玄武岩与上覆富钴结壳的关系

玄武岩与上覆富钴结壳的关系

0基岩火山岩样品晚白牙西部地区是地幔活动产生的玄武岩岩的最集中地区，也是富钴铁锰壳和磷岩发育的地区。西太平洋海山生长富钴结壳的基岩主要为玄武岩、玄武质火山碎屑岩、磷质岩、碳酸盐岩、泥质岩,基岩主要以下覆方式与结壳壳层相接触。结壳和基岩的关系受到国内外研究者的普遍关注,这些海山基岩很可能为铁锰结壳的形成提供了生长场所。然而这些基岩是否真的为铁锰结壳提供了物质来源,还存在着异议[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]。本文将从海山玄武岩和玄武质火山角砾岩的岩石学特征、气孔充填物的成分及其变化,讨论海山玄武质岩石与上覆富钴结壳的关系,为海山玄武质岩石是否为富钴结壳物质来源提供岩石学证据。西太平洋海山由南部海山组(包括Limalok(871)、Lo-En(872)、Wodejebato(873-877))和北部海山组(包括MIT和Takuyo-Diaisan海山)组成,本研究的样品位于南北两个海山组之间(图1)。本研究获得的基岩火山岩样品主要为玄武岩、玄武质火山角砾岩,样品情况如下所述。DY105-11航次:经度160°44′36″E、纬度21°44′52″N、水深2109m取得2个玄武岩样品(CLD01-1及CLD01-2)。DY105-11航次:经度160°07′57″E、纬度21°16′55″N、水深2448m取得5个玄武质火山角砾岩样品(CLD11-3—CLD11-7)。DY105-11航次:经度149.4786°E、纬度20.1893°N、水深1626m取得2个玄武岩样品(MID06-8及MID06-9)。DY105-13航次:经度149°36.0349′E、纬度20°25.8708′N、水深1996m取得3个玄武质火山角砾岩样品(MID21-10—MID21-12)。1角闪石及磷灰石基于上述样品进行了火山岩岩相学特征研究,火山岩一般风化程度均较强烈。玄武岩:玄武岩为碱性玄武岩,主要为块状构造、气孔—杏仁构造和斑状结构,基质具拉斑玄武结构(图2中A)。斑晶主要为斜长石、橄榄石和单斜辉石,橄榄石、单斜辉石几乎已全部蚀变,只保留了其晶形。橄榄石多蚀变成绿泥石,单斜辉石常被角闪石及磷灰石交代,可见具单斜辉石晶形的角闪石(图2中B)及磷灰石(图2中C)。基质主要由微晶斜长石、钾长石、隐晶质和火山玻璃组成,另外还可见极少量颗粒细小的橄榄石和单斜辉石,但均已蚀变。气孔比较发育,多呈近圆形,大小主要在0.2~1.5mm之间,最小为0.05mm,最大则为2mm,含量一般变化于10%~20%之间。气孔常被铁锰物质及碳酸盐充填成杏仁体(图2中D、E、F)。根据岩石标本的风化程度及与上面结壳的关系,选择了CLD01-1样品(图2中G)作为碱性玄武岩的典型代表进行研究,图2中G清楚地展现了富钴结壳与基岩玄武岩的上覆关系。玄武质火山角砾岩:块状构造,火山角砾结构,由岩屑和晶屑组成。岩屑呈次棱角状,大小不等,多由蚀变玄武岩组成(图2中H),蚀变玄武岩岩屑可见橄榄石和斜长石斑晶。晶屑主要为橄榄石、单斜辉石,部分单斜辉石已蚀变成绿泥石(图2中I)。根据岩石标本的风化程度,选择了MID21-11(图2中J)作为玄武质火山角砾岩的典型代表进行研究。2单斜辉石及微量元素特征由于岩浆后期及海水的作用火山岩遭到强烈风化蚀变,原生矿物多已蚀变,仅对代表性的矿物进行研究。