中太平洋海山区富钴结壳成因及分布规律

中太平洋海山区富钴结壳成因及分布规律

太平洋山区是塞伯格壳广泛分布的中心区域。目前，中国正在对该地区的富钴地壳进行调查，了解该地区山海形成的发展历史，对研究富钴地壳的起源和分布规律具有重要意义。由于我国对太平洋地质及地球物理方面的基础地质研究的缺乏,我们对中太平洋海山的形成及其演化知之甚少,笔者在查阅了大量DSDP和ODP等方面的资料后,对这些资料进行了分析和整理,对该区海山的形成演化及与富钴结壳的关系进行了探讨。笔者希望这些工作能对我国的富钴结壳资源调查及其相关的研究工作有所贡献。1中太平洋的火山群中太平洋海山群是一组板内火山型海底平顶山,经前人研究,特别是DSDP和ODP多个航次的深入调查,对它的形成演化史有了一定的了解。总的来说,中太平洋海山群在120～90Ma间起源于现今法属玻利尼西亚群岛区,后来随着太平洋板块的扩张而不断漂移至今天的位置。海山在水平漂移的同时还发生了垂直方向上的升降,曾经形成出露海面的群岛,后又沉降形成现今的海底平顶山群。法属玻利尼西亚群岛区现今仍是一个同位素和热异常区,Smith等(1989)通过研究西北太平洋Megellan海山群中的两个海山认为,它们起源于该同位素异常区。1.1中太平洋的物质条件(1)古地磁学的研究结果是中太平洋海山漂移的最直接证据。Tarduno等(1995)对中太平洋海山Allison和Resolution进行了基底玄武岩的古地磁研究,得到Resolution海山866站位碳酸盐岩的古纬度为14.6°S,这与之前在DSDP463站位附近的早Aptian(128Ma)碳酸盐岩的古纬度13°S处于同一误差范围内,同时可以看出从Hauterivian到Aptian期间,基本上没有或只有很微小的纬向飘移;Allison海山的古纬度为14.2°S,这些纬度值与现今法属玻利尼西亚群岛区(一个多热点同位素异常区)的纬度值一致。Haggerty和Silva(1995)在总结ODP144航次成果时也指出马绍尔群岛几座海山的古纬度约在10°～20°S。其中,Limalok在15°S,Lo-En在25°S,Wodejebato在21°S,MIT在14°S,Takuyo-Daisan海底平顶山也在7°S。(2)这些海山的年龄总体上显示从东南向西北逐渐增大,但也有例外。Tarduno和Gee(1995)研究认为,这些海山并不是同时形成的,之所以如此,是由于它们是由几个热点形成的,而不是一个热点所为,如果只有一个热点,则会显示像皇帝海岭那样有规律的年龄递减现象。(3)宏观上看这些海山呈不太规则的海山链。前面已提到,由于是几个热点的共同作用,再加上漂移过程中方向的改变,使本应规则的海山链变得复杂起来,但在莱恩群岛、马绍尔群岛仍能看出海山链的走向。(4)与SOPITA(SouthPacificIsotopicandThermalAnomaly)之间海山形貌、岩石学及同位素比值特征的相似性(McNuttandFisher,1987;Baker等,1995;Christie等,1995)也是中太平洋海山漂移的重要证据。中太平洋海山的漂移历史大致如下:古地磁数据显示,到晚Aptian(约110Ma)时,中太平洋海山(MPM)尚位于20°～25°S,靠近繁盛的生物礁生长纬度带的边缘。有证据表明从早白垩到Aptian期,中太平洋海山区随太平洋板块发生了向西偏南的运动(Winterer和Metzler,1984),但至晚Aptian(约110Ma)时,最南没有超过25°S,之后向西北漂移直至今天的位置。1.2中太平洋威海的晋升历史及其证据(1)深水生物组合Silva等(1995)发现,在早Aptian,这些海山上全为与浅水碳酸盐有关的特提斯低纬生物组合,至晚Albian,变为加勒比海生物省组合,晚Campanion-Maastrichtian为中太平洋的浅水生物组合(有孔虫和双壳类),至始新世为深海生物组合。(2)财产结构层中太平洋海山的平顶部位普遍存在不同厚度的沉积组合,记录了海山的升降历史。以Allison海山为例,玄武岩基座之上为中、晚白垩纪的浅水生物碳酸盐岩,晚Maastrichtian的浅水生物碳酸盐岩位于浅水碳酸盐岩层的顶部,并普遍存在溶蚀溶洞等喀斯特构造和磷酸盐交代现象,其上发育硬质富钴结壳层。富钴结壳的上面则沉积了较为疏松的深海钙质生物软泥。(3)深水碳酸盐岩顶部Winterer等(1995)发现Allison海山的浅水碳酸盐岩顶部存在喀斯特地貌,深入浅水灰岩之中几十米;还可见陆源植物碎屑及高有机物含量的黑色沉积层。(4)晚aptian有关鱼的隆升和沉积中太平洋地区至今仍有一些海山上存在环形珊瑚礁,如比基尼岛等。据DSDP的钻探结果,这些海山上的浅水碳酸盐台地的厚度可达1400多米。中太平洋海山的升降历史大致如下:早白垩世太平洋板块向西偏南漂移,形成NEE向的双列热点火山链,这就是中太平洋海山的前身。