西南印度洋中脊富钴结壳矿物学及地球化学研究

摘要

富钴结壳因其富含多种金属和生长速率缓慢而成为兼具应用开发和理论研究价值的海底矿产资源。本文对采自西南印度洋中脊的富钴结壳进行了矿物学、地球化学组成的系统研究，利用XRD方法、ICP-MS（AES）、电子探针等测试技术分析了结壳的物相组成、主微量元素和稀土元素的组成和赋存相态、结壳微区元素组成，并使用主成分分析、EMD等数学方法对数据进行处理，在此基础上探讨结壳的成因类型、物质来源及形成机制，解读结壳中的古海洋学信息。
　　本区富钴结壳厚度1～3mm，为单层菜花状、乳突状结皮，镜下显微构造观察表明其同时具有平行纹层构造、柱状构造、叠层构造、斑杂构造等多种构造类型，差异较大的构造类型在同一样品中同时出现，表明水动力作用局部变化大。
　　矿物学分析表明本区富钴结壳中锰相矿物以水羟锰矿为主，含少量钡镁锰矿，但在其中两个样品出现较多，表明存在局部亚氧化环境。铁相矿物具有微弱的针铁矿峰值，其余皆以X射线衍射条件下隐晶质形式存在。本区结壳还含有石英、斜长石、粘土矿物等碎屑矿物和方解石等生源组成矿物。
　　元素地球化学分析表明本区富钴结壳的Mn/Fe变化在0.802～2.340之间，平均为1.247，体现水成成因特征。对比其他区域结壳的元素组成，表明本区结壳中碎屑物质供应与远洋海山有所区别，接近大陆边缘区域的特点。富钴结壳对微量元素的富集以高Pb、高Mo为特征，这种富集作用主要受铁相矿物的控制。富钴结壳中富集稀土元素，平均含量为1261×10-6；轻重稀土分离平均值为8.3，配分模式为右倾型，稳定富集轻稀土；δCe正异常，变化范围为1.031～1.998，显示氧化环境，同海水Ce亏损对应，反映稀土元素来源于海水。同时本区结壳还具有弱而稳定的δGd、δHo正异常。
　　元素相态分析结果显示，铁相矿物对微量元素（除Co、Ni之外）的吸附作用大于锰相矿物；稀土元素具有多相组成的特点，其中50％～60%赋存在铁锰相中。铁相富集重稀土，锰相富集轻稀土，是引起δCe、δGd及δHo正异常的主要因素。依据赋存相态划分元素组合如下：
　　（1）可交换阳离子及碳酸盐相：Ca、Mg、Sr、U、Rb、Tl、Cd、Be；
　　（2）锰相：Mn、Co、Ni、Ba、Tl、Ga、La、Ce；
　　（3）铁相：Fe、Ti、Mo、Al、As、Zr、Hf、W、Pb、Bi、Th、B、V、HREE；
　　（4）残渣相：Al、Fe、Rb。
　　研究表明本区富钴结壳属于水成成因类型，以富含水羟锰矿、δCe正异常为特点，结壳中的元素组成依次受控于铁相矿物的成矿吸附、锰相矿物的成矿吸附及生源碎屑、陆源碎屑物质混入等作用。该结壳的形成未受到该处热液活动的明显影响。
　　运用电子探针微区分析得到的Mn、Fe组成并利用经验公式估算了该区结壳生长速率，所研究的两块本区结壳的生长速率分别为1.129mm/Ma和1.921mm/Ma，初始生长于中晚更新世，年龄分别为773.4Ka和650.4Ka。
　　结壳中Al、Ca、Fe、Mn、P元素记录具有明显的周期性波动规律，其周期分别为13～19Kyr、30～46Kyr、70～86Kyr、118～144Kyr等，这些周期同地球轨道参数具有良好的响应；结壳的元素波动记录同深海δ18O揭示的冰期-间冰期旋回也具有一定的关系。这表明西南印度洋富钴结壳的形成和演化主要受控于地球轨道旋回、气候旋回以及由此引起的海洋环境、大气输入的改变等众多因素的综合影响。

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0 前言

0.1 研究背景及意义

0.2 国内外富钴结壳调查研究现状

0.3 本论文研究工作

1 西南印度洋中脊区域地质概况

1.1 地形地貌

1.2 构造特征

1.3 岩浆热液活动

1.4 水环境特征

2 材料与方法

2.1 样品采集

2.2 分析方法

3 富钴结壳结构特征及物相组成

3.1 样品描述

3.2 显微构造特征

3.3 矿物学特征

4 富钴结壳元素地球化学

4.1 主量元素地球化学

4.2 微量元素地球化学

4.3 稀土元素地球化学

5 元素地球化学对富钴结壳成因的指示

5.1 地球化学特征对结壳成因类型的指示

5.2 地球化学特征对富钴结壳物源的指示

6 结壳地球化学的古海洋学应用

6.1 富钴结壳生长速率

6.2 结壳的元素地球化学记录

6.3 元素地球化学记录对古海洋学过程的响应

7 结论

参考文献

致谢

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