太平洋不同海水結(jié)殼生長(zhǎng)年代及過(guò)程

太平洋不同海水結(jié)殼生長(zhǎng)年代及過(guò)程

0我國(guó)地質(zhì)研究中的成巖改造意義大豐富鈷的地殼生長(zhǎng)緩慢，通常為mm-ma，記錄了成礦環(huán)境長(zhǎng)期的歷史變化。地殼中沒(méi)有用來(lái)確定年份的碳硅蟲(chóng)，需要通過(guò)其他方法確定。10be和9be法（segletal.，1984）、87sr.86sr法（yerma和usu，1990）、原子能法（chabal.，1997）、古磁性地層學(xué)（cowima和usu，1998）、生物地層學(xué)（cowima和uu，1997）。古磁性地層學(xué)（cow等人，1993；pularisv，1997；susing等人，2013；zhang等人，2013）等。其中，生物地層學(xué)和地質(zhì)學(xué)方法具有較高的可靠性，并且與地質(zhì)學(xué)方法一起被用于評(píng)估地殼生長(zhǎng)的延遲。這對(duì)于結(jié)殼層的建立、地層的形成和古代海洋重建的研究非常重要。對(duì)于這個(gè)小群體，數(shù)量眾多且分布在世界海洋中。在宋代，巖石帶被廣泛使用。在早第三紀(jì)（1975年）、第三紀(jì)（cp1cp19）和第三紀(jì)以來(lái)的第五紀(jì)（cn1cn15）之間。中、西太平洋海山區(qū)不僅是太平洋海山富鈷結(jié)殼廣泛分布的區(qū)域,也是迄今海山富鈷結(jié)殼資源調(diào)查和研究的熱點(diǎn)地區(qū).該區(qū)域海山富鈷結(jié)殼形成前期,早白堊紀(jì)太平洋板塊向西偏南漂移,形成了北東東向的雙列熱點(diǎn)火山鏈,是現(xiàn)今太平洋海山群的雛形(Wenetal.,1997).白堊紀(jì)期間南太平洋法屬波利尼亞熱點(diǎn)群發(fā)生的大規(guī)模海山噴發(fā)事件,從地幔深處帶來(lái)了大量巖漿物質(zhì)(Larson,1991),為富鈷結(jié)殼的生長(zhǎng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ).大約60~70MaBP時(shí)穿過(guò)赤道并繼續(xù)向北漂移到達(dá)目前的位置(Smoot,1999).我國(guó)學(xué)者自20世紀(jì)90年代初以來(lái)對(duì)太平洋海山結(jié)殼開(kāi)展研究,在結(jié)殼微體古生物的定年方面取得重要研究成果(蘇新等,2004;程振波等,2006;武光海等,2006;馬維林等,2007;潘家華等,2007;李江山等,2008).本文對(duì)麥哲倫海山、中太平洋海山的結(jié)殼樣品進(jìn)行生物地層學(xué)記錄及其生長(zhǎng)過(guò)程和階段研究.1中太平洋海山區(qū)中、西太平洋海山通常是指0°~30°N、145°E~165°W區(qū)域內(nèi)的海山(圖1).麥哲倫海山區(qū)位于東馬里亞海盆西北緣,屬大型斷裂塊狀隆起,延伸方向北北西,延長(zhǎng)1200km,主要由相對(duì)獨(dú)立的海山構(gòu)成;其盾形火山基底主要由早白堊紀(jì)的拉班玄武質(zhì)枕狀熔巖組成,其次為晚白堊紀(jì)-老第三紀(jì)的亞堿性玄武巖及新第三紀(jì)的堿性玄武巖和火山碎屑巖.中太平洋海山區(qū)位于中太平洋海盆北緣,夏威夷-天皇海山鏈以西,屬于熱點(diǎn)成因的板內(nèi)火山作用產(chǎn)物,坐落在總體走向近東西向的中太平洋海山隆上,延伸長(zhǎng)度大于3000km;其基底巖石主要由中白堊紀(jì)的拉班玄武巖及橄欖玄武巖組成,局部海山見(jiàn)有新生代的堿性火山巖.2結(jié)構(gòu)構(gòu)造界面及年齡鑒定麥哲倫海山CM3D06結(jié)殼位于153.10°E,20.42°N(水深2490m),厚度為98mm.