王媛，李懷明*，董傳萬，于增慧，陶春輝，李偉，岳羲和,5，呂士輝

( 1. 自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2. 自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3. 浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310012；4. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；5. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 海洋學(xué)院，湖北 武漢 430074；6. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 海洋學(xué)院，北京 100083)

1 引言

目前全球已發(fā)現(xiàn)的熱液噴口總量接近700個(gè)，其中在慢速-超慢速擴(kuò)張洋脊（全擴(kuò)張速率小于55 mm/a）發(fā)現(xiàn)的熱液噴口數(shù)量已超過總量的60%[1-3]。慢速-超慢速擴(kuò)張洋脊上發(fā)育的拆離斷層與熱液循環(huán)系統(tǒng)具有緊密關(guān)系[4]，可為熱液流體循環(huán)提供上升通道[5]。熱液流體沿著通道上升，在上升流區(qū)與圍巖發(fā)生相互作用[6]。拆離斷層作用可使地殼深部的輝長(zhǎng)巖及蛇紋石化地幔巖出露在海底，形成大洋核雜巖，這為研究上升流區(qū)流體特征和變化以及熱液流體循環(huán)提供了直接的研究樣本[7]。

海底熱液循環(huán)系統(tǒng)的上升流區(qū)發(fā)生著復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，例如高溫上升流與圍巖的相互作用、海水下滲以及與熱液流體的混合、超基性巖的蛇紋石化過程等。這些過程改變了上升流的性質(zhì)，也影響著洋中脊巖石圈的結(jié)構(gòu)和組成，是控制洋中脊熱液流體循環(huán)和成礦作用的重要因素[7-14]。超慢速擴(kuò)張西南印度洋脊Atlantis Bank拆離斷層變質(zhì)巖的微結(jié)構(gòu)和礦物溫度計(jì)研究結(jié)果表明，拆離斷層活動(dòng)伴隨著復(fù)雜變質(zhì)過程，包括斜長(zhǎng)石的動(dòng)力重結(jié)晶（650～910℃）、角閃石伴生的溶解-沉淀蠕變過程（450～750℃）、綠泥石伴生反應(yīng)軟化（300～450℃）和脆性裂隙和破碎等（低于300℃）[13]。大西洋脊Logatchev熱液區(qū)的蛇紋巖富集Fe，反映富鐵利于蛇紋石和磁鐵礦的形成；Si含量的增加顯示了水控反應(yīng)環(huán)境；在水巖反應(yīng)過程中，變質(zhì)輝長(zhǎng)巖的大部分微量元素進(jìn)入到流體相；Si、Ti、Ca和Na等主量元素的虧損，反映Ti氧化物、單斜輝石和斜長(zhǎng)石等礦物的分解；Mg元素的富集表明富Mg黏土礦物沉淀[15-16]。

位于西南印度洋脊的龍旂熱液區(qū)是在超慢速擴(kuò)張洋脊發(fā)現(xiàn)的首個(gè)活動(dòng)熱液區(qū)[17]。Zhao等[18]利用主動(dòng)源地震研究對(duì)龍旂熱液區(qū)和位于大西洋脊的TAG熱液區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究，認(rèn)為二者均受到拆離斷層控制，在成因上具有一定相似性。該類型的熱液系統(tǒng)模型有兩個(gè)典型特征：一是拆離斷層根部存在輝長(zhǎng)巖侵入體，是驅(qū)動(dòng)熱液流體循環(huán)的“熱源”[18-20]；二是活動(dòng)的拆離斷層增加了下盤巖體孔隙度，是熱液流體循環(huán)的上升流區(qū)。

中國(guó)大洋調(diào)查航次在龍旂熱液區(qū)及其鄰近區(qū)域利用電視抓斗獲取了大量的蝕變巖石樣品，蝕變巖研究可提供豐富的龍旂上升流區(qū)環(huán)境參量，為該類型熱液系統(tǒng)的上升流區(qū)的流體特征及循環(huán)模式提供直接證據(jù)。本文利用研究區(qū)蝕變巖石的巖相學(xué)和礦物地球化學(xué)分析結(jié)果，研究龍旂熱液區(qū)蝕變巖巖石學(xué)特征，探討龍旂熱液系統(tǒng)的流體環(huán)境特征及其控制機(jī)制。

2 地質(zhì)背景

西南印度洋脊（Southwest Indian Ridge, SWIR）位于南極洲板塊和印度洋板塊之間，長(zhǎng)約8 000 km，全擴(kuò)張速率約為12～14 mm/a，屬于超慢速擴(kuò)張洋脊[21]（圖1）。研究區(qū)位于西南印度洋脊中段Indomed轉(zhuǎn)換斷層和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層間的一級(jí)洋脊段，由于受到1 000 km外Crozet地幔熱點(diǎn)的作用[22-23]，該段洋脊在8～11 Ma BP前巖漿供給突然劇烈增加。目前洋脊段軸部平均水深約為3 180 m，是西南印度洋脊上水深最淺的洋脊段之一[23]。研究區(qū)所在的第28脊段具有典型的非對(duì)稱擴(kuò)張的特點(diǎn)，洋中脊北翼地形崎嶇，近E-W向線性構(gòu)造發(fā)育；洋中脊的南側(cè)發(fā)育有大型斷塊，相比于北側(cè)，地形隆起0.5 km，地殼較薄，約2.9 km，對(duì)應(yīng)的磁性層也同樣減薄約0.5 km[18,24-25]。

