中太平洋海山區(qū)富鈷結殼中的雙組分帶及其對喹克拉通的響應

中太平洋海山區(qū)富鈷結殼中的雙組分帶及其對喹克拉通的響應

1研究地質意義海洋鈷殼和多金屬核是海底的重要潛在資源。在59年代的中太平洋海山區(qū)，我們研究了來自中太平洋海山區(qū)的富鈷結殼資源，并收到了大量的結殼和巖石樣品。通過研究，我們對鈷礦床的特征及其分布規(guī)律有了一定的了解。由于地殼通常由海床上的巖組成，因此對地殼中的下伏巖石也進行了各種分析和鑒定。研究區(qū)域內基巖種類繁多，包括玄武巖、磷塊巖、磷酸鹽巖和黃石巖。除黃石巖外，其他巖石性質巖石的成因基本清晰，黃石巖的成因相對復雜。本文試圖對這一過程進行有益的研究。目前，世界上關于黃石起源的討論很多，但作者的研究是中國首次對中太平洋海域進行海拔高度調查的。2中日東?；鶐r的采樣中太平洋富鈷結殼調查區(qū)內的6座海山分別為CM1,CM2,CM3,CM4,CM5和CM6.總體水深在1000～3500m.對各海山基巖的采集,是用特制的帶有長鋸齒狀的金屬拖網(wǎng)架進行的.從所采到的巖石樣品看,主要是基性火山巖、磷塊巖及磷酸鹽化碳酸鹽巖等,但在有的海山上取到了燧石巖.該巖石在CM3海山廣為分布,其中最大一塊樣品的厚度為10cm,重達90kg.在CM5海山雖然分布不普遍,但在局部地方卻大量出現(xiàn),數(shù)量達200kg.此外,CM1海山亦有少量燧石樣品.3黃石巖的鑒定我們主要是通過以下幾種方法來研究該區(qū)燧石成因的:宏觀觀察和微觀鑒定、礦物和化學組分、硅和氧同位素組成特征.3.1巖石學和巖石學特征按產(chǎn)狀分類,本區(qū)燧石為層狀燧石,厚度為幾厘米至20多厘米.致密堅硬且光滑,新鮮面呈灰白色,油脂光澤,見殼狀斷口,肉眼看似膠狀——隱晶質結構,物質成分較純.其間都能見到不規(guī)則狀的白色斑塊分布(照片1).巖石薄片中無色,呈非常細粒的微晶質集合體,并在某些微區(qū)中觀察到有孔蟲化石(照片2).每一視域內有孔蟲化石含量不等,最多者估計可達50%左右.具殘余生物結構、鮞狀結構.3.2石英及他形石英偏光顯微鏡下(正交偏光)除均質部分呈黑色外,其他全為灰色(照片3).可見纖維狀集合體,波狀消光明顯.礦物成分單調,根據(jù)其光性特征,它們與石英、玉髓相似,前者呈他形至半自形粒狀.顆粒之間基本鑲嵌,除石英外可能還有蛋白石.對CM5海山一塊燧石的X-射線衍射分析結果證實了石英是其主要礦物成分.該樣如同一個石英標準樣,由較純的低照片3燧石巖(CM5海山),他形石英(灰白溫石英組成(見表1).干涉色),正交偏光,×653.3微量元素組成對CM1,CM3和CM5海山各取一個燧石樣品作化學成分分析,其結果見表2所示,由表2可知,它們的化學組成區(qū)別不大,SiO2含量非常接近,分別為96.80%,96.50%和96.14%.其他次要元素組成上差別也很小,CM5樣品在Al2O3,TFe(全鐵)、MnO和CaO組成上比CM1和CM3略高,但Na2O,K2O要少.另外3個樣品的P2O5含量以CM3最大(0.14%),CM1最小(0.06%).因此,本區(qū)燧石巖屬于純硅質巖.次要成分(鐵、鋁、鎂和鈣等氧化物)是由巖石中所含的黏土和碳酸鹽成分所致.3.4硅氧同位素組成同位素研究方法已廣泛應用于各個領域,尤其在巖石礦物以及某些礦床研究的應用上.