中太平洋海山區(qū)多金屬結(jié)殼成礦特征

中太平洋海山區(qū)多金屬結(jié)殼成礦特征

0中太平洋海山區(qū)富類富類成礦研究現(xiàn)狀多金屬殼是由水化學產(chǎn)生的“地殼”沉積物。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，殼中包含mn、co、pt、ni、pb、au、ti、ce和其他金屬，其中co含量尤其高，達到2%以上。這明顯高于多金屬核。因此，多金屬殼也被稱為富鈷結(jié)殼。與大英泰盆地保存的多金屬核不同，富鈷結(jié)殼的產(chǎn)量相對平坦，其分布范圍一般不超過800-3000m。因此，很大一部分結(jié)殼分布在相關(guān)國家的專業(yè)經(jīng)濟區(qū)域（ez），這顯著降低了采礦的難度。由于結(jié)殼中富含各種重要的金屬材料，不僅具有潛在的經(jīng)濟價值，而且具有相對平坦的產(chǎn)量深度。因此，富鈷結(jié)殼是繼嘉靖多金氏癥之后，一些國家開展了一次調(diào)查和研究的另一種重要的多金屬礦產(chǎn)資源。它的資源狀況和成礦地質(zhì)理論受到世界各國政府和科學家的高度重視和研究。富鈷結(jié)殼最早發(fā)現(xiàn)于20世紀50年代末,從20世紀60年代直至80年代初,海山富鈷結(jié)殼一直被視為深海結(jié)核的一種特殊的端員類型加以研究.Mennard于1964年曾注意到產(chǎn)于太平洋海山區(qū)的多金屬結(jié)殼中Co的含量明顯高于其他結(jié)核的成礦特征.隨后,Cronan(1969)和Frezer(1980)又進一步發(fā)現(xiàn)了海山多金屬結(jié)殼中Co的含量與水深之間的關(guān)系,指出鐵錳沉積物的富Co區(qū)主要集中在西太平洋和南太平洋的高地形區(qū)(據(jù)文獻).但系統(tǒng)開展富鈷結(jié)殼的研究則始于20世紀80年代初.1981年,前西德“太陽號”調(diào)查船在中太平洋海山區(qū)首次對富鈷結(jié)殼進行了專門的資源調(diào)查和研究,獲得了結(jié)殼形態(tài)、厚度、產(chǎn)狀、成分、礦物學和成礦環(huán)境的資料,并初步圈出了結(jié)殼富集區(qū)的大致范圍.隨后,前蘇聯(lián)、美國、英國、日本等國也相繼在太平洋海山區(qū)開展了調(diào)查.這些工作不僅揭示了富鈷結(jié)殼作為資源開采對象加以研究的開端,并使中太平洋海山區(qū)成為迄今大洋富鈷結(jié)殼資源調(diào)查和研究最為廣泛和深入的地區(qū).但是,這些調(diào)查和研究主要限于有關(guān)國家的專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)成礦地質(zhì)環(huán)境較為理想的區(qū)域,而對另一部分分布于國際海域的富鈷結(jié)殼的調(diào)查與研究相對較少.因此,對這一海區(qū)富鈷結(jié)殼的成礦環(huán)境或成礦特征的認識不盡透徹.為深入開展大洋礦產(chǎn)資源的調(diào)查與研究工作,我國于近幾年來在前期大洋多金屬結(jié)核資源勘查的基礎上,又進一步開展了大洋富鈷結(jié)殼資源的調(diào)查與研究工作.