洋中脊多金属硫化物成矿定量预测9787030525536
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作者陈建平[等]著
出版社科学出版社
ISBN9787030525536
出版时间2016-08
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上书时间2024-12-27
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序
前言
上篇 基础理论
第1章 多金属硫化物成矿预测研究现状 3
1.1 海底多金属硫化物调查情况 3
1.2 矿产资源定量预测的研究现状 6
1.3 基于地质大数据信息提取分析 9
第2章 洋中脊多金属硫化物地质征 11
2.1 热液循环系统及沉积模式 11
2.2 海底热液活动与硫化物分布征 14
2.3 典型硫化物热液区地质征 19
第3章 洋中脊多金属硫化物找矿模型 25
3.1 控矿要素分析 25
3.2 找矿标志总结 31
3.3 地质大数据与找矿模型的建立 33
第4章 洋中脊多金属硫化物成矿定量预测方法 35
4.1 成矿预测理论与方法 35
4.2 定量预测基本方法 40
4.3 定量预测目标分类 46
中篇 方法验证
第5章 南大西洋多金属硫化物成矿定量预测 55
5.1 南大西洋研究区概况 55
5.2 研究区信息综合分析与提取 58
5.3 区域多金属硫化物资源预测 79
第6章 北大西洋典型热液区成矿过程模拟预测 84
6.1 北大西洋研究区概况 84
6.2 研究区信息综合分析与提取 85
6.3 区域多金属硫化物资源预测 104
6.4 典型热液区三维模拟预测 107
下篇 应用实例
第7章 区域海底多金属硫化物远景区定量预测——印度洋中脊 123
7.1 印度洋研究区概况 123
7.2 区域信息综合分析与提取 126
7.3 区域海底多金属硫化物资源成矿预测 137
第8章 远景区海底多金属硫化物找矿靶区定量预测与评价——西南印度洋中脊 141
8.1 西南印度洋研究区概况 141
8.2 远景区信息综合分析与提取 142
8.3 远景区海底多金属硫化物资源成矿预测 159
第9章 目标区海底多金属硫化物找矿靶区优选与评价——中国合同区 163
9.1 中国硫化物勘探合同区概况 163
9.2 目标区信息综合分析与提取 164
9.3 目标区海底多金属硫化物资源成矿预测 178
第10章 典型靶区海底多金属硫化物矿床定位预测——龙旂靶区 184
10.1 龙旂热液区地质背景 184
10.2 资料的收集与整理 188
10.3 致矿地质异常数值模拟预测分析 192
10.4 矿致地质异常定量化预测分析 208
10.5 双向预测评价 216
结语 225
参考文献 227
内容摘要
上篇 基础理论
靠前章 多金属硫化物成矿预测研究现状
靠前海底区域面积为2.517×108km2，十分广阔，占地球表面积的49％，在这片区域内蕴藏着丰富的矿产资源，如富钴结壳、多金属结核和多金属硫化物等。随着深海勘探技术的发展以及陆上矿产资源的日渐消耗，海底矿产资源的勘探与开发即将成为现实，这使其成为各国竞相研究的目标（陶春辉等，2014）。
Hannington 等（2011）估算优选海底多金属硫化物总含量可以达到1×108t，铜和锌含量约为3×107t，与陆上新生代块状多金属硫化物矿床中发现的铜、锌含量相当。海底多金属硫化物因其巨大的成矿远景和开发潜力，将成为未来可开采海底矿产资源的重要组成部分，也是21世纪可持续发展的战略替代资源之一。
与海底热液活动相伴生的多金属硫化物矿床富含Cu、Zn、Pb、Au 和Ag 等金属元素，广泛分布于板块边界，与岩浆活动、地震活动及高温热液活动均具有较强的时空关系。在大洋中的板块边界总长大概89000km，包括洋底扩张中心（64000km）以及火山弧和弧后盆地（25000km）（Bird，2003；de Ronde et al.，2003）。大部分的硫化物矿床在大洋中脊环境中发现，也有许多位于火山弧及弧后扩张中心等构造环境。
已有研究表明，快速扩张脊在构造活动末期，地壳破裂严重，渗透性较高，所以热液流体沿断层面破裂处弥散排放，易形成大量的小型硫化物烟囱（Fouquet，1997）。而在慢速扩张洋中脊上，热液流体会沿着主干断裂集中排放，可以形成比较大型的块状硫化物丘（季敏，2004）。因此，现阶段靠前上对于海底多金属硫化物的勘探调查多集中于慢速、超慢速扩张洋中脊上。
围绕本书的方向和目标，分别从海底多金属硫化物调查情况、矿产资源定量预测的研究现状及基于地质大数据信息提取分析三个方面总结靠前外研究现状。
1.1 海底多金属硫化物调查情况
