郭雙喜,魯遠(yuǎn)征,岑顯榮,屈玲,Sharon L.Walker ,周生啟*

東北太平洋Explorer Ridge熱液羽狀流位溫濁度異常和物質(zhì)能量通量估算

郭雙喜1,魯遠(yuǎn)征1,岑顯榮1,屈玲1,Sharon L.Walker2,周生啟1*

(1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州510301;2.美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局 太平洋海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)室,美國(guó) 西雅圖98115)

深海熱液流體與周?chē)Ｋg存在明顯的物理和化學(xué)差異,通過(guò)檢測(cè)海水的位溫濁度異常是探測(cè)深海熱液活動(dòng)的重要手段之一。本文采用“海底火山帶項(xiàng)目(Sub marine Ring of Fire 2002)”拖曳式溫鹽深測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)資料,研究了東北太平洋Explorer Ridge熱液場(chǎng)的水文特征及物質(zhì)能量通量的釋放。結(jié)果表明Explorer Ridge熱液場(chǎng)熱液羽狀流中性浮力層所在深度范圍約為1 600～1 900 m,距離海底的高度約為200 m,最大位溫、鹽度和濁度異常分別為0.04℃、0.004和0.18 NTU;中性浮力層熱液羽狀流帽呈橢圓結(jié)構(gòu),其長(zhǎng)軸與洋中脊線重合,羽狀流帽總面積約為27 k m2;熱液羽狀流在中性層范圍內(nèi)存在明顯的分層現(xiàn)象,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到Explorer Ridge熱液場(chǎng)觀測(cè)范圍內(nèi)熱液噴口的總的浮力通量為6.19×10-2m4/s3,平均值為2.063×10-2m4/s3;總的體積通量為9.884×10-2m3/s,平均值為3.295×10-2m3/s;總的熱通量為194.9 MW,平均值為64.967 MW。

東北太平洋;Explorer Ridge熱液場(chǎng);位溫異常;濁度異常;熱通量

1 引言

海底熱液活動(dòng)(Seafloor Hydrother mal Activity)普遍發(fā)育于全球大洋中脊、弧后盆地的板塊增生帶、板內(nèi)火山和轉(zhuǎn)換斷層等地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境,是巖石圈和海洋之間進(jìn)行能量和物質(zhì)交換的主要通道。海底熱液活動(dòng)對(duì)海洋地質(zhì)、生物和化學(xué)環(huán)境、大洋環(huán)流以及全球氣候都有著重要的影響?；谏詈ｃ@探計(jì)劃(DSDP)和大洋鉆探計(jì)劃(ODP),科學(xué)家在大洋中脊和弧后盆地?cái)U(kuò)張脊的板塊邊界等處發(fā)現(xiàn)大量金屬硫化物礦體,這種多金屬礦體的形成被認(rèn)為與熱液活動(dòng)密切相關(guān)[1]。同時(shí),觀測(cè)發(fā)現(xiàn)深海熱液噴口聚集了眾多特殊的生物群落和生態(tài)系統(tǒng),由于熱液系統(tǒng)獨(dú)特的物理環(huán)境,這些生物系統(tǒng)被認(rèn)為可能和生命的起源有關(guān)[2]。另外,海底熱液活動(dòng)為海底提供了巨大的能量,據(jù)估計(jì)全球海洋熱液活動(dòng)釋放的總熱量為1012～1013W,這足以推動(dòng)大洋中層水的循環(huán),甚至在更深層次上影響全球海洋環(huán)境和全球氣候變化[3]。因此,研究海底熱液活動(dòng),對(duì)于進(jìn)一步研究海底熱液成礦、熱液噴口生物群落、熱液活動(dòng)對(duì)海洋和氣候環(huán)境的影響以及推進(jìn)深海調(diào)查技術(shù)的發(fā)展等都有重要的科學(xué)意義。

