太平洋近海富鈷結殼成礦系統的控礦要素

成礦系統是現代礦床科學的先驅。它促進了礦石成因研究從靜態上升到動態，從定性到定量，更深入地理解了過程中的成礦功能機制，逐步打破了傳統的礦床理論，發展了新的礦產資源調查方法。成礦系統在陸地礦床(特別是內生礦床)研究中取得了長足進步,建立起了基本的方法學體系,但海底成礦系統的研究卻是相當薄弱,剛剛開始。按照系統分類原則考查,現在海底礦床的總體屬于復雜的巨系統。從目前認識的情況來看,現在海底發育的金屬成礦作用主要有鐵錳成礦作用(形成鐵錳結核和富鈷結殼)和海底熱液成礦作用(形成海底硫化物和多金屬軟泥),這些成礦作用及其產物構成了巨型海底成礦系統。由于目前對海底成礦系統缺乏研究,尚沒有提出明確的分類,本文暫且把在海底形成富鈷結殼的成礦系統稱為“海山Fe-Mn成礦系統”,簡稱海山成礦系統,在翟裕生的分類中屬于沉積成礦系統。富鈷鐵錳結殼(簡稱“富鈷結殼”或“結殼”)是產出在海山、島嶼斜坡及海底高地上的一種潛在海底礦產資源,主要由鐵錳氧化物和氫氧化物組成,富含Co、Ni、Zn、Pb、REEs、Pt等金屬元素,其中Co的平均含量較陸地原生鈷礦高幾十倍。由于富鈷結殼所具有的潛在經濟價值及其在國際海底區域的特殊法律地位,從20世紀80年代初,世界許多國家掀起了對海山富鈷結殼勘探、研究的熱潮,一直持續到今天。對富鈷結殼的調查研究已經開展了近30年,積累了豐富的數據和資料,對其特征、分布規律和成因機制進行了系統的總結。但是由于富鈷結殼生長緩慢,成礦期長,最老世代的結殼年齡可達晚白堊世,在其漫長的成礦過程中,制約富鈷結殼成礦的要素都會發生顯著的變化。本文將從成礦系統的角度初步探討富鈷結殼的成礦作用過程。1采用先進的成礦系統控制礦元素和結構1.1富聯亞氧結殼形成的地質意義海山成礦系統的控礦要素是指制約和影響富鈷結殼成礦的各種因素,從成礦背景的角度考慮,主要包括地質要素、海洋要素和天文要素(圖1)。控制富鈷結殼成礦的地質要素主要包括海山的形成、遷移、沉降和水道的開合等;海洋要素主要包括溫鹽環流、最低含氧帶(OMZ)、文石溶躍面、碳酸鹽補償深度和海山周圍海水的動力情況等。另外,以米蘭柯維奇旋回為主要因素的天文要素對富鈷結殼的成礦也有一定影響。上述因素綜合控制著富鈷結殼的集礦過程和儲礦作用。海洋要素中的最低含氧帶是制約富鈷結殼成礦的核心控礦要素,其他控礦要素,諸如地質要素中的海山遷移、沉降、水道的開合等,主要是通過影響最低含氧帶與海山之間的空間位置進而影響富鈷結殼成礦的。最低含氧帶及其下界面附近的水深范圍最有利于富鈷結殼富集成礦,在這一水深范圍內發育的富鈷結殼的厚度和生長速度是其相鄰水層內富鈷結殼的兩倍,其Mn、Co含量和Mn/Fe比值也出現極大值。隨水深增加,Mn、Co含量和Mn/Fe比值逐漸降低。雖然天文要素的影響在富鈷結殼中有一定的記錄,但是其作用周期時間尺度較短,對成礦作用的影響比較間接。富鈷結殼在太平洋廣泛分布,在大西洋和印度洋則少得多。太平洋北到阿留申海溝,南到環南極洋脊的區域范圍內,都發現了產出在海山上的Fe-Mn結殼,但主要分布在赤道太平洋。據對已有富鈷結殼產區的研究,富鈷結殼成礦區的形成需要下列條件:(1)大型海底火山或高地的存在,水深最好淺于1500m,火山基巖較老,至少老于20Ma;(2)存在強烈持久的海流運動;(3)火山建造沒有被巨厚的珊瑚礁所覆蓋;(4)較淺的發育良好的OMZ;(5)火山斜坡穩定;(6)火山活動不發育;(7)區域上沒有河流和風化搬運的大量碎屑的輸入。