中太平洋海山富钴结壳成矿的空间分布规律研究

海山是富钴结壳主要的成矿载体,结壳成矿分布不仅受到海洋最低含氧带、碳酸盐补偿深度、生物生产力、物质来源、海水氧含量等大尺度宏观因素的影响,同时也受到海山地形、沉积作用和底层海流冲刷等小尺度微观因素的控制。通过对以中太平洋R海山为主的水下结壳成矿与分布的深入研究,发现结壳富集区以海山浅水区域为主;地形地貌上的尖顶高地区、顶坡过渡带、山体鞍部、山脊、斜坡上部等区域结壳质量较好,覆盖率高;下斜坡、山谷、山顶平坦区和斜坡区平缓台地是结壳贫乏区,结壳厚度小、覆盖率也低;15°以下的小坡度地形结壳成矿较好,3°~7°最佳,15°以上的大坡度区质量有所下降,陡崖区最差。地形对结壳分布和成矿起基础性影响作用,沉积作用和底流冲刷分别起到阻滞和促进作用,海流是保持低坡度区结壳长期稳定生长的关键因素,地形控矿本质上是和底层流联合对抗沉积堆积作用的过程。     

中太平洋海山区富钴结壳地质特征

应用 X射线衍射分析、穆斯堡尔谱分析、X荧光光谱分析以及超微生物化石定年等方法对 1 998年和 1 999年“大洋一号”调查船 DY95 - 8和 DY95 - 1 0航次采集的富钴结壳样品进行了地质特征综合研究与分析 ,结果表明 :( 1 )该区富钴结壳可划分为板状结壳、砾状结壳和钴结核三类 ,均具有微晶质结构。 ( 2 )该区富钴结壳宏观构造主要呈板层状和圈层状构造 ;显微构造在形态上可大体分为柱状构造、平行纹理状构造和致密块状构造三种基本类型。 ( 3)该区富钴结壳主要由三类矿物组成 :锰矿物、铁矿物和杂质矿物。其中锰矿物为水羟锰矿和少量的钡镁锰矿 ,铁矿物主要为 β-羟铁矿 ,偶见赤铁矿和磁铁矿等 ,杂质矿物有石英、斜长石等。( 4 )该区富钴结壳主要成矿元素含量 :Fe为 1 6.86% ,Mn为 2 1 .2 6% ,Cu为 1 1 0 2 .0 9× 1 0 - 6 ,Co为 62 5 2 .72× 1 0 - 6 ,Ni为 40 64.62× 1 0 - 6 。 ( 5 )该区东部海山 ( N1～ N4海山 )比西部海山( N5、 N6海山 ) Fe元素含量高 ,Mn、 Cu、 Co、 Ni元素含量则低 ,这一差异源于海水中 Fe、 Mn等成矿元素的分离作用 ,其分离程度与海底火山作用时代以及相应的玄武岩海解风化时间长短有密切关系。 ( 6)结壳形成于第三纪古新世至第四纪更新世 :第一阶段从第三纪古新世到中新世 ,     

中太平洋海山富钴结壳与基岩关系的研究

对我国首次取得的中太平洋海山基岩和富钴结壳样品的结构构造、矿物和化学组成特征的研究表明,该区主要基岩类型为碱性玄武岩、磷块岩、磷酸盐化碳酸盐岩和燧石等,碱性玄武岩分布最广,并均有不同程度的风化.观察表明,富钴结壳的载体可以是各种岩性的基岩.玄武岩、风化火山岩和磷块岩上的结壳厚度比燧石的大,有较高的经济价值,是选矿冶炼的主要对象.对于调查区内富钴结壳形态总体上可分为三种类型:板状、砾状和结核状结壳.从以下四个方面探讨结壳与基岩之间的关系:(1)海水、基岩和结壳中主要金属元素含量特点;(2)通过聚类分析方法探讨结壳与基岩之间的亲疏程度;(3)结壳的分布特征;(4)不同基岩类型对结壳生长的影响.分析结果表明,调查区内的火山岩及磷块岩对结壳形成的贡献大(比其他类型岩石).     

中太平洋海山区富钴结壳构造与地球化学特征及意义

为了释读蕴藏在富钴结壳中的环境变化信息,运用电子探针技术对中太平洋海山CXD05结壳进行了详细的构造和地球化学研究.结果表明:1)CXD05结壳约从19.4 Ma BP(早中新世)开始发育,从基部至顶部依次发育了斑杂构造、柱状构造和纹层构造;2)结壳中亲氧元素和碎屑组分从老至新发生规律性变化.结壳构造序列反映了其生长过程中海洋动力环境能量由高到低的变化;而壳层亲氧元素和碎屑组分的变化则记录了海水的氧化程度和风尘影响强度的变化.     