圖1 西南印度洋脊地理位置Fig. 1 Location of the Southwest Indian Ridge

圖2 龍旂熱液區(qū)地形及采樣點(diǎn)巖石類型示意圖Fig. 2 Topography of Longqi hydrothermal fields, sample stations and rock types

在西南印度洋脊的第28脊段發(fā)現(xiàn)了兩處熱液區(qū)，分別是活動(dòng)的龍旂1號(hào)熱液區(qū)（LQF-1）和龍旂3號(hào)熱液區(qū)（LQF-3）（圖 2）。其中LQF-1熱液區(qū)位于第28洋脊脊軸和非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶交界處的斷崖處，地形上表現(xiàn)為中軸裂谷東南斜坡的一個(gè)丘狀突起，水深為2 755 m[17]。根據(jù)“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器在LQF-1的近底觀測(cè)結(jié)果顯示，該熱液區(qū)周圍地形高低起伏不平，發(fā)育高溫?zé)嵋簢娍冢黧w溫度為379℃），噴口附近以新鮮的枕狀玄武巖為主，缺少深海沉積物，顯示為新近的火山活動(dòng)。LQF-1熱液區(qū)的南部約1～2 km處出露大面積的熱液蝕變巖。LQF-3熱液區(qū)發(fā)育在洋中脊軸部裂谷的斜坡上，多被深海沉積物覆蓋，水深約為2 290 m。地質(zhì)與地球物理證據(jù)表明在研究區(qū)洋脊段南翼發(fā)育有拆離斷層，斷層活動(dòng)延伸至軸部火山脊下方，與深部熱源相連，該熱源被認(rèn)為是熱液流體循環(huán)的物質(zhì)和能量的來源[26]。

3 樣品來源及處理方法

本文樣品主要來自中國(guó)大洋第30、34和40航次，通過電視抓斗在洋底表面獲取。根據(jù)樣品的類型及所處構(gòu)造環(huán)境不同，本文將研究區(qū)分為3個(gè)區(qū)塊：即 A 區(qū)（37°47′S，49°40′E）、B 區(qū)（37°46′S，49°42′E）、C 區(qū)（37°47′S，49°44′E）（圖 2）。其中A區(qū)塊鄰近LQF-1熱液區(qū)，采集到的巖石樣品包括9塊蝕變玄武巖、1塊蝕變輝長(zhǎng)巖、5塊蝕變輝石巖、2塊蛇紋石化輝橄巖和5塊蛇紋巖。B區(qū)塊位于中脊壁的底部，靠近新火山脊，巖石樣品包括1塊新鮮玄武巖、1塊蝕變輝長(zhǎng)巖、1塊蝕變輝橄巖、1塊蛇紋巖。C區(qū)塊位于LQF-3熱液區(qū)，共采集到15塊蝕變玄武巖、1塊輝綠巖。

首先，對(duì)研究區(qū)巖石樣品進(jìn)行手標(biāo)本描述，并制備巖石薄片。其次，采用光學(xué)顯微鏡Zeiss Axio Scope A1觀察巖石的主要礦物組成和結(jié)構(gòu)特征。最后，在鏡下觀察的基礎(chǔ)上，利用JXA-8100型電子探針分析了蝕變礦物的主量元素組成。電子探針分析在自然資源部第二海洋研究所海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，分析測(cè)試參數(shù)為：放大倍數(shù)為×40～×300 000連續(xù)可調(diào)；束流穩(wěn)定性為±0.5×10-3/h；探針電流范圍為10-12～10-5A；二次電子分辨率為6 nm；加速電壓范圍為0.2～30 kV。標(biāo)準(zhǔn)樣品采用國(guó)家電子探針標(biāo)準(zhǔn)樣品，例如：橄欖石、單斜輝石、鈣長(zhǎng)石等樣品。標(biāo)準(zhǔn)方法采用GB/T 4930-93電針分析標(biāo)準(zhǔn)樣品通用技術(shù)條件，GB/T 15074-94電子探針定量分析方法通則，GB/T 15075-94電子探針分析儀的檢測(cè)方法，GB/T 15617-95硅酸鹽礦物的電子探針定量分析方法，修正方法采用ZAF法。巖石詳細(xì)信息見表1。

4 結(jié)果

4.1 巖相學(xué)特征

4.1.1 A區(qū)

A區(qū)巖石樣品類型主要包括蝕變玄武巖、蝕變輝長(zhǎng)巖、蛇紋石化輝橄巖和蛇紋巖（圖3）。蝕變玄武巖多呈灰綠色，原巖可分為斑狀玄武巖、玻璃質(zhì)玄武巖及球顆玄武巖等。蝕變輝長(zhǎng)巖樣品表面呈灰色-黑灰色，部分表面具黃褐色弱蝕變現(xiàn)象及硅化現(xiàn)象。蛇紋巖樣品多呈淺綠色-黑綠色，表面具滑感，部分呈板片狀定向分布。蛇紋石化輝橄巖表面呈灰綠色，部分表面具紅褐色氧化膜，切面可見典型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

