[科普中国]-热液过程

热液过程，指海水通过岩石裂隙或构造断裂带渗入海底地壳深层，并同地壳岩石发生化学成分交换。迄今所发现的海底热液活动，主要分布在大洋中脊、弧后扩张型盆地内，以及深大断裂带。

概述热液过程，亦称“海底热液循环”（submarine hydrothermal circula）。指海水通过岩石裂隙或构造断裂带渗入海底地壳深层，并同地壳岩石发生化学成分交换。下渗的海水被地下岩浆房或未冷却的玄武岩加热后，上升并以海底热泉形式喷出海底。喷出的热液在微量元素组成和大多数金属元素（例如，Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Hg、Ni和Co等）含量上，与一般海水有很大的差异。由于环境条件（例如温度、Eh值和pH值等）的突然变化，热液发生沉淀，从而在热液喷口附近形成热液沉积物——多金属软泥或块状金属硫化物。迄今所发现的海底热液活动，主要分布在大洋中脊、弧后扩张型盆地内，以及深大断裂带。例如，大西洋中脊的TAG海区（26－30°N）、Famous海区（36－37°N）、Snakepit海区（23°N）、Romaneche断裂带等；东太平洋海隆的11°N、13°N、21°N热液区、科隆（Galapagos，加拉帕戈斯）扩张中心（86°09′W）、JuanbeFuca断裂带（45－49°N）以及Bauer盆地的转换断层带（10°S，100°W）等；印度洋的Aden海湾和Carlsberg洋脊处（9°N）等；此外，还有马里亚纳海盆、冲绳海槽等弧后盆地和红海中央裂谷等。1

现代海底热液流体的产生及循环模式现代海底具有超过55000km的洋中脊系统和22000km的岛弧系统，其内部均不同程度地存在着热液活动。热液系统的重要组成因素有热源（熔浆或者初凝的岩石）、多孔介质（具有断层或者裂隙的火山岩洋壳）以及贯穿这一系统的流体（海水）。热液流体的成分反映了一系列因素的共同作用：原始的海水成分、与流体相互作用的作为基岩的成分以及结构（例如裂缝或孔隙的分布、柔性/刚性转换面的深度等）以及热源的深度、尺寸、形状等。这些因素影响着热液循环的深度、规模，决定着该体系中水岩相互作用发生时的温度、压力，同时还控制着是否出现相分离。另外，按前人的划分，当流体在围岩中循环时，首先在海水下渗的通道区域，即补给区（recharge zone）发生低温水岩反应，随后进入深度最大、温度最高的部分，即反应区（reaction zone），最后成为高温的具浮力的热液流体通过上升区（discharge zone）以较快的速度排出海底。下面按照不同热液区的热液循环特征予以简要总结。2

补给区特征补给区洋壳的主要热液过程包括低温下的氧化、碱金属和Mg的固定、硬石膏的形成以及高温下碱金属的淋滤。

（1）洋壳的氧化与碱金属的固定：氧化性较强的海水和洋壳接触首先发生低温蚀变，使基岩中的橄榄石和硫化矿物被铁的氧/羟化物所取代，并填充在岩石的裂隙中，同时碱金属（K、Rb、Cs、B等）进入绿鳞石或绿脱石中；

（2）Mg的固定：当海水进入更深的洋壳且被加热到约150℃时，Mg会以粘土矿物形式从流体中沉淀下来，在低于或高于200℃两种情况下分别形成富Mg蒙脱石和绿泥石，同时岩石中Ca被淋滤出来以保证溶液的电荷平衡；

（3）硬石膏的沉淀：硬石膏的溶解度随温度的上升而降低，当温度达到150～200℃时，海水中几乎全部的Ca和大约2/3的硫酸根就会形成硬石膏的沉淀；

（4）碱金属的高温淋滤：随着温度的升高（>150℃）岩石中的碱金属开始被淋滤出来，导致高温热液中碱金属的含量要远高于海水。2

反应区特征反应区内海水和岩石的反应决定着热液流体的最终化学组成。而相分离作用是最重要的一个因素。当该区温度和压力一旦超过了海水临界点，热液就会分离成低盐度的蒸汽相和卤水相，挥发性组分（例如H2S）会优先进入蒸汽相，卤水相因为密度较大留在系统的裂隙中。相分离作用直接导致绝大多数热液流体中Cl元素含量和正常海水相比常常有很大差异，从而导致可溶性金属元素含量的波动，这是由于高温流体中大多数金属元素的迁移是以与Cl元素结合成络合物的方式进行的。此外，热液循环过程中岩浆脱气组分（例如3He、CO2、CH4和H2）的加入也能影响流体成分。在一些岛弧或弧后扩张系统中，由于岩浆富含Si和H2O，其热液流体的pH值更低，并且具有岩浆来源的SO2。这些与岛弧以及弧后有关的熔浆流体还可以向热液流体提供额外的金属元素（例如Cu、Zn、Fe、As、Au等）。2

上升区特征反应区中相分离的作用使热液流体与海水相比具有很大浮力，因此能迅速喷出海底。上升区分为集中流区和弥散流区。集中流的上升通道通畅且可能直接与深部反应区连通，能更快速地喷出海底，而弥散流由于喷发前和海水能发生不同程度的混合，温度低，浮力小，喷出的速度慢，且无法形成黑烟囱结构，但能形成分布范围更广的含金属沉积物（metal－liferous sediments）或Fe－Mn氧化物壳层。上升区岩石中常常出现Mg亏损和Ca富集的特征，蚀变过程的水岩比较大（约500～1000），表明热液流体在喷出海底过程中同样与岩石发生了离子的交换。

值得指出的是，尽管对于以玄武岩为围岩的热液系统已进行了详尽的实验研究、理论推导以及野外考察，但对于其他类型的围岩热液系统却仍缺乏了解，比如对于安山岩、流纹岩、英安岩（存在于弧后盆地、裂谷岛弧以及海底火山岛弧中）、橄榄岩（沿部分慢速扩张洋脊分布）甚至沉积物等。在较低的水岩比（