從頂面向下13mm處有明顯的變化層,為純鐵錳氧化物,上下構(gòu)造變化不大,至28mm處漸變?yōu)榫植堪唠s狀構(gòu)造,但仍以柱狀構(gòu)造為主;從30mm處開(kāi)始漸變,至68mm處以斑雜構(gòu)造為主,層間夾雜大量脈石礦物和黃色碎屑物質(zhì),與上下層界限分明;向下為老殼層,亦較致密,呈黑褐色,夾雜一定量的脈石礦物,組成較為單一,主要為較致密平緩紋層狀結(jié)構(gòu).中太平洋海山CB14結(jié)殼位于179.02°E,18.75°N(水深2912m),厚度為70mm.從頂面向下18mm為上層,褐黑色,結(jié)構(gòu)致密;中間層厚約20mm,構(gòu)造相對(duì)疏松,多見(jiàn)孔洞,充填黏土物質(zhì),有明顯的變化層,為較純的鐵錳氧化物,上下構(gòu)造變化不大,至20mm左右漸變?yōu)榫植堪唠s狀構(gòu)造,但仍以柱狀構(gòu)造為主,至40mm左右漸變?yōu)橐园唠s構(gòu)造為主,且有明顯的生長(zhǎng)間斷;向下為老殼層,未見(jiàn)磷酸鹽化,結(jié)構(gòu)均勻,主要為較致密的平緩紋層狀結(jié)構(gòu).可見(jiàn),富鈷結(jié)殼不同層次的結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化存在差異,反映出結(jié)殼生長(zhǎng)過(guò)程中古海洋環(huán)境變化的多樣性與復(fù)雜性,即便是同一地區(qū)結(jié)殼成礦過(guò)程中的海底環(huán)境、沉積碎屑、洋流活動(dòng)也存在著明顯差異.宏觀對(duì)比分析可知,麥哲倫海山區(qū)結(jié)殼比中太平洋海山區(qū)結(jié)殼生長(zhǎng)紋層要明顯.CB14結(jié)殼在55mm上下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的改變,但界面不是很明顯,呈漸變式,但在40mm處有一明顯的突變邊界,可能與沉積環(huán)境的突變或者鐵錳氧化物的生長(zhǎng)中斷相關(guān).CM3D06結(jié)殼三層構(gòu)造各界面間構(gòu)造和色澤呈極好的韻律性變化,特別是85mm、58mm及28mm附近均出現(xiàn)明顯的色變界面.結(jié)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)造分層中發(fā)生顯微構(gòu)造和色澤“突變”表明它們?cè)谏L(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)歷多種環(huán)境,最終形成多層結(jié)構(gòu),層間醒目界面可成為結(jié)殼生長(zhǎng)過(guò)程中一個(gè)特定的時(shí)間標(biāo)識(shí).使用高倍掃描電子顯微鏡(SEM)識(shí)別鑒定鈣質(zhì)超微化石,直接放大觀察礦物質(zhì)原生結(jié)構(gòu)中的顆石藻殼體、盤(pán)星石碎片和鐵錳物質(zhì)及碳酸鹽-磷酸鹽脈中的原生印模.為控制結(jié)殼每個(gè)殼層頂?shù)啄甏鷧^(qū)間,對(duì)結(jié)殼每個(gè)構(gòu)造層上、中、下的2~3個(gè)層位進(jìn)行精細(xì)取樣(避開(kāi)結(jié)殼層間界限,特別是明顯的生長(zhǎng)間斷),以建立起更加可信的年代區(qū)間框架.依照巖石學(xué)標(biāo)準(zhǔn)從結(jié)殼的垂直方向面和水平方向面的合適剖面取樣,分別在每一殼層剝離2~5mm寬的新鮮薄片(2~3片),涂上一層薄金膜(6~9nm),安裝在SEM上的樣品槽中在加速電壓18kV的條件下放大1×103~2×105倍數(shù)進(jìn)行觀察(Zhangetal.,2013).