蝕變玄武巖樣品顯微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果顯示，玄武巖原巖多發(fā)生碎裂作用，綠泥石化現(xiàn)象明顯。部分樣品裂隙較少，可觀察到斜長(zhǎng)石斑晶（1～5 mm），斑晶具有卡鈉復(fù)合雙晶結(jié)構(gòu)，表面發(fā)育顯微裂隙，并且在裂隙中充填少量綠泥石（圖4a）。部分樣品內(nèi)部裂隙發(fā)育，裂隙中多充填暗綠色綠泥石脈及石英脈（圖4b），偶有樣品可見裂隙交匯處呈斑塊狀的暗綠色礦物集合體。蝕變球顆玄武巖樣品A11-3（圖3a）可見表面及切面的白色玄武質(zhì)球顆（1～6 mm），肉眼可見零散裂隙分布，寬度在0.5～2 mm之間，其中填充暗綠色綠泥石及石英等，玄武質(zhì)球顆在顯微鏡下顏色由中心向四周逐漸變淺（圖4c），巖石呈現(xiàn)特殊的環(huán)帶狀構(gòu)造（圖4d），由鈉長(zhǎng)石及少量鐵質(zhì)礦物構(gòu)成邊界，內(nèi)部分布?xì)堄嗟男滟|(zhì)玻璃及綠泥石、榍石等礦物。

蝕變輝長(zhǎng)質(zhì)初糜棱巖樣品A04-2（圖3b）整體受構(gòu)造作用影響較強(qiáng)，巖石邊緣呈不規(guī)則狀斷口。巖石內(nèi)部已呈碎斑結(jié)構(gòu)，部分呈殘留輝長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，碎斑含量在85%～90%，主要為斜長(zhǎng)石，次為單斜輝石。輝石多被綠泥石及少量次閃石交代，部分原巖碎粉重結(jié)晶為顯微鱗片狀綠泥石。巖石的變形作用分兩個(gè)期次：前期遭受剪切變形作用，發(fā)育塑性變形（圖5a），原巖碎裂的斜長(zhǎng)石、輝石定向分布，并伴隨部分晶體彎曲變形（圖5b，圖5d），形成典型的糜棱結(jié)構(gòu)。后期巖石發(fā)生脆性變形，在原有結(jié)構(gòu)上形成新的裂隙（圖5c），熱液礦物沿新裂隙灌入。

表1 研究區(qū)巖石樣品信息表Table 1 Information of rock samples in the study area

圖3 龍旂熱液區(qū)A區(qū)塊巖石標(biāo)本照片F(xiàn)ig. 3 Photographs of rock samples in the Area A of Longqi hydrothermal field

圖4 龍旂熱液區(qū)A區(qū)塊玄武巖鏡下照片F(xiàn)ig. 4 Photomicrographs of thin sections of basalt in the Area A of Longqi hydrothermal field

圖5 龍旂熱液區(qū)A區(qū)塊輝長(zhǎng)巖鏡下照片F(xiàn)ig. 5 Photomicrographs of thin sections of gabbros in the Area A of Longqi hydrothermal field

在樣品A04-1蝕變輝橄質(zhì)初糜棱巖中，可見定向分布的次閃石集合體，形成典型的糜棱結(jié)構(gòu)（圖6a）。樣品蝕變輝石巖A12-2，受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，輝石呈現(xiàn)扭曲，揉皺現(xiàn)象（圖6b）。一些蝕變輝石巖的蝕變礦物集合體常保持輝石的柱狀晶體假象。例如，次閃石化輝石巖樣品A04-3（圖6c）中，輝石蝕變?yōu)槔w維狀次閃石，邊緣被蛇紋石交代，可見柱狀綠簾石分布。

蛇紋巖及蛇紋石化輝橄巖主要由蛇紋石和殘余橄欖石、輝石顆粒構(gòu)成。蛇紋石由原巖中的橄欖石或輝石蝕變形成，顯微鏡下無色，呈纖維狀、鱗片狀、葉狀，并析出少量鐵質(zhì)。在蛇紋巖及蛇紋石化輝橄巖中?？梢姷骄W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如蛇紋石化輝橄巖樣品A10-5（圖3d），其由蝕變后殘余的橄欖石或輝石假象及蛇紋石網(wǎng)脈組成，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)邊為礦物邊界或礦物內(nèi)部的裂隙（圖 6d）。

4.1.2 B區(qū)

B區(qū)巖石類型主要有玄武巖、蝕變輝長(zhǎng)巖、蝕變輝石巖、蛇紋巖（圖7）。其中玄武巖為黑色塊狀構(gòu)造，表面可見紅褐色的氧化薄膜，部分表面有黑色的鐵錳質(zhì)玻璃結(jié)殼（圖7a）。蝕變輝長(zhǎng)巖（圖7b）表面顏色呈淺灰色，中粒狀，原巖礦物的組成與結(jié)構(gòu)較清晰；蝕變輝石巖（圖7c）呈灰黑色-黑綠色，塊狀構(gòu)造，原巖的構(gòu)造不清晰；蛇紋巖（圖7d），巖石呈板片狀，表面呈深綠色-淺綠色，具蠟狀光澤。

