زمین شناسی - عنوان مقاله : واكـنـشـهـاي سنـگ - آب در پوستـة اقـيـانـوسـي

زمین شناسی

برخی اطلاعات زمین شناسی برای دانشجویان

عنوان مقاله : واكـنـشـهـاي سنـگ - آب در پوستـة اقـيـانـوسـي



Rock-Water Interactions in the Oceanic Crust


Venting fluids and sea floor mineralization represent the end result of a complex series of physical and chemical reactions that occur between crustal rocks and seawater in the subsurface portion of active hydrothermal systems. The fluids are generally considered to achieve their characteristics at the base of the hydrothermal cell in a reaction zone where temperatures are 375 -425 C and water/rock ratios are low [e.g. Seewald and Seyfried, 1990; Seyfried et al., 1991]. However, the link between the subsurface alteration assemblages and the fluid chemistry of active hydrothermal vents is not yet well constrained [ Gillis and Thompson, 1993]. As the oceanic crust is transported away from the ridge, the water-rock reactions evolve as the characteristics of the hydrothermal circulation respond to cooling, changes in the physical properties of the crust (in particular porosity and permeability), and reorganization of the pathways of fluid flow. Consequently, the mineralogy and chemistry of hydro thermally altered rocks recovered from the sea floor and from ophiolites reflect the integrated effects of all axial and ridge flank hydrothermal processes and provide a record of the extent of chemical exchange between the crust and seawater, the nature of the reactions that have taken place, and the variation in the composition of the circulating fluids.

Over the last fifteen years, studies of altered rocks from the sea floor and from ophiolites have been combined with experimental and theoretical studies to investigate the variations in water-rock interactions in different portions of submarine hydrothermal systems. These studies have recently been the subject of two detailed reviews: one that describes the alteration reactions within the recharge, reaction and discharge zones [ Alt, 1994], and one that addresses the physical and chemical characteristics of hydrothermal reaction zones based on experimental and theoretical considerations [ Saccocia et al., 1994]. Perhaps one of the most significant areas of progress in the last four years has been the investigation of alteration processes within lower crustal rocks. These studies have been enhanced by drilling into oceanic crust, which has recovered stratigraphic sections from the lower sheeted dikes and upper gabbros. In combination with studies of ophiolite sequences and experimental work, these investigations have resulted in the recognition that the reaction zone (where hydrothermal fluids are thought to acquire their final composition) may well lie within the lower part of the sheeted dikes and in the upper gabbros.

Based on geochemical and isotopic data from altered oceanic and ophiolitic rocks, as well as modeling studies, hydrothermal convection in the oceanic crust is most likely layered, with large volumes of seawater circulating through the upper volcanics and reacting at temperatures of <150 C, and only a small percentage penetrating into the sheeted dikes and upper gabbros [e.g. Alt et al., 1986; Gillis and Robinson, 1990; Hart et al., 1994; Rosenberg et al., 1993]. This is supported by the observation that the transition from volcanics to sheeted dikes at Deep Sea Drilling Project(DSDP)/Ocean Drilling Program (ODP) Hole 504B, located on the flank of the Costa Rica Rift, and in many ophiolites coincides with a change from low temperature alteration to green schist facies metamorphism [ Alt et al., 1986; Gillis and Robinson, 1990]. In 1991, Hole 504B was extended to a depth of 2000 meters below seafloor, and seismic and petrographic evidence indicates that the bottom lies near the base of the sheeted dike complex [ Dick et al., 1992]. The mineralogy and chemistry of the lower 500-600 m of the sheeted dikes include secondary Ca-rich plagioclase (which is locally replaced by anhydrite) and hornblende, increasing Al and Ti contents of amphibole, and lower O values, suggestive of high temperatures of alteration (400-500 C) consistent with those generally attributed to the reaction zone [ Alt et al., 1994]. However, a different mineral assemblage that includes Na-rich plagioclase, amphibole (actinolite-magnesio-hornblende), Chlorite, and Sphene, has been described in metabasalts recovered from the Mid-Atlantic Ridge south of the Kane Fracture Zone (MARK) and is also interpreted to have formed within the reaction zone [ Gillis and Thompson, 1993]. The most problematic difference between these two assemblages is the composition of the plagioclase. Experimental studies suggest that the Ca/Na concentration ratio of vent fluids are consistent with plagioclase-quartz-fluid equilibrium under pressure-temperature conditions resembling those in the reaction zone for a plagioclase composition rich in Ca [ Berndt and Seyfried, 1993; Saccocia et al., 1994]. Consequently, the existence of Na-rich plagioclase in the MARK metabasalts is inconsistent with this equilibrium model. This indicates that either (i) a non-equilibrium process must be invoked to explain these variations, (ii) that magmatically-derived fluids (which can undergo phase separation) play an important, but as yet unquantified, role in reactions within the reaction zone, or (iii) the MARK meta gabbros are not representative of the mineral assemblages in the reaction zone. Another important observation is the scarcity of Epidote in hydrothermally altered oceanic rocks when compared with ophiolites and experimental predictions [e.g. Seyfried et al., 1991; Bettison-Varga et al., 1992; Nehlig et al., 1994]. However, it must be emphasized that these comparisons are based on a very limited sampling of rocks from the lower sheeted dikes of the oceanic crust, and that wider variations in their mineralogy and chemistry than are presently recognized should be anticipated as additional material is recovered.

