現(xiàn)代海底熱液沉積物中硫化物的硫同位素組成及其硫源

1海底熱液沉積物硫同位素組成對比問題20世紀(jì)80年代初至90年代初，隨著對海底熱液活動的廣泛研究，國外也對海底熱液沉積物的硫素作了一定程度的研究[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28和29]。熱液沉積物的硫基及其形成的物理?xiàng)l件。它為深入理解熱液沉積物的成因和地下熱液系統(tǒng)的發(fā)展提供了必要的依據(jù)。此外，現(xiàn)代海底熱液沉積物（熱液沉積物是海底熱液活動過程中的所有產(chǎn)物，不僅包括各種礦物，還包括硫酸鹽、氧化物和其他礦物）的硫素?cái)?shù)達(dá)到1000個(gè)，分散在世界著名的海底熱液區(qū)。這種明顯的特征?？偨Y(jié)和研究這些數(shù)據(jù)是非常必要的。因此，結(jié)合對沖海槽ja熱液區(qū)和大西洋中坳陷r隊(duì)熱液區(qū)表層熱液沉積物硫素單元的性質(zhì)和成因進(jìn)行了比較分析，并對不同地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中海底熱液沉積物的硫素單元的組成、不同熱液區(qū)rv的不同組成、不同熱液區(qū)的硫素單元的性質(zhì)進(jìn)行了研究。這對研究古代類似于大陸上類似于世界的礦化進(jìn)程具有重要意義。全球現(xiàn)代采礦和科學(xué)研究。2熱液休閑活動現(xiàn)代海底熱液活動區(qū)主要分布在大洋中脊和弧后盆地的擴(kuò)張中心,可粗略的分為3大類:(1)有沉積物覆蓋洋中脊中熱液活動區(qū),以南戈達(dá)洋脊(SouthernGordaRidge)中的伊斯坎布海槽(EscanabaTrough),加里福尼亞海灣(GulfofCalifornia)中的瓜伊馬斯海盆(GuaymasBasin)和北胡安·德富卡洋脊(northernJuandeFucaRidge)中的中河谷區(qū)(MiddleValley)等處的熱液活動區(qū)為代表,沉積物構(gòu)成這些熱液區(qū)中熱液沉積物的基底;(2)無沉積物覆蓋洋中脊中熱液活動區(qū),以大西洋中脊中的TAG熱液區(qū)、蛇坑(SnakePit)熱液區(qū),南胡安德·富卡洋脊(SouthernJuandeFucaRidge)和東太平洋海隆21°N等地的熱液活動區(qū)為代表,火成巖構(gòu)成這些熱液區(qū)中熱液沉積物的基底;(3)弧后盆地?cái)U(kuò)張中心中熱液活動區(qū),以沖繩海槽、勞海盆(LauBasin)和馬里亞納海槽(MarianaTrough)等地的熱液活動區(qū)為代表.這些熱液活動區(qū)在地質(zhì)背景上的差別主要體現(xiàn)在熱液沉積物出露的基底是沉積物還是火成巖,熱液活動區(qū)有無沉積物覆蓋,以及熱液活動區(qū)分布的構(gòu)造環(huán)境是洋中脊擴(kuò)張區(qū)還是弧后盆地?cái)U(kuò)張區(qū).例如,在洋中脊擴(kuò)張區(qū),慢速擴(kuò)張的東太平洋海隆21°N,中速擴(kuò)張的大西洋中脊蛇坑區(qū)和TAG區(qū),以及中速擴(kuò)張的南胡安·德富卡洋脊(SJdFR),其熱液沉積物均直接出露于玄武巖之上;而慢速擴(kuò)張的南戈達(dá)洋脊的伊斯坎布海槽區(qū),中速擴(kuò)張的北胡安·德富卡洋脊Endeavor段的中谷區(qū)和加里福尼亞海灣瓜伊馬斯海盆區(qū)的熱液沉積物均出露于有沉積物覆蓋的熱液活動區(qū)中.