麦哲伦海山区富钴结壳成矿条件分析
梁劲 沙志彬 陈弘
（广州海洋地质调查局，广州，510760）
本文研究得到国家重点基础研究发展项目（编号：G2000046705-01）资助。
第一作者简介：梁劲，男，1971年出生，物探工程师，1995年毕业于成都理工学院信息工程与地球物理系，大学本科，曾经从事大洋多金属结核和结壳的勘探工作，现主要从事天然气水合物调查研究工作。
摘要 西太平洋由于大规模火山活动存在，深层熔岩上涌，为结壳的形成提供了丰富的物质来源。根据磁测资料，对区内MF海山磁异常特征，采用似二度体磁力剖面异常特征计算公式，用正演拟合方法来反演地下地质体产状、形态大小、基底起伏和磁性体物性参数，从而得出磁源体特征。研究海山性质及邻域洋底的地质构造特征，特别是断裂构造及其分布、岩浆活动规律以及岩石物性等有关的海山结壳的地质构造背景及其演化，为探讨地质构造对结壳的生长的控制作用提供依据，并为评价富钴结壳资源提供基础资料。
关键词 西太平洋 磁异常 断裂构造 正演拟合 火山活动
1 前言
富钴结壳是海底重要的固体矿产资源之一。20世纪80年代以来，先进工业国对大洋底、特别是对中太平洋海山和西太平洋麦哲伦海山区以及约翰斯顿岛专属经济区进行了大量的调查工作。“九五”期间，我国开始有计划地开展侦察性的调查。国土资源部“海洋四号”船DY95-7、DY95-9航次在麦哲伦海山区对MA、MC、MD、ME、MF五座海山完成了5826.5km的磁力测量。磁测数据作了磁力电缆长度校正和船磁方向校正，并以国际地磁参考场（IGRF）进行正常场校正，资料真实可靠。
测区位于西太平洋的麦哲伦海山区，由五座海山组成，面积约60000km2，为国际公海区，是世界大洋中最大的海山群之一，西南距关岛约400nmile，东南距马绍尔共和国首都马朱罗约1000nmile。区内水深1200～5500m。该区水下海山链呈NW-SE向展布，多为平顶山，山顶水深1200～1500m，山坡较陡，坡上有丰富的富钴结壳。海山链是形成于侏罗－早白垩世洋底基底之上的火山构造隆起，区内磁条带的展布和地层分布特征表明，海山链的形成与北西走向的转换断层密切相关。海山均是构造因素控制下，沿断裂带火山喷发/喷溢作用的火山成因，海山在形成过程中受到北东向次级断裂控制，单座海山呈北东向展布。海山基座的主体岩石由中侏罗世洋中脊拉斑玄武岩、早白垩世板内碱性与拉斑玄武岩和洋岛枕状玄武岩组成，喷发年龄为100～200Ma。山顶主要沉积物为钙质软泥（有孔虫碎屑）、火山碎屑岩、碳酸盐壳（主要是鲕状灰岩）及粘土等组成（何高文等，2001）。根据有关资料（Nakan-ishi和Winterer,1998），测区西面的中生代磁异常条带近NE-SW走向，磁异常条带年龄往SE方向变老，从最新的M25（147Ma）到最老的M32（未确定年龄），经历了多次地磁极性倒转（图1）。
图1 测区附近海域中生代磁异常条带分布图（据Nakanishi和Winterer,1998，有修改）
Fig.1 Distribution of Mesozoic magnetic lineation in round the study sea area
2 磁异常特征
本区磁异常面貌比较简单，类型单一，且形态相似，各个海山大同小异。以MF海山为例，从平剖图（图2）看，测区磁异常呈有规律的条带状，且沿东西向平行排列、正负交替。异常变化梯度较缓，其形态较圆滑。有的磁异常振幅虽高达数百nT，但变化却不很剧烈，异常形态十分宽缓，剖面间可追踪对比。
图2 MF海山磁力异常（△T）平剖图
Fig.2 The MF seamount magnetic anomaly（△T）profile in plan
对比海底地形图（图3）和磁力（△T）异常平面等值线图（图4）可以看出，MF区内磁异常主要发育在内平顶山南北两侧的山坡上，以负值为主，在负值的背景下，局部负异常发育，仅中部即山顶上有两处异常值大于100nT的小正异常；平顶山南、北两侧边缘处形成两大伴生异常。
北伴生异常北正南负，负异常幅值比正异常幅值大，负异常中心较两翼平缓，异常中心极值超过－850nT。南、北两翼陡峭，北翼较南翼陡（平均梯度值达120nT/km），梯度方向向北，其北侧伴有一异常值大于400nT的正异常；南翼较缓（平均梯度值约90nT/km），梯度方向基本向南。
南伴生异常南正北负，负异常亦具有中心较缓，南、北两翼陡峭的特征，且异常幅值比正异常幅值大。异常中心极值超过－850nT；南北两翼梯度值相近，（平均梯度值约为90nT/km），梯度方向近南北向，其南侧伴有异常值大于300nT的正异常。
3 磁异常解释3.1断裂与岩浆活动
断裂是火山岩岩浆活动的通道，海山本身就是火山岩浆沿断裂发生喷溢活动的产物，而磁异常则是岩浆作用的地球物理表征，它是岩浆喷溢后所形成的岩石物性的客观反映。因此，通过地磁异常分析可获知岩浆活动的某些特征与规律，以及岩石的物性差异等（米纳德，1978）。
图3 MF海山地形图
Fig.3 The map of the topographical from of the MF seamount
根据磁异常的异常阶梯带、线性异常带、串珠状异常分布，以及异常被扭曲或断错等特征，可基本推断和确定断裂的分布状况（瓦奎尔，1984）。如图4所示，MF海山大的断裂有两条，属于次级断裂。F1断裂位于海山体北部的平顶山边缘，为EW向断裂；F2断裂位于海山体南部的平顶山边缘，为NE向断裂。断裂位置磁异常发生明显扭曲变化，两侧磁异常走向不同，异常面貌特征和异常振幅等存在一定的差异。
