太平洋近海富钴结壳成矿系统的控矿要素

太平洋近海富钴结壳成矿系统的控矿要素

成矿系统是现代矿床科学的先驱。它促进了矿石成因研究从静态上升到动态，从定性到定量，更深入地理解了过程中的成矿功能机制，逐步打破了传统的矿床理论，发展了新的矿产资源调查方法。成矿系统在陆地矿床(特别是内生矿床)研究中取得了长足进步,建立起了基本的方法学体系,但海底成矿系统的研究却是相当薄弱,刚刚开始。按照系统分类原则考查,现在海底矿床的总体属于复杂的巨系统。从目前认识的情况来看,现在海底发育的金属成矿作用主要有铁锰成矿作用(形成铁锰结核和富钴结壳)和海底热液成矿作用(形成海底硫化物和多金属软泥),这些成矿作用及其产物构成了巨型海底成矿系统。由于目前对海底成矿系统缺乏研究,尚没有提出明确的分类,本文暂且把在海底形成富钴结壳的成矿系统称为“海山Fe-Mn成矿系统”,简称海山成矿系统,在翟裕生的分类中属于沉积成矿系统。富钴铁锰结壳(简称“富钴结壳”或“结壳”)是产出在海山、岛屿斜坡及海底高地上的一种潜在海底矿产资源,主要由铁锰氧化物和氢氧化物组成,富含Co、Ni、Zn、Pb、REEs、Pt等金属元素,其中Co的平均含量较陆地原生钴矿高几十倍。由于富钴结壳所具有的潜在经济价值及其在国际海底区域的特殊法律地位,从20世纪80年代初,世界许多国家掀起了对海山富钴结壳勘探、研究的热潮,一直持续到今天。对富钴结壳的调查研究已经开展了近30年,积累了丰富的数据和资料,对其特征、分布规律和成因机制进行了系统的总结。但是由于富钴结壳生长缓慢,成矿期长,最老世代的结壳年龄可达晚白垩世,在其漫长的成矿过程中,制约富钴结壳成矿的要素都会发生显著的变化。本文将从成矿系统的角度初步探讨富钴结壳的成矿作用过程。1采用先进的成矿系统控制矿元素和结构1.1富联亚氧结壳形成的地质意义海山成矿系统的控矿要素是指制约和影响富钴结壳成矿的各种因素,从成矿背景的角度考虑,主要包括地质要素、海洋要素和天文要素(图1)。控制富钴结壳成矿的地质要素主要包括海山的形成、迁移、沉降和水道的开合等;海洋要素主要包括温盐环流、最低含氧带(OMZ)、文石溶跃面、碳酸盐补偿深度和海山周围海水的动力情况等。另外,以米兰柯维奇旋回为主要因素的天文要素对富钴结壳的成矿也有一定影响。上述因素综合控制着富钴结壳的集矿过程和储矿作用。海洋要素中的最低含氧带是制约富钴结壳成矿的核心控矿要素,其他控矿要素,诸如地质要素中的海山迁移、沉降、水道的开合等,主要是通过影响最低含氧带与海山之间的空间位置进而影响富钴结壳成矿的。最低含氧带及其下界面附近的水深范围最有利于富钴结壳富集成矿,在这一水深范围内发育的富钴结壳的厚度和生长速度是其相邻水层内富钴结壳的两倍,其Mn、Co含量和Mn/Fe比值也出现极大值。随水深增加,Mn、Co含量和Mn/Fe比值逐渐降低。虽然天文要素的影响在富钴结壳中有一定的记录,但是其作用周期时间尺度较短,对成矿作用的影响比较间接。富钴结壳在太平洋广泛分布,在大西洋和印度洋则少得多。太平洋北到阿留申海沟,南到环南极洋脊的区域范围内,都发现了产出在海山上的Fe-Mn结壳,但主要分布在赤道太平洋。据对已有富钴结壳产区的研究,富钴结壳成矿区的形成需要下列条件:(1)大型海底火山或高地的存在,水深最好浅于1500m,火山基岩较老,至少老于20Ma;(2)存在强烈持久的海流运动;(3)火山建造没有被巨厚的珊瑚礁所覆盖;(4)较浅的发育良好的OMZ;(5)火山斜坡稳定;(6)火山活动不发育;(7)区域上没有河流和风化搬运的大量碎屑的输入。