现代海底主要热液矿点贵贱金属元素组成及变化

黄威^{1, 2}，李军^{1, 2}，陶春辉³，孙治雷^{1, 2}，崔汝勇^{1, 2}，何拥军^{1, 2}

(1. 国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室，山东 青岛，266071；

2. 青岛海洋地质研究所，山东 青岛，266071；

3. 国家海洋局 第二海洋研究所 海底科学重点实验室，浙江 杭州，310012)

摘要：统计了2 691个现代海底热液矿点样品的Au，Ag贵金属和Cu，Zn，Pb贱金属含量的平均值，结果表明：Au，Ag，Cu，Zn，Pb的平均含量分别为3.2 μg/g，179.0 μg/g，4.78%，8.94%和0.494%。Au，Ag，Zn和Pb在弧后盆地和火山岛弧环境中的含量比洋中脊的含量高很多，而Cu的平均含量则在这3种主要构造环境中分布较均匀。全球海底热液矿点成矿作用的产物组成和分布特征没有表现出明显的统一性和相似性，但局部范围内的热液成矿存在着相似的地球化学组成和赋存分布特征。水深和扩张速率对样品的Au，Ag，Cu，Zn和Pb元素含量没有明显的控制作用。由于陆地矿山的长期开采，Au，Ag，Cu，Zn，Pb价格的持续高位，并综合离陆地的远近，补给轮换的方便和水深条件，以及弧后盆地和岛弧环境热液矿点中贵贱金属的相对富集，认为应该加大对弧后盆地和岛弧环境热液矿点的调查和研究。

关键词：热液矿点；贵贱金属元素；相关系数；弧后盆地；岛弧环境

中图分类号：P736.3          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)S2-0056-09

Compositions and variations of precious and base metallic elements in major modern seafloor hydrothermal mineralized occurrence

HUANG Wei^{1, 2}, LI Jun^{1, 2}, TAO Chun-hui³, SUN Zhi-lei^{1, 2}, CUI Ru-yong^{1, 2}, HE Yong-jun^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology,

Ministry of Land and Resources, Qingdao 266071, China;

2. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China;

3. Key Laboratory of Submarine Geosciences, Second Institute of Oceanography,

 State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)

Abstract: The 2691 modern seafloor hydrothermal mineralization samples from the International Seabed Authority were studied. The average compositions of Au, Ag, Cu, Zn, Pb of the samples are 3.2 μg/g, 179.0 μg/g, 4.78%, 8.94% and 0.494%, respectively. The concentrations of Au, Ag, Zn, Pb in the back-arc basins and volcanic island arcs are more than in the mid-ocean ridges, but the average content of Cu is evenly distributed in the three main tectonic environments. The composition and distribution characteristics of the global major marine hydrothermal mineralization samples indicate that they are obvious not similar and uniform, but the hydrothermal mineralization in the small field reveals the similar chemical composition and distribution characteristics of the samples. The contents of Au, Ag, Cu, Zn, Pb in the samples are not controlled significantly by the seafloor water depth and the spreading rate. The survey and research of the hydrothermal mineralization in the back-arc basins and island arcs should be improve, as the land mines have been exploited in many years, and the prices of the Au, Ag, Cu, Zn, Pb are very high, and the material supply and personnel rotation are convenient because the hydrothermal mineralized occurrences are near the land, and the shallow water depth, the compositions of the precious and base metallic elements in back-arc basin and island arc are richer than those in the mid-ocean ridges.

Key words: hydrothermal mineralized occurrence; precious and base metallic elements; correlation coefficient; back-arc basins; island arcs