Hydrothermally altered plutonic rocks from the sea floor collected by dredging, drilling and from submersibles indicate that the reaction zone extends into the upper gabbros. The recovery of a 500 m-long section of gabbro from ODP Hole 735B in the Southwest Indian Ocean has enabled reconstruction of its alteration history and has provided an excellent comparison with hydrothermally altered gabbros sampled elsewhere on the sea floor [e.g. Vanko et al., 1992; Gillis et al., 1993; Hekinian et al., 1993]. The distribution and degree of alteration observed in both suites of rocks are clearly related to permeability and deformation on a local scale, and the drill core shows no depth-related metamorphism that reflects an increase of temperature along a fixed gradient [ Stakes et al., 1991]. Metamorphism in the upper portion of the core is spatially related to deformation. Ductile shear zones exhibit extensive dynamic recrystallization that began at temperatures of granulite grade (900-700 C) and continued to amphibolite grade (450 C). Penetration of seawater into the lower crust occurred along zones of brittle-ductile deformation and through networks of cracks adjacent to them, and is evidenced by depletions in O and increasing abundance of both amphibole of variable composition and metamorphic plagioclase of intermediate composition. Down core correlations of contemporaneous mineral assemblages, oxygen isotopic compositions, and vein abundance indicate that seawater was introduced by way of small cracks and veins produced at the end of the phase of ductile deformation and resulted in a hydrous ductile-deformation assemblage in the upper parts of the section. In the lower parts of the section, circulation of fluids is controlled by the distribution of highly permeable magmatic hydro fracture horizons. The enhanced permeability of these zones produced lower temperature green schist and zeolite facies assemblages as larger volumes of water penetrated the crust [ Stakes et al., 1991; Vanko and Stakes, 1991] .

This general sequence of events-plastic deformation and metamorphism at high temperatures, followed by brittle deformation and the circulation of fluids, and then cooling with further alteration at lower temperatures---is observed in other sea floor metagabbros [e.g. Mével and Cannat, 1991; Vanko et al., 1992; Alt, 1994], although the details vary in response to the magmatic and tectonic interactions within each area. For example, the MARK metagabbros show a similar relation of hydrothermal alteration to deformation, although deformation was initiated at lower temperatures (700-550 C) of the amphibolite facies. Brittle fracturing on a variety of scales then provided pathways for more pervasive penetration of seawater and alteration to green schist and lower amphibolite facies (up to 550 C). Alteration ceased at temperatures of between 80-300 C, suggesting that the lower crust became impermeable as it was transported off-axis [ Gillis et al., 1993; Kelley et al., 1993].

Calculations of pressures based on a combination of fluid inclusion and isotopic analyses suggest that the gabbro section sampled by Hole 735B may have originated at a depth of 2 km below the sea floor near the top of the plutonic section [ Vanko and Stakes, 1991]. This is consistent with depths estimated using quartz geobarometry on axial hydrothermal fluids (summarized in Von Damm [1990]), and with exposures in ophiolites, where only the top few hundred meters of the gabbro section are altered [e.g. Nehlig et al., 1994]. However, the timing of fluid penetration, the pathways of fluid flow, and the depth of penetration of hydrothermal fluids into the gabbros are not yet well constrained and are questions that are just beginning to be addressed by deep crustal drilling.