赤道太平洋地区符合这些条件,因此是富钴结壳的主要产区。下面以西太平洋海山为例,说明富钴结壳控矿要素对海山成矿系统的制约。1.2西太平洋海山区的进入构造背景西太平洋海区由于基底洋壳年龄较老,构造历史复杂,是太平洋海山集中发育的海区,也是富钴结壳重要的成矿区。西太平洋富钴结壳成矿区范围主要包括西北太平洋海盆以南、马里亚那海沟以东、中太平洋海盆以西和卡罗林海山以北的海域,该区域主要地貌单元包括麦哲伦海山群、马尔库斯-威克海山群和东马里亚那海盆以及皮嘉费他海盆,该区域富钴结壳发育在这些海山之上。西太平洋海山区的洋底是太平洋年龄最老的洋壳,是现代大洋中最早开始扩张的洋壳之一。西太平洋海山区洋底年龄图显示,该海区的洋底年龄为145～175Ma,海山主要形成于侏罗纪—早白垩世,其中麦哲伦海山群形成于118.6～74Ma,马尔库斯-威克海山群形成于103.45～81.5Ma。麦哲伦海山群和马尔库斯-威克海山群形成于太平洋板块没有主要线性应力方向的构造背景下,是多热点成因的板内岩浆作用的产物,具有相似的形成和演化史。海山形成之后,随着太平洋板块的飘移,逐渐向西北方向移动,同时,随着岩浆活动的停止,逐渐下沉到海面以下,形成平顶海山。“平顶”是西太平洋海山的主要特点。在西太平洋,平顶海山可占海山总数的95%。每座平顶海山可划分出台地、陡坡带和缓坡带3个地貌单元。海山的山顶圈闭水深集中在约1500m水深和1900～2000m水深左右。海山在富钴结壳成矿过程中的作用主要是提供了一个容矿空间,随着海山的飘移和沉降,其周围海水的成矿条件也发生变化,主要表现为与最小含氧带相对空间位置的变化。此外,海山可改变局部海水的水动力条件,形成利于富钴结壳成矿的海水混合效应。2太平洋海山区我国富钴结壳调查区主要分布于西北太平洋海盆以南、马里亚纳海沟以东、东太平洋盆地以西和卡罗林海山以北,水深1300～4000m的广大太平洋海山区。该区包括麦哲伦海山群、马尔库斯-威克海山群、马绍尔群岛海山链、中太平洋海山群和莱恩群岛海山链等5个海山群/链。2.1太平洋海洋构造演化海山在富钴结壳成矿过程中的主要作用是提供了一个容矿空间,一个供海水中金属离子沉淀、吸附和就位的“基体”。海山边坡的上部是富钴结壳成矿的有利部位;稳定的基岩即长期稳定的容矿空间是富钴结壳成矿的基本条件。海山的形成是海山成矿系统形成的第一条件,它与洋底构造演化息息相关。太平洋是世界上现存最古老的大洋盆地,在其长期的形成演化历史进程中,经历了复杂的构造演化过程。Natland和Winterer从太平洋板块的应力机制的角度,阐述了太平洋海山的成因,按照应力机制,将太平洋海山的形成划分为3个阶段:(1)侏罗纪—早白垩世,太平洋板块由洋脊围限,没有主要的线性应力方向,火山散乱分布于其中,这一阶段形成了麦哲伦海山群和马尔库斯-威克海山群;(2)大约到了90Ma时,太平洋西边界或西北边界的俯冲作用使板块内部产生了持续的应力机制,板块开始相对软流圈漂移,这一时期产生了NNW向的吉尔伯特—马绍尔海山链、音乐家海山群、莱恩群岛海山链、天皇海岭;(3)到了约47Ma时,太平洋板块半数的板块边界(从阿留申到新西兰)发育了海沟,板块内部的应力方向也发生了改变,这一时期发育了WNW向的萨摩亚岛和夏威夷海山链。这些海山一般认为是地幔柱成因的。