率由每年0.6 cm到每年0.9 cm，属于慢速—超慢速扩张洋脊[1]。由于SWIR具有低的扩张速率，而且岩浆供给相对贫乏[2]，近年来在西南印度洋脊段仅发现了一系列热液异常和不活动热液硫化物丘[3-8]，而首个活动热液喷口的发现为研究超慢速扩张洋脊热液循环和硫化物形成过程提供了新的认识。对首个活动热液区（49°39′E）热液硫化物矿物学和地球化学研究表明，硫化物矿物组成和稀土元素（REE）模式与典型无沉积物覆盖洋中脊硫化物烟囱体有所差异[9-10]，而对于热液循环过程中流体来源和金属源区的认识依然有限。

热液流体与海水混合沉淀过程形成了不同金属硫化物和硫酸盐矿物，矿物中捕获的流体包裹体N（3He）/N（4He）值保留了热液流体He同位素信息，黄铁矿捕获流体中N（3He）/N（4He）值可以保留100 Ma[11]。因此，流体包裹体中N（3He）/N（4He）值可以反映流体岩石相互作用，重建流体来源，反映流体组成及其变化特征[12-13]。热液流体中金属元素主要来源于洋壳，金属同位素组成研究可以很好地示踪金属源区和成矿过程，如Pb同位素在洋壳、沉积物和海水源区中具有不同特征，且硫化物中Pb同位素组成在后期蚀变过程中很少受到改变[14]，从而可以有效示踪金属源区特征。Cu同位素在玄武岩、海水和热液沉积物等源区中相对均一且变化范围较小（平均值接近于0），而在热液硫化物矿床中呈现很大变化[15-20]，反映了热液流体再循环和低温后期改造过程。

基于此，笔者报道了西南印度洋中脊热液区硫化物中He-Ar同位素和Pb、Cu同位素分析结果，进一步认识热液硫化物成矿物质来源特征，探讨西南印度洋中脊热液硫化物形成过程。

1 样品与分析方法

1.1 样品采集

本研究样品来自中国大洋科考第20航次西南印度洋中脊热液区（47°E～55°E， 35°S～39°S），前人对研究区（图1）地质背景和地球物理特征进行了详细报道[21-23]。研究区位于西南印度洋中脊第28洋脊段，洋脊轴部近EW走向，东西端分别为Indomed和Gallieni转换断层，轴部水深北侧较深，南侧较浅[9]。硫化物样品主要来自可视抓斗取样，对6个硫化物样品进行了Pb同位素分析，对其中3个可挑选出含Cu单矿物的样品进行了He-Ar和Cu同位素分析。

1.2 He-Ar同位素分析

挑选矿物组成相对均一的硫化物样品，用玛瑙研钵磨碎后（60目，0.280 mm）在双目实体显微镜下对硫化物样品进一步分选，选取以黄铁矿、黄铜矿和闪锌矿为主的硫化物矿物颗粒，采用MM5400质谱计进行稀有气体丰度和同位素分析，标样使用兰州市皋兰山顶空气（AIRLZ2003），详细实验方法、流程和实验仪器条件见文献[24]、[25]。测试分析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。

4 结 语

（1）西南印度洋中脊热液硫化物中He同位素特征表明热液流体中He主要来源玄武岩，放射性成因He的混入和深部岩浆作用影响了热液流体和硫化物中He同位素比值。

（2）西南印度洋中脊热液硫化物中Pb同位素比值变化范围很小且十分均一，Pb同位素主要来源于玄武岩且在热液流体循环过程中发生了明显均一化。

（3）硫化物单矿物Cu同位素组成呈现富Cu重同位素特征，表明研究区热液硫化物可能形成于高温活动热液喷口流体沉淀，并经历了后期热液流体和海水改造作用。

谨以此文感谢恩师汤中立院士长期以来给予的支持和关心，在此特祝先生健康长寿，学术常青！中国大洋调查第20航次所有队员以及朱祥坤研究员、王峥嵘副教授、史宝光副研究员在Cu、Pb和He同位素分析测试中给予了大力支持，在此一并表示感谢。

摘 要：报道了西南印度洋中脊47°E～55°E洋脊段热液区硫化物中He、Pb和Cu同位素特征，探讨了热液硫化物成矿物质来源特征。结果表明：硫化物N（3He）/N（4He）值变化范围较大（R/Ra=085～7.02），显示洋中脊玄武岩和海水对He来源具有不同贡献，硫化物中He主要来源于洋中脊玄武岩，也有部分放射性成因He的混入；热液硫化物Pb同位素比值变化范围很小（N（=206Pb）/N（=204Pb）=18.196～18.239，N（=207Pb）/N（=204Pb）=15.479 ～15.490和N（=208Pb）/N（=204Pb）=37951～38.023），与西南印度洋中脊玄武岩Pb同位素比值较大的变化范围相比，热液流体循环过程中Pb同位素发生了明显均一化；硫化物单矿物Cu同位素组成均为正值（δ（=64Cu）=（002～0.52）×10=-3），显示西南印度洋中脊热液硫化物呈现略微富集Cu重同位素特征；西南印度洋中脊热液硫化物中He、Pb和Cu同位素记录了热液喷口流体和金属源区特征，热液硫化物成矿物质主要来源于洋中脊玄武岩和海水，但明显经历了热液流体再循环和后期改造过程。