在弧后盆地?cái)U(kuò)張區(qū),中速擴(kuò)張的馬里亞納海槽18°13′N處的熱液沉積物出露于玄武巖之上,而沖繩海槽Jade區(qū)的熱液沉積物則出露于長英質(zhì)火山巖之上,且該熱液活動區(qū)尚有未固結(jié)的沉積物覆蓋.各熱液活動區(qū)的地質(zhì)背景不同,對應(yīng)的構(gòu)造環(huán)境、熱液沉積物出露的基底和擴(kuò)張速率等均有差異,這預(yù)示著各熱液活動區(qū)中噴出流體和熱液沉積物的地球化學(xué)特征也有相應(yīng)的變化.3硫同位素組成的分布我們共收集到全球現(xiàn)代海底熱液沉積物的1264個(gè)硫同位素?cái)?shù)據(jù).其中,熱液沉積物中硫化物礦物的硫同位素?cái)?shù)據(jù)1042個(gè)(包括795個(gè)硫化物單礦物和247個(gè)硫化物集合體樣品),硫酸鹽礦物的硫同位素?cái)?shù)據(jù)217個(gè)以及5個(gè)自然硫樣品的硫同位素比值.可以看出,熱液沉積物中硫化物礦物的硫同位素組成分布范圍較廣(見表1),δ34S值由-16.2‰～17.6‰均值為4.5‰(n=1042,n是樣品數(shù),以下同).其中,有沉積物覆蓋洋中脊中熱液沉積物(δ34S值由-16.2‰～17.6‰,均值為4.2‰(n=374))與無沉積物覆蓋洋中脊中熱液沉積物(δ34S值由-0.9‰～10.27‰,均值為4.8‰(n=595))相比,盡管硫同位素的均值相近,但前者的變化范圍明顯較大(圖1),并且不同的弧后盆地?zé)嵋夯顒訁^(qū)中,硫化物的硫同位素組成(沖繩海槽δ34S由5.2‰～7.2‰,均值為6.3‰(n=10);馬里亞納海槽δ34S值由2.1‰～3.1‰,均值為2.7‰(n=18);勞海盆δ34S值由-7.7‰～16.2‰,均值為3.2‰(n=45))也明顯不同.但總體上看,現(xiàn)代海底熱液沉積物中硫化物礦物的硫同位素組成分布范圍非常緊湊,δ34S值在1‰～9‰之間集中分布(見圖2).熱液沉積物中硫酸鹽礦物的硫同位素組成分布范圍也比較廣(見表1),δ34S值由8.6‰～30.0‰,均值為21.3‰(n=217).其中,有沉積物覆蓋洋中脊中熱液沉積物的硫酸鹽δ34S值由8.6‰～30.0‰,均值為21.8‰(n=86))與無沉積物覆蓋洋中脊中熱液沉積物(δ34S值由16.0‰～23.0‰,均值為21.2‰(n=81))相比,盡管硫同位素的均值相近,但前者的變化范圍也相對較大(圖3),而在不同的弧后盆地?zé)嵋夯顒訁^(qū)中,硫酸鹽的硫同位素組成(沖繩海槽δ34S值由16.3‰～22.3‰,均值為19.8‰(n=7);馬里亞納海槽δ34S值由20.2‰～22.0‰,均值為21.4‰(n=20);勞海盆δ34S值由16.1‰～21.9‰,均值為19.8‰(n=23))比較一致.總體來看,海底熱液沉積物中硫酸鹽礦物的硫同位素組成主要在19‰～24‰之間集中分布(圖4).此外,5個(gè)自然硫樣品(一個(gè)來自沖繩海槽δ34S值為8.2‰,一個(gè)來自EPR21°Nδ34S值為-0.4‰,3個(gè)來自勞海盆δ34S值由-2.4‰～4.8‰)的硫同位素組成盡管明顯不同,但卻均與各自熱液活動區(qū)中硫化物的硫同位素組成有一定的對應(yīng)關(guān)系,即硫化物的δ34S值偏輕,對應(yīng)的自然硫樣品的δ34S值也偏輕.4無沉積物覆蓋的洋中脊熱液體系中熱液沉積物中硫同位素組成的變化現(xiàn)代海底熱液沉積物中硫化物的硫同位素組成多集中分布在1‰～9‰之間(見圖2),而硫酸鹽礦物的硫同位素組成主要分布在19‰～24‰之間(見圖4),表明現(xiàn)代海底熱液沉積物中硫化物的硫主要為混合硫,而硫酸鹽礦物中硫主要為海水來源硫(一般認(rèn)為海水硫酸鹽的δ34S值為20‰左右).