واكـنـشـهـاي سنـگ - آب در پوستـة اقـيـانـوسـي


بيـرون ريختن مواد و كاني سازي بستر دريا، نتايج پاياني مجموعه اي پيچيده از واكنشهاي شيميايي و فيزيكي را نشان ميدهند كه بين سنگهاي پوسته اي و آب دريا در بخشهاي زيرسطحي سيستمهاي هيدروترمال فعال صورت ميگيرد. اين مواد، عموماً، خواص خود را در قاعدة سلول هيدروترمال در يك زون واكنش يعني جايي كه دما بين 375 تا 425 درجة سانتيگراد و نسبت آب/سنگ پائين است، بدست مي آورند. اما، ارتباط بين اجتماعات دگرگوني زيرسطحي و شيمي مواد مجراهاي هيدروترمال فعال هنوز بخوبي بررسي نشده است[ 1993 ]. همچنان كه پوستة اقيانوسي از پشته دور ميشود، واكنشهاي آب-سنگ كامل مي شوند در حاليكه ويژگيهاي چرخة هيدروترمال بسته به سرد شدن، تغييرات خواص فيزيكي پوسته ( در تخلخل ويژه و نفوذپذيري  ) و بازسازي مسيرهاي جريان سيال واكنش ميدهد. متعاقباً، كاني شناسي و شيميِ سنگهايي كه از لحاظ هيدروترمال، دگرگون شده اند و از بستر دريا و افيوليت ها بدست آمده اند، مخلوطي از آثار فرآيندهاي هيدروترمال محوري و شيب پشته را منعكس ميكند و يك سند از مقدار تبادل شيميايي بين پوسته و آب دريا، طبيعت واكنشهايي كه روي داده اند و تغييرات در تركيبات سيالات چرخه را فراهم مي آورند.

در طول 15 سال گذشته، بررسي هاي سنگهاي دگرگون بستر دريا و افيوليت ها با مطالعات تجربي و تئوري همراه بوده اند تا در مورد تغييرات در واكنشهاي آب-سنگ در بخشهاي مختلف سيستمهاي هيدروترمالِ زيردريايي، تحقيق نمايند. اين بررسي ها به تازگی موضوع دو بازنگري دقيق بوده اند : يكي كه واكنشهاي دگرگوني را در زونهاي recharge  و واكنش و discharge توصيف مي كند [ 1994 ] و ديگري كه به خواص فيزيكي و شيميايي زونهاي واكنشِ هيدروترمال بر اساس دريافت هاي تجربي و تئوري اشاره مي كند [ Saccocia ]. احتمالاً يكي از مشخص ترين پيشرفتها در 4 سال اخير، بررسيِ فرآيندهاي دگرگوني در سنگهاي پوسته اي پائيني بوده است. اين بررسي ها با حفاري در پوستة اقيانوسي، كه بخشهاي چينه نگاريِ دايكهاي ورقه اي تحتاني و گابروي فوقاني را نمايان كرده است، تقويت شده اند. به همراه بررسي هاي انجام شده روي تواليهاي افيوليت و كارهاي تجربي، اين تحقيقات به اين نتيجه رسيده اند كه زون واكنش ( جائيكه سيالات هيدروترمال - ظاهراً -  تركيب نهايي خود را بدست مي آورند ) ممكن است به خوبي درون بخشهاي تحتاني دايكهاي ورقه اي شده و گابروهاي فوقاني قرار گرفته باشد.

