麦哲伦海山群MK海山富钴结壳稀土元素的赋存相态

利用ICP-OES和ICP-MS,分析了麦哲伦海山群西北端MK海山2 170 m水深的MKD23B-3号富钴结壳样品,获得了其剖面上主元素、稀土元素（REE）和Y含量数据,并基于元素含量间的线性相关关系,研究了REE和Y的赋存相态。结果显示：该样品剖面从基岩到表面可划分为5层,第Ⅰ、Ⅱ层为磷酸盐化壳层,第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ层为未磷酸盐化壳层。在未磷酸盐化壳层中,REE和Y主要赋存在δ-MnO2相中;而在磷酸盐化壳层中,REE和Y除了赋存在Fe、Mn氧化物相中外,主要赋存在独立于碳氟磷灰石（CFA）的矿物相态中,可能为稀土的磷酸盐。并提出利用磷酸盐中REE/Y估算富钴结壳磷酸盐化壳层次生稀土的方法,据此估算了MK海山富钴结壳磷酸盐化壳层次生稀土的量。在该样品中,次生稀土占稀土总量的42%~88%,近一半以上的稀土是次生的,磷酸盐化作用对于REE和Y的次生富集具有显著的贡献;因此解读磷酸盐化富钴结壳的稀土元素（特别是Nd同位素）古海洋记录必须排除次生稀土元素的干扰。

麦哲伦海山群M海山富钴结壳成因与成矿时代：来自地球化学和Co地层学的证据

利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)和重量法,对麦哲伦海山链西北端M海山9个站位、17个富钴结壳样品的主要元素和稀土元素进行了分析,分析结果显示,该海山富钴结壳是水成成因的,且多数富钴结壳在生长过程中没有受到磷酸盐化作用的影响。推广富钴结壳Co地层学年代计算公式的应用范围,并基于此建立了研究区富钴结壳的年代学框架。研究区富钴结壳的Co地层学年代计算公式的计算结果显示,中新世以来的地质时代是M海山富钴结壳的主成矿期,并且大约在15Ma发生了一次磷酸盐化事件,推测当时导致磷酸盐化发生的最低含氧带(OMZ)的深度下降到相当于现今2 000～2 700m水深之间。

西太平洋麦哲伦海山铁锰结壳生物地层、生长年代及沉积环境

通过对西太平洋麦哲伦海山M1-1,M2-1铁锰结壳样品超微化石的分析,在Ⅱ+Ⅲ层结壳层中发现了中新世以来的超微化石种类H.carteri,C.leptoporus和G.oceanica。据此,把Ⅱ+Ⅲ层结壳归属于第3个形成期中新世-更新世发育的结壳,相当于Halbach等人提出的年青世代层。Ⅰ层内钙质超微化石的缺失可能与白垩纪末期碳酸盐补偿深度的骤然变化有关。冷的、富氧的南极底层水不仅为结壳的形成提供了良好的氧化环境,而且造成了广阔的区域性的沉积间断,从而为结壳提供了生长场所。

麦哲伦海山区MD、ME、MF海山富钴结壳特征

麦哲伦海山区 MD、ME、MF海山具有三层构造的结壳特征 ,研究表明 ,结壳可分为上部较致密层、中部疏松层、下部致密层。致密层构造单一 ,含很少脉石矿物 ;疏松层构造杂乱 ,含有大量脉石矿物 ;较致密层介于两者之间 ,壳层矿物有锰相矿物 (主要为水羟锰矿 )、铁相矿物和次要矿物 (粘土矿物、钙十字沸石、石英、方解石、磷灰石等 )。不同壳层地球化学特征具有明显差异性 ,Ce异常表明在结壳从下层到上层的生长过程中 ,环境的氧化性逐渐减弱。结壳 1 0 Be测年结果表明 ,疏松层的生长速率最大 ,其次为致密层 ,较致密层的生长速率最小。推测区内最老的结壳的生长年代为中新世晚期 ,在 4Ma以前 ,区内水动力条件很弱 ,氧化性较强 ;4～ 3.1Ma BP水动力条件较强 ,氧化性较弱 ;2 .6 Ma BP以来 ,水动力条件为强—弱波动期 。

