丁 興，劉志鋒，黃瑞芳，孫衛(wèi)東2，，陳多福

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101；3. 中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640；4. 中國(guó)科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640）

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大洋俯沖帶的水巖作用
——蛇紋石化

丁 興1，2，劉志鋒3，黃瑞芳4，孫衛(wèi)東2，4，陳多福3

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101；3. 中國(guó)科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640；4. 中國(guó)科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640）

摘 要：蛇紋石化是地球上最重要的水巖作用之一。它的發(fā)生對(duì)于島弧的形成、地震的產(chǎn)生、海底流體活動(dòng)乃至生命起源、演化等具有重要的意義。本文介紹了大洋俯沖帶中洋中脊玄武巖和橄欖巖在俯沖過(guò)程中的相變和水巖相互作用，尤其是含水礦物的穩(wěn)定情況，揭示由于不同的地溫梯度，冷、熱俯沖帶存在的含水礦物組合會(huì)有所不同，導(dǎo)致弧前、弧下或弧后深度的流體活動(dòng)及蛇紋石化規(guī)模有所不同。在此基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了蛇紋石化作用的代表性化學(xué)反應(yīng)和相應(yīng)產(chǎn)物，指出蛇紋石化作用主要是橄欖石、斜方輝石和角閃石等鎂質(zhì)端元的水巖交代，除了生成特征礦物蛇紋石以外，還可以產(chǎn)生磁鐵礦、水鎂石、滑石、透閃石、菱鎂礦等礦物以及氫氣、甲烷、已烷、二氧化碳等氣體組分，同時(shí)可伴生鉻鐵礦、鐵鎳礦、自然銅等金屬礦產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：大洋俯沖帶；水巖作用；蛇紋石化；MORB；橄欖巖

引言

板塊俯沖是全球尺度上的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量交換和元素分異的重要過(guò)程。由于該過(guò)程對(duì)地球的化學(xué)分異、地幔演化、陸殼形成以及巖石圈改造乃至相關(guān)的地表響應(yīng)等起著極其重要的作用，因而被形象地稱為“俯沖工場(chǎng)”［1-5］。在“俯沖工場(chǎng)”中，俯沖板塊因其溫度隨著俯沖深度的增加而逐漸升高，從而發(fā)生一系列的變質(zhì)反應(yīng)，出現(xiàn)脫水乃至部分熔融［1］［6］。這一化學(xué)過(guò)程不僅通過(guò)島弧或大陸弧巖漿活動(dòng)影響大陸地殼的化學(xué)組成［6-7］，也通過(guò)流體和/或熔體的大規(guī)模物質(zhì)運(yùn)移以及元素分異作用造成匯聚板塊邊緣眾多礦產(chǎn)資源的密布［8-12］。與此同時(shí)，俯沖板塊與仰沖板塊之間的物理相互作用往往會(huì)造成匯聚板塊附近巖石圈的變形、結(jié)構(gòu)的改變和成分的改造［13-14］，并且導(dǎo)致仰沖板塊構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的變化，從而形成諸多構(gòu)造變形、地震乃至溝-弧-盆體系或隆起和坳陷相間的盆山系統(tǒng)，并可能引發(fā)相關(guān)地質(zhì)事件［15-17］。因此，俯沖帶是地球淺部化學(xué)-物理活動(dòng)最頻繁、最劇烈的場(chǎng)所。

