中太平洋海水海洋环境变化的地球化学研究

中太平洋海水海洋环境变化的地球化学研究

富钴结壳（以下简称结壳）是一种浅层铁锰矿床，周围相对于冷体。它是从海底以下的高度分离并沉降的海床上的。其矿物相主要由弱结晶sio2、非自生铁氢氧化物和少量碎屑矿（石英和长石）组成。若受磷酸盐化作用改造,碳氟磷灰石(CFA)相也会出现。结壳生长速率通常为1～17mm/Ma。结壳缓慢的生长速率及其较大的比表面积(325m2·g-1),促使较多元素富集其中,这个过程受物理或化学作用控制。已有研究表明,古环境事件如碳酸盐补偿面(CCD)变化、地中海盐度事件、磷酸盐作用和米兰科维奇气候周期等会引起结壳剖面元素的突变或规律性变化。古环境变化不但与结壳剖面元素变化具有良好的对应关系,与结壳内部构造也具对应关系。结壳发育的构造类型主要有斑杂构造、柱状构造和纹层构造等,这些构造型式往往与特定的海洋环境动力条件相关。研究表明结壳主要元素具有局部环境指示意义,而对其区域意义存有异议。另外,中太平洋海山的研究工作主要集中在东部地区,对其西部研究工作较少。因此,本文将对中太平洋海山西部CXD05结壳进行研究,并与附近的深海钻探(DSDP)62航次钻孔463以及中太平洋海山东部结壳D18进行对比,阐述其结壳构造和主要元素的环境指示意义。1样品和方法1.1取样器和地理位置样品CXD05结壳是2001年由“大洋一号”科学考察船用拖网取样器获得,取样水深为2020m,地理位置为20.03°N,173.51°E(图1)。样品由板状结壳壳层和基岩两部分组成,壳层表面发育葡萄体,壳层厚度约2.6cm,基岩为火山碎屑岩。1.2实验仪器和标样样品的Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Al,P,Si和Ca元素的质量分数是由中国地质大学地质实验中心用1600型EPMA电子探针获取。该仪器系统精度为72ev,加速电压为15kv,试验电流为7nA,电子束直径为1μm。实验采用标样为斜长石(Al)、磷灰石(P)、方解石(Ca)、蔷薇辉石(Mn)、铁铝榴石(Fe)、氧化钴(Co)、氧化镍(Ni)和赤铜矿(Cu)。仪器系统相对误差见表1,测试数据用ZAF程序进行纠正。1.3探针归一化处理样品处理过程:沿垂直结壳生长层切割并磨制探针光片,将光片置入镀碳仪中抽真空、镀碳;再置入1600型EPMA电子探针仪器内进行抽真空,直至满足测试要求;随后沿图2虚线位置,利用电子探针仪的光学系统获取高分辨率的背散射显微图像;并沿虚线位置,从壳层底部至顶部进行微区分析。因结壳壳层疏松多孔,富含吸湿水,加上制样过程中人为因素的影响,探针结果中氧化物总量往往不足100%,而且相对于原子吸收光谱(AAS)数据,电子探针数据偏大。因此,需对测试数据进行归一化处理,处理过程详见文献。首先,保留氧化物总量大于40%的数据,舍弃氧化物总量小于40%的数据;然后,进行吸湿水校正;最后再归一化处理,求出各组分的相对含量。鉴于实验条件所限,未测量结壳相应壳层结构水含量,采用Frank等所用的吸湿水数据(20%)和元素舍弃原则,去掉Si质量分数超过6.2%的数据点,因它们可能为纯铝硅酸盐。最后确定了237个有效探针数据。根据钴元素的质量分数估算结壳生长速率时,需具体情况具体分析。Frank等研究表明,当结壳中钴的质量分数<0.7%时,采用Manheim以及Manheim和Lane-Bostwick所提出的计算方法:G.R=0.68/wn1.67Co(1)G.R=0.68/wCon1.67(1)式中,G.R为结壳生长速率,单位为mm/Ma;wnCoCon=wCo×50/wFe+Mn,其中wCo为测定结壳中Co的质量分数,wFe+Mn为测定结壳中Fe和Mn的质量分数之和。