2.2世界的洋底年龄发育在我国调查区范围内的这些海山主要形成于白垩纪巴列姆阶之后,古新世塔内提阶之前。麦哲伦海山群形成于118.6～74Ma,马尔库斯-威克海山群形成于103.45～90.5Ma,马绍尔海山形成于138.93～75.5Ma,中太平洋海山形成于127.6～74.8Ma,莱恩海山形成于127.5～55.57Ma。,编制了世界大洋洋底年龄图(图2)。该图显示,中国富钴结壳调查区是世界上年龄最老的洋壳区,并且老洋壳的面积最大。此外,洋壳的年龄与洋壳的水深的空间分布存在着对应关系,洋壳的年龄越老,其水深越大。另外,图2还显示了不同地质时代中国富钴结壳调查区与东太平洋海隆的相对位置,白垩纪以来,中国富钴结壳调查区逐渐远离扩张脊,因此也逐渐远离了洋中脊热液活动的影响。2.3太平洋麻黄成矿区的位置Heezen等人通过研究DSDP钻孔的沉积层序,建立了西太平洋大洋洋底沉积的动力学模型,并得出太平洋板块向北运移的分量在0～30Ma期间为2cm/a,在30～100Ma期间为4.4cm/a。本文根据Heezen等人研究得出的参数,换算得出了西太平洋板块在过去100Ma间向北运移的公式:0Ma<T<30Ma,Lat.(T)=T×10.8′/Ma100Ma>T≥30Ma,Lat.(T)=5°24′+(T-30Ma)×23.8′/Ma其中,T为时间,Lat.为纬度。我们根据此公式计算了古赤道在中国富钴结壳调查区的位置,绘制了太平洋海山富钴结壳成矿区古赤道位置图(图3)。该图显示,Marcus-Wake海山群的海山、中太平洋海山群的海山、麦哲伦海山群的海山以及马绍尔海山群的海山在约54Ma时就越过了赤道,并在约27Ma时越过10°N,即现代赤道无风带(平均位置在3～10°N)的北界。莱恩海山链的海山却是在约43Ma才跨越赤道的,并且在3Ma时才越过10°N。2.4环新世以来的环境效益板块构造运动所造成的水道的开合和地峡的关闭是制约大洋深层水和底层水温盐环流模式的重要边界条件。新生代以来影响世界大洋环流变化的重大构造事件主要包括:始新世晚期(34～30Ma),德雷克水道向深层水张开;晚渐新世(约25Ma),南塔斯曼海隆与南极洲最终分裂形成深而窄的通道,环南极流形成,导致渐新世初期(约34Ma)就已经开始活动了的南极底层水(AABW)的活动强度受到一定限制;中中新世早期(约15～16Ma),冰岛—法罗海槛下沉,北冰洋高密度海水涌入大西洋,北大西洋深层水(NADW)形成;中中新世早期(约14Ma),印度尼西亚水道闭合,印度洋和太平洋之间的深层水交换终止;上新世末(约3～4Ma),巴拿马水道闭合,NADW得到加强,赤道环流最终结束,现代大洋环流模式从此形成。水道的开合可以改变大洋环流模式,改变海水水化学结构,从而改变富钴结壳的成矿条件,特别是AABW和NADW,直接制约太平洋最小含氧带的下界面的深度。3海洋开采系统的地球化学障碍和成矿动力学过程3.1最低含氧带的特征在海水水体中,制约富钴结壳成矿的地球化学障(水化学障)是最低含氧带(OMZ),最低含氧带是最重要的富钴结壳控矿要素。在层化结构海水水体中,最低含氧带是溶解氧含量相对较小的水层。与相邻水团相比,最低含氧带中溶解氧含量较低、pH值较低、中型(>2mm)浮游动物较多、硝酸盐和磷酸盐含量较高、溶解态的有机物含量较高、CO2的分压较高,δ13C出现极小值,δ18O出现极大值。