中太平洋海山區(qū)富鈷結殼成因及分布規(guī)律

中太平洋海山區(qū)富鈷結殼成因及分布規(guī)律

太平洋山區(qū)是塞伯格殼廣泛分布的中心區(qū)域。目前，中國正在對該地區(qū)的富鈷地殼進行調(diào)查，了解該地區(qū)山海形成的發(fā)展歷史，對研究富鈷地殼的起源和分布規(guī)律具有重要意義。由于我國對太平洋地質(zhì)及地球物理方面的基礎地質(zhì)研究的缺乏,我們對中太平洋海山的形成及其演化知之甚少,筆者在查閱了大量DSDP和ODP等方面的資料后,對這些資料進行了分析和整理,對該區(qū)海山的形成演化及與富鈷結殼的關系進行了探討。筆者希望這些工作能對我國的富鈷結殼資源調(diào)查及其相關的研究工作有所貢獻。1中太平洋的火山群中太平洋海山群是一組板內(nèi)火山型海底平頂山,經(jīng)前人研究,特別是DSDP和ODP多個航次的深入調(diào)查,對它的形成演化史有了一定的了解?？偟膩碚f,中太平洋海山群在120～90Ma間起源于現(xiàn)今法屬玻利尼西亞群島區(qū),后來隨著太平洋板塊的擴張而不斷漂移至今天的位置。海山在水平漂移的同時還發(fā)生了垂直方向上的升降,曾經(jīng)形成出露海面的群島,后又沉降形成現(xiàn)今的海底平頂山群。法屬玻利尼西亞群島區(qū)現(xiàn)今仍是一個同位素和熱異常區(qū),Smith等(1989)通過研究西北太平洋Megellan海山群中的兩個海山認為,它們起源于該同位素異常區(qū)。1.1中太平洋的物質(zhì)條件(1)古地磁學的研究結果是中太平洋海山漂移的最直接證據(jù)。Tarduno等(1995)對中太平洋海山Allison和Resolution進行了基底玄武巖的古地磁研究,得到Resolution海山866站位碳酸鹽巖的古緯度為14.6°S,這與之前在DSDP463站位附近的早Aptian(128Ma)碳酸鹽巖的古緯度13°S處于同一誤差范圍內(nèi),同時可以看出從Hauterivian到Aptian期間,基本上沒有或只有很微小的緯向飄移;Allison海山的古緯度為14.2°S,這些緯度值與現(xiàn)今法屬玻利尼西亞群島區(qū)(一個多熱點同位素異常區(qū))的緯度值一致。Haggerty和Silva(1995)在總結ODP144航次成果時也指出馬紹爾群島幾座海山的古緯度約在10°～20°S。其中,Limalok在15°S,Lo-En在25°S,Wodejebato在21°S,MIT在14°S,Takuyo-Daisan海底平頂山也在7°S。(2)這些海山的年齡總體上顯示從東南向西北逐漸增大,但也有例外。Tarduno和Gee(1995)研究認為,這些海山并不是同時形成的,之所以如此,是由于它們是由幾個熱點形成的,而不是一個熱點所為,如果只有一個熱點,則會顯示像皇帝海嶺那樣有規(guī)律的年齡遞減現(xiàn)象。(3)宏觀上看這些海山呈不太規(guī)則的海山鏈。前面已提到,由于是幾個熱點的共同作用,再加上漂移過程中方向的改變,使本應規(guī)則的海山鏈變得復雜起來,但在萊恩群島、馬紹爾群島仍能看出海山鏈的走向。(4)與SOPITA(SouthPacificIsotopicandThermalAnomaly)之間海山形貌、巖石學及同位素比值特征的相似性(McNuttandFisher,1987;Baker等,1995;Christie等,1995)也是中太平洋海山漂移的重要證據(jù)。中太平洋海山的漂移歷史大致如下:古地磁數(shù)據(jù)顯示,到晚Aptian(約110Ma)時,中太平洋海山(MPM)尚位于20°～25°S,靠近繁盛的生物礁生長緯度帶的邊緣。