西太平洋海洋环境富钴结壳形成过程中的元素富集

西太平洋海洋环境富钴结壳形成过程中的元素富集

在塞伯格表面保存的富钴结壳中，它含有co、pt和ree等金属元素，成为继多金属处理后的又一繁忙海域的矿床固体资源。西太平洋海山区和中太平洋海山区是两个重要的富钴结壳富集区。20世纪60～80年代,发达国家开展了大规模调查和研究;我国90年代后期才开始作调查,迄今多个航次的调查范围从西太平洋到中太平洋,开展了结壳地质地球化学特征、磷酸盐化作用等研究[10,11,12,13,14,15]。目前,国际海底管理局正在着手制订富钴结壳和海底热液硫化物资源的勘探规章。因此,抓紧时机开展富钴结壳的进一步调查,圈定有远景的矿区,适时通过外交途径向联合国国际海底管理局提出申请矿区是非常必要的。本文通过研究西太平洋调查区富钴结壳成分特点及元素组合,从一个侧面探讨其成矿作用,为矿区评价提供依据。1测试方法样品由中国大洋协会“大洋一号”船在DY105-11航次中,在西太平洋五座海山(wp1、wp2、wp3、wp4、wp5)利用拖网采样器采集的。选取有代表性的30个采样测站,对不同类型及分层的56个结壳样品进行X射线荧光光谱分析。样品测试由广州海洋地质调查局实验测试所完成。将样品粉碎至200目后,直接粉末压片,使用日本产RIGAKUZSXmini台式波长色散X射线荧光光谱仪,工作曲线用经验系数法校正样品基体效应、吸收增强效应和重叠效应,经多次回归得到;标准系列由国家多金属结核标准物质GSPN-1、GSPN-2、GSPN-3,富钴结壳标准物质GSMC-l、GSMC-2、GSMC-3,以及部分大洋沉积物标样等组成。Cu、Zn元素相对标准偏差分别为2.96%与3.53%,其他元素的相对标准偏差均小于1.6%。X射线衍射分析由中国科学院广州地球化学研究所分析,实验仪器为日本理学D/max-1200型X射线衍射仪,Cu(mono)。2结果2.1单层构造结构结壳的宏观构造可分为单层构造、双层构造和三层构造。后两种构造各粗层见有间断面相隔。单层构造一般由致密纹层组成,多呈结皮状。具双层构造的结壳由致密层和疏松层两大粗层组成,多见结壳上部为致密层,下部为疏松层。三层构造结壳一般由上部较致密层、中部疏松层与下部致密层(亮煤层)组成;这种组合具普遍规律性。2.2下部致密层中3个矿物的组成,易由图1可见,结壳中的矿物组分与结核相似,主要由水羟锰矿组成,次要矿物有磷灰石、石英、长石与粘土矿物等。三层构造结壳中下部致密层中含有一定量的磷灰石,基本不含碎屑矿物;上部较致密层和中部疏松层含有少量的碎屑矿物(石英和斜长石)。2.3地质意义因子用X射线荧光光谱仪测定了56个结壳样品的Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、S、Cl、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、V、Sr、Zr、Mo、Ba、Pb与Ce(表1)。R型聚类分析表明,在相关系数为0.3的水平下,西太平洋富钴结壳化学组分可以分成四组(图2):1)Si、Al组,包括SiO2、Al2O3、K2O、Fe、Na2O、Cl及MgO等组分;2)Ca、P组,包括CaO、P2O5、S等;3)Mn、Ni组,包括Mn、Ni、Zn、Cu、Sr、Mo、Ba、Ce和TiO2、Zr、V、Co;4)Pb组,Pb元素自成一组。R型因子分析以累积方差贡献达到80%为标准,选取4个主因子(表2)代表结壳中23种组分所参与的地质作用过程;各因子中确定的元素组合与聚类分析结果基本一致。