圖6 龍旂熱液區(qū)A區(qū)塊蝕變超基性巖鏡下照片F(xiàn)ig. 6 Photomicrographs of thin sections of altered rocks in the Area A of Longqi hydrothermal field

圖7 龍旂熱液區(qū)B區(qū)巖石標(biāo)本照片F(xiàn)ig. 7 Photographs of rock samples in the Area B of Longqi hydrothermal field

圖8 龍旂熱液區(qū)B區(qū)蝕變巖石鏡下照片F(xiàn)ig. 8 Photomicrographs of thin sections of altered rocks in the Area B of Longqi hydrothermal field

鏡下觀察結(jié)果顯示，玄武巖樣品B04-1基質(zhì)呈間粒結(jié)構(gòu)，其主要礦物為針狀斜長(zhǎng)石和橄欖石，斜長(zhǎng)石格架的空隙中充填綠泥石（圖8a）。蝕變輝長(zhǎng)巖樣品B04-2整體保留了輝長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，斜長(zhǎng)石受構(gòu)造應(yīng)力作用普遍發(fā)育脆性變形，輝石受熱液蝕變作用發(fā)生次閃石化，裂隙中充填少量淺灰色綠泥石（圖8b，圖8c）。在樣品B04-3蝕變輝石巖中，輝石碎裂程度較高并伴隨次閃石化，裂隙中充填著綠泥石及綠簾石等礦物。在樣品B04-4蛇紋巖中，幾乎所有礦物已經(jīng)蝕變?yōu)樯呒y石，有少數(shù)蛇紋石保留輝石或橄欖石的假象，大部分蛇紋石形成典型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖8d）。

4.1.3 C區(qū)

C區(qū)塊樣品以蝕變玄武巖為主，另有一塊輝綠巖樣品。部分蝕變玄武巖表面為深灰色至黃褐色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，有部分樣品分布?xì)饪祝梢娚倭烤W(wǎng)脈狀的裂隙，還可見少量綠泥石充填；部分蝕變玄武巖表面色雜，切面呈淺綠色，角礫狀結(jié)構(gòu)，在表面和切面上均可見到許多呈棱角狀-次棱角狀的角礫，且角礫中可見裂隙。輝綠巖呈深灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，可見主要礦物組成與結(jié)構(gòu)，樣品可觀察到綠泥石化現(xiàn)象。

蝕變玄武巖C21-4中，可見寬大于2 mm的綠簾石脈，與石英脈、綠泥石脈伴生（圖9a，圖10a），氣孔中充填了兩種顏色不同的綠泥石，可能形成于不同的溫壓條件（圖10b）。蝕變玄武巖樣品C20-1的原巖發(fā)生極強(qiáng)烈的破碎，形成直徑小于100 μm的玄武質(zhì)碎粉，膠結(jié)物為后期灌入的綠泥石、石英等硅質(zhì)熱液流體（圖9b，圖10c）。蝕變玄武質(zhì)角礫巖樣品C17-2（圖9c）表面呈黃綠色，切面呈淺綠色，角礫狀結(jié)構(gòu)，切面上還可看到角礫呈環(huán)帶狀，邊緣可見白色小球粒。鏡下可觀察到環(huán)帶狀構(gòu)造。蝕變玄武巖樣品C16-1中，玄武巖角礫遭受熱液蝕變后，內(nèi)部的角閃石、輝石、斜長(zhǎng)石等礦物蝕變?yōu)榫G泥石，并析出石英、綠簾石、榍石、鐵質(zhì)礦物等，形成特殊的環(huán)帶構(gòu)造（圖 9d，圖 10d）。

4.2 礦物地球化學(xué)

4.2.1 綠泥石

綠泥石是熱液蝕變巖石的常見礦物之一，在中低溫、中低壓環(huán)境中穩(wěn)定存在。由于綠泥石的成分和結(jié)構(gòu)與其形成時(shí)的物理化學(xué)條件關(guān)系密切，可作為固溶體地質(zhì)溫度計(jì)，并可反映水巖反應(yīng)環(huán)境及流體性質(zhì)，故其指示性作用一直受到關(guān)注[27-30]。

圖9 龍旂熱液區(qū)C區(qū)巖石標(biāo)本照片F(xiàn)ig. 9 Photographs of rock samples in the Area C of Longqi hydrothermal field