对比海底地形图（图3）和MF海山△T磁异常平剖图（图2）可以看出，MF海山为大型平顶山，山顶平台面积庞大，地形平坦开阔，有一大一小两个山顶平台，而海山的山坡地形陡峭。与之相应的磁异常变化单调，形态圆滑，少有局部发育，表明山顶平台为单火山口中央喷溢式形成。控制MF海山两大伴生负异常的磁源体，根据相似的地磁异常形态特征，相近的异常形态幅值，但其磁化方向几乎相反，可认为它们来源于相同的物源，并可能形成于不同时期的分别沿F1和F2断裂的火山喷溢活动。根据海山地形形态和磁异常特征分析，喷溢时熔岩向低洼处流溢。它们形成后经后期构造运动逐渐下沉、沉降过程中，其顶面逐渐被海水侵削而成为平顶山。
图4 MF海山磁力（△T）异常等值线图
Fig.4 Contour magnetic anomaly（△T）of the MF seamount
3.2 正演拟合
从实用的角度出发，正演拟合计算采用似二度体剖面磁力异常计算公式。地科院矿床所研制了一套进行磁力异常剖面解释研究工作的应用软件系统。其主要原理是用计算机模型来模拟地下地质条件，用模型引起的理论异常与实测异常相比较，通过逐步修改模型的形状和物性参数，使理论异常与实测异常相吻合来反演地下地质体的形状或物性参数的目的。可依据一定已知资料反演地下地质体的产状、形态大小、基底起伏和磁性体物性参数。该系统对二度体和似二度体剖面磁力异常的地质解释十分有效，对三度体磁力异常的地质解释亦有一定的参考价值。
伴生异常一般在中纬度地区地下磁性体在斜磁化的条件下产生，并且在北半球具有南正北负的特征，测区位于北纬17°～19°，属中、低纬度区，磁异常背景为负值，与正异常伴生的负异常幅值大，且磁异常分布特征与海山有一定的对应关系。该地区在正常磁化（地磁倾角约15°～20°）条件下，根据磁场公式，沿走向有限或无限延深的单个规则板状体所引起的异常形态，应表现为两正峰夹一负峰，负峰幅度比正峰幅度大，南正峰幅度比北正峰幅度大（罗孝宽等，1991）（图5）。下面根据此特征，通过实测剖面的模拟计算对磁异常进行解释。
图5 沿走向有限延深厚板状体磁异常特征示意图
Fig.5 A sketch showing of magnetic anomaly character thick-platy body along the trend and limited extend
图6是正南北向切割MF平顶山的一个剖面。该地区正常磁化的地磁倾角约15°，异常形态特征表现为两正异常夹一负异常，负峰幅度比正峰幅度大，南正峰幅度比北正峰幅度大。实测异常曲线中，可分为f1和f2两个异常段，f1段表现为两正异常夹一负异常，负峰幅度比正峰幅度大。北段正异常比南段正异常幅值大，但受测线范围限制，形态不完整，负异常对应平顶山北侧边缘；南伴生正异常与f1段有重叠。f2段形态与f1段相类似，但磁化方向相反，北正异常与f1段部分重叠，南正异常比北正异常幅值大，受测线范围限制形态不完整，负异常对应平顶山南侧边缘。
根据上述分析，可知该剖面异常曲线基本上表现为该地区正常磁化异常的形态特征，根据此特征模拟出磁源体的分布状况（图6），磁异常为两大磁源体所引起，其埋深约2km，为火山喷发的玄武岩。其中f1段磁源体有效磁倾角I为285°，有效磁化强度J为10A/m;f2段磁源体有效磁倾角I为16°，有效磁化强度J为12A/m，为正常磁化。根据磁条带年龄分析，MF海山形成于侏罗纪，海山南北两侧岩石磁性有差异，但差异不大，而有效磁倾角几乎相反，表明南北磁源体在磁场中磁化方向不一致，形成时间也不一样，即发生了一次地磁极性倒转。据此推测南北两大磁源体是不同时期、不同位置的火山沿F1和F2断裂喷发所形成。
4 结论
研究海山基底及邻域洋底的地质构造特征，特别是断裂构造及其分布、岩浆活动规律以及岩石物性等有关的海山结壳的地质构造背景及其演化，为探讨地质构造对结壳生长的控制作用提供依据。
图6 MF-09线磁力异常正演拟合剖面图
Fig.6 Line MF-09 magnetic anomaly interpreted section
通过对调查区磁异常特征进行讨论、计算、解释，可以得出如下结论：MF磁源体形成于侏罗纪，为火山喷发的玄武岩所构成，断裂是火山岩岩浆活动的通道，平顶山是火山岩浆沿断裂发生喷溢活动的产物，磁性基底埋深约2km。f2段岩石磁化方向与该地区现在的地磁倾角较一致，而f1段岩石磁化方向与该地区现在的地磁倾角几乎相反，显然是受地磁极性倒转的影响；磁化强度相互之间有较小的差异，可能是由于该地区火山活动频繁，为不同时期、不同位置、不同类型的火山多次喷发所致。由于大规模火山活动存在，深层熔岩上涌，为结壳的形成提供了丰富的物质来源。调查区拖网资料显示，不同海山样品中的Mn、Cu、Co、Ni含量有较大的差别（朱克超等，1999），这可能与海山体地磁异常所反映的地质构造特征的差异和构造环境的不同，以及与可能的地质发育史和年龄的差异有关。由此可见，地质构造对多金属结壳的生长是具有明显的控制作用的。
从地磁学方面来说，结合海山磁异常特征来研究海山深部构造及火山活动对富钴结壳成矿的影响，特别是结壳基岩层的地质构造及其背景和演化过程对富钴结壳的分布与生长的控制作用，为探讨基岩与结壳分布、厚度、品位之间关系提供依据，从而为进一步地研究磁异常特征与富钴结壳的分布关系，并以此结合地形地貌等地质资料查明结壳分布的边界及矿块尺度，为评价富钴结壳资源提供基础资料。
参考文献
何高文，赵祖斌，朱克超等.2001.西太平洋富钴结壳资源.北京：地质出版社，3～35
罗孝宽，郭绍雍主编.1991.应用地球物理教程——重力磁法.北京：地质出版社，230～248