赤道太平洋地區符合這些條件,因此是富鈷結殼的主要產區。下面以西太平洋海山為例,說明富鈷結殼控礦要素對海山成礦系統的制約。1.2西太平洋海山區的進入構造背景西太平洋海區由于基底洋殼年齡較老,構造歷史復雜,是太平洋海山集中發育的海區,也是富鈷結殼重要的成礦區。西太平洋富鈷結殼成礦區范圍主要包括西北太平洋海盆以南、馬里亞那海溝以東、中太平洋海盆以西和卡羅林海山以北的海域,該區域主要地貌單元包括麥哲倫海山群、馬爾庫斯-威克海山群和東馬里亞那海盆以及皮嘉費他海盆,該區域富鈷結殼發育在這些海山之上。西太平洋海山區的洋底是太平洋年齡最老的洋殼,是現代大洋中最早開始擴張的洋殼之一。西太平洋海山區洋底年齡圖顯示,該海區的洋底年齡為145～175Ma,海山主要形成于侏羅紀—早白堊世,其中麥哲倫海山群形成于118.6～74Ma,馬爾庫斯-威克海山群形成于103.45～81.5Ma。麥哲倫海山群和馬爾庫斯-威克海山群形成于太平洋板塊沒有主要線性應力方向的構造背景下,是多熱點成因的板內巖漿作用的產物,具有相似的形成和演化史。海山形成之后,隨著太平洋板塊的飄移,逐漸向西北方向移動,同時,隨著巖漿活動的停止,逐漸下沉到海面以下,形成平頂海山。“平頂”是西太平洋海山的主要特點。在西太平洋,平頂海山可占海山總數的95%。每座平頂海山可劃分出臺地、陡坡帶和緩坡帶3個地貌單元。海山的山頂圈閉水深集中在約1500m水深和1900～2000m水深左右。海山在富鈷結殼成礦過程中的作用主要是提供了一個容礦空間,隨著海山的飄移和沉降,其周圍海水的成礦條件也發生變化,主要表現為與最小含氧帶相對空間位置的變化。此外,海山可改變局部海水的水動力條件,形成利于富鈷結殼成礦的海水混合效應。2太平洋海山區我國富鈷結殼調查區主要分布于西北太平洋海盆以南、馬里亞納海溝以東、東太平洋盆地以西和卡羅林海山以北,水深1300～4000m的廣大太平洋海山區。該區包括麥哲倫海山群、馬爾庫斯-威克海山群、馬紹爾群島海山鏈、中太平洋海山群和萊恩群島海山鏈等5個海山群/鏈。2.1太平洋海洋構造演化海山在富鈷結殼成礦過程中的主要作用是提供了一個容礦空間,一個供海水中金屬離子沉淀、吸附和就位的“基體”。海山邊坡的上部是富鈷結殼成礦的有利部位;穩定的基巖即長期穩定的容礦空間是富鈷結殼成礦的基本條件。海山的形成是海山成礦系統形成的第一條件,它與洋底構造演化息息相關。太平洋是世界上現存最古老的大洋盆地,在其長期的形成演化歷史進程中,經歷了復雜的構造演化過程。Natland和Winterer從太平洋板塊的應力機制的角度,闡述了太平洋海山的成因,按照應力機制,將太平洋海山的形成劃分為3個階段:(1)侏羅紀—早白堊世,太平洋板塊由洋脊圍限,沒有主要的線性應力方向,火山散亂分布于其中,這一階段形成了麥哲倫海山群和馬爾庫斯-威克海山群;(2)大約到了90Ma時,太平洋西邊界或西北邊界的俯沖作用使板塊內部產生了持續的應力機制,板塊開始相對軟流圈漂移,這一時期產生了NNW向的吉爾伯特—馬紹爾海山鏈、音樂家海山群、萊恩群島海山鏈、天皇海嶺;(3)到了約47Ma時,太平洋板塊半數的板塊邊界(從阿留申到新西蘭)發育了海溝,板塊內部的應力方向也發生了改變,這一時期發育了WNW向的薩摩亞島和夏威夷海山鏈。這些海山一般認為是地幔柱成因的。2.2世界的洋底年齡發育在我國調查區范圍內的這些海山主要形成于白堊紀巴列姆階之后,古新世塔內提階之前。