論中太平洋海山富鈷結(jié)殼的分布

論中太平洋海山富鈷結(jié)殼的分布

富鈷結(jié)殼是繼多金屬結(jié)核之后，由塞伯格生產(chǎn)的另一種重要海底資源。它富含co、mn、ni、cu、pt等經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的金屬元素，其中co的平均含量比當(dāng)?shù)卦尖捄扛?0倍。20世紀(jì)80年代初,作為一部“壓縮的古海洋環(huán)境記錄儀”,富鈷結(jié)殼憑其潛在高經(jīng)濟(jì)價(jià)值和在國(guó)際海底區(qū)域的特殊法律地位等,備受世界各國(guó)的廣泛關(guān)注,掀起了一場(chǎng)世界范圍內(nèi)的海山富鈷結(jié)殼勘探與研究的熱潮。盡管從礦物學(xué)、地球化學(xué)、膠體化學(xué)、古海洋學(xué)、古生物學(xué)等角度對(duì)富鈷結(jié)殼的研究已取得了引人注目的成就[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31],但關(guān)于海洋富鈷結(jié)殼的成因目前仍存在爭(zhēng)論。中西太平洋海山區(qū)不僅是太平洋中海山富鈷結(jié)殼廣泛分布的重點(diǎn)區(qū)域,而且也是迄今為止世界上海山富鈷結(jié)殼資源調(diào)查和研究最為關(guān)注的地區(qū)。富鈷結(jié)殼作為一種表層礦物,它的成礦物質(zhì)主要來(lái)源于海水,部分來(lái)自生物遺體分解產(chǎn)物,但板內(nèi)熱點(diǎn)型海山作為富鈷結(jié)殼的賦存場(chǎng)所,對(duì)它的生長(zhǎng)和保存也起到了一定的作用。當(dāng)前關(guān)于富鈷結(jié)殼的大量研究已經(jīng)表明,它是一類(lèi)與熱點(diǎn)火山成因海山有關(guān)的海底礦產(chǎn),一般產(chǎn)于海山平頂周?chē)昂Ｉ叫逼律?它的成礦與海底火山活動(dòng)、海洋物理化學(xué)條件、海山地形地貌、附著巖石(基巖)及海山表層沉積物等密切相關(guān)。但對(duì)于為何它會(huì)密集分布在近赤道的麥哲倫海山鏈和中太平洋海山群地區(qū)、為何只分布在熱點(diǎn)型板內(nèi)海山上而洋底卻少有分布、各海山之間富鈷結(jié)殼有何差異等等問(wèn)題,目前尚缺少構(gòu)造學(xué)角度的探討。另外隨著海洋地球物理調(diào)查的深入和大洋鉆探資料的積累,已逐漸明晰分布于太平洋洋底的海山和裂隙斷裂帶、海脊、海底高原與海隆等構(gòu)造。本文擬以中太平洋海山群和麥哲倫海山鏈為例從海山形成的構(gòu)造學(xué)背景出發(fā),粗略地探討形成海山的火山巖漿活動(dòng)跟富鈷結(jié)殼生長(zhǎng)之間的關(guān)系,及對(duì)富鈷結(jié)殼的形成與分布產(chǎn)生的影響,為找出更有資源潛力的海山和正確評(píng)價(jià)富鈷結(jié)殼的資源前景服務(wù)。1麥哲倫火山鏈中西太平洋海山區(qū)通常是指地理范圍在0°～30°N、145°E～165°W及其周邊區(qū)域。其所在的太平洋板塊是地球表面最大的板塊,其演化歷史長(zhǎng)達(dá)165Ma,具有“東西分帶,南北分塊”的特征。概括而言,中西太平洋洋殼的形成發(fā)展大致經(jīng)歷了晚侏羅世至早白堊世的海底擴(kuò)張階段(距今約153～110Ma)——早白堊世晚期至晚白堊世的板塊調(diào)整、重組、板內(nèi)強(qiáng)烈?guī)r漿活動(dòng)階段(約110～80Ma)——晚白堊世至第四紀(jì)的新生代海底擴(kuò)張?jiān)錾A段(約80～0Ma)3個(gè)階段。該區(qū)位于太平洋海盆最古老的中生代洋殼上,其西部洋殼年齡超過(guò)了165Ma。大部處于中生代磁靜區(qū),區(qū)內(nèi)主要有3組不同走向的磁條帶,分別是北面的近NEE向展布的磁條帶、東面近NWW向展布的磁條帶和南面幾近EW向延伸的磁條帶。