西太平洋麦哲伦海山富钴结壳成分特征及古环境记录

针对取自西太平洋麦哲伦海山的富钴结壳,运用EPMA技术研究了其微区成分特征,估算并讨论了结壳的生长速率和生长年龄,并结合前人研究成果讨论了结壳的古环境记录。研究发现：结壳Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ca、P和Al的元素平均含量分别是29.04%、17.40%、0.73%、0.33%、0.15%、1.72%、0.35%和0.45%,与中、西北太平洋、印度洋及大西洋结壳相比具有高Mn、富Co和贫Ni的特征;结壳初始生长年龄为19.26 Ma,在8.05~11.3 Ma之间出现了约3 Ma的生长间断;进一步研究表明,结壳的Al/（Fe＋Mn）、Co/（Ni＋Cu）和Fe/Mn微区记录能分别较好地反映亚洲季风气候演变、海水氧化性演变和冰室期-变暖期的古气候演变及其相互之间的联系。

麦哲伦海山链漂移史及可能的来源

麦哲伦海山链主要由十多座相对独立的平顶海山组成,呈北西向展布于太平洋海山密集区。结合前人对麦哲伦海山链形成和漂移的认识,从板块运动和几何学角度出发采用backtracking和hot-spotting海山追踪方法对该区海山的起源与形成进行了研究,结果表明,麦哲伦海山链是多热点成因的板内火山和板块构造运动共同作用的产物,最初于白垩纪期间由法属玻利尼西亚热点群西侧呈北北西向排列的热点活动产生,继而受到板块运动与区内近南北向和北北东向两组断裂及其热活化等的改造作用,最后形成了现今看到的平顶海山。

麦哲伦海山群MK海山富钴结壳钙质超微化石生物地层学研究

富钴结壳是发育在深海海山之上的一种重要沉积矿产资源,建立准确可靠的年代学格架,无论对富钴结壳成矿作用研究还是对古海洋环境研究,都具有重要意义。但迄今为止,由于定年技术的限制,可靠的富钴结壳年代学框架资料并不多。文中以钙质超微化石生物地层学方法为主要手段,并结合Co经验公式法、样品的结构特征和磷酸盐化作用时代等资料,对麦哲伦海山群MK海山MKD13-3号富钴结壳样品的年代学框架进行了综合限定。研究结果如下。(1)该样品剖面从下到上可以分4层,分别为:磷块岩基岩,其中包括R层(残留层)结壳,时代为112.0~70.6Ma B.P.;I层,进一步划分为I-1和I-2层,其时代分别为55.0~48.0Ma B.P.和44.0~23.0Ma B.P.;Ⅱ层,时代为23.0~14.0Ma B.P.;Ⅲ层,时代为5.0~0Ma B.P.。(2)该富钴结壳样品在生长过程中发育了3个生长间断,分别为:基岩与I-1层之间的生长间断,时代为70.6~55.0Ma B.P.;I-1层与I-2层之间的生长间断,时代为48.0~44.0Ma B.P.;Ⅱ层与Ⅲ层之间的生长间断,时代为14.0~5.0Ma B.P.。

麦哲伦海山区MA、MC海山玄武岩基岩的岩石学特征

麦哲伦海山区MA、MC海山玄武岩基岩的岩石学特征研究表明，岩性为蚀变玄武岩、橄榄玄武岩等；结构为基质具间隐、间往结构及拉斑玄武结构的斑状结构；矿物组成为斜长石、橄榄石、辉石及脱玻化玻璃等。按岩石化学成分分类属碱性玄武岩，而稀土分配模式属洋岛碱性玄武岩类型。