朱克超，李扬，赵祖斌.1999.麦哲伦海山区MA、MC海山玄武岩基岩的岩石学特征.海洋地质与第四纪地质（4）.北京：科学出版社，11～19
H.W.米纳德著，郝颐寿，谷磊昭译.1978.太平洋海洋地质.北京：科学出版社，211
Nakanishi and Winterer.1998.Journal of Geophysical.103（B6）:12453～12454
V.瓦奎尔著.于联生，杜曾荫，吴铭先译.1984.海底地磁学.北京：科学出版社，132
The Magnetism Anomaly and Its Geological Significance of Mf Seamount in West Pacific
Liang Jin Sha Zhibin Chen Hong
（Guangzhou Marine Geology Survey,Guangzhou,510760）
Abstract:There largely developed volcano erupting and effusing of the lava from the deep stratum in West Pacific,which provided plentiful sources for the crusts coming into being。Based on the magnetic anomaly of the MF in the study area,we adopted the magnetic anomaly formula in similar two-dimension and then inversively simulated the occurrence,dimension of the geological body,The configuration of its basement and its physical parameter etc.by the forward modeling method.The characteristic of the magnetism sources was drawn.The research on the geological structure of quality of the seamount and adjoining seafloor,especially on its geological background and the evolution such as the distribution of the stuctrual fault,the rule of the mag-ma activity and rock property etc,which is related to the formation of the crusts,provided groundwork not only for the understanding of geological structure effecting on the srusts formation,but also for the assessment of the Co-rich crusts scull resources.
Key Words:West Pacific magnetic anomaly Fault structure Forward modeling Volcanic activity
2001年国土资源部科技发展报告
近20年来，地球科学的许多新概念、新理论、新方法和高新技术在矿产资源评价与勘查中的广泛应用，大大提高了成矿理论和找矿预测的研究水平。传统的矿床模式研究已扩展到成矿系列、成矿谱系的研究，加深了对矿床时空演化的认识，建立了新的成矿预测理论体系。以高新技术为先导，通过多学科、多方法联合攻关，探索区域成矿规律，在西部地区建立了综合找矿的示范点。在非传统矿床勘查方面.在中国南海西沙海槽区天然气水合物前期调查过程中，发现了该区天然气水合物存在的地震证据。此外，还在西太平洋富锰结壳、盐湖资源等非传统矿产调查与评价方面，取得了重大突破。
（一）成矿理论与成矿预测
阿尔泰成矿省主要矿床的成矿谱系
矿床成矿模式、成矿系列及成矿谱系
矿床成矿系列是我国矿床学家独创的成矿预测理论之一，在全国矿产资源远景区划中得到了广泛的应用，取得了良好的找矿效果。近年来，成矿系列的概念不断地深化与发展，更强调成矿系列的自然属性、成矿系列的四维结构、成矿系列在地球演化历史中的地位和成矿系列实践意义。一个成矿系列类型中的不同系列既是时代产物，也是成矿构造环境分异的结果。由于不同的成矿构造环境都有其特定的地质演化历史，同时具有相应的成矿演化历史，因此可以把特定区域内成矿作用的演化历史与分布规律称为成矿谱系，从而使成矿系列的研究提高到一个新的层次。
新疆可可托海3号脉是世界上最著名的伟晶岩矿床之一，根据云母氩－氩法测年结果，确定成矿时代为燕山期，并获得了加里东期、印支期、海西期等不同时代成矿的新证据，建立了成矿系列和成矿谱系。
新疆可可托海3号脉（世界著名的伟晶岩矿床之一）
“三联式”定量成矿预测
“地质异常致矿及地质异常成矿预测”、“非传统矿产资源的发现与开发”、“成矿多样性与矿床谱系”三者联合在一起构成了一种现代成矿预测的新理论或新思路，即“三联式”定量成矿预测。“三联式”成矿预测更强调地质基础的重要性，并以识别、揭示和提取新型、隐式和深层次的成矿地质信息——各种类型和尺度的致矿地质异常为重点。“三联式”定量成矿预测强调对新类型矿产资源的预测和评价，将矿床放到预测地区的地质成矿时空及成因演化系统中去考察，通过揭示地区成矿多样性和建立矿床谱系来预测矿床。