鈣質(zhì)超微化石的識(shí)別參考已經(jīng)發(fā)表的電子顯微鏡照片(Roth,1973;EdwardsandPerch-Nielsen,1975;Perch-Nielsen,1985),結(jié)殼殼層的定年根據(jù)每個(gè)被鑒定層位中鈣質(zhì)超微化石的年代交集來(lái)確定,特別關(guān)注是否存在標(biāo)志種,基于它們?cè)谏锏貙訒r(shí)標(biāo)中的初現(xiàn)帶和末現(xiàn)帶或亞帶來(lái)確定(Martini,1971;Gartner,1977;OkadaandBukry,1980).本研究鈣質(zhì)超微化石新生代框架的建立廣泛地參考了沉積物巖芯鈣質(zhì)超微化石分析的文獻(xiàn)資料(Martini,1971;MartiniandWorsley,1971;Bukry,1973a,1973b,1978),且與絕對(duì)地質(zhì)年齡(Shumenko,1987)相符.3結(jié)果與討論3.1中侏羅世-晚白堊世暖水種根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的變化,CM3D06結(jié)殼被分為5層(9個(gè)亞層),其中85~98mm為老結(jié)殼,68~78mm和78~85mm形成時(shí)期相同,為一層,58~68mm為一層,28~38mm和38~58mm為一層,0~5mm、5~13mm和13~28mm為新殼層.根據(jù)結(jié)殼中鈣質(zhì)超微化石生物組合的鑒定結(jié)果,這5層的形成時(shí)代分別為白堊紀(jì)(或更古老)、晚古新世-早始新世、中-晚始新世、中-晚中新世、上新世-更新世,生長(zhǎng)間斷期發(fā)生在早古新世和漸新世(圖2和圖3).老殼層85~98mm層段辨認(rèn)出的鈣質(zhì)超微化石遺跡(殼體印模)有:Zigodicusspiralis、Watznaneriabarnesae和Broisoniaparka,其中W.barnesae的地質(zhì)時(shí)代為中侏羅世-晚白堊世,是白堊紀(jì)遠(yuǎn)洋沉積中最為常見(jiàn)暖水種之一(Shumenko,1987),其抗溶性最強(qiáng),一般不會(huì)因成巖作用而消失(劉懷寶和Watkins,2004);而B(niǎo).parka的地質(zhì)時(shí)代是晚白堊世坎潘階.麥哲倫海山是西北太平洋內(nèi)受北西向轉(zhuǎn)換斷層控制的板內(nèi)海底火山鏈,其形成時(shí)代為中侏羅世-白堊紀(jì),因此CM3D06結(jié)殼老殼層時(shí)代為白堊紀(jì)(或更古老).68~85mm層段鈣質(zhì)超微化石由Coccolithuspelegicus、C.formosus、Discoasterbarbadiensis、D.elegans、D.lodoensis、D.multiradiatus、D.mohleri和Reticulofenestrabisectafilewiezn等組成,總體上對(duì)應(yīng)于CP8~CP9化石帶(晚古新世~早始新世),在85mm層段有一明顯的色澤突變現(xiàn)象.58~68mm層段鈣質(zhì)超微化石組合為C.formosus、R.coentura、Chiasmolithusconsuetus、Sphenolithusmoriformis、Transversopontispulcher和Ericsoniafenestrata,形成時(shí)代對(duì)應(yīng)于NP14~NP20或CP12~CP15(中-晚始新世).48~58mm層段鈣質(zhì)超微化石組合為C.pelagicus、Trochoasterduplex和Pontosphaeradistincta,形成時(shí)代對(duì)應(yīng)于CN3~CN5a(中-晚中新世);28~48mm層段鈣質(zhì)超微化石組合為C.pelagicus、E.obruta和Umbilico-sphaerasibogae,結(jié)殼形成時(shí)代對(duì)應(yīng)于CN3~CN5a(中-晚中新世),以上為同一形成期.5~28mm層段鈣質(zhì)超微化石組合為Cyclococcolithinaleptopora、U.sibogae、Oolithussp.