近20年來(lái)，水巖作用已成為地球科學(xué)領(lǐng)域最前沿的研究?jī)?nèi)容之一。水巖作用研究涉及了地球內(nèi)部流體的起源、水質(zhì)時(shí)空分布規(guī)律、地球物質(zhì)的循環(huán)及其地質(zhì)效應(yīng)和生物、環(huán)境效應(yīng)。作為大洋環(huán)境中最為典型的水巖作用，深海物質(zhì)或洋殼的蛇紋石化廣泛發(fā)生于深海海底、洋中脊和俯沖帶，對(duì)島弧的形成、地震的產(chǎn)生、海底流體活動(dòng)乃至生命起源、演化等具有重要的意義［6］［12］［18-22］。但是長(zhǎng)期以來(lái)，受到采樣及探測(cè)技術(shù)條件的限制，科學(xué)界對(duì)大洋俯沖過(guò)程中的流體活動(dòng)、蛇紋石化作用及深淵生命、環(huán)境的了解十分有限。本文在介紹大洋俯沖帶玄武巖和橄欖巖的水巖作用及含水礦物穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了蛇紋石化作用的代表性化學(xué)反應(yīng)及相應(yīng)的產(chǎn)物。

圖1　大洋俯沖帶的地質(zhì)-環(huán)境-生命分布簡(jiǎn)圖

1　大洋俯沖帶的水巖作用

以大洋板塊俯沖為主導(dǎo)的大洋“俯沖工場(chǎng)”在地球上的分布尤為廣泛。海溝深淵是大洋板塊進(jìn)入地幔的場(chǎng)所（圖1），在向下俯沖的過(guò)程中，一方面，大洋板塊發(fā)生水-巖相互作用和進(jìn)變質(zhì)作用，前者體現(xiàn)為超基性巖和基性巖的水熱蝕變，廣泛產(chǎn)生一種含水礦物——蛇紋石，并伴有生成水鎂石、磁鐵礦和氫氣等，后者則促使俯沖板塊不同部位在不同俯沖深度發(fā)生不同變質(zhì)等級(jí)的變化［1］［6］；另一方面，大洋板塊不斷發(fā)生變質(zhì)脫水，產(chǎn)生的俯沖流體進(jìn)入地幔楔，與地幔楔橄欖巖也發(fā)生水-巖作用，使之蛇紋石化［8］［12］。與水巖作用密切相關(guān)的海底流體活動(dòng)——熱液和冷泉是近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)海洋科學(xué)界最重要的發(fā)現(xiàn)。這些流體活動(dòng)廣泛發(fā)現(xiàn)于洋中脊和弧后盆地（熱液），以及弧前至海溝深淵區(qū)（冷泉）［23-27］，并在熱液區(qū)發(fā)育有金屬硫化物礦床，同時(shí)發(fā)育有嗜冷、嗜熱、嗜壓、嗜酸、嗜堿、嗜鹽和嗜低營(yíng)養(yǎng)條件等極端環(huán)境的細(xì)菌和古菌，并伴生有無(wú)光合作用的底棲宏觀生物［27-28］（圖1），被認(rèn)為是地球生命最有可能的起源地之一［19-20］［29］。

大洋俯沖帶的水巖作用主要發(fā)生于俯沖板片和地幔楔。下面將分別簡(jiǎn)單介紹兩者在高溫高壓下的相變情況，著重關(guān)注與水巖作用、流體活動(dòng)相關(guān)的含水礦物的穩(wěn)定性。

1.1 洋中脊玄武巖的水巖作用

洋中脊玄武巖（MORB）是俯沖洋殼主要的組成巖石類型，形成于洋中脊拉張環(huán)境下軟流圈地幔物質(zhì)的高度減壓部分熔融［30］。總體上，MORB屬于低鉀拉斑巖石系列，主要由鎂橄欖石、富鈣單斜輝石、斜長(zhǎng)石等主要礦物和玻璃組成［31-32］。按照板塊構(gòu)造理論，在擴(kuò)張洋脊處，MORB的出現(xiàn)，代表了新生洋殼的形成；而在俯沖帶，板塊的俯沖則代表了洋殼的消亡［5］。在洋殼從新生到消亡漫長(zhǎng)的時(shí)間里，洋殼會(huì)與海水發(fā)生大規(guī)模的水巖相互作用。