“三联式”定量预测框图
阿尔金山阿克塔什塔格太古宙“米兰群”中侵入的基性岩墙群
中国北方元古宙沉积－构造环境及对大型、超大型矿床的制约
在阿尔金阿克塔什塔格花岗片麻岩中测得颗粒锆石的铀－铅年龄为（3605±43）Ma，获得该样品全岩的钕模式年龄略大于3500Ma，表明阿尔金可能存在始太古宙地壳。
在甘肃北山柳园西的古堡泉首次发现榴辉岩，获得了精确的新元古代早期的年代学信息。在柴达木盆地北缘南带识别出一条新元古代早期花岗片麻岩带，获得一批精度较高的同位素年龄数据，同时对赋存于花岗片麻岩中的榴辉岩进行了岩相学和年代学的初步研究。根据野外地质事实，对原古元古代“达肯大坂群”进行了厘定，初步廓清了柴达木盆地北缘新元古时期的构造轮廓，指出榴辉相变质作用的时间约为500Ma左右。
地球化学块体的概念与寻找大型超大型矿床的新理论、新方法和新战略
根据区域化探全国扫面计划的地球化学数据，编制了中国地球化学图集。结果发现，在一些超大型矿床或大型矿集区周围存在着巨大的地球化学异常。根据这一发现，提出了地球化学块体的概念，它们为大型超大型矿床的形成提供了必要的物质供应条件。利用地球化学块体的谱系树可以追溯大规模成矿作用，逐步浓集聚焦至大型超大型矿床所在地；利用超低密度采样方法获取不同级次的地球化学模式，进而发展了一整套“迅速掌握全局，逐步缩小靶区”的矿产勘查新战略。
地球化学块体的概念，也为全球地球化学填图提供了理论基础。在全球地球化学填图中，可以利用极低密度采样方法，并以泛滥平原沉积物作为采样介质，迅速获得全球地球化学图，了解全球矿产资源的分布和全球地球化学基准。
2001年国土资源部科技发展报告
重要类型银多金属矿床（体）快速定位预测综合示范
在地质构造演化和成矿规律研究基础上，详细厘定出三江地区5种主要类型银矿床或银多金属矿床。以呷村矿床、老厂矿床和夏塞矿床3种主要类型银多金属矿床为研究对象，从构造背景、成矿环境、找矿标志、地球物理、地球化学和遥感示矿信息等6大方面，建立了3个典型矿床的多元信息定位预测模型。首次在三江地区发现了红土型银锰矿床和浅成低温热液型银矿床，并初步评价两类矿床均达到大中型规模。对呷村式VHMS矿床，在有热沟、神山、东山脊均具有好的成矿显示。在老厂地区，已圈定出老厂式银多金属矿床Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级靶区4处，红土型银锰多金属矿床Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级靶区8处。
呷村矿床CSAMT视电阻率断面图
呷村VHMS矿床成矿地质模型
（二）非常规矿产资源调查与评价
西太平洋富钴结壳调查
在西太平洋地区，对富钴结壳矿床特征进行了研究，首次提出了富钴结壳资源评估参数的选择方法和计算方法，评估了麦哲伦海山区目标经济区及资源远景区富钴结壳的资源量。自主研制了海底资源勘查技术——海底彩色摄像系统，并成功地应用于中太平洋富钴结壳资源调查，获得该海域海底结壳分布图像。
西太平洋国际海域2000～3500米水深富钴结壳
盐湖资源调查与评价
扎布耶盐田一角
在西藏扎布耶湖外围发现了3个不同时代的岩石锂、硼、铯正异常，将成矿作用划分为成矿物质的释放－汇集期、成矿物质浓聚期、硼锂钾盐类高富集和沉积主成矿期：在调查的93个湖泊中，含锂硼（铯、钾、铷）普遍较高。据初步估算，在锂、硼、钾、铯、铷、溴六种元素中有1种或几种达到工业品位的盐湖32个，其中达到大型超大型矿床5个，中型矿床18个，从而进一步揭示了以昂拉陵环状构造为中心的锂、硼、钾巨大成矿域。根据该区盐湖资源特点，提出了从盐田工艺、擦洗富集、碳化法产生碳酸锂等整套盐湖提锂新理论。
2001年国土资源部科技发展报告
专栏6
大规模成矿作用与大型矿集区预测
本项目为国家重点基础研究发展规划项目，首席科学家由中国地质科学院矿产资源研究所毛景文研究员和中国科学院贵阳地球化学研究所胡瑞忠研究员担任。经过近两年的实施，发表科学论文230篇，其中SCI检索论文69篇，国内核心期刊论文91篇。取得了一系列重要研究成果。
1 在大规模成矿作用背景研究方面，确证中生代时期我国东部域华北发生岩石圈减薄、华南岩石圈开始四分五裂；西南域三江地区发生了短时间、高强度、多阶段成矿作用；西北域具有多种构造成矿环境复合叠置的特点；峨眉山玄武岩与地幔热柱有关。
中国东部大规模成矿作用模式示意图
2 从时空结构框架、成岩成矿时代和成矿物质组分入手，解剖了胶东、铜陵－宁芜和兰坪3个大型矿集区。
3 研究了不同类型花岗岩成矿系统、西南大面积低温成矿系统和深部流体的成矿系统，为地幔柱在大型矿集区形成过程中提供热源、提供物质及地幔流体参与成矿提供了强有力的证据。
4 在深穿透地球化学与隐伏大矿巨矿的识别方法和战略靶区圈定方面，发现了戈壁沙漠覆盖区的成矿信息及新的信息提取方法，并与国土资源大调查项目结合，在东天山地区用超低密度深穿透地球化学方法，制作了地球化学图，发现了多处异常。在铅同位素急变带与大型矿集区关系的研究方面，也取得了一定成果。
5 通过仪器引进和开发，改造了3个国家级同位素实验室，初步研制出一系列战略性新技术、新方法，如石英包裹体Rb-Sr法，锡石、白云石的U-Pb、Pb-Pb法，石榴子石等的Sm-Nd法，石榴子石的Lu-Hf法测年等。
6 收集全国已有的地球物理、地球化学调查资料，初步建立了数据库，圈定出地球化学块体，编制了1:500万矿床分布图和1:250万大型矿集区分布和预测图的框架。
