中太平洋海山区富钴结壳的钙质超微化石地层学研究

对“大洋一号”调查船在中太平洋采集的N1-15和N5E-06 2个富钴结壳样品进行了钙质超微化石及其生物地层学的研究与分析.这2个结壳从结构上分为3层: 致密型上层、疏松型中层和致密型下层.在研究中对各结构层和各层中有颜色或细微结构变化的层位都进行了详细的取样和分析.在识别了12个新生代钙质超微化石事件的基础上, 确定了2个结壳致密型上层结壳都为晚更新世以来的沉积, 它们的疏松型中层结壳为上新世到中更新世的沉积.对N5E-06富钴结壳来说, 其致密型下层结壳下部形成于中晚古新世到早渐新世的59.7~ 32.8 Ma期间.N1-15富钴结壳致密型下层的形成时代目前暂时定为中新世.研究注意到在2个结壳中都没有发现可信的晚渐新世到中新世的化石记录, 在个别层位之间存在着沉积间断.      

东菲律宾海新型铁锰结壳中元素的赋存状态

为了解东菲律宾海新型铁锰结壳中元素的赋存状态, 采用化学提取方法对3个结壳样品进行了物相分析.不同类型结壳中成矿和稀土元素的赋存状态总体一致, 表明它们形成于相近的地质和海洋环境中.成矿元素中的Fe和Cu绝大部分赋存在残渣态中, Mn、Co和Ni则主要赋存在锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态中, 并且埋藏型结壳样品锰氧化物结合态中赋存了相对更高比例的成矿元素.三价稀土元素主要集中在锰氧化物结合态中.两个沉积物表层结壳样品中的Ce主要集中在残渣态中.而埋藏型结壳样品中的Ce则主要赋存在锰氧化物结合态中, 这可能与该样品此相态中赋存了相对较多的Mn有关.呈碳酸盐结合态和有机结合态的稀土元素含量仅各占稀土总量的1%左右, 表明两者对结壳中稀土元素的富集作用很小.      

麦哲伦海山铁锰结壳中氟的古海洋环境意义

碳氟磷灰石的出现是铁锰结壳磷酸盐化的标志,氟是碳氟磷灰石的主要伴生元素.为了解氟作为铁锰结壳磷酸盐化指标的可行性,采用离子选择电极法测定了西太平洋麦哲伦海山区铁锰结壳中氟的质量分数,探讨了铁锰结壳中氟的分布特征、来源及其对磷酸盐化的指示作用.研究结果表明,铁锰结壳中的氟主要来源于海洋有机质的分解,并富集于受到磷酸盐化作用的结壳层中,以碳氟磷灰石为主要赋存相,氟对铁锰结壳的磷酸盐化作用有较为灵敏的指示作用.     

莱恩海山链MP2海山富钴结壳Co元素的富集/亏损研究

富钴铁锰结壳(简称富钴结壳或海山结壳)是生长在大洋洋底地势较高处(如海山)硬质基岩上的富含铁、锰、钴、铂、稀土等金属元素的"壳状"沉积矿产.与其它深海铁锰沉积相比较,海山结壳的的最主要特征是富Co,其Co含量是大洋铁锰沉积中最高的.但是,同一富钴结壳样品的不同层位Co含量的差异是比较大的,到目前为止,人们并没有充分认识富钴结壳为什么"富钴",即Co发生富集/亏损的原因.本文通过对莱恩海山链MP2海山的一块典型富钴结壳样品电子探针原位化学成分数据的系统分析,对富钴结壳形成过程中Co富集/亏损的原因进行了系统研究,以揭示富钴结壳中的Co富集机制以及富钴结壳成矿作用是否具有时代的特殊性.     