本文根據(jù)這些調(diào)查資料并結(jié)合其他相關(guān)研究結(jié)果,對中太平洋有關(guān)海山區(qū)富鈷結(jié)殼的成礦特征作一初步研究.1結(jié)殼形貌調(diào)查區(qū)海山富鈷結(jié)殼的類型多樣,但據(jù)其形態(tài),基本上可分為結(jié)殼、結(jié)殼狀結(jié)核和結(jié)核三類,其中結(jié)殼(或稱被狀結(jié)殼)是海山富鈷結(jié)殼的主要類型.結(jié)殼狀結(jié)核(也稱之為球狀和似球狀結(jié)殼)為結(jié)殼和結(jié)核的過渡型,一般據(jù)其產(chǎn)狀、成分、成因及成礦環(huán)境等特征可分別稱之為結(jié)核或結(jié)殼.(1)結(jié)殼.結(jié)殼的產(chǎn)狀各異,但主要呈板狀、塊狀、層殼狀.總體來看,結(jié)殼上表面較光滑,下表面粗糙.結(jié)殼呈層狀生長,厚度變化較大,最厚的可達幾十cm,最薄的不超過1mm.對于1～10mm的結(jié)殼習慣上稱之為結(jié)殼皮,而1mm以下的結(jié)殼,稱為鐵錳薄膜.從工業(yè)利用的角度來看,只有厚度大于1cm的結(jié)殼才有價值.(2)結(jié)殼狀結(jié)核.結(jié)殼狀結(jié)核為結(jié)殼和結(jié)核的過渡形態(tài),形似結(jié)核,但核心較大,殼層較薄,顏色為黑或黑褐色.結(jié)殼狀結(jié)核分布較普遍,多呈球狀、連體狀、瘤狀、板狀、塊狀、生物狀等多種形態(tài),粒徑一般大于3cm,表面特征與結(jié)殼相似,上表面較光滑,下表面粗糙.結(jié)殼狀結(jié)核的殼層厚度呈上厚下薄的特征,與核心基巖有一定關(guān)系,根據(jù)觀察結(jié)果,以火山巖(包括玄武巖、火山角礫巖、火山凝灰?guī)r)為核心的結(jié)殼狀結(jié)核要比以沉積巖(碳酸鹽巖等)為核心的結(jié)殼狀結(jié)核殼層厚度大.結(jié)殼狀結(jié)核的核心巖性與結(jié)殼基巖類型相仿,主要有玄武巖、泥巖、碳酸鹽巖、火山角礫巖、礁灰?guī)r、火山凝灰?guī)r等.(3)結(jié)核.結(jié)核在結(jié)殼產(chǎn)出深度內(nèi)所占比例較少,其組成主要與水深有關(guān),一般分布于水深大于3500m的區(qū)段,淺水區(qū)的低洼處也是其重要的生存場所.結(jié)核多呈球狀、瘤狀、橢球狀、菜花狀、連體狀、不規(guī)則狀等形態(tài),以球狀、瘤狀光滑型結(jié)核為主.結(jié)核為黑色、褐黑色,粒徑一般小于3cm,以1～3cm為主,少量大于3cm.殼層大體可分為2～4層,各殼層圍繞核心呈同心環(huán)帶生長.結(jié)核的核心物質(zhì)和結(jié)殼、結(jié)殼狀結(jié)核的基巖核心物質(zhì)差不多.2殼體中元素的組成和礦物特征2.1地殼地球化學特征分析結(jié)果表明,富鈷結(jié)殼含多種元素,但相對地殼豐度而言,屬高度富集型的元素主要有Mn,Co,Ni,Cu,Zn,Pb,Mo及REEs.前者比地殼豐度高出約1～4個數(shù)量級,后者REEs則約是其地殼豐度的10多倍.其次為Fe,Ti,P等元素.元素在海山富鈷結(jié)殼中的豐度特征是結(jié)殼在生長過程中各種地質(zhì)地球化學作用的綜合表現(xiàn),也是富鈷結(jié)殼資源評價的基礎.研究結(jié)果表明,調(diào)查區(qū)海山結(jié)殼中主要成礦元素的地球化學相主要體現(xiàn)出Mn組元素(如Ni,Cu)含量顯著降低,而Fe組元素(如Co,REEs)和生源元素P,Ca含量明顯增大的變化特征.