中太平洋海洋基岩和富钴结壳的结构与特征

中太平洋海洋基岩和富钴结壳的结构与特征

1基岩对结壳生长的影响大而海洋地壳的生长与下伏基岩之间的关系，即地壳生长与基岩是否有关。这不仅是一个有趣的问题，也是一个极其复杂的问题。由于地壳的形成及其厚度，金属含量和其他因素受许多因素控制。例如，区域地质构造、基本岩石类型及其起源、当前基质水化学元素、金属元素浓度、水深、地形、水文条件和微生物活动等影响了祖壳的生长。因此，有必要验证这两种关系。国内外在大洋钴结壳及海山基岩的研究方面有不少报道资料,有的研究者认为结壳的形成是因海水而与基岩关系不大.近年来我们对中太平洋结壳区海山的大量样品进行了观察和分析,其结果进一步表明,富钴结壳往往与海山基岩相伴(即前者以后者为载体生长),但不同岩性的基岩上壳体的形状、厚度都有很大差异,金属品位也有所差别.因此,本文试图通过对测区内的基岩类型、结壳形态特征、壳体及主要金属元素分布、结壳与基岩之间的亲疏关系以及不同基岩上壳体的发育程度等方面进行研究,以探讨基岩对结壳形成的影响,这对于富钴结壳资源的评价和选矿冶炼工作均具有重要意义.2基岩类型及特征调查区内几座海山编号分别为CM1,CM2,CM3,CM4和CM5(图1).选取各海山具代表性的岩石样品进行薄片鉴定及矿物和化学成分分析,结果表明区内有十多种基岩类型:碱性玄武岩、风化火山岩、火山凝灰岩、火山角砾岩、磷块岩、磷酸盐化碳酸盐岩、礁灰岩、有孔虫灰岩、燧石、泥岩等,其中碱性玄武岩分布广,是调查区中最主要的一种岩性.除燧石外,其他岩石一般都存在不同程度的磷酸盐化.以下仅对几种主要岩性作简要阐述,以有助于对结壳和基岩关系问题的研究.2.1钠长石u2004区内每一座海山都有玄武岩分布.它致密呈块状,灰黑色,气孔状构造发育.全岩化学分析结果见表1.碱性玄武岩具斑状结构(照片1).斑晶矿物特征.拉长石(An=56～671)):自形至半自形,长条状;钠长石聚片双晶发育;其含量约占总量的10%.普通辉石:半自形柱状;约占总量的5～15%.橄榄石:半自形,柱粒状;均已伊丁石化;含量小于5%.基质矿物特征.斜长石(An=49～55)、钾长石、辉石、橄榄石、铁矿物、磷灰石、胶磷矿及充填物(碳酸盐、沸石、蒙脱石等).斜长石以条状、针状微晶产出,呈无规则状分布,少数半平行排列.基质以间粒结构为常见.此外,还有风化火山岩,呈块状,黄褐色,结构松散.浅色和暗色物质呈均匀分布,无层理,气孔状构造.2.2x射线衍射分析磷(P2O5)含量大于18%者为磷块岩.它是海水中磷酸盐对已形成的岩石强烈交代的结果,其结构构造具有火山岩或沉积岩的特征,矿物和化学成分复杂.X射线衍射分析结果表明,矿物以氟磷灰石为主1),其次为碳酸磷灰石、微量方解石以及碎屑矿物和生物遗骸.磷块岩在区内各海山都有分布.2.3织物工品特征磷(P2O5)含量为8%～18%,CaO含量较高者定名为磷酸盐化碳酸盐岩.它的颜色浅,硬度不大.物质细腻而均匀,遇稀HCl起泡.矿物成分主要为生物方解石,占总量的90%以上,其次为氟磷灰石以及碎屑矿物和生物化石等.礁灰岩和有孔虫灰岩也是碳酸盐岩的一种,但礁灰岩具明显的生物骨架结构,而有孔虫灰岩则以含一定量的有孔虫化石为特征.2.4sio-sio燧石呈致密状大块体,并多呈厚板状(一般厚度在20cm以上).燧石质地坚硬、新鲜.颜色呈灰色至灰白色.矿物成分单调,石英是其主要的矿物成分,如同一个石英标准样.化学组成中SiO2在96%以上,其他含量极低1).燧石主要分布在CM3海山,其次在CM5海山.3钴结壳的形状类型和壳的分布特征3.1盐岩表面特征区内富钴结壳形态类型总体上可分为三类:板状结壳、砾状结壳和结核状结壳.(1)板状结壳块体大,其下状基岩上常见玄武岩、磷块岩和碳酸盐岩.壳体呈灰黑色,表面较光滑,但有瘤状、葡萄状或豆状突起.厚度变化大,最厚的可达十几厘米.(2)砾状结壳呈黑色或黑褐色,呈球状、连体状和瘤状外形,表面光滑,接触面部分略显粗糙.核心除上述岩性外还有生物骨架.直径一般在10cm以上,大者可达数十厘米.(3)结核状结壳呈黑色、褐黑色.