、Neosphaeracoccolithomorpha和E.pauciperforata,結(jié)殼形成時(shí)代為上新世-更新世.3.2微石化遺跡根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的變化,CB14結(jié)殼被分為4層(6個(gè)亞層),其中55~65mm和65~70mm為老結(jié)殼,40~55mm為一層,20~40mm為一層,0~13mm和13~20mm為新殼層.根據(jù)結(jié)殼中鈣質(zhì)超微化石生物組合的鑒定結(jié)果,這4層的形成時(shí)代分別為晚古新世-早始新世、中-晚始新世、中中新世、上新世-更新世,結(jié)殼生長(zhǎng)間斷主要在漸新世(圖4和圖5).老殼層55~70mm層段辨認(rèn)出的鈣質(zhì)超微化石遺跡結(jié)構(gòu)有:Neochiastozgusjunctus、Chiasmolithusconsuetus、Hselithinairis、C.pelegicus、C.formosus、D.multiradiatus和D.mohleri,總體上對(duì)應(yīng)于CP8~CP9化石帶(晚古新世-早始新世).40~55mm層段鈣質(zhì)超微生物組合為:C.pelagicus、C.formosus、Chiasmolithusconsuetus和E.fenestrata,它們部分被鐵錳化合物溶解和取代,形成時(shí)代對(duì)應(yīng)于NP14~NP20或CP12~CP15(中-晚始新世).20~40mm層段鈣質(zhì)超微化石保存的很差,有些殼體為鐵錳化合物取代,能夠識(shí)別出的鈣質(zhì)超微化石組合包括:Cyclicargolithusfloridanus、C.pelagicus、E.obruta、D.variabilis以及高度溶蝕的Trochoastersp.(很可能是T.duplex和T.radiatus),該殼層的形成時(shí)段對(duì)應(yīng)于CN3~CN5a(中中新世).新殼層0~20mm層段鈣質(zhì)超微化石組合為C.pelagicus、Calcidiscusmacintyrei、U.sibogae、D.surculus、D.variabilis、D.brouweri和D.asymmertricus,結(jié)殼形成時(shí)代為上新世-更新世.3.3海退期20世紀(jì)20202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020富鈷結(jié)殼是一類與熱點(diǎn)火山、超級(jí)地幔柱成因海山有關(guān)的海底礦產(chǎn),其殼層在形成過(guò)程中因洋底環(huán)境不同而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)構(gòu)造與成礦物質(zhì)成分的差異.以上結(jié)果表明,結(jié)殼的主要生長(zhǎng)期在其結(jié)構(gòu)構(gòu)造及分層特征上有明顯的顯示.根據(jù)結(jié)殼鈣質(zhì)超微化石定年結(jié)果,以及殼層結(jié)構(gòu)構(gòu)造的變化和殼層間的不整合,可以推斷結(jié)殼生長(zhǎng)的間斷及其地質(zhì)年代.麥哲倫海山CM3D06結(jié)殼樣品表層向下在85mm處(早古新世)和58mm處(漸新世)存在明顯的生長(zhǎng)間斷,不同殼層間明顯的特征變化和礦物化學(xué)組成等差別(武光海等,2001,2005)證明了這一點(diǎn).中太平洋海山CB14結(jié)殼樣品在40mm處(漸新世)出現(xiàn)不整合斷面.兩塊結(jié)殼均缺失漸新世的生長(zhǎng)段,說(shuō)明該時(shí)期不適合研究區(qū)域結(jié)殼生長(zhǎng),這與武光海等(2006)研究結(jié)果一致.但是不同海山結(jié)殼的生長(zhǎng)間斷年代的長(zhǎng)短存在差別,還可能存在局域性的次級(jí)生長(zhǎng)間斷.