西太平洋海洋環(huán)境中富鈷鐵錳結(jié)殼形成的控制因素分析

西太平洋海洋環(huán)境中富鈷鐵錳結(jié)殼形成的控制因素分析

富鈷鐵錳結(jié)殼（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“富鈷結(jié)殼”或“結(jié)殼”）是一種潛在的海拔高度，產(chǎn)于塞伯格、遼向靜和海底。它主要由鐵錳氧化物和氫氧化物組成，包括co、ni、zn、pb、ree和pt等金屬元素。其中，co的平均含量比當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的鈷含量高10倍。由于富鈷結(jié)殼的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值及其在國(guó)際海底區(qū)域的特殊法律地位,20世紀(jì)80年代初,世界許多國(guó)家掀起了海山富鈷結(jié)殼勘探、研究熱潮,且一直持續(xù)到今天。對(duì)富鈷結(jié)殼的調(diào)查研究已經(jīng)開(kāi)展了近30年,積累了豐富的數(shù)據(jù)和資料,一些學(xué)者系統(tǒng)總結(jié)了其特征、分布規(guī)律和成因機(jī)制。但是由于富鈷結(jié)殼生長(zhǎng)緩慢,成礦期長(zhǎng)(最老世代的結(jié)殼年齡可達(dá)晚白堊紀(jì)),制約其成礦的要素會(huì)發(fā)生顯著的變化,因而其成礦過(guò)程和控礦要素的研究顯得很薄弱。西太平洋海區(qū)基底洋殼年齡較老,構(gòu)造歷史復(fù)雜,是海山集中發(fā)育的海區(qū),也是富鈷結(jié)殼重要的成礦區(qū)。西太平洋富鈷結(jié)殼成礦區(qū)范圍主要包括西北太平洋海盆以南,馬里亞那海溝以東,中太平洋海盆以西和卡羅林海山以北的海域。區(qū)內(nèi)主要地貌單元有麥哲倫海山群、馬爾庫(kù)斯-威克海山群和東馬里亞那海盆及皮嘉費(fèi)他海盆(圖1);富鈷結(jié)殼發(fā)育在海山之上。本文以代表性的麥哲倫海山群的MI海山和馬爾庫(kù)斯-威克海山群的Lamont海山為例,闡述富鈷結(jié)殼的控礦要素和成礦過(guò)程。1西太平洋富鈷結(jié)殼的控礦要素1.1納米視閾要素對(duì)富鉻結(jié)殼富集成礦的影響富鈷結(jié)殼控礦要素包括地質(zhì)要素、海洋要素和天文要素。由于Mn和賦存于Mn相礦物中的Co是富鈷結(jié)殼中的主要礦石元素,因此本文主要討論制約Mn和Co富集的各種因素。地質(zhì)要素主要包括海山的形成、遷移、沉降和水道的開(kāi)合等;海洋要素包括最小含氧帶(OMZ)、文石溶躍面、碳酸鹽補(bǔ)償深度和海山周?chē)Ｋ膭?dòng)力情況等;另外,以米蘭科維奇旋回為主要因素的天文要素對(duì)富鈷結(jié)殼的成礦也有一定影響。上述因素綜合控制著富鈷結(jié)殼的集礦過(guò)程和儲(chǔ)礦作用。海洋要素中的最小含氧帶是制約富鈷結(jié)殼成礦的核心控礦要素,其他控礦要素,諸如地質(zhì)要素中的海山遷移、沉降、水道的開(kāi)合等,也主要通過(guò)影響最小含氧帶與海山之間的空間位置而影響富鈷結(jié)殼的成礦。最小含氧帶及其下界面附近的水深范圍最有利于富鈷結(jié)殼富集成礦,在這一水深范圍內(nèi)發(fā)育的富鈷結(jié)殼的厚度和生長(zhǎng)速度是相鄰水層內(nèi)富鈷結(jié)殼的兩倍,Mn、Co含量和Mn/Fe值也出現(xiàn)極大值。隨水深增加,Mn、Co含量和Mn/Fe值逐漸降低。