中太平洋海山区富钴结壳中的双组分带及其对喹克拉通的响应

中太平洋海山区富钴结壳中的双组分带及其对喹克拉通的响应

1研究地质意义海洋钴壳和多金属核是海底的重要潜在资源。在59年代的中太平洋海山区，我们研究了来自中太平洋海山区的富钴结壳资源，并收到了大量的结壳和岩石样品。通过研究，我们对钴矿床的特征及其分布规律有了一定的了解。由于地壳通常由海床上的岩组成，因此对地壳中的下伏岩石也进行了各种分析和鉴定。研究区域内基岩种类繁多，包括玄武岩、磷块岩、磷酸盐岩和黄石岩。除黄石岩外，其他岩石性质岩石的成因基本清晰，黄石岩的成因相对复杂。本文试图对这一过程进行有益的研究。目前，世界上关于黄石起源的讨论很多，但作者的研究是中国首次对中太平洋海域进行海拔高度调查的。2中日东海基岩的采样中太平洋富钴结壳调查区内的6座海山分别为CM1,CM2,CM3,CM4,CM5和CM6.总体水深在1000～3500m.对各海山基岩的采集,是用特制的带有长锯齿状的金属拖网架进行的.从所采到的岩石样品看,主要是基性火山岩、磷块岩及磷酸盐化碳酸盐岩等,但在有的海山上取到了燧石岩.该岩石在CM3海山广为分布,其中最大一块样品的厚度为10cm,重达90kg.在CM5海山虽然分布不普遍,但在局部地方却大量出现,数量达200kg.此外,CM1海山亦有少量燧石样品.3黄石岩的鉴定我们主要是通过以下几种方法来研究该区燧石成因的:宏观观察和微观鉴定、矿物和化学组分、硅和氧同位素组成特征.3.1岩石学和岩石学特征按产状分类,本区燧石为层状燧石,厚度为几厘米至20多厘米.致密坚硬且光滑,新鲜面呈灰白色,油脂光泽,见壳状断口,肉眼看似胶状——隐晶质结构,物质成分较纯.其间都能见到不规则状的白色斑块分布(照片1).岩石薄片中无色,呈非常细粒的微晶质集合体,并在某些微区中观察到有孔虫化石(照片2).每一视域内有孔虫化石含量不等,最多者估计可达50%左右.具残余生物结构、鲕状结构.3.2石英及他形石英偏光显微镜下(正交偏光)除均质部分呈黑色外,其他全为灰色(照片3).可见纤维状集合体,波状消光明显.矿物成分单调,根据其光性特征,它们与石英、玉髓相似,前者呈他形至半自形粒状.颗粒之间基本镶嵌,除石英外可能还有蛋白石.对CM5海山一块燧石的X-射线衍射分析结果证实了石英是其主要矿物成分.该样如同一个石英标准样,由较纯的低照片3燧石岩(CM5海山),他形石英(灰白温石英组成(见表1).干涉色),正交偏光,×653.3微量元素组成对CM1,CM3和CM5海山各取一个燧石样品作化学成分分析,其结果见表2所示,由表2可知,它们的化学组成区别不大,SiO2含量非常接近,分别为96.80%,96.50%和96.14%.其他次要元素组成上差别也很小,CM5样品在Al2O3,TFe(全铁)、MnO和CaO组成上比CM1和CM3略高,但Na2O,K2O要少.另外3个样品的P2O5含量以CM3最大(0.14%),CM1最小(0.06%).因此,本区燧石岩属于纯硅质岩.次要成分(铁、铝、镁和钙等氧化物)是由岩石中所含的黏土和碳酸盐成分所致.3.4硅氧同位素组成同位素研究方法已广泛应用于各个领域,尤其在岩石矿物以及某些矿床研究的应用上.自然界物质同位素组成上的变异是各种物理化学条件下的反映,尤其对于质量较小的元素,其同位素质量相对差别较大,有可能发生明显的同位素分馏效应,因此根据同位素组成可判断其形成环境和条件.我们试图通过硅氧同位素组成的分析,以了解本区燧石岩的成因和形成条件.提供作30Si和18O同位素分析的燧石样品是取自CM5和CM3海山,分析结果、测试方法和精度见表3及有关说明.3.4.1地层硅质岩30si同位素组成特征硅在自然界是普遍存在的,它的丰度值仅次于氧.其同位素组成变化小,不如硫、碳、氧等质量较小的稳定同位素变化区间大,因此如用传统分析方法,则很难辨别其细微的差别.在本研究中,采用的是高精度(±0.0001)SiF4法,它是中国地质科学院矿产资源研究所通过多年研究的新成果的应用,弥补了硅同位素组成变化区间小之不足.从两个燧石样品分析结果看,δ30SiNBS-28都为0.0004.我们对比了我国各时代地层硅质岩30Si同位素组成特点:δ30Si在0.0001～-0.0005范围为深海放射虫硅质岩,在0.0003～0.0013是浅海及半深海放射虫硅质岩,马里亚纳海沟硅质沉淀物(化学沉积硅质岩)的δ30Si值都在-0.0004以下.从上面几组同位素组成看,虽然本区燧石岩与浅海及半深海环境中形成的放射虫硅质岩的硅同位素值低比较类似,然而前者手标本特征及薄片中只见有孔虫遗骸而未见硅质生物(放射虫)化石,又表明它并非由硅质生物堆积变化形成的,因此两者不宜相比.如此低的δ30Si值可能是火山期后热水溶液的影响造成的.3.4.2硅质岩成因分析氧在地球中的丰度值最高.