九州海脊锰结核元素地球化学特征及环境影响评价探讨

本文通过总结九州海脊锰结核样品形态结构、显微构造、矿物组成和的常量、微量和稀土元素特征,探讨锰结核样品的成因类型、生长速率、壳体微层中的金属元素变化原因和生长机制。九州海脊锰结核是水成型成因锰结核,通过样品中Ce正异常的程度可以判断出结核形成过程中氧化还原环境的变化,可以得知九州海脊锰结核形成的生长环境氧化性强,研究区域锰结核的元素地球化学特征、生长环境和生长机制总体一致,对形成系统的锰结核生长机制理论有支持作用。结合锰结核生长机制有助于进一步分析锰结核开采过程中的环境影响,丰富采矿规章体系。对西太平洋九州海脊锰结核开展元素地球化学特征研究,有助于积极推进深海矿产开采环境影响评价工作。

九州-帕劳海脊南段及邻近海域表层沉积物元素地球化学特征及其地质意义

菲律宾海地理位置特殊,蕴含着丰富的前沿地球科学问题,是研究地球多圈层相互作用的天然实验室。近年来,菲律宾海中部九州-帕劳海脊南段已成为研究热点,但对其表层沉积物物质来源和沉积环境了解尚存在不足。本文通过对采集于九州-帕劳海脊南段水深为3 900~6 100 m的69个站位样品开展沉积地球化学研究,旨在判别沉积物的物质来源和沉积环境空间变化特征。结果表明:研究区底质类型为远洋黏土和硅质软泥,不同类型沉积物的碎屑组分化学风化程度均较低,受分选和再循环的影响较小,是亚洲风尘物质和岛弧火山物质的混合产物,且以亚洲风尘物质为主;研究区不同类型站位的沉积环境基本一致,整体处于氧化沉积环境,底层水体氧化还原条件不是研究区沉积物中过渡金属(如Mo)元素富集的控制因素,铁锰(氢)氧化物是连接水体-沉积物中过渡金属元素源-汇过程的重要纽带。此外,底部氧化还原条件可能不是该海域硅藻席沉积保存的必要条件。

抛物型对称海脊引导波完整解析理论

越洋海啸能够被大洋海脊引导并沿海脊传播至远场地区,虽然传播速度较慢,但携带较大的能量,会对远场地区造成灾害影响,相关研究对于提高海啸传播特性本质的认识具有重要意义。本文基于线性长波方程,推导出了抛物型对称海脊引导波完整解析理论。研究表明对称型海脊同时存在对称与反对称引导波,其自由水面波动可以表示为虚宗量Bessel函数形式。利用海脊中心对称条件给出了描述其频率与波数的频散关系。基于所提理论进一步分析讨论了引导波的运动特性,包括频散关系、波速度、能量传播速度与波面空间分布等。本研究为揭示地形坡度由脊顶至两侧逐渐增加的海脊引导波运动特征,预测实际越洋海啸中最具威胁性海啸波的到达时间提供了理论依据。

九州-帕劳海脊南段铁锰结壳物质组成特征及成因机制

铁锰结壳(又称富钴结壳、多金属结壳)富含Co、Cu、Mn、Ni、Ti、V、REE、Y和Zn等人类日常生活和高新技术产业亟需的关键金属,是一种重要的战略性矿产资源。本文对九州-帕劳海脊南段水深1 900~2 600 m处获得的9个站位铁锰结壳样品进行了矿物学和地球化学研究,分析了铁锰结壳的矿物组成、主微量元素和稀土元素含量,并进一步探讨了铁锰结壳的成因类型。结果表明,研究区铁锰结壳的矿物组成以水羟锰矿为主,同时含有大量非晶态铁氧/氢氧化物;Mn、Fe、Co、Ni、Cu平均含量分别为16.15%、15.38%、0.32%、0.33%、0.10%;CaO/P_(2)O_(5)均值为5.93,表明九州-帕劳海脊南段铁锰结壳样品均未发生磷酸盐化作用;铁锰结壳明显富集稀土元素(含Y,REYs),平均含量为1 194μg/g,轻稀土显著富集,稀土元素经后太古代澳大利亚页岩(PAAS)标准化后配分模式整体相对平坦,呈现Ce正异常而Eu无异常,与海水呈现镜像关系,说明铁锰结壳稀土元素主要来源于海水。铁锰结壳的矿物组成和元素判别图均表明九州-帕劳海脊南段铁锰结壳属于水成型,未受明显的成岩作用影响。