雖然天文要素的影響在富鈷結(jié)殼中有一定的記錄,但其作用周期時(shí)間尺度較短,對(duì)成礦作用的影響比較間接。所以本文選擇Mn/Fe值表征富鈷結(jié)殼成礦作用的強(qiáng)度,以最小含氧帶的核心,著重闡述地質(zhì)要素和海洋要素對(duì)區(qū)內(nèi)富鈷結(jié)殼成礦作用的控制。1.1.1內(nèi)山為海權(quán),西太平洋,在自然、古海西太平洋海山區(qū)的洋底是太平洋年齡最老的洋殼,是現(xiàn)代大洋中最早開(kāi)始擴(kuò)張的洋殼之一。該海區(qū)洋底年齡為145～175Ma,海山主要形成于侏羅紀(jì)-早白堊世,其中麥哲倫海山群形成于117～74Ma,馬爾庫(kù)斯-威克海山群形成于103～81.5Ma(圖1)。這兩個(gè)海山群形成于太平洋板塊沒(méi)有主要線(xiàn)性應(yīng)力方向的構(gòu)造背景,是多熱點(diǎn)成因的板內(nèi)巖漿作用的產(chǎn)物,具有相似的形成和演化史。海山形成后隨著太平洋板塊的漂移,逐漸向西北方向移動(dòng),且由于巖漿活動(dòng)停止而逐漸下沉到海面以下,形成平頂海山?！捌巾敗笔俏魈窖蠛Ｉ降闹饕攸c(diǎn)。平頂海山在西太平洋占海山總數(shù)的95%。每座平頂海山可劃分出臺(tái)地、陡坡帶和緩坡帶三個(gè)地貌單元。海山的山頂圈閉水深集中在約1500m和1900～2000m。海山主要的成礦作用是提供容礦空間,隨著海山的漂移和沉降,其周?chē)Ｋ某傻V條件隨之發(fā)生變化,主要表現(xiàn)為與最小含氧帶相對(duì)空間位置的變化;同時(shí),海山可改變局部海水的水動(dòng)力條件,形成有利于成礦的海水混合效應(yīng)。新生代以來(lái)影響世界大洋環(huán)流變化的重大構(gòu)造事件主要有:始新世晚期(34～30Ma)德雷克水道向深層水張開(kāi);晚漸新期(約25Ma)南塔斯曼海隆與南極洲最終分裂形成深而窄的通道,形成環(huán)南極流,限制了漸新世初期(約34Ma)開(kāi)始活動(dòng)的南極底層水(AABW)的活動(dòng)強(qiáng)度;中中新期早期(約15～16Ma)冰島-法羅海檻下沉,北冰洋高密度海水涌入大西洋,形成北大西洋深層水(NADW);中中新期早期(約14Ma)印度尼西亞水道閉合,印度洋與太平洋之間的深層水終止交換;上新世末(約3～4Ma)巴拿馬水道閉合,NADW加強(qiáng),赤道環(huán)流最終結(jié)束,形成現(xiàn)代大洋環(huán)流模式。水道的開(kāi)合可以改變大洋環(huán)流模式,改變海水水化學(xué)結(jié)構(gòu),從而改變了富鈷結(jié)殼的成礦條件,特別是AABW和NADW直接制約著太平洋最小含氧帶的下界面深度。1.1.2最小含氧帶的確定海水水體中制約大洋鐵錳沉積成礦的水化學(xué)障有:最小含氧帶、文石溶躍面、方解石溶躍面、碳酸鹽補(bǔ)償深度和二氧化硅溶躍面等。其中最小含氧帶是最重要的控制富鈷結(jié)殼成礦的水化學(xué)障。在層化結(jié)構(gòu)海水水體中,最小含氧帶是溶解氧含量相對(duì)較小的水層?，F(xiàn)代太平洋最小含氧帶的空間分布總體特征呈東厚西薄、北厚南薄的趨勢(shì),研究區(qū)內(nèi)最小含氧帶水深為800～1000m。該帶中與生物活動(dòng)密切相關(guān)的金屬元素和營(yíng)養(yǎng)鹽(如Mn、Cd、Co、硝酸鹽、磷酸鹽等)富集,最小含氧帶中的元素是富鈷結(jié)殼的直接來(lái)源。