有證據(jù)表明從早白堊到Aptian期,中太平洋海山區(qū)隨太平洋板塊發(fā)生了向西偏南的運動(Winterer和Metzler,1984),但至晚Aptian(約110Ma)時,最南沒有超過25°S,之后向西北漂移直至今天的位置。1.2中太平洋威海的晉升歷史及其證據(jù)(1)深水生物組合Silva等(1995)發(fā)現(xiàn),在早Aptian,這些海山上全為與淺水碳酸鹽有關的特提斯低緯生物組合,至晚Albian,變?yōu)榧永毡群Ｉ锸〗M合,晚Campanion-Maastrichtian為中太平洋的淺水生物組合(有孔蟲和雙殼類),至始新世為深海生物組合。(2)財產(chǎn)結構層中太平洋海山的平頂部位普遍存在不同厚度的沉積組合,記錄了海山的升降歷史。以Allison海山為例,玄武巖基座之上為中、晚白堊紀的淺水生物碳酸鹽巖,晚Maastrichtian的淺水生物碳酸鹽巖位于淺水碳酸鹽巖層的頂部,并普遍存在溶蝕溶洞等喀斯特構造和磷酸鹽交代現(xiàn)象,其上發(fā)育硬質(zhì)富鈷結殼層。富鈷結殼的上面則沉積了較為疏松的深海鈣質(zhì)生物軟泥。(3)深水碳酸鹽巖頂部Winterer等(1995)發(fā)現(xiàn)Allison海山的淺水碳酸鹽巖頂部存在喀斯特地貌,深入淺水灰?guī)r之中幾十米;還可見陸源植物碎屑及高有機物含量的黑色沉積層。(4)晚aptian有關魚的隆升和沉積中太平洋地區(qū)至今仍有一些海山上存在環(huán)形珊瑚礁,如比基尼島等。據(jù)DSDP的鉆探結果,這些海山上的淺水碳酸鹽臺地的厚度可達1400多米。中太平洋海山的升降歷史大致如下:早白堊世太平洋板塊向西偏南漂移,形成NEE向的雙列熱點火山鏈,這就是中太平洋海山的前身。海山形成后由于均衡補償作用緩慢下沉,到晚Aptian(約110Ma)時,中太平洋海山(MPM)位于20°～25°S,正好位于繁盛生物礁生長帶的南緣,此時海山頂部尚位于淺水區(qū)且下降緩慢,礁的生長速率正可彌補海山的下沉,接著在晚Aptian發(fā)生了大規(guī)?；鹕阶饔迷斐蓞^(qū)域性的整體隆升,使中太平洋海山區(qū)出露水面之上。地震波反射資料、同位素資料及鉆探獲得的直接的地層學證據(jù)都證實在許多海山上存在喀斯特地貌。再次下陷時,生物礁的生長速度跟不上海山下沉的速度,而使大部分海山上的生物礁死亡,但仍存在局部的個別海山,其生物礁一直繁衍到今天,生物礁層的厚度已達1400m以上。到晚白堊除東部又一期火山作用造成島嶼隆起(如Horizon海山)外,其他海山已處于深海環(huán)境,一直緩慢沉降到今天的深度。1.3臺臺地區(qū)的環(huán)境ODP143航次在Alison和Resolution兩座平頂山上鉆了兩口深井和幾口淺井,獲得了這些海山從形成到現(xiàn)代較完整的沉積序列記錄。綜合幾個站位的情況,中太平洋海山的沉積層序如下:層序的底部是海山基底的堿性橄欖玄武巖,火山巖基底之上首先為淺海碳酸鹽層序,從中鑒別出8個相,其中前3個在各海山廣泛分布,后幾個僅在個別海山出現(xiàn)。這8個相反映了白堊紀太平洋碳酸鹽臺地的環(huán)境,它們分別是:相1是最廣泛分布的一套礁前環(huán)境的生物碎屑粒狀灰?guī)r;相2由含生物碎屑從少量到逐漸增多的泥巖組成,代表典型的臺地內(nèi)瀉湖環(huán)境;相3由球粒和包裹泥粒狀的泥粒灰?guī)r和瓦克灰?guī)r組成,是在潮流能量主宰的環(huán)境中沉積的;相4是與淺水的臺地內(nèi)生物群落相關的多泥的海綿海藻障積巖沉積;相5由鮞粒粒狀灰?guī)r組成,代表高能的臺地邊緣環(huán)境;相6是碳酸鹽的硅質(zhì)碎屑沉積的混合相,可能與中太平洋海山平頂山(Allison)上的又一幕火山活動相關;相7是淺水和深水沉積相混合相,是海山礁前環(huán)境粗砂斜坡中等坡度環(huán)境下的產(chǎn)物;相8由具有高度生物種分異度的多泥沉積組成,代表近邊緣的開闊的瀉湖環(huán)境。