氧同位素为质量较小的稳定同位素,其变化区间大,即使只有细微的差别也能被分辨出,因此对岩石成因的指示意义显而易见.作为氧同位素分析的燧石与提供作硅同位素分析的样品相同,对两个燧石样的分析都得到了同样结果,即CM5的δ18OV-SMOW=0.0321,CM3的δ18OV-SMOW=0.0320.δ18O值之高虽然可表明为海相沉积成因的硅质岩特征,但交代的SiO2之δ18O值也可以高于宿主岩(CaCO3)之δ18O值.4关于flain的成因的讨论4.1火山岩形成时代探讨研究区位于夏威夷-天皇山链两侧的太平洋南断裂带以北.调查的几座海山相距不远,最大直线距离约为100余海里.据海上现场Seabeam和地磁资料分析,区内发育了北西向和东西向两组大断裂,近东西向的地壳断裂基本控制了海山的主体构造走向,但受北西向断裂的阻隔或断错.海底深层岩浆即沿此两组断裂造成的薄弱地带侵入,发生大规模和多期的海底火山喷发,从而形成了现今海山群的总体格局.海山形体呈锥状、平顶状及马鞍状等.这些海山群原先出露于海平面或水深较浅处,因后期构造运动而逐渐下沉至现今水深位置(在海山上取到的表面仅有铁锰结膜的珊瑚礁标本即可证实),有的海山顶部遭受海水侵蚀被削平.本文对CM1海山玄武岩年龄作Rb/Sr等时线法分析的结果为(42.51±1.46)Ma,对应地质年代是第三纪中始新世晚期,推测的年代是白垩纪一早第三纪.4.2氧同位素sio与热液燧石成因可归为两大类:一是氧化硅与沉积作用同时进行的,另一种是宿主岩(通常是石灰岩)在沉积后被氧化硅交代的.虽然两大类成因比较清楚,但具体分析其成因的归宿却不那么简单.综合上述鉴定和分析资料,我们对本区燧石岩成因作如下讨论.首先,在燧石标本上的新鲜断面均可见无规则的白色斑块和斑带,较坚硬,说明已硅化.单偏光镜下对燧石薄片鉴定中发现有孔虫化石,且含量不低.更有意义的是,在CM5海山一块被敲碎了的燧石新鲜面中发现有白色小团块(其长边为12mm),质软,用小刀易取出,与稀盐酸作用强烈起泡.实体镜下观察主要是有孔虫遗骸(极少为硅藻),经鉴定属正常海相环境中的亚热带有孔虫,生存于1000～3000m水深的海水中.这一残留块体可看作是宿主岩(有孔虫灰岩)被交代的证据.根据本区地质构造背景,有孔虫灰岩应是在白垩纪一早第三纪海山形成以后的下沉过程中堆积起来的.燧石的矿物成分如同一个石英标准样及SiO2含量高达96%以上的特点,说明原先的有孔虫灰岩已基本上被二氧化硅所交代.本研究中的硅氧同位素组成分析结果对燧石岩成因的讨论也提供了一个重要信息.由30Si同位素分析给出的两块燧石样之δ30Si值均为0.0004,此值明显区别于深海硅质岩的δ30Si值(0.0001～-0.0005),也因上面提到的燧石岩手标本特征,排除了由硅质生物堆积成岩的可能性,而δ30Si值低与火山期后的热水溶液作用有关.联系调查区海山具多期岩浆喷发特点,因此提供SiO2组分的热液来源是不会有疑问的.火山喷发出的热液中溶解有SiO2,能直接注入水体中,而且一些火山物质遭受海解作用发生蒙脱石化时,多余的氧化硅被释放到周围的海水中,使局部地区的海洋底层水中SiO2得到饱和,从而为燧石的形成奠定了物质基础.氧同位素分析结果(即两个燧石样品的δ18O值均高达0.032),又从另一方面证实了它是氧化硅交代作用的形成物.已知石灰岩的18O同位素值一般是:0.020<δ18O<0.030,但认为交代的SiO2之δ18O值也可高于宿主岩(灰岩)之δ18O值.由于本区海底火山活动具多期喷发特点,因此也会有多次热源补充,火山期后的热水溶液必然导致海水温度的提升,从而有利于交代作用的进行.从海上取样结果看,燧石在调查区各海山并非普遍分布,它主要见于CM3和CM5海山,而且其产状呈单独块体而不是以大范围内的沉积岩体出现(手标本表面未有任何新鲜断面),这与区内有孔虫灰岩有类似之处,生物成岩成矿的特点就在于它的局部性.中太平洋海山从海底岩浆喷发造就的海山群雏形至现今所处位置的分布格局,表明它们经历了从浅海到半深海的环境.硅质岩一般被解释为深水沉积的“专利”,因为在正常的海水中SiO2含量仅为4×10-6,这就引导出一个硅组分的来源问题.Siever提出“必须假定氧化硅有非正常的补给或有特殊的沉积环境”,而我们所认为的火山热液在当时正是这种“非正常补给”的渠道,也可以说相对于现今海底而言是“特殊的沉积环境”,综合上述各点,认为本区燧石是Si02组分交代有孔虫灰岩解释的依据是充分的.本区燧石成因的研究,进一步表明了燧石是一种多成因的岩石,没有简单的生成方式可适用于所有的燧石,必须对其作具体的分析和判断.笔者注意到大洋钻结壳的内部构造具叠层石构造特征,它与光滑型锰结核中的微小