杨守业、王权

（同济大学海洋地质国家重点实验室，同济大学海洋与地球科学学院，上海200092）

        摘 要： 伊平屋北部热液区（Iheya North hydrothermal field）位于冲绳海槽中部地区。综合大洋钻探计划（IODP）331航次于2010年9月1日至10月4日在该区钻探了5个站位（C0013~C0017）：C0016站位位于North Big Chimney（NBC）地区活跃的热液烟囱和硫化物—硫酸盐丘状体上；在C0013、C0014、C0015、C0016站位发现了异常高热流值；在热液补给区C0017站位，实现最大钻探深度达到海底下151 m。

        在活跃的丘状热液喷口处的C0016站位，尽管取芯率只有4.7%，但首次在现代海底获得黑矿型（Kuroko-type），富闪锌矿的黑色矿石样品。其他4个站位岩芯主要为具有不同热液蚀变和矿化程度（沸石相到绿片岩相）的互层状半深海和火山碎屑沉积物，及火山角砾和浮岩砾屑。钻孔中不规则的地温梯度剖面变化揭示出地下流体的横向运移。

        现场数据表明，岩芯孔隙水和气体组成在垂向和横向上变化较大。海底作用主要包括通过相态分离而形成高盐水和富气体的流体，矿物蚀变释放Ca而吸附Mg和Na，高温下K释放而低温吸收，硬石膏形成，有机质的微生物氧化和甲烷利用硫酸盐的厌氧氧化，微生物作用下甲烷形成等。船上研究未证实研究区存在活跃的深部生物圈，细胞丰度明显低于以前的ODP/IODP在陆架边缘的钻探站位。

        关键词：综合大洋钻探计划IODP；深部生物圈；冲绳海槽；热液活动

        1 区域背景

        在洋中脊、火山岛弧、弧后盆地和热点地区存在活跃的海底热液系统，具有特别高的物质和能量通量。“地下生物圈”（Subvent biosphere）是位于活跃热液喷口和流体排放区之下，海底下的生物圈[1]，是功能活跃的、新陈代谢多样的海底微生物生态系统。热液烟囱喷口与热液流体的众多微生物学和地球化学证据均证实海底生物圈的存在[2-6]。

        冲绳海槽在构造位置上处于太平洋板块（菲律宾板块）和欧亚板块汇聚带的台湾–吕宋碰撞带北侧、琉球海沟和琉球火山弧的西侧，是西太平洋大陆边缘琉球沟–弧–盆构造体系中发育于拉薄陆壳基底上，一个延伸约1200 km的活动弧后扩张盆地（图1）。冲绳海槽的构造活动始于中新世晚期，至更新世早期或晚上新世基本奠定现今的构造格局。海槽目前的地壳性质属于过渡型地壳，其演化并末达到洋壳形成（海底扩张）阶段，但地壳已开始减薄。在构造性质上冲绳海槽目前正处于弧后背景下，大陆张裂的较高阶段；属于边缘海盆地演化旋回的早期，弧后海底扩张的过渡阶段。

        1984年日本学者在海槽中部地区发现热液活动区，热液产物富含多金属元素而受到科学界的广泛关注。冲绳海槽中部主要发育夏岛84-1海丘、伊平屋海岭、伊是名海洼、南奄西海丘、德之岛、鸠间海丘等多个热液活动区。围绕热液活动区的地球物理特征、热液矿床的矿物和化学组成、热液流体特征等，科学界开展了大量研究，取得不少研究成果。我国学者也从九十年代初开始开展冲绳海槽地区热液活动调查研究。不少学者研究了冲绳海槽浮岩的元素和矿物学组成，热液区黑烟囱的类型、热液流体的化学组成，热液硫化物的元素，S、Sr-Nd-Pb和U系同位素组成特征，探讨了热液硫化物样品的形成年龄，成矿物质来源和成矿机制[7-15]。