关键词：地球化学；热液硫化物；同位素；源区；成矿作用；西南印度洋中脊

中图分类号：P597 文献标志码：A

0 引 言

西南印度洋中脊（SWIR）从印度洋三联点（约25.7°S， 70°E）到Bouvet三联点（约55°S， 1°W），半扩张速率由每年0.6 cm到每年0.9 cm，属于慢速—超慢速扩张洋脊[1]。由于SWIR具有低的扩张速率，而且岩浆供给相对贫乏[2]，近年来在西南印度洋脊段仅发现了一系列热液异常和不活动热液硫化物丘[3-8]，而首个活动热液喷口的发现为研究超慢速扩张洋脊热液循环和硫化物形成过程提供了新的认识。对首个活动热液区（49°39′E）热液硫化物矿物学和地球化学研究表明，硫化物矿物组成和稀土元素（REE）模式与典型无沉积物覆盖洋中脊硫化物烟囱体有所差异[9-10]，而对于热液循环过程中流体来源和金属源区的认识依然有限。

热液流体与海水混合沉淀过程形成了不同金属硫化物和硫酸盐矿物，矿物中捕获的流体包裹体N（3He）/N（4He）值保留了热液流体He同位素信息，黄铁矿捕获流体中N（3He）/N（4He）值可以保留100 Ma[11]。因此，流体包裹体中N（3He）/N（4He）值可以反映流体岩石相互作用，重建流体来源，反映流体组成及其变化特征[12-13]。热液流体中金属元素主要来源于洋壳，金属同位素组成研究可以很好地示踪金属源区和成矿过程，如Pb同位素在洋壳、沉积物和海水源区中具有不同特征，且硫化物中Pb同位素组成在后期蚀变过程中很少受到改变[14]，从而可以有效示踪金属源区特征。Cu同位素在玄武岩、海水和热液沉积物等源区中相对均一且变化范围较小（平均值接近于0），而在热液硫化物矿床中呈现很大变化[15-20]，反映了热液流体再循环和低温后期改造过程。

基于此，笔者报道了西南印度洋中脊热液区硫化物中He-Ar同位素和Pb、Cu同位素分析结果，进一步认识热液硫化物成矿物质来源特征，探讨西南印度洋中脊热液硫化物形成过程。

1 样品与分析方法

1.1 样品采集

本研究样品来自中国大洋科考第20航次西南印度洋中脊热液区（47°E～55°E， 35°S～39°S），前人对研究区（图1）地质背景和地球物理特征进行了详细报道[21-23]。研究区位于西南印度洋中脊第28洋脊段，洋脊轴部近EW走向，东西端分别为Indomed和Gallieni转换断层，轴部水深北侧较深，南侧较浅[9]。硫化物样品主要来自可视抓斗取样，对6个硫化物样品进行了Pb同位素分析，对其中3个可挑选出含Cu单矿物的样品进行了He-Ar和Cu同位素分析。

1.2 He-Ar同位素分析

挑选矿物组成相对均一的硫化物样品，用玛瑙研钵磨碎后（60目，0.280 mm）在双目实体显微镜下对硫化物样品进一步分选，选取以黄铁矿、黄铜矿和闪锌矿为主的硫化物矿物颗粒，采用MM5400质谱计进行稀有气体丰度和同位素分析，标样使用兰州市皋兰山顶空气（AIRLZ2003），详细实验方法、流程和实验仪器条件见文献[24]、[25]。测试分析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。

4 结 语

（1）西南印度洋中脊热液硫化物中He同位素特征表明热液流体中He主要来源玄武岩，放射性成因He的混入和深部岩浆作用影响了热液流体和硫化物中He同位素比值。

（2）西南印度洋中脊热液硫化物中Pb同位素比值变化范围很小且十分均一，Pb同位素主要来源于玄武岩且在热液流体循环过程中发生了明显均一化。

（3）硫化物单矿物Cu同位素组成呈现富Cu重同位素特征，表明研究区热液硫化物可能形成于高温活动热液喷口流体沉淀，并经历了后期热液流体和海水改造作用。

谨以此文感谢恩师汤中立院士长期以来给予的支持和关心，在此特祝先生健康长寿，学术常青！中国大洋调查第20航次所有队员以及朱祥坤研究员、王峥嵘副教授、史宝光副研究员在Cu、Pb和He同位素分析测试中给予了大力支持，在此一并表示感谢。