根據(jù)不同熱液活動區(qū)中熱液沉積物的硫同位素組成特征,現(xiàn)代海底熱液沉積物中硫化物的硫源可大致分為3種類型:第1種是以火成巖來源硫?yàn)橹?并有海水來源硫部分加入的類型(以東太平洋海隆21°N,大西洋中脊蛇坑區(qū),軸向海嶺和南胡安·德富卡洋脊為代表);第2種是以沉積物來源硫?yàn)橹?并有海水來源硫和有機(jī)還原硫加入的類型(以瓜伊馬斯海盆為代表);第3種是以火山巖來源硫和沉積物來源硫的混合硫?yàn)橹?并有海水來源硫的部分加入(以沖繩海槽Jade熱液活動區(qū)為代表).同時(shí),由不同熱液活動區(qū)中現(xiàn)代海底熱液沉積物硫同位素組成的對比結(jié)果可以看出,各熱液活動區(qū)熱液沉積物中硫化物的硫同位素組成有著明顯的差異和一定的相似性(見圖1),而熱液沉積物中硫酸鹽礦物的硫同位素組成,除個(gè)別例外,大多數(shù)表現(xiàn)出驚人的一致(見圖3).產(chǎn)生這種情況的原因是什么?已有的研究表明,熱液沉積物的硫同位素組成與其形成時(shí)流體的溫度、pH值、氧逸度、硫逸度和化學(xué)組成緊密相關(guān),而流體的物理化學(xué)狀態(tài)又是海底熱液體系中導(dǎo)致流體形成和運(yùn)移的動態(tài)環(huán)境變化的階段性反映.因此,與海底熱液體系有關(guān)的因素,包括:流體運(yùn)動的環(huán)境(圍巖和通道環(huán)境),流體運(yùn)移的動力來源,流體的滯留時(shí)間,流體-巖石相互作用的程度,巖漿演化和物源體系,以及生物和有機(jī)質(zhì)的作用等,均有可能成為控制不同熱液活動區(qū)熱液沉積物中硫同位素變化的關(guān)鍵因素,即制約因素越多,變化越復(fù)雜,熱液沉積物硫同位素組成的變化范圍就越大,相反其硫同位素組成就比較集中,變化范圍也比較狹窄.在無沉積物覆蓋的洋中脊擴(kuò)張中心,熱液噴口流體的pH值明顯比基底為沉積物的熱液噴口流體偏酸性,相應(yīng)的溫度和流體中H2S的含量也明顯偏高(表2),其物源體系由火成巖和海水兩個(gè)端員構(gòu)成,也比有沉積物覆蓋的洋中脊熱液活動區(qū)(由火成巖、沉積物、海水和有機(jī)質(zhì)等多個(gè)端員構(gòu)成物源體系)相對簡單.因此,在無沉積物覆蓋的洋中脊熱液活動區(qū),熱液沉積物的δ34S值比有沉積物覆蓋洋中脊熱液活動區(qū)的偏低,其δ34S值的變化范圍也相對比較狹窄.但是,熱液沉積物出露基底為玄武巖的TAG區(qū)與熱液沉積物出露基底為沉積物的瓜伊馬斯海盆,其硫同位素組成與其他熱液活動區(qū)相比卻分別表現(xiàn)出明顯不協(xié)調(diào)的偏高和偏低.在TAG熱液活動區(qū),導(dǎo)致熱液沉積物硫同位素組成偏高的原因可能歸因于海底熱液循環(huán)過程中較高比例海水來源硫的加入;而在瓜伊馬斯海盆,δ34S值偏低并表現(xiàn)出負(fù)值的原因則與來自沉積物的細(xì)菌成因硫化物有關(guān),并且由于不同熱液活動區(qū)中沉積物和有機(jī)質(zhì)作用的程度及其貢獻(xiàn)硫的情況不同,也是導(dǎo)致有沉積物覆蓋洋中脊熱液活動區(qū)中熱液沉積物的硫同位素組成比無沉積物覆蓋洋中脊中熱液沉積物的變化范圍大的一個(gè)重要原因.