20世纪60～70年代，人们逐渐认识到海底构造活动过程中还伴随着热量和物质的交换，这种交换的规模和程度有多大，是否可以将其定量化并对其过程合理解释成为地学界十分前沿的科学命题。Revelle 等（1952）和Elder 等（1965）的开创性工作，使人们逐渐意识到大洋地球内部的热散失可以通过海底热液循环来解释，并在研究热液循环的过程中发现了海底热液活动的证据。
1948年，“信天翁”号调查船在红海调查的过程中发现了海水盐度和温度异常，但当时并没有引起注意，直到1963～1966年，靠前印度洋调查计划执行期间，美国“发现者”号经过红海时，用声学设备观测到了海水的异常，这种现象才逐渐引起重视。随后的采样工作使人们发现了规模巨大的多金属软泥和金属热卤水，自此揭开了人类研究海底矿产资源的序幕（Bischoff，1969）。对海底热液活动及其成矿作用的调查和探索，以1977年人类靠前次通过深潜器观察到海底热液活动现象作为分界线，可以大致划分为两个阶段。
靠前阶段是1977年之前的热液活动异常现象发现阶段，主要通过采集水样、测量海底温度和拖网取样为主的调查方法，工作区域主要集中于东太平洋和大西洋。1972～1973年，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）在大西洋中脊裂谷区测到了近海底存在水温异常，并用拖网在TAG 区获得了低温热液产物样品（氧化锰结壳），证实了在大洋中脊环境中存在热液活动（Scott et al.，1974）。1972年，Scripps 海洋研究所使用带照相设备的拖体，在东太平洋Galapagos 洋中脊发现了热液成因的丘状体（Klitogord and Mudie，1974）。1976年，他们又通过对近海底水样温度和3He 的分析，进一步证实了该处存在热液活动（Jenkins et al.，1978）。
第二阶段是1977年以后海底热液活动的调查发现阶段，该阶段的一个重要标志是载人潜器的投入使用，包括对少数热液活动区开展了大洋钻探的工作。在这个时期，新的调查设备开发使用，如海底摄像、电视抓斗、各种现象传感器、声学和光学设备拖体、遥控水下机器人（ROV）和水下自治机器人（AUV）等，调查区域范围也不断扩大。1977年，美国“Alvin”号载人深潜器在东太平洋Galapagos 扩张中心抢先发售发现了成行排列分布的热液丘状体，同时抢先发售从热液喷口处获得水样，测得热液温度达17℃，证实了海底热液系统的存在（Corliss et al.，1979）。1978年，美国和法国在东太平洋海隆（EPR）执行CYAMEX 航次时，利用法国的“Cyana”深潜器下潜到2620m 水深的海底处，观察到了很多热液活动的迹象，并在洋中脊构造环境中靠前次采集到块状硫化物样品（Francheteau et al.，1979）。划时代的发现是在1979年4月，美国“Alvin”号载人深潜器经过综合技术装备在EPR 相同位置下潜，其“ANGUS”系统成功地沿洋中脊轴部定位出25个正在活动的高温“黑烟囱”，观测到喷口流体中正在沉淀着硫化物及其他多种矿物，测量出喷出流体温度高达350℃，这是人类抢先发售近距离发现并观察到海底热液对流循环在洋底喷溢时产生的黑烟囱（Macdonald et al.，1980；Spiess et al.，1980；Haymon and Kastner，1981）。
继EPR 21°N热液区发现之后，包括美国、德国、法国、澳大利亚、日本及俄罗斯等国家，先后对优选各主要洋脊进行了热液活动的调查，相继发现了多处海底活动热液区及其硫化物产物（Hekinian et al.，1983；Renard et al.，1985；Tunnicliffe et al.，1986；Herzig et al.，1988；Thompson et al.，1988）。海底热液多金属硫化物矿床的发现与研究，表明热液硫化物矿床的发育与海底热液系统密切相关（Rona，1988；Rona and Scott，1993）。在1979年抢先发售发现黑烟囱后不到5年的时间内，优选有超过50个热液喷口及其硫化物产物被发现（Rona and Scott，1993）。与此同时，在弧后扩张中心、弧前海沟以及洋壳板块内热点等多处构造环境中都发现热液活动区的存在。1987年，美国“Alvin”号载人潜器对Mariana 海槽的热液硫化物进行了调查（Craig et al.，1978）。1988～1990年日本海洋科学技术中心（JAMSTEC）利用“Shinkai 2000”号载人潜器对冲绳海槽的热液活动区进行了潜水观测及取样。1995年，日本JAMSTEC 在冲绳海槽Iheye 脊北部发现了高温热液活动，并获得了热液流体、烟囱物和火山岩样品。1996年，“Tangaroa”号科考船在Kermadec 弧前火山南部两个破火山口内发现了热液矿化现象，并用拖网获得了含金的硫化物样品（Wright et al.，1998）。2000年和2001年，日本科学家和美国科学家分别在中印度洋中脊上发现了Kairei 热液区（Gamo et al.