自然界物質同位素組成上的變異是各種物理化學條件下的反映,尤其對于質量較小的元素,其同位素質量相對差別較大,有可能發(fā)生明顯的同位素分餾效應,因此根據(jù)同位素組成可判斷其形成環(huán)境和條件.我們試圖通過硅氧同位素組成的分析,以了解本區(qū)燧石巖的成因和形成條件.提供作30Si和18O同位素分析的燧石樣品是取自CM5和CM3海山,分析結果、測試方法和精度見表3及有關說明.3.4.1地層硅質巖30si同位素組成特征硅在自然界是普遍存在的,它的豐度值僅次于氧.其同位素組成變化小,不如硫、碳、氧等質量較小的穩(wěn)定同位素變化區(qū)間大,因此如用傳統(tǒng)分析方法,則很難辨別其細微的差別.在本研究中,采用的是高精度(±0.0001)SiF4法,它是中國地質科學院礦產(chǎn)資源研究所通過多年研究的新成果的應用,彌補了硅同位素組成變化區(qū)間小之不足.從兩個燧石樣品分析結果看,δ30SiNBS-28都為0.0004.我們對比了我國各時代地層硅質巖30Si同位素組成特點:δ30Si在0.0001～-0.0005范圍為深海放射蟲硅質巖,在0.0003～0.0013是淺海及半深海放射蟲硅質巖,馬里亞納海溝硅質沉淀物(化學沉積硅質巖)的δ30Si值都在-0.0004以下.從上面幾組同位素組成看,雖然本區(qū)燧石巖與淺海及半深海環(huán)境中形成的放射蟲硅質巖的硅同位素值低比較類似,然而前者手標本特征及薄片中只見有孔蟲遺骸而未見硅質生物(放射蟲)化石,又表明它并非由硅質生物堆積變化形成的,因此兩者不宜相比.如此低的δ30Si值可能是火山期后熱水溶液的影響造成的.3.4.2硅質巖成因分析氧在地球中的豐度值最高.氧同位素為質量較小的穩(wěn)定同位素,其變化區(qū)間大,即使只有細微的差別也能被分辨出,因此對巖石成因的指示意義顯而易見.作為氧同位素分析的燧石與提供作硅同位素分析的樣品相同,對兩個燧石樣的分析都得到了同樣結果,即CM5的δ18OV-SMOW=0.0321,CM3的δ18OV-SMOW=0.0320.δ18O值之高雖然可表明為海相沉積成因的硅質巖特征,但交代的SiO2之δ18O值也可以高于宿主巖(CaCO3)之δ18O值.4關于flain的成因的討論4.1火山巖形成時代探討研究區(qū)位于夏威夷-天皇山鏈兩側的太平洋南斷裂帶以北.調查的幾座海山相距不遠,最大直線距離約為100余海里.據(jù)海上現(xiàn)場Seabeam和地磁資料分析,區(qū)內發(fā)育了北西向和東西向兩組大斷裂,近東西向的地殼斷裂基本控制了海山的主體構造走向,但受北西向斷裂的阻隔或斷錯.海底深層巖漿即沿此兩組斷裂造成的薄弱地帶侵入,發(fā)生大規(guī)模和多期的海底火山噴發(fā),從而形成了現(xiàn)今海山群的總體格局.海山形體呈錐狀、平頂狀及馬鞍狀等.這些海山群原先出露于海平面或水深較淺處,因后期構造運動而逐漸下沉至現(xiàn)今水深位置(在海山上取到的表面僅有鐵錳結膜的珊瑚礁標本即可證實),有的海山頂部遭受海水侵蝕被削平.本文對CM1海山玄武巖年齡作Rb/Sr等時線法分析的結果為(42.51±1.46)Ma,對應地質年代是第三紀中始新世晚期,推測的年代是白堊紀一早第三紀.4.2氧同位素sio與熱液燧石成因可歸為兩大類:一是氧化硅與沉積作用同時進行的,另一種是宿主巖(通常是石灰?guī)r)在沉積后被氧化硅交代的.雖然兩大類成因比較清楚,但具體分析其成因的歸宿卻不那么簡單.綜合上述鑒定和分析資料,我們對本區(qū)燧石巖成因作如下討論.