大西洋中脊热液喷口铁硫比控制机制：彩虹、断刺与失落之城热液羽流地球化学对比研究

这篇研究揭示了大西洋中脊（MAR）三个典型热液喷口（彩虹、断刺、失落之城）的流体地球化学特征及其演化规律。通过2018年R/V L’Atalante科考航次采样和地球化学建模，发现断刺喷口25年间溶解铁（Fe）含量下降60%，而彩虹和失落之城喷口在20年内保持稳定。研究首次提出Fe:∑H2S比值是控制热液羽流矿物沉淀（金属硫化物vs铁氧化物/硅酸盐）的关键因素，为理解深海微量金属（Mn、Cu等）的远距离输送机制提供了新框架。

　　

引言

大西洋中脊（MAR）作为慢速扩张洋中脊的典型代表，孕育了包括TAG、断刺（Broken Spur）、彩虹（Rainbow）和失落之城（Lost City）等独特的热液喷口系统。这些喷口通过水-岩反应调控着地壳与水体间的物质能量交换，其产物对全球海洋生物地球化学循环具有深远影响。

研究区域特征

断刺热液场位于29°10′N的轴部裂谷，形成于3,100米水深的玄武岩基底上。1993年首次发现时，其高温黑烟囱（310–332°C）以金属硫化物沉淀为主。2018年采样显示，成熟烟囱"尖塔"（Spire）与新生的"龙"（Dragon）烟囱存在显著化学差异。

彩虹热液场坐落于36°14′N的非火山脊区，以蛇纹石化超基性岩为宿主。其流体具有全球最高的Cl浓度（771–792 mmol/kg），导致Fe含量异常富集（24–26 mM）。

失落之城作为典型的非轴部系统，以800米水深的碳酸盐-水镁石烟囱为特征，碱性流体（pH 10.32）源自橄榄岩的蛇纹石化反应。

流体地球化学特征

通过ROV Victor 6000采集的高温流体显示：

• 断刺流体呈现低Fe:∑H₂S比值（0.09–0.17），Fe浓度较1993年下降60%，伴随Li异常富集（752–1,011 μmol/kg），反映浅层水岩反应（估算深度仅250米）。
• 彩虹流体保持20年稳定性，高Fe:∑H₂S比值（>4,000）促使Fe主要以氯络合物形式迁移。
• 硅（Si）在断刺流体中的非保守行为暗示海底亚表层存在硅酸盐沉淀，而彩虹的Si-Cl温压计指示其反应带深度达1.2–2.4公里。

时间演化规律

对比历史数据发现：

• 断刺流体经历显著化学转变，Na/Cl比值升高反映斜长石钠长石化（albitization）增强，Fe/Mn比值下降指示亚表层冷却（359–382°C）。
• 彩虹与失落之城则表现出罕见的长期稳定性，反映持续的热液供给和反应动力学平衡。

羽流地球化学模型

Geochemist's Workbench模拟揭示：

• 断刺羽流：低Fe:∑H₂S比值促使黄铁矿（pyrite）、闪锌矿（sphalerite）等硫化物优先沉淀，Fe在SW:HF=4时即耗尽。
• 彩虹羽流：高Fe:∑H₂S比值下，磁铁矿（magnetite）与绿泥石（greenalite）与硫化物共沉淀，形成"三阶段"矿物组合，Fe可迁移至SW:HF=20。
• 绿泥石在彩虹羽流早期的高度过饱和（log Q/K >5），为解释太古代条带状铁建造（BIFs）的形成机制提供了现代类比。

纳米颗粒与元素输送

场数据与模型共同表明：

• 断刺羽流以<100 nm的Fe-S纳米颗粒为主，而彩虹羽流中Fe-氧化物包覆的纳米颗粒占比达40%。
• Mn的异常耗散（尽管模型预测其保守性）揭示Fe氧化物对其的强吸附效应，这一过程可能影响深海Mn的分布格局。

结论

该研究构建了从海底亚表层到羽流界面的完整地球化学框架，阐明Fe:∑H₂S比值是调控热液产物矿物相分异的核心参数。断刺系统的快速演化与彩虹的长期稳定性，为理解慢速扩张洋中脊热液系统的生命周期提供了端元案例。发现的绿泥石形成路径，为追溯地球早期铁循环提供了新的研究视角。