海底地热资源 -海底地热能

; e- a) N3 D* w5 k# r) C( h8 \- n

文|一叶禅儿

编|一缕墨香

现代成矿作用应该包括最近地质时期内发生的和现在正在进行的各种富集成矿元素的作用。

与大陆上表生作用相联系的矿床类型，如风化矿床、砂矿、现代盐湖矿床等，由于其形成位置较浅，成矿作用在常温常压下进行，因此比较容易进行观察，甚至可以进行长期动态观察，也比较容易进行实验验证，从而有利于取得对成矿地球化学过程的深入了解。

- Z2 I8 L/ w! h

上世纪五六十年代以来，对红土型风化壳中Fe、Si、Al、Ni、Co等元素的迁移和富集，现代盐湖中Na、K、Cu、Mg以及Li、Rb、Cs等在反复溶解、沉淀中富集进行研究的成果早已成为矿床学内容的组成部分。

: x; `- i) t& P1 E/ _8 `6 m2 T

风化矿床

0 _1 z2 j* V {4 H/ |6 S

这些也引起人们对现代成矿作用给予特别关注的原因是，在这一时期中，先后在一些大陆边缘近代沉积盆地进行深部钻探时和在海洋考察中发现了含金属热水及其沉积物，其中包括多种重金属硫化物。

2 ?# L' G% r6 U8 t* h3 B

显然，这些成果已经涉及到与深部来源热液有关的成矿过程，现代成矿作用研究主要集中在以下三个方面。

0 _! R3 t5 B7 K& }, j2 j

海底热液活动及其沉积作用的研究

6 @+ L1 @& E( N$ B) B6 G

从1948年发现红海近海底水温异常，到1964~1965年英国“发现”号发现热卤水下沉积物富含金属，经历了近20年时间。

测绘海底图时查明红海海底有几个明显的洼地，其水温在30℃以上，最大的Atlantis号洼地当时下层水温达56.5℃。

) w% H% g7 d5 k4 B7 J( Z6 a4 R' |

热卤水中 Fe、Pb、Zn、Cu、Co、Ni含量比正常海水高一百至数千倍。红海含金属沉积物中以铁的氧化物和氢氧化物分布最广，在AltantisⅡ号等洼地中有硫化物。

水下沉积物

" ?$ B: }0 N) D1 Y7 }# E7 _

& M, Y% H; h0 G& C; v9 f) z3 }! T

与金属沉积物伴生的正常沉积物比例很小，表明沉积作用主要受热水活动控制。洼地底部断裂与海底扩张有关。开阔大洋中含金属沉积物的发现和证实要晚一些。

" u. T, ^* x/ G( U. J2 I9 g

1966年从12°~16°S太平洋隆起脊上采到最初的含金属沉积物样品。1971~1972年在太平洋东部加拉帕戈斯及鲍尔洼地发现含 Fe、Mn沉积物分布在5°~22°S的海底广大地区。

+ J$ H% k6 A' z) N' b/ N

1977~1978年先后几次潜艇考察发现加拉帕戈斯裂谷轴部的富锰铁沉积物丘堆及20℃热水流出口，观察到20°N附近的太平洋中脊轴部的含Zn、Cu块状硫化物。

锰铁

8 a3 L% Q5 a# l' s6 Q5 ?

1979年美国“Alvin”号载人潜艇上的研究人员发现了在2610-2650m深处枕状熔岩覆盖的海底上耸立着的含硫化物和不含硫化物热水喷口及附近的硫化物丘堆。

上世纪80年代以后，在瓜亚马斯海盆南裂谷和胡安德富卡海岭等地继续发现了块状硫化物和热液喷口。

后来的工作，在东太平洋中隆9°N、21°N、13°N、10°S等处证实有较浅的岩浆房存在。这些地方扩张速度快，有高的地温梯度。

4 a+ c6 U: ^5 ^

2 T# ?5 r" i! L" q2 n% d! t

硫化物

5 |, ]3 [, H: J9 p/ s- @% Y/ G

由此可以推知热液系统是在浅处形成的，流到海底时仍保持高温和还原性质，所以能形成硫化物。在原来认为扩张速度低、不利于形成硫化物沉积的大西洋中脊上，1985年，在26°08 ′S的中脊裂谷上也发现了活动和凝静的热水喷口及块状硫化物沉积。

3 W$ Z l k1 [) r8 d

此外，在日本伊豆小笠原海岭和冲绳也发现了热液沉积物。洋中脊地区形成的硫化物矿床与塞浦路斯型矿床形成背景相似，日本的伊豆小笠原弧的环境则可能类似黑矿型矿床的形成环境。

