玄武岩—海水相互作用与海底热液成矿作用

海底热液活动是20世纪海洋地质学最重要的发现之一，已成为国际前沿研究热点。海水渗入大洋中脊被地壳下的岩浆加热后，从“黑烟囱”喷口里排出温度高达400℃的热液。这些热液在与周围的冷海水混合时，水中的金属硫化物就沉淀到烟囱和附近海底上。

大量事实证明，海底热液性质是由热液与洋中脊玄武岩反应所控制的，热液与玄武岩洋壳反应的路径和停顿时间对热液活动和海底成矿作用（黑烟囱）的成因起着很大的作用（图7-1）。

图7-1 玄武岩－热海水相互作用（据NOAA/OER,2002）

大洋中脊顶部的水深一般在2000～3000m，大洋中脊顶部的地壳较薄，仅2～6km。喷口处的温度为400℃，向两侧温度逐渐降低到2℃。中脊顶部有裸露的玄武岩，纵向延伸的中央裂谷和横向断裂带是大洋中脊最突出的特征。大洋中脊上广泛地发育与中脊走向垂直或斜交的横向断裂带。

海水沿裂隙渗入到玄武岩中，向下循环过程中被下部的岩浆加热后，又沿裂隙上升，在此过程中不断与玄武岩反应，从玄武岩中溶解出金属元素，向上沿喷口处喷出。通过我们这次的化学动力学实验结果来看，在25℃～400℃范围内，金属成矿元素从玄武岩的溶解比较复杂，不同的元素相对于不同流体流速和不同温度的变化常常表现为不同的溶解情况。根据不同温度、不同流速条件下水岩反应输出溶液中微量元素含量，计算出每一温度下每一流速的平均含量和溶解速率（表7-1）。

表7-1 22MPa下不同温度、不同流速条件下，玄武岩与3.5%含量NaCl溶液反应，输出溶液中成矿金属元素浓度和溶解速率平均值

从表7-1可以看出，体系温度、流体流速对主要成矿元素从岩石中的溶解反应影响较大。一般来说，随着温度的升孙毕高，成矿金属元素在溶液中的浓度也越来越大，一般在300℃～400℃时达到最大浓度。但是在临界态附近出现一个跃变。

Fe,Cu,Zn,Mn和Mo分别在不同温度、不同流速条件下达到最大溶解速率。Fe在100℃和200℃时大量从玄武岩中溶解，进入到溶液中；在其他温度下，输出溶液中Fe浓度很低，与100℃和200℃的浓度相比，相差达10倍左右。Cu在200℃时也大量进入到溶液中，在300℃～400℃时溶液中的浓度较高，从350℃～374℃，溶解速率有一个跃变，并在374℃时达到最大溶解速率0.03315×10-6mol・m-2・min-1。亲铜元素Zn在400℃时达到最大溶解速率0.02027×10-6mol・m-2・min-1。Mo在350℃达到最大溶解速率0.01653×10-6mol・m-2・min-1。与Zn,Mo相比，Cu在T≥200℃时，溶液中的浓度受流速变化的影响较小，一直保持着较高的浓度。而Zn在溶液中的浓度较低，在T≥350℃以上时受流速变化的影响。低流速时（1.0mL/min,1.5mL/min）时，浓度较大；随着流速的加大，溶液中Zn浓度降低很快，与低流速相比，浓度最多相差达10倍。而Mo一般是在低流速时溶解速率较大，与高流速相比，溶解速率可相差几倍。因此，不同温度、不同流速下，金属成矿元素具有不同的溶解速率，导致了Fe,Cu,Zn和Mo等成矿元素在空间上的分带特征。

我们根据金属成矿元素不同温度下的溶解情况，选取金属成矿元素Fe,Cu,Zn,Mo和造岩元素Si在溶液中达到较高浓度时所在的温度以及该温度下的平均溶解速率，计算在一条长1km、宽1km、厚5km破碎的玄武岩体中，玄武岩与热海水相互作用过程中所能溶出、提供的金属成矿元素和Si的金属量（估算量）。计算步骤如下：

1）首先根据玄武岩样品中金属成矿元素Fe,Cu,Zn,Mo和造岩元素Si的含量及玄武岩密度约为3t m/3，计算出长1km、宽1km、厚1km的玄武岩体所含的金属量。

2）由于不同的金属元素在不同的温度条件下溶解情况不同，本次选取金属元素达到最大溶解速率时所对应的温度：Fe,200℃；Cu,374℃；Zn,400℃；Mo,200℃；Si,350℃。

3）计算出从长1km、宽信明1km、厚1km 破碎的玄武岩中全部溶解出金属元素所需要的时间，计算结果见表7-2。

表7-2 从每立方米玄武岩溶解出全部金属元素所需要的时间

4）计算出长1km、宽1km、厚5km 破碎的玄武岩体中，在1年的时间里溶解出的金属量。

5）根据1年内溶解出的金属量，则坦芹计算在1000年的时间里，从长1km、宽1km、厚5km破碎的玄武岩体能够溶解出的金属量。

6）计算从玄武岩全部溶出所能提供的金属量，计算结果见表7-3。

从表7-3可以看出，在22MPa及温度在200℃～400℃范围内，玄武岩与海水相互作用过程中，可以从玄武岩中溶解出大量的金属成矿元素。在1000年能提供181.7Mt的Fe、3.62Mt的Cu、1.16Mt的Zn和3.02Mt的Mo。并有986.7Mt的Si从玄武岩溶出。假设处在一个长期稳定流动环境系统下，在长1km、宽1km、厚度5km 破碎的玄武岩体，最大可能提供466.65Mt的Fe、247.5Mt的Cu、177Mt的Zn和4.50Mt的Mo。并且在大约3462年的时间里，有3656.63Mt的Si（7822Mt的SiO2）从玄武岩中溶解、迁移出，留下巨大的空间，成为金属成矿元素运移的通道，以及金属元素堆积、沉淀的场所。

表7-3 根据玄武岩-海水反应化学动力学实验结果推算的金属成矿元素溶出量

通过以上的估算，我们可以得出以下结论：在大洋中脊热海水与玄武岩相互作用过程中，能在短时间内溶解出巨量的金属成矿元素，金属成矿元素进入到热海水中，随着海水循环、上升，在有利成矿环境下，沉淀、堆积、富集形成规模巨大的金属矿床。而巨量SiO2的溶出所留下的巨大空间，成为金属成矿元素运移的通道，并为金属元素的堆积、富集提供了成矿场所。因此可以说，大洋中脊玄武岩－海水相互作用对海底成矿作用的贡献是非常巨大的。