MORB質(zhì)洋殼從海溝處俯沖下去，隨著溫度和壓力的升高，洋殼開(kāi)始經(jīng)歷不同的變質(zhì)行為（圖2）。對(duì)于冷的俯沖帶（地溫梯度介于5～15℃/km），比如馬里亞納［35］，主要先后經(jīng)歷沸石相、葡萄石-綠纖石相、綠片巖相、藍(lán)片巖相和榴輝巖相的轉(zhuǎn)變；對(duì)于熱的俯沖帶（地溫梯度大于20 oC/km），比如智利［35］，則主要先后經(jīng)歷沸石相、葡萄石-綠纖石相、綠片巖相、角閃巖相和麻粒巖相。在俯沖的早期階段，由于壓實(shí)作用，洋殼及上覆的沉積物之間的空隙流體被排擠出來(lái)。此階段形成的變質(zhì)礦物沸石、葡萄石和綠纖石是主要含水礦物，俯沖洋殼含水量約為8%～9%［31］。進(jìn)入綠片巖相后，俯沖洋殼因相變脫水丟失約2%的水，主要含水礦物轉(zhuǎn)換為綠泥石、硬柱石、黝簾石、角閃石和云母類礦物，其中綠泥石含水量可達(dá) 12%，硬柱石可達(dá) 11%。這些含水礦物基本可以穩(wěn)定存在至含水榴輝巖相（圖2a），因而從綠片巖相到藍(lán)片巖相，俯沖洋殼的總含水量降低并不多。由于角閃石最大穩(wěn)定壓力在 2.2-2.4GPa，而綠泥石最大穩(wěn)定溫度約為550-600oC，因此，冷的俯沖板塊在榴輝巖相初期會(huì)有明顯的脫水，脫水量高達(dá)1%～1.5%；而熱的俯沖板塊在角閃巖相階段即出現(xiàn)綠泥石消失導(dǎo)致的明顯脫水，以致MORB中總含水量不到1.5%（圖2a）。之后，冷俯沖帶的主要含水礦物變?yōu)橛仓?、黝簾石、硬綠泥石、滑石和多硅白云母；而熱俯沖帶則以角閃石、綠簾石為主，直至俯沖深度達(dá)到濕固相線而發(fā)生部分熔融［34］［36］。van Keken et al.［35］根據(jù)不同俯沖帶的含水礦物脫水情況計(jì)算認(rèn)為，熱俯沖帶中，完全水化的MORB在弧前深度脫水強(qiáng)烈，經(jīng)過(guò)綠片巖相時(shí)會(huì)丟失4%～6%的水，而在壓力不到2GPa時(shí)已丟失了總水量的三分之二；對(duì)于冷俯沖帶而言，脫水過(guò)程相對(duì)較緩慢，同等壓力下，只丟失總水量的三分之一。對(duì)于非常冷的俯沖帶，如北馬里亞納，直到230km深度脫水仍然很少。

由于真實(shí)大洋海水往往溶解有大量 CO2，因此圖 2（b）能更好地代表海水與俯沖洋殼之間的水巖作用?？傮w上，CO2的加入對(duì)于眾多含水礦物的穩(wěn)定域影響并不大，但非常有利于蛇紋石、滑石等含水礦物的穩(wěn)定以及烷烴類、碳酸鹽等儲(chǔ)碳礦物的形成［37-38］。

圖2 洋中脊玄武巖-水體系（a）和洋中脊玄武巖-二氧化碳-水體系（b）的主要礦物穩(wěn)定域。圖中數(shù)字代表變質(zhì)區(qū)域的含水量（wt.%）；虛線代表不同的地溫梯度線。