在弧后盆地?cái)U(kuò)張中心,情況比較復(fù)雜.馬里亞納海槽18°13′N和沖繩海槽Jade區(qū)噴口流體的溫度和pH值雖基本一致(見表2),均介于有沉積物覆蓋和無沉積物覆蓋洋中脊擴(kuò)張中心噴口流體的溫度和pH值之間,但其中熱液沉積物出露基底為玄武巖的馬里亞納海槽18°13′N,其δ34S值明顯低于沖繩海槽Jade區(qū)熱液沉積物的硫同位素組成,表明深部來源硫?qū)︸R里亞納海槽18°13′N熱液沉積物的硫同位素組成有著明顯的控制作用,而沖繩海槽的沉積物和長英質(zhì)火山巖則對Jade區(qū)熱液沉積物的硫同位素組成有著明顯的影響.與馬里亞納海槽和沖繩海槽Jade區(qū)不同,勞海盆(VaiLili熱液區(qū))噴口流體的溫度偏高,pH值偏酸性,與無沉積物覆蓋洋中脊中熱液區(qū)的情況相似,但其熱液沉積物的硫同位素組成卻明顯偏高(δ34S值由7.2‰～10.9‰)而且勞海盆不同地段(WhiteChurch區(qū),VaiLili區(qū)和HineHina區(qū))熱液活動區(qū)中熱液沉積物的硫同位素組成表現(xiàn)出較大的變化范圍,與該海盆沿洋中脊分布不同的火山巖(包括Fe-Ti玄武巖,安山巖和英安巖,且向南表現(xiàn)出巖漿的分餾程度增加,并出現(xiàn)流紋巖質(zhì)組分)相對應(yīng),反映出該區(qū)海底巖漿演化對熱液沉積物硫同位素組成的控制作用.同時(shí),在洋中脊擴(kuò)張中心,無沉積物覆蓋的東太平洋海隆21°N,其噴口流體中H2S的δ34S值(1.3‰～4.6‰)比有沉積物覆蓋的北胡安德富卡洋脊Endeavor段中河谷區(qū)噴口流體中H2S的δ34S值(4.2‰～7.4‰)低;而在弧后盆地中,無沉積物覆蓋的馬里亞納海槽18°13′N噴口流體中H2S的δ34S值(2.0‰～4.8‰)也低于有沉積物覆蓋的沖繩海槽Jade區(qū)噴口流體中H2S的δ34S值(7.3‰～8.0‰),這些均反映出熱液活動區(qū)有無沉積物對于熱液沉積物的硫同位素組成有著明顯的影響.此外,不同熱液活動區(qū)熱液沉積物中硫酸鹽的δ34S值表現(xiàn)出明顯的一致性,說明:(1)海水是現(xiàn)代海底熱液沉積物中硫酸鹽礦物的主要硫源;(2)熱液沉積物中硫酸鹽和硫化物礦物的形成機(jī)制不同,在流體溫度降低,pH值升高,流速降低的條件下有利于硫酸鹽礦物的形成,這也是海水能夠加入熱液活動的有利條件,且這種情況在大多數(shù)熱液活動區(qū)均曾經(jīng)發(fā)生過;(3)大多數(shù)硫酸鹽礦物取自海底熱液沉積物堆積體的上部或近海底的部分.因此,其硫酸鹽礦物的硫同位素組成僅代表熱液沉積物堆積體上部硫酸鹽的硫同位素組成,而且在這部分熱液沉積物的硫酸鹽礦物形成過程,海水硫酸鹽中硫均對其產(chǎn)生了影響.5硫同位素組成的特征(1)現(xiàn)代海底熱液沉積物中硫化物的硫同位素組成集中分布在1‰～9‰之間,均值為4.5‰(n=1042),而硫酸鹽礦物的硫同位素組成主要分布在19‰～24‰之間,均值為21.3‰(n=217).(2)無論在洋中脊還是在弧后盆地?cái)U(kuò)張中心,無沉積物覆蓋熱液活動區(qū)中熱液沉積物的δ34S值一般略低于有沉積物覆蓋熱液活動區(qū)中熱液沉積物的硫同位素組成(排除生物和有機(jī)質(zhì)的影響),且其硫同位素組成的分布范圍相對狹窄.(3