بر اساس داده هاي ايزوتوپي و ژئوشيميايي از سنگهاي دگرگوني اقيانوسي و افيوليتي، و نيز بررسيهاي مدل سازي شده انتقال گرما در پوستة اقيانوسي احتمالاً لايه بندي شده است، به همراه چرخه هاي حجيم آب دريا كه در ميان آتشفشاني هاي فوقاني، ميگردد و در دماهاي بيش از 150 درجة سانتيگراد واكنش ميدهد با درصد كمي به دايكهاي ورقه اي و گابروهاي فوقاني نفوذ مي نمايد [ 1993-1994-1990-1986 ]. اين نكته توسط مشاهداتي مبني بر اينكه گذار از آتشفشاني ها به دايكهاي ورقه اي در حفرة ODP  504B مربوط به پروژة حفاري اعماق دريا  ( DSDP )، واقع در يالِ Costa Rica Rift ، و در بسياري افيوليت ها با تغيير از دگرگوني كم دما تا دگرگوني رخساره هاي شيست سبز همزمان بود، تائيد شد. در 1991، حفرة 504B  تا عمق 2000 متر زير سطح دريا گسترش يافت و مدارك ارتعاشي و سنگ نگاري مشخص ميكند كه كف حفره در نزديكي قاعدة كمپلكس دايك ورقه اي قرار گرفته است. كاني شناسي و شيمي 500 تا 600 متر انتهاي دايك ورقه اي شامل : پلاژيوكلاز ِ غني از كلسيم ثانويه ( كه در محل با آنيدريت جايگزين ميشود ) و هورنبلند- آمفيبولي با Al و Ti بيشتر- و مقادير 18O d كمتر است كه به دماهاي بالاي آلتراسيون ( 400 تا 500 درجة سانتيگراد ) سازگار با نمونه هاي مربوط به زون واكنش اشاره دارد [ 1994 Alt. ]. اما، يك اجتماع معدنيِ متفاوت كه شامل پلاژيوكلازِ پر سديم، آمفيبول   (هورنبلند، اكتينوليت منيزيمي )، كلريت و اِسفن مي باشد در بازالت دگرگون شده بدست آمده از پشتة  Mid-Atlantic در جنوب زون شكستگيِ Kane  ( MARK ) ديده شده است و از آن  به اين نتيجه رسيده اند كه در زون واكنش شگل گرفته است [ 1993 ]. مشکل آفرين ترن تفاوت بين اين دو اجتماع، تركيب پلاژيوكلازها است. بررسي هاي تجربي ( آزمايشگاهي ) پيشنهاد ميكنند كه نسبت غلظت Ca/Na2  در سيالات مجرا با موازنة پلاژيوگلاز- كوارتز ، سيال تحت شرايط دما - فشار سازگار است كه نمونه هاي موجود در زون واكنش را بصورت يك تركيب پلاژيوكلازي غني از Ca نشان مي دهد[ 1993 ]. در پي اين نكته، وجود پلاژيوكلاز پر سديم در بازالت هاي دگرگون شده ( متا بازالتهاي )  MARK با اين مدل موازنه ناسازگار است .

 اين نشان دهندة آن است كه يا :

 (1) يك فرآيند غير موازنه اي بايستي بيابيم تا تفاوت ها را توضيح دهيم، (2) سيالات ناشي از ماگما ( كه مي توانند دچار تفكيك فاز شوند ) نقشي مهم ولي محدود نشده را در واكنشهاي زون واكنش ايفا مي نمايند، (3) متا گابروهاي MARK نمايندة اجتماعات كاني در زون واكنش نمي باشند . يك مشاهدة مهم ديگر كميابي اپيدوت در سنگهاي اقيانوسي دگرگون شده در فرآيندهاي هيدروترمال در مقايسه با افيوليت ها و پيشگويي هاي تجربي است[ 1991 ]. اما، بايد تاكيد شود كه اين مقايسه ها بر اساس نمونه گيري محدود از سنگهاي دايكهاي ورقه اي پائيني در پوستة اقيانوسي انجام شده است و تغييرات گسترده تر بعدي را در كاني شناسي و شيمي آنها، بايستي پس از دريافت داده هاي جديد، پيش بيني نماييم.

سنگهاي آذريني كه به شيوة هيدروترمال دگرگون شده اند و از بستر دريا توسط لايروبي، حفاري و يا از submersibles  بدست آمده اند نشان مي دهند كه ناحية واكنش به گابروهاي بالايي راه دارد. بازيافت يك قطعة گابرويي به طول 500 متر از حفرة ODP  735B  در جنوب غرب اقيانوس هند باز سازي تاريخچة دگرگوني آن منطقه را ممكن ساخته است و يك قياس عالي با نمونه هاي گابرويي دگرگون هيدروترمال كه از ناحية ديگري در بستر دريا بدست آمده اند فراهم مي آورد [ 1996 ]. توزيع و درجة دگرگوني مشاهده شده در هر دو رشته سنگها، به وضوح به نفوذپذيري و دگرشكلي مربوط است و مغزة حفاري هيچ متامورفيسمِ وابسته به عمق كه افزايش دمايي را در طول يك شيب ثابت منعكس كند ، نشان نمي دهد [ 1991 ].