1.2 橄欖巖的水巖作用

俯沖洋殼組成巖石除了MORB以外，還包含部分深?；虼笱箝蠙鞄r。這些橄欖巖大多在洋脊和地幔楔處形成，代表了軟流圈地幔部分熔融后的殘留［39-42］。另外，俯沖洋殼在弧前深度釋放出來(lái)的一部分俯沖流體會(huì)進(jìn)入上覆地幔楔，導(dǎo)致地幔楔中的橄欖巖發(fā)生非常強(qiáng)烈的水巖作用，比如蛇紋石化、綠泥石化乃至焦山石化。其中一些蛇紋石化橄欖巖會(huì)沿著弧前斷層以泥火山的形式到達(dá)洋殼表面，正如馬里亞納弧前分布的泥火山［12］。

在橄欖巖-水體系相圖中（圖3），主要含水礦物有蛇紋石、角閃石、綠泥石、鉻綠泥石、滑石、含水相 A等，其中，蛇紋石的穩(wěn)定域在 6.5GPa 和 500-600℃以內(nèi)，角閃石的穩(wěn)定域在 3GPa和1000℃以內(nèi)，綠泥石在5GPa和800℃以內(nèi)。因此，蛇紋石、角閃石和綠泥石在100km深度內(nèi)是穩(wěn)定的。蛇紋石是水化橄欖巖中的最富水相。在水飽和情況下，完全蛇紋石化的橄欖巖總水量將增加13%～15%［43-44］。由于蛇紋石有較高的壓力穩(wěn)定上限，冷俯沖的橄欖巖可以將大量的水帶至至少120km深部，而蛇紋石的分解會(huì)導(dǎo)致橄欖巖的總水量丟失5%-6%。對(duì)于地幔楔橄欖巖而言，與俯沖板塊接觸的地幔楔下部更易發(fā)生蛇紋石化，并成為地幔楔的一個(gè)富水源區(qū)［34］。因此，地幔楔的水化可能是不均一的。而且，在熱俯沖帶，由于俯沖洋殼弧前丟失的總水量較多，且流體擴(kuò)散速率比較快，地幔楔水巖作用的程度非常有限；而在冷俯沖帶，由于弧前丟失較少的水，弧下甚至弧后深度的脫水總量相對(duì)會(huì)更多，導(dǎo)致更多的水進(jìn)入地幔楔參與水化作用，因而水巖作用尤其是蛇紋石化程度相對(duì)更高［34-35］。

圖3　橄欖巖-水體系的主要礦物穩(wěn)定域。圖中數(shù)字代表變質(zhì)區(qū)域的含水量（wt.%）；虛線代表不同的地溫梯度線。

2　蛇紋石化作用

蛇紋石化是指中、低溫?zé)嵋簩?duì)含鎂巖石交代而產(chǎn)生蛇紋石的一種水巖蝕變作用［45-46］。蛇紋石化作用主要表現(xiàn)為兩種形式：（1）基性巖（如玄武巖）和超基性巖（如橄欖巖、科馬提巖等）的水熱蝕變，主要是巖石中的橄欖石和斜方輝石蝕變?yōu)樯呒y石；（2）在區(qū)域或接觸變質(zhì)條件下，含二氧化硅的熱液對(duì)含鎂質(zhì)碳酸鹽的交代，多為熱液交代白云石而形成蛇紋石。

蛇紋巖是洋殼的重要組成部分，因此大規(guī)模的蛇紋石化作用主要發(fā)生在海底、洋中脊和俯沖帶［6］［45］。海底的蛇紋石化發(fā)生于MORB和/或深海橄欖巖與海水之間，通常為低溫環(huán)境（＜100℃），發(fā)育有低溫生物群落（圖1），例如南大西洋LostCity［23-24］。洋中脊的蛇紋石化是由巖漿驅(qū)動(dòng)的水熱流體交代地幔橄欖巖，常出現(xiàn)在慢速或超慢速的洋中脊中［47-48］，通常是高溫的（＞300oC），發(fā)育有嗜熱生物群落（圖 1），例如中大西洋洋中脊Rainbow［24］［48］。蛇紋石化作用也會(huì)出現(xiàn)在俯沖帶，例如早在 20世紀(jì)六十年代就發(fā)現(xiàn)了湯加海溝路側(cè)斜坡有蛇紋石化橄欖巖出露［49］，之后又在伊豆-小笠原-馬里亞納前弧發(fā)現(xiàn)大量蛇紋石化橄欖巖組成的海底火山山脈［12］［50］。