现代海底热液活动的矿化作用是一种正在发展演化的成矿过程，对于陆地热液成因矿床而言是天然的、可以观察和进行实时研究的成矿实验室。其重要的产  物——多金属硫化物广泛分布于洋中脊、岛弧和板内火山中心等离散型板块边界环境中^[1]，以烟囱状、块状、壳状、丘状和网脉状等形态出现，是一种潜在的、可观的、可以和陆上矿床相媲美的矿产资源^[2]。其中，烟囱体、块体和壳体主要出现在矿床的浅表层，而丘体和网脉体等主要出现在矿床的较深部。根据大洋钻探获得的深部硫化物样品分析结果表明：其成因与浅部硫化物相似，主要区别在于没有烟囱体的紧闭流体通道，弥散式喷射、交代、裂隙生长和重结晶现象显著^[3]。有正式文献记载的人类最早发现海底热液活动的证据来源于1948年瑞典“信天翁”(Albatross)号科考船在红海中部水深1 937 m的Atlantis II深渊附近(21°20′N, 38°09′E)发现的海水高温高盐现象，但这种现象最初并未得到足够的重视，更未能与海底热液矿化作用联系起来^[4-5]。20世纪60年代中期红海多金属卤水和沉积物的发现标志着海底热液矿化作用研究的开始^[1]。随着幔源³He作为热液活动示踪剂的确定和TAG(Trans-Atlantic Geotraverse)热液区的发现，多个海盆发现热液来源的Fe和Mn沉积物以及Bischoff等^[6] 1975年进行实验室模拟玄武岩-海水反应实验的成功，使人们逐步认识到了海底热液矿化作用的普遍性，1978年人类使用深蓝(Cyana)号深潜器在东太平洋海隆21°N首次发现了高温热液成因的块状多金属硫化物，而世界上首次被发现的海底热液烟囱体则来自于1979年4月21日在东太平洋海隆21°N阿尔文号深潜器的贡献^[7-8]。第1个海底热液烟囱体被发现之后，海底热液矿化作用调查研究进展很快，并逐渐扩展到全球各大洋中脊、弧后弧前盆地、板内火山中心等离散型板块边界环境中，包括东太平洋海隆、大西洋中脊、印度洋中脊、西南印度洋脊、西太平洋弧前弧后盆甚至北冰洋脊等都发现有热液矿化作用现象^{[1, 9-12]}，并且发现了除硫化物-硫酸盐以外的诸如热液碳酸岩、硅质、单质硫等为主的热液活动产物。在Fouquet^[9]统计的全球146处海底热液硫化物矿点中，约66%位于洋脊上，另有34%位于弧后弧前盆地等环境中。而Baker等^[13]统计的已发现活动热液矿点和异常点已达280处，并且根据海底热液矿化作用调查研究程度和全球洋脊及弧后盆地等的扩张速率和范围，估计现代全球的活动热液矿点在1 000个左右。

我国的现代海底热液矿化作用调查研究工作虽然起步较晚，但经过多年的努力后也取得了重大突破。2007年1~3月，中国大洋DY19航次第2航段在西南印度洋脊49°39′E/37°47′S的地区发现了1个正在活动的热液喷口，拍摄到了正在冒“黑烟”的热液硫化物烟囱体，并取得了块状、烟囱状和碎屑状硫化物、玄武岩及热液生物等样品^[12]。该热液活动区是世界上第1个在西南印度洋超慢速扩张脊地区发现的活动海底热液区，对于研究超慢速扩张洋脊热液活动区的热液成矿作用、热液生物分布以及对大洋的热/质贡献等具有重要的科学研究价值。

1  海底热液矿产资源规模和分布

现代海底热液矿点以高含量的Au和Ag等贵金属和富集的Cu，Pb和Zn等贱金属而极具经济价值和商业前景。在1993年统计的139处海底热液矿点中有多处储量超过100万t，其中最大的红海Atlantis II处矿点的规模达到了1亿t^[9]，可与陆上中型矿床相媲美。Herzig等^[14]1995年统计了1 290个不同成因环境中热液硫化物样品的贵贱金属元素含量，发现Au和Ag的含量分别为0.8~3.8 μg/g和142~2 766 μg/g，Cu和Zn的含量分别为1.3%~5.1%和4.7%~18.4%，远比一般陆上矿床富集。这些极具商业价值和开发前景的海底热液矿产吸引着众多国际矿业公司的关注与投资，国外著名的矿业公司如英国海王星公司(Neptune Minerals)和加拿大鹦鹉螺公司(Nautilus Minerals)都已进行了现代海底热液矿床资源的商业性勘探和开发，并在一些国家的经济专属区申请到了执照。

