中太平洋莱恩海山富钴结壳元素地球化学特征及成因

富钴结壳是一种经济价值高、开发前景好的海洋矿产资源,其外部形态、内部构造和地球化学特征记录了古海洋环境的演变信息。本次研究借助富钴结壳细致分层的显微构造及元素地球化学的差异分析,探讨中太平洋莱恩海山富钴结壳成因及形成过程。富钴结壳样品由上至下可分为5层,顶部较致密Ⅰ层黑褐色,表面光滑,杂质较少,具有雪松状叠层石构造,反映了沉积水动力较强;较致密Ⅱ层与Ⅰ层宏观特征类似,具有柱状和胡萝卜状叠层石构造,沉积水动力最强;疏松Ⅲ层和疏松Ⅳ层黄褐色,内含沉积物杂质,多见斑杂状构造,沉积水动力比较弱;致密Ⅴ层为磷酸盐层,具有亮黑色的沥青光泽,富含有孔虫化石,底部Ⅴ层Sr、P、Ca等元素明显富集,表明了海洋生物的明显参与,沉积水动力最弱。莱恩海山Ce异常及高钴高锰低铁特征,表明结壳长期处于氧化环境;而Mn、Fe、Co等元素地球化学特征综合表明,海洋水动力及氧化性总体表现为由底部Ⅴ层至Ⅱ层氧化性逐渐增强,至顶部Ⅰ层有所减弱的趋势;依据元素分配系数、Ce正异常、Ho正异常、Y负异常及成因三角图,判定结壳为南极底流影响下的海水成因。综合结壳年代学数据,在元素剖面中记录了三期磷酸盐化事件,恢复了莱恩海山富钴结...     

西太平洋卡罗琳洋脊CM4海山铁锰结壳矿物学和地球化学特征

2017年8月中国科学院海洋研究所在西太平洋低纬度海区的卡罗琳洋脊CM4海山开展了多学科综合调查,发现该海山山体表面分布着大量的铁锰结壳。本文对该海山的5个铁锰结壳样品进行了矿物学和地球化学研究,利用X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子光谱及质谱(ICP-OES、ICP-MS)等测试技术分析了铁锰结壳的矿物组成、主微量元素和稀土元素含量,并进一步探讨了铁锰结壳的成因类型。结果表明,该海山铁锰结壳的矿物组成以水羟锰矿为主,含有少量钡镁锰矿、水钠锰矿、针铁矿、纤铁矿、石英和方解石。该海山铁锰结壳的Mn、Fe、Co、Ni、Cu元素平均含量分别为24.24%、15.14%、0.16%、0.34%、0.01%。与全球各大洋海山区铁锰结壳相比,该海山样品的Cu含量很低。该海山铁锰结壳的稀土元素(REY)含量相对偏低,总体为轻稀土(LREE)富集;稀土(REY)配分模式显示相对平坦的特征,呈明显的Ce正异常,轻微的Y负异常和Ho正异常。样品的矿物组成、元素比值、元素组合等都表明该海山铁锰结壳属于水成成因,未受明显的成岩作用影响。     

南海东部管事海山铁锰结壳的矿物组成和地球化学特征

对于开阔大洋海山结壳的矿物组成和地球化学特征研究已经比较深入,但对边缘海海山铁锰结壳的研究却较少。以在南海东部管事海山上采集的两块铁锰结壳为研究材料,对其进行了X射线衍射、扫描电镜及电子探针微区的分析,结果显示结壳矿物以水羟锰矿为主,含有少量针铁矿,碎屑矿物主要是石英和长石。结壳的显微结构呈现条带状分布,有10～15μm长的空隙和0.5μm直径大小的孔洞。相对于大洋结壳,结壳的Mn含量较高,与马尼拉海沟附近火山喷发物质有关,但Cu、Co和Ni含量更低,可能与边缘海沉积速率高或有机络合物吸附有关。矿物组成及元素比值表明结壳主要是水成的,但未发生明显磷酸盐化作用。元素比值和相关性表明,Mn主要来源于南海扩张停止后火山喷发、玄武岩风化形成溶解Mn;Fe与Si元素均来自火山碎屑、生源物质和陆源物质,还受到管状蠕虫吸附的影响。南海管事海山结壳是在富氧环境中上升流作用下选择性吸附水体中溶解化学元素缓慢沉积而成。结壳中元素含量随时间变化趋势反映了南海的古环境变化。     