區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造異常發(fā)育,恰好位于東北斷層系與西斷層系這兩大太平洋斷層系相交匯的地方,WSW-ENE向的門(mén)多西諾斷層帶、奇努克斷層帶、塞爾維奧斷層帶、門(mén)多西諾斷層帶、帕依奧尼爾斷層帶、默雷斷層帶和莫洛凱斷層帶等斷層均向西延伸到此,尤其是門(mén)多西諾大斷層橫穿了該區(qū)域,NNW-SSE向的卡西摩斷層帶、天皇斷層帶和摩姆斷層帶等斷層向南延伸到此。除了這兩個(gè)大斷層系以外,該區(qū)還分布著一系列的NE向和NW向的次一級(jí)小斷層。它還是太平洋中大火成巖省的主要分布區(qū)域,處于太平洋中最大的3個(gè)大火成巖省的北部,其中包含了翁通—爪哇和瑙魯盆地的一部分。其上海山排列各異,或成鏈狀或聚集成群,是太平洋內(nèi)板內(nèi)熱點(diǎn)型海山最密集分布的區(qū)域,也是太平洋中洋殼年齡最老、磁異常最復(fù)雜、海山分布最密集且EW向斷裂和NW向斷裂相交匯的區(qū)域。麥哲倫海山鏈?zhǔn)菐?kù)拉板塊內(nèi)部的規(guī)模較大的一條海底火山鏈,位于西北太平洋馬里亞納海溝東側(cè)、皮嘉費(fèi)他海盆和東馬里亞納海盆之間。該海山鏈北臨EW向展布的馬爾庫(kù)斯—威克群島,東臨EW向展布的中太平洋海山群,東南臨近NNW向展布的馬紹爾—吉爾伯特海山鏈。它主要由10多座相對(duì)獨(dú)立的平頂海山組成,整體上大致呈NW方向鏈狀延伸,長(zhǎng)近1200km,但單從每座海山基座的等深圈閉線和海山整體形態(tài)來(lái)看,單座海山的走向卻為NE方向。麥哲倫海山鏈所在區(qū)內(nèi)有兩組NE走向的中生代磁條帶,一組分布在海山鏈的東北側(cè)(M25—M37),一組分布在海山鏈的西南側(cè)(M25—M38),ODP129航次的800孔位于M33磁條帶所在的位置,801孔位于皮嘉費(fèi)他海盆中部的磁靜區(qū)。從上述磁條帶的分布位置來(lái)看,這兩組磁異常條帶應(yīng)為同一擴(kuò)張軸活動(dòng)的產(chǎn)物,擴(kuò)張軸位于M25西北面,軸向亦為NE向。另外,這些NE向展布的磁條帶明顯被橫穿該區(qū)的NW向斷裂錯(cuò)開(kāi)。其盾形火山巖基底主要由早白堊世的拉斑玄武質(zhì)枕狀熔巖組成,其次有晚白堊世—老第三紀(jì)的亞堿性玄武巖,以及新第三紀(jì)的堿性玄武巖和火山碎屑巖,年齡主要為119～74Ma?；鹕交字系某练e物主要有早白堊世—古新世的生物礁灰?guī)r(遭受不同程度的磷酸鹽化)、泥巖等,始新世—早中新世的有孔蟲(chóng)灰?guī)r及第三紀(jì)—全新世的有孔蟲(chóng)砂、軟泥等硅、鈣質(zhì)沉積物,沉積厚度不等。海山頂面松散沉積物厚度可達(dá)80～100m。研究表明,從侏羅紀(jì)至第三紀(jì)期間,在該海山鏈的位置曾經(jīng)發(fā)生過(guò)5期火山活動(dòng),見(jiàn)表1。中太平洋海山群位于中太平洋海盆北部,其嚴(yán)格的地理位置為165°W～170°E,17°N～23°N,恰好位于太平洋海山密集區(qū)的中心部位,其四周分布著一系列NW走向的線性列島及規(guī)模巨大的水下海山鏈,它們以特定的地理位置及巖石類(lèi)型構(gòu)成了相對(duì)較為獨(dú)特的海山區(qū),如天皇—夏威夷海山區(qū)、馬爾庫(kù)斯—威克群島區(qū)、麥哲倫海山區(qū)、馬紹爾海山區(qū)和萊恩海山區(qū)等。中太平洋海山群無(wú)論是海山排列形態(tài)上還是其走向上都與上述海山區(qū)有著顯著的差異,海山主要呈簇狀分布,且近EW向展布,多為孤立狀、雙峰狀、多頂狀平頂海山,是太平洋中海山呈簇狀分布密度最高的一個(gè)區(qū)域。研究表明有兩組走向幾近垂直的斷裂穿過(guò)該區(qū)域,一組是ENE向斷裂,另一組是NNW向斷裂,并且沿?cái)嗔鸦蛟趦山M斷裂的交叉部位發(fā)育了眾多的海山。該區(qū)的磁條帶(M1、M4、M8、M11)呈近NNW向展布。根據(jù)海山巖石的Ar40/Ar39同位素測(cè)年資料,海山的同位素年齡大致在65～130Ma之間,基底巖石主要由中白堊世的拉斑玄武巖及橄欖玄武巖組成,局部海山還見(jiàn)有新生代的堿性火山巖?