中太平洋海山富钴结壳生长习性及控制因素

通过对"大洋一号"调查船DY95-10、DY105-11、DY105-12等航次结壳样品和海底摄像照相资料等综合观测分析,从不同角度对中太平洋海山富钴结壳的生长习性及控制因素进行了初步探讨.结果表明,富钴结壳可以在海山区的各种岩石上生长发育,对岩性没有明显的选择性,载壳岩石类型统计结果与岩石类型区域上的分布不均衡有关,而与岩性本身并没有必然的联系.结壳生长的厚度除受载壳岩石形成年代、物化环境影响外,与其所经受构造活动的强度和频率也有密切联系.水深可能对结壳的生长发育具有一定的控制作用,但由于海山在结壳生长后存在移动和升降运动,因此现在海山上的结壳并不存在截然的水深界限.地形对富钴结壳覆盖率、产状、形态具有明显的控制作用,海山坡度太缓、太陡均不利于结壳的生长发育;在海山坡度较大处生长的结壳多呈平板状,而在坡度较小处生长的结壳多呈波纹状或枕状;海山的斜坡上生长的多为板状结壳,而在平坦低洼处则有利于砾状结壳、钴结核的生长发育.     

太平洋莱恩海山富钴结壳剖面的锶同位素地球化学

对中太平洋莱恩海山富钴结壳MP5D17的各壳层样品进行了系统的锶同位素组成测定.结果表明,结壳具有很低的Rb/Sr值,结壳中87Sr/86Sr值变化较大,范围在0.7084～0.7092.从底部到顶部,结壳不同壳层的锶同位素组成在剖面上具有明显的变化规律,并与其结构构造的变化相对应,但其演化曲线与海水的锶同位素演化曲线变化趋势差异较大,以斑杂状构造为主的疏松层的87Sr/86Sr值明显偏高.由于铁锰结壳中元素锶的扩散速率较高,以斑杂状构造为主的高孔隙率的疏松层难以保存其生长时海水的锶同位素组成,因此锶同位素地层学不适合作为结壳的定年工具.     

西太平洋海山富钴结壳的稀土和铂族元素特征及其意义

为了探讨富钴结壳的稀土和铂族元素是否有相似的形成机制,对西太平洋海山富钴结壳稀土和铂族元素进行了类比研究.结果表明:富钴结壳的∑REY范围为1 433.7×10-6~2 888.0×10-6,其中Ce占到近50%,北美页岩标准化后显示较平坦的稀土模式和显著的Ce正异常特征.根据稀土配分模式及已有的Nd同位素结果,富钴结壳具有亲陆壳属性.富钴结壳具有极高的Pt (115.5×10-9~1 132.0×10-9)、(Pt/Pd)_N和 (Pt/Os)_N值,Ir与Pt及Rh与Pt显示良好相关性.经球粒陨石标准化后显示较一致PGE (platinum-group elements) 配分模式,从Os到Pt逐渐富集,Pd元素强烈亏损.已有的Os同位素研究结果显示物源在地质历史时期从幔源属性向陆源属性变化,但富钴结壳PGE元素内部相对含量仍在一定程度上保持稳定.研究认为:富钴结壳对海水中的稀土清扫具有选择性,Ce的正异常恰恰是结壳对海水稀土中Ce的优先选择造成的,从而导致海水亏损Ce.然而海水中Ce的亏损并未改变新形成富钴结壳的稀土模式,原因是在海洋中存在适量的具有亏损Ce特征的磷酸盐等组分,理论上只需要氧化物类稀土与磷酸盐类稀土消耗的稀土与海水中的补给平衡即可.只是在相关过程中,海洋中氧化物类对稀土的选择更具有主动性,而磷酸盐类表现更多的继承关系.尽管Os同位素显示物源供给发生变化,然而富钴结壳PGE模式相对稳定.因此富钴结壳PGE模式同样可以用富钴结壳对PGE的选择性吸收解释,因富钴结壳优先选择Pt与Ir以及相对排斥Pd和Os,形成了现有独特的PGE模式.      