綠泥石化現(xiàn)象在龍旂熱液區(qū)的巖石中較為普遍。綠泥石一般充填在基質(zhì)裂隙、氣孔（杏仁體）、斑晶裂隙、環(huán)帶之中，也作為膠結(jié)物出現(xiàn)于玄武質(zhì)角礫巖中。形態(tài)可分為纖維狀、簇狀、顯微鱗片狀、放射狀、粒狀等。顏色有常見的橄欖綠、淺綠色，正交偏光鏡下也可見異常的墨水藍(lán)及淺灰色。對(duì)比A區(qū)及C區(qū)蝕變玄武巖中的綠泥石發(fā)現(xiàn)，在A區(qū)中，巖石的綠泥石化程度相對(duì)較低，綠泥石主要與石英伴生，或單獨(dú)填充在斑晶裂隙中；C區(qū)中，綠泥石化程度更為強(qiáng)烈，綠泥石可與綠簾石、榍石、石英等礦物伴生，并伴隨復(fù)雜且普遍的環(huán)帶狀構(gòu)造現(xiàn)象。

從主量元素結(jié)果上來看（表2），龍旂熱液區(qū)蝕變輝橄質(zhì)巖石及蝕變輝石巖的綠泥石的FeO含量在17.84%～27.49%之間，平均值為23.32%(n=15)；MgO含量在13.00%～20.09%之間，平均值為15.96%(n=15)。而蝕變玄武巖及蝕變輝長(zhǎng)質(zhì)巖石的FeO含量在10.26%～27.04%之間，平均值為17.07%（n=33）；MgO含量在 14.12%～26.57%之間，平均值為20.88%（n=33）。整體上綠泥石的SiO2含量在25.72%～30.79%之間，平均值為28.57%（n=48）；Al2O3的含量在14.07%～21.24%之間，平均值為18.28%（n=48）。

將不同區(qū)域綠泥石的化學(xué)組成投影在分類圖（圖11）上，可以看出，龍旂熱液區(qū)綠泥石種屬表現(xiàn)出多樣性：多數(shù)為密綠泥石，少量為鐵斜綠泥石、斜綠泥石和鮞綠泥石。這種多樣性反映了礦物中Mg和Fe含量差異，也表明其形成條件的多樣性。

表2特征值部分以14個(gè)氧原子為基準(zhǔn)計(jì)算得到單位晶胞中的陽離子數(shù)（通式中以28個(gè)氧原子為基準(zhǔn)）。雖然電子探針分析不能區(qū)分Fe2+和Fe3+，但大量的文獻(xiàn)均認(rèn)為綠泥石中Fe3+的含量小于總量的5%[31]，因此本文中Fe2+及Fe3+均直接使用電子探針測(cè)試所得的FeO為全鐵。

Jowett[32]提出了綠泥石的溫度計(jì)算的修正公式，

該公式在前人研究的基礎(chǔ)上，考慮了Mg2+和Fe2+對(duì)綠泥石溫度的影響。根據(jù)龍旂熱液區(qū)綠泥石礦物電子探針數(shù)據(jù)可知，該區(qū)綠泥石主要發(fā)生Fe、Mg兩種元素的置換，在溫度計(jì)算中考慮Mg2+和Fe2+的影響對(duì)結(jié)果極為關(guān)鍵。經(jīng)計(jì)算，本研究所有數(shù)據(jù)均符＜0.6的適用前提，故本文采用該公式進(jìn)行綠泥石溫度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

4.2.2 綠簾石

圖10 龍旂熱液區(qū)C區(qū)蝕變玄武巖鏡下照片F(xiàn)ig. 10 Photomicrographs of thin sections of basalt in the Area C of Longqi hydrothermal field

表2 龍旂熱液區(qū)各類巖石中綠泥石代表性主量元素及其特征值（%）Table 2 Chlorite electron microprobe analyses and characteristic values of rocks (%) in the Longqi hydrothermal field

續(xù)表 2

圖11 綠泥石分類圖解（據(jù)文獻(xiàn)[31]）Fig. 11 Classification of chlorites (based on reference[31])

表3 龍旂熱液區(qū)各類巖石中綠簾石、陽起石主量元素成分Table 3 Epidote and actinolite electron microprobe analyses of rocks in the Longqi hydrothermal field

綠簾石是基性巖熱液蝕變過程中形成的常見礦物。在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，Ca離子可以從角閃石、斜長(zhǎng)石、輝石等礦物中析出，并與Fe、Mg等離子一起形成綠簾石族礦物。在龍旂熱液區(qū)中，綠簾石可見于玄武巖、輝石巖等巖石的裂隙中（圖6c，圖10a），與綠泥石、石英、次閃石等熱液礦物共生。綠簾石的主量元素組成見表3。主量元素結(jié)果顯示，玄武巖樣品C21-4的Al2O3含量為22.32%，F(xiàn)eO含量為12.40%；玄武巖樣品C16-1的Al2O3含量平均為24.11%，F(xiàn)eO含量平均為9.56%(n=3)；蝕變輝石巖B04-3的Al2O3含量平均為24.99%，F(xiàn)eO含量平均為9.71%(n=2)。C21-4樣品中綠簾石呈脈狀充填，與零星分布的綠簾石相比，呈現(xiàn)Al2O3含量偏低，F(xiàn)eO含量偏高的特點(diǎn)。