核心物岩性多为灰岩、磷块岩和老结壳碎块,其形态特征与砾状结壳类似,但核心及壳体小,粒径一般小于3cm.3.2结构和基岩类型的关系富钴结壳主要分布在水深1000～3500m内的海山上,在调查区的几座海山都发现了它.通过对大量样品进行观察、测量和统计,结果显示,板状壳(照片2)、砾状壳在CM1,CM2和CM3海山分布最广泛,仅板状壳就占有效取样总站数的64%.结核状结壳虽在各海山都有出现,但数量有限.结壳厚度与基岩类型有很大关系.每一海山基岩上壳体厚度大的都与玄武岩有缘,并以CM1和CM2海山最突出,在这两座海山所有取样站的壳层平均厚度分别为42.4和41.5mm,最厚的壳层也集中在这里(厚达100mm),结壳形态多为板状壳.CM4海山基岩上的结壳次之,其厚度均值为20mm.CM5海山的磷块岩和玄武岩上壳体平均厚度也达到16mm.燧石上结壳最薄,一般都小于10mm,无较厚壳层(表2).凡是具有生长良好壳体的基岩大都已风化,而且风化强烈的岩石的上覆壳层更厚,如在CM1海山上的两个站,单体壳厚90～110mm,其下部基岩为玄武岩或碳酸盐岩-玄武岩,与结壳接触的基岩表层呈蜂窝状.这种有规律的分布在一定程度上反映了结壳生长与其下伏基岩之间的关系.4海洋、岩石和地壳中的元素4.1海水中的成矿元素结壳中的锰、铁、钴和镍等主要金属元素的来源是结壳矿体形成之关键.Батурин曾对海水和结壳中的钴与锰,镍与锰及锰与铁的比值作了对比,前两项指标在海水中均高于结壳中的,特别是镍与锰的比值,海水中的(17.000)比结壳中的(0.016)高得多.在最低含氧层锰与铁的比值为1.000～1.500(有时更高),而结壳中的锰与铁的比值为1.000～2.000,两者非常接近,由此认为结壳是因海水才富集了这些重要的成矿元素.从我们先后对“九五“期间两个航次的结壳样品分析结果看,锰与铁的比值的均值分别为1.270和1.300,也具有这种沉积特点.此外,钴与锰的比值为0.028和0.031,镍与锰的比值为0.018和0.025,也都小于海水中同种元素之比值.因此,“结壳中的成矿元素由海水供给”是没有疑义的,然而问题在于并非任何有海水的地方都会有结壳生成,例如在总体水深为5000m左右的东太平洋多金属结核开辟区的海底丘陵(相对高度小于300m)和海山(相对高度小于500m)也未见如此巨大的结壳矿体存在.事实上,正如上面所说,它们主要是分布在一定水深范围内的海山基岩上.4.2风化火山岩成因我们选取8个(站)相对新鲜的玄武岩、1个风化的火山岩、1个碳酸盐岩及1个燧石样品中的钴、镍、铬和钒元素之含量作了统计,发现在玄武岩中这4种元素的平均值(分别为100×10-6,130×10-6,97×10-6和208×10-6)都高于风化的火山岩(27×10-6,86×10-6,76×10-6和127×10-6),远高于燧石(9×10-6,13×10-6,3×10-6和3×10-6)和碳酸盐岩(分析中未发现上述4种元素).风化的火山岩中元素含量明显减小,这是由于基性火山岩遭受海解后富含钴的橄榄石和辉石晶格被破坏,钴、镍和铁等元素被释放出来并溶入海水,而其他类型的基岩本身就缺乏形成结壳所特有的成矿元素.从这一意义上说,海底的玄武岩向海水输入金属元素进而影响结壳的形成就不能说与燧石一样是没有贡献的.4.3结壳的地球化学基础表3显示的是不同基岩上结壳的主要金属元素含量特点.总体上看,钴、镍等元素含量在以凝灰岩、磷块岩等为基底的结壳中偏高,但有的样品特别是燧石上结壳的钴在某些样品中也不低1).从图2同样可看出,对于不同海域的同一岩性基岩上结壳的金属元素含量有差别,但多数比较接近,以其他岩性作基底的也基本如此1).这说明从风化基岩中释放出的金属元素不仅仅停留在岩体周围,它们也会随着海水的流动而扩散到周边海域,而且火山岩风化所提供的成矿元素并非是结壳生长的惟一物质来源,陆源、生物源以及多期的火山喷发也是一个重要途径.这样,在可作为结壳生长载体的任何基岩上,只要存在适宜的地球化学环境都会有结壳生成,只是壳体的厚薄不等而已.对钴含量的多少另有一种说法,即随着结壳与海水接触时间的延续而增大.