南海多金属结壳(核)铁锰矿物/海水界面效应与成矿元素的富集

海底铁锰结壳和结核是重要的海底矿产资源,蕴含着丰富的金属元素并且具有巨大的经济价值。本文主要以南海多金属结壳（核）为研究对象,采用X射线粉晶衍射（XRD）、激光拉曼光谱、红外光谱分析（FTIR）以及X射线光电子能谱对铁锰矿物的矿物学和谱学特征进行了系统的分析和研究。粉晶衍射和拉曼光谱分析结果表明,南海多金属结壳的矿物组成为水羟锰矿、石英和长石,结核的矿物组成为钡镁锰矿、水羟锰矿、石英和长石,铁相矿物均为无定形铁氧化物/氢氧化物,并且锰相矿物和铁相矿物的结晶程度均较差。红外光谱分析结果显示多金属结核和结壳中的铁锰矿物具有大量表面羟基,这些含质子表面羟基官能团,可为海水中各成矿元素的络合提供丰富的活性位点。XPS分析表明多金属结核和结壳中铁锰矿物表面以Fe、Mn和O元素为主,其中Fe呈正三价态,Mn以正四、正三价为主,可能还含有少部分正二价态。对比南海多金属结壳（核）与太平海山结壳,南海多金属结壳（核）具有更为显著的表面羟基氧（-OH）含量,而太平洋海山结壳则以晶格氧（O^2-）为主,表明太平洋海山结壳铁锰矿物结晶程度较南海多金属结壳（核）高。综合研究表明,在海底铁锰结壳和结核中（氢）氧化锰/铁矿物与海水之间界面效应对金属离子的富集机理主要有：（1）金属离子与矿物表面羟基进行络合反应,形成以配位键相连的羟基络合物,或与表面的质子交换生成稳定的内层络合物;（2）矿物的带电表面与金属离子通过静电作用形成双电层,生成外层络合物;（3）金属离子与矿物结构中的Mn、Fe离子同晶置换而成为结构阳离子。     

中太平洋富钴结壳Co元素地球化学特征

对在中太平洋研究区5座海山调查时获取的38个富钴结壳样品中主要金属元素的含量进行了化学分析,探讨了不同海山富钴结壳中Co元素含量的变化规律及结壳中元素间的相关关系,结果表明:(1)5座海山富钴结壳中的各主要金属元素含量相近,38个富钴结壳样品中Co元素的平均含量为0.67%,具有一定的开发前景。(2)不同海山富钴结壳中Co元素含量有一定变化,其变化与富钴结壳的类型、海水水深、地形地貌以及成矿作用等有密切的关系。Co元素在板状结壳中的含量为最高,在钴结核中的含量次之,而在砾状结壳中的含量为最低;富钴结壳中Co元素含量与海水水深呈负相关,浅水区富钴结壳中Co元素的含量明显高于深水区;海山地形地貌对Co元素的含量及富钴结壳的发育有一定影响,海山的椭圆状分支、支脉及边缘部分,Co元素的含量相对较高,富钴结壳发育得较好;Co元素富集成矿作用还主要受锰、铁水成成矿作用的控制。(3)富钴结壳中金属元素之间存在不同程度的相关性。Mn元素分别与Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Na、Ba、Ti等元素呈强烈的正相关,而分别与Al、Si、Ca、P、Fe、Sr等元素呈负相关;Co元素分别与Cu、Al、P、Ca等元素呈负相关;Ca元素与P元素呈强烈正相关。     