海底熱液活動(dòng)的主要特征表現(xiàn)為攜帶大量礦物質(zhì)的高溫?zé)嵋毫鲝暮５谉嵋簣?chǎng)黑煙囪噴出,在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)數(shù)百米,并大量卷挾周?chē)Ｋ?當(dāng)熱液密度達(dá)到與周?chē)Ｋ芏认喈?dāng)時(shí),開(kāi)始側(cè)向擴(kuò)散,最終形成巨大的蘑菇狀熱液羽狀流結(jié)構(gòu)。盡管在上升過(guò)程中不斷被稀釋,熱液羽狀流與周?chē)Ｋg仍然存在明顯的物理和化學(xué)差異。到目前為止,人們有多種手段來(lái)探測(cè)深海熱液活動(dòng),如海底采樣[4]、聲學(xué)成像[5-6]、光學(xué)反演[7]等,而通過(guò)檢測(cè)海水的物理和化學(xué)異常仍是當(dāng)前探測(cè)熱液活動(dòng)最主要和高效的手段之一[8-9]。熱液流體從海底流向海洋,向海洋注入大量的物質(zhì)和能量,據(jù)估計(jì),全球熱液活動(dòng)向海洋傳送的熱量占地球總散失熱量的25%,其量值與全球火山爆發(fā)釋放的能量相當(dāng)[10-11],因此,合理估算熱液場(chǎng)物質(zhì)和能量通量是理解海底熱液活動(dòng)對(duì)深海物理化學(xué)環(huán)境的乃至對(duì)全球氣候影響的基礎(chǔ)。東北太平洋是全球海底熱液活動(dòng)的高發(fā)區(qū)域,對(duì)該海域海底熱液活動(dòng)的探測(cè)一直是海洋學(xué)家研究的熱點(diǎn)。本文主要通過(guò)東北太平洋Explorer Ridge熱液場(chǎng)的觀測(cè)資料,定量分析其熱液羽狀流物理異常的空間分布,并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算其物質(zhì)和能量通量的釋放。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

東太平洋海隆(East Pacific Rise,EPR)位于太平洋東部張裂性板塊的邊界,是全球洋中脊的一部分,并將西面的太平洋板塊與東面的北美洲板塊和科克斯板塊等分隔開(kāi)。東太平洋海隆北部由于板塊擴(kuò)展速率的差別而形成Explorer Ridge、Juan de Fuca Ridge和Gorda Rigde 3個(gè)海脊,其中Explorer Ridge是東太平洋海隆的開(kāi)端,位于北美溫哥華島西部200余千米處(圖1a)。

圖1 東北太平洋地形圖(a)和Explorer Ridge海域地形及各拖曳CTD測(cè)線示意圖(b),星號(hào)表示觀測(cè)到的熱液羽狀流核心位置Fig.1 Topographic map of Northeast Pacific Ocean(a)and measuring line of towed CTD(b).The red star is the core position of the measured hydrother mal plume

1984年6月加拿大海洋漁業(yè)局通過(guò)載人深潛器 首次發(fā)現(xiàn)Explorer Ridge存在熱液場(chǎng)的證據(jù)[12]。2002年6-8月,由美國(guó)和加拿大的海洋學(xué)家聯(lián)合執(zhí)行的海底火山帶項(xiàng)目通過(guò)海底聲吶成像系統(tǒng)、自動(dòng)水下深潛器以及拖曳式溫鹽深測(cè)量?jī)x(CTD)等觀測(cè)手段再次對(duì)Explorer Ridge熱液區(qū)進(jìn)行了深入觀測(cè)。拖曳式CTD總共執(zhí)行了7條測(cè)線(圖1b),其中5條測(cè)線是沿著(或平行于)洋中脊,另兩條測(cè)線橫跨洋中脊。圖2為T(mén)02B-01測(cè)線拖曳CTD的運(yùn)行軌跡示意圖,為充分獲取熱液區(qū)水文數(shù)據(jù),拖曳式CTD主要集中在海底以上約500 m范圍進(jìn)行觀測(cè)。CTD主要攜帶溫度、鹽度、濁度和壓強(qiáng)等傳感器,其溫度、鹽度和濁度測(cè)量精度分別為0.001℃、0.001和0.001 NTU,空間分辨率為1 m,經(jīng)過(guò)光滑處理后為5 m。表1為7條拖曳式CTD測(cè)線的具體信息。

圖2 T02B-01測(cè)線拖曳CTD在緯度-水深平面的運(yùn)行軌跡示意圖Fig.2 Moving trajectory of towed CTDin latitude-depth plane for T02B-01 measuring line