九州-帕劳海脊13°20′N海山铁锰结壳生长过程中Si、Al、Ca的含量变化及对碎屑物质供给的指示

作为深海铁锰结壳的重要组成部分,碎屑物质类型多样,不仅影响关键金属富集成矿,而且还可以指示结壳形成过程中的古海洋环境和重大地质历史事件。本文对九州-帕劳海脊13°20′N海山铁锰结壳样品进行了扫描电镜和激光剥蚀微区分析,并结合前期研究工作,发现大颗粒的碎屑物质主要由亚洲大陆风尘来源的石英、长石或两者的聚集体,以及主要分布在结壳外层的有孔虫壳体所组成,而细颗粒的碎屑物质包括陆源风尘沉降和周边岛弧物质风化搬运共同带入的黏土矿物,以及各种形态的生物体及其残片。结壳形成的早期其碎屑物质的供给量处于高峰阶段,晚期则降低到谷底,该趋势与Si、Al在结壳各层位中的含量分布特征一致,且可能有相当数量的细颗粒生物硅进入了铁锰氧化物纹层。结壳内早期被动增生的钙质生物体在中后期会遭受破碎和溶解,但其中的Ca并没有完全从结壳内迁移出去,而是大量被铁锰氧化物所吸附。结壳中的Ca主要赋存在细颗粒碎屑物质中,使得Ca在各层位全样样品和铁锰氧化物微区纹层中的含量极为相近,这与Si、Al的特征完全不同。研究区结壳样品属于典型开阔大洋海山型结壳,但因为受亚洲大陆风尘物质和硅藻供给的影响,其内部关键金属的富集在一定程度上受到了制约。

恒春海脊附近第二模态内孤立波的特征研究

以往通过地震海洋学方法发现的大多是第一模态内孤立波,本文在中国台湾岛以南恒春海脊处捕捉到了两个大振幅凸型第二模态内孤立波.利用叠前偏移剖面得到内孤立波的视相速度约为0.7 m·s^(-1),其视传播方向沿地震测线从S到N,总体上满足较大最大振幅的波视相速度也较大的规律.地震海洋学剖面得到的振幅曲线观测值和理论方程计算出的第二模态内波振幅垂向变化理论值之间具有较好的一致性.通过叠前偏移剖面观察该内孤立波细结构的变化,发现在采集过程中,出现反射同相轴后翼变陡、分叉、合并的现象.由于密跃层中心偏离水层中心以及背景剪切流的影响,两个内孤立波尾部发育了高频内波,使得能量耗散增强.此外,第二模态内孤立波的生成和传播特征受到水体层结、黑潮、背景剪切流以及海底地形等多个因素的影响.

单一海脊地形对海洋内波生成与传播影响的分析

在海洋内波多发区,海底地形变化是影响海洋内波生成、传播和演化的重要因素。本文基于不可压缩原始N-S方程,在非静压近似条件下,通过建立适应于非线性海洋内波研究的非静压海洋动力学模型,并将其应用于正压潮驱动下的内孤立波生成和传播的数值模拟研究。根据模拟结果,研究了一类单海脊地形拓扑结构变化对内孤立波生成和传播的影响;分析并讨论了地形拓扑结构参数变化与生成的内孤立波传播至特定位置的抵达时间、强度等特征参数之间的变化关系;提出内孤立波生成之前在海脊一侧形成"L-下陷"结构的观点,并揭示了与该观点相合的能量"积聚"和"释放"机制。

九州帕劳海脊地壳结构及其形成演化的研究综述

九州-帕劳海脊(KPR)位于菲律宾海中央,近南北走向。形成于太平洋板块向西的俯冲,裂离于帕里西维拉海盆和四国盆地的弧后扩张,是老的伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧(IBM)的残留弧。裂离期间同时受到垂向旋转应力和水平挤压力的共同作用,这是形成九州-帕劳海脊现今狭长的几何形态的主要原因之一。九州-帕劳海脊南北部地壳结构可总结为P波波速为7.1～7.3km/s下地壳;P波波速为6.1～6.3km/s的中地壳;P波波速为4.5～5.5km/s上地壳。九州-帕劳海脊北段,30°N以北区和25°N以南区的地壳厚度普遍在10～15km,25°～30°N之间的地壳厚度普遍大于15km。九州-帕劳海脊的中段的地壳厚度变化较大,而且未识别出中地壳的存在,为不成熟的岛弧地壳。海脊南段与北段相似,具三层的地壳结构,但地壳厚度小于北侧,基本上大于10km。整个九州-帕劳海脊处的地壳厚度普遍厚于两侧海盆的地壳厚度。