一般来说，通过目前常规的调查勘探技术手段只能得到海底热液矿产有限的二维海底表面和浅层数据，很难从三维综合的角度全面了解矿床的规模、吨位、品位和整体的商业价值等。但通过ODP在TAG热液区、中谷热液区(Middle Valley)、马努斯(Manus)海盆佩克马纳斯(Pacmanus)等热液矿区的钻探研究弥补了这一缺陷，并发现了浅层热液硫化物堆积体之下还可能存在高品位成矿带，显示海底矿产的规模和经济价值可能比我们想象的要大的多^[15-17]。一般认为，扩张速率较慢的区域更容易堆积海底热液矿产，而Fouquet^[9]则更细致地归纳了易形成热液矿床的5点地形地貌和规模控制因素，包括成矿物质的混合作用、成矿区域的渗透性、热液系统的温度性、沸腾作用的相分离和水深条件以及良好的地质圈闭和盖层。

2  全球主要热液矿点Au和Ag元素含量特征

通过对国际海底管理局网站2 691个热液矿点样品的Au，Ag，Cu，Zn，Pb含量的整理和分析，并结合西南印度洋37°47′S热液区热液硫化物样品的实测成分数据^[18]，编制了38个调查研究程度比较高、分析样品数量相对较多的现代海底热液矿点的贵贱金属元素含量表(表1)。从表1可以看出，各热液矿点的Au、Ag元素含量差别很大且变化范围较广，Au含量为0.0~27.7 μg/g，Ag含量为10.9~2510.1 μg/g。在不同的构造环境中，Au和Ag贵金属元素含量变化并不一致。在洋中脊区，EPR 7°24′S以黄铁矿-黄铜矿-闪锌矿-硅质物质为主的样品Au含量最低,仅为0.047μg/g(N=13)^[19]，而大西洋Logatchev区的样品Au含量最高，达到7.9 μg/g(N=56)，两者之间相差160多倍；Ag含量变化范围较小，样品Ag含量最高的热液矿点为西南印度洋脊热液活动已经停止的Mt.Jourdanne，达到754.2 μg/g(N=7)，含量最低的热液矿点为11.5°N EPR off-axis volcano，仅为12.2 μg/g(N=36)，相差60余倍。在弧后盆地和火山岛弧环境中,样品中Au的含量变化范围都比洋脊区小很多，分别为1.4~15.3 μg/g和2.6~27.7 μg/g；而Ag的含量变化特征却与Au不同，弧后盆地样品中Ag的含量变化范围比洋脊区要小，火山岛弧的Ag的含量变化范围却比洋脊区要大，分别为17.7~513.9 μg/g和10.9~2 510.1 μg/g，最大值和最小值之间的比值为29倍和230倍。

现代海底主要热液矿点Au和Ag含量分别见图1和图2。从图1和图2可以明显看出：弧后盆地和火山岛弧环境中样品的Au和Ag含量明显比洋脊区的含量高，而Au和Ag的最高值都出现在火山岛弧环境中，分别为Suiyo Seamount区的27.7 μg/g(N=11)和冲绳海槽Jade区的2 510.1 μg/g(N=32)。从统计样品的平均值上这种趋势也表现的非常明显，弧后盆地Au、Ag的平均含量8.7 μg/g(N=320)和233.6 μg/g(N=587)以及火山岛弧的12.4 μg/g(N=95)和1 273.7 μg/g(N=105)也远比洋中脊区的1.2 μg/g(N=1 354)和83.0 μg/g(N=1 533) 含量高。

图1  现代海底主要热液矿点Au元素含量

Fig.1  Concentration of Au in major seafloor hydrothermal mineralized occurrences

表1  现代海底主要热液矿点贵贱金属元素含量

Table 1  Concentrations of precious and base metallic elements in major seafloor hydrothermal mineralized occurrences

图2  现代海底主要热液矿点Ag元素含量

Fig.2   Concentration of Ag in major seafloor hydrothermal mineralized occurrences

3  全球主要热液矿点Cu，Zn和Pb元素含量特征

Cu，Zn和Pb是热液硫化物中重要的成矿元素，它们在各矿点样品中的平均含量见表1所示。各热液矿点的Cu，Zn和Pb元素含量差别很大且变化范围也较广，Cu含量为0~21.19%，Zn含量为0.20%~29.67%，Pb含量为0.011%~9.199%。与Au和A g一样，Cu，Zn和Pb元素在不同构造环境的样品中含量变化也并不一致。Cu含量在洋脊区的变化范围最广，Kebrit Deep热液矿点以黄铁矿为主的烟囱体样品Cu含量极低，为0.000 64%(N=28)^[20]，在Logatchev区的样品Cu含量最高，达到21.19%(N=82)，两者相差约33 000倍。Zn含量的最大值和最小值都出现在弧后盆地，分别为Franklin seamount区的0.20%(N=63)和Kings Triple Junction区的29.67%(N=65)，两者相差约148倍。Pb含量变化范围最大的区域与Cu一致也是在洋中脊区，最大值和最小值之间相差约145倍，而Pb含量的最大值却出现在火山岛弧环境的冲绳海槽Jade区，最大值为9.199%(N=31)。