也有研究者根据自己的分析结果认为,当结壳直接生长在玄武岩露头上时,结壳底部的化学组分可能是由海底玄武岩风化后元素进入底层水和沉积物然后被结合进结壳的.5聚类分析结果为进一步探讨结壳与不同类型基岩之间的亲疏关系,我们用聚类分析方法开展研究,即根据样品的多变量测定数据,应用数学方法对样品或变量进行数学分类,定量地确定样品或变量相互间的亲疏关系,按它们的亲疏差异程度归入不同的分类单位,而视分析的对象不同又分为Q型和R型聚类分析,本文选用前者(即对样品分类).以欧氏距离系数(dij)作统计量,该系数的值越小,表明样品之间的关系越密切.欧氏距离系数的表达式为式中,n为样品个数(共46个);m为变量个数(包括SiO2,Al2O3,铁、锰、铜、钴、镍等参与聚类的20项化学组成);dij为样品i和j之间的欧氏距离;xik为第i个样品在第k个变量上的值.作聚类分析的样品共46个,其中结壳为32个,玄武岩为9个,风化火山岩为1个,磷块岩为2个,碳酸盐岩为1个,燧石岩为1个.利用各样品化学组成数据1)(因原始数据较多,列表省略)进行聚类合并,但由于作为变量(这里指主要元素和微量元素)的单位不一样,首先必须对原始数据作标准化处理,同时因结壳与基岩样品之间差异较大,采用紧邻连接系统聚类法.相关聚类分析结果以二维谱系图表示(见图3).由图3可以看出,32个结壳样品在欧氏距离系数等于0.596时全部聚成一类;在等于1.668时结壳与玄武岩和风化火山岩聚成一类;在等于1.854处再与磷块岩和碳酸盐岩聚成一类;最后在等于2.021处才与燧石聚为一类.上述结果说明玄武岩、风化火山岩与结壳的关系最密切,其次是磷块岩、碳酸盐岩,而燧石与结壳的关系疏远,也可以说结壳与玄武岩之间具“亲缘关系”.这一结果显然比较符合实际情况,因为结壳中的金属元素与基性火山岩本身所赋存的元素很类似.由此可见,虽然在元素分布特点方面显示不明显,但结壳与不同岩性基岩之间还是存在着不同程度的亲疏关系.6中太平洋的镍基岩综上所述,通过对海水、基岩和结壳中主要金属元素赋存特点的分析以及对不同基岩上壳体厚度分布规律性的探讨,认为基岩对结壳形成有着间接和直接的影响作用.海洋中所含的成矿物质是通过各种途径搬运的结果.远离陆源的中太平洋结壳区虽然不排除有多渠道的物质来源,但调查区位于夏威夷—天皇山链两侧的太平洋断裂带以北,这里曾发生过大规模和多期的海底火山喷发,大量的喷发物和此后火山岩体长期遭受风化,无疑为海水注入了丰富的成矿元素,这为结壳的形成奠定了物质基础.结壳形成与水深有密切关系,水深不仅直接导致沉积环境中氧化还原电位的高低,而且处于不同水深段中的金属元素浓度因其本身地球化学行为所致而存在差异.在水深相对小的水层,铁和钴浓度一般要高于锰和镍的(例如东太平洋结核区内分布在海山上的光滑型结核中铁、钴的含量一般都比深海平原中粗糙型结核的高,而结壳中铁、钴又比结核高),这是因为提供给结壳生长的这些金属的补给量与其在海水中的浓度成正比以及地势高的强氧化环境有利于被结合到锰氧化物中.从上面分析的数据以及前人的资料看,结壳中成矿金属元素的含量及其比值均不超过海水,这说明它们主要源自海水,因此基岩对结壳中元素的影响基本上是间接的(基岩遭受海解后金属元素→海水或沉积物→结壳),这就造成同一海山不同岩石和不同海山同类基岩上三种类型结壳中的铜、钴、镍的含量分布缺乏明显的规律性,即只要有适宜的地球化学环境,任何岩石上都会有结壳生成,但由于结壳与不同岩性载体之间又存在“亲缘性”差异,故总体趋势上(多数样品)这些金属元素在火山岩(包括凝灰岩)、磷块岩作基底的结壳中含量偏高.基岩对结壳产生直接影响作用的主要表现在结壳的生长、厚度及壳体形态上.结壳形态决定于作为其载体的岩石大小和形状,因此才出现上述三种形态类型.中太平洋海山钴结壳内部具有典型的叠层石构造特征1),它与表面光滑状锰结核的微小叠层石柱体极其相似.对东太平洋锰结核的生物成因研究曾有过许多论述,此后林承毅等2)又利用透射电子显微镜对中太平洋钴结壳的微结构进行了观察和研究,发现结壳中也存在大量的与深海锰结核中同样的超微生物化石种——中华微放线菌和太平洋螺球孢菌(其内均充填铁锰物质),并显示出明显的生物韵律,由此认为结壳的叠层石纹层是超微生物周期性生长所形成的.按这一观点解释,叠层石中的成矿元素主要是通过超微生物从