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[摘要]近30年来，海底热液硫化物烟囱体的生长过程和演化历史的研究一直是地球科学热点。前人研究认为影响其生长规模和形态的主要因素有化学（热液温度、pH值、氧逸度-硫逸度）、物理（压力、孔隙度、渗透性和流速）条件和生物活动等。目前，并不存在一个通用的模型，可以解释不同热液区硫化物烟囱体的生长历史。原位观测，海水的作用及生物过程等方面的工作有待进一步开展，以解决已有生长模型中存在的问题。总结了硫化物烟囱体生长模型，并对其适用性进行了简要的探讨。
[关键词]热液硫化物烟囱体 生长模型
[中图分类号] P588.32 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-2-265-2
1前言
海底热液喷口及其热液烟囱体是现代海底热液成矿作用的研究对象之一，是海洋地质和海洋矿产资源调查、研究的热门课题。研究海底热液硫化物烟囱体意义重大。首先，随着陆地金属矿床的日益枯竭，海底热液硫化物矿床以其新的生命力作为重要的后备与补充，它的合理开发为满足人类对多金属矿床资源的需求提供了可能。其次，它是进行研究成矿过程的“天然实验室”，利用载人深潜器，科学家们甚至可以清晰地观察到硫化物烟囱体的生长过程。此外，热液硫化物烟囱体上分布广泛的生物，是深海生物基因资源的宝库，为地质学家和生物学家的合作提供了前提，对推动地球系统科学的发展具有重要意义。本文系统总结了烟囱体生长模型研究方面取得的进展，并对模型的局限性进行初步探讨。
2硫化物烟囱体生长模型探讨
2.1热液烟囱体生长模型
Haymon[1]首次提出了烟囱体生长模型，此模型将烟囱体生长划分为两个阶段。两个阶段都涉及到海水的参与引起的温度变化，初始阶段为硬石膏沉淀阶段，此时热液流体与海水的自由混合，导致了温度低、相对氧化的沉淀环境，并形成了烟囱体后期生长的框架；随后的硫化物沉淀阶段，海水的作用一定程度上被限制，热液流体温度较高而相对还原，沉淀出的矿物以金属硫化物为主。这个模型强调了温度和硫逸度-氧逸度两个因素对烟囱体内矿物沉淀的决定作用。该模型过于简单地把烟囱体生长归结为硫酸盐生长阶段和硫化物生长阶段，而未能反映矿物交代和重结晶过程中发生的矿物相带之间的迁移与转化。
1988年，Graham[2]对东太平洋洋隆EPR11°N及13°N的3个活动烟囱体及一个不活动的烟囱体样品进行了详细的显微结构研究，结合烟囱壁矿物分带性及矿化特征确定了不同的矿物形成先后顺序。研究认为完整硫化物烟囱体的理想结构模式应该包含8个矿物相带，从硬石膏相到纤锌矿相的演化代表了烟囱体的成熟度的提高，而不活动烟囱体代表了最高成熟度。尽管目前具备8个相带组成的理想硫化物烟囱体结构并不存在，该理想模型却从沉淀速率和溶解速率角度，对热液活动不同阶段矿物的沉淀、溶蚀进行了分析。更有意义的是，Graham等通过对显微结构的研究，对矿物带中的新老物质进行追踪，认为每个矿物带包含早期的矿物和被后期热液带入的年轻物质，并通过先后沉淀结晶矿物的比例，对烟囱壁的成熟度加以对比。同时，该模型对Haymon两阶段生长从矿物组合角度加以细化，更加注重从矿物相间的相互转化，并从矿物化学角度，对矿物沉淀的物理化学条件进行了深入对比研究。尽管如此，这个模型的不足之处还是显而易见的，过于绝对地把矿物相和成熟度进行对应，由于每种矿物只要条件具备就会发生沉淀，同时，烟囱壁内、外壁之间也并非简单地对应新、老物质。
无论是Haymon关于硫化物烟囱体两阶段生长的模型还是Graham的矿物相带理想模式，都侧重从矿物的结构观察对烟囱生长过程中矿物组合的划分。为了了解硫化物硫化物烟囱体生长过程中化学、物理条件的变化，模拟实验论证工作得以陆续开展[3-5]。这些研究考虑了热液与海水的混合作用、传导式冷却作用后热液达到的某种化学状态，很好地界定了热液成分、温度、压力梯度。尽管未能重现热液喷口区复杂的物理化学环境，却开辟了硫化物烟囱体生长机制研究的新视野。单纯从传统的显微镜下研究矿物结构恢复烟囱体生长历史几乎都过于理想化，模拟实验的开展，有助于人们从更广阔的视野重新衡量影响烟囱体生长过程的各种因素及其反馈机制。