表1 拖曳CTD各測(cè)線信息Tab.1 Measuring line infor mation of towed CTD

3 水文特征分析

3.1 背景水文特征

拖曳式CTD在下放和回收位置可獲得接近全水深的觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖3a和b為7條測(cè)線起始和終止位置的位溫和鹽度廓線。從圖中可以看出,東北太平洋水體從上往下可分為3個(gè)主要部分:混合層(0～30 m),躍層(30～200 m)和下層(200 m以深),總體上呈現(xiàn)為表層高溫低鹽、底層低溫高鹽特征?；旌蠈雍蛙S層易受海表風(fēng)能輸入、太陽(yáng)輻射、蒸發(fā)降水和淡水輸入等影響,在時(shí)間和空間上變化明顯;而底層受海表變化的影響幾乎可以忽略,其變化主要是受底層平流的影響[13]。值得注意的是,在躍層區(qū),位溫隨著深度的增加先急劇減小后增加,在180 m深度處出現(xiàn)局部位溫極大值,這是北太平洋亞北極區(qū)特有的次表層溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。北太平洋溫度反轉(zhuǎn)一般被認(rèn)為是由于冬季海表冷卻、降水盈余以及存在強(qiáng)的鹽躍層而形成的,其隨時(shí)間和空間的變化也得到了充分的研究[14-17]。盡管存在溫度反轉(zhuǎn),但由于強(qiáng)鹽躍層的存在,水體仍然表現(xiàn)為穩(wěn)定層結(jié)。圖3c為相應(yīng)的位溫-鹽度曲線,圖中等值線為背景位密分布。從圖中可以看出,表層和次表層位溫和鹽度數(shù)據(jù)較為分散,而下層位溫和鹽度數(shù)據(jù)較為集中,這說(shuō)明表層和次表層易受海表影響,在時(shí)間和空間上變化明顯,而下層受到海表的影響較弱。

圖3 各測(cè)線起始和終止位置的位溫-水深(a)和鹽度-水深廓線(b)及相應(yīng)的鹽度-位溫分布(c),其中等值線為背景位密(單位:kg/m3)分布Fig.3 Potential temperature-depth(a),salinity-depth(b)profiles at the starting and end points of all measuring lines,and corresponding salinity-potential temperature(c),the contour lines denote potential density(unit:kg/m3)distribution

3.2 位溫和濁度異常

熱液羽狀流在中性浮力層形成巨大的蘑菇狀結(jié)構(gòu),與周?chē)尘傲黧w相比具有相對(duì)較高的溫度、鹽度和濁度,這為深海熱液場(chǎng)的探尋提供了非常有利的條件。拖曳式CTD在經(jīng)過(guò)熱液羽狀流中性浮力層的時(shí)候,可探測(cè)到明顯的溫度、鹽度和濁度異常。

熱液場(chǎng)位溫(鹽度)異常值一般定義為熱液場(chǎng)位溫(鹽度)觀測(cè)值與相同位密層背景海水的位溫(鹽度)的差值,而濁度異常值定義為熱液場(chǎng)濁度觀測(cè)值與背景海水濁度的差值[18-20]。圖4為T(mén)02B-01測(cè)線1 500 m以深位密-位溫、位密-鹽度和位密-濁度數(shù)據(jù)分布。從圖中可以看出,背景海水的位溫、鹽度與位密之間存在明顯的線性關(guān)系,這與前人在深海底層所觀測(cè)到的結(jié)果一致[18-20];而背景海水的濁度因不含異常濃度的固體顆粒物而表現(xiàn)為常值。在位密27.602～27.635 kg/m3之間(對(duì)應(yīng)的深度1 630～1 840 m)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)異常。通過(guò)將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)減去線性擬合所得到的背景溫、鹽和濁度表達(dá)式,可計(jì)算出相應(yīng)的異常值,如圖5所示,考慮到背景海水本身的擾動(dòng)和測(cè)量噪聲,為了較為準(zhǔn)確地確定熱液羽狀流存在的范圍,以位密小于27.6 kg/m3情況下的位溫、鹽度和濁度的標(biāo)準(zhǔn)差的3倍值(3σ)作為背景噪聲閾值,其值分別為0.008℃、0.001和0.015 NTU(如圖5中的垂直虛線所示),然后以大于3σ的數(shù)據(jù)的范圍來(lái)定為存在熱液羽狀流的范圍(如圖5中的水平虛線所示)。可以看出在位密27.602 kg/m3與27.637 kg/m3之間存在明顯的溫、鹽和濁度異常值,T02B-01測(cè)線最大位溫異常、鹽度異常和濁度異常分別為0.04℃、0.004和0.18 NTU。假設(shè)熱液口噴出的熱液流體溫度為300～400℃,根據(jù)最大位溫異常值0.04℃可估算出熱液羽狀流總共所卷挾的周?chē)Ｋc熱液口噴出的熱液流體體積比約為104,這也與Lupton等[21]根據(jù)東北太平洋Explorer Ridge附近的Endeavor Ridge熱液噴口數(shù)據(jù)估算的結(jié)果是一致的。