现代海底主要热液Cu和Zn及Pb元素含量见图3和图4。如图3和图4可见：Cu的含量高低在各种构造环境中的分布较均匀，Zn和Pb的含量在洋中脊环境中则明显较低，而富集在弧后盆地和火山弧环境中。从样品平均值的统计上这种现象也很明显，在洋中脊、弧后盆地和火山弧中Cu的平均含量分别为4.89%(N=1 604)，4.70%(N=700)，3.84%(N=135)，相对均一，而在弧后盆地中Zn和Pb的平均含量分别为16.87% (N=718)，15.63%(N=130)，在火山弧中，他们的平均含量分别为0.506%(N=685)，4.771%(N=130)，要比在洋中脊区的平均含量5.18%(N=1 748)和0.124%(N=1 523)高的多。

4  讨论

Au，Ag贵金属和Cu，Zn，Pb贱金属在收集的热液矿点样品中的含量相当可观，平均值分别达到3.2 μg/g(N=1 769)，179.0 μg/g(N=2 225), 4.78%(N=2 439)，8.94%(N=2 596)和 0.494%(N=2 338)，完全可与上百个陆上中型、大型和特大型火山成因矿床的贵贱金属含量相媲美^[21]。这些金属元素不仅含量高，而且在不同的构造环境中的含量差别很大。Au，Ag，Zn，Pb在弧后盆地和火山岛弧环境中的含量比洋中脊区域的含量高很多，Au前者是后者的7倍和10倍，Ag是3倍和15倍，Zn基本上是3倍，而Pb是4倍和38倍，Cu的平均含量则与上述几个元素不同，它在这3种主要构造环境中的分布表现出较均匀的性质。对于Au， Ag和Cu，Zn，Pb贵贱金属的来源问题一般有2种看法^[22-24]：一是热液对含矿围岩及其下伏基底物质的淋滤作用，二是深部岩浆房挥发组分的直接释放和海水来源。热液成矿物质基本都来源于这2类，只是各自组分的含量不同而已。有学者认为，Pb，Zn，Ag等易溶元素主要来自于热液的淋滤作用，Cu等难溶元素则主要直接来自岩浆，而2个来源中Au的含量都较多^[25]。在不同的构造环境中，有沉积物覆盖的洋中脊，沉积物也为海底热液成矿提供了部分甚至是主要的物质来源；而在无沉积物覆盖的洋中脊，洋脊玄武岩或地幔岩是成矿金属的主要供应者；在弧后盆地环境，有关热液沉积物来源的问题可能更为复杂。再加之可能存在的多期热液活动使这些贵贱金属的再运移和再富集，这些因素决定了Au，Ag和Cu，Zn，Pb金属元素在洋中脊、弧后盆地和火山岛弧这3种主要的构造环境中巨大的分布差异。

图3  现代海底主要热液矿点Cu和Zn元素含量

Fig.3  Concentrations of Cu and Zn in major seafloor hydrothermal mineralized occurrences

图4  现代海底主要热液矿点Pb元素含量

Fig.4  Concentration of Pb in major seafloor hydrothermal mineralized occurrences