淺水碳酸鹽層序的頂部為磷酸鹽化層和富鈷結殼層。富鈷結殼層的上面為深海沉積,有的海山僅有薄薄一層(如Resolution海山),有的(如Allison海山)則具有從古新世至現(xiàn)代的較完整層序,特別是從古新世到始新世的完整層序在太平洋其他區(qū)域是沒有見到的,不僅對于研究本海山區(qū)的演化史,而且對研究整個太平洋的構造演化史都是不可多得的資料。2堿土金屬對結殼的影響從海山沉積層序的分布看,富鈷結殼和磷酸鹽化均出現(xiàn)在中、晚白堊淺水碳酸鹽相之上,碳酸鹽相具有明顯的陸上風化侵蝕特征,存在類似喀斯特地形的地貌,磷酸鹽和鐵錳氧化物枝晶均侵染到遭到侵蝕的淺水碳酸鹽臺地相的內(nèi)部,而鐵錳氧化物的上部則是深海鈣質(zhì)軟泥,在海山斜坡的裸露基巖上富鈷結殼甚至一直生長至今?？梢姼烩捊Y殼的形成,是在晚白堊海山急劇下陷碳酸鹽停止生長而且可能因各種流的作用使碳酸鹽臺地相之上不能接受沉積物的情況下發(fā)生的。在結殼形成前或形成過程的早期,發(fā)生了不止一期的磷酸鹽化,可能同時還有硅質(zhì)巖的生成,磷酸鹽化對淺水碳酸鹽或已形成的結殼老結層產(chǎn)生明顯的影響。富鈷結殼形成于大洋海山上,而大洋海山正是板內(nèi)地幔柱活動的產(chǎn)物,是地幔流體活動引起的。海山上的基巖和地幔流體的間歇性活動、水巖反應等可能為結殼的形成提供了基本的礦源層和成礦物質(zhì)。已經(jīng)公認,富鈷結殼是水生沉積成因的,直接的物質(zhì)來源是海水;但海水中匯集的各種元素是多來源的。海水中元素的來源主要有內(nèi)源和外源之分,內(nèi)源一般指來自地殼以內(nèi)的元素,包括火山物質(zhì)水巖反應釋放到海水中的元素;外源一般指陸源和宇宙源。陸源和宇宙源輸入海水中的物質(zhì)對某一個海區(qū)而言,一般情況下是較穩(wěn)定的,這是因為海洋中存在各種海流,具有巨大的混合作用和運移能力?？偟恼f,海水中各種金屬元素的含量是有一定比例的,即是相對穩(wěn)定的。但海洋還存在復雜的一面,由于氣候和海流的差異等,不同的海區(qū),尤其是不同的水團,又有可能在所含的微量金屬含量上存在一定的差異,如表層水和深層水、最低含氧層水、南極底層流水等,這與海水的物理化學條件的差異、生物活動,甚至內(nèi)源的補給等因素有關。但即使處于同一水深,也均存在AABW影響的情況下,海臺(海底較平坦的高地,屬板內(nèi)隆起區(qū))和海山都生長結殼,但海臺結殼的Co含量卻遠沒有海山結殼的高,這說明海山區(qū)周圍可能存在近源(指通過海山釋放出的內(nèi)源物質(zhì))的成礦物質(zhì)的及時補充,也有可能是海山上的氧化環(huán)境更強一些,更適合結殼的生長。但西北太平洋的海臺,如翁通爪哇海臺和莎茨基海臺,也均在AABW的影響范圍之內(nèi),氧化環(huán)境條件等應不會有很大差異,因此筆者認為前者的可能性更大?？梢?海山既是富鈷結殼的承載體,又是富鈷結殼形成的主要物質(zhì)來源地,沒有海山,就沒有富鈷結殼。3富國聯(lián)邦晚白堊海富1-4期磷系構造成礦期5.中太平洋海山的演化史揭示它們是由超級地幔柱形成的板內(nèi)海洋平頂山,經(jīng)過漫長地質(zhì)時期的漂移,由赤道太平洋運移到今天的位置。海山在進行水平漂移的同時還存在垂直方向上的升降,由出露海面到今天山頂位置約在水下1400～1700m。富鈷結殼分布于晚白堊淺水碳酸鹽臺地相之上,與磷酸鹽化層相伴生,富鈷結殼層的上面是深海沉積,可見富鈷結殼