中太平洋海山區(qū)富鈷結(jié)殼中的雙組分帶及其對喹克拉通的響應(yīng)

1研究地質(zhì)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(jié)殼資源，并收到了大量的結(jié)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(nèi)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(zhì)巖石的成因基本清晰，黃石巖的成因相對復(fù)雜。本文試圖對這一過程進行有益的研究。目前，世界上關(guān)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(diào)查的。2中日東?；鶐r的采樣中太平洋富鈷結(jié)殼調(diào)查區(qū)內(nèi)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(xué)組分、硅和氧同位素組成特征.3.1巖石學(xué)和巖石學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu),物質(zhì)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(xì)粒的微晶質(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)、鮞狀結(jié)構(gòu).3.2石英及他形石英偏光顯微鏡下(正交偏光)除均質(zhì)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(diào),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(jié)果證實了石英是其主要礦物成分.該樣如同一個石英標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分分析,其結(jié)果見表2所示,由表2可知,它們的化學(xué)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(zhì)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(yīng)用于各個領(lǐng)域,尤其在巖石礦物以及某些礦床研究的應(yīng)用上.自然界物質(zhì)同位素組成上的變異是各種物理化學(xué)條件下的反映,尤其對于質(zhì)量較小的元素,其同位素質(zhì)量相對差別較大,有可能發(fā)生明顯的同位素分餾效應(yīng),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(jié)果、測試方法和精度見表3及有關(guān)說明.3.4.1地層硅質(zhì)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(zhì)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(xì)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(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所通過多年研究的新成果的應(yīng)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(jié)果看,δ30SiNBS-28都為0.0004.我們對比了我國各時代地層硅質(zhì)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(zhì)巖,在0.0003～0.0013是淺海及半深海放射蟲硅質(zhì)巖,馬里亞納海溝硅質(zhì)沉淀物(化學(xué)沉積硅質(zhì)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(zhì)巖的硅同位素值低比較類似,然而前者手標(biāo)本特征及薄片中只見有孔蟲遺骸而未見硅質(zhì)生物(放射蟲)化石,又表明它并非由硅質(zhì)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(zhì)巖成因分析氧在地球中的豐度值最高.氧同位素為質(zhì)量較小的穩(wěn)定同位素,其變化區(qū)間大,即使只有細(xì)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(jié)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(zhì)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(guān)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(cè)的太平洋南斷裂帶以北.調(diào)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(nèi)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(gòu)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(gòu)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(jié)膜的珊瑚礁標(biāo)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(jié)果為(42.51±1.46)Ma,對應(yīng)地質(zhì)年代是第三紀(jì)中始新世晚期,推測的年代是白堊紀(jì)一早第三紀(jì).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(biāo)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(zhì)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(zhì)構(gòu)造背景,有孔蟲灰?guī)r應(yīng)是在白堊紀(jì)一早第三紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(zhì)巖的δ30Si值(0.0001～-0.0005),也因上面提到的燧石巖手標(biāo)本特征,排除了由硅質(zhì)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(guān).聯(lián)系調(diào)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(zhì)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(zhì)基礎(chǔ).氧同位素分析結(jié)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(rèn)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(dǎo)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(jié)果看,燧石在調(diào)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(nèi)的沉積巖體出現(xiàn)(手標(biāo)本表面未有任何新鮮斷面),這與區(qū)內(nèi)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(zhì)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(dǎo)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(rèn)為的火山熱液在當(dāng)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(rèn)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(jié)殼的內(nèi)部構(gòu)造具疊層石構(gòu)造特征,它與光滑型錳結(jié)核中的微小