海山形成后由于均衡补偿作用缓慢下沉,到晚Aptian(约110Ma)时,中太平洋海山(MPM)位于20°～25°S,正好位于繁盛生物礁生长带的南缘,此时海山顶部尚位于浅水区且下降缓慢,礁的生长速率正可弥补海山的下沉,接着在晚Aptian发生了大规模火山作用造成区域性的整体隆升,使中太平洋海山区出露水面之上。地震波反射资料、同位素资料及钻探获得的直接的地层学证据都证实在许多海山上存在喀斯特地貌。再次下陷时,生物礁的生长速度跟不上海山下沉的速度,而使大部分海山上的生物礁死亡,但仍存在局部的个别海山,其生物礁一直繁衍到今天,生物礁层的厚度已达1400m以上。到晚白垩除东部又一期火山作用造成岛屿隆起(如Horizon海山)外,其他海山已处于深海环境,一直缓慢沉降到今天的深度。1.3台台地区的环境ODP143航次在Alison和Resolution两座平顶山上钻了两口深井和几口浅井,获得了这些海山从形成到现代较完整的沉积序列记录。综合几个站位的情况,中太平洋海山的沉积层序如下:层序的底部是海山基底的碱性橄榄玄武岩,火山岩基底之上首先为浅海碳酸盐层序,从中鉴别出8个相,其中前3个在各海山广泛分布,后几个仅在个别海山出现。这8个相反映了白垩纪太平洋碳酸盐台地的环境,它们分别是:相1是最广泛分布的一套礁前环境的生物碎屑粒状灰岩;相2由含生物碎屑从少量到逐渐增多的泥岩组成,代表典型的台地内泻湖环境;相3由球粒和包裹泥粒状的泥粒灰岩和瓦克灰岩组成,是在潮流能量主宰的环境中沉积的;相4是与浅水的台地内生物群落相关的多泥的海绵海藻障积岩沉积;相5由鲕粒粒状灰岩组成,代表高能的台地边缘环境;相6是碳酸盐的硅质碎屑沉积的混合相,可能与中太平洋海山平顶山(Allison)上的又一幕火山活动相关;相7是浅水和深水沉积相混合相,是海山礁前环境粗砂斜坡中等坡度环境下的产物;相8由具有高度生物种分异度的多泥沉积组成,代表近边缘的开阔的泻湖环境。浅水碳酸盐层序的顶部为磷酸盐化层和富钴结壳层。富钴结壳层的上面为深海沉积,有的海山仅有薄薄一层(如Resolution海山),有的(如Allison海山)则具有从古新世至现代的较完整层序,特别是从古新世到始新世的完整层序在太平洋其他区域是没有见到的,不仅对于研究本海山区的演化史,而且对研究整个太平洋的构造演化史都是不可多得的资料。2碱土金属对结壳的影响从海山沉积层序的分布看,富钴结壳和磷酸盐化均出现在中、晚白垩浅水碳酸盐相之上,碳酸盐相具有明显的陆上风化侵蚀特征,存在类似喀斯特地形的地貌,磷酸盐和铁锰氧化物枝晶均侵染到遭到侵蚀的浅水碳酸盐台地相的内部,而铁锰氧化物的上部则是深海钙质软泥,在海山斜坡的裸露基岩上富钴结壳甚至一直生长至今。可见富钴结壳的形成,是在晚白垩海山急剧下陷碳酸盐停止生长而且可能因各种流的作用使碳酸盐台地相之上不能接受沉积物的情况下发生的。在结壳形成前或形成过程的早期,发生了不止一期的磷酸盐化,可能同时还有硅质岩的生成,磷酸盐化对浅水碳酸盐或已形成的结壳老结层产生明显的影响。富钴结壳形成于大洋海山上,而大洋海山正是板内地幔柱活动的产物,是地幔流体活动引起的。海山上的基岩和地幔流体的间歇性活动、水岩反应等可能为结壳的形成提供了基本的矿源层和成矿物质。已经公认,富钴结壳是水生沉积成因的,直接的物质来源是海水;但海水中汇集的各种元素是多来源的。海水中元素的来源主要有内源和外源之分,内源一般指来自地壳以内的元素,包括火山物质水岩反应释放到海水中的元素;外源一般指陆源和宇宙源。陆源和宇宙源输入海水中的物质对某一个海区而言,一般情况下是较稳定的,这是因为海洋中存在各种海流,具有巨大的混合作用和运移能力。总的说,海水中各种金属元素的含量是有一定比例的,即是相对稳定的。但海洋还存在复杂的一面,由于气候和海流的差异等,不同的海区,尤其是不同的水团,又有可能在所含的微量金属含量上存在一定的差异,如表层水和深层水、最低含氧层水、南极底层流水等,这与海水的物理化学条件的差异、生物活动,甚至内源的补给等因素有关。但即使处于同一水深,也均存在AABW影响的情况下,海台(海底较平坦的高地,属板内隆起区)和海山都生长结壳,但海台结壳的Co含量却远没有海山结壳的高,这说明海山区周围可能存在近源(指通过海山释放出的内源物质)的成矿物质的及时补充,也有可能是海山上的氧化环境更强一些,更适合结壳的生长。但西北太平洋的海台,如翁通爪哇海台和莎茨基海台,也均在AABW的影响范围之内,氧化环境条件等应不会有很大差异,因此笔者认为前者的可能性更大。可见,海山既是富钴结壳的承载体,又是富钴结壳形成的主要物质来源地,没有海山,就没有富钴结壳。3富国联邦晚白垩海富1-4期磷系构造成矿期5.中太平洋海山的演化史揭示它们是由超级地幔柱形成的板内海洋平顶山,经过漫长地质时期的漂移,由赤道太平洋运移到今天的位置。海山在进行水平漂移的同时还存在垂直方向上的升降,由出露海面到今天山顶位置约在水下1400～1700m。富钴结壳分布于晚白垩浅水碳酸盐台地相之上,与磷酸盐化层相伴生,富钴结壳层的上面是深海沉积,可见富钴结壳