中太平洋海山演化史及与富钴结壳的关系

中太平洋海山区是海山富钴结壳广泛分布的一个重点地区，目前我国正在该区进行富钴结壳资源调查，了解该区海山形成演化史对研究富钴结壳的成因及其分布规律有重要意义。根据大量的文献资料，对该区海山演化史进行了综述，并对海山与其上生长的富钴结壳的关系进行了探讨。     

中太平洋海山铁锰结壳生物地层学研究

用生物地层学方法对位于中太平洋同一座海山上的2块铁锰结壳样品进行了生物地层学详细研究,发现2块样品的生长层位对应,生物组合也相同.经鉴定,2块结壳的主要生长期都是晚古新世、中始新世至晚始新世、中中新世至上新世、上新世至更新世,2个主要的结壳生长间断分别在渐新世和早始新世.     

中太平洋结壳区海山燧石岩成因研究

燧石岩成因较为复杂,一般认为它主要是在深水环境中形成的.通过对燧石的宏观和微观特征、矿物和化学成分以及硅氧同位素组成特点,并结合区内地质构造背景等方面研究,认为中太平洋海山燧石岩是SiO₂交代有孔虫灰岩之产物.其主要特征和分析结果是:燧石中具有已硅化了的白色斑块,在显微镜下可见其岩石薄片上的有孔虫化石.有些燧石标本的局部处仍残留着有孔虫灰岩小块体(经鉴定有孔虫属正常海相).燧石岩的矿物成分为较纯的低温石英,SiO₂含量高达96%以上.具较高的δ18O值(0.032)和较低的δ30Si值(0.0004).区内断裂构造发育,出现多期火山喷发.海山形成地质时代大致在白垩纪—早第三纪,并经历了沉降过程.燧石形成于半深海环境,火山热液作用是SiO₂来源的主要渠道.     

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。     

中太平洋阿利森海山富Co结壳成矿元素的富集机制

以中太平洋阿利森海山的Al-l富Co结壳为研究对象,在其结构观察、年龄标定和生长世代确定的基础上,平均按1.3mm间隔取样,测定各分层常微量元素含量,计算了结壳中各元素的富集系数和分布系数。结合元素富集系数、分布系数和特征元素对比值,探讨了古环境演化对结壳中元素富集的制约。研究表明,结壳中富集的元素正是那些在海水中滞留时间较短的元素;结壳是海洋中"清扫"型元素重要的"汇";元素在海水的行为是其在结壳中富集的内因。碳酸盐的溶解导致的Fe、Ba的释放有利于结壳的生长,但却"稀释"了Mn、Co、Ni等元素的累积;最低含氧带的发育和南极底层水活动的加强利于Mn、Co等元素的氧化和"清扫"。结壳的生长间断是南极底层流活动减弱和活动模式发生根本转变的结果;火山活动沉积抑制了结壳的生长;6.8Ma是结壳从快速生长到缓慢生长发生转变的关键时期。     

中太平洋和中国南海富钴结壳稀土元素地球化学

对中太平洋海山和中国南沙海盆富钴结壳中稀土元素的含量、分布特征、配分模式分析结果表明:富钴结壳中稀土元素含量非常高,总量为1 380×10-6~2 360×10-6,约为正常深海沉积物和海水中稀土元素含量的10~100倍,与大陆地壳丰度相比Ce最为富集;中太平洋海山区和中国南沙海盆富钴结壳中的稀土元素配分模式与其他海域基本相同,属轻稀土元素富集、重稀土元素亏损型;Ce元素含量和轻重稀土元素的比值沿生长方向逐渐降低,底层比顶层高出近一倍;不同海域富钴结壳中稀土元素的含量变化较大,夏威夷群岛富钴结壳中的稀土元素总量最高,中太平洋海山区中等,中国南沙海盆偏低。     

Sedimentary characteristics and the implications of cobalt-rich crusts resources at Caiwei Guyot in the Western Pacific Ocean

Abstract

Cobalt-rich crust has attracted increased attention due to their economic value. Studies have indicated that seamounts in the Western Pacific Ocean are rich in cobalt-rich crust resources. The Caiwei Guyot in Western Pacific Ocean is one of the cobalt-rich crust exploration areas contracted between China and the International Seabed Authority. A large volume of research has been conducted to elucidate the tectonic evolution, basement type, sediment type, gravity and magnetic anomaly characteristics, and geochemical characteristics of shallow surface sediments at Caiwei Guyot. However, a research gap exists on the sedimentary strata below the pelagic deposits and above the volcanic basement of the Caiwei Guyot. This paper summarizes that two main types of sediments existing on the top of Caiwei Guyot. The deposition thickness on the top of Caiwei Guyot is characterized by three sedimentary centers and exposed periphery. Pelagic sediments are difficult to form at the northeastern portion and edge area of Caiwei Guyot due to the strong bottom current environment, which makes these areas suitable for crust growth. This paper delineated three cobalt-rich crust prospective areas at the Caiwei Guyot with of significant implications for exploration and mining-lease-block selections at Caiwei Guyot.     