专栏7
首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理
本项目为国家重点基础研究发展规划项目，首席科学家由国家地质实验测试中心黄怀曾研究员和中国气象科学研究院徐祥德研究员担任。经过近一年多的实施，取得了一系列重要成果。
1 在北京城近郊区建立了大气探测基地，运用现代科技手段（系留气艇、声雷达等），获取了大量的连续的风、温廓线及大气物质组分等方面的资料。利用这些资料，已开展了北京地区空气穹隆动力、热力、大气边界层结构与污染物扩散作用的研究。
2 在密云水库和官厅水库，利用风尘沙开展了水污染治理研究，经过数月现场实验，筛选和驯化出混合菌株：探讨了沙粒吸附和生物降解的动力学过程，研究了污染物去除速率与去除量之间的关系。使用该项技术处理了官厅水库污染水，使水库的Ⅳ—V类水达到I类水标准，微量有机污染物含量也大大降低。
密云水库采集柱状沉积物样品
3 首次对地下水有机污染物作了系统监测，三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯、六六六、DDT和苯并芘（α）检出率较高，并发现了一些超标点和高值点，局部地区具有面状分布特征。
4 对北京城近郊土壤分层取样，进行有机和无机污染物分析；结合大量室内试验，建立了污灌条件下重金属运移与累积动态过程数学模型。
5 研究了GIS与分形滤波相结合的空间内插原理与方法，并完成计算机程序设计与实验数据验算，试做了污染源贡献率估算。
6 通过筛选、驯化，培育出了极强富集镉能力的菌株，开发研制了治理含镉污水和处理镉电池的实用性技术；开展有土栽培和营养液栽培试验，探讨了试种植物对不同形态镉的吸收能力，以及根际土对镉行为的制约作用。寻找到了一种简单、可靠、实用、低能耗、低建设费用的污水处理技术。
王嘹亮 梁德华 钟和贤 王群 曾繁彩
摘要 麦哲伦海山区是西北太平洋内受北西向转换断层控制的板内海底火山链，其形成时代为中侏罗世—白垩纪。独特的构造背景和地理环境，造就麦哲伦海山区成为世界上最重要的富钴结壳分布区之一。海山上覆盖着火山岩和沉积岩两类结壳基岩，基岩的形成时代、类型、分布位置等，对结壳性质有重要影响。富钴结壳于晚白垩世晚期开始形成，始新世—中新世发育最为有利。自侏罗纪以来麦哲伦海山由南半球跨越赤道迁移到北半球。这一阶段南极冰盖的消融与生长和板块构造运动引起的海陆变迁，导致海山区最低含氧层深度和CCD面发生变化，结壳的生长出现间断，内部元素组分发生突变或渐变。麦哲伦海山上的结壳，一般呈现两个世代，新老壳层间在元素含量上有差异，老世代壳层中有6个元素成因组合，壳层巾有4个元素成因组合。
关键词 麦哲伦海山 富钴结壳 成矿条件
富钴结壳是重要的大洋矿产资源，许多国家都投巨资对其进行勘探和相应的研究工作。各国的科学家经过最近20年的工作，在结壳的分布特征、成因、主要元素组分及其含量、成矿时代等方面取得了重要成果。本文通过对深海钻探资料综合分析，基岩样品的岩石、矿物、年代及地球化学分析，结壳矿物、元素地球化学分析等多种方法手段，从成矿区域构造、海山成因、年代及地形地貌特征、古海洋学等方面探讨了麦哲伦海山区富钴结壳的成矿条件。
1 地质背景
麦哲伦海山链是形成于中侏罗世—白垩纪洋底基岩之上的火山构造隆起。区内磁条带的展布和地层分布特征表明，海山链的形成与北西走向的转换断层密切相关（图1）。海山均是构造因素控制下，沿断裂带火山喷发/喷溢作用的火山成因。海山在其形成过程，受到北东向次级断裂的控制，单座海山呈北东向展布。海山基座的主体岩石由中侏罗世洋中脊拉斑玄武岩，早白垩世板内碱性拉斑玄武岩和大洋岛枕状玄武岩组成。海山的主要沉积盖层由火山碎屑岩、碳酸盐岩（主要是鲕状灰岩）及粘土等组成。火山台地在早白垩世（阿尔布阶）形成之后，曾经历过环礁发育阶段。由于火山/区域构造作用，在中－晚阿尔布阶，有过3～4次升降旋回变化。
图1 麦哲伦海山链分布位置及区内磁条带展布图（据Atsushi Matsuoka,1992）
Fig.1 Location map of Magellan Seamounts chain and the distribution of magnetic lineation（Atsushi Matsuoka,1992）
2 富钴结壳结构构造特征
麦哲伦海山区的富钴结壳，由下而上由4个单元组成，分别为R、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ单元（图2）。具R单元的结壳形成开始于晚白垩世（Pulyaeva,1996）。R单元的特征为高密度（2.46g/cm3），低湿度（11%）以及矿物质呈块状构造，非矿物组分含量高。非矿物组分主要为碳酸盐—磷酸盐物质。I单元以物质的高度转化和磷酸盐组分饱和为特征，致密，厚度在2～8cm之间变化。矿物质具浅蓝至黑色的金属光泽，贝壳状断口，致密，密度2.17g/cm3，湿度22%。具层纹－柱状构造，构造单一，脉石矿物很少，致密纹层平直分布，纹层极薄，易剥离，脆性大。上部Ⅱ和Ⅲ单元受成岩作用影响较低，有用组分含量增高和磷酸盐含量降低。Ⅱ单元总体构造杂乱，具斑块构造、树枝状构造、指纹构造与放射状柱状构造等，厚2～6cm，夹杂少量的脉石矿物。该层的矿物质表现出高孔隙度、湿度为39%，密度为1.78g/cm3。矿物之间的空隙被粘土质充填，较少见由碳酸盐粘土质悬浮物充填。Ⅲ单元，厚1～4cm，与Ⅱ单元呈逐渐接触。块状矿物呈黑色，具树枝状构造、叠层－柱状构造等，湿度32%，密度1.90g/cm3。