1 Z& m% J$ }# J7 n7 w

( t# J9 ^2 l! R& W8 v- A

大陆边缘岛弧火山地热区成矿现象

通过火山现象了解与岩浆有关的成矿作用的想法很早就有。许多人收集并分析过火山气体及升华物质。

有人在圣海伦斯火山口用石英管取了样，发现样品在冷凝过程中生成固相的Fe₃O₄、SnO₂2、MoS₂、FeWO₄、CdS、PbS、Pb₃Bi₂S₆等。

在勘察加和千岛地区的研究证明，热水从火山喷发物中可以淋滤出大量金属。还有人认为勘察加现代火山是古火山长期发育的岩浆活动和成矿作用的结束阶段，其中有Au矿化，偶然有Sb、Hg矿化。

岩浆活动

" H7 f% Y6 i; Z% Q5 W

现代火山活动地带也常常正是伴有温泉活动的地带，温泉的热水主要来源于大气水，岩浆活动作为热源加热并促使对流体系的形成。

/ C ^# S8 z: a8 I5 Z/ `8 P

世界各地已有上百个地热系统有300m或更深的钻探资料，这些资料可以反映热水的深部产状及其运动状态。

从这些材料推测，有些热液矿床可能就是过去地热系统的遗迹。White最早提出某些汞矿床和浅层低温金银矿床与热水系统有关，后来又加进了以贱金属为主的矿床。

$ `# u3 H5 f) n( _

汞矿

" O \5 C9 B) W; B: m) R

根据对加利福尼亚和新西兰布罗德兰兹温泉的研究，知道Hg、Sb、As、Au等常在地热系统近地表沉淀，而Ag、部分Au和贱金属则在更高温度和更深部位沉淀。

通过对加利福尼亚和新西兰恩加瓦地热系统的研究，认为俯冲带大陆边缘沉积物是金属的来源。

Hg 在高温富CO₂蒸气相和液相共存的体系中搬运，在100℃以下从含HS的溶液中沉淀。适合的渗透通道与有利的储矿空间是最终导致矿化富集的因素。

浅层低温贵金属系统形成位置可能更靠近火山中心，热液活动可能是在深部岩浆房冷却期间某些阶段出现的。

& V) |+ H9 N, ~+ |7 k

大陆边缘

大量出现的孔隙充填脉及硅质泉华是热液系统在流动通道上和地表的排出物，它们的沉淀温度较低，金、银含量也较低，如在近地表有不透水层覆盖则可能形成高品位金矿化。

2 O+ ]- K# P' V% @# r: q0 Z

以贱金属为主的地热系统多是含盐度高的氯化物卤水。加里福尼亚索尔顿含金属热卤水是在钻井中1500多米深处的上新世三角洲相碎屑沉积物中发现的，水温达320~370℃，沉积物中有年代为15000年的火山岩。

4 w& }; { _5 r5 l5 u' B. `

三角洲相

- A& c/ N) x' M) S3 d

4 }* h4 d& s, \( z3 v& [5 D

卤水中Cl的浓度为155000x10⁻⁶。原苏联切利肯卤水见于穿过古新世后陆源沉积红层上部砂岩的钻孔中，在 600m深处为含 Pb、Zn的氯化物卤水，在300m深处为含有H₂S的热水。

水的同位素组成表明其为沉积物中的同生水，卤水的活动受新构造活动控制。

6 @: }3 E4 E( q3 ?- B2 H; C6 Y

各种水盆地沉积物中的金属聚积作用

现代大洋盆地洋底上的锰结核是一种极为特殊的沉积物，在除极地海洋以外的许多洋区均有发现。

& E) F4 s/ {/ b: }7 ?

相对集中并作了大量调查研究的洋区是北太平洋。锰结核多在4000~6000m的深水层下散布于洋底软泥中。结核的形态大小各异，成分是铁锰氧化物，Ni、Cu和 Co常可达工业要求。此外还有Pb、Zn、U等20余种元素。

锰结核的蕴藏量很大，一般超过相应金属在陆地上的蕴藏量和可用年限，而且每年还在以可观的速度继续增长。

+ `" ~7 U& i( \% w1 [' E# ?7 ?# _

$ J8 @+ q V. l" ~$ \

大洋盆地

* a2 E( a# C) R4 b5 W8 ~

关于锰结核的成因还有很多争议，也很难肯定是否有对应的古老矿床。

& t/ M* e3 h1 @

层控矿床研究早期即引用黑海、波罗的海的地质现象来说明静海还原环境对金属硫化物沉积的意义。

在属于静海相环境的峡湾或深海盆中形成的沉积物中都可以有金属硫化物出现，但较多的还仅限于铁硫化物。黑海表层150m以内为含O₂，水层，以下到2000m都是含H₂S水层。