洋殼或地幔橄欖巖的蛇紋石化會(huì)明顯影響巖石的物理性質(zhì)，例如，巖石體積膨脹，密度變小，地震波速降低，以及巖石強(qiáng)度弱化［14］［18］［43-45］［51］。這些改變會(huì)導(dǎo)致地幔楔或俯沖板片的流變學(xué)及地震行為相應(yīng)的變化。由于蛇紋石的密度約為2.5 g/cm3，而新鮮橄欖巖的密度為3.3 g/cm3［45］，蛇紋石化過(guò)程一方面會(huì)造成巖石體積增大，從而易形成破碎帶；另一方面，蛇紋石化巖石的密度變得比圍巖小，導(dǎo)致蛇紋石化巖石變得不穩(wěn)定。Fryer［12］認(rèn)為馬里亞納弧前的蛇紋石化橄欖巖泥火山就是水化的前弧地幔楔橄欖巖沿著破碎帶擠壓向上噴出海底形成的。此外，蛇紋石化過(guò)程會(huì)釋放大量的熱量，這些熱量可能為生命起源和演化的化能作用提供了必要的能量，因而被稱之為“熱源發(fā)動(dòng)機(jī)”和“生命起源發(fā)動(dòng)機(jī)”［19］［24］［52-53］。這對(duì)于海底及俯沖帶等非熱液區(qū)的生物群落尤為重要［19］ ［23-24］。

下面將對(duì)一些典型的蛇紋石化反應(yīng)進(jìn)行歸納。

在純水的系統(tǒng)中，典型的蛇紋石化反應(yīng)通常表達(dá)如下：

3　蛇紋石化作用的特征礦物——蛇紋石

蛇紋石化作用可以廣泛存在于純水、SiO2-H2O體系和 CO2-H2O 體系中（見(jiàn)反應(yīng)式（1）-（14））。其標(biāo)志產(chǎn)物為蛇紋石，化學(xué)式為Mg3Si2O5（OH）4，由Si-O四面體和Mg-O八面體按照1︰1比例層狀分布。Al3+和Fe3+可替代四面體位置的Si4+，F(xiàn)e2+、Fe3+、Cr3+、Al3+、Ni2+和 Mn2+可替代八面體位置的 Mg2+［46］［54］。蛇紋石存在三種類型，即利蛇紋石、纖蛇紋石和葉蛇紋石。利蛇紋石由平的層組成，呈平面狀，是最主要的蛇紋石礦物，常見(jiàn)于呈沙漏和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的蝕變橄欖石中［12］［46-47］［55］；纖蛇紋石由傾向于形成圓柱體的卷曲層組成，為卷軸狀［45］［54］，主要出現(xiàn)于脈體中，多呈現(xiàn)平行的生長(zhǎng)帶結(jié)構(gòu)［46］；而葉蛇紋石由于四面體和八面體的周期性的倒轉(zhuǎn)，導(dǎo)致一些八面體位置的缺失而呈波浪狀［45］［54］［56］。在自然樣品中，葉蛇紋石多為片狀的互鎖齒合結(jié)構(gòu)［46］。這三種蛇紋石礦物不僅結(jié)構(gòu)上存在差別，成分上也有差別。比如，利蛇紋石含有更多的Al、Fe［57-58］；而葉蛇紋石相對(duì)其他兩種蛇紋石，更加富硅貧鎂［56］［59］。此外，蛇紋石的成分也受限于原生礦物的成分。汪小妹等［55］通過(guò)蛇紋石化大洋橄欖巖的礦物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，角閃石蝕變形成的利蛇紋石具有高 FeO （9.22～10.02 wt%）、低MgO（31.28～32.98 wt%）的特征，而橄欖石蝕變成因的利蛇紋石則相對(duì)低FeO（3.91～6.01 wt%）和高 MgO（35.95～37.23 wt%），這導(dǎo)致后者蝕變形成的利蛇紋石具有比前者更高的鎂指數(shù)（Mg#）；黃瑞芳等［58］通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M也證實(shí)了相似的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，橄欖石蝕變后形成的利蛇紋石富鐵貧鋁，而斜方輝石蝕變形成的利蛇紋石則與之相反。