1.2富聯(lián)亞—太平洋板塊漂移對(duì)富鈷結(jié)殼成礦的控制作用通過(guò)新生代太平洋兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)段(65Ma和23Ma)的古地理圖(圖2)的重建,可以闡明海山漂移、水道開(kāi)合和大洋環(huán)流等要素對(duì)富鈷結(jié)殼成礦作用的制約。圖2(a)顯示65Ma時(shí)環(huán)南極水道尚未打開(kāi),研究區(qū)(以MID29和CLD09結(jié)殼樣品為代表)處于古太平洋的中央、赤道偏南海區(qū)。此時(shí)研究區(qū)東距太平洋洋中脊約40～60°,西距陸地約50°,距離洋中脊和俯沖帶都比較遠(yuǎn),因此洋中脊和俯沖帶熱液成因的Fe和Mn難以直接提供給研究區(qū)成礦物質(zhì);富鈷結(jié)殼成礦物質(zhì)主要來(lái)自海山周?chē)暮Ｋ?。赤道海域表層洋流的輻散作用?dǎo)致研究區(qū)內(nèi)表層生物初級(jí)生產(chǎn)力較高,由于“生物泵”是海水中成礦金屬元素垂向運(yùn)移的主要途徑,該海域中有相對(duì)較多的成礦元素沉降、聚集在最小含氧帶,為富鈷結(jié)殼成礦提供充足的物質(zhì)來(lái)源。盡管成礦物質(zhì)充足,但是此時(shí)全球氣溫較高,地球處于“溫室期”,兩極無(wú)冰蓋,大洋深層洋流循環(huán)遲緩,深層水溶解氧含量較低,不利于海水中的Mn和Fe發(fā)生氧化,因而不利于積聚在最小含氧帶中的Mn和Fe最終氧化與沉淀而形成富鈷結(jié)殼。23Ma時(shí)南極-塔斯曼水道和德雷克水道已經(jīng)張開(kāi),環(huán)南極流和南極底層水業(yè)已形成。研究區(qū)向北漂移至15°N附近,遠(yuǎn)離了赤道高生產(chǎn)力海域,進(jìn)入北太平洋渦漩的中心地帶。渦漩中心海水的輻聚導(dǎo)致區(qū)內(nèi)初級(jí)生產(chǎn)力降低,進(jìn)而引發(fā)“生物泵”垂向輸運(yùn)成礦元素能力的降低,成礦元素下沉通量降低,不利于成礦元素在最小含氧帶中的聚積。盡管成礦物質(zhì)供給較赤道區(qū)弱,但此時(shí)深層水的溶解氧含量較高,最小含氧帶與富氧的深層水間發(fā)育了有利于海水中變價(jià)元素氧化沉淀的水化學(xué)障,促進(jìn)了積聚在最小含氧帶中的Fe、Mn氧化形成富鈷結(jié)殼。1.3代際變化對(duì)海底和地層的影響由于大洋水體具有層化結(jié)構(gòu),不同深度的水化學(xué)障不同。因此隨著海山的沉降,海山所處的水化學(xué)環(huán)境也發(fā)生變化。為了估算研究區(qū)兩個(gè)樣品(MID29和CLD09)所在站位的下沉深度,根據(jù)文獻(xiàn)的GDH1模型,估算了研究區(qū)新生代海山的熱沉降曲線(xiàn)。研究區(qū)熱沉降是由兩類(lèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的:一是由洋殼冷卻而發(fā)生的熱沉降;二是由板內(nèi)巖漿作用產(chǎn)生的熱隆起發(fā)生的沉降。CLD海山(基底洋殼的年齡為165～170Ma)和MID海山(基底洋殼的年齡為145～155Ma)在74Ma時(shí)基本結(jié)束了洋殼的熱沉降,因此可以假定74Ma(研究區(qū)內(nèi)最年輕的火山年齡)以來(lái)基底洋殼保持穩(wěn)定,從而只估算板內(nèi)巖漿作用產(chǎn)生的熱隆起引發(fā)的沉降。