        自从Halbach等（1989）和Sakai等（1990）在海槽中部水深1300~1500米处的海底平原上的伊平屋海丘发现热液活动以来[16,17]，已调查发现六处活跃的热液区（Minani-Ensei Knoll, Iheya North, Iheya Ridge, Izena Hole, Hatoma Knoll, and Yonaguni Knoll IV）。伊平屋北部热液丘状体（27°47.50′N, 126°53.80′E；冲绳岛偏北150km）的热液活动在1995年被水下摄像机首次发现。此后，利用水下ROV和DSV技术结合地震与地球物理手段对热液区的位置、海底地质结构与热流等开展了深入调查和多学科研究，尤其侧重在热液流体和硫化物矿床的地球化学和矿物学研究[18,19]，以及海底的微生物生态学[2, 20-23]。

图1 IODP331航次在冲绳海槽中部伊平屋北部热液丘的钻探井位[29]

        伊平屋北部热液丘的多通道地震剖面揭示，岩浆侵入>1000 m厚的海槽沉积物，在中央沟谷区存在深达海底下400~500 m的无序地震反射，表明在表层半深海沉积之下存在浮岩状火山碎屑沉积物，而不是块状岩浆岩（图2）。冲绳海槽中部若干钻孔也揭示，含浮岩的火山碎屑沉积层在海底广泛存在，富含气体充填的孔隙、元素硫以及硫化物矿物。地震资料显示多层较厚的火山碎屑物质堆积于伊平屋北部海丘的中央沟谷处，提供热液流体的储库、补给和排泄通道。

        伊平屋热液区的硫化物富Zn和Pb，而不同于洋中脊富Fe的热液硫化物[24]。其化学组成接近于日本东北地区与日本海张裂有关的第三纪黑矿型（Kuroko-type）热液沉积物。同样与沉积物缺失的洋中脊热液不同，冲绳海槽地区的热液流体富含H2, CO2, CH4, NH4, H2S，I，CO和K，具有较高碱度[17, 19, 23, 25-27]，其组成与海槽区较厚的陆源沉积和地质背景密切相关。海槽区半深海和火山碎屑沉积物可堆积厚达千米以上，沉积有机质降解或是深部甲烷释放而形成不同气体，形成广泛分布的功能活跃的微生物群落，影响热液流体的化学与循环特征。如在伊平屋北部热液区，就存在通过不同的化能无机自养型初级生产者维持的各色各样的微生物群落[2]。同时，菲律宾板块沿着琉球岛弧—海沟体系俯冲，向海槽区供应大量富K及挥发性组份的英安质和流纹质岩浆[17,26]。另外，相对较浅水的海槽热液系统也易于海水沸腾和相态分凝及分离[28]，使得在同一热液区同一热液流体的不同喷口处，具有截然不同的化学组成[19]。

        2010年9月1日至10月4日笔者参加了IODP第331航次在冲绳海槽中部伊平屋北部热液活动区的调查研究。该航次的主题是“深部热液生物圈（Deep Hot Biosphere）”，钻探目标区为伊平屋北部热液活动区（图1），水深1000米左右，主要是由流纹岩状火山岩和含大量浮岩的火山碎屑沉积物组成。

        该航次的主要科学目标是：1）钻探调查海槽中部伊平屋北部海底热液活动区是否存在功能活跃的、新陈代谢多样的海底生物圈；2）阐明海底微生物生态系统的结构、功能与环境影响，及其与热液混合区中物理、化学和水文地质过程的关系；开展海底热液硫化物和沉积物样品的地球化学和矿物学研究，揭示海槽中部地区热液硫化物矿产的产状和分布特征，以及深部生物圈的生存环境等；3）人工采集一些封孔中的热液流体，以开展航次后的热液流体、微生物群落等后续研究。

图2冲绳海槽中部伊平屋北部热液区附近的海底地震剖面及钻探井位[29]