2.2烟囱体生长模型新进展
长期以来，热液硫化物烟囱体的研究侧重对矿物组合（矿物种类、矿物结构、构造等），使得人们对于深海硫化物成矿规律有了更深入的认识与把握。但同时，忽略了热液成矿物质来源变化在烟囱体形成过程中的作用。在Haymon的两阶段生长模型提出之初，一直困扰科学家们的问题是阶段一的沉淀产物是被加热的海水的直接沉淀还是热液被海水冷却后的沉淀。这就涉及到矿物中元素来源的问题。很显然的是，热液是还原性的高温流体，几乎不含有硫酸根，因此硬石膏中的硫酸根毫无疑问来自海水。但钙离子却同时存在于海水中和热液中。这无疑给硬石膏的沉淀机制研究带来不确定性。锶同位素示踪很好地解决了这一问题，研究发现硬石膏中的锶同位素组成介于热液流体和海水之间，也就是说，硬石膏既不是简单的海水加热的产物，也不是热液简单的冷却的结果，而是热液与海水发生一定程度的混合作用导致的[6]。Bluth[7]等人通过对烟囱体内硫化物中硫同位素34S/32S比值研究发现，烟囱体内通道附近以及烟囱壁内外的硫同位素比值发生规律性变化，并据此构建硫同位素变化的模型，恢复了烟囱壁生长次序。董从芳[8]等通过对烟囱体不同矿物分带进行210Pb年代学研究，恢复了整个烟囱体组合的形成历史。此外，放射性同位素运用于烟囱体的生长历史研究，结合矿物学，可以定量地对烟囱生长速率进行推算。但不同构造背景条件下的热液系统，具有不同的流体喷发强度，导致矿物沉淀速率差异明显[9，10]。同时Fe、Cu、Zn同位素方面取得的新进展，也使烟囱体形成过程中热液流体中金属元素的化学行为得以记录。
3结语
海底热液硫化物烟囱体的生长模型，虽然具有各自的局限性，但它们从不同的角度反映了烟囱体生长历史和演化过程，为进一步开展相关工作指出了方向。 由于在海底热液循环过程研究中仍存在一些亟需解决的难点，现代海底硫化物烟囱体生长模型的研究方兴未艾。硫化物烟囱体模型的建立过于强调热液性质对烟囱体生长的控制作用，海水被认为仅在烟囱体形成初期和烟囱体热液通道被堵塞后起作用。尤其是对于流速缓慢、弥散式喷发的热液流体，海水的作用更不可忽视。对于深部捕获的海水和近地表捕获的海水对流体的改造程度都将有待于进一步调查的研究。同时，生物活动对硫化物烟囱体内的物理化学条件的改变作用仍不清晰，通过加深对喷口区生物体的研究，势必加深人们对物理、化学以及生物过程的相互反馈机制的理解，为深海不同特征喷口的研究开辟新的思路。
参考文献
[1]Haymon R M. Growth history of hydrothermal black smoker chimneys[J]. Nature， 1983， 301（24）： 695～698.
[2] Graham U M， Bluth G J， Ohmoto H. Sulfide-sulfate chimneys on the East Pacific Rise ， 11°and 13°N latitudes ， part Ⅰ：mineralogy and paragenesis[J]. Canadian Mineralogist， 1988. 26： 487-504.
[3] Janecky， D R， Shanks W C Ⅲ， Computational modeling of chemical and sulfur isotopic reaction processes in seafloor hydrothermal systems： chimneys， massive sulfides， and subjacent alteration zones[J]. Canadian Mineralogists， 1988， 26： 805-825.
[4] Turner J S， Campbell I H， A laboratory and theoretical study of the growth of " black smoker " chimneys[J]， Earth Planet Science Letters， 1987， 82： 36-48.