在最低含氧带中,生物介壳(主要是翼足类文石质的壳)和生物有机体被分解,其中的金属元素被释放出来,进入最低含氧带中,与生物活动密切相关的金属元素和营养盐,如Mn、Cd、Co、硝酸盐、磷酸盐等在此发生富集,最低含氧带中Mn/Fe比值最高,最低含氧带中的元素是富钴结壳成矿物质的直接来源,是直接的矿源层。图4显示了在现代大洋环流模式的背景下太平洋中最低含氧带的总体形态特征:东厚西薄,北厚南薄。在东西向剖面上(图4b),最低含氧带上界面在东太平洋较浅,在西太平洋较深;下界面则相反,在东太平洋较深,在西太平洋较浅。在南北向的剖面上(图4c),最低含氧带的南缘与一富含溶解氧的舌状水团对峙,上界面在赤道偏北和极地海域较浅,在赤道和极地海域之间,最低含氧带的上界面下凹;下界面在赤道海域较浅,向极地海域逐渐变深。在600m深的平面上,最低含氧带主体位于太平洋的东北部,在东太平洋,最低含氧带较宽,扩展至20°S左右;而在西太平洋,最低含氧带较窄,收缩至赤道以北,西太平洋研究区内最低含氧带发育水深为800～1000m。在北太平洋的中西部,最低含氧带在600m深处发育了两个相连的空洞(图4a)。图4b和4c还显示,最低含氧带的下界面比上界面溶解氧含量变化的梯度要小。以上分析表明,最低含氧带的空间分布受大洋表层、中层、深层和底层洋流环流约束。最低含氧带的形成是一个动力学过程,其形成与分布受有机质分解耗氧和洋流输运溶解氧这两个过程制约。最低含氧带的海水主要为源于北大西洋的贫氧的北太平洋深层水,位于透光层之下,其贫氧特征源于海水中有机质的分解,最低含氧带的空间分布却主要受大洋环流控制,大洋各层水团环流的模式制约了太平洋最低含氧带的空间分布特征,从而制约了海山富钴结壳的成矿作用。3.2明万国麦哲伦火山的地形涡流海山地形可以在一定程度上促进内波的加强,从而促进深海海水的混合。底流在流动过程中,受到海山地形的阻碍后,海水不能从上部越过,而是沿等深线从周边绕行。结果,海山平顶上的水流形成了旋涡状的结构。这种效应由Proudman在理论上证明,并由Taylor实验证明。这种旋涡在均一的流体中呈圆柱形。Hogg考虑了海水分层的特征对地形旋涡的影响,他首次提出海水中的地形旋涡是圆锥状的。这种旋涡可以在任何深度发育,并不需要出露海面。旋涡的底部与海山的顶部吻合,因此,海山顶部闭合流线的存在极其高度的独立性使得海山顶部内部区域的海水与周围的海水分隔开来。这样的流就是所谓的“Taylor-Hogg地形旋涡”。麦哲伦海山的沉积记录也反映出Taylor-Hogg地形旋涡的存在。Taylor-Hogg地形旋涡沟通了最低含氧带与富氧、富铁的深层和底层水,使得最底含氧带中的Mn2+、Co2+和Ce3+等金属离子得到氧化,进而发生胶体凝聚沉淀,形成富钴结壳(图5)。海山特殊的地貌引起的特征海水运动,形成有别于深海平原中锰结核的海洋金属矿产——富钴结壳。4富联合型富联邦海上共聚型进展随着海山漂移、水道开合和大洋环流等成矿背景要素的变化,海山成矿系统成矿作用发生演化。重建了新生代太平洋两个关键时段(65Ma和23Ma)的古地理图以说明海山成矿系统的演化(图6)。图6(a)显示,65Ma时,环南极水道尚未打开,研究区(以西太平洋MID29和CLD09结壳样品为代表)处于古太平洋的中央、赤道偏南海区。此时研究区东距太平洋洋中脊约40～60°,西距陆地约50°,距离洋中脊和俯冲带都比较远,因此洋中脊和俯冲带热液成因的Fe和Mn难以直接提供给研究区成矿物质,所以富钴结壳成矿物质主要来源于海山周围的海水。