麥哲倫海山群最年輕的海山年齡為74Ma,馬爾庫(kù)斯-威克海山群最年輕的海山年齡為81.5Ma,所以推測(cè)74Ma時(shí)該海區(qū)板內(nèi)巖漿活動(dòng)停止,由它產(chǎn)生的熱隆起開(kāi)始發(fā)生熱沉降。假定板內(nèi)巖漿活動(dòng)導(dǎo)致的熱隆起沉降的模式與洋中脊的熱沉降模式相同,可估算研究區(qū)海山的熱沉降曲線(xiàn)(圖3)。新生代海平面的變化幅度小于250m,對(duì)研究區(qū)海山水深的影響并不明顯。由圖3可見(jiàn),以現(xiàn)代海平面為基準(zhǔn),古新世區(qū)內(nèi)海山沉降約500m,始新世沉降約750m,漸新世沉降約300m,中新世沉降約400m,上新世以來(lái)沉降約100m。我們假定的是巖漿活動(dòng)停止時(shí)發(fā)生熱沉降,事實(shí)上區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)主要發(fā)生在90～100Ma;因此,本文的估算值是海山沉降幅度的最大值。Pulyaeva認(rèn)為始新世時(shí)麥哲倫海山群的水深就已沒(méi)有顯著變化。圖3中研究區(qū)現(xiàn)代海水溶解氧含量剖面的數(shù)據(jù)來(lái)自世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(WOCE),剖面站位為149°20′E-21°50′N(xiāo)和149°20′E-21°10′N(xiāo)。溶解氧含量剖面顯示,該海區(qū)現(xiàn)代最小含氧帶水深約800～1000m。如果假定新生代海水溶解氧含量剖面與現(xiàn)代基本一致,則在古新世MID29和CLD09兩個(gè)站位有可能處于最小含氧帶中。氣候變暖可以導(dǎo)致最小含氧帶向下擴(kuò)展,而古新世-始新世全球處于“溫室期”,所以推測(cè)當(dāng)時(shí)最小含氧帶的下限要比現(xiàn)在的深,始新世較淺的CCD(圖3)也印證了這一推測(cè)。因而盡管古新世-始新世時(shí)海山可能沉降了1250m,MID29和CLD09兩個(gè)站位仍可能處在溶解氧含量較低的最小含氧帶之中。但當(dāng)時(shí)深層水貧氧,最小含氧帶與深層水間的“貧氧-富氧”水化學(xué)障發(fā)育較差,不利于富鈷結(jié)殼成礦。漸新世地球進(jìn)入“冰室期”,由于南極開(kāi)始發(fā)育底層流,研究區(qū)深層水開(kāi)始有了較多溶解氧的供給。此時(shí)最小含氧帶下限水深變淺,最小含氧帶與深層水間的“貧氧-富氧”水化學(xué)障發(fā)育較好。這時(shí)MID29站位可能處于最小含氧帶中或其下限附近,發(fā)育了Mn/Fe值較高的富鈷結(jié)殼殼層。中新世以后,區(qū)內(nèi)海山沉降到更大的深度,逐漸遠(yuǎn)離利于富鈷結(jié)殼成礦的“貧氧-富氧”水化學(xué)障,殼層的Mn/Fe值逐漸降低,MID29和CLD09站位的水化學(xué)環(huán)境逐漸不利于富鈷結(jié)殼成礦。2富鉻結(jié)殼發(fā)育時(shí)期如上所述,Mn/Fe值可以作為富鈷結(jié)殼成礦環(huán)境演化的有效替代指標(biāo),高的Mn/Fe值表征有利于富鈷結(jié)殼成礦。本文對(duì)比了麥哲倫海山的MID29-A-2樣品和馬爾庫(kù)斯-威克海山的CLD09-A-1樣品的Mn/Fe值曲線(xiàn)與δ18O標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn),分析了構(gòu)造和氣候演化事件對(duì)成礦作用的影響,將西太平洋富鈷結(jié)殼的成礦作用過(guò)程概括為5個(gè)階段(圖4)。