        2 IODP 331航次钻探站位概述

        IODP 331航次采用IODP标准的2.44英尺直径钻探系统（液压活塞取芯系统HPCS, 加长钻探头的取芯系统EPCS, 加长靴取芯系统ESCS）及商用的4英尺直径岩芯，在伊平屋北部热液活动区的五个站位（C0013~C0017，图1，2），共钻探24个孔，进尺605米，有21个孔获得岩芯总计300 m，取芯率达到49.6%。在C0016站位的北部大烟囱（NBC: North Big Chimney）高20m，直径6m。热液口温度高达310°C，没有钻取到岩芯。在热液区东部具有相对高、中和低热流区的地方，分别钻探C0013, C0014和C0017三个站位，以调查在海底不同的物理和化学条件下，微生物栖息地和群落结构特征，研究热液流体释放与周边底层海水补给的影响。另外，还在钻头上加装温度传感器测试海底岩芯实际温度。

        C0013站位

        在该站位共钻探8个孔（C0013A~C0013H），其中C0013A没有采集到岩芯。C0013E最深，达到54.5 mbsf。该站位遇到较高的地温梯度，及几层低孔隙度的致密层（埋深0~2mbsf, 7~10mbsf, 20~30mbsf），钻探难度很大。钻探过程中，>250°C的海底热液流体上涌到海底。该站位由四套地层单元组成，即顶部Unit I（0~4mbsf）的热液蚀变泥质沉积含结晶态的元素硫与硫化物砂砾。海底覆盖<1m薄层不连续的未蚀变沉积物。硫化物砂砾的成因难以确定，推测可能来自附近硫化物烟囱的崩塌碎屑，或是高温热液流体自生形成。Unit I受高温热液蚀变影响显著，可能会形成部分硫化物矿物。

        Unit II（4~14mbsf）由热液蚀变的泥质沉积物和一些脉状及碎屑物质组成，含硬石膏角砾和多金属块状硫化物碎屑。该单元层常被硬石膏脉穿插，反映海水渗入并被加热到150°C以上。Unit II可能指示热液储库或是流体运移通道（图3）。

        Unit Ⅲ（14~26mbsf）主要为热液蚀变的泥质沉积物，含几层较大的结核状硬石膏，缺少脉状硬石膏，而与Unit II区别。该层可能也受到高温热液（>150°C）影响，但热液流体的组成与Unit II不同。

        Unit Ⅳ（26~35.2 mbsf）主要为火山角砾及各种类型的火山岩屑组成。角砾组成可以比较单一或成分复杂，均基质支撑且硅化。其他火山组份包括管状浮岩碎屑和泡囊状、具有流向条带的熔岩碎屑。推测这些火山碎屑产物主要由在C0013站位更高处的火山碎屑沉积发生块体运移而形成。钻孔记录揭示在Unit Ⅳ之下，存在多孔的、高渗透的松软地层单元。

        孔隙水分析揭示，Na和Cl是主要的阳离子和阴离子。C0013孔中Na/Cl和Na/Br比值高于海水，反映Na通过离子交换而从粘土矿物中释放；而两个比值在C0013D和C0013E孔中均随深度增加而减小，并低于海水组成，反映Na从孔隙水中转移到蚀变矿物中。Mg在C0013B和C0013D孔中逐渐升高，可能反映与Na的置换；而在C0013E孔中降低。而Ca在三个孔中均升高，可达到海水的五倍含量。Ca的升高部分是因为热液流体淋洗盖层而产生，但更主要是采样过程中硬石膏溶解而引起。C0013E孔的17mbsf深度处孔隙水组成揭示出典型的热液流体特征，具有相对海水较高的Cl，Ca, K, Rb和Cs含量，而Na，Mg与硫酸盐相对亏损。

        C0014站位

        该站位共钻探7个孔（C0014A~C0014G），其中C0014G最深达136.7 mbsf。该站位多次钻探到致密盖层及低孔隙度层。根据低的取芯率及岩性特征，推测侧向热液流体运移主要集中在35~45 mbsf和90~95 mbsf两个层位（图3）。温度梯度测量显示，从海底到47 mbsf处，温度约以3°C /m速率升高到145°C±5°C。