西太平洋采薇海山群富钴结壳铂族元素地球化学特征与来源

为探讨富钴结壳铂族元素的来源,以西太平洋采薇海山群富钴结壳样品为研究对象,利用X射线衍射法、等离子体发射光谱法和质谱法,对富钴结壳样品进行了矿物组成、主量元素和铂族元素含量分析。研究表明,富钴结壳的主要结晶矿物为水羟锰矿,次要矿物有石英、斜长石、钾长石和碳氟磷灰石,同时含有大量非晶态铁氧/氢氧化物。富钴结壳中Mn和Fe含量最高,且明显富集铂族元素,铂族总量为142～1 352 ng/g,其中Pt为114～1 268 ng/g,占铂族总量的80%以上。老壳层的铂族元素含量高于新壳层,老壳层发生了磷酸盐化作用。富钴结壳的铂族元素之间发生了分异作用,Pd组（PPGE）含量高于Ir组（IPGE）。铂族元素配分模式显示Pt正异常和Pd负异常,具有Pt富集而Pd亏损特征,推测富钴结壳的铂族元素来源于洋壳蚀变过程中海山玄武岩和海水之间的水−岩反应。富钴结壳的铂族元素与CaO、P₂O₅、Ba和Cu正相关,推测铂族元素赋存于磷酸盐矿物相中。富钴结壳生长剖面从上到下,由新到老,铂族元素含量呈逐渐增加趋势,海水氧化性环境和高海洋生产力可增进磷酸盐化作用,从而进一步促进了铂族元素的富集。该研究对于揭示富钴结壳铂族元素的来源具有一定的参考价值。     

太平洋徐福海山富钴结壳稀土元素和铂族元素赋存状态研究

利用等离子体发射光谱法、等离子体质谱法以及相态分析手段,对太平洋徐福海山富钴结壳稀土和铂族元素地球化学特征、赋存状态及富集机制进行研究。结果表明,富钴结壳稀土和铂族元素明显富集,其稀土总量为1 842～2 854 μg/g,铂族总量为144～1 180 ng/g,老壳层中稀土和铂族元素含量明显高于新壳层,这可能与老壳层发生磷酸盐化作用有关。轻稀土元素含量明显高于重稀土元素含量,呈现Ce正异常而Eu无异常,具有明显Ce富集特征。铂族元素之间发生了明显分异作用,PPGE含量明显高于IPGE,表现出明显Pt正异常而Pd负异常,具有明显Pt富集而Pd亏损特征。稀土元素赋存状态显示,新壳层中稀土元素主要赋存于铁氧化物相,其富集比例为65.40%～70.05%,老壳层中稀土元素主要赋存于残渣态,富集比例为62.27%～65.77%,这可能与残渣态中磷酸盐有关。铂族元素赋存状态显示,新壳层和老壳层中铂族元素都主要赋存于铁氧化物相,其富集比例为63.66%～69.51%,残渣态(29.20%～34.68%)对铂族元素也有一定的富集能力。富钴结壳稀土和铂族元素的富集推测为铁氧化物胶体粒子的吸附作用,受海水氧化性环境影响,可溶性Ce³⁺和Pt²⁺分别被氧化成不溶性Ce⁴⁺和Pt⁴⁺,沉淀被吸附到铁氧化物相中,从而造成富钴结壳稀土和铂族元素的富集。     

海山富钴结壳的圈矿方法

对海山富钴结壳的圈矿方法进行了分析和探讨,指出海山富钴结壳圈矿的主要方法和步骤为:(1)挑选富钴结壳发育良好的海山。除大片连续厚层板状分布的结壳发育良好的大型平顶海山是重点调查的目标海山外,规模较小的尖顶海山是近年来新的圈矿目标海山。(2)确定矿块的边界位置。对选定的海山进行深海摄像、电视抓斗、拖网和浅钻等多种手段的调查,通过所取得的综合结果对矿块边界进行判断,确定准确的矿块边界。(3)计算结壳的覆盖率。利用调查所获得的矿块相关的数据和信息对矿块内结壳厚度和结壳覆盖率以及矿区资源量进行评估。     

海山微生物多样性研究进展

随着深海海山区域生物多样性的发现,人们越来越关注深海微生物的研究。海山山脉火山活跃部分具有非常广泛的特殊微生物栖息环境,因此成为人们研究海山微生物多样性的热点。但从现有报道来看,我们对海山微生物的了解还很少。作者主要针对海山、尤其是西太平洋深海海山的类型及其微生物群落(包括对铁、硫循环起指示作用的特殊群落)的研究进展进行综述。在这些研究中,通过基于SSU rDNA克隆测序、T-RFLP、系统发育比较等培养与非培养分析手段发现,西太平洋深海火山活跃海山周围具有比较高的环境多样性与特殊微生物类群多样性,其中ζ变形菌纲(ζ-proteobacteria)和/或ε变形菌纲(ε-proteobacteria)微生物是最普遍的类别。这些研究对于进一步开展其他海山的地质形成过程及微生物栖息环境与类群研究具有较大的指导意义。     