长石:长石是碱性玄武岩及玄武质火山角砾岩中最常见的矿物,可以出现在玄武岩的斑晶中,也可以呈微晶出现在基质中,在玄武质火山角砾岩中长石以晶屑出现。以斑晶及晶屑出现的长石多已蚀变,长石微晶有的则保留完好。表1列出了有代表性的长石微晶的电子探针分析结果,可看出本区碱性玄武岩长石微晶主要为透长石(Or100)和中长石(Ab60.0An39.2Or0.8)(图3)。单斜辉石:单斜辉石是碱性玄武岩及玄武质火山角砾岩中另一种最常见的矿物,它可以出现在玄武岩的斑晶中,也可以呈微晶出现基质中,在玄武质火山角砾岩中单斜辉石以晶屑出现。玄武质火山角砾岩中的部分单斜辉石晶屑保存完好(图2中H),对有代表性的西太平洋海山MID21-11号样品火山角砾岩中单斜辉石进行了电子探针分析,其结果列于表2。由图4可以看出玄武质火山角砾岩中的单斜辉石晶屑主要为普通辉石。碱性玄武岩中的单斜辉石斑晶及微晶多已蚀变,只保留了它们的晶体外形。单斜辉石的蚀变可出现3种情况:(1)单斜辉石和水的作用常形成角闪石(图2中B);(2)有的单斜辉石和海水中磷酸发生交代作用形成了磷灰石(图2中C);(3)被一些类似于气孔充填物的物质所取代,例如在碱性玄武岩中可见到黄色物质充填于单斜辉石晶形中,电子探针结果表明其成分类似于气孔充填物的物质(表3中测点位置6)。橄榄石:橄榄石是碱性玄武岩及玄武质火山角砾岩中最常见的矿物,它常出现在碱性玄武岩的斑晶中,在基质中也可以见到极少量的橄榄石微晶,在玄武质火山角砾岩中橄榄石以晶屑出现。碱性玄武岩及玄武质火山角砾岩中的橄榄石斑晶多已蚀变成绿泥石,只保持了橄榄石的晶体外形。3气孔充填物研究为了研究气孔充填物与玄武岩的关系、气孔充填物的生长过程对富钴结壳生长过程的示踪,进而研究玄武岩与上覆富钴结壳的关系,选择了CLD01-1为代表性的样品进行了气孔充填物的研究。对气孔充填物进行了详细的偏光显微镜下观察、电子探针及电镜分析。3.1气孔充填物质在偏光显微镜下观察到的气孔充填物具有两种类型。一种是Si、Fe、K、Mg、Al等物质的充填,呈环带状,类似玛瑙状(图2中D、E),我们将这种气孔充填物称为S型;另一种气孔充填物为碳酸盐,偏光显微镜下具有碳酸钙的特征但混有泥质和铁质(图2中F),我们将这种气孔充填物称为C型。在偏光显微镜下没有观察到S型气孔充填物和C型气孔充填物共存在同一个气孔中,而是分别独立充填于不同的气孔。在玄武岩中两种类型气孔充填物所占的比例不同,大多数气孔被为S型充填物所充填,被C型气孔充填物充填的气孔数目较少。3.2碳酸钙的混合成分对CLD01-1玄武岩C型气孔充填物进行了电子探针分析,其结果列于表4。由表4可以看出C型气孔充填物的成分主要为碳酸钙,其中混有硅、铝、铁、镁等成分。对C型气孔充填物进行了4个气孔充填物的电镜能谱分析,分析结果表明其主要元素为O、Ca及C,少量Si、Al、Mg、Fe、K等元素(图5),上述偏光显微镜、电子探针分析、电镜能谱分析结果十分一致,C型气孔充填物可能代表了海水中物质的沉积。图6示出了6个C型气孔充填物的电镜照片,显示出了方解石结晶的特征。3.3西太平洋探索岩石学成分分布特征2.对CLD01-1玄武岩中2个(气孔1和气孔2)S型气孔充填物由气孔边缘到中心进行了电子探针分析,其结果列于表3。由表3可以看出S型气孔充填物的物质成分富Si、Fe、K、Mg、Al,各元素含量分别变化于,Si:54.04%~60.95%;Fe:20.50%~26.45%;K:6.79%~8.13%;Mg:5.93%~7.12%;Al:3.44%~4.67%;Co:0~0.54%,去掉最高值和最低值Co含量变化于0.17%~0.46%。