這進一步證實了結(jié)殼具有與結(jié)核不同的成因機制的觀點和富鈷的資源特征.2.2成巖礦物組成富鈷結(jié)殼的結(jié)晶程度很差,其礦物組成,尤其是其中的鐵礦物,常規(guī)的顯微鏡方法不能對其進行鑒定,只有用穆斯堡爾譜或X射線衍射分析才能進行準確的鑒定.經(jīng)對調(diào)查區(qū)海山多個樣品的分析,結(jié)果表明海山結(jié)殼礦物主要由三部分組成,即錳礦物、鐵礦物和雜質(zhì)礦物.錳礦物為結(jié)殼的主要礦物,分析結(jié)果顯示所有樣品都具有2.45×10-10m和1.42×10-10m兩個強峰,這表明結(jié)殼主體礦物組分為水羥錳礦.除水羥錳礦外,在個別樣品中還發(fā)現(xiàn)了比較明顯的9.97×10-10m峰,說明結(jié)殼中尚存在較少量的鋇鎂錳礦.鐵礦物在結(jié)殼中少量存在.根據(jù)X射線衍射和穆斯堡爾譜及其參數(shù)特征判定,所有結(jié)殼樣品中的Fe均以三價形式存在,而且所有的鐵礦物均為β羥鐵礦,即以β-FeOOH形式存在,這表明海山結(jié)殼在鐵礦物組成上一致,均為羥鐵礦.在個別站位(樣品)中出現(xiàn)了兩種鐵礦物:赤鐵礦和磁鐵礦.從結(jié)構(gòu)上比較,赤鐵礦在上殼層中較多,而磁鐵礦在下殼層中較多.從穆斯堡爾譜分析結(jié)果看,調(diào)查區(qū)海山結(jié)殼中鐵礦物的成因無本質(zhì)差別.結(jié)殼中的雜質(zhì)礦物主要是由碎屑、粘土或自生礦物組成,雜質(zhì)組分的種類較多,主要有石英、斜長石、磷灰石、高嶺石、方解石、云母等,其來源不盡相同.這些雜質(zhì)礦物主要是由結(jié)殼生長期間同期所發(fā)生的沉積作用摻雜的結(jié)果.在結(jié)殼生長期沉積作用的強度將直接影響結(jié)殼的純度.3結(jié)殼的顯微構(gòu)造結(jié)殼是一種鐵錳氫氧化物和氧化物的沉積,其組成礦物極其微細,一般難以分辨,為非晶質(zhì)結(jié)構(gòu).從宏觀上看,結(jié)殼一般具有雙層結(jié)構(gòu),下層為泥質(zhì)包裹體的疏松多孔體,上層為致密層,其厚度通常為下層的兩倍左右.上下兩層還可分成若干層,殼層的多少則依不同個體而有差異.經(jīng)顯微鑒定,調(diào)查區(qū)海山結(jié)殼最多可分8層.從上往下依此可分為:(1)黑色致密狀層,平均厚5cm;(2)黑色致密塊狀層,2cm;(3)亮黑羽狀致密細層,3mm;(4)鐵褐色致密層,7cm;(5)亮黑羽狀細層,1.5～2cm;(6)黑色致密塊狀層,1cm;(7)煤渣狀含鈣質(zhì)殼層,1.5～2mm;(8)黑色致密塊狀層,1cm.結(jié)殼的宏觀構(gòu)造統(tǒng)稱為層狀構(gòu)造,并可細分為板層狀和圈層狀兩種.板層狀構(gòu)造結(jié)殼層呈二維展布,可以是單層,也可以為多層,厚度有大有小,層面平坦或起伏.這種構(gòu)造一般發(fā)育在面積寬廣、坡度平緩的基底上;圈層狀構(gòu)造結(jié)殼層圍繞一核心呈同心圈層狀生長,是結(jié)殼狀結(jié)核特有的一種構(gòu)造.結(jié)殼與結(jié)核一樣,可以圍繞一個核心向外生長,這與其形成“基底”的不穩(wěn)定性有關(guān).核心較小時,圈層等厚;核心較大時,上層較厚,下層較薄.如果按殼體的疏密程度分,結(jié)殼的宏觀構(gòu)造又可分為多孔狀構(gòu)造、煤渣狀構(gòu)造和致密塊狀構(gòu)造.多孔狀構(gòu)造、煤渣狀構(gòu)造多見于結(jié)殼與風化基底的界面處,而致密塊狀構(gòu)造是結(jié)殼在沉積作用較弱時穩(wěn)定生長的標志.