双曲余弦海脊上海啸俘获波的解析与数值研究

海啸能被大洋海脊引导以俘获波的形式沿其传播上万千米,且因其特殊的运动方式,携带巨大能量影响远场地区的港口,严重威胁海岸安全。本文首先基于线性浅水方程,推导了双曲余弦平方海脊上俘获波的波面解,其为μ阶ν次的连带勒让德函数的第一类解和第二类解的组合。进一步推导出其对应的频散关系,其中对于确定的频率ω,存在无穷多个波数ky与之对应。采用MIKE21-BW模型,模拟了产生于海脊脊顶处的海啸在理想双曲余弦平方海脊上的传播变形过程。结果表明,小部分能量以自由先驱波进行传播,海啸波的波能大部分被海脊俘获。海脊俘获波沿着海脊方向为行进波,随着海啸波传播时间的增加,波浪在沿着海脊方向的延展范围也逐渐增大,波高逐渐减小、波的个数逐渐增加。俘获波能量主要由不同频率以相同速度传播的具有孤立波特性的波浪成分和能量主要集中在特定频率范围内的波浪成分组成。

东北印度洋85°E海脊的性质和起源:综述和新认识

85°E海脊是东北印度洋一条重要的线性基底隆起,形成于中生代印度板块北漂过程中的构造和岩浆活动.海脊的结构、性质和起源蕴含了东印度洋扩张和印度板块北漂过程的关键信息,然而目前对其构造属性和形成演化的认识存在较大争议.分析了85°E海脊及邻区的重磁异常特征,结合前人对海脊外部形貌、内部结构、深部构造以及东印度洋板块重建的研究成果,探讨了海脊的性质和起源.结果表明,85°E海脊的形成是热点活动、洋脊扩张、转换断层、扩张中心跃迁以及板块汇聚远程效应等多种地质过程综合作用的结果.海脊呈现明显的构造分段性,不同分段的结构、性质和成因机制不同.12°N以北的海脊形成于板内热点型岩浆作用;2°~12°N的海脊与NW-SE向和N-S向两期海底扩张的边界高度吻合,是白垩纪东印度洋扩张中心调整和板块重组的产物;2°N以南的阿法纳西-尼基廷海山是随着海底扩张逐渐侵位的热点型海脊,可能与2°N以北的海脊不存在成因上的关联.分析认为,2°~12°N的海脊中段是未来部署地球物理测量、进一步确认海脊性质和成因的关键区域.通过深海钻探揭示海脊不同分段的物质组成和形成时代,是破解85°E海脊的性质和起源、白垩纪印度洋板块重建事件以及热点-洋中脊相互作用机制等重大地质问题的关键途径.

南海东北部陆坡与恒春海脊天然气水合物分布的地震反射特征对比

对“探宝号”调查船2001年8月在南海东北部陆坡及台湾南部恒春海脊海域采集的多道地震剖面资料进行了地震反射波数据分析、解释和研究,并对南海北部陆坡、陆隆及其东侧俯冲带等区域天然气水合物矿藏的成藏规律及分布特征作了初步的分析与探讨,结果表明:(1)南海东北部陆坡和台湾南部恒春海脊海域地震剖面上均显示有BSR,但两区域构造成因、形式和相关地质环境的不同造成了天然气水合物的成因及过程不同。(2)南海东北部陆坡区域的天然气水合物形成与该区广泛发育的断裂带、滑塌构造体及其所形成的压力场屏蔽环境有关,而台湾南部恒春海脊海域天然气水合物的形成则与马尼拉海沟俯冲带相关的逆冲推覆构造、增生楔及其所对应的海底流体疏导体系有关。(3)南海陆缘区域广泛发育有各种断裂带、滑塌构造体、泥底辟、俯冲带、增生楔等,且温压环境合适,是天然气水合物矿藏极有可能广泛分布的区域。

台湾南部恒春海脊地质地球物理特征及其大地构造属性

恒春海脊的地质、地球物理特征与其相邻的南海海盆、吕宋火山弧和北吕宋海槽等地质构造单元所反映的特征明显不同 ,主要表现为低密度、弱磁性。推测其地壳性质为陆壳 ,是恒春半岛的南延部分。海脊西侧缓坡为陆缘增生楔 ,可见刺穿现象 ,这些刺穿构造是由逆冲挤压引起的泥底辟。海脊东部受弧陆碰撞的影响而急剧抬升。