圖4 T02B-01測(cè)線1 500 m以深位密—位溫(a)、位密—鹽度(b)和位密—濁度(c)分布,灰色直線為背景數(shù)據(jù)的線性擬合,兩條虛線之間為出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的區(qū)間Fig.4 Dataset of potential density-potential temperature(a),potential density-salinity(b)and potential density-turbidity(c)below 1 500 mfor T02B-01.The gray solid lines are thelinear fitting and the anomalies appear bet ween the t wo gray dashed lines

圖5 T02B-01測(cè)線1 500 m以深位溫異常(a)、鹽度異常(b)和濁度異常(c),垂向虛線為各自的背景噪聲閾值,兩條水平虛線為異常值區(qū)間的邊界Fig.5 The ano malies of potential temperature(a),salinity(b)and turbidity(c)below 1 500 mfor T02B-01.The vertical dashed lines denote corresponding backgroud disturbance thresholds.The anomalies appear bet ween the t wo horizontal dashed lines

3.3 觀測(cè)斷面的位溫和濁度異常

為了進(jìn)一步確定熱液羽狀流的空間位置,可將拖曳CTD的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金(Kriging)插值,從而得到測(cè)線斷面的觀測(cè)數(shù)據(jù)?？死锝鸩逯捣ㄊ腔谧韵嚓P(guān)統(tǒng)計(jì)模型對(duì)周?chē)^測(cè)值進(jìn)行加權(quán),以得出未測(cè)量位置的預(yù)測(cè)值,是廣泛應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域的一種最優(yōu)內(nèi)插法[22]。由于熱液噴口所噴出的高溫流體攜帶大量固體顆粒物,因此容易在海底以上200～300 m的熱液羽狀流中性浮力層通過(guò)CTD檢測(cè)到溫度和濁度異常;但另一方面,美國(guó)Alvin深潛器在Explorer Ridge附近的Endeavor Ridge熱液噴口采樣發(fā)現(xiàn)噴出流體的鹽度與周?chē)Ｋ](méi)有明顯的差異[21,23],Lupton等[21]將中性浮力層所觀測(cè)到的鹽度異常歸結(jié)為熱液流體在上升過(guò)程中卷挾周?chē)母啕}度水并攜帶至中性浮力層所致;同時(shí),通過(guò)圖5可以看出鹽度異常的量值并不如溫度和濁度更為明顯。因此,我們主要關(guān)注位溫和濁度異常值的斷面結(jié)果。由圖5a,5c已知背景海水的位溫和濁度波動(dòng)約為0.008℃和0.015 NTU,因此我們將位溫異常大于0.008℃或者濁度異常大于0.015 NTU的區(qū)域認(rèn)為是熱液羽狀流所在的位置。