Pt/Pd比值:指示大洋Fe-Mn结壳铂族元素富集机制的重要指标

Fe-Mn结壳是大洋环境中极具潜力的Co资源.除富Co外,Fe-Mn结壳也明显富集铂族元素(PGE),因此也被称为富钴、铂Fe-Mn结壳.但至今对Fe-Mn结壳铂族元素来源和富集机制的认识还有争议.海水和宇宙球粒被认为是Fe-Mn结壳中Pt的两个主要来源,个别样品Pt的异常富集可能由地外物质加入所致(Halbach等,1989;石学法等,2000).Hein等(1988)认为Fe-Mn结壳中Pt、Rh、h和少量Ru主要来自海水,而Pd和大部分Ru来自碎屑.Stüben等(1999)认为低的生长速率是Fe-Mn结壳富集铂族元素的原因之一.近年来,我国学者认为Fe-Mn结壳中的铂族元素可能主要来自幔源海底玄武岩的水岩反应(姚德等,2002;何高文等,2006).     

太平洋海山富钴结壳钙质超微化石生物地层学及生长过程

正确判断富钴结壳生长年代及过程有助于研究结壳形成地质历史和重建古海洋环境.利用生物地层学方法(生物遗留印痕)对太平洋不同海山结壳样品进行生长时代和阶段研究,发现麦哲伦海山CM3D06结壳和中太平洋海山CB14结壳最初形成年代和富集特征差异显著: 前者为白垩纪(或更古老)、晚古新世-早始新世、中-晚始新世、中-晚中新世、上新世-更新世等5个阶段;后者为晚古新世-早始新世、中-晚始新世、中中新世、上新世-更新世等4个阶段.两座海山结壳层内部超微化石组合具有极强的区域性特征,反映了大洋环境对生物的影响以及生物对环境的适应.结壳层间的不整合和结构构造的变化指示在渐新世其生长存在间断期,与成矿作用的间断有关.      

中太平洋多金属结壳的地球化学特征

采用XRF和ICP AES法对中太平洋CA等6座海山的4 0多个站位的多金属结壳中化学元素进行测试与分析, 并结合其他资料对调查区结壳主要成矿元素的含量组成、特征变化、元素间的相关关系以及结壳与水深、地形等重要环境因子进行探讨.研究表明太平洋海山结壳中元素丰度特征具有多种变化类型, 中太平洋结壳主成分和成矿元素丰度明显高于马绍尔群岛, 而与西北太平洋、麦哲伦海山相近; 中太平洋结壳化学元素相关关系分析表明: Ca与P、Al与K呈显著正相关性; Mn与Al呈显著负相关性.研究还发现中太平洋结壳富Co(0.6 3%)而贫Cu(0.1 1 %)及高Fe(1 6.9%)低Mn(2 1.3%)的分布特征, 与深海多金属结核在含量分布特征上存在较大差异.与多金属结核相比: 结壳中Mn组元素含量显著降低, Fe组元素含量和稀土总量明显增大, 尤其是Co和REEs的变化最为突出。      

钴结壳矿区圈定和资源评价的参数指标

大洋海山钴结壳集海洋资源和环境双重信息, 各国对它的调查研究方兴未艾.钴结壳资源勘查的最终目的是圈定钴结壳矿区和开发钴结壳资源.迄今为止, 国内外尚未就钴结壳矿区圈定和资源评价给出具体的参数指标, 基于我国近十年对西太平洋26座海山钴结壳资源调查, 结合太平洋环境资料, 在深入分析钴结壳厚度、丰度、品位、覆盖率、资源量、面积, 海山坡度和水深资料的基础上, 对13座重点海山进行了钴结壳矿区圈定、资源评价和钴结壳分布规律的系统研究, 进而提出圈定钴结壳矿区的八项重要参数指标: 钴结壳矿区的结壳厚度为≥3cm或≥4cm, 取决于海山具体地理位置; 水深为≤2500m或≤3000m;Co含量为≥0.50%或≥0.60%;丰度为≥60kg/m2或≥70kg/m2; 坡度为≤15°; 结壳覆盖率为≥30%;钴结壳矿区的申请面积为17000~20000km2, 矿区最终保留面积为5000~6000km2.钴结壳矿区8项参数指标的提出, 将有力地促进大洋钴结壳矿区圈定、资源量计算和资源评价工作, 为我国积极参与联合国海底管理局制定钴结壳资源开发利用规章制度提供量化参考指标.      