麥哲倫海山群形成于118.6～74Ma,馬爾庫斯-威克海山群形成于103.45～90.5Ma,馬紹爾海山形成于138.93～75.5Ma,中太平洋海山形成于127.6～74.8Ma,萊恩海山形成于127.5～55.57Ma。,編制了世界大洋洋底年齡圖(圖2)。該圖顯示,中國富鈷結殼調查區是世界上年齡最老的洋殼區,并且老洋殼的面積最大。此外,洋殼的年齡與洋殼的水深的空間分布存在著對應關系,洋殼的年齡越老,其水深越大。另外,圖2還顯示了不同地質時代中國富鈷結殼調查區與東太平洋海隆的相對位置,白堊紀以來,中國富鈷結殼調查區逐漸遠離擴張脊,因此也逐漸遠離了洋中脊熱液活動的影響。2.3太平洋麻黃成礦區的位置Heezen等人通過研究DSDP鉆孔的沉積層序,建立了西太平洋大洋洋底沉積的動力學模型,并得出太平洋板塊向北運移的分量在0～30Ma期間為2cm/a,在30～100Ma期間為4.4cm/a。本文根據Heezen等人研究得出的參數,換算得出了西太平洋板塊在過去100Ma間向北運移的公式:0Ma<T<30Ma,Lat.(T)=T×10.8′/Ma100Ma>T≥30Ma,Lat.(T)=5°24′+(T-30Ma)×23.8′/Ma其中,T為時間,Lat.為緯度。我們根據此公式計算了古赤道在中國富鈷結殼調查區的位置,繪制了太平洋海山富鈷結殼成礦區古赤道位置圖(圖3)。該圖顯示,Marcus-Wake海山群的海山、中太平洋海山群的海山、麥哲倫海山群的海山以及馬紹爾海山群的海山在約54Ma時就越過了赤道,并在約27Ma時越過10°N,即現代赤道無風帶(平均位置在3～10°N)的北界。萊恩海山鏈的海山卻是在約43Ma才跨越赤道的,并且在3Ma時才越過10°N。2.4環新世以來的環境效益板塊構造運動所造成的水道的開合和地峽的關閉是制約大洋深層水和底層水溫鹽環流模式的重要邊界條件。新生代以來影響世界大洋環流變化的重大構造事件主要包括:始新世晚期(34～30Ma),德雷克水道向深層水張開;晚漸新世(約25Ma),南塔斯曼海隆與南極洲最終分裂形成深而窄的通道,環南極流形成,導致漸新世初期(約34Ma)就已經開始活動了的南極底層水(AABW)的活動強度受到一定限制;中中新世早期(約15～16Ma),冰島—法羅海檻下沉,北冰洋高密度海水涌入大西洋,北大西洋深層水(NADW)形成;中中新世早期(約14Ma),印度尼西亞水道閉合,印度洋和太平洋之間的深層水交換終止;上新世末(約3～4Ma),巴拿馬水道閉合,NADW得到加強,赤道環流最終結束,現代大洋環流模式從此形成。水道的開合可以改變大洋環流模式,改變海水水化學結構,從而改變富鈷結殼的成礦條件,特別是AABW和NADW,直接制約太平洋最小含氧帶的下界面的深度。3海洋開采系統的地球化學障礙和成礦動力學過程3.1最低含氧帶的特征在海水水體中,制約富鈷結殼成礦的地球化學障(水化學障)是最低含氧帶(OMZ),最低含氧帶是最重要的富鈷結殼控礦要素。在層化結構海水水體中,最低含氧帶是溶解氧含量相對較小的水層。與相鄰水團相比,最低含氧帶中溶解氧含量較低、pH值較低、中型(>2mm)浮游動物較多、硝酸鹽和磷酸鹽含量較高、溶解態的有機物含量較高、CO2的分壓較高,δ13C出現極小值,δ18O出現極大值。