圖6至圖8為各測(cè)線所在斷面的位溫和濁度異常等值線圖。由于T02B-01、T02B-02和T02B-03均沿著Explorer Ridge的中脊線且在同一直線上,因此將其顯示在同一個(gè)斷面上,如圖6所示,可以看到T02B-01測(cè)線斷面出現(xiàn)了明顯的位溫和濁度異常,即在此斷面上存在著熱液羽狀流;而T02B-02和T02B-03測(cè)線斷面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的位溫和濁度異常。T02B-01測(cè)線斷面羽狀流寬度從49.73°N延伸至49.8°N(約10.1 k m距離),深度范圍從1 630 m至1 840 m。T02B-06和T02B-09測(cè)線橫跨Explorer Ridge中脊線,從圖7中可以看出,T02B-09測(cè)線斷面沒(méi)有檢測(cè)到明顯的位溫和濁度異常,而T02B-06測(cè)線檢測(cè)到明顯的位溫和濁度異常,羽狀流寬度從130.23°W延伸至130.27°W(約3.8 k m距離),深度范圍從1 650 m至1 900 m,其羽狀流寬度明顯小于T02B-01測(cè)線斷面測(cè)得的羽狀流寬度,而深度范圍相當(dāng)。T02B-10和T02B-11測(cè)線為位于T02B-01測(cè)線東西兩側(cè)且與T02B-01平行的兩條斷面,如圖8所示,T02B-11測(cè)線斷面沒(méi)有檢測(cè)到明顯的位溫和濁度異常,而T02B-10測(cè)線檢測(cè)到明顯的位溫和濁度異常,羽狀流寬度從49.73°N延伸至49.77°N(49.77°N以北仍存在羽狀流,但超出了CTD測(cè)線范圍),深度范圍從1 620 m至1 900 m,同樣與T02B-01測(cè)線斷面測(cè)得的羽狀流深度范圍相當(dāng)。從圖6至圖8中可以看到熱液羽狀流所在位置的形狀不對(duì)稱(chēng),這有可能是因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)熱液噴口或者深層平流的緣故。在深海弱層結(jié)條件下,忽略背景流的影響,熱液羽狀流在中性浮力層主要通過(guò)分子擴(kuò)散形式向四周水平擴(kuò)散,而熱擴(kuò)散系數(shù)大于羽狀流攜帶懸浮顆粒物的擴(kuò)散系數(shù),這可能是造成圖6至圖8通過(guò)位溫異常得到的羽狀流面積相對(duì)較大、而濁度異常得到的羽狀流面積更為集中且異常值相對(duì)更大的原因之一。

圖6 T02B-01、T02B-02和T02B-03測(cè)線緯度-水深斷面位溫異常(a)和濁度異常(b),虛線為熱液羽狀流的核心位置Fig.6 Potential temperature anomaly(a)and turbidity ano maly(b)for T02B-01,T02B-02 and T02B-03 sections in latitude-depth plane.The dashed line denotes the core position of hydrother mal plu me

圖7 T02B-06(a,b)和T02B-09(c,d)測(cè)線經(jīng)度-水深斷面位溫異常 (a,c)和濁度異常(b,d)Fig.7 Potential temperature(a,c)and turbidity(b,d)anomalies for T02B-06(a,b)and T02B-09(c,d)sections in longitude-depth plane

圖8 T02B-10(a,b)T02B-11(c,d)測(cè)線緯度-水深斷面位溫異常(a,c)和濁度異常(b,d)Fig.8 Potential temperature(a,c)and turbidity(b,d)anomalies for T02B-10(a,b)and T02B-11(c,d)sections in latitude-depth plane

4 熱液羽狀流帽與通量估算

4.1 熱液羽狀流帽

熱液柱在上升過(guò)程中卷挾周?chē)Ｋ沟米陨頊囟妊杆俳档?當(dāng)上升到中性浮力層后向四周水平擴(kuò)散,形成具有巨大的羽狀流帽(plu me hat)的蘑菇狀羽狀流結(jié)構(gòu),羽狀流帽中的溫度、鹽度和濁度等物理特性相對(duì)于周?chē)尘昂Ｋ忻黠@異常,因而容易被CTD等儀器所檢測(cè)到。根據(jù)T02B-01、T02B-06和T02B-10 3條測(cè)線及其位溫異常所檢測(cè)到的羽狀流位置(圖9中黑色實(shí)線),假設(shè)羽狀流帽為橢圓結(jié)構(gòu),3條羽狀流位置線恰好可構(gòu)成一個(gè)規(guī)則的橢圓,其長(zhǎng)軸沿著T02B-01測(cè)線(即洋中脊線),長(zhǎng)度約為10.1 k m,短軸垂直于洋中脊線,長(zhǎng)度約為3.4 k m。海底熱液活動(dòng)區(qū)一般會(huì)沿洋中脊線存在多個(gè)熱液噴口,而噴口的分布、背景海流的大小和方向等都可能是影響羽狀流帽形狀的重要因素。通過(guò)平面幾何計(jì)算,容易得到Explorer Ridge熱液場(chǎng)本航次觀測(cè)范圍內(nèi)中性浮力層熱液羽狀流帽面積約為27 k m2。