当结壳中钴质量分数>0.7%时,采用Puteanus和Halbach提出的计算方法:G.R=1.28/(wCo−0.24)(2)G.R=1.28/(wCo-0.24)(2)式中,wCo为测定结壳中钴的质量分数。2结果2.1铁锰系统的基底CXD05结壳微构造由底部的斑杂构造、中部的柱状(树枝状)构造和顶部的纹层构造组成(图3)。斑杂构造的特征是壳层以单个鲕状体形式出现,生长无方向性,排列不规则,孔隙度较高,碎屑物质较多(图3a)。另外,还残留大量的生物印模,但已被铁锰物质置换(图3b),它们也可作为铁锰氧化物沉积的基底。柱状构造占据了结壳的绝大部分,特征是呈放射状,以单个鲕状体为基础,壳层呈扇形逐渐放射性生长,沿生长方向分枝或者形成单个指状柱,可形成多个树丛状簇。柱状构造壳层致密,同一纹层延伸断断续续;柱体间以孔隙或者被碎屑杂质分隔开(图3c)。纹层构造是在柱状构造之后发育的,其特征是纹层较连续且平行排列,在本结壳中与柱状构造之间呈不整合接触(图3d),表明在其之间存在一环境突变。2.2co、ni的质量分数结壳CXD05的元素质量分数见表2,Mn的质量分数为18.22%～33.94%,平均为28.58%;Fe的质量分数为7.21%～20.18%,平均为12.31%;Co的平均质量分数为0.95%;Ni的平均质量分数为1.57%;P的平均质量分数为0.32%;Ca,Si和Al的平均质量分数分别为2.23%、1.43%和0.39%。该结果明显不同于中太平洋海山东部结壳D18中各元素的质量分数,这是因结壳D18发生了磷酸盐化。2.3磷酸盐化作用对结壳生长的影响磷酸盐化对结壳元素质量分数具有较大影响。因此,在利用钴质量分数估算结壳生长速率时,首先应判断结壳是否受到磷酸盐化作用。CXD05结壳磷的质量分数为0.12%～0.7%,平均质量分数为0.32%,远小于南、北太平洋海区发生磷酸盐化的结壳中磷的质量分数(南太平洋结壳为2.56%,北太平洋结壳为2.75%);相关分析也显示磷与钙呈负相关(R=-0.17),这与已遭受磷酸盐化改造的结壳壳层中的磷与钙之间的关系相反。表明CXD05结壳未受磷酸盐化作用的影响。因此,利用钴质量分数估算结壳CXD05的生长速率时,可不考虑磷酸盐化作用的影响。据上述Co质量分数法计算可知结壳CXD05的生长速率最小值为0.83mm/Ma,最大值为5.09mm/Ma,加权平均值为1.34mm/Ma,再据结壳厚度可知,结壳约从19.4MaBP开始生长,也即早中新世开始生长。鉴于该方法不能鉴别结壳壳层内的沉积间断或者溶蚀间断,这个年龄代表结壳形成的最小年龄。3讨论3.1结壳构造与生物生产力的关系结壳的构造类型与环境能量之间具有密切关系。因此,对其构造序列的研究,有助于了解其生长环境动力能量的变化。结壳CXD05的斑杂构造为最初生长的构造类型(图3a和图4),距结壳顶面23.20～26.56mm,厚度3.36mm,年代为17.40～19.42MaBP。而在中太平洋海山区的东部,结壳D18则最初发育了纹层构造(图4),而且在相当时间内以此构造为主,这除了说明结壳斑杂构造并不像结核那样代表最初形成阶段,还说明它的局部意义。太平洋DSDP钻孔463资料表明,在渐新世与晚中新世之间存在跨度达16Ma的沉积间断,说明当时的水动力环境较强,这可能与同期大陆冰盖出现有密切关系。另外,在结壳CXD05斑杂构造域内,见有大量被铁锰物质置换的生物印模,这说明当时本区域碳酸盐补偿面(CCD)深度较大,或者海表面生物生产力比较高。DSDP钻孔463结果表明,在新生代,中太平洋海山始终处在CCD面之上,因此CXD05壳层中的生物印模量证明本区表层海水的生物生产率较高。斑杂构造发育时间持续了大约3Ma,此后放射性柱状构造开始发育(图3c和图4)。