伊豆海脊两侧顺时针流涡的若干观测证据

本文对方国洪等（１９９５）有关“西北太平洋环流三维结构的计算结果中显示出当黑潮越过伊豆海脊时，由于海脊的阻塞作用，在伊豆海省两侧出现两个顺时针流涡”的论术，提出若干观测和文献的证据，证实这两个流涡是存在的；还对这些流涡的机理作了初步的分析。

九州-帕劳海脊南段共生多金属结核与富钴结壳地球化学特征及其资源意义

深海多金属结核与富钴结壳富含Mn、Co、Ni、Cu及稀土等元素,极具资源潜力,因而广受关注。选择采集自九州-帕劳海脊南段水深约3000 m的6个多金属结核和2个富钴结壳样品进行地球化学特征研究。结果显示本区样品Mn/Fe比值为0.88~1.07,Co及稀土元素含量高,与库克群岛多金属结核元素特征相似,表现出典型的水成成因特征。与其他地区水成结核、结壳相比,样品具有较高的Ca含量,可能和其所在位置海脊部位水深较浅、位于碳酸盐补偿深度(CCD)以上有关。样品表现出Y负异常、Nd含量高等水成结核的特点,但微弱的Ce正异常特征与其他地区水成多金属结核/壳的强烈Ce正异常特征不同,这表明其生长于弱氧化环境。本区结核分布在CCD以上,最小溶氧层(OMZ)以下,是一种水成成因、贫氧生长的新型多金属结核,其物质来源、成矿模式将为揭示多金属结核的形成分布规律提供一条全新的认识途径。同时研究区结核、结壳Co及稀土元素含量较高,且分布位置较浅,易于开采,具有一定的资源潜力。

九州-帕劳海脊南部13°20′N海山铁锰结壳关键金属富集规律及制约因素

铁锰结壳富集Co、Cu、Mn、Ni、Ti、V、REE、Y和Zn等关键金属,研究其富集于结壳的规律以及相关地质环境制约因素对于未来开发利用这些海底金属资源十分重要。本文对九州-帕劳海脊南部13°20′N新发现的铁锰结壳样品进行了矿物学、元素地球化学和电子探针微区分析,发现其成分较为均一,未遭受明显的磷酸盐化作用,属于单层型水生成因结壳。Co、Ni等高含量关键金属主要富集在水羟锰矿内,其中主要以晶格态形式存在的Co所经历的表面氧化还原反应是其累积富集的关键;而Ni除了与Co一样通过置换Mn或占据晶格空位而呈现富集特征外,还大量以吸附态形式存在。Ti、V和REY等通过表面络合、晶格进入以及共沉淀作用富集在以六方纤铁矿为主的铁羟基氧化物组分内。Cu、Zn的晶格进入能力不足,加之海水Cu含量偏低,Zn的弱吸附作用共同导致它们以相对低含量形式分散分布。基于Co经验公式揭示结壳的形成起始于晚中新世,未出现明显生长间断,但持续生长时间不足导致结壳的关键金属累积富集程度低于全球主要结壳成矿区。不过,研究区理想的水深条件、较低的沉积速率、稳定的构造环境、合适的最小含氧带水深分布和远离非成矿物质的大规模稀释影响,都是本区结壳未来持续性增生和进一步富集关键金属的有利条件。

九州-帕劳海脊中段及两侧盆地构造沉积特征及俯冲起始:多道反射地震综合研究

九州-帕劳海脊及两侧的盆地是研究边缘海形成演化和板块俯冲起始机制的理想区域。利用最新采集的深反射地震数据并结合钻孔数据,研究了九州-帕劳海脊及其东西两侧盆地的构造沉积特征及地壳结构,探讨了西菲律宾海的起源及沿古伊豆-博宁-马里亚纳弧的俯冲起始机制。地震剖面和钻孔岩心揭示西菲律宾海盆发育上、下两套不同来源的沉积物盖层,其中下部地层厚度差别大,多为火山物质,来源于九州-帕劳海脊的岛弧火山作用,表现为向海脊方向的持续增厚,靠近海脊的山脚下发育火山碎屑岩裙;上部地层厚度较为稳定,为一套大洋的深水细粒沉积物。西菲律宾海盆和帕里西维拉海盆的地壳厚度约为6~8 km,接近全球平均洋壳厚度;西菲律宾海盆的莫霍面呈宽缓的褶皱状,与沉积物之下的洋壳基底基本同步起伏。西菲律宾海盆在中生代可能位于南半球澳大利亚的北缘,是在陆缘弧(包含部分大陆碎片)的基础上,因古近纪弧间伸展和海底扩张而逐步发展起来的。西菲律宾海盆的地震剖面和钻井均揭示了始新世时期的构造挤压事件,沿古伊豆-博宁-马里亚纳弧的俯冲起始可能是印亚碰撞的远场效应引起的诱导俯冲,俯冲过程伴随着侧向传播和持续的挤压应力场,直到约30 Ma开始岛弧裂离。该研究对揭示东南亚板块构造演化过程和板块俯冲起始机制具有一定的理论意义。