圖9 T02B-1、T02B-6和T02B-10測(cè)線及其檢測(cè)到的熱液羽狀流位置Fig.9 Detected plume area for T02B-1,T02B-6 and T02B-10灰色實(shí)線為3條測(cè)線位置,黑色實(shí)線為各測(cè)線上檢測(cè)到羽狀流的位置,3條黑色線構(gòu)成規(guī)則的橢圓形羽狀流帽(由于T02B-10測(cè)線起始位置所限,故用虛線將其羽狀流線補(bǔ)齊)The gray solid lines denote t he measuring lines,the black solid lines denote the detected plu me sections,and the ellipse denotes the plu me hat(t he plu me line of T02B-10 is complemented with dashed one due to the li mitation of t he initial observation position)

4.2 通量估算

在不考慮深海平流的情況下,熱液羽狀流能夠上升的高度取決于熱液噴口流體的浮力通量B0和背景海水的浮力頻率N,前者體現(xiàn)了熱液口流體自身所具有的能量,后者表現(xiàn)為層結(jié)海水對(duì)羽狀流上升的阻礙作用。Turner[24]提出了靜止海水中熱液羽狀流上升的最大高度Zmax與初始浮力通量B0以及浮力頻率N之間的標(biāo)度關(guān)系為:

式中,浮力頻率N=[(-g/ρ)(dρ/d z)]1/2,浮力通量B0的表達(dá)式為:

式中,g、ρ、α和β分別為流體重力加速度、密度、熱膨脹系數(shù)和鹽度收縮系數(shù);Δθ0、ΔS0以及V0分別為熱液噴口處熱液流體與周?chē)Ｋg的溫度差、鹽度差以及噴口流體的體積通量。

由式(1)和式(2)可以得到浮力通量B0和體積通量V0為:

熱液噴口流體熱通量H0表達(dá)式為:

式中,ρ0為噴口流體密度;Cp為流體比熱。熱液區(qū)流體物性參數(shù)為g=9.8 m/s2,α=-2.13×10-4℃-1,Cp=6 400 J/(kg·℃)[25]。根據(jù)東北太平洋熱液場(chǎng)熱液噴口的溫度和鹽度特性,取Δθ0=300℃,ΔS0=0[23]。通過(guò)羽狀流所在高度范圍的背景海水的密度數(shù)據(jù)可計(jì)算得到浮力頻率N=1.171×10-3s-1。因此,只需要知道羽狀流的最大高度Zmax,即可通過(guò)式(3)至式(5)得到噴口流體的浮力通量B0、體積通量V0以及熱通量H0。

取圖6中虛線(T02B-01測(cè)線)所示羽狀流核心位置的位溫和濁度異常廓線,其位置為49.785 1°N,130.263 3°W,深度為1 887 m,如圖10所示。從圖中可以看出位溫異常和濁度異常廓線在深度為1 663 m、1 681 m和1 719 m位置存在明顯不同的位溫和濁度異常峰值,從而可將中性層羽狀流厚度范圍分成3個(gè)不同的羽狀流層Layer1、Layer2和Layer3。Rudnicki和Elderfield[25]在大西洋中脊的TAG熱液場(chǎng)同樣發(fā)現(xiàn)了熱液羽狀流的分層現(xiàn)象,不同層內(nèi)流體的水文性質(zhì)存在明顯差別。Rudnicki和Elderfield[25]將其歸因于3種可能的解釋:(1)羽狀流內(nèi)部存在對(duì)流現(xiàn)象;(2)在不同高度處羽狀流的水平擴(kuò)散率不同;(3)不同的羽狀流層來(lái)自不同的熱液噴口。Rudnicki和Elderfield[25]認(rèn)為第三種解釋可能更為合理,因?yàn)樵谏詈Ｈ趸旌蠗l件下,不同噴口噴出的熱液流體類(lèi)似于獨(dú)立的水團(tuán),在向上發(fā)展過(guò)程中能夠保持相對(duì)獨(dú)立的物理特性。