結(jié)殼宏觀特征較為簡單,但其顯微構(gòu)造卻十分復雜.結(jié)殼的殼層在顯微鏡下形態(tài)多樣,根據(jù)形態(tài)特征,顯微構(gòu)造大體上可分為柱狀構(gòu)造、不規(guī)則狀構(gòu)造、水平紋層狀構(gòu)造、波浪紋層狀構(gòu)造、島嶼狀構(gòu)造等.柱狀構(gòu)造的紋層層層疊置形成如疊層石狀的柱體.柱體有時出現(xiàn)分叉與合并現(xiàn)象,并且有平行柱體延伸方向的間隔柱體的沉積物雜質(zhì).在沉積物不連續(xù)分布的地方,相鄰柱體部分紋層過渡相連.不規(guī)則構(gòu)造的紋層生長方向、厚度、連續(xù)性均受到破壞、干擾,紋層組形態(tài)不規(guī)則,方向紊亂,紋理厚度不一.紋理間或紋層組合間充填了許多其他物質(zhì).島嶼狀構(gòu)造的紋層組被大量的沉積物完全分隔,呈形態(tài)不一但封閉的孤立島嶼狀,其生長方向較難判斷.平行紋層狀構(gòu)造的紋層形態(tài)為近水平的平行帶狀,其間沉積物雜質(zhì)較少,不易分辨.波浪紋層狀構(gòu)造的紋層為連續(xù)波浪狀,紋層間沉積較少.貝紋狀構(gòu)造的紋層組呈扇狀,形似貝殼紋飾.沉積物雜質(zhì)含量多,分隔了紋層組,有部分紋層如網(wǎng)脈狀連接;鮞狀構(gòu)造的紋層組為鮞粒狀.沉積物較多,呈網(wǎng)脈狀分隔單體,網(wǎng)脈體較寬.鮞粒間也有紋層粘連現(xiàn)象,鮞粒中似有核心;火焰狀構(gòu)造有些類似貝紋狀構(gòu)造,紋層組可見柱狀、扇狀、不規(guī)則狀構(gòu)造形態(tài),其邊緣紋層形似火焰.以上除柱狀、平行紋層狀、波浪紋層狀3種顯微構(gòu)造顯示結(jié)殼生長環(huán)境較穩(wěn)定外,其他幾種構(gòu)造都是在不同程度的動蕩環(huán)境形成的.結(jié)殼與結(jié)核殼層中的紋帶極其類似,它們都具有疊層石構(gòu)造特征.4地形坡度對結(jié)殼生長的影響富鈷結(jié)殼(包括結(jié)殼和結(jié)殼狀結(jié)核)大多分布于碳酸鹽補償深度(CCD)以下水深800～3000m的海山、海臺頂部和斜坡上,而調(diào)查區(qū)海山結(jié)殼主要分布于水深1600～3500m的范圍內(nèi),大于3500m才以結(jié)核形式出現(xiàn).板狀結(jié)殼與水深的關(guān)系不很大,在1600～3000m的水深段連續(xù)分布.結(jié)核狀結(jié)殼主要出現(xiàn)在深水區(qū),但淺水區(qū)的低洼處也是其重要的發(fā)育場所;礫狀結(jié)殼的大型個體以原地附近生長為主,小型個體和結(jié)核狀結(jié)殼相似,以坡腳為主.深海連續(xù)照相剖面資料顯示,海山平頂不利于結(jié)殼生長,在海山頂部波紋狀礁灰?guī)r沉積區(qū)幾乎無結(jié)殼分布(圖1a).由海底平頂山頂部平坦沉積區(qū)向外和向下漸變過渡為結(jié)殼區(qū),由于受碳酸鹽沉積作用的影響,該區(qū)結(jié)殼表面常覆有少量珊瑚砂(圖1b).據(jù)此可以判斷結(jié)殼分布上限在海山頂部平坦區(qū)以外的坡面轉(zhuǎn)折處.結(jié)殼基本上呈被狀沿山坡連續(xù)分布,其展布形狀主要受海山基巖表面形態(tài)控制,可隨基巖的原始表面形態(tài)形成雜波狀、臺階狀和平板狀展布(圖1).在海山坡度較大處,熔巖表面一般較平滑,上面的結(jié)殼多呈平板狀,而在坡度較小處,熔巖冷卻時較易形成枕狀、波狀表面,結(jié)殼也可繼承這些形貌特征顯示為波紋狀或枕狀.