它位于距顶面0.15～23.20mm,年龄约为0.08～17.40MaBP。其特征是各个柱体均在单个鲕状体基础上发育而成,壳层呈扇形逐渐生长,壳层沿生长方向分枝或者形成单个指状柱,柱体间常常出现孔隙或者被碎屑物质充填,这些碎屑物质对柱状构造的形成具有重要意义,而且往往认为柱状构造是在低能/低碎屑物质环境中形成,这与柱状构造中的碎屑含量相比于斑杂构造较低的事实一致。与结壳CXD05不同的是,结壳D18则主要形成了多种构造类型的交替,如葡萄状和纹层构造等,表明其动力环境变化频繁,这说明虽同处于中太平洋海山,但局部动力环境存在明显差异。相对斑杂构造而言,放射性柱状构造中生物印模量明显减少。表明此时海表面生物生产率较低或者当时的CCD面升高。中新世CCD面抬升是全球性事件,而且在太平洋,这种抬升与两极冰期增强所引起的底层水构造变化有关。但中太平洋海山在结壳整个生长期间均处在CCD面之上,因此,海表面生物生产率水平低应是造成生物印模含量减少的主要原因。DSDP463钻孔资料显示此时结壳已经处于太平洋中部亚热带贫营养生物区。纹层构造是在柱状构造之后发育的另外一种构造,位于距顶面0～0.15mm(图3d和图4),年龄约为0～0.08MaBP。与柱状构造呈现角度不整合接触,这表明至少在0.08MaBP前,曾有一段时期该区域底流活动非常强烈,但随后又处在低能量环境下。在壳层中见有较多碎屑。同一时期在中太平洋海山的东部区域,结壳D18的构造类型则与结壳CXD05的不同,它主要为葡萄状构造,这表明同一地区局部的洋流活动存在差异。综上所述,结壳的斑杂构造-柱状构造-纹层构造序列,反映了中太平洋海山西部海洋环境能量呈逐渐降低的趋势,且与东部存在明显差异。而生物印模的数量反映了海洋表层的生物生产率水平。3.2富结壳中碎屑物质组分结壳壳层元素变化与主要的古环境事件密切相关,如CCD面变化、地中海盐度事件和磷酸盐作用。依据结壳的元素之间的相关性,可划分为亲锰元素、碎屑相、铁的氢氧化物相和残留生物相。其中亲锰元素又属亲氧元素,其含量变化可反映海水氧化程度,这是因为在结壳生长过程中,首先是富集在最小含氧带中的锰通过扩散与富氧底层水混合氧化形成δ-MnO2胶体。由图5可知,从斑杂构造区域到放射性构造区域直至最后的纹层构造区域,锰的质量分数先增加后降低,反映了周围海水的氧化性呈先增强后减弱的趋势。结壳中碎屑物质含量反映了风尘作用的影响。富钴结壳中所有的Al被认为是碎屑成因,而硅除碎屑部分外,还可能有生物来源,所以必需剔除生物组分。利用地壳中Si/Al比值(约为2.64)计算出碎屑Si,而后利用(Al+Si碎屑)代表碎屑物质组分。由图5可知,实测的Al与Si的质量分数变化存在一定的差异,而Al与碎屑Si的变化一致,这表明结壳中的Si并不全是碎屑来源,部分为生物来源。计算表明,在斑杂构造中,碎屑组分含量最高,平均为3.57%;纹层构造次之,达到1.8%;中间柱状构造最低,平均只有1.02%,这也与上述构造显微观察结果一致。据DSDP航段62的钻孔463资料,该区域在结壳生长期间,已随太平洋板块进入东北信风区。因此,斑杂构造可能反映了东北信风带的影响,纹层构造则代表了西风带的影响,而中间的柱状构造则反映了结壳随板块运动从东北信风带到西风带的过渡过程。另外,从图5可见,碎屑组分从开始生长的19.4MaBP至7MaBP左右,含量降低,随后又开始增加,这种变化是结壳CXD05随太平洋板块由南至北运动的结果。而且也验证了Hein等的结果,他指出在赤道北太平洋,中太平洋海山结壳由南向北石英含量的增加是风尘活动逐渐增强的结果。而这一问题的彻底解决,还需借助进一步的精确年代学研究。5海洋区域构造环境综上所述,结壳CXD05较好地记录了距今19.4Ma期间,中太平洋海山西部的古环境变化信息。1)结壳构造序列的演变反映了结壳发育时