赤道海域表层洋流的辐散作用导致了研究区内高的表层生物初级生产力,由于“生物泵”是海水中成矿金属元素垂向运移的主要途径,在此海域可有相对较多的成矿元素沉降、聚集在最小含氧带中,从而为富钴结壳成矿提供充足的成矿物质。尽管成矿物质充足,但是此时全球气温较高,地球处于“温室期”,两极无冰盖,大洋深层洋流循环迟缓,深层水溶解氧含量较低,不利于海水中的Mn和Fe发生氧化,因而不利于积聚在最小含氧带中的Mn和Fe最终氧化、沉淀,形成富钴结壳。23Ma时,南极—塔斯曼水道和德雷克水道已经张开,此时环南极流和南极底层水业已形成。研究区向北飘移至约15°N附近,远离了赤道高生产力海域,进入北太平洋涡漩的中心地带。由于涡漩中心海水发生辐聚,导致研究区所处海域初级生产力降低,进而导致“生物泵”垂向输运成矿元素的能力降低,成矿元素下沉通量降低,不利于成矿元素在最小含氧带中的聚积。尽管成矿物质供给较赤道区弱,但此时深层水的溶解氧含量较高,最小含氧带与富氧的深层水间发育了有利于海水中变价元素氧化沉淀的水化学障,这样的水化学障有利于积聚在最小含氧带中的Fe、Mn氧化形成富钴结壳。5富铬结壳成矿经研究,Mn/Fe比值可以作为富钴结壳成矿环境演化的有效替代指标,高的Mn/Fe比值表征有利于富钴结壳成矿。我们将麦哲伦海山的MID29-A-2结壳样品和马尔库斯-威克海山的CLD09-A-1结壳样品的Mn/Fe比值曲线与δ18O标准曲线进行了对比,并分析了构造和气候演化事件对富钴结壳成矿作用的影响,在此基础上将西太平洋海山富钴结壳的成矿系统的发育过程概括为5个阶段(图7)。(1)白垩世—白垩纪—始新世:麦哲伦海山群和马尔库斯-威克海山群形成,到早白垩世末,形成海山群的主要岩浆作用结束,随后海山逐渐下沉;同时由于早白垩世—古新世山顶珊瑚礁的不断生长,逐渐形成平顶山,海山逐渐下沉,到始新世末海山的热沉降约1250m。这一时期全球气温较高,没有南极底流的发育,大洋深层水溶解氧含量较低,最小含氧带与深层水间的“贫氧-富氧”水化学障发育较差,不利于富钴结壳成矿。这期间,后期的火山活动诱发了海山的滑坡作用的发生,海山边坡不稳定,不利于富钴结壳的沉积、成矿。(2)晚渐新世冰流速形成及演化从大约40Ma开始,麦哲伦海山群和马尔库斯-威克海山群一直向西北方向漂移。这一时期,塔斯曼—南极水道张开,德雷克水道逐渐向深层水开放,环南极流和南极低层水形成,晚渐新世,南极开始发育小规模短期的冰盖,始新世末到晚渐新世(26～27Ma),南极持续发育了冰盖。从这一时期开始,地球进入“冰室期”,南极底层流开始向大洋中的深层水供给溶解氧,最小含氧带与深层水间的“贫氧-富氧”水化学障发育较好,研究区开始发育Mn/Fe比值较高的富钴结壳壳层。(3)富债基类型别这一阶段全球平均气温在地球冰室期内是最高的,南极断断续续发育了冰盖。这一时期研究区海山可能处于最小含氧带中或其下限附近的水深处,发育了Mn/Fe比值较高的富钴结壳壳层。在这一阶段内,由于某些时期最小含氧带向下扩展到了富钴结壳生长的海山之上,导致这一时期形成和之前形成的富钴结壳发生磷酸盐化。(4)麦哲伦火山群和马尔库斯-威克火山群形成带,导致成矿元素mn/fe比值下降这一阶段初期,印度尼西亚水道向深层水闭合,促进了环南极流的加强,南极出现永久性的冰盖。在这一时期内,全球的气温逐渐降低,南极中层水和底层水加强,麦哲伦海山群和马尔库斯-威克海山群所在海区的最小含氧带逐步向北退缩并