首先,在燧石標本上的新鮮斷面均可見無規(guī)則的白色斑塊和斑帶,較堅硬,說明已硅化.單偏光鏡下對燧石薄片鑒定中發(fā)現(xiàn)有孔蟲化石,且含量不低.更有意義的是,在CM5海山一塊被敲碎了的燧石新鮮面中發(fā)現(xiàn)有白色小團塊(其長邊為12mm),質軟,用小刀易取出,與稀鹽酸作用強烈起泡.實體鏡下觀察主要是有孔蟲遺骸(極少為硅藻),經(jīng)鑒定屬正常海相環(huán)境中的亞熱帶有孔蟲,生存于1000～3000m水深的海水中.這一殘留塊體可看作是宿主巖(有孔蟲灰?guī)r)被交代的證據(jù).根據(jù)本區(qū)地質構造背景,有孔蟲灰?guī)r應是在白堊紀一早第三紀海山形成以后的下沉過程中堆積起來的.燧石的礦物成分如同一個石英標準樣及SiO2含量高達96%以上的特點,說明原先的有孔蟲灰?guī)r已基本上被二氧化硅所交代.本研究中的硅氧同位素組成分析結果對燧石巖成因的討論也提供了一個重要信息.由30Si同位素分析給出的兩塊燧石樣之δ30Si值均為0.0004,此值明顯區(qū)別于深海硅質巖的δ30Si值(0.0001～-0.0005),也因上面提到的燧石巖手標本特征,排除了由硅質生物堆積成巖的可能性,而δ30Si值低與火山期后的熱水溶液作用有關.聯(lián)系調查區(qū)海山具多期巖漿噴發(fā)特點,因此提供SiO2組分的熱液來源是不會有疑問的.火山噴發(fā)出的熱液中溶解有SiO2,能直接注入水體中,而且一些火山物質遭受海解作用發(fā)生蒙脫石化時,多余的氧化硅被釋放到周圍的海水中,使局部地區(qū)的海洋底層水中SiO2得到飽和,從而為燧石的形成奠定了物質基礎.氧同位素分析結果(即兩個燧石樣品的δ18O值均高達0.032),又從另一方面證實了它是氧化硅交代作用的形成物.已知石灰?guī)r的18O同位素值一般是:0.020<δ18O<0.030,但認為交代的SiO2之δ18O值也可高于宿主巖(灰?guī)r)之δ18O值.由于本區(qū)海底火山活動具多期噴發(fā)特點,因此也會有多次熱源補充,火山期后的熱水溶液必然導致海水溫度的提升,從而有利于交代作用的進行.從海上取樣結果看,燧石在調查區(qū)各海山并非普遍分布,它主要見于CM3和CM5海山,而且其產(chǎn)狀呈單獨塊體而不是以大范圍內的沉積巖體出現(xiàn)(手標本表面未有任何新鮮斷面),這與區(qū)內有孔蟲灰?guī)r有類似之處,生物成巖成礦的特點就在于它的局部性.中太平洋海山從海底巖漿噴發(fā)造就的海山群雛形至現(xiàn)今所處位置的分布格局,表明它們經(jīng)歷了從淺海到半深海的環(huán)境.硅質巖一般被解釋為深水沉積的“專利”,因為在正常的海水中SiO2含量僅為4×10-6,這就引導出一個硅組分的來源問題.Siever提出“必須假定氧化硅有非正常的補給或有特殊的沉積環(huán)境”,而我們所認為的火山熱液在當時正是這種“非正常補給”的渠道,也可以說相對于現(xiàn)今海底而言是“特殊的沉積環(huán)境”,綜合上述各點,認為本區(qū)燧石是Si02組分交代有孔蟲灰?guī)r解釋的依據(jù)是充分的.本區(qū)燧石成因的研究,進一步表明了燧石是一種多成因的巖石,沒有簡單的生成方式可適用于所有的燧石,必須對其作具體的分析和判斷.筆者注意到大洋鉆結殼的內部構造具疊層石構造特征,它與光滑型錳結核中的微小