上新世以来伊豆-小笠原海脊黏土矿物的来源与古气候意义

对伊豆小笠原海脊(ODP 782A孔)上新世以来沉积物中黏土矿物的组成、含量及矿物学特征进行了分析,结果表明:黏土矿物以伊利石(42%)和蒙皂石(42%)为主,绿泥石的平均含量为14%,高岭石的含量最低,平均仅为2%。伊利石的结晶度较好,平均为0.25°Δ2θ;化学指数较低,平均为0.31;表明伊利石主要形成于干冷的气候环境。通过将ODP 782A孔黏土矿物组合特征和含量与周边可能源区对比,并结合伊利石和蒙皂石的矿物学参数特征,我们认为蒙皂石主要来源于伊豆小笠原海脊周边岛弧火山物质;伊利石、绿泥石和高岭石主要来自亚洲大陆风尘。上新世以来(伊利石+绿泥石)/蒙皂石比值总体上呈增加的趋势,并且在5.3~3.6、3.6~1.6、1.6~0 Ma的三个阶段表现出不同的变化特征,该比值与全球深海δ^(18)O值所记录的全球变冷、北太平洋ODP 885/886孔风尘通量和灵台黄土沉积速率,以及日本海U1430站伊利石/蒙皂石比值所指示的亚洲内陆干旱变化的总体变化趋势和阶段性变化的时间点大致同步,表明该比值敏感地响应了全球变冷和亚洲内陆的干旱。上新世以来(伊利石+绿泥石)/高岭石比值表现为高/低交替变化,分别与中国灵台黄土磁化率高/低变化相对应,由于黄土磁化率记录了亚洲内陆干/湿变化,因此该黏土矿物比值敏感地响应了亚洲内陆的古气候变化,因而可以作为可靠的亚洲大陆干/湿变化示踪指标。

扬马延海脊构造-沉积演化及油气潜力

扬马延海脊位于北大西洋的北极圈附近,东格陵兰板块和挪威板块之间,冰岛东北方向。北极地区地域辽阔,油气资源丰富,但是恶劣的环境一直制约油气的勘探进展。在扬马延海脊的沉积演化过程中,扬马延海脊在第三纪前有着和东格陵兰陆架、挪威陆架相似的沉积序列,其构造演化经历了二叠纪陆内裂谷、三叠纪—侏罗纪同裂谷和微陆块漂移、白垩纪至今热沉降和被动陆缘等3个阶段。结合前人研究成果,对搜集的东格陵兰陆架、挪威陆架的油气地质资料分析,认为扬马延海脊可划分为扬马延盆地、扬马延西部构造带、扬马延中部凸起带、扬马延海槽、扬马延东部斜坡、扬马延南部复杂构造带6个构造单元,在其上发育着2套油气系统。同时扬马延海脊发育有伸展构造圈闭、地垒断块圈闭、构造圈闭和地层圈闭,这些圈闭为油气的赋存提供了良好的环境,也有利于划分有利油气勘探区带。研究结果可为进一步分析扬马延海脊构造特征等方面提供基础信息,同时对我国参与研究开发北极油气资源具有重大意义。

九州-帕劳海脊两侧深海盆地浅部地层结构特征与分析

由于欧亚板块、澳大利亚板块与太平洋板块运动的作用,菲律宾海盆形成了全球最为复杂的海底地形地貌。以九州-帕劳海脊为界,西菲律宾海盆与帕里西维拉海盆呈现不同的构造走向与地形特征,海脊两侧发育丰富的深海地质现象与地貌特征。参量阵浅地层剖面仪因其差频窄波束的发射特点,能够获得深海海底浅地层的高分辨率剖面。本文利用参量阵浅地层剖面仪在九州-帕劳海脊获取的高分辨率浅地层剖面,分析了横跨海脊东西走向的海底滑坡发育特点、丘状起伏沉积差异、浅层气以及海底流体运移等地质特征,并结合构造与地形地貌特点对上述特征的成因机制进行了探讨,在垂向小时间尺度上完成了对研究区浅部地层结构的特征研究,为该区域的沉积学和地质学研究提供了思路。