        该站位岩性和沉积类型主要为两类：火山角砾，多硅化；半深海热液蚀变的粘土。主要的沉积作用为半深海沉积，而伴随的块体运移和碎屑流可形成高沉积速率的再沉积层。

        Unit I（0~<18 mbsf）主要由连续的、木质的浮岩碎屑角砾和半深海软泥组成，厚达12~16m，受热液活动影响很小。有孔虫属种变化大，以暖水的浮游种Neogloboquadrina pachyderma为主，部分黄铁矿化。少量颗石藻为Emiliania huxleyi, Gephyrocapsa oceanica,和Reticulofenestra asanoi。

        Unit II（<18~30 mbsf）主要为半固结的热液蚀变的泥质沉积物，含大量石英和白云母及少量高岭石及伊利石/蒙脱石；可见已经脱玻化形成软粘土，但依然保留木质结构的浮岩碎屑角砾。该层厚约12~15 m，埋深达岩芯27~30 mbsf深。

        Unit Ⅲ（ca.30~>136.7 mbsf）主要由角砾状或层状分布的固结—胶结的火山沉积物、半深海沉积和热液蚀变的泥质沉积组成，在C0014G孔中厚约128米，深达136.7米；该单元与Unit II渐变接触。Mg绿泥石是主要的蚀变矿物；硬石膏在C0014G孔埋深57 m之下存在，主要为微米大小的不规则细叶脉状，与岩盐共生。硬石膏丰度要显著低于C0013站位。少量黄铁矿以侵染粒状或脉状形式分布。

        孔隙水化学组成分析表明，上部30 m空间变化大，主要受有机质降解作用控制。在38 mbsf深度处存在显著的硫酸盐亏损，Cl含量极低而NH4最高，反映出高温相态分离成因。C0014G孔中NH4与SO4负相关，可能反映缺氧环境下氨氧化—硫酸盐还原菌的新陈代谢作用[30]。在C0014G孔的50mbsf之下，Cl与Br相对海水富集，反映高盐水环境；主要阳离子Na与Cl的含量基本同步变化，但在热液流体中Na结合到钠长石中而相对亏损。K在所有岩心中孔隙水中均在深部富集。

        C0015站位

在该站位钻探3个孔，但取芯率非常低，主要为火山角砾、硅质碎屑砂和半深海泥质沉积物。海底作用以半深海沉积为主。硅质碎屑砂为高孔隙度的结构成熟砂。该站位的孔隙水化学组成与海水难以区分。

        C0016站位

        该站位共钻探两个孔（C0016A和C0016B）。仅在C0016B孔，45 m进尺取得2.095 m长的岩芯，取芯率只有4.7%，几乎全由坚硬岩石组成。其中，61cm长的块状硫化物矿床含40~60%的闪锌矿，10~40%的黄铁矿，以及少量方铅矿及黄铜矿。该矿床与日本岛中新世典型的黑矿型矿床很相似，也是该类矿床在海底活跃的热液体系中首次被发现。第2个长约31cm的岩芯中发现不同岩性的岩石：蚀变的、硅化和矿化的火山岩，其上下分别为粗粒、结晶状的、雪白色硬石膏，边上含闪锌矿和黄铁矿矿脉。第3个岩芯采集到99.5cm长的石英—绿泥石质蚀变火山岩，含丰富的石英、绿泥石、黄铜矿及后生的硬石膏充填的网状脉。

        三个岩芯中发现的这些岩石具有共生作用，从早期形成闪锌矿，到黄铁矿、方铅矿，随温度升高再到黄铜矿，接着形成第二代闪锌矿，同时伴随温度下降；当海水渗入逐渐减弱的热液体系时，最后形成硬石膏。随着深度增大，温度升高，黄铁矿相对闪锌矿增加，伊利石/白云母蚀变作用变弱，而绿泥石—石英相对增多。

        C0017站位

        该站位共钻探四个孔（C0017A~C0017D）。C0017D孔最深，达到150.7 mbsf。它位于高温热液喷口东侧1500 m处。根据其较低的热流值，推测该地区为热液系统的补给区（图3）。