；鹕交字系某练e物有晚白堊世的生物碎屑灰?guī)r、礁灰?guī)r、泥巖等;中始新世—中新世的含超微化石的白堊;更新世—第四紀(jì)的有孔蟲(chóng)砂、鈣質(zhì)軟泥等以及形成時(shí)代不清的燧石巖。海山頂面沉積物厚度不同,山頂及坡度較緩處沉積厚度較大。2富鉻結(jié)殼的空間分布格局富鈷結(jié)殼是一種結(jié)晶程度很低的礦物,主要以“殼狀”沉積物形式廣布于世界大洋的水下板內(nèi)熱點(diǎn)型海山上,但也并非所有的海山上都有富鈷結(jié)殼分布。從地理分布特征看,它的分布與大洋多金屬結(jié)核相類(lèi)似,主要集中在35°N～45°S之間的Fe—Mn建造帶內(nèi),由北往南依次為北近赤道帶、赤道帶和南近赤道帶這3個(gè)亞帶。調(diào)查表明,太平洋的富鈷結(jié)殼最發(fā)育,印度洋和大西洋次之。西太平洋北近赤道帶的夏威夷海嶺、約翰斯頓島、馬紹爾群島、麥哲倫海山、中太平洋海山群等海嶺及南近赤道帶的薩摩亞島、庫(kù)克島、菲尼克斯島、土阿默土島等的富鈷結(jié)殼最為發(fā)育,且北近赤道帶的富鈷結(jié)殼比南近赤道帶的更發(fā)育[28,29,49,50,51,52,53],顯示出富鈷結(jié)殼的空間分布以主要發(fā)育在西北太平洋海域?yàn)樘卣?這顯然與該區(qū)的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)、海山演化及古環(huán)境等諸因素密切相關(guān)。從發(fā)育部位看,主要分布于碳酸鹽補(bǔ)償深度(CCD)以上、最低含氧層(OMZ)中或最低含氧層以下水深500～3500m的平頂海山、海臺(tái)頂部和斜坡的裸露基巖上。從分布的構(gòu)造環(huán)境看,主要分布在那些遠(yuǎn)離板塊構(gòu)造活動(dòng)帶、斜坡穩(wěn)定、坡角適中的板內(nèi)水下平頂海山上,而在活動(dòng)的洋中脊、活動(dòng)的火山弧、現(xiàn)代大陸向洋底的延伸部分、鄰近巨大的珊瑚礁及環(huán)礁、地形陡峭的平頂海山、由轉(zhuǎn)換斷層分隔的孤立斷塊以及底層水流速大于30cm/s等環(huán)境處的富鈷結(jié)殼分布則很少。從產(chǎn)出形式看,一方面以板狀結(jié)殼的形式連續(xù)分布在海山的上斜坡或侵蝕臺(tái)地(或階地)上;另一方面呈碎石、礫石、角礫或“堆積層”形式分布在海底及海山下部。結(jié)殼元素的變化及其成礦作用是諸多地質(zhì)作用的反映。與深海多金屬結(jié)核相比,富鈷結(jié)殼一般形成于最低含氧層之下、碳酸鹽補(bǔ)償深度以上、水深1000～3000m、基底巖石主要為玄武巖的水下平頂山上,且在平頂海山的上斜坡最發(fā)育,平頂海山的頂面及其較深部位的下坡則不發(fā)育。富鈷結(jié)殼的多層結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的明暗相間的微紋層構(gòu)造,暗示著其生長(zhǎng)環(huán)境中氧化還原條件和沉積速率的周期性變化。3麥哲倫火山鏈和中太平洋的形成背景分析已有研究表明,麥哲倫海山鏈和中太平洋海山群這兩個(gè)典型區(qū)域中海山均是由南太平洋同位素?zé)岙惓^(qū)的法屬玻利尼西亞熱點(diǎn)群在白堊紀(jì)期間發(fā)生大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)活動(dòng)而形成的,通過(guò)區(qū)內(nèi)多個(gè)熱點(diǎn)的多期噴發(fā)再加上太平洋板塊的西向運(yùn)動(dòng)和北向運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期漂到了目前的位置,在水平漂移的同時(shí)還受到了沿途各種構(gòu)造活動(dòng)的改造作用(如斷裂作用、大火成巖省活動(dòng)、熱活化等),曾發(fā)生過(guò)多次上抬和下沉。