在最低含氧帶中,生物介殼(主要是翼足類文石質的殼)和生物有機體被分解,其中的金屬元素被釋放出來,進入最低含氧帶中,與生物活動密切相關的金屬元素和營養鹽,如Mn、Cd、Co、硝酸鹽、磷酸鹽等在此發生富集,最低含氧帶中Mn/Fe比值最高,最低含氧帶中的元素是富鈷結殼成礦物質的直接來源,是直接的礦源層。圖4顯示了在現代大洋環流模式的背景下太平洋中最低含氧帶的總體形態特征:東厚西薄,北厚南薄。在東西向剖面上(圖4b),最低含氧帶上界面在東太平洋較淺,在西太平洋較深;下界面則相反,在東太平洋較深,在西太平洋較淺。在南北向的剖面上(圖4c),最低含氧帶的南緣與一富含溶解氧的舌狀水團對峙,上界面在赤道偏北和極地海域較淺,在赤道和極地海域之間,最低含氧帶的上界面下凹;下界面在赤道海域較淺,向極地海域逐漸變深。在600m深的平面上,最低含氧帶主體位于太平洋的東北部,在東太平洋,最低含氧帶較寬,擴展至20°S左右;而在西太平洋,最低含氧帶較窄,收縮至赤道以北,西太平洋研究區內最低含氧帶發育水深為800～1000m。在北太平洋的中西部,最低含氧帶在600m深處發育了兩個相連的空洞(圖4a)。圖4b和4c還顯示,最低含氧帶的下界面比上界面溶解氧含量變化的梯度要小。以上分析表明,最低含氧帶的空間分布受大洋表層、中層、深層和底層洋流環流約束。最低含氧帶的形成是一個動力學過程,其形成與分布受有機質分解耗氧和洋流輸運溶解氧這兩個過程制約。最低含氧帶的海水主要為源于北大西洋的貧氧的北太平洋深層水,位于透光層之下,其貧氧特征源于海水中有機質的分解,最低含氧帶的空間分布卻主要受大洋環流控制,大洋各層水團環流的模式制約了太平洋最低含氧帶的空間分布特征,從而制約了海山富鈷結殼的成礦作用。3.2明萬國麥哲倫火山的地形渦流海山地形可以在一定程度上促進內波的加強,從而促進深海海水的混合。底流在流動過程中,受到海山地形的阻礙后,海水不能從上部越過,而是沿等深線從周邊繞行。結果,海山平頂上的水流形成了旋渦狀的結構。這種效應由Proudman在理論上證明,并由Taylor實驗證明。這種旋渦在均一的流體中呈圓柱形。Hogg考慮了海水分層的特征對地形旋渦的影響,他首次提出海水中的地形旋渦是圓錐狀的。這種旋渦可以在任何深度發育,并不需要出露海面。旋渦的底部與海山的頂部吻合,因此,海山頂部閉合流線的存在極其高度的獨立性使得海山頂部內部區域的海水與周圍的海水分隔開來。這樣的流就是所謂的“Taylor-Hogg地形旋渦”。麥哲倫海山的沉積記錄也反映出Taylor-Hogg地形旋渦的存在。Taylor-Hogg地形旋渦溝通了最低含氧帶與富氧、富鐵的深層和底層水,使得最底含氧帶中的Mn2+、Co2+和Ce3+等金屬離子得到氧化,進而發生膠體凝聚沉淀,形成富鈷結殼(圖5)。海山特殊的地貌引起的特征海水運動,形成有別于深海平原中錳結核的海洋金屬礦產——富鈷結殼。4富聯合型富聯邦海上共聚型進展隨著海山漂移、水道開合和大洋環流等成礦背景要素的變化,海山成礦系統成礦作用發生演化。重建了新生代太平洋兩個關鍵時段(65Ma和23Ma)的古地理圖以說明海山成礦系統的演化(圖6)。圖6(a)顯示,65Ma時,環南極水道尚未打開,研究區(以西太平洋MID29和CLD09結殼樣品為代表)處于古太平洋的中央、赤道偏南海區。此時研究區東距太平洋洋中脊約40～60°,西距陸地約50°,距離洋中脊和俯沖帶都比較遠,因此洋中脊和俯沖帶熱液成因的Fe和Mn難以直接提供給研究區成礦物質,所以富鈷結殼成礦物質主要來源于海山周圍的海水。