        该站位主要由三类岩性组成：均一的半深海泥质沉积物（Unit I），含浮岩碎屑沉积物（Unit II），和火山碎屑—浮岩角砾与砂的混合层，具有侵蚀底面（Unit III）。三类沉积单元均未显示明显的热液蚀变证据，仅在C0017D孔的深部出现具有较弱的蚀变粘土。总体上，C0017站位的沉积岩性与C0014和C0015站位的顶部岩性（Unit I）相似。火山岩类相对富集在18~70 mbsf，泥质沉积层及浮岩碎屑沉积层明显厚于C0014站位，这与其位于C0014站位的下坡处一致。Unit II与III的浮岩碎屑砾石及火山—浮岩砂质沉积层的孔隙度和渗透性要明显高于以粘土为主的Unit I，可能代表了冷的底层海水进入热液系统的主要通道。在C0017C孔的26~35 mbsf出现明显的氧化标志；岩芯60~100 mbsf出现类似的高孔隙度与渗透率的岩性，可能代表了深部的热液流体补给通道。在该站位的最深处即140~150 mbsf处，出现弱的热液蚀变现象，部分渗透性的浮岩砾屑蚀变成灰白色粘土，而与未蚀变的致密坚硬的灰黑色粘土互层。此深度的温度达到90°C±5°C。

        与C0014站位的Unit I一样，在C0017站位的上部28 m沉积物中出现大量有孔虫和颗石藻，主要为Emiliania huxleyi, Gephyrocapsa oceanica和Reticulofenestra asanoi，反映该站位三个单元层（Unit I~III）的生物地层与C0014、C0015站位的Unit I相当。

        C0017站位的孔隙水化学分析揭示，顶部15 m的沉积物中硫酸盐还原作用消耗有机质，硫酸盐含量趋于下降而碱度、氨和磷酸盐含量上升。而在15~30 mbsf沉积层中，这些离子组成与海水一致。

图3伊平屋北部热液区的海底热液流体储库与运移通道（红色）及补给区（蓝色）[29]

        3 初步研究认识

        IODP 331航次在五个站位共钻取近300 m长岩芯。C0016站位处于北部大烟囱地区（NBC）活跃的热液烟囱和硫化物—硫酸盐丘状体上；而C0013、C0014和C0017站位分别位于距离NBC约100 m, 450 m和1550 m远的东部；C0015站位在离NBC约600 m的西北部的丘状体上，代表一个可能的热液移动通道。331航次在热液补给区C0017站位实现最大钻探深度达到海底下151 mbsf。在C0013, C0014和C0016站位均放置了三角形的井口盘及带阀门控制的不绣钢网孔状平台，以便航次后采集流体样品，用于后续研究。

        331航次钻探到最老和最深的地层是在海底火山喷发时形成的火山碎屑岩，它们的原始组成因受热液活动而改变，被石英和高岭石、伊利石/白云母、和Mg绿泥石等层状硅酸盐矿物替代。在硅化的火山碎屑岩之上是由较大浮岩砾屑和半深海粘土组成的碎屑堆沉积。除了在近海底热液活动普遍的地方如C0013和C0016站位，这些沉积物多未固结。海底碎屑流可以作用与改造海底沉积物。热液活动不仅使得海底深部沉积层发生硅化，且在近表层形成新的岩石类型，如厚层含脉状或结核状硬石膏的沉积。块状硫化物和富硫化物的沉积物出现在C0013和C0016站位。目前还不清楚出现在较浅海底C0013站位的硫化物是来自远处坡上沉积还是代表了块状硫化物矿床的早期形成阶段。热液蚀变粘土出现在C0013站位的顶部以及C0014站位的近海底浅埋深处。在C0014站位可见从浮岩角砾过渡到热液蚀变的浮岩沉积层（浮岩已经蚀变成粘土但依然保留其本来形态与结构特征），最终形成斑杂状的热液蚀变粘土，浮岩角砾结构与形态完全被破坏。