在個別情況下,不同的水動力條件也可能影響結(jié)殼的展布形態(tài).海山的地形坡度對結(jié)殼生長影響較大,其影響大體表現(xiàn)為:緩坡處結(jié)殼較厚,而陡坡處較薄.平緩地形較利于結(jié)殼長期穩(wěn)定生長,結(jié)殼發(fā)育良好;平緩低凹的地形對礫狀結(jié)殼、結(jié)核狀結(jié)殼生長有利,而在地形陡峭處,結(jié)殼生長過程中易發(fā)生滑塌,故結(jié)殼發(fā)育較差.盡管調(diào)查結(jié)果表明結(jié)殼在海山斜坡上廣泛發(fā)育,但不同海山或同一海山不同區(qū)段結(jié)殼的豐度和總量明顯不同.水下照相、水下電視及地質(zhì)采樣資料顯示,某些海山或海山區(qū)段上的結(jié)殼覆蓋率幾乎可達100%,但有的不足百分之幾或空白(圖1).值得注意得是,有些海山或區(qū)段盡管結(jié)殼覆蓋率較高,但地質(zhì)采樣結(jié)果表明結(jié)殼僅以結(jié)皮形式存在,給人以假象.與此相關(guān),調(diào)查區(qū)海山各站位結(jié)殼厚度的變化范圍也較大,從小于0.2cm到17cm不等.所調(diào)查的數(shù)座海山的平均殼厚也各不相同,平均為2.79cm.受覆蓋率和厚度的影響,海山各站位結(jié)殼豐度的變化明顯,從小于5kg/m2到大于100kg/m2,差異極大.海山結(jié)殼的分布受多種因素的制約,除地形和物化條件外,水深和基底類型的影響較大.結(jié)殼豐度隨所處水深不同而有所變化,但不同海山情況也不盡相同.在調(diào)查區(qū)的水深范圍內(nèi)(1600～3500m),以A、B兩座海山為例,A海山在2000～2500m的調(diào)查區(qū)段豐度最高,平均為107.18kg/m2,其上部1700～2000m區(qū)段的豐度為83.4kg/m2,下部2500～3000m區(qū)段的豐度最小,僅為33.06kg/m2;而B海山在1700～3000m的水深范圍內(nèi)豐度隨水深增大逐漸升高,在2500～3000m達到最高值(173.39kg/m2),向下增大到3000～3500m豐度降低為80.02kg/m2.結(jié)殼可生長在海山任何硬質(zhì)的基底上,基底類型對結(jié)殼分布和生長的影響主要取決于其硬度、穩(wěn)定性和牢固性.調(diào)查區(qū)海山結(jié)殼生長的基底大致可分為火山巖、沉積巖、半固結(jié)的沉積物、硬質(zhì)生物殘骸4類,以前兩種為主要基底類型.研究結(jié)果表明,以火山巖為基底的結(jié)殼豐度、品位均較高.調(diào)查區(qū)中的火山巖主要為玄武巖,部分為火山角礫巖.火山巖有利于結(jié)殼生長的原因主要是它可以提供結(jié)殼生長所需的多種金屬成礦元素,長期的海解作用可使火山巖中的金屬元素分離出來,進入周圍的水體,然后通過化學或生物作用形成結(jié)殼.據(jù)觀察,新鮮的火山巖表面殼層微薄.風化程度越深,上附殼層就越厚.作為結(jié)殼基底的沉積巖主要有以下幾種:碳酸鹽巖、燧石巖、泥巖、粉砂巖,其中以碳酸鹽巖為基底的結(jié)殼最厚,泥巖、粉砂巖次之,燧石巖最薄.沉積巖表面的結(jié)殼比火山巖表面的結(jié)殼薄許多,平均只有幾mm;個別海山存在大量的鈣質(zhì)沉積物——有孔蟲軟泥,其中一部分已固結(jié).在固結(jié)軟泥表面也可生成一層薄薄的結(jié)殼,但厚度