富钴结壳生长过程中铁锰氧化物

富钴结壳的矿物学研究是一个难点.本文运用电子探针微区分析结合X射线衍射和矿相显微镜观察的综合方法对富钴结壳中的铁锰氧化物矿物组合及其组分变化进行了研究.研究发现,富钴结壳是从与胶状粘土类混合共沉积开始生长的,结壳内部的韵律层和柱状构造也是始于粘土层终于粘土层的;铁锰团粒的核心一般是较纯的水羟锰矿小核心,可能是在生物媒介作用下在水体中形成后沉降叠积的.FM、FPE海山结壳的中层存在一较纯水羟锰矿层,但该层中Co含量FM15比FPE06低得多,可能反映了FM15在该层形成时Co通量较低.而该层在FN12中不存在,反映了区域环境的较大差异.在FN12火焰状构造亚带存在Mn氧化物和Fe氧化物的极度分异现象,可能反映了结壳形成环境的重大变化.     

中太平洋海山富Co结壳稀土元素及其对成矿环境的指示意义

稀土元素是富结壳中典型的富集元素(Ap-lin和Cronan,1985;Byrse和Kim,1990;Elderfield和Greaves,1982;Suave等,1989),由于其具有地球化学性质相似而成群存在及其在环境改变情况下发生分馏的双重属性,成为研究富钴结壳成矿和古海洋环境演化的有效参数.本文在中太平洋海山CAD-25-1富Co结壳生长年龄和生长世代确定的基础上,通过其壳层稀土元素含量的变化规律研究,揭示中太平洋海山结壳的生长发育与海洋环境演化的关系.     

太平洋海山钴结壳资源量估算

为合理地估算出太平洋海山钴结壳资源量, 基于我国西太平洋海山钴结壳拖网采样调查资料以及对太平洋海山钴结壳资源分布规律和钴结壳矿区圈定参数指标的深入研究, 创造性地按海山不同高度、不同洋壳年龄赋予不同结壳厚度, 进而首次计算出太平洋海山干结壳资源量为(507.06~1 014.11)×108 t, 锰为(111.15~222.29)×108 t, 钴为(3.04~6.08)×108 t, 镍为(2.23~4.46)×108 t, 铜为(0.66~1.32)×108 t, 结壳分布面积为2 062 862 km2.通过Co通量与结壳Co沉积量、结壳厚度的相关分析表明, 赋予不同洋壳年龄段的结壳厚度是理论厚度的6.10%~12.20%, 这与Ku et al.得出"结壳生长时间只占其整个生命史4%"的认识非常相近, 说明所赋结壳厚度基本合理, 得出的结壳资源量基本正确.为整个大洋海盆内海山钴结壳资源量的估算提供了新方法.      

中西太平洋海山富钴结壳中稀土元素分布特征

<正>中西太平洋海山是富钴结壳广泛分布的区域,大量文献报道了该区域富钴结壳中稀土元素特征。富钴结壳中稀土元素含量受控因素较多,其中磷酸盐化作用是影响富钴结壳中稀土元素含量的重要因素之一(王吉中,2005)。稀土元素Ce、REE3+和Y在富钴结壳中富集特征也不同。因此,未对富钴结壳及稀土元素进行分类,而简单的对其稀土元素总量取平均值进行比较,很难准确地反映不同海区内富钴结壳中稀土元素的     

多金属结壳Os同位素组成区域性和阶段性偏高异常

Os同位素地层法可以得到包含生长间断期的分辨率较高的结壳年代框架,相对传统定年方法具有更优的发展前景.在比对多金属结壳分层Os同位素组成曲线与大洋海水标准曲线从而为多金属结壳定年的同时,研究标准曲线的区域性特征及其与壳源、幔源物质供应的关系.依据比值和趋势贴合原则,得到的多金属结壳生长期包括80~75 Ma、70~65 Ma、60~50 Ma、42~40 Ma、35~28 Ma、15~10 Ma、8~0 Ma.在中、西太平洋地区,麦哲伦和马绍尔海山区结壳Os同位素组成测定值与标准曲线形态和取值贴合良好,而马尔库斯威克和莱恩海山区结壳测定值虽与标准曲线趋势较为贴合,但分别在7 Ma以来和33 Ma以前相对标准曲线取值异常偏高.这种异常偏高现象的出现与2个海山区进、出盛行西风带和赤道信风带的过程有关,结壳在处于风带时接收到风力输运的美洲和亚洲陆源风尘物质,使得其记录的Os同位素组成相对标准曲线偏高.      