，2001）和Edmond 热液区（Van Dover et al.，2001）。2001年，美国、英国、德国三国科学家合作在超慢速扩张Gakkel 洋脊上发现了多个热液喷口，并采集到了新鲜的硫化物样品（Edmonds et al.，2003）。2004年，美国与日本科学家合作，使用自动化海底探测器（Autonomous Benthic Explorer，ABE）和盐温深测量仪（Conductivity-Temperature-Depth，CTD）在劳海盆发现了4 处新的热液喷口分布区。2005～2006年，多国科学家合作在南大西洋脊5°S、8°S 和9°S 附近发现了4 处活动的热液区分布。随着海底探测技术的发展，更广的海底区域被探测，越来越多的热液活动区被发现，通过获得的硫化物样品，人们对于海底多金属硫化物的成矿环境、成矿过程及成矿潜力有了更深入的了解。
我国的海底热液活动调查工作起步较晚，很早开始于20 世纪80年代后期。1988年，中（国家海洋局靠前海洋研究所）德（基尔大学地质与古生物研究所）合作执行了“太阳号”第57 航次（简称SO57）考察，对Mariana 海槽热液硫化物及其海洋地质环境进行了调查。1988～1989年，中国科学院海洋研究所参与了由苏联科学院组织的太平洋综合调查，并在东太平洋海隆采集到了热液产物样品。1990年，中国、美国、德国三国科学家再度合作，执行了SO69 航次，对Mariana 海槽进行了详细的调查，获取了沉积物样品、地球物理数据等大量的调查资料。1992年，中国科学院海洋研究所在国家自然科学基金委员会的支持下，独立对冲绳海槽的海底热液活动进行了调查采样，这是抢先发售由我国单独完成的海底调查工作。1998年，我国“大洋一号”调查船在Mariana 海槽开展了抢先发售大洋热液矿点试验调查，围绕18°N附近主要的热液区进行了多波束水深地形测量和拖网调查（曾志刚等，2011）。自2003年以来，我国开始自主独立进行大洋中脊热液活动及硫化物资源的调查工作，首先在EPR（13°N～15°N）开展工作，获取了硫化物样品。在“十一五”期间，我国相继开展了一系列环球大洋科考，在太平洋、大西洋、印度洋等海域进行了调查，获取了丰富的硫化物、岩石、深海沉积物和底层海水等样品。
2005年，中国海底热液硫化物调查技术及设备有了很大的进步，通过环球航次的实施，在大西洋的Logatchev热液区获得了热液硫化物、烟囱体等样品并对热液区的地质环境有了初步的认识，在印度洋的Kairei热液区和Edmond热液区观察到了活动热液喷口并采集到硫化物样品。2007年1～3月，中国大洋调查航次在西南印度洋中脊49°39′E，37°47′S 发现了靠前个热液活动区（龙旂热液区），拍摄到了正在冒“黑烟”的硫化物烟囱体及大量的硫化物和生物照片，并采到了硫化物烟囱体、玄武岩等样品（陶春辉，2011；陶春辉等，2014）。2007～2010年，中国大洋调查航次先后在西南印度洋中脊发现了8 处热液区点，在49°E～53°E 段发现6 处，分别位于49°16′E / 37°56′S（玉皇热液区）、49°39′E / 37°47′S（龙旂热液区）、50°24′E / 37°39′S（断桥热液区）、50°56′E / 37°37′S（长白山碳酸盐区）、51°19′E / 37°27′S（51°19′E 热液区）和53°15′E / 36°6′S（53°15′E 热液区），在63°E～64°E 段发现了2处。在断桥热液区采到了大量以蛋白石为主的富硅沉积物和硫化物，在长白山碳酸盐区发现了大范围覆盖的碳酸盐沉积物。在51°19′E 热液区探测到温度和浊度异常，并获得硫化物样品。在53°15′E热液区探测到多处温度和浊度异常，获得贻贝等热液生物。2009年10月，我国使用自主研制的“海龙2号”ROV在东太平洋海隆观察到了热液硫化物烟囱体，并利用机械手获取了硫化物样品。2009年11～12月，我国科学家在南大西洋脊13°12′S 以及14°S 附近也发现了海底热液活动，同时在13°12′S 区观察到正在活动的黑烟囱，并获取了热液硫化物样品（陶春辉等，2011）。之后又在2011年执行的第22 航次第3、4 航段中，在南大西洋15°3′S～15°12′S 范围内以及26°S附近，分别发现了热液活动，并采集到相当数量的热液硫化物样品。2012年8月，中国大洋第26 航次在南大西洋15°3′S～15°12′S洋脊段调查过程中，借助“海龙2号”ROV在该区域发现呈三层结构的正在喷发的黑烟囱，并成功利用ROV在该烟囱附近进行了取样及释放标志物的工作。
截至2015年9月优选现阶段发现热液异常点已达688个，并不断有新的热液喷口和矿点被发现。这些热液活动区分布在优选从超慢速到快速扩张速率的
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