图2 生物礁石灰岩基岩上的具4个单元结壳（据Pulyaeva,1996）
Fig.2 The cobalt-rich ferromanganese crust with 4 units which occurred on the reef carbonate rock（Pulvaeva,1996）
3 富钴结壳元素地球化学特征
根据结壳中产出的化石和各壳层的元素地球化学特征，将R单元和Ⅰ单元划归老世代结壳层，Ⅱ单元和Ⅲ单元划归年轻世代结壳层。麦哲伦海山区老世代富钴结壳层中.Cu、Ni、P2O5、CaCO3、La与Ce的平均质量分数明显高于年轻世代富钴结壳层的。Cu高54%,Ni高17%,P2O5高70%,CaCO3高58%,La高10%,Ce高20%。而Fe、Co及多数稀土元素平均质量分数明显低于年轻时代富钴结壳层的。Fe低11%,Co低10%，其他稀土元素低5%左右（表1）。老世代结壳层的稀土元素总量为1535.5μg/g、w（Ce）为724.2μg/g，均较年轻世代结壳层的高。稀土元素的北美页岩标准配分模式表现为明显的Ce异常，富轻稀土。
表1 麦哲伦海山区富钴结壳老世代层与年轻世代层化学成分对比表［wB/%,w（稀土）/（μg·g-1）]
据因子分析结果，老世代壳层中具6个元素成因组合：①水成元素（Mn、Co、Fe），②稀土元素（Ce除外），③磷灰石组分（CaCO3、P2O5），④生物成因元素（Zn、Cu），⑤热液成因元素（Pb），⑥碎屑成因组分（Mg）。年轻世代壳层中，只有4个元素成因组合：①水成元素（Mn、Co、Ni），②稀土元素（Ce除外），③磷灰石组分（CaCO3、P2O5），④生物成因元素（Zn、Cu）（图3，图4）。
图3 老世代结壳层化学成分因子载荷分布图
Fig.3 Plots of factor loadings of elemmental composition of the older crust generation
图4 年轻世代结壳层化学成分因子载荷分布图
Fig.4 Plots of factor loadings of elemental composition of the younger crust generation
4 富钴结壳与基岩的关系
4.1 基岩形成时代
最老的结壳基岩是玄武岩及玄武质角砾岩，它们的形成时代为中阿尔布期－晚白垩世中坎潘期（110～80Ma）。往上是直接覆于玄武岩岩基座上的生物礁灰岩、火山粗碎屑岩，其形成时代为晚白垩世（80～70Ma），是沉积岩类基岩中的最老的岩石类型。最往上是鲕粒灰岩，形成时代在白垩纪末—始新世。其他沉积岩类基岩的时间跨度大，从古新统到更新统的都有。它们主要为有孔虫灰岩，磷块岩及硅质岩等（图5）。
图5 麦哲伦海山富钴结壳基岩类型与产出时代
Fig.5 The substrate rock types and their ages of the cobalt-rich ferromanganese crusts in Magellan Seamounts
4.2 结壳化学成分与基岩的关系
按产自玄武岩类、磷酸盐岩和灰岩类、火山碎屑岩与角砾岩类、凝灰岩类和硅质岩与铁质岩类5类岩石上的结壳进行分类统计。各类基岩上结壳的化学成分平均值如表2。
从统计结果看，凝灰岩上的结壳Fe元素质量分数最高，其次为玄武岩基岩上的结壳。火山碎屑岩与角砾岩、磷酸盐岩和灰岩基岩上的结壳Fe元素质量分数较低，硅质岩与铁质岩上的最低。Mn元素质量分数以火山碎屑岩与角砾岩上的结壳最多，其次为玄武岩、磷酸盐岩与角砾岩上的结壳，凝灰岩上的结壳Mn元素质量分数更次之，硅质岩与铁质岩上的结壳Mn元素质量分数最低。Cu元素质量分数以火山碎屑岩与角砾岩上的结壳最高，其次为磷酸盐岩和灰岩上的结壳，硅质岩与铁质岩上的结壳，玄武岩上的结壳Cu元素质量分数最低。Co元素除硅质岩与铁质岩上的结壳质量分数偏低（仅0.37%）外，其余基岩上的结壳质量分数均较高，在0.524%～0.58%之间。火山碎屑岩与角砾岩、磷酸盐岩与灰岩及硅质岩与铁质岩基岩上的结壳，Ni元素质量分数较高，在0.431%～0.451%之间，玄武岩上的结壳次之，为0.371%凝灰岩上的结壳Ni质量分数最低，为0.24%。Zn元素质量分数除凝灰岩基岩上的结壳质量分数偏低（为0.058%）外，其余基岩上的结壳Zn元素质量分数在0.061%～0.068%之间。俄罗斯科学家对麦哲伦海山区MA海山上的164个样品的化学成分分析结果进行的统计分析，基本得出相似的结论（表3）。
表2 不同类型基岩上的富钴结壳化学成分（35个测站）
表3 MA-15海山结壳化学成分及含量（164个样品）
（据1.Pulyaeva,1996）
结壳的稀土元素与玄武岩的稀土元素存在极微弱的正相关关系，成对元素间的相关系数最大为0.38，最小为0.13（表4），二者之间不存在重要的成因联系。结壳中的稀土元素主要来自海水，而不是来自玄武岩。玄武岩对结壳稀土元素的贡献只是一个很低的水平。稀土元素与主元素成分相伴生，推定结壳的成矿物质来源主要是海水，而不是玄武岩。
结壳中的La、Pr、Nd、Sm及Eu与对应磷酸盐基岩中的La、Pr、Nd、Sm及Eu元素为弱正相关关系，结壳中的Ce与磷酸盐中的Ce呈弱的负相关关系，而其他元素对之间基本上没有相关关系。分析结果表明结壳中La、Pr、Nd、Sm及Eu元素磷酸盐基岩有一定的成因联系，而结壳中的其他元素与磷酸盐没有联系。
表4 结壳稀土元素与对应玄武岩稀土元素间的相关系数表
＊者为基岩的稀土元素.无＊者代表结壳稀土元素。
5 成矿条件分析