赤道海域表層洋流的輻散作用導致了研究區內高的表層生物初級生產力,由于“生物泵”是海水中成礦金屬元素垂向運移的主要途徑,在此海域可有相對較多的成礦元素沉降、聚集在最小含氧帶中,從而為富鈷結殼成礦提供充足的成礦物質。盡管成礦物質充足,但是此時全球氣溫較高,地球處于“溫室期”,兩極無冰蓋,大洋深層洋流循環遲緩,深層水溶解氧含量較低,不利于海水中的Mn和Fe發生氧化,因而不利于積聚在最小含氧帶中的Mn和Fe最終氧化、沉淀,形成富鈷結殼。23Ma時,南極—塔斯曼水道和德雷克水道已經張開,此時環南極流和南極底層水業已形成。研究區向北飄移至約15°N附近,遠離了赤道高生產力海域,進入北太平洋渦漩的中心地帶。由于渦漩中心海水發生輻聚,導致研究區所處海域初級生產力降低,進而導致“生物泵”垂向輸運成礦元素的能力降低,成礦元素下沉通量降低,不利于成礦元素在最小含氧帶中的聚積。盡管成礦物質供給較赤道區弱,但此時深層水的溶解氧含量較高,最小含氧帶與富氧的深層水間發育了有利于海水中變價元素氧化沉淀的水化學障,這樣的水化學障有利于積聚在最小含氧帶中的Fe、Mn氧化形成富鈷結殼。5富鉻結殼成礦經研究,Mn/Fe比值可以作為富鈷結殼成礦環境演化的有效替代指標,高的Mn/Fe比值表征有利于富鈷結殼成礦。我們將麥哲倫海山的MID29-A-2結殼樣品和馬爾庫斯-威克海山的CLD09-A-1結殼樣品的Mn/Fe比值曲線與δ18O標準曲線進行了對比,并分析了構造和氣候演化事件對富鈷結殼成礦作用的影響,在此基礎上將西太平洋海山富鈷結殼的成礦系統的發育過程概括為5個階段(圖7)。(1)白堊世—白堊紀—始新世:麥哲倫海山群和馬爾庫斯-威克海山群形成,到早白堊世末,形成海山群的主要巖漿作用結束,隨后海山逐漸下沉;同時由于早白堊世—古新世山頂珊瑚礁的不斷生長,逐漸形成平頂山,海山逐漸下沉,到始新世末海山的熱沉降約1250m。這一時期全球氣溫較高,沒有南極底流的發育,大洋深層水溶解氧含量較低,最小含氧帶與深層水間的“貧氧-富氧”水化學障發育較差,不利于富鈷結殼成礦。這期間,后期的火山活動誘發了海山的滑坡作用的發生,海山邊坡不穩定,不利于富鈷結殼的沉積、成礦。(2)晚漸新世冰流速形成及演化從大約40Ma開始,麥哲倫海山群和馬爾庫斯-威克海山群一直向西北方向漂移。這一時期,塔斯曼—南極水道張開,德雷克水道逐漸向深層水開放,環南極流和南極低層水形成,晚漸新世,南極開始發育小規模短期的冰蓋,始新世末到晚漸新世(26～27Ma),南極持續發育了冰蓋。從這一時期開始,地球進入“冰室期”,南極底層流開始向大洋中的深層水供給溶解氧,最小含氧帶與深層水間的“貧氧-富氧”水化學障發育較好,研究區開始發育Mn/Fe比值較高的富鈷結殼殼層。(3)富債基類型別這一階段全球平均氣溫在地球冰室期內是最高的,南極斷斷續續發育了冰蓋。這一時期研究區海山可能處于最小含氧帶中或其下限附近的水深處,發育了Mn/Fe比值較高的富鈷結殼殼層。在這一階段內,由于某些時期最小含氧帶向下擴展到了富鈷結殼生長的海山之上,導致這一時期形成和之前形成的富鈷結殼發生磷酸鹽化。(4)麥哲倫火山群和馬爾庫斯-威克火山群形成帶,導致成礦元素mn/fe比值下降這一階段初期,印度尼西亞水道向深層水閉合,促進了環南極流的加強,南極出現永久性的冰蓋。在這一時期內,全球的氣溫逐漸降低,南極中層水和底層水加強,麥哲倫海山群和馬爾庫斯-威克海山群所在海區的最小含氧帶逐步向北退縮并