西太平洋富钴结壳矿物学和地球化学特征——以麦哲伦海山和马尔库斯-威克海山富钴结壳为例

本文对分别取自西太平洋麦哲伦海山和马尔库斯-威克海山的两块富钴结壳进行了系统的矿物学和地球化学特征的研究,运用XRD、ICP-AES(MS)等测试技术分析了结壳的矿物物相组成、主微量元素和稀土元素的组成和赋存相态,并在此基础上探讨了结壳的成因类型及成矿物质来源。研究表明,结壳主要由锰、铁相矿物组成,其中锰相矿物主要为水羟锰矿,含少量钡镁锰矿及钠水锰矿,铁相矿物为针铁矿及隐晶质-非晶质相;两结壳样品的Mn、Fe、Co、Cu、Ni平均值与中太平洋及西北太平洋富钴结壳相比基本相当,分别是20.08%和19.01%、16.28%和16.52、0.68%和0.64%、0.15%和0.09%、0.34%和0.39%,但Mn/Fe比值均偏低;∑REE平均值分别为2 182.89×10-6和1 367.29×10-6,其中,麦哲伦海山结壳的稀土元素平均值明显比中太平洋及西北太平洋结壳高,而马尔库斯-威克海山结壳则略低;LREE/HREE平均值分别为10.14和7.67,均富集轻稀土,同时具有不同程度的Ce,Gd,Ho正异常和Y的负异常。相态分析结果显示,样品中Mn、Ni、Ba、Co、Cu、Zn、Sr、Ti、REE等元素主要赋存在锰相中,Fe、Al、Pb等元素则主要赋存在非晶质和结晶质铁相中;两结壳样品均属于水成成因,未受明显成岩作用和磷酸盐化作用的影响。     

磷酸盐化对莱恩海山链MP2海山结壳Co富集的影响

利用电子探针对中太平洋莱恩海山链MP2海山典型富钴结壳样品的剖面分别进行壳层、碎屑矿物和自生矿物主元素原位分析.通过对壳层(主要的成矿金属元素、脉石元素)、碎屑矿物和自生矿物中的Si,Al,Ca和P等元素质量分数的研究,探讨磷酸盐化作用对MP2海山富钴结壳中Co元素富集的影响.发现结壳第Ⅱ层未磷酸盐化壳层存在贫钴壳层,...     

磷酸盐化作用对富钴结壳中稀土元素的影响

稀土(REY)是一组有效示踪物质源区和地质过程的元素,本研究利用X荧光光谱法(XRF)和电感耦合等离子光谱仪(ICP-MS)分析了马尔库斯-威克海山和中太平洋海山富钴结壳的主要元素和稀土元素,结合前人研究成果对比了磷酸盐化及未磷酸盐化富钴结壳的稀土特征。结果显示:磷(P)含量低的结壳具有相对低的稀土总量(∑REY),北美页岩标准化后显示铈(Ce)正异常和钇(Y)负异常;磷酸盐化后的结壳具有相对高的∑REY,并表现出Ce正异常和显著Y正异常。磷酸盐化结壳中应存在"富稀土磷酸盐"组分,特别是对Y具有重要贡献。将磷酸盐化结壳视为磷酸盐组分和结壳组分的混合,模拟结果显示富稀土磷酸盐组分具有海山磷块岩的稀土配分模式,但是其∑REY达到普通磷块岩的10倍或以上。考虑到海洋中富钙沉积物丰富,大量PO_4~(3-)不同程度地交代碳酸盐等钙质物质,容易形成贫稀土磷酸盐。而伴随结壳缓慢的成矿过程,部分磷酸盐的形成未受到碳酸盐的影响,容易形成富稀土磷酸盐。     

麦哲伦海山群M海山富钴结壳成因与成矿时代:来自地球化学和Co地层学的证据

利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)和重量法,对麦哲伦海山链西北端M海山9个站位、17个富钴结壳样品的主要元素和稀土元素进行了分析,分析结果显示,该海山富钴结壳是水成成因的,且多数富钴结壳在生长过程中没有受到磷酸盐化作用的影响.推广富钴结壳Co地层学年代计算公式的应用范围,并基于此建立了研究区富钴结壳的...     