[5] Turner J S， Laboratory models of growing flanges， and a comparison with other growth mechanisms of " black smoker" chimneys[J]. Earth Planet Science Letters， 1995. 134： 491-499.
[6] Tivey， M.K. How to build a black smoker chimney： The formation of mineral deposits at mid-ocean ridges[J]. Oceanus， 1998， 41 （2）： 68-74.
[关键词]热液硫化物烟囱体 生长模型
[中图分类号] P588.32 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-2-265-2
1前言
海底热液喷口及其热液烟囱体是现代海底热液成矿作用的研究对象之一，是海洋地质和海洋矿产资源调查、研究的热门课题。研究海底热液硫化物烟囱体意义重大。首先，随着陆地金属矿床的日益枯竭，海底热液硫化物矿床以其新的生命力作为重要的后备与补充，它的合理开发为满足人类对多金属矿床资源的需求提供了可能。其次，它是进行研究成矿过程的“天然实验室”，利用载人深潜器，科学家们甚至可以清晰地观察到硫化物烟囱体的生长过程。此外，热液硫化物烟囱体上分布广泛的生物，是深海生物基因资源的宝库，为地质学家和生物学家的合作提供了前提，对推动地球系统科学的发展具有重要意义。本文系统总结了烟囱体生长模型研究方面取得的进展，并对模型的局限性进行初步探讨。
2硫化物烟囱体生长模型探讨
2.1热液烟囱体生长模型
Haymon[1]首次提出了烟囱体生长模型，此模型将烟囱体生长划分为两个阶段。两个阶段都涉及到海水的参与引起的温度变化，初始阶段为硬石膏沉淀阶段，此时热液流体与海水的自由混合，导致了温度低、相对氧化的沉淀环境，并形成了烟囱体后期生长的框架；随后的硫化物沉淀阶段，海水的作用一定程度上被限制，热液流体温度较高而相对还原，沉淀出的矿物以金属硫化物为主。这个模型强调了温度和硫逸度-氧逸度两个因素对烟囱体内矿物沉淀的决定作用。该模型过于简单地把烟囱体生长归结为硫酸盐生长阶段和硫化物生长阶段，而未能反映矿物交代和重结晶过程中发生的矿物相带之间的迁移与转化。
1988年，Graham[2]对东太平洋洋隆EPR11°N及13°N的3个活动烟囱体及一个不活动的烟囱体样品进行了详细的显微结构研究，结合烟囱壁矿物分带性及矿化特征确定了不同的矿物形成先后顺序。研究认为完整硫化物烟囱体的理想结构模式应该包含8个矿物相带，从硬石膏相到纤锌矿相的演化代表了烟囱体的成熟度的提高，而不活动烟囱体代表了最高成熟度。尽管目前具备8个相带组成的理想硫化物烟囱体结构并不存在，该理想模型却从沉淀速率和溶解速率角度，对热液活动不同阶段矿物的沉淀、溶蚀进行了分析。更有意义的是，Graham等通过对显微结构的研究，对矿物带中的新老物质进行追踪，认为每个矿物带包含早期的矿物和被后期热液带入的年轻物质，并通过先后沉淀结晶矿物的比例，对烟囱壁的成熟度加以对比。同时，该模型对Haymon两阶段生长从矿物组合角度加以细化，更加注重从矿物相间的相互转化，并从矿物化学角度，对矿物沉淀的物理化学条件进行了深入对比研究。尽管如此，这个模型的不足之处还是显而易见的，过于绝对地把矿物相和成熟度进行对应，由于每种矿物只要条件具备就会发生沉淀，同时，烟囱壁内、外壁之间也并非简单地对应新、老物质。
无论是Haymon关于硫化物烟囱体两阶段生长的模型还是Graham的矿物相带理想模式，都侧重从矿物的结构观察对烟囱生长过程中矿物组合的划分。为了了解硫化物硫化物烟囱体生长过程中化学、物理条件的变化，模拟实验论证工作得以陆续开展[3-5]。这些研究考虑了热液与海水的混合作用、传导式冷却作用后热液达到的某种化学状态，很好地界定了热液成分、温度、压力梯度。尽管未能重现热液喷口区复杂的物理化学环境，却开辟了硫化物烟囱体生长机制研究的新视野。单纯从传统的显微镜下研究矿物结构恢复烟囱体生长历史几乎都过于理想化，模拟实验的开展，有助于人们从更广阔的视野重新衡量影响烟囱体生长过程的各种因素及其反馈机制。
2.2烟囱体生长模型新进展