由上述S型气孔充填物的Mg、Co的含量接近玄武岩,Si、Fe、K略高、Al略低。由此可见S型气孔充填物的成分与玄武岩的主要组成类似,而不同于海水的成分。表5列出了西太平洋海山玄武岩化学成分,可以看出西太平洋海山玄武岩Fe、Mg、Ca、Na等元素含量变化大,总体来看西太平洋海山玄武岩表现出了Al、K含量低,Ca含量高的特点,另外除1个样品外Mg含量亦低,这说明西太平洋海山玄武岩中的K、Al、Mg等元素发生了大量的流失。这表明碱性玄武岩中S型气孔充填物的物质来源可能与玄武岩的溶蚀有关。从显微镜观察S型气孔充填物均具有明显的环带构造,从气孔边缘到中心具环带构造的充填物代表了一个沉积演化过程。为了研究S型气孔充填物沉积演化过程中各元素的变化特征,分别对气孔1中充填物(D)和气孔2中充填物(E)由边缘到中心进行了电子探针分析(表3)。表3中测点位置1-1~1-5和2-9~2-16分别是气孔1中充填物和气孔2中充填物由边缘到中心的电子探针分析结果。将上述测试结果分别绘制成图7,由图7可以看出在沉积演化过程中随时间的迁移气孔1中充填物和气孔2中充填物相同元素含量的变化规律具有一致性,如:随时间的迁移总的趋势是Al、Fe等元素呈增加,Si等元素减少。4气孔充填物元素含量变化图7分别示出了S型气孔充填物由边缘到中心各元素变化曲线,它们分别代表了气孔充填物在沉积演化过程中不同元素的变化。图8示出了MHD79结壳中各元素变化曲线,它们代表了结壳沉积演化过程中不同元素的变化。由前述S型气孔充填物与碱性玄武岩有关,碱性玄武岩为S型气孔充填物提供了物源。为了探讨富钴结壳与下覆碱性玄武岩的关系,我们将图7与图8进行对比,由图7可以看出S型气孔充填物由边缘到中心各元素的变化趋势与结壳中取样位置在30mm之前各元素的变化趋势具有一致性。如:Si元素的变化趋势均具有减少→增加→减少;Al元素的变化趋势均具有减少→增加→减少→增加;Fe元素的变化趋势均具有增加→减少→增加;Mg元素的变化趋势均具有增加→减少→增加;K元素的变化趋势均具有减少→增加→减少→增加;S型气孔充填物(气孔2)由边缘到中心Co元素的变化趋势是增加→减少→增加(由于Co元素含量较低,电子探针分析的结果较差,气孔1与气孔2的结果有一定的差异),结壳中取样位置在30mm之前Co元素的变化亦有相同的趋势即增加→减少→增加。由上述可看出S型气孔充填物Si、Al、Fe、Mg、K等元素变化与结壳中元素变化趋势基本相吻合。气孔充填物Ti等元素由于含量低,电子探针分析的结果较差,故与结壳中元素变化不具对比性。S型气孔充填物的Si、Fe、K、Mg、Al均比结壳中的相应元素高,说明结壳中的Si、Fe、K、Mg、Al等元素虽然可能来源于玄武岩,但结壳中的物质成分可能是除玄武岩外还有海水的贡献,是玄武岩成分和海水成分共同作用的结果,玄武岩和海水对结壳物质成分贡献了多少有待进一步研究。5气孔充填物组成基岩火山岩主要为碱性玄武岩和玄武质火山角砾岩,碱性玄武岩中橄榄石斑晶多蚀变成绿泥石,单斜辉石常被角闪石及磷灰石交代,基质中长石微晶主要为透长石(Or100)和中长石(Ab60.0An39.2Or0.8);玄武质火山角砾岩中的单斜辉石晶屑主要为普通辉石。碱性玄武岩中气孔充填物具有S型和C型两种类型,S型和C型气孔充填物不共生于同一个气孔中。S型气孔充填物富Si