但兩者無(wú)論是在區(qū)內(nèi)海山分布上還是海山本身的形狀上都是顯然不同的,麥哲倫海山的十幾座海山明顯排列成鏈狀,但鏈上海山年齡又顯然不像由單熱點(diǎn)形成的天皇—夏威夷海山鏈那樣有規(guī)律的變化,海山均為平頂狀;但相比較之下中太平洋海山群各海山的分布就要復(fù)雜得多了,這些海山以不同的姿態(tài)密集分布成如一火鳳凰狀。由海山追蹤結(jié)果和有效彈性厚度大小分析,麥哲倫海山鏈的形成跟法屬玻利尼西亞熱點(diǎn)群西側(cè)的幾個(gè)大致呈NNW向排列的熱點(diǎn)的火山巖漿活動(dòng)更為密切一些,而中太平洋海山群的形成則似乎主要由東側(cè)的幾個(gè)熱點(diǎn)的活動(dòng)形成的,它所具有的獨(dú)特的這種呈近EW向展布的形態(tài)也與這幾個(gè)東側(cè)的熱點(diǎn)的無(wú)規(guī)律分布有關(guān)。國(guó)內(nèi)外對(duì)賦存于洋底海山上的富鈷結(jié)殼進(jìn)行大量調(diào)查研究后認(rèn)為,這兩個(gè)區(qū)域是目前太平洋中富鈷結(jié)殼分布最密集的區(qū)域,而且資源量大、品位高、產(chǎn)出部位淺、易于開(kāi)采。麥哲倫海山鏈和中太平洋海山群海山上之所以富集富鈷結(jié)殼且具有很好的開(kāi)采前景,顯然與該處所處的地理位置有關(guān)。顯然它所在的位置的各種自然條件(包括光照、氣候、海流等等)為該區(qū)富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)提供了有利的溫度環(huán)境、礦源物質(zhì)、浮游生物生長(zhǎng)環(huán)境等等,而且結(jié)殼的分布跟該區(qū)所處的構(gòu)造背景也有著密不可分的關(guān)系。從上述這些構(gòu)造特征來(lái)看,海山為富鈷結(jié)殼的形成主要提供了以下幾個(gè)有利的條件:(1)白堊紀(jì)期間南太平洋法屬玻利尼西亞熱點(diǎn)群發(fā)生的大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)事件,從地幔深處帶來(lái)了大量富Fe和Mg的巖漿物質(zhì),形成了這些海山的主體,這為富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)提供了最基礎(chǔ)的物質(zhì)。(2)這些海山均形成于當(dāng)時(shí)相對(duì)年輕的板塊上,由Sclater提出的洋底深度—年齡關(guān)系式可以知道當(dāng)時(shí)這些海山水深比較小,這為富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)提供了有利的水深條件。(3)這些海山形成后隨太平洋板塊發(fā)生水平方向的漂移,在漂移過(guò)程中海流作用適時(shí)的沖掉了其上的沉積物,這為富鈷結(jié)殼的不斷生長(zhǎng)提供了有利環(huán)境。(4)海山水平方向漂移的過(guò)程中,同時(shí)受到沿途一些熱點(diǎn)和大火成巖省及斷裂作用的改造作用,其中海山所在處巖漿的再次噴發(fā)為富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)又提供了新的物質(zhì),另一方面伴隨這些構(gòu)造活動(dòng)發(fā)生海底的抬升和沉降又為富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)提供了有利的水深。顯然,板內(nèi)熱點(diǎn)型海山的形成、水平漂移及垂直升降為其上富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)和賦存提供了有利的條件,之所以太平洋的富鈷結(jié)殼含量會(huì)比大西洋和印度洋的要多,很大程度上與太平洋中眾多板內(nèi)熱點(diǎn)型海山的形成和分布有關(guān)。麥哲倫海山鏈上海山富鈷結(jié)殼要比中太平洋海山群上海山的更具有優(yōu)勢(shì)也極可能與它們各自獨(dú)特的形成過(guò)程有關(guān)。中太平洋海山群和麥哲倫海山鏈盡管均是在白堊紀(jì)期間由位于現(xiàn)今法屬玻利尼西亞群島處的南太平洋同位素?zé)岙惓^(qū)的熱點(diǎn)群