 متامورفيسم در بخش بالايي مغزه به لحاظ فضايي به دگرشكلي مربوط مي شود. زونهاي شكاف مجرايي (ductile) تبلور مجدد ديناميك وسيعي را نمايان مي سازد كه در دماهاي سطح گرانوليتي ( 700- 900 درجة سانتيگراد ) آغاز شده و تا سطح آمفيبوليتي ( 450 درجة سانتيگراد ) ادامه يافته است . نفوذ آب به درون پوستة تحتاني در طول زونهاي دگرشكلي  مجرايي بي دوام( Zone of brittle - ductile deformation )  و در ميان شبكه اي از شكافهاي نزديك به آنها اتفاق افتاده كه نقصان در  18O d و افزايش فراواني آمفيبول با تركيب متغير و پلاژيوكلاز متامورفيك با تركيب بينابيني شاهدي بر اين مدعا هستند. همبستگي هاي رو به هسته در اجتماعات كاني هم زمان، تركيبات ايزوتوپي اكسيزن، و فراواني رگه نشان مي دهد كه آب دريا از طريق شكافهاي ريزي وارد شده است و رگه ها در انتهاي فاز دگرشكلي مجرايي ايجاد شده و يك اجتماع مجرا - دگرشكل آبدار در بخشهاي بالايي مقطع بوجود آمده است. در بخشهاي پائيني مقطع، گردش سيالات توسط انتشار افقهاي شکست هيدروليكي ماگمايي نفوذپذير كنترل مي شود. نفوذپذيري تقويت شدة اين زونها، شيست سبز كم دماتر و رخساره هاي زئوليت را توليد نمود، چرا كه حجم آب بيشتري به پوسته نفوذ كرد   ( Vank & …1991, Stakes 1991) . اين توالي حوادث - دگرشكلي پلاستيكي و متامورفيسم در دماهاي بالا و بدنبال آن شكنندگي ترد و چرخه هاي سيالات و آنگاه سرد شدن به همراه تغييرات بيشتر در دماهاي كمتر – در ساير متا گابروهاي بستر دريا ديده شده است [  Alt 1994 ….. Mevel 1991] ، هر چند جزئيات در مقابل واكنشهاي تكتونيك و ماگمايي در هر منطقه متفاوت مي باشند. براي مثال، متا گابروي MARK نسبت مشابهي از دگرگوني هيدروترمال به دگرشكلي را نشان مي دهند، اگر چه دگرشكلي در دماهاي پائين تري ( 550 - 700 درجة سانتيگراد ) به نسبت رخنمون هاي آمفيبوليت آغاز شده است. شكنندگي ترد در مقياسهاي متفاوت ، مسيرهايي را براي نفوذ فراگير تر آب دريا و دگرگوني به شيست سبز و رخنمونهاي آمفيبوليتي پائين( بالاي 550 درجة سانتيگراد ) بوجود آورد . دگرگوني در دماهايي بين 80 - 300 درجة سانتيگراد متوقف شد، كه ذهن را به اين فكر مي اندازد كه پوستة پائيني همچنان كه به خارج از محور رانده مي شده است، غير قابل نفوذ شده است  [1993 ] .

محاسبات فشار بر اساس يك تركيب از آنكلوزيونهاي سيال و تحليل ايزوتوپي پيشنهاد مي كند كه بخش گابرويي نمونه گيري شده در حفرة 735B ممكن است از عمق حدوداً 2 كيلومتري زير بستر دريا و در نزديكي قلة بخش پلوتونيكي ( آذرين ) منشاء گرفته باشد [ 1991 ]. اين ادعا با اعماق تخمين زده شده با استفاده از ژئوبارومتريِ كوارتزي روي سيالات هيدروترمال محوري و نيز با آشكاريِ افيوليت سازگار است، در حاليكه چند صد متر بالايي بخش كابرويي، دگرگون شده اند [ 1994 ... ]. اما زمان بندي نفوذ سيال، مسيرهاي جريان و عمق نفوذ سيالات هيدروترمال به درون گابروها هنوز به درستي بررسي نشده است و سوالاتي هستند كه تنها پس از حفاري اعماق پوسته به ذهن ما رسيده اند .


ترجمه : ابـوالـفضل بـهـراميـان

+ نوشته شده در  سه شنبه 1385/09/07ساعت   توسط بهرامیان   |