长期以来，热液硫化物烟囱体的研究侧重对矿物组合（矿物种类、矿物结构、构造等），使得人们对于深海硫化物成矿规律有了更深入的认识与把握。但同时，忽略了热液成矿物质来源变化在烟囱体形成过程中的作用。在Haymon的两阶段生长模型提出之初，一直困扰科学家们的问题是阶段一的沉淀产物是被加热的海水的直接沉淀还是热液被海水冷却后的沉淀。这就涉及到矿物中元素来源的问题。很显然的是，热液是还原性的高温流体，几乎不含有硫酸根，因此硬石膏中的硫酸根毫无疑问来自海水。但钙离子却同时存在于海水中和热液中。这无疑给硬石膏的沉淀机制研究带来不确定性。锶同位素示踪很好地解决了这一问题，研究发现硬石膏中的锶同位素组成介于热液流体和海水之间，也就是说，硬石膏既不是简单的海水加热的产物，也不是热液简单的冷却的结果，而是热液与海水发生一定程度的混合作用导致的[6]。Bluth[7]等人通过对烟囱体内硫化物中硫同位素34S/32S比值研究发现，烟囱体内通道附近以及烟囱壁内外的硫同位素比值发生规律性变化，并据此构建硫同位素变化的模型，恢复了烟囱壁生长次序。董从芳[8]等通过对烟囱体不同矿物分带进行210Pb年代学研究，恢复了整个烟囱体组合的形成历史。此外，放射性同位素运用于烟囱体的生长历史研究，结合矿物学，可以定量地对烟囱生长速率进行推算。但不同构造背景条件下的热液系统，具有不同的流体喷发强度，导致矿物沉淀速率差异明显[9，10]。同时Fe、Cu、Zn同位素方面取得的新进展，也使烟囱体形成过程中热液流体中金属元素的化学行为得以记录。
3结语
海底热液硫化物烟囱体的生长模型，虽然具有各自的局限性，但它们从不同的角度反映了烟囱体生长历史和演化过程，为进一步开展相关工作指出了方向。 由于在海底热液循环过程研究中仍存在一些亟需解决的难点，现代海底硫化物烟囱体生长模型的研究方兴未艾。硫化物烟囱体模型的建立过于强调热液性质对烟囱体生长的控制作用，海水被认为仅在烟囱体形成初期和烟囱体热液通道被堵塞后起作用。尤其是对于流速缓慢、弥散式喷发的热液流体，海水的作用更不可忽视。对于深部捕获的海水和近地表捕获的海水对流体的改造程度都将有待于进一步调查的研究。同时，生物活动对硫化物烟囱体内的物理化学条件的改变作用仍不清晰，通过加深对喷口区生物体的研究，势必加深人们对物理、化学以及生物过程的相互反馈机制的理解，为深海不同特征喷口的研究开辟新的思路。
参考文献
[1]Haymon R M. Growth history of hydrothermal black smoker chimneys[J]. Nature， 1983， 301（24）： 695～698.
[2] Graham U M， Bluth G J， Ohmoto H. Sulfide-sulfate chimneys on the East Pacific Rise ， 11°and 13°N latitudes ， part Ⅰ：mineralogy and paragenesis[J]. Canadian Mineralogist， 1988. 26： 487-504.
[3] Janecky， D R， Shanks W C Ⅲ， Computational modeling of chemical and sulfur isotopic reaction processes in seafloor hydrothermal systems： chimneys， massive sulfides， and subjacent alteration zones[J]. Canadian Mineralogists， 1988， 26： 805-825.
[4] Turner J S， Campbell I H， A laboratory and theoretical study of the growth of " black smoker " chimneys[J]， Earth Planet Science Letters， 1987， 82： 36-48.
[5] Turner J S， Laboratory models of growing flanges， and a comparison with other growth mechanisms of " black smoker" chimneys[J]. Earth Planet Science Letters， 1995. 134： 491-499.
[6] Tivey， M.K. How to build a black smoker chimney： The formation of mineral deposits at mid-ocean ridges[J]. Oceanus， 1998， 41 （2）： 68-74.