: Y+ W+ `" ]; t+ d4 }

黑海沉积物中广泛分布有FeS/Fe₃O₄和FeS₂之间的硫化物，黄铁矿中的Mo和Cu含量高于别的地区，表明海水中痕量的金属元素可能与铁硫化物发生了共沉淀。

黄铁矿

% J: \! G) J+ M2 I

上世纪70年代深海钻探工作中，研究了黑海沉积物剖面，发现沉积物中痕量金属元素的富集与有机碳和总硫量的增高一致，这些层位是一些有盐度较高的海水流入的层位。

8 y& m; i/ `0 E6 k7 H

这些研究表明，黑海存在的缺氧水层对沉积金属元素是有利的，但金属元素富集需要有使海水能够得到更新、造成异常金属含量的适当条件。

' h0 r0 V9 C! [; x) H

上世纪70年代在密西西比平原中部广大地区发现含Zn达370mg/L和Pb达92mg/L的富金属元素油田卤水，这种卤水有160~340g/L的高含盐度，化学成分为钠-钙-氯型，温度为100~240℃，与密西西比型铅锌矿石矿物包裹体研究获得的流体成分、性质非常一致。

/ Y) F; p5 J7 J' Z. }5 s( _+ y

由此可以认为盆地沉积物成岩岩化过程中可以形成这种含石油和金属元素的流体。

盆地沉积物

4 O" c/ S' a% |3 s* E

墨西哥湾沿岸盆地中不同渗透率的沉积物快速堆积，封闭的水体在埋藏温度不断升高的情况下，出现大的压力梯度，形成含碳氢化物及含金属元素卤水从泥质原岩中排出并向盆地上方移动的有利条件。

$ O' S/ e! P1 Z: P T

沉积物中有机碎屑和硅酸盐矿物碎屑中的铅、锌可以成为有效的金属元素来源。对阿拉伯半岛波斯湾南岸国家海岸地带的萨布哈进行研究后，发现干星带障壁海岸潮上带盐坪沉积物中可以富集Pb、Zn、Cu等金属。

来自大陆地下水中的金属元素和通过蒸发泵流作用上升的海水相遇时借助潮间带藻席分解产生的HS可形成金属硫化物。

! H3 t# X: r9 b! g* P

硅酸盐矿物

只要蒸发泵吸作用能够长期保持，这种金属元素聚积作用就可以继续进行下去。经过计算，在100000~200000年时间内可以形成一定规模的层状金属矿床。

在地质历史时期中，在不同的地方都可能出现过这样的环境。

" @/ M# x7 e2 L' B. ?6 ~

结论

2 |4 i8 Q3 m6 M( S$ u$ Q

到目前为止，人们已发现和研究了包括沉积同生和后生、岩浆侵入和蒸发作用有关的各种成矿作用的现代成矿实例。

现代成矿作用无疑具有从中新生代演化到目前阶段的性质，还继续保持着各种板块边界上的复杂多样的成矿作用。

显生宙俯冲边缘上出现的斑岩铜矿、黑矿型矿床这些典型矿化类型都有现代的代表，这类年轻的活动边缘也常是Hg、Sb、Au等活泼元素聚积的地带。

6 b3 C. x( p& ~/ I$ ~; g& B* _% K

* \4 I; ~" ]- O+ e0 I6 i) ~

斑岩铜矿

+ A' t8 V! v3 `

" s5 _- }; ~4 C4 N; V$ y

在增生板块边缘上与塞浦路斯型含铜黄铁矿相当的块状硫化物矿床的形成看来是现代成矿作用中一种普遍而重要的形式。

& \; K6 P1 [* E1 D' p s0 G

现代成矿作用研究是一项带有基础性质的研究，但它具有明显的应用研究意义。

6 @8 _3 f: u5 g+ c

首先，地质历史时期中的很多重要矿床类型能找到现代成矿实例，有力地说明成矿作用不是过去地质时代异常环境中的特殊事件。

而是可以规律性的再现的地壳正常演化的产物，演化中会有新的发展，甚至也不排除偶然性灾变事件的影响。其次，现代成矿作用很多能保存成矿环境和矿化形成时的原始面貌，便于人们能有条件地了解某些成矿过程。

矿床

4 q4 N( z9 u8 \. U

/ ^3 U$ v/ a4 w! h9 ]

研究现代成矿作用可以获得更多成矿环境的数据，从而可以改善已有的和发展新的成矿理论。最后，现代成矿作用研究能够使人类认识和获取新的矿产资源。

' F" g1 N1 O) g3 k7 E2 e6 d # l/ o' w$ @9 _" l. |