假設(shè)羽狀流層Layer1、Layer2和Layer3來(lái)自于3個(gè)不同的熱液噴口,由圖5已知背景海水的位溫和濁度擾動(dòng)分別為0.008℃和0.015 NTU(圖10中垂向虛線),以濁度異常為例,將背景濁度擾動(dòng)與真實(shí)濁度擾動(dòng)廓線的上下交點(diǎn)視為L(zhǎng)ayer3的上邊界和Layer1的下邊界,Layer1的上邊界(即Layer2的下邊界)和Layer2的上邊界(即Layer3的下邊界)由廓線的局部最小值確定,從而得到各羽狀流層的上下邊界。由于無(wú)法確定各個(gè)噴口的具體位置,因此將各羽狀流層上邊界到該廓線所在位置的海底的垂向距離近似視為各羽狀流層的最大高度,從而得到各羽狀流層的最大高度Zmax分別為193 m、223 m和249 m。再通過(guò)式(3)至式(5)可以計(jì)算3個(gè)不同噴口流體的浮力通量B0、體積通量V0以及熱通量H0,其結(jié)果如表2所示,浮力通量B0值分別為1.115×10-2m4/s3、1.987×10-2m4/s3和3.088×10-2m4/s3,總的浮力通量為6.19×10-2m4/s3,平均值為2.063×10-2m4/s3;體積通量V0值分別為1.779×10-2m3/s、3.174×10-2m3/s和4.931×10-2m3/s,總的體積通量為9.884×10-2m3/s,平均值為3.295×10-2m3/s;熱通量H0值分別為35.098 MW、62.559 MW和97.243 MW,總的熱通量為194.9 MW,平均值為64.967 MW。

圖10 羽狀流核心位置(圖6中虛線)的位溫異常(a)和濁度異常(b)廓線Fig.10 Profiles of potential temperature(a)and turbidity(b)anomalies at the detected plu me core(dashed line in Fig.6)垂向虛線(0.008℃和0.015 NTU)分別為背景海水的位溫和濁度擾動(dòng),橫向虛線為各羽狀流層的邊界線The vertical dashed lines respectively denote background disturbances(0.008℃and 0.015 NTU),the horizontal dashed lines denote the boundaries for plumelayers

表2 通量計(jì)算結(jié)果Tab.2 The estimated fluxes of hydrother mal vents for layers

5 結(jié)論和討論

通過(guò)對(duì)東北太平洋Explorer Ridge熱液場(chǎng)拖曳CTD數(shù)據(jù)進(jìn)行位溫和濁度異常分析,并對(duì)噴口物質(zhì)能量通量進(jìn)行估算,得到如下結(jié)論:(1)Explorer Ridge熱液場(chǎng)熱液羽狀流中性浮力層所檢測(cè)到的最大位溫、鹽度和濁度異常分別為0.04℃、0.004和0.18 NTU,熱液羽狀流總共所卷挾的周?chē)Ｋc熱液口噴出的熱液流體體積比約為104。熱液羽狀流中性浮力層所在深度范圍約為1 600～1 900 m,其核心位置距離海底的高度約為200 m。(2)對(duì)檢測(cè)到的熱液羽狀流位置進(jìn)行幾何分析發(fā)現(xiàn)中性浮力層羽狀流帽呈橢圓結(jié)構(gòu),其長(zhǎng)軸與洋中脊線重合,長(zhǎng)度約為10.1 k m,短軸垂直于洋中脊線,長(zhǎng)度約為3.4 k m,從而得到Explorer Ridge熱液場(chǎng)本航次觀測(cè)范圍內(nèi)中性浮力層熱液羽狀流帽面積約為27 k m2。(3)發(fā)現(xiàn)熱液羽狀流在中性層范圍內(nèi)存在明顯的分層現(xiàn)象并分析其可能的形成機(jī)制。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合觀測(cè)到的最大羽狀流高度計(jì)算得到Explorer Ridge熱液場(chǎng)觀測(cè)范圍內(nèi)熱液噴口的總的浮力通量為6.19×10-2m4/s3,平均值為2.063×10-2m4/s3;總的體積通量為9.884×10-2m3/s,平均值為3.295×10-2m3/s;總的熱通量為194.9 MW,平均值為64.967 MW。