浅地层剖面测量和海底摄像联合应用确定平顶海山富钴结壳分布界线

平顶海山富钴结壳分布上界的确定对准确估算结壳资源量至关重要.长期以来, 这一问题未能有效解决.通过浅地层剖面测量和海底摄像的首次联合应用, 发现浅地层剖面测量揭示的海山浅部地层结构与海山结壳的分布具有明显的相关性, 沉积物分布的上界往往与结壳分布下界对应.通过对浅剖测量结果的分析, 并对比海底摄像资料, 可以确定沉积物分布的下界, 进而推断结壳分布的上界, 据此判断西太平洋某海山结壳分布的上界水深为1560m左右.      

中太平洋富钴结壳WXD27的年代学研究

通过针对系统取自中太平洋富钴结壳WXD27的顶部至其底部(1 mm～2 mm为间隔取样)样品进行的Co含量(中子活化方法)测试,拟合出不同深度壳层的富钴结壳生长速率曲线,以此推导富钴结壳Co含量的定年积分公式,并利用10Be定年方法,对Co含量定年的准确性进行检验.时超微量Sr同位素测试得到的富钴结壳磷酸盐年龄进行分析认为:(1)上部富钴结壳与上层白色磷酸盐化层接触部位的年龄为14.9 Ma;(2)自14.9 Ma以来,结壳的生长是连续的,沉积间断发生的可能性非常小,该样品可以用来进行14.9 Ma年以来古海洋、全球变化的重建工作;(3)上层白色磷酸盐化层与其上部的富钴结壳之间存在4 Ma的沉积间断;(4)19 Ma～22.7 Ma左右在该区发生过大规模的磷酸盐化作用,磷酸盐化作用可能造成磷酸盐化时期(19 Ma～22.7 Ma)和之后4 Ma(19 Ma～14.9 Ma)富钴结壳的沉积间断;(5)结壳的初始生长年龄在75 Ma左右;(6)老结壳的生长速度要远低于新结壳的生长速度.     

磷酸盐化作用对富钴结壳元素相关性的影响

为了探讨磷酸盐化作用对富钴结壳元素相关性的影响,用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)和重量法测试了中太平洋CX海山富钴结壳的主、微量元素及稀土元素.首先以P质量分数和Y异常把富钴结壳分为磷酸盐化型[w(P)＞0.57%且具有正Y异常]和未磷酸盐化型[w(P)＜0.57且具有负Y异常].结果表明,相比于未磷酸盐化型结壳,磷酸盐化型结壳中某些元素出现相对亏损和富集,其中亏损元素的亏损顺序为Si＞Al＞Fe＞Co＞Li＞K＞Pb＞Na＞Mg＞V,而富集元素的富集顺序为P＞Ca＞REE＞Ba＞Sc＞Mo＞Cu＞Ni＞Ti＞Sr＞Zn＞Mn;两类结壳相同元素问的相关性既有共性也有差别,Si-Al、Si-Fe和Si-Ca 等元素间的相关性在两类结壳中变化不大,而P-Mn,P-Fe,Mn-Fe,Fe-Co等元素间的相关性则发生重要改变,这些相关性发生变化的元素对可指示结壳是否遭受磷酸盐化作用,元素丰度以及元素相关性的变化与磷酸盐化作用引起的结壳矿物组成变化有关.     

古海洋事件对富钴结壳生长的影响

为审视海洋环境对富钴结壳不同生长阶段物质来源及富集的影响,选取具有多层构造的富钴结壳MHD79进行Os同位素及多种化学元素分析.样品由DY105-15航次取自中太平洋MH海山.结壳厚9.7cm,板状,从内到外分为6层,由下到上取样20个(图1).