麦哲伦海山区ME海山磁异常特征及其成因探讨

西太平洋麦哲伦海山区由于大规模火山活动的存在，深层熔岩上涌，为结壳的形成提供了丰富的物质来源。根据磁测资料，对区内ME海山磁异常特征。采用似二度体磁力剖面异常特征计算公式。用正演拟合方法来反演地下地质体产状、形态大小、基底起伏和磁性体物性参数，从而得出磁源体特征。研究海山性质及邻域洋底的地质构造特征。特别是断裂构造及其分布、岩浆活动规律以及岩石物性等有关的海山结壳的地质构造背景及其演化。为探讨地质构造对结壳的生长的控制作用提供依据。并为评价富钻结壳资源提供基础资料。     

东菲律宾海表层沉积物中元素的赋存状态

为了解东菲律宾海不同类型表层沉积物中元素的赋存状态,采用化学提取方法对有无新型铁锰结壳发育站位表层沉积物样品进行了分级提取及测试,不同类型表层沉积物中成矿和稀土元素的赋存状态总体一致,表明研究区表层沉积物形成于相似的地质和海洋环境中。成矿元素中Fe绝大部分赋存在残渣态中,Mn、Cu、Co和Ni则主要赋存在铁锰氧化物结合态中,稀土元素也主要赋存在这两个相态中,碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态对重稀土元素优先吸附或具络合作用,引起重稀土元素的相对富集和铈的负异常,残渣态优先吸附轻稀土元素,导致轻稀土元素的富集和铈的正异常,火山物质则使表层沉积物残渣态表现出铕的正异常特征。同时,不同表层沉积物样品间也存在一定的差异,这与其局部形成条件——铁锰结壳发育与否有关。     

琼东南盆地陵南低凸起深水钻井岩心的稀土元素地球化学特征及其意义

A geochemical analysis of rare-earth elements(REEs) in 97 samples collected from the core of deep-water Well LS-A located at the Lingnan Low Uplift Area of the Qiongdongnan Basin is conducted, with the purpose of revealing the changes of sedimentary source and environment in the study region since Oligocene and evaluating the response of geochemical characteristics of REEs to the tectonic evolution. In the core samples, both ∑REE and ∑LREE(LREE is short for light-group REEs) fluctuate in a relatively wide range, while ∑HREE(HREE is short for heavy-group REEs) maintains a relatively stable level. With the stratigraphic chronology becoming newer, both ∑REE and ∑LREE show a gradually rising trend overall. The ∑REE of the core is relatively high from the bottom of Yacheng Formation(at a well depth of 4 207 m) to the top of Ledong Formation, and the REEs show partitioning characteristics of the enrichment of LREE, the stable content of HREE, and the negative anomaly of Eu to varying degrees. Overall the geochemical characteristics of REEs are relatively approximate to those of China's neritic sediments and loess, with significant "continental orientation". The ∑REE of the core is relatively low in the lower part of Yacheng Formation(at a well depth of 4 207–4 330 m), as shown by the REEs partitioning characteristics of the depletion of LREE, the relative enrichment of HREE, and the positive anomaly of Eu; the geochemical characteristics of REEs are approximate to those of oceanic crust and basalt overall, indicating that the provenance is primarily composed of volcanic eruption matters. As shown by the analyses based on sequence stratigraphy and mineralogy, the provenance in study region in the early Oligocene mainly resulted from the volcanic materials of the peripheral uplift areas; the continental margin materials from the north contributed only insignificantly; the provenance developed to a certain extent in the late Oligocene. Since the Miocene, the provenance has ceaselessly expanded from proximal to distal realm, embodying a characteristic of multi-source sedimentation. In the core strata with 31.5, 28.4, 25.5, 23, and 16 Ma from today, the geochemical parameters of REEs and Th/Sc ratio have significant saltation, embodying the tectonic movement events in the evolution of the Qiongdongnan Basin. In the tectonic evolution history of the South China Sea, the South China Sea Movement(34–25 Ma BP, early expansion of the South China Sea), Baiyun Movement(23 Ma BP), late expansion movement(23.5–16.5 Ma BP), expansion-settlement transition, and other important events are all clearly recorded by the geochemical characteristics of REEs in the core.     