对样品不同成分含量的相关性分析是一项基本工作，前人对许多热液矿点的样品进行过多种元素的相关性分析，来探讨不同元素之间相互的运移、演化赋存和控制关系。本文对2 207个样品的Au，Ag，Cu，Zn，Pb元素含量进行了相关性分析(表2)，发现这5个贵贱金属彼此之间的相关系数绝对值(|R|)都很低，其中，|R|最大值仅为0.42，表明在不同构造环境，不同程度的岩浆供给和水岩反应以及海底沉积物、生物、水体、陆源物质的影响下，全球的海底热液成矿作用的产物组成和分布特征没有表现出明显的统一性和相似性。但是对单个热液矿点样品的元素含量相关性分析发现它们存在较好的相关性。例如，通过对东太平洋海隆13°N，Jade，Broken Spur，MESO等热液矿点样品的元素含量分析发现，各元素含量具有较好的相关性^[26-29]。本文对Atlantis II Cores110个样品进行的相关分析发现，Au和Ag的相关系数达到了0.97 (N=38)，Zn和Pb的相关系数也达到了0.70(N=103)，表明海底热液成矿系统中局部范围矿点内具有相似的地球化学组成和赋存分布特征。此外，计算水深和扩张速率与38个热液矿点样品Au，Ag，Cu，Zn，Pb元素平均含量的相关系数，发现他们也不具有明显的相关性，|R|最大值为0.49和0.28，表明水深和扩张速率对热液矿点样品以上5种元素含量没有明显的控制作用。

表2  现代海底主要热液矿点贵贱金属元素相关系数

Table 2  Correlation coefficient of precious and base metallic elements in major seafloor hydrothermal mineral occurrences

随着陆地矿山的长期开采利用和现今经济建设对矿产资源的需求日益加剧，加之21世纪以来Au，Ag的不断走高(图6)和最近5年Cu，Zn，Pb的价格的持续高位(图7)，热液矿点样品中的贵金属Au，Ag和贱金属Cu，Zn，Pb成为了可补充陆地矿产用于大规模商业开采冶炼的重要金属来源。由于热液矿点样品贵贱金属元素分布极其不均一，选择合适的勘探区和开采区非常关键。已知的弧后盆地和火山岛弧热液矿点的水深较浅，分别为600~1 550 m和1 500~3 600 m，而洋中脊区的水深则为1 590~3 650 m，相比较而言，前两者水深条件更利于勘探开采，而且弧后盆地和火山岛弧离陆地相对较近，物资人员的轮换补给都更方便，而且弧后盆地和火山岛弧环境热液矿点样品的Au，Ag和Cu，Zn，Pb金属含量远比洋中脊环境的样品富集，所以应该加大对弧后盆地和岛弧环境的热液矿点的调查和研究的关注。

图6  21世纪以来Au和Ag价格走势图 (来源于金拓网站，http://www.kitco.cn/)

Fig.6  Price of Au and Ag since 21st century

图7  2006年以来Cu，Zn和Pb价格走势图 (来源于金拓网站，http://www.kitco.cn/)

Fig.7  Price of Cu, Zn and Pb since 2006

5  结论

(1) 现代海底热液矿点样品的Au，Ag贵金属和Cu，Zn，Pb贱金属含量的平均值相当可观，分别可以达到3.2 μg/g(N=1 769)，179.0 μg/g(N=2 225), 4.78% (N=2 439), 8.94%(N=2 596)和0.494%(N=2 338)。

(2) 不同构造环境中的热液矿点样品的贵贱金属元素含量差别很大，Au，Ag，Zn，Pb在弧后盆地和火山岛弧环境中的含量比洋中脊区域的含量高很多，而Cu的平均含量则在这3种主要构造环境中的表现出较均匀分布的性质，各不同热液矿点贵贱金属含量的差别反映了不同的物质来源和形成环境。

(3) 全球海底热液矿点在不同构造环境，不同程度的岩浆供给和水岩反应以及海底沉积物、生物、水体、陆源物质的共同影响下，其成矿作用的产物组成和分布特征没有表现出明显的统一性和相似性，但局部范围内的海底热液成矿存在着相似的地球化学组成和赋存分布特征。水深和扩张速率对样品的Au，Ag和Cu，Zn，Pb元素含量没有明显的控制作用。

(4) 随着陆地矿山的长期开采，Au，Ag和Cu，Zn，Pb价格的持续高位，并综合离陆地的远近，补给轮换的方便和水深条件，以及弧后盆地和岛弧环境热液矿点中贵贱金属相对洋中脊的富集，应该加大对弧后盆地和岛弧环境的热液矿点的调查和研究。

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(编辑 赵俊)

收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(40976036)；国土资源大调查专项工作项目(1212010811062)；国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室开放基金资助项目(MRE201119)

通信作者：黄威(1981-)，男，四川邛崃人，硕士，从事海底热液矿化作用研究；E-mail: qimg_huangwei@sina.com