盡管到目前為止Explorer Ridge熱液場(chǎng)觀測(cè)資料仍然較為缺乏,但Explorer Ridge附近同屬東太平洋海隆開(kāi)端的Juan de Fuca Ridge(JDFR,位置見(jiàn)圖1)熱液場(chǎng)積累了相對(duì)充分的觀測(cè)數(shù)據(jù)。已有的觀測(cè)資料表明JDFR熱液中性浮力層深度約為1 900 m,溫度鹽度異常分別為0.02～0.05℃和0.005[21,26-27];39個(gè)獨(dú)立羽狀流噴口的總熱通量約為534 MW[28],和本文得到的Explorer Ridge熱液場(chǎng)數(shù)據(jù)相當(dāng),這說(shuō)明在這兩個(gè)相鄰的熱液區(qū)熱液羽狀流具有相似的結(jié)構(gòu)和物理特征。另外,熱液羽狀流到達(dá)中性浮力層后其水平擴(kuò)散過(guò)程可能會(huì)受到底層流的影響,Baker[29]通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)發(fā)現(xiàn)JDFR熱液羽狀流在跨洋脊方向近似為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),并指出熱液場(chǎng)底層流主要沿著洋脊方向;而Thomson等[27]觀測(cè)發(fā)現(xiàn)JDFR熱液場(chǎng)沿洋脊方向的典型流速為v=0.35 c m/s?；诖宋覀兛梢越乒浪鉋xplorer Ridge熱液場(chǎng)本航次觀測(cè)區(qū)域內(nèi)中性浮力層與背景海水之間的熱通量Hn=r Anv Cpd(式中,密度r=103kg/m3,跨洋脊方向羽狀流縱向截面積An=3.4 k m×200 m,比熱Cp=3 900 J/(kg·℃),溫度異常d=0.04℃),得到Hn為371.3 MW,與經(jīng)驗(yàn)公式估算得到的噴口的總熱通量也較為接近,說(shuō)明本航次觀測(cè)區(qū)域的熱液活動(dòng)處于穩(wěn)定地活躍狀態(tài)。

致謝:感謝美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)提供的拖曳CTD觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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Temperature and turbidity anomalies and flux estimation of hydrother mal plume in Explorer Ridge in the Northeast Pacific Ocean

Guo Shuangxi1,Lu Yuanzheng1,Cen Xianrong1,Qu Ling1,Sharon L.Walker2,Zhou Shengqi1

(1.State Key Labor ator y of Tropical Oceanography,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China;2.Pacif ic Marine Environ mental Labor ator y,NOAA,Seattle,WA 98115,USA)

There are significant physical and chemical differences bet ween deep-sea hydrother mal fluids and ambient seawater.Detecting thetemperature and turbidity anomaly is one of the main methods to explore the hydrother mal fields.Based on the towed CTDdataset of the project of Sub marine Ring of Fire 2002,the hydrological characteristics and flux discharge of hydrother mal vents in Explorer Ridge were analyzed.The neutral buoyancy layer in Explorer Ridge hydrother mal filed is 1 600 to 1 900 m,about 200 m above the seafloor.The maxi mu ms of temperature,salinity and turbidity anomaly are 0.04℃,0.004 and 0.18 NTU,respectively.The shape of the neutral buoyancy layer is approxi mately elliptical,the major axis overlaps with the ocean ridge,and the total area is about 27 k m2.It is found that the neutral buoyancy layer is distinctly layered.It is esti mated with empirical for mulas that the total buoyancy flux,volu me flux and heat flux of the measured hydrother mal vents are 6.19×10-2m4/s3,9.884×10-2m3/s and 194.9 MW,respectively,and their average values are 2.063×10-2m4/s3,3.295×10-2m3/s and 64.967 MW,respectively.

the Northeast Pacific Ocean;Explorer Ridge;potential temperature anomaly;potential turbidity anomaly;heat flux

P738.6

A

0253-4193(2017)12-0001-11

郭雙喜,魯遠(yuǎn)征,岑顯榮,等.東北太平洋Explorer Ridge熱液羽狀流位溫濁度異常和物質(zhì)能量通量估算[J].海洋學(xué)報(bào),2017,39(12):1-11,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.001

Guo Shuangxi,Lu Yuanzheng,Cen Xianrong,et al.Temperature and turbidity ano malies and flux esti mation of hydrother mal plu me in Explorer Ridge in the Northeast Pacific Ocean[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):1-11,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.001

2017-03-03;

2017-05-15。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41406035,41476167,41606010);中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)(XDA11030301);廣東省自然科學(xué)基金(2016 A030311042,2016 A030313155)。

郭雙喜(1983—),男,湖北省武漢市人,博士,從事海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程的研究。E-mail:sxguo@scsio.ac.cn

*通信作者:周生啟,男,研究員,主要從事深海動(dòng)力過(guò)程,海洋小尺度過(guò)程及海洋混合和輸運(yùn)研究。E-mail:sqzhou@scsio.ac.cn