中国海域固体矿产资源分布及其区划——砂矿资源和铁锰(微)结核-结壳

综述和研究了我国海域砂矿资源和(微)结核—结壳的分布及其区划。我国的滨海砂矿广泛分布于渤海、黄海、东海和南海,但各省区的砂矿资源分布不同。近年来在我国海域新发现和圈定了多处砂矿品位异常区和矿物高含量区,可分为3个成矿带和24个成矿远景区,资源储量可观。在黄海、东海仅分布铁锰结核,没有发现铁锰结壳,但它们的金属元素含量低,没有潜在资源意义。南海东北陆坡、中央海盆西部和中部是(微)结核、结壳分布较多的区域。南海东北陆坡、海山及其周缘坡脚处的(微)结核、结壳其稀土元素含量较高,可能具有一定的潜在经济价值,今后调查中应引起重视。     

南海东北部陆缘地壳结构特征及下地壳高速层成因

南海东北部陆缘构造演化信息丰富,对于理解南海的演化过程至关重要。本文收集了南海东北部的深反射地震和海底广角地震成果剖面,提取地壳和下地壳高速层的厚度结果,并结合水深、重磁异常和岩石圈的流变学等地质地球物理资料,对南海东北部的地壳减薄特征、吕宋-琉球转换板块边界的性质和下地壳高速层的分布及成因进行了分析和讨论。南海东北部的地壳减薄在横向和垂向上都存在不均匀性,以下地壳减薄为主,在台西南盆地存在极端减薄地壳;南海北缘的白云凹陷、西沙海槽和西缘的中建南盆地也存在类似的极端减薄地壳,且都与刚性地块共轭或邻近,推测刚性地块的存在导致地壳初始破裂时下地壳流动和地幔上隆是局部出现地壳极端减薄的主要原因。吕宋-琉球转换板块边界两侧在海底地形、新生代反射和重磁异常等方面均存在差异,与中生代岛弧引起的高磁异常大角度相交,其可能是中生代古特提斯构造域向太平洋构造域转换的边界断裂。下地壳高速层在南海东北部广泛发育,结合其分布特征和波速比V_p/V_s的分布区间,认为其是多期次岩浆底侵形成的铁镁质基性岩。     

南海北部地球物理特征及地壳结构

为了研究南海地壳结构，中国和日本合作在南海北部首次进行了以炸药为震源的综合地球物理调查。经初步分析其地壳结构主要特征为：南海北部地壳分为沉积层、上地壳层、中地壳层及下地壳层。大陆架及上陆坡地壳厚度大、稳定。下陆坡地壳厚度除中地壳外，其他壳层厚度减薄且不稳定。深海盆地壳分３层，厚度虽薄但相对稳定，其底部缺失７．３ｋｍ·ｓ－１的高速层。测区内地壳总厚度：陆壳２６—３０ｋｍ，过渡壳１３—２２ｋｍ，洋壳为８ｋｍ。     

Minor and rare elements in manganese crusts and nodules and sediments from the Manihiki plateau and adjacent areas: Results of HMNZS Tui cruises

Six manganese crusts, 13 manganese nodules, and 16 sediments were analyzed by instrumental neutron activation analysis. Data were generated on selected major and minor elements but geochemical evaluations are based only on Fe, Sc, U, Th, and the rare earth elements (REE). Manganese crusts and manganese nodules have comparable trivalent REE contents and show a shale‐like distribution pattern. Both crusts and nodules are characterized by a positive Ce anomaly but the anomaly is higher in nodules. REE contents in manganese nodules show a linear dependence on the Fe content, and it is concluded that these elements are incorporated in the Fe‐rich (δ‐MnO₂) phase. In the crusts, the REE correlate with Sc and are therefore assumed to be associated with the clay minerals. Uranium contents are significantly higher in the crusts than in nodules whereas Th is slightly higher in the nodules. There is a clear positive correlation between U and Th in nodules but there are too few data to make a similar conclusion for crusts. Compositional data suggest a division of the sediments into two groups. The carbonate sediments have much lower REE contents and a more pronounced negative Ce anomaly than the clays, while both show a lithogenous component as indicated by a slight negative Eu anomaly.     