在熱俯沖帶，蛇紋石族礦物之間的轉(zhuǎn)換主要受控于溫度。O'Hanley［54］在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，描繪出了利蛇紋石、纖蛇紋石和葉蛇紋石低壓下轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定及亞穩(wěn)定反應(yīng)界線（圖4）。利蛇紋石存在于200oC以下低溫環(huán)境，通過(guò)升溫，可轉(zhuǎn)變?yōu)槔w蛇紋石。葉蛇紋石穩(wěn)定存在于300oC以上高溫環(huán)境，但在400oC開(kāi)始脫水，大概在2GPa和700oC時(shí)完全脫水 （圖 3）。這些穩(wěn)定的臨界線與Scamnelluri et al.［60］提出的高壓下的轉(zhuǎn)變?cè)谮厔?shì)上基本一致。通過(guò)自然樣品中蛇紋石族礦物的組合，可以初步判斷蛇紋石化作用的溫度條件。

圖4　利蛇紋石、纖蛇紋石和葉蛇紋石的轉(zhuǎn)換關(guān)系及穩(wěn)定域，紅色反應(yīng)線代表穩(wěn)定的反應(yīng)；藍(lán)色虛線代表亞穩(wěn)定反應(yīng)

4　蛇紋石化作用的其他產(chǎn)物

蛇紋石化作用除了主要形成蛇紋石以外，根據(jù)流體成分以及巖石中其他礦物組成的不同，也會(huì)形成其他不同的產(chǎn)物，比如可能出現(xiàn)磁鐵礦、水鎂石、滑石、透閃石、菱鎂礦等碳酸鹽礦物以及氫氣、甲烷、已烷、二氧化碳等氣體成分。

磁鐵礦是巖石中鐵質(zhì)端元反應(yīng)的產(chǎn)物 （反應(yīng)式（15））［45］［61］，常呈細(xì)小顆粒分布于蛇紋石的邊緣［58］。已有研究認(rèn)為，磁鐵礦的出現(xiàn)與巖石或礦物蛇紋巖化的程度有關(guān)，比如，在蛇紋石化作用不完全的大西洋橄欖巖中，磁鐵礦很少出現(xiàn)，而橄欖石蝕變所形成的蛇紋石則富Fe［62］；又如，馬里亞納前弧南部蛇紋石化橄欖巖中缺乏磁鐵礦，被認(rèn)為是蛇紋石化作用還未進(jìn)行完全［55］。Toft et al.［51］認(rèn)為，蛇紋石化的最初階段只生成富Fe蛇紋石和富Fe水鎂石（見(jiàn)反應(yīng)式（1）和（2）），磁鐵礦是在進(jìn)一步蛇紋石化過(guò)程中才生成（反應(yīng)式（16）和（17））。除此之外，影響磁鐵礦生成量的因素還有溫度、SiO2的活度和蛇紋石的重結(jié)晶以及成分相互置換作用［21］。形成磁鐵礦的同時(shí)，鐵質(zhì)端元的二價(jià)鐵被氧化為三價(jià)鐵，水中的氫被還原為氫氣 （反應(yīng)式（15））。在一氧化碳或二氧化碳存在的環(huán)境中，由于費(fèi)-托聚合反應(yīng)，碳可被還原為甲烷和其他烷烴化合物以及不定形的碳酸鹽相 （反應(yīng)式（18）和（19））［19］［22］［48］［63-64］。期間氫氣的氧化和甲烷的生成所產(chǎn)生的能量有利于海洋微生物的生存［23］。