漸新世時(shí)期,特提斯海因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)關(guān)閉,環(huán)赤道洋流逐漸減弱,南極底層水雖已開(kāi)始形成,但還沒(méi)有影響到海山區(qū).因此結(jié)殼生長(zhǎng)環(huán)境惡化,產(chǎn)生生長(zhǎng)間斷(Melnikovetal.,2002).Pulyaeva(1997)也認(rèn)為該時(shí)期為海退期,大洋生產(chǎn)力、生物碳酸鹽產(chǎn)率和碳酸鹽補(bǔ)償線(CCD)均降低,這可能是該時(shí)期的普遍特征.中、西太平洋海山兩塊結(jié)殼開(kāi)始生長(zhǎng)的年代分別在晚古新世和白堊紀(jì)(或更古老),這說(shuō)明了兩個(gè)結(jié)殼最初形成時(shí)的環(huán)境存在較大差異,也意味著結(jié)殼并不是在海山形成之后就立即開(kāi)始生長(zhǎng).Jeongetal.(2000)認(rèn)為海山環(huán)境不穩(wěn)定是導(dǎo)致結(jié)殼形成年代差異的原因之一,在地質(zhì)時(shí)期太平洋發(fā)生了一系列構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和重大地質(zhì)事件,古海洋環(huán)境也發(fā)生了顯著的變化,結(jié)殼只有在合適的條件下才能夠生長(zhǎng).結(jié)殼主要形成在最低含氧層(OMZ)以下、CCD以上的海洋學(xué)界面內(nèi).在南極底層水供氧條件下,海水中成礦物質(zhì)凝集沉淀并依附于海山硬質(zhì)基巖表面成殼狀或圈層狀生長(zhǎng)發(fā)育,在其形成過(guò)程中同時(shí)接受了更多的生物沉積.第一階段(白堊紀(jì)末),大約90MaBP時(shí)太平洋海山群因熱點(diǎn)群的強(qiáng)烈改造作用繼續(xù)漂移,同時(shí)伴隨著海山垂直方向上的升降,中、西太平洋海山大約在60~70MaBP時(shí)穿過(guò)赤道到達(dá)目前的位置(Smoot,1999).一方面,這一階段海山經(jīng)歷了多期巖漿活動(dòng),物質(zhì)來(lái)源豐富,海水循環(huán)和生物活動(dòng)間的相互作用有利于海山結(jié)殼的生成(趙俐紅等,2005);另一方面,這一時(shí)期全球氣溫較高,沒(méi)有南極底流的發(fā)育,大洋深層水溶解氧含量極低,火山活動(dòng)誘發(fā)海山滑坡,不利于邊坡不穩(wěn)定的海山結(jié)殼生長(zhǎng)(石學(xué)法等,2008).因此,CM3D06結(jié)殼在這一時(shí)期開(kāi)始生長(zhǎng),就意味著麥哲倫海山的位置、地形和水深有利于結(jié)殼生長(zhǎng)發(fā)育.第二階段(晚古新世-早始新世),古新世時(shí)期中太平洋海山位于低緯度區(qū),由于均衡補(bǔ)償作用緩慢下沉,海山頂上珊瑚礁不斷生長(zhǎng),逐漸形成平頂山(HaggertyandPremoli-Silva,1995).CB14富鈷結(jié)殼開(kāi)始生長(zhǎng),結(jié)殼形成環(huán)境主要受表中層洋流和海山自身流的影響,有證據(jù)表明當(dāng)時(shí)存在環(huán)赤道洋流(Arnaud-VanneauandPremoli-Silva,1995).第三階段(中-晚始新世),大約在始新世末海山熱沉降基本結(jié)束,之后隨太平洋板塊經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的水平方向的漂移過(guò)程(Wintereretal.,1993),在漂移過(guò)程中海流作用適時(shí)的沖掉了海山上的沉積物,這為富鈷結(jié)殼的不斷生長(zhǎng)提供了有利環(huán)境.這一時(shí)期塔斯曼-南極水道張開(kāi),德雷克水道逐漸向深層水開(kāi)放,環(huán)南極底層水