Distribution characteristics of seamount cobalt-rich ferromanganese crusts and the determination of the size of areas for exploration and exploitation

In 2001, the International Seabed Authority (ISBA) initiated the consideration relating to the Regulations for Prospecting and Exploration for Hydrothermal Polymetallic Sulphides and Cobalt-rich Ferromanganese Crusts in the Area at its 7th session. Since then, the consideration of the Regulations has been mainly focused on the size of areas to be allocated for exploration and exploitation of the crusts. This paper, based on the investigation data and the analysis of the distribution characteristics of the crusts, suggests a model for determining the size of areas for exploration and exploitation of the crusts, taking into account various factors such as production scale, crust thickness and grade, mineable area proportion, recovery efficiency, exploration venture, and so on. Through the modeling, the paper suggests that the exploration area (the area covered by each application for approval of a plan of work for exploration of cobalt-rich crusts) shall be 4 856 km² and the exploitation area (the mine site area) shall be 1 214 km², for 20 years of 1 million wet tonnes annual production.     

中太平洋富钴结壳中生物标志物、有机碳同位素地球化学及其古海洋环境意义

利用2003年大洋DY105-12,14航次在中太平洋海山获取的KXD28富钴结壳样品,采用气相色谱(GC)内标法对该结壳样品的分层样进行了可溶有机质(氯仿沥青“A”)及其族组成(饱和烃、芳烃、非烃)、正构烷烃、类异戊二烯烃的定量分析,并结合总有机碳(TOC)及有机碳同位素(δ¹³C)分析,探讨了结壳样品有机质来源及富钴结壳组成与生长环境之间的关系。结果表明:(1)富钴结壳中有机质生物母源主要为海洋生物和菌藻类,并混有少量陆源物质;有机碳同位素同样也指示了海洋水生生物碳同位素特征;(2)KXD28结壳从底层到最外层有机碳同位素发生了很大变化,结壳中有机碳同位素组成变化与结壳生长过程中的海洋环境气候相符合:富钴结壳生长前期δ¹³C组成由正变负,对应全球气候变冷,南极底层流向太平洋挺进;而富钴结壳生长后期δ¹³C逐渐偏正,与全球气候变暖和南极底层流萎缩相关联。     

Kr and Xe isotopic compositions of Fe-Mn crusts from the western and central Pacific Ocean and implications for their genesis

Kr and Xe nuclide abundance and isotopic ratios of the uppermost layer of Fe-Mn Crusts from the western and central Pacific Ocean have been determined. The results indicate that the Kr and Xe isotopic composi-tions, like that of He, Ne and Ar, can be classified into two types： low3He/4He type and high3He/4He type. The low3He/4He type crusts have low84Kr and132Xe abundance, while the high3He/4He type crusts have high84Kr and132Xe abundance. The82Kr/84Kr ratios of the low3He/4He type crusts are lower than that of the air, while the83Kr/84Kr and86Kr/84Kr ratios are higher than those of the air. The Kr isotopic ratios of the high-er3He/4He type crusts are quite similar to those of the air. The128Xe/132Xe,130Xe/132Xe and131Xe/132Xe ratios of the low3He/4He type sample are distinctly lower than those of the air, whereas the129Xe/132Xe,134Xe/132Xe and136Xe/132Xe ratios are higher than those of the air. The low3He/4He type samples have the diagnostic characteristics of the MORB, with excess129, 131, 132, 134, 136Xe relative to130Xe compared with the solar wind. The128Xe/132Xe,130Xe/132Xe and131Xe/132Xe ratios of the high3He/4He type samples are slightly higher than those of the air, and the129Xe/132Xe,134Xe/132Xe and136Xe/132Xe ratios are qiute similar to those of the air. The noble gases in the Fe-Mn crusts are derived from the lower mantle, and they are a mixture of lower mantle primitive component, radiogenic component and subduction recycled component. The helium isotopic ra-tios of the low mantle reservoir are predominantly controlled by primitive He （3He） and U and Th radiogenic decayed He （4He）, but the isotopic ratios of the heavier noble gases, such as Ar, Kr and Xe, are controlled to different extent by recycling of subduction components. The difference of the noble isotopic compositions of the two type crusts is the result of the difference of the noble isotopic composition of the mantle source reservoir underneath the seamounts the crusts occurred, the noble gases of the high3He/4He type crusts are