水鎂石是巖石中鎂質(zhì)端元反應(yīng)的產(chǎn)物（反應(yīng)式（4））［47］［65］，多為片狀，常與蛇紋石共生。在低溫條件下，其中的Mg2+易于被Fe2+取代［62］［66］，從而形成鐵水鎂石（反應(yīng)式（1）和（2））。由于水鎂石易與富硅流體進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯呒y石（反應(yīng)式（20）和（21）），因此在貧硅富鎂體系中才能穩(wěn)定存在。Beard et al.［47］認(rèn)為水鎂石-蛇紋石在流體體系中可以起到硅的緩沖劑作用，在200oC緩沖效果位于石英緩沖線下面三個(gè)單位；而鐵水鎂石-磁鐵礦則可作為氧緩沖劑，其效果相當(dāng)于或低于鐵-磁鐵礦的氧緩沖劑。

滑石一般與斜方輝石的蝕變直接相關(guān) （反應(yīng)式（4）），常沿裂隙發(fā)育，交代斜方輝石礦物而形成假晶結(jié)構(gòu)［18］。滑石和水鎂石相反，在富硅少鎂條件下易于穩(wěn)定。這是因?yàn)榛梢杂缮呒y石與水溶性硅或二氧化碳反應(yīng)生成（反應(yīng)式（22）和（23）），因此，在自然樣品中，滑石也可作為蛇紋石化后的次生礦物存在［55］。

透閃石的出現(xiàn)與單斜輝石的蝕變有關(guān)（反應(yīng)式（7）），往往需要從單斜輝石的蝕變中獲得鈣，而從橄欖石、斜方輝石等其他礦物的蝕變中獲得鎂［67］。

碳酸鹽礦物也常作為蛇紋石化作用的產(chǎn)物出現(xiàn)（圖5）。一種方式是由于富SiO2流體交代白云石，在形成蛇紋石的同時(shí)，也生成二氧化碳和方解石（反應(yīng)式（11）和（12））；另一種方式是橄欖石等富Mg礦物被富CO2流體交代，可生成菱鎂礦（反應(yīng)式（13）和（14），圖1）。另外，菱鎂礦等碳酸鹽礦物也可在蛇紋石化之后的蝕變過(guò)程中出現(xiàn)，主要是由蛇紋石、水鎂石或滑石進(jìn)一步與流體中的CO2反應(yīng)而生成 （反應(yīng)式（23）-（25）和圖2），這在深?；虼笱笊呒y石化的橄欖巖以及造山帶超鎂鐵質(zhì)巖中比較普遍，多以細(xì)脈或碎屑基質(zhì)形式出現(xiàn)［45］［68］。這種通過(guò)消耗CO2而生成碳酸鹽礦物的方式，近年來(lái)引起越來(lái)越多的注意，被認(rèn)為是能減少全球溫室氣體CO2工業(yè)化封存的一種有效方式［37-38］。

圖5　橄欖巖和蛇紋巖碳酸鹽化的反應(yīng)途徑

在蛇紋石化過(guò)程中也會(huì)生成其他的一些副礦物，比如鉻鐵礦主要來(lái)自于鋁尖晶石的蝕變，鐵鎳礦、鎳紋石、鎳黃鐵礦、白鐵礦等硫化物和自然銅等自然金屬則來(lái)自于原生硫化物的重結(jié)晶［63］［67］。

蛇紋石化作用之后的蝕變會(huì)生成一些次生礦物，比如上述的滑石和碳酸鹽礦物。另外，比較常見(jiàn)的是綠泥石［47］，可以由蛇紋石與富Al流體進(jìn)一步反應(yīng)而形成（反應(yīng)式（26））。

5 結(jié)語(yǔ)