麦哲伦海山区MA、MC、MD、ME、MF海山结壳基岩的岩石学

麦哲伦海山区 MA、MC、MD、ME、MF海山的结壳基岩类型主要有玄武岩、火山碎屑岩 ,其次为灰岩和磷块岩。玄武岩为蚀变玄武岩、橄榄玄武岩等 ,造岩矿物斜长石的成分多为拉长石和中长石 ,辉石多为普通辉石 ,橄榄石多已伊丁石化。玄武岩的硅酸盐全分析表明 ,其 P2 O5含量普遍偏高 ,超出了玄武岩正常值范围 ;玄武岩的稀土分配模式与洋岛碱性玄武岩类型基本相似 ,但出现一定程度的 Ce负异常 ,这是由于玄武岩中混有磷酸盐矿代矿物的结果 ,经过成分校正后 ,化学成分分类上属碱性系列的碱性玄武岩。火山碎屑岩主要为玄武质火山碎屑岩 ,其中玄武质碎屑的矿物成分及结构特征与玄武岩相似 ,玄武质火山碎屑岩的稀土分配模式与玄武岩的稀土分布模式基本相似 ,推测其与玄武岩为同一期火山喷发的产物。灰岩包括生物屑微晶灰岩、微晶生物屑灰岩等 ,多数灰岩具有不均匀的磷酸盐化现象 ,成为磷块岩。另一种类型的磷块岩 ,是由磷酸盐矿物交代火山碎屑岩形成。磷块岩的稀土元素特征表现为稀土总量较高 ,Ce呈明显负异常。灰岩和火山碎屑岩的磷酸盐化作用对稀土元素的富集及

西太平洋麦哲伦海山区富钴结壳的稀土元素特征

富钴结壳是一种产于海山、岛屿斜坡和海底高地上的潜在海底矿产资源,主要成分为铁锰氧化物和氢氧化物,富含铜、钴、镍、稀土元素(REE)等经济价值较高的金属元素。西太平洋麦哲伦海山区是世界上最重要的富钻结壳分布区之一(王嘹亮等,2001),全球仅有的4个富钴结壳合同区当中就有2个是位于该海山区(俄罗斯和中国的矿区)。本文收集整理了麦哲伦海山区富钴结壳的地球化学分析数据,试图探讨富钴结壳中稀土元素的地球化学特征及其富集规律。

麦哲伦海山群富钴结壳元素地球化学特征及赋存状态

为探究大洋富钴结壳的元素地球化学特征和赋存状态,以西太平洋麦哲伦海山群5个富钴结壳样品为研究对象,通过X射线衍射法、等离子体发射光谱法、等离子体质谱法及相态分析手段,分析了富钴结壳的矿物组成、主量元素和稀土元素含量。结果表明,富钴结壳样品主要结晶矿物为水羟锰矿,次要矿物包括石英、斜长石和钾长石,同时含有大量非晶态铁氧/氢氧化物。富钴结壳样品中Mn和Fe含量最高,Mn为16.87%~26.55%,Fe为14.34%~18.08%。富钴结壳明显富集稀土元素,其稀土总量为1287~2000μg/g,Ce含量为632~946μg/g,约占稀土总量的50%;轻稀土含量为1037~1604μg/g,重稀土含量为249~395μg/g,轻稀土元素明显高于重稀土元素。稀土元素配分模式呈现Ce正异常而Eu无异常,具有Ce富集特征。麦哲伦海山群富钴结壳是水成沉积成因,基本没有受到海底热液活动和成岩作用的影响。元素赋存状态与其矿物相密切相关,Na、K、Ca、Mg和Sr主要赋存于碳酸盐相,Mn、Ba、Co和Ni主要赋存于锰氧化物相,Fe、Al、P、Ti、Cu、Pb、V、Zn、Zr和REE主要赋存于铁氧化物相,部分Al和K赋存于残渣态。该研究对于西太平洋麦哲伦海山群富钴结壳的成矿理论研究提供了科学依据。

太平洋麦哲伦海山群海山的地磁模拟

在利用地磁模拟方法的基础上，计算出麦哲伦海山群中的两个海山的古地磁数据。根据计算数据分析，对这些海山的年龄进行推测，据估算，这些海山的年龄相当于是白垩世，同时，还计算受力的太平洋板块运动的北分量为３．５ｃｍ／ａ所获结果与较早对海山年龄的估算及太平洋向北运动的速度非常吻合，这足以说明，复地磁模拟方法解决类似任务的有效程度。