4.2.3 次閃石

次生角閃石為基性、超基性蝕變巖石中的常見礦物。在龍旂熱液區(qū)，次閃石主要為輝石等礦物受熱液蝕變產(chǎn)物，多形成針狀或纖維狀次生角閃石集合體，有時(shí)保留輝石假象（圖6a，圖8c），該過程也稱為次閃石化。電子探針數(shù)據(jù)（表3）表明，在龍旂熱液區(qū)中，次生角閃石的成分主要為陽起石。A區(qū)塊輝長(zhǎng)巖中的陽起石的FeO含量為11.49%，Al2O3含量為4.39%，高于B區(qū)輝長(zhǎng)巖中的陽起石FeO的平均值4.27%(n=2)及Al2O3的平均值2.14%(n=2)。而A區(qū)塊輝長(zhǎng)巖中的陽起石的SiO2含量為52.09%，MgO含量為15.81%，低于B區(qū)輝長(zhǎng)巖陽起石SiO2的平均值54.21%(n=2)及MgO的平均值18.61%(n=2)。

5 討論

5.1 巖石變形程度及過程

研究區(qū)所獲得的蝕變巖樣品，包括蝕變玄武巖、蝕變輝長(zhǎng)巖、蝕變輝石巖以及蛇紋巖等，都發(fā)生了不同程度的變形作用。其中脆性變形主要發(fā)生在A、C區(qū)的蝕變玄武巖及B區(qū)的深層地幔巖中。巖石受應(yīng)力作用碎裂形成玄武巖角礫，遭受熱液蝕變后，內(nèi)部的角閃石、輝石、斜長(zhǎng)石等礦物一部分自身蝕變?yōu)榫G泥石，一部分析出SiO2、Fe離子、Mg離子、Ca離子等物質(zhì)，進(jìn)入熱液中或聚集在角礫邊緣，形成特殊的“環(huán)帶”。脆性-塑性變形特征出現(xiàn)在A區(qū)的深層地幔巖中。區(qū)別于發(fā)生脆性碎裂的巖石，塑性變形多發(fā)生礦物的重結(jié)晶以及礦物晶體的扭曲、彎折現(xiàn)象（圖5b，圖5d）。如在A區(qū)的A12站位獲取的蝕變輝石巖等樣品中發(fā)現(xiàn)的次閃石集合體及輝石的扭曲、揉皺現(xiàn)象（圖 6b）。

A區(qū)的蝕變輝長(zhǎng)質(zhì)初糜棱巖樣品（A04-2）較為特殊，記錄了脆性-塑性變形及脆性變形兩個(gè)變形階段。第一階段，拆離斷層的作用使得原巖受剪切應(yīng)力作用，輝石、斜長(zhǎng)石晶體彎曲變形、破碎并定向分布，形成典型的糜棱結(jié)構(gòu)。該階段的變形多發(fā)育在地殼深部，流體溫度較高，在一些斷層如Atlantis Massif、西南印度洋脊Atlantis Bank上，同樣發(fā)現(xiàn)這種由高應(yīng)變變形作用產(chǎn)生的糜棱巖剪切帶[10,13]。第二階段，發(fā)生塑性變形的輝長(zhǎng)巖冷卻、破碎，在原有結(jié)構(gòu)上形成新的裂隙，伴隨著低溫礦物沿新裂隙灌入。推測(cè)該階段的變形作用主要是拆離斷層活動(dòng)造成巖石脆性變形，同時(shí)海水下滲，并與流體發(fā)生混合造成低溫礦物的沉淀。

5.2 蝕變礦物組合及特征

研究區(qū)的蝕變玄武巖普遍發(fā)生綠泥石化作用，可觀察到綠泥石、石英、榍石、綠簾石、鈉長(zhǎng)石等次生礦物填充于玄武巖裂隙或氣孔中。該蝕變礦物序列與在大洋鉆探（ODP）504B鉆孔的過渡區(qū)及巖席區(qū)（水深898～1 350 m）中的蝕變玄武巖相似：在高于200～250℃的溫度下，玄武巖與被加熱的海水（含Mg，部分帶有金屬元素或富含Si）反應(yīng)，形成綠泥石、陽起石、黃鐵礦、鈉長(zhǎng)石、榍石和次生石英等礦物[33]。A區(qū)和C區(qū)的部分蝕變玄武巖樣品原巖發(fā)生了強(qiáng)烈的破碎，形成難以分辨的直徑小于100 μm的玄武質(zhì)碎粉，由后期灌入的綠泥石、石英等硅質(zhì)礦物膠結(jié)。這與大西洋中脊TAG熱液區(qū)的TAG-1丘狀體的鉆孔中的完全綠泥石化的玄武巖類似，該樣品除鉻尖晶石外的所有主要礦物都被綠泥石代替，并伴隨少量石英和黃鐵礦，該過程可能發(fā)生在250～370℃的溫度范圍內(nèi)[34]。