根据元素组分在各主因子上的载荷值及符号,确定各因子的正负属性及其所代表的元素组合,探讨各因子所代表的地质意义。主因子Fl:兼有正、负二重性,与其正相关的元素组合有Al2O3、SiO2、K2O,与其负相关的元素组合有Mn、Mo、Sr、Ba、(V、Zn、Ni、Ce、Co)。主因子F2:兼有正、负二重性,与其正相关的几素组合有CaO、P2O5、S,与其负相关的元素组合有TiO2、Fe、Co、Zr、V、Pb、(Ce)。主因子F3:兼有正、负二重性,与其正相关的元素组合有Fe、(Pb),与其负相关的元素组合有Ni、Cu、Zn、MgO、(Ba、Ce)。主因子F4:以正因子为主,元素组合有Na2O、Cl、MgO,伴有弱负因子,元素组合为CaO、P2O5。3富铬结壳形成机理随主因子的变化研究认为,富钴结壳是水成作用的结果,在铁-锰氧化物形成过程中,以胶体吸附方式吸收了海水中游离的Co、Ni、Cu等金属。结壳中除主要矿物锰、铁矿物相外,还含有石英、长石、粘土矿物等次要组分,聚类分析结果中Si、Al元素组可能代表结壳中碎屑矿物组成及海水交换作用的产物,其中Fe与SiO2、Al2O3、K2O等的相关性表明,结壳中Fe可能主要来源于碎屑物质的输入。Ca、P元素组为典型的生物源组分,反映结壳遭受的磷酸盐化作用过程。Mn、Ni元素组代表结壳中的海底火山源或热液组分。Mn以水羟锰矿形式存在;Ni、Zn、Cu等元素通过海解作用从玄武岩中释放出来,可能以吸附态形式富集于锰矿物相中;Ce可能以类质同象方式置换水羟锰矿中的Mn。因子分析表明,4个主因子中有3个具有正、负二重性,某些元素(如Fe、MgO、Ni、V、Ce等)分别参与到不同因子中,表明富钴结壳的形成经历了非常复杂的成矿作用过程,表现出多期多源成矿特点。主因子F1具有最大的特征值,代表富钴结壳经历的最主要的成矿地质作用,以形成铝硅酸盐矿物(以蒙脱石、伊利石等粘土矿物为主)和锰矿物相(水羟锰矿为主)为主要特征;元素组合间的明显负相关表明,锰矿物相的形成与铝硅酸盐矿物有彼此消长的关系。可以推断,在水岩界面上,海山玄武岩经海底风化作用形成的铝硅酸盐矿物为锰矿物相的形成提供了良好的聚集核心,这可能是结壳成矿的基础。在锰矿物相形成过程中,富集了可能从玄武岩中或生物分解释放出的Mo、Sr、Zn、Ni、Co、Ba、V、Ce等元素。锰矿物相形成后抑制了结壳中铝硅酸盐矿物的进入。主因子F2代表富钴结壳的次一级成矿作用,以磷酸盐沉积作用及部分铁矿物相形成为主要特征,元素组合间也有明显的负相关关系。Fe在F2、F3因子中具有较大的载荷值,在本因子中居次位,表明铁矿物相至少是二次地质作用的产物,本次作用的强度居第二位。元素的正相关性表明,铁矿物相的形成有利于TiO2、Zr、V、Fe、Ce等元素的富集,尤其是TiO2具有很高的载荷值,表明结壳中Ti的富集作用主要与本次成矿作用有关。CaO、P2O5在F2和F4中具有较大的载荷绝对值,在本因子中最大,表明富钴结壳形成过程至少经历两次磷酸盐沉积作用或磷酸盐化作用,以本次作用为主。S的载荷绝对值在本因子中最大,在其他因子中均表现较小,S与CaO、P2O。构成正相关的元素组合,表明它在结壳中的富集过程与磷酸盐化作用有关。元素组合之间明显的负相关性表明磷酸盐沉积作用对铁矿物相有抑制作用。主因子F3代表一次主要的铁成矿作用,其中铁矿物相可能选择性地吸附Pb,而排斥Ni、Cu、Zn、MgO等。主因子F4代表结壳与海山物质交换作用过程及另一次强度较弱的磷酸盐化作用。本因子中Na2O、Cl、MgO组合占主导地位,CaO、P2O5组合与之呈负相关,但载荷值较低,表明结壳与海水物质交换作用过程中,伴随有弱磷酸盐化作用,两者互相抑制。4成矿作用及微量元素特征西太平洋富