西太平洋海洋環(huán)境富鈷結殼形成過程中的元素富集

西太平洋海洋環(huán)境富鈷結殼形成過程中的元素富集

在塞伯格表面保存的富鈷結殼中，它含有co、pt和ree等金屬元素，成為繼多金屬處理后的又一繁忙海域的礦床固體資源。西太平洋海山區(qū)和中太平洋海山區(qū)是兩個重要的富鈷結殼富集區(qū)。20世紀60～80年代,發(fā)達國家開展了大規(guī)模調查和研究;我國90年代后期才開始作調查,迄今多個航次的調查范圍從西太平洋到中太平洋,開展了結殼地質地球化學特征、磷酸鹽化作用等研究[10,11,12,13,14,15]。目前,國際海底管理局正在著手制訂富鈷結殼和海底熱液硫化物資源的勘探規(guī)章。因此,抓緊時機開展富鈷結殼的進一步調查,圈定有遠景的礦區(qū),適時通過外交途徑向聯(lián)合國國際海底管理局提出申請礦區(qū)是非常必要的。本文通過研究西太平洋調查區(qū)富鈷結殼成分特點及元素組合,從一個側面探討其成礦作用,為礦區(qū)評價提供依據(jù)。1測試方法樣品由中國大洋協(xié)會“大洋一號”船在DY105-11航次中,在西太平洋五座海山(wp1、wp2、wp3、wp4、wp5)利用拖網(wǎng)采樣器采集的。選取有代表性的30個采樣測站,對不同類型及分層的56個結殼樣品進行X射線熒光光譜分析。樣品測試由廣州海洋地質調查局實驗測試所完成。將樣品粉碎至200目后,直接粉末壓片,使用日本產(chǎn)RIGAKUZSXmini臺式波長色散X射線熒光光譜儀,工作曲線用經(jīng)驗系數(shù)法校正樣品基體效應、吸收增強效應和重疊效應,經(jīng)多次回歸得到;標準系列由國家多金屬結核標準物質GSPN-1、GSPN-2、GSPN-3,富鈷結殼標準物質GSMC-l、GSMC-2、GSMC-3,以及部分大洋沉積物標樣等組成。Cu、Zn元素相對標準偏差分別為2.96%與3.53%,其他元素的相對標準偏差均小于1.6%。X射線衍射分析由中國科學院廣州地球化學研究所分析,實驗儀器為日本理學D/max-1200型X射線衍射儀,Cu(mono)。2結果2.1單層構造結構結殼的宏觀構造可分為單層構造、雙層構造和三層構造。后兩種構造各粗層見有間斷面相隔。單層構造一般由致密紋層組成,多呈結皮狀。具雙層構造的結殼由致密層和疏松層兩大粗層組成,多見結殼上部為致密層,下部為疏松層。三層構造結殼一般由上部較致密層、中部疏松層與下部致密層(亮煤層)組成;這種組合具普遍規(guī)律性。2.2下部致密層中3個礦物的組成,易由圖1可見,結殼中的礦物組分與結核相似,主要由水羥錳礦組成,次要礦物有磷灰石、石英、長石與粘土礦物等。三層構造結殼中下部致密層中含有一定量的磷灰石,基本不含碎屑礦物;上部較致密層和中部疏松層含有少量的碎屑礦物(石英和斜長石)。2.3地質意義因子用X射線熒光光譜儀測定了56個結殼樣品的Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、S、Cl、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、V、Sr、Zr、Mo、Ba、Pb與Ce(表1)。R型聚類分析表明,在相關系數(shù)為0.3的水平下,西太平洋富鈷結殼化學組分可以分成四組(圖2):1)Si、Al組,包括SiO2、Al2O3、K2O、Fe、Na2O、Cl及MgO等組分;2)Ca、P組,包括CaO、P2O5、S等;3)Mn、Ni組,包括Mn、Ni、Zn、Cu、Sr、Mo、Ba、Ce和TiO2、Zr、V、Co;4)Pb組,Pb元素自成一組。R型因子分析以累積方差貢獻達到80%為標準,選取4個主因子(表2)代表結殼中23種組分所參與的地質作用過程;各因子中確定的元素組合與聚類分析結果基本一致。