研究區(qū)蝕變輝長(zhǎng)巖和輝石巖樣品中可見纖維狀次生角閃石沿輝石邊緣交代蝕變，一些輝石蝕變后，仍保留了柱狀晶體假象，探針結(jié)果顯示次生角閃石的主要成分為陽起石。在這些輝石巖的裂隙中，還充填著大量綠泥石，偶有石英、綠簾石等礦物分布，但是綠泥石成分與蝕變玄武巖中不同。Boschi等[10]認(rèn)為大西洋Atlantis Massif拆離斷層的輝長(zhǎng)巖記錄了高溫（＞600℃）和低溫（＜500℃）兩個(gè)蝕變階段：高溫蝕變作用發(fā)生在角閃巖-麻粒巖相條件下，以礦物晶體發(fā)生塑性形變?yōu)榈湫吞卣?，可見斜長(zhǎng)石的動(dòng)力重結(jié)晶、粒狀角閃石取代輝石或斜長(zhǎng)石等現(xiàn)象，低溫蝕變作用主要由陽起石、綠色角閃石、綠泥石等礦物組成，新的熱液礦物填充在脈中，或沿輝石或斜長(zhǎng)石邊緣交代蝕變，輝石、角閃石等蝕變后還保留了原來的晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究區(qū)的蝕變作用屬于中-低溫變質(zhì)作用，變質(zhì)相近似綠片巖相，并形成了綠泥石-鈉長(zhǎng)石-陽起石-綠簾石-榍石-石英的蝕變礦物組合。

5.3 熱液流體的物理和化學(xué)特征

研究區(qū)蝕變巖石中綠泥石的Fe、Mg含量變化范圍較大，呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，反映出綠泥石中這兩種元素的相互置換較為普遍。Si與Al的變化范圍中等，Si含量從玄武巖-輝長(zhǎng)質(zhì)巖石-輝橄質(zhì)巖石呈現(xiàn)弱的減少趨勢(shì)，一方面指示了綠泥石形成時(shí)的酸性的改變，另一方面也可能受后期蝕變影響。根據(jù)綠泥石主要陽離子與Mg的相關(guān)關(guān)系（圖12），大部分巖石的綠泥石Fe-Mg值具有較好的線性關(guān)系，表明Fe對(duì)Mg的置換反應(yīng)是綠泥石八面體位置上最重要的反應(yīng)。A04-2蝕變輝長(zhǎng)質(zhì)初糜棱巖、B04-2蝕變輝長(zhǎng)巖中綠泥石的Al-Mg值較為分散，而蝕變玄武巖A11-3、C16-1、C17-2的主要陽離子與Mg之間的線性關(guān)系都不好。Xie等[28]研究表明，在一次蝕變作用中形成的綠泥石，陽離子與Mg應(yīng)具有良好的線性關(guān)系。因此，不同原巖中綠泥石的形成是不同階段的蝕變作用。Inoue[35]認(rèn)為富鐵綠泥石多形成于相對(duì)酸性的還原環(huán)境，可能與流體的沸騰作用有關(guān)。研究區(qū)A區(qū)的輝長(zhǎng)質(zhì)及輝橄質(zhì)蝕變巖石中綠泥石的Fe含量高于B區(qū)和C區(qū)的同類巖石，在B區(qū)蝕變輝長(zhǎng)巖還出現(xiàn)了低Fe的斜綠泥石。同時(shí)，B區(qū)蝕變巖中的蛇紋石、陽起石、綠簾石等礦物的Fe含量與A區(qū)的巖石相比也普遍較低。這表明A區(qū)的熱液流體可能為相對(duì)偏酸的還原環(huán)境，這可能與A區(qū)靠近LQF-1活動(dòng)的熱液噴口有關(guān)。

圖12 龍旂熱液區(qū)各類巖石綠泥石中主要陽離子與鎂的相關(guān)關(guān)系Fig. 12 The correlation of main cations to magnesium of chlorite in the Longqi hydrothermal field rocks

根據(jù)綠泥石礦物的形成溫度直方圖（圖13），研究區(qū)綠泥石形成溫度具有一定差異。對(duì)比A區(qū)和B區(qū)的蝕變輝長(zhǎng)巖、蝕變輝石巖及蝕變輝橄質(zhì)巖石，B區(qū)同種類巖石中的綠泥石形成溫度相對(duì)更低。A區(qū)蝕變輝橄巖綠泥石形成溫度約在288～341℃之間，B區(qū)在291～314℃之間。A區(qū)蝕變輝長(zhǎng)巖綠泥石形成溫度約在300～325℃之間，B區(qū)在265～302℃之間。A區(qū)A04-1、A04-2兩份樣品皆出現(xiàn)糜棱構(gòu)造，證明其受到更深部拆離斷層所造成的剪切力作用，而A區(qū)靠近活動(dòng)的高溫?zé)嵋簢娍?，流體溫度相對(duì)較高，并可能受后期多次巖漿作用影響，所以綠泥石形成溫度普遍高于B區(qū)。對(duì)于蝕變玄武巖中的綠泥石來說，A區(qū)綠泥石形成溫度約在201～209℃之間，而C區(qū)約在239～303℃之間，總體上高于A區(qū)綠泥石的溫度結(jié)果。結(jié)合巖相學(xué)結(jié)果，C區(qū)蝕變玄武巖90%以上發(fā)生強(qiáng)烈的脆性變形，且綠泥石化程度較A區(qū)更強(qiáng)。這與蝕變巖的采樣位置有關(guān)，A區(qū)蝕變玄武巖位于拆離斷層的上盤，與熱液噴口距離較遠(yuǎn)，C區(qū)的蝕變玄武巖樣品則位于熱液區(qū)噴口附近，受熱液流體作用程度更強(qiáng)。