        331航次首次在现代海底获得黑矿型（Kuroko-type）、富闪锌矿的黑色矿石样品。在C0013、C0014、C0015、C0016站位均发现异常高热流值。随着离热液喷口C0016站位越远，钻井中的地温梯度越小。C0013站位为>7°C/m, C0014站位为3°C/m，C0017站位为0.6°C/m；不规则的地温梯度剖面揭示出伊平屋北部热液区地下流体的横向运移特征（图3）。

        在活跃的热液排泄区C0016站位及其附近的C0013和C0015站位，从表层到岩芯底部均未发现微体化石。C0014站位的微体化石仅出现在最顶部的6.5 m；而在热液补给区C0017站位，微体化石出现在9~28 mbsf（<6°C）和112 mbsf深度（44°C）。所有发现的微体化石均为现代浮游有孔虫组合。热液活动不仅限制了底栖有孔虫的生长，也不利于微体化石尤其是颗石藻在海底沉积物中的保存。在C0014和C0017站位的顶部一些有孔虫已被微米或亚微米大小的黄铁矿替代。在C0015站位近海底表面沉积物中铁氧化物具有微米大小的丝状有机包膜。

        航次现场监测揭示，在多数站位甚至在几米范围之内，岩芯孔隙水和气体组成在垂向和横向上变化较大。海底作用主要包括通过相态分离而形成高盐水和富气体的流体，矿物蚀变释放Ca而吸附Mg和Na，高温下K释放而低温吸收，硬石膏形成，有机质的微生物氧化和甲烷利用硫酸盐的厌氧氧化，微生物作用下甲烷形成等。船上研究未证实研究区存在活跃的深部生物圈，细胞丰度明显低于以前的大洋钻探计划在陆架边缘的钻探井位。虽然一些证据和前期研究显示出海槽中部热液区附近存在微生物活动，但仅在C0014站位成功培养出Fe氧化菌群落。

        致谢

        感谢中国综合大洋钻探计划提供作者参加该航次考察机会。该文主要依据第331航次考察初步成果报告撰写而成，主要成果由参加该航次的所有科学家完成。

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Hydrothermal Activity in Middle Okinawa Trough and Preliminary Results of Integrated Ocean Drilling Program Expedition 331

YANG Shouye

(State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092; Email: syyang@tongji.edu.cn)

Abstract:

The Iheya North hydrothermal field is located in the middle Okinawa Trough. Integrated Ocean Drilling Program (IODP) Expedition 331, the Deep Hot Biosphere project, drilled fie sites (C0013~C0017) in the Iheya North hydrothermal system on September 1 to October 4 in 2010, in order to investigate metabolically diverse subseafloor microbial ecosystems and their physical and chemical settings. Site C0016 that is located in the active hydrothermal vent site and sulfide-sulfate mound at North Big Chimney (NBC) has the recovery rate of only 4.7%, but the core included the first Kuroko-type, sphalerite-rich black ore ever recovered from the modern seafloor. The other four sites yielded interbedded hemipelagic and volcaniclastic sediment and volcanogenic breccias and pumice that are variably hydrothermally altered and mineralized, in the zeolite to greenschist facies. Detailed temperature profiles at Sites C0014 and C0017 display irregularities suggestive of lateral flow.

Analyses of interstitial water and headspace gas yielded complex patterns with depth and laterally at most sites over distances of only a few meters. Documented processes include formation of brines and vapor-rich fluids by phase separation and segregation, uptake of Mg and Na by alteration minerals in exchange for Ca, leaching of K at high temperature and uptake at low temperature, anhydrite precipitation, microbial oxidation of organic matter and anaerobic oxidation of methane utilizing sulfate, microbial methanogenesis. Shipboard analyses have not confirmed presence of an active deep hot biosphere. Cell abundances are much lower than those found in previous Ocean Drilling Program/ IODP sites on continental margins, and attempts at culturing were generally unsuccessful.

Key words: IODP; Okinawa Trough; deep biosphere; hydrothermal activity