“科学”号在麦哲伦海山展开综合调查

2018年4月2日，在国家科技基础资源调查专项“西太平洋典型海山生态系统科学调查”的支持下，“科学”号科考船在西太平洋麦哲伦海山展开综合调查。海山是世界海洋生物多样性研究的热点地区。通过“科学”号搭载的“发现”号深海机器实时传回的画面，工作人员目睹了这个幽暗神秘、生机勃勃的“海山世界”。

随“发现”号探秘麦哲伦海山

在海底丰富的地形种类中,海山的面积约占海底总面积的16%,是非常重要的一种海底景观。在全球海底,超过1000米高的海山逾3万座,60%以上分布在太平洋,其中,西太平洋是全球海山分布最集中的海域。在国家科技基础资源调查专项“西太平洋典型海山生态系统科学调查”项目的支持下,2018年3月至4月,来自中科院海洋所、中科院声学所、山东大学、中国水产科学研究院东海水产研究所等单位的科考队员,连同船员共80人,乘坐我国新一代远洋综合科考船“科学”号,到西太平洋海底探访了幽深神秘的麦哲伦海山。

西太平洋麦哲伦海山群Hemler、Vlinder和Il’ichev海山熔岩的成因及其形成的深部动力学机制

经典的“地幔柱假说”能够很好解释年龄随空间位置线性变化的大洋板内火山链的成因.而位于西太平洋的众多海山群,空间分布广、年龄-位置关系杂乱,很难用经典的“地幔柱假说”来解释,其成因存在争议.本研究选择西太平洋麦哲伦海山群Hemler、Vlinder和Il’ichev海山熔岩,对其进行40Ar-39Ar年代学、主量和微量元素以及Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析,来揭示其岩石成因和形成的深部动力学机制. Hemler、Vlinder和Il’ichev海山熔岩属于碱性玄武岩、碧玄岩/霞石岩和粗面岩, MgO>8wt.%的熔岩具有较高的CaO、FeOT和TiO2含量,是碳酸盐化榴辉岩熔融的熔体与橄榄岩反应的产物.这些熔岩具有较高的Zr/Hf比值(40.6~45.2)和Zr-Hf负异常,指示它们的地幔源区存在碳酸盐组分. Hemler、Vlinder和Il’ichev海山熔岩富集不相容元素,其Sr-Nd-Pb-Hf同位素显示EM1(1型富集地幔)特征,与Rarotonga和Samoa热点相似.虽然产出于同一个海山, Il’ichev碱性玄武岩与Il’ichev碧玄岩的同位素组成明显不同:前者具有更为亏损的Sr-Nd-Hf同位素特征.结合板块构造恢复结果, Hemler(100.1Ma)、Vlinder造盾前(100.2Ma)和造盾期后((87.5±0.4)Ma)以及Il’ichev((56.4±1.2)Ma)海山熔岩的形成时间明显偏离了南太平洋Macdonald、Arago、Rarotonga和Samoa热点的运移轨迹,因此它们并非来源于深部地幔柱的直接熔融,更可能是浅部过程的产物.麦哲伦海山群所在的大洋板块的一个典型特征是:岩石圈断裂带在该区域广泛分布.我们提出,在中白垩世当麦哲伦海山群所在的太平洋板块经过Rarotonga地幔柱上方时, Rarotonga地幔柱直接熔融形成Vlinder(造盾期)、Pako和Ioah海山.随着地幔对流分散在周围软流圈中的Rarotonga和Samoa地幔柱物质,在岩石圈裂隙处发生减压熔融,形成Hemler和Vlinder造盾前和造盾期后熔岩;Il’ichev海山碱性玄武岩和碧玄岩是岩石圈裂隙诱发的软流圈中不均一富集组分熔融的产物.这种不均一组分最可能是滞留在软流圈中的不同地幔柱的物质,也有可能是残留在软流圈中的再循环的地球表层物质.