根據(jù)元素組分在各主因子上的載荷值及符號,確定各因子的正負屬性及其所代表的元素組合,探討各因子所代表的地質意義。主因子Fl:兼有正、負二重性,與其正相關的元素組合有Al2O3、SiO2、K2O,與其負相關的元素組合有Mn、Mo、Sr、Ba、(V、Zn、Ni、Ce、Co)。主因子F2:兼有正、負二重性,與其正相關的幾素組合有CaO、P2O5、S,與其負相關的元素組合有TiO2、Fe、Co、Zr、V、Pb、(Ce)。主因子F3:兼有正、負二重性,與其正相關的元素組合有Fe、(Pb),與其負相關的元素組合有Ni、Cu、Zn、MgO、(Ba、Ce)。主因子F4:以正因子為主,元素組合有Na2O、Cl、MgO,伴有弱負因子,元素組合為CaO、P2O5。3富鉻結殼形成機理隨主因子的變化研究認為,富鈷結殼是水成作用的結果,在鐵-錳氧化物形成過程中,以膠體吸附方式吸收了海水中游離的Co、Ni、Cu等金屬。結殼中除主要礦物錳、鐵礦物相外,還含有石英、長石、粘土礦物等次要組分,聚類分析結果中Si、Al元素組可能代表結殼中碎屑礦物組成及海水交換作用的產(chǎn)物,其中Fe與SiO2、Al2O3、K2O等的相關性表明,結殼中Fe可能主要來源于碎屑物質的輸入。Ca、P元素組為典型的生物源組分,反映結殼遭受的磷酸鹽化作用過程。Mn、Ni元素組代表結殼中的海底火山源或熱液組分。Mn以水羥錳礦形式存在;Ni、Zn、Cu等元素通過海解作用從玄武巖中釋放出來,可能以吸附態(tài)形式富集于錳礦物相中;Ce可能以類質同象方式置換水羥錳礦中的Mn。因子分析表明,4個主因子中有3個具有正、負二重性,某些元素(如Fe、MgO、Ni、V、Ce等)分別參與到不同因子中,表明富鈷結殼的形成經(jīng)歷了非常復雜的成礦作用過程,表現(xiàn)出多期多源成礦特點。主因子F1具有最大的特征值,代表富鈷結殼經(jīng)歷的最主要的成礦地質作用,以形成鋁硅酸鹽礦物(以蒙脫石、伊利石等粘土礦物為主)和錳礦物相(水羥錳礦為主)為主要特征;元素組合間的明顯負相關表明,錳礦物相的形成與鋁硅酸鹽礦物有彼此消長的關系?？梢酝茢?在水巖界面上,海山玄武巖經(jīng)海底風化作用形成的鋁硅酸鹽礦物為錳礦物相的形成提供了良好的聚集核心,這可能是結殼成礦的基礎。在錳礦物相形成過程中,富集了可能從玄武巖中或生物分解釋放出的Mo、Sr、Zn、Ni、Co、Ba、V、Ce等元素。錳礦物相形成后抑制了結殼中鋁硅酸鹽礦物的進入。主因子F2代表富鈷結殼的次一級成礦作用,以磷酸鹽沉積作用及部分鐵礦物相形成為主要特征,元素組合間也有明顯的負相關關系。Fe在F2、F3因子中具有較大的載荷值,在本因子中居次位,表明鐵礦物相至少是二次地質作用的產(chǎn)物,本次作用的強度居第二位。元素的正相關性表明,鐵礦物相的形成有利于TiO2、Zr、V、Fe、Ce等元素的富集,尤其是TiO2具有很高的載荷值,表明結殼中Ti的富集作用主要與本次成礦作用有關。CaO、P2O5在F2和F4中具有較大的載荷絕對值,在本因子中最大,表明富鈷結殼形成過程至少經(jīng)歷兩次磷酸鹽沉積作用或磷酸鹽化作用,以本次作用為主。S的載荷絕對值在本因子中最大,在其他因子中均表現(xiàn)較小,S與CaO、P2O。構成正相關的元素組合,表明它在結殼中的富集過程與磷酸鹽化作用有關。元素組合之間明顯的負相關性表明磷酸鹽沉積作用對鐵礦物相有抑制作用。主因子F3代表一次主要的鐵成礦作用,其中鐵礦物相可能選擇性地吸附Pb,而排斥Ni、Cu、Zn、MgO等。主因子F4代表結殼與海山物質交換作用過程及另一次強度較弱的磷酸鹽化作用。本因子中Na2O、Cl、MgO組合占主導地位,CaO、P2O5組合與之呈負相關,但載荷值較低,表明結殼與海水物質交換作用過程中,伴隨有弱磷酸鹽化作用,兩者互相抑制。4成礦作用及微量元素特征西太平洋富