5.4 龍旂熱液系統(tǒng)的流體循環(huán)模式

海底熱液系統(tǒng)的熱源類型和位置、流體通道及基巖類型是熱液區(qū)巖漿和構(gòu)造活動(dòng)共同作用的體現(xiàn)，也影響著熱液流體的性質(zhì)、噴口特征和循環(huán)模式[36]。超慢速擴(kuò)張洋脊是一類特殊的洋中脊類型[37-38]，傳統(tǒng)的巖漿平衡理論已經(jīng)難以解釋超慢速擴(kuò)張洋脊熱液活動(dòng)頻度和分布特征[39-40]。

基于研究區(qū)蝕變巖的研究結(jié)果，并結(jié)合龍旂熱液區(qū)所在西南印度洋28脊段巖漿和構(gòu)造活動(dòng)的認(rèn)識(shí)[18,25]，初步提出了龍旂熱液系統(tǒng)的流體循環(huán)模式（圖14）。

圖13 龍旂熱液區(qū)各類巖石的綠泥石形成溫度直方圖Fig. 13 Histograms of the chlorite formation temperature in the Longqi hydrothermal field rocks

圖14 龍旂熱液區(qū)熱液循環(huán)模式Fig. 14 Hydrothermal circulation model of the Longqi hydrothermal field

28脊段巖漿供給不足，使得板塊向兩側(cè)運(yùn)移過程中多發(fā)育大型的正斷層或低角度的走滑正斷層（拆離斷層），這種斷層可以延伸到軸部底部，與巖漿熔體相通，高溫的熱液流體能夠沿著拆離斷層上涌，上涌到近海底時(shí)受到局部洋殼性質(zhì)的制約，可以在斷層的上盤沿裂隙噴溢，形成的熱液系統(tǒng)類似與北大西洋中脊的TAG區(qū)，也可以在斷層的下盤沿裂隙噴溢，形成的熱液系統(tǒng)與Rainbow, Logatchev區(qū)相似[5]，研究區(qū)的LQF-3熱液區(qū)（C區(qū)）屬于該種情況。

在28脊段的局部區(qū)域，軸部的巖漿熔體沿著大型正斷層向脊軸的一側(cè)或者兩側(cè)運(yùn)移，并在脊軸裂谷的軸側(cè)區(qū)域發(fā)生擴(kuò)張后期的小規(guī)模巖漿侵入或者噴發(fā)，這將為熱液流體循環(huán)提供充足的熱源，同時(shí)大型的正斷層或者拆離斷層為流體的上涌提供了通道，研究區(qū)LQF-1熱液系統(tǒng)屬于這種情況。

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)A區(qū)塊鄰近龍旂1號(hào)熱液區(qū)，巖石類型主要為蝕變玄武巖、蝕變輝長(zhǎng)巖、蛇紋石化輝橄巖和蛇紋巖。B區(qū)塊位于中脊壁的底部，巖石類型包括蛇紋巖、蝕變輝長(zhǎng)巖、蝕變輝橄巖等。C區(qū)塊位于龍旂3號(hào)熱液區(qū)，以蝕變玄武巖樣品為主。從總體上看，龍旂熱液區(qū)的蝕變巖石95%發(fā)生了地殼淺部的脆性變形作用，靠近龍旂1號(hào)熱液區(qū)約有5%的蝕變巖石混合發(fā)育了脆性變形及脆性-塑性變形特征。

（2）龍旂熱液區(qū)的巖石蝕變屬于中-低溫變質(zhì)作用，變質(zhì)相近似綠片巖相，變質(zhì)礦物組合為綠泥石-綠簾石-鈉長(zhǎng)石-陽起石-榍石-石英。綠泥石溫度計(jì)算結(jié)果在201～341℃之間，A區(qū)的巖石中綠泥石形成溫度高于其他區(qū)域，并且蛇紋石、陽起石、綠泥石中的主量元素含量與其他地區(qū)相比，F(xiàn)e含量普遍較高，表明了龍旂1號(hào)熱液區(qū)附近的流體環(huán)境溫度可能較高，并且相對(duì)偏酸性。

（3）龍旂熱液區(qū)所在洋脊段發(fā)育的拆離斷層為熱液流體的向上運(yùn)移提供了通道，軸部的巖漿熔體沿著大型正斷層向脊軸的一側(cè)或者兩側(cè)運(yùn)移，并在脊軸裂谷的軸側(cè)區(qū)域發(fā)生擴(kuò)張后期的小規(guī)模巖漿侵入或者噴發(fā)，為熱液流體循環(huán)提供了充足的熱源。

致謝：感謝參加大洋第30、34、40航段調(diào)查工作的科考隊(duì)員；感謝自然資源部第二海洋研究所朱繼浩副研究員對(duì)本文電子探針實(shí)驗(yàn)提供的指導(dǎo)及幫助！