第一階段(白堊紀(jì)-始新世):形成麥哲倫海山群和馬爾庫(kù)斯-威克海山群。早白堊世末形成海山群的主要巖漿作用結(jié)束,隨后海山逐漸下沉;由于早白堊世—古新世山頂珊瑚礁的不斷生長(zhǎng),逐漸形成平頂山。始新世末海山的熱沉降約1250m。這一時(shí)期全球氣溫較高,沒(méi)有南極底流,大洋深層水溶解氧含量較低,最小含氧帶與深層水間的“貧氧-富氧”水化學(xué)障發(fā)育較差,不利于富鈷結(jié)殼的成礦。后期的火山活動(dòng)誘發(fā)了海山的滑坡作用,海山邊坡不穩(wěn)定,不利于富鈷結(jié)殼的沉積成礦。第二階段(始新世末-晚漸新期):從大約40Ma開(kāi)始,兩個(gè)海山群一直向西北方向漂移。這時(shí)塔斯曼-南極水道張開(kāi),德雷克水道逐漸向深層水開(kāi)放,形成環(huán)南極流和南極底層水。晚漸新世時(shí)南極開(kāi)始發(fā)育小規(guī)模短期的冰蓋,始新世末到晚漸新期(26～27Ma),南極持續(xù)發(fā)育冰蓋。從這一時(shí)期開(kāi)始,地球進(jìn)入“冰室期”,南極底流開(kāi)始向大洋中的深層水供給溶解氧,最小含氧帶與深層水間的“貧氧-富氧”水化學(xué)障發(fā)育較好,區(qū)內(nèi)開(kāi)始發(fā)育Mn/Fe值較高的富鈷結(jié)殼殼層。第三階段(晚漸新期-中中新期早期):這時(shí)全球平均氣溫在地球冰室期內(nèi)達(dá)到最高值,南極斷續(xù)發(fā)育冰蓋。區(qū)內(nèi)海山可能處于最小含氧帶中或其下限附近,發(fā)育了Mn/Fe值較高的富鈷結(jié)殼殼層。某些時(shí)期最小含氧帶向下擴(kuò)展到了富鈷結(jié)殼生長(zhǎng)的海山之上,導(dǎo)致已形成的富鈷結(jié)殼磷酸鹽化。第四階段(中中新期早期-晚中新期早期):初期印度尼西亞水道向深層水閉合,環(huán)南極流加強(qiáng),南極出現(xiàn)永久性冰蓋。這時(shí),全球氣溫逐漸降低,南極中層水和底層水加強(qiáng),區(qū)內(nèi)兩個(gè)海山群海區(qū)的最小含氧帶逐步向北退縮、變薄,同時(shí)海山下沉,導(dǎo)致海山逐漸遠(yuǎn)離最小含氧帶,Mn的供給減少,使富鈷結(jié)殼的Mn/Fe值下降。第五階段(晚中新期早期-現(xiàn)代):這時(shí)北極也出現(xiàn)冰蓋,西南極發(fā)育永久性冰蓋;全球氣溫持續(xù)降低成為新生代最冷的階段。這時(shí)巴拿馬水道閉合,環(huán)赤道流系徹底終結(jié),阻斷了太平洋與北大西洋之間表層水的交流,促使北大西洋深層水加強(qiáng)。同時(shí),南極底層水和中層水團(tuán)和北大西洋深層水的加強(qiáng),使西太平洋的最小含氧帶的范圍和強(qiáng)度減弱。盡管這一階段海山下沉并不顯著,但最小含氧帶下限上升并逐漸遠(yuǎn)離海山。海水Mn含量降低,Mn的供給逐漸減少,形成Mn/Fe值較低的殼層。3麥哲倫火山群和馬爾庫(kù)斯-威克強(qiáng)度限制控礦因素(1)富鈷結(jié)殼的控礦要素主要是地質(zhì)要素和海洋要素。前者包括海山的形成、遷移、沉降和水道的開(kāi)合等,后者包括最小含氧帶(OMZ)、文石溶躍面、碳酸鹽補(bǔ)償深度和海山周?chē)Ｋ膭?dòng)力學(xué)情況等,其中最小含氧帶為最重要的控礦要素。(2)從古新世開(kāi)始到現(xiàn)代,麥