大洋俯沖帶的水巖作用廣泛發(fā)生于俯沖板片和上覆的地幔楔，代表了俯沖流體和海水對(duì)俯沖帶主要巖石的交代。海溝是深海物質(zhì)和洋殼向地幔俯沖的地區(qū)，其蛇紋石化是地球上最重要的水巖作用之一。大陸邊緣陸坡區(qū)尤其是在海溝之上的增生楔海底流體活動(dòng)非常頻繁，并廣泛發(fā)育有化能生物群等生命群落以及與流體活動(dòng)密切相關(guān)的天然氣水合物、金屬和非金屬等礦產(chǎn)。然而，研究者對(duì)這些流體的來(lái)源和地球化學(xué)過(guò)程了解得并不多，例如，這些活動(dòng)的流體是來(lái)源于俯沖洋殼的蛇紋巖化和脫水，還是來(lái)源于海溝沉積地層中的含烴類的流體，以及蛇紋石化過(guò)程中的水巖反應(yīng)、流體活動(dòng)對(duì)生命起源和演化的影響和關(guān)系等等，這些科學(xué)問(wèn)題都需要人們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源短缺的問(wèn)題日益突出，陸域資源、能源和空間的壓力與日俱增。世界各國(guó)越來(lái)越重視發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，圍繞著國(guó)家海洋權(quán)益和安全呈現(xiàn)出越來(lái)越復(fù)雜的態(tài)勢(shì)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的海洋權(quán)益和安全面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和侵害，近幾年尤為突出。隨著我國(guó)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，“十八大”明確提出我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。2013年1月17日，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《全國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，這宣示著我國(guó)步入海洋經(jīng)濟(jì)大發(fā)展時(shí)代。海洋經(jīng)濟(jì)、海洋權(quán)益和安全的發(fā)展離不開(kāi)海洋的基礎(chǔ)研究。通過(guò)對(duì)大洋俯沖帶中深淵地質(zhì)、環(huán)境和生命的研究以及開(kāi)展深海探測(cè)，有助于快速提升我國(guó)全海深科研、探測(cè)及相應(yīng)工程技術(shù)的能力，并最終促進(jìn)我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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中圖分類號(hào)：P68

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-4969（2016）03-0258-11

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00258

收稿日期：2016-01-20； 修回日期： 2016-03-07

基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）資助（XDB06030101； XDB06030102）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91328204；41421062）

作者簡(jiǎn)介：丁興（1978-），男，博士，副研究員，研究方向?yàn)樵氐厍蚧瘜W(xué)和實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)。E-mail： xding@gig.ac.cn

Water-Rock Interaction in Oceanic Subduction Zone：
Serpentinization

Ding Xing1，2， Liu Zhifeng3， Huang Ruifang4， Sun Weidong2，4， Chen Duofu3
（1. State Key Laboratoy of Isotope Geochemistry， Guangzhou Institute of Geochemistry， CAS， Guangzhou 510640， China；2. CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences，Beijing 100101， China；3. CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology， Guangzhou Institute of Geochemistry， CAS， Guangzhou 510640， China；4. CAS Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny， Guangzhou Institute of Geochemistry， CAS， Guangzhou 510640， China）

Abstract:Serpentinization is one of the most important water-rock interactions on earth， which plays a significant role on formation of island arc， generation of earthquake， activity of seafloor fluid， and origin and evolution of life. This paper introduces the phase transitions， water-rock interactions， and in particular water-rich mineral's stabilities during subduction occurring in mid-ocean ridge basalt and peridotite in oceanic subduction zone，and reveals discrepant water-rich mineral assemblages between cold and hot subduction zones due to distrinct geothermal gradient， resulting in different fluid activities and serpentinization scales beneath the fore-arc， sub-arc and back-arc in subduction zone. This paper further summarizes the representative chemical reactions of serpentinization and their products.

Keywords:oceanic subduction zone； water-rock interaction； serpentinization； MORB； peridotite