5.1 大地构造背景控制富钴结壳成矿场的分布
富钴结壳成矿物质的成因与地球内力有关，不同大地构造背景有着不同的岩浆和热水活动特征。在热力场和流体运动的作用下，沉积层、大洋基底和更深地圈的物质和结构受到改造。改造的结果是不同区域内基岩的年代和成分、火山作用，热水—喷气活动、热质转移、热力场对底部水和渗滤水成分，水化学及温度等方面各具特征。麦哲伦海山区位于库拉板块南部，是热点成因的板内火山链，且受北西向转换断层的控制。这样庞大的海山群，在其建造过程中，从地幔中带来了极其丰富的结壳成矿物质。炽热的岩浆和海水作用及后来的长期海解作用，玄武岩浆和玄武岩中淋滤出大量的金属物质，进入到海水中。地球内力作用因素促进物源的补给，决定着成矿作用的地球化学类型。据目前调查和研究资料，世界海洋中的富钴结壳主要分布在热点成因的海底火山上，并且这些海山的年龄一般大于50Ma，现今位置远离洋中脊。新生代期间太平洋周围和洋盆内海底火山活动主要发生在始新世、中渐新世、中中新世中期和晚期以及上新世时期，这些火山活动时期与结壳的生长期基本对应，说明海底火山活动为结壳提供着生长基础和成矿物质。
5.2 古海洋环境控制结壳的成矿特征
结壳的成矿物质主要来自海水，部分来自生物遗体分解产物。碳酸盐浮游生物骨骼在最低含氧层中溶解分离，使得铁分离出来并沉降海底，提供海底表层铁。新沉积的氧化铁矿物促进了那些溶解于底层水中锰的原始氧化物在其表面的氧化，同时铁锰结壳从周围海水中析出成为固相，使其表面的成矿物质Co、Ni、Cu达到饱和状态。在水深500～2500m范围，底面沉淀物的输入量和成矿场上由底层水输出物质量之间达到平衡时，在最低含氧层内，金属的悬浮质点在固体基质表面上发生沉淀，结壳不断生长（Pulyaeva,1996）。所以，结壳的生成和分布与海底氧化作用强弱及生物生产力关系密切。海底氧化作用受底流强度及海底地形地貌等古地理因素控制。
在水平方向上，赤道附近海域的生物生产力高，海水提供的成矿物质丰富，太平洋的结壳主要集中在北纬5°～20°和南纬3°～20°之间分布，且Cu、Ni等金属含量向着赤道方向增大。在垂直方向上，结壳富集带成带状矿藏，并在水深1350～3200m间沿水下平顶山的周边分布。在平顶海山顶面，有孔虫砂发育的轮廓决定着矿床的上部边界；在山坡下部3100～3200m粘土发育层的上界决定着矿藏的下部边界。结壳按厚度的分布具明显的点状特征。厚度大于8cm的结壳，一般分布在平顶海山的支脉或其附属地段，这些地方的特点是具有强烈的水动力学环境。
结壳的垂直剖面结构构造及元素成分的变化特征，揭示在结壳生长过程中，古海洋环境在不断演变。老世代结壳形成时期，太平洋碳酸盐补偿深度变深，促进了太平洋的温盐循环，增强了海水的侵蚀作用，产生区域性沉积间断，沉积速率、碳酸盐供给和溶解速率均明显降低，形成贫铁和钴的老结壳（Van Andel and other,1975）。年轻世代结壳形成早期，赤道和南极间海水温度梯度增大，深层水和底层水流动增强，在太平洋东岸和赤道地区形成上升流和生物高生产率区。这时期形成结构疏松、富磷酸盐化碳酸盐物质的结壳。中中新世晚中新世，南极底层水非常活跃，富含氧气的南极底层水对碳酸盐发生强烈的溶解作用，为富钴结壳生长提供大量金属，所以年轻世代富钴结壳的铁和钴含量高。
5.3 海山的演化影响结壳的结构构造和金属含量
早白垩世（巴列姆阶—阿普特阶）麦哲伦海山区海山形成，并完成从盾形火山向中间类型的成层火山的演化。晚白垩世，阿尔布期海山上部磨蚀夷平，进入海侵和平顶海山下沉阶段，环礁发育。赛诺曼期，海山全面下沉，同时钙质微体浮游生物的演化开始，开始了夹超微有孔虫石灰岩和钙质砂岩层的凝灰岩沉积，其形成与下沉的平顶海山顶部激浪带的存在有关。坎潘期马斯特里赫特期，大多数平顶海山上，已形成了相对稳定的半深海环境。在合适的地段形成了古老结壳（R单元）。古老结壳形成的时期，海山刚形成不久，处于下沉阶段，海山平顶上水动力动荡，碳酸盐浮游生物开始演化。这一时期，主要的基岩类型只有海山玄武岩、角砾岩，只有位于最低含氧层带及以下的基岩才能接受结壳成矿物质的沉淀而生长结壳。太平洋的最低含氧层深度是900～1300m间（Kilinkhammer和Bender,1980）。位于有利成矿深度（现在水深2000m左右）分布的基岩是海山平缓斜坡分布的角砾岩和部分玄武岩，海山顶部多数尚处于最低含氧层之上，少有R单元的结壳出现。R单元的基岩以角砾岩为主，由于成矿作用的间歇性和周期性间断，结壳物质由磷酸盐物质条纹和玄武岩碎屑所分隔。
目前水平的平顶海山在始新世趋于稳定，早古新世浮游有孔虫和钙质超微浮游生物的大量物种灭绝，导致了太平洋碳酸钙沉积的明显减少，海山平顶上的大部分环礁构造遗迹和玄武岩未被软泥覆盖。中始新世，各种钙质浮游生物才逐渐恢复，在中始新世达到高峰。此时，海山平顶正好位于最低含氧层带或以下，结壳Ⅰ单元在这一带形成。I单元的成矿作用主要发生在顶部地带的平缓地形上，极少在斜坡上发生。I单元发育的结壳的基岩基本上为海山顶部的玄武岩，水深范围大多在1500～2000m。
6 结论
（1）麦哲伦海山区为热点成因的板内海底火山链，其形成发育受北西向断层强烈影响。
（2）大地构造背景控制结壳成矿场的分布。
（3）古海洋环境控制结壳的成矿特征。
（4）海山的演化影响结壳的结构构造与金属含量。
参考文献
1.Klinkhammer G P And Bender M L.1980.The distribution of manganese in the Pacific Ocean.Earth Planet.Sci.Lett.46:361～384.