麦哲伦海山群富钴结壳铈富集的控制因素

利用ICP-OES和ICP-MS,分析了麦哲伦海山群西北端MK海山2170 m水深的MKD23B-3号富钴结壳样品,获得了其剖面上Ce,Co和P2O5含量数据。结果显示,该样品未磷酸盐化壳层的过剩Ce(Cexs)与Co含量之间呈明显的正相关关系,相关系数R2高达0.7893;与生长速率呈负相关关系,相关系数R2高达0.7211,表明壳层生长速率是制约结壳Ce含量的主因,高的Ce含量是低的生长速率造成的。在假设海水pH,Mn2+等条件不变的前提下,结壳生长速率正相关于Fe,Mn的沉积通量,而Fe,Mn的沉积通量正相关于海水中溶解氧含量。因此,在海水pH,Mn2+等条件不变的前提下,Cexs负相关于海水中溶解氧含量,海水溶解氧含量只是制约结壳Ce含量的间接因素,纠正了"结壳高Ce异常指示其形成时海水中高溶解氧含量"的认识。

麦哲伦戈沃罗夫盖特平顶海山钴结壳资源评价

为能科学、快速量化地圈定出大洋海山钴结壳优质矿区,笔者基于国际海底管理局提出的矿区选取模型,利用我国西太平洋海山钴结壳资源调查的公开的拖网采样资料,综合钴结壳的分布规律和证据权法所得海山钴结壳资源预测后验概率图,将西太平洋麦哲伦海山区戈沃罗夫盖特平顶海山圈定为钴结壳资源前景较好的远景区,并采用人机交互式的矿区圈定方法圈定出符合国际海底管理局规章要求的7个群组共100个钴结壳矿块。据此估算出戈沃罗夫盖特平顶海山湿结壳资源量为69 487.6×104 t;圈定的100个矿块主要分布在2 000~3 000 m斜坡上,湿结壳资源量为14 092×104 t,干结壳资源量为9 789.35×104 t;锰金属量为1 961.3×104 t,铜金属量为10.17×104 t,钴金属量为54.06×104 t,镍金属量为34.87×104 t。这些数据表明,戈沃罗夫盖特平顶海山规模较大,钴结壳资源前景潜力大,可作为钴结壳深入调查和矿区申请备选海山。

麦哲伦海山链富钴结壳成矿区域地质背景

本文根据我国调查成果和充分利用DSDP资料，通过综合研究分析认为：麦哲伦成矿区，实际上是一条呈北西方向展布的、规模宏大的海山链。该海山链包含十多座海山，每座海山均属平顶山类型。几乎每座海山都具有从山顶往下，由平坦→陡峭→缓坡变化的规律。即山顶平坦，海山上、中部山坡陡峭，海山中、下部山坡变缓。依据海山形态和其坡度的变化特点，每座海山可划分出台地、陡坡带和缓坡带等三个地貌单元。根据区域地层和海洋磁异常条带(M25-M38)展布特征综合分析，推断麦哲伦海山链所在的位置，原来是一条规模宏大的、走向北西的转换断层。该断层控制着麦哲伦海山链富钴结壳的成矿作用。

麦哲伦海山链富钴结壳成矿区域地质背景

本文根据我国调查成果和充分利用DSDP资料,通过综合研究分析认为:麦哲伦成矿区,实际上是一条呈北西方向展布的、规模宏大的海山链。该海山链包含十多座海山,每座海山均属平顶山类型。几乎每座海山都具有从山顶往下,由平坦→陡峭→缓坡变化的规律。即山顶平坦,海山上、中部山坡陡峭,海山中、下部山坡变缓。依据海山形态和其坡度的变化特点,每座海山可划分出台地、陡坡带和缓坡带等三个地貌单元,根据区域地层和海洋磁异常条带(M_(25)M_(38))展布特征综合分析,推断麦哲伦海山链所在的位置,原来是一条规模宏大的、走向北西的转换断层。该断层控制着麦哲伦海山链富钴结壳的成矿作用。