THE BOUGUER ANOMALIES AND DEPTHS OF MOHOROVICIC DISCONTINUITY IN THE SOUTH CHINA SEA REGION

The South China Sea is situated at the continsntal margin of South China. In this region, there are both continental and oceanic crusts. The values of Bouguer gravity anomalies on the continental shelf are low positive or low negative. Because the depth of the Mohorovicic discontinuity in this region is about 26-32 km below sea level, the crust belongs to the continental type. The values of Bouguer gravity anomalies in the deep-sea region are more than 250 mgal and the depth of the Moho-surface is about 10-15 km below sea level, so the crust is of oceanic type. The values of gravity anomalies and depths of the Moho-surface, obtained over the continental (and island) slope, range between those regions mentioned above, so the crust belongs to the transitional type. The continental crust is inferred to be directly in contact with the oceanic crust as a result of a lithospheric fault.     

西北太平洋多金属结核铂族元素地球化学特征

Polymetallic nodules and cobalt (Co)-rich crusts are enriched in platinum-group elements (PGEs),especially platinum (Pt) and may be important sinks of PGEs.At present,little information is available on PGEs in polymetallic nodules,and their geochemical characteristics and the causes of PGEs enrichment are unclear.Here PGEs of polymetallic nodules from abyssal basin in the Marcus-Wake Seamount area of the Northwest Pacific Ocean are reported and compared with the published PGEs data of polymetallic nodules and Co-rich crusts in the Pacific.The total PGEs (ΣPGE) content of polymetallic nodules in study area is 258×10~(–9) in average,markedly higher than that of Clarion-Clipperton Zone (CCZ) nodules (ΣPGE=127×10~(–9)) and lower than that of Co-rich crusts in the Marcus-Wake Seamount (ΣPGE=653×10~(–9)),similar to that of Co-rich crusts in the South China Sea(ΣPGE=252×10~(–9)).The CI chondrite-normalized PGEs patterns in different regions of polymetallic nodules and cobalt-rich crusts are highly consistent,with all being characterized by positive Pt and negative Pd anomalies These results,together with those of previous studies,indicate that PGEs in polymetallic nodules and Co-rich crusts are mainly derived directly from seawater.Pt contents of polymetallic nodules from the study area are negatively correlated with water depth,and Pt/ΣPGE ratios in nodules there are also lower than those of the Corich crusts in the adjacent area,indicating that sedimentary water depth and oxygen fugacity of ambient seawater are the possible important controlling factors for Pt accumulation in crusts and nodules.     

南海海平面对两类El Ni?o的不同响应

利用ECMWF ORAS4重构数据，分析了南海海平面异常(SLA)对东部型(EP)El Ni?o和中部型(CP)El Ni?o的不同响应特征。南海SLA在两类El Ni?o期间表现出不同的时空演变规律。对于东部型El Ni?o，南海空间平均的SLA在发展年的秋、冬季显著下降，最低可达?2 cm，并在次年开始上升，至次年冬季可达2 cm。空间分布上，在发展年秋、冬季，除越南东南部海域存在一个正异常中心外，在南海绝大部分海域，SLA均表现为显著的负异常；从次年春季开始，SLA负异常减弱，而越南东南部的正异常开始发展，直至冬季南海大部分海域以正异常为主。对于中部型El Ni?o，南海SLA在整个El Ni?o发展和衰退期间均表现为显著负异常，异常值始终维持在?2 cm左右，并且在空间上表现为全海盆一致的负异常模态。相比于传统的经验正交分解(EOF)，季节EOF(S-EOF)能够更好地刻画南海SLA在两类El Ni?o期间的时空演变特征，S-EOF的第一模态表现为中部型El Ni?o模态，而第二模态更多地表现为南海SLA在东部型El Ni?o期间的演变特征。南海海平面在两类El Ni?o期间的不同变化主要是由于海峡通道处的热量平流输运异常所产生的热比容效应导致的，但是比容海平面的贡献主要集中在南海内区和南海东部等深水海域，对于南海西部等近岸海域，海平面的变化机制还有待进一步深入研究。