中太平洋莱恩海山富钴结壳的地球化学及Os同位素地层年代学研究

摘要

广泛分布于大洋海山上的富钴结壳被认为是目前最具潜在经济价值的海底矿产资源；同时富钴结壳的形成受控于古海洋和古沉积环境，保存了古海洋和古气候的重要信息，记录了其生长时期的海洋和气候的演化历史，因此，富钴结壳又是一种潜在的古海洋学记录。富钴结壳的元素和同位素组成特征包含了这些重要信息，因此，国内外学者对富钴结壳的地球化学特征进行了较为深入的研究。然而，前人对富钴结壳的研究通常是以结壳表层或整块作为研究对象，掩盖了结壳所记录的几十个百万年不断变化的海洋循环和大陆风化的信息，这严重制约着对结壳形成过程和演化历史的认识。目前，系统的富钴结壳地层剖面研究工作国内外涉及非常少，因此，通过开展富钴结壳完整剖面的地球化学研究才能更好的揭示其所蕴含的古海洋学意义。海洋环境中Os同位素能够提供一些其它同位素如Pb、Nd、Sr所无法给出的重要信息，在示踪物源、古海洋环境、古气候及古陆地风化等方面，具有明显的优势。但目前富钴结壳的Os同位素研究非常薄弱，属于国际前缘研究。富钴结壳的定年方法种类繁多，各具优势，但没有任何一种方法能够以较高的精确度和简捷性给出富钴结壳的真实生长年龄，具有较大潜力的Os同位素年代学研究，国内外基本处于空白。因此，开展系统的富钴结壳剖面的地球化学特征和Os同位素地层年代学研究，对于了解富钴结壳形成过程中元素的地球化学行为，示踪不同时期结壳的成矿物质来源，标定富钴结壳的形成时间，揭示古海洋环境及其演化和进一步揭示富钴结壳成矿过程和成矿机制，均具有极其重要的理论和实际意义。
　　 本文以中太平洋莱恩海山的富钴结壳为研究对象，在对其进行系统宏观观察和显微研究的基础上，进行了系统的、高精度分层取样分析，系统揭示了各壳层的结构构造、矿物学、元素地球化学、Sr同位素和Os同位素地球化学特征，并利用Os同位素地层学方法对富钴结壳进行了年代学研究。论文主要获得了以下几个方面的认识：
　　 本文研究所用的两块富钴结壳均为典型的三层构造结壳，从底部到顶部依次为致密层、疏松层、较致密层。结壳中矿物结晶程度差，结构单一，主要为胶状结构。结壳内部的显微构造复杂多样。壳层中的显微构造呈现有规律的变化：下部致密层构造较为单一，以纹层状构造为主；中部疏松层构造杂乱，以斑杂状构造多见;上部较致密层介于其中，以柱状、树枝状构造为主。结壳的垂直剖面结构构造的变化特征可以反映结壳生长过程中古海洋环境的演变过程，并与其地球化学特征相关联。富钴结壳MP5D17和MP2D06主要由锰相矿物(水羟锰矿为主)和铁相矿物组成，含少量石英、长石、粘土矿物、方解石和磷灰石等次要矿物。
　　 富钴结壳剖面的元素地球化学研究表明，莱恩海山区不同区域的结壳MP5D17和MP2D06，元素富集特征相似。在海水中的滞留时间较短、具有高分配系数的元素，在结壳中相对富集。富钴结壳中，多数元素的含量在剖面上变化较大，不同构造层组化学组分含量相差明显，这反映了结壳生长过程中海水化学及海洋环境随时间发生了明显的改变。不同结壳剖面中元素的变化既有共性，也有差异，由于其所处的海山位置不同，不同的古海洋环境条件决定了它们元素分布的差异。富钴结壳剖面中稀土元素具有极为明显富集的特征，结壳生长过程中各种稀土元素的丰度在剖面中的变化趋势相似，各壳层稀土元素配分模式基本一致，显示轻微的轻稀土富集、强正Ce异常和负Y异常、弱正Eu异常和负Gd异常。
　　 富钴结壳的锶同位素地球化学研究表明，87Sr/86Sr值在结壳剖面上具有明显的变化规律，且与结构构造的变化相对应。结壳中87Sr/86Sr变化主要受大陆古老硅铝质岩风化经河流输入和海底年轻的火山岩蚀变输入的影响。结壳的Sr同位素演化与海水的Sr同位素演化趋势差异较大，磷酸盐化作用以及Sr的扩散作用使得富钴结壳不能完好的保存其生长时期周围海水的Sr同位素组成，因此，被广泛使用的Sr同位素地层学不适合作为富钴结壳的定年工具。
　　 通过对富钴结壳MP5D17剖面上各壳层样品进行锇同位素分析。结果表明，结壳中187Os/188Os比值变化较大，范围在0.4262～1.0155之间。上部较致密层187Os/188Os较大，中部疏松层较小，下部致密层介于二者之间。结壳中Os同位素组成变化是陆源物质、幔源物质和地外物质输入共同作用的结果。结壳剖面的锇同位素曲线具有与80 Ma以来海水锇同位素演化曲线相似的演化趋势。使用Os同位素地层学方法，初步推测富钴结壳MP5D17的生长起始时间约为72 Ma，四个构造层组的生长速率分别为：1.2 mm/Ma、1.0 mm/Ma、5.1 mm/Ma和4.0mm/Ma。研究证实了结壳的Os同位素是一种有效的定年手段，Os同位素地层年代学方法是目前除古生物化石法以外，解决年龄超过15 Ma的富钴结壳年代学的最有效途径。
　　 综合研究表明，中太平洋莱恩海山的厚层富钴结壳为氧化环境下形成的水成成因结壳，是物理化学成矿作用的结果。

目录

文摘

英文文摘

绪论

1富钴结壳概况

2研究现状

3选题依据及研究意义

4研究思路

5完成工作量

6样品的选取与分取方法

7分析测试方法

第一章区域背景

1太平洋概况

2太平洋洋底地形

3太平洋构造演化史

4莱恩海山地质概况

第二章富钴结壳的结构、构造与矿物学

1富钴结壳的类型划分

2富钴结壳的结构和构造特征

3基岩特征

4矿物学特征

5小结

第三章富钴结壳的元素地球化学

1富钴结壳的富集特征

2常量、微量元素地球化学特征

3稀土元素地球化学特征

4 小结

第四章富钴结壳的锶同位素地球化学

1锶的基本地球化学特征

2富钴结壳剖面的锶同位素组成及其变化特征

3锶的来源及锶同位素组成变化的影响因素

4结壳剖面的锶同位素组成与海水锶同位素演化的关系

5 小结

第五章富钴结壳的锇同位素地球化学

1概况

2锇同位素组成及其变化特征

3锇的来源及影响锇同位素组成变化的因素

4 小结

第六章富钴结壳的锇同位素地层年代学

1引言

2钴含量经验公式法定年

3锇同位素地层年代学

4富钴结壳的锇同位素地层学剖面

5 小结

第七章富钴结壳的形成机制及主要控制因素

1成矿物质供给

2氧化—还原条件

3富钴结壳的成因机制

第八章结论

参考文献

附表

致谢

作者简介