2.Van Andel T,Health G and Moore T C Jr. 1975.Cenozoic history and paleo-oceanography of the central equatorial Pacific Ocean,Geol.Am.Men.143.134～142.
3.Pulyaeva I h.1996.麦哲伦海山铁锰结壳的纹层.海洋地质学古海洋学.许东禹主编.北京：地质出版社，86～100.
5.Atsushi Matsuoka.1992.Jurassic and early Cretaceous radiolarians from leg 129,sites 800 and 801,western Pacific Ocean.In Laa rson R L.，Lancelot Y et al.1992.Proceedings of the Ocean Drilling Programm,Scientific Results,Vo1.129,2203～210.
6.王嘹亮，钟和贤，曾繁彩，李杨，朱克超.2000.麦哲伦海山区MA、MC海山富钴结壳元素间关系及成因意义.南海地质研究，No.11.26～46.
ANALYSIS OF MINERAL FORMATION CONDITION ON COBALT-RICH MANGANESE CRUSTS OF THE MAGELLAN SEAMOUNTS
Wang Liaoliang Liang Dehua Zhong Hexian Wang Qun Zeng Fancai
（Guangzhou marine Geological Survey,Guangzhou 510075）
Abstract
The Magellan Seamounts is a seabed volcanic chain which formed during mid-Jurassic to Chalk（Cretaceous）and controlled by a NW transform fault.For the special tectonic background and geographical environments,the Magellan seamounts became one of the most famous mineral estate of the whole world. Some volcanic rocks and sedimentary rocks overlie at the seamounts,their ages,types and location greatly influence the nature of crusts.The cobalt-rich crusts firstly formed during the late period of Late Cretaceous；the time span from Eocene to Miocene is its blossom.Since Jurassic,the Magellan Seamounts had moved to the Northern Hemisphere from the Southern Hemisphere through the equator.During this time,for the Antarctic ice cap’s forming and dissolving,and the continent and ocean changes which were resulted from the plates movements,the depth of the minimum oxygen layer and the CCD boundary was changed from time to time,also the crusts’ growth process was interrupted,its inner elements composition with content changed suddenly or smoothly. Generally two generations was existed in one crust sample. There are six elements genetic components in older generation,four in young generation.
Key words:Magellan Seamounts,Cobalt-rich manganese crusts,Mineral formation condition
注释
麦哲伦海山区富钴结壳成矿条件分析
答：麦哲伦海山区老世代富钴结壳层中.Cu、Ni、P2O5、CaCO3、La与Ce的平均质量分数明显高于年轻世代富钴结壳层的。Cu高54%,Ni高17%,P2O5高70%,CaCO3高58%,La高10%,Ce高20%。而Fe、Co及多数稀土元素平均质量分数明显低于年轻时代富钴结壳层的。Fe低11%,Co低10%,其他稀土元素低5%左右(表1)。老世代结壳层的稀...
麦哲伦海山链富钴结壳成矿区域地质背景
答：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。 关键词 麦哲伦海山链 富钴结壳 转换断层 1 海山地形地貌特征 麦哲伦海山链是库拉板块内部的规模较大的一条海底火山链。它的西面与马...
试谈富钴结壳的成矿机制
答：海上调查及有关研究表明,结壳的成矿与海水最低含氧带、岩石物理特性、海流活动等有关,大部分结壳产于最低含氧带下方的玄武岩硬质粗糙岩石表面,这些部位具有丰富的成矿物质、适宜的酸碱度、较强的海流活动和合适的附着界面等有利成矿的条件。 所以,结壳成矿的局部环境包括:①发育稳定的浅水最低含氧带,②水深在160...
富钴结壳的释文
答：主要产在水深800～3000米的海山和海台顶部和斜面上，其赖以生长的基质有玄武岩、玻质碎屑玄武岩及蒙脱石岩。主要生长期可能是10百万年前和16～19百万年前的两个世代，生长速率为27～48毫米/百万年。在太平洋天皇海岭、中太平洋海山群、马绍尔群岛海岭、夏威夷海岭、麦哲伦海山、吉尔伯特海岭、莱恩群岛海岭、...
西太平洋MF海山磁异常特征及其地质解释
答：区内水深1200～5500m。该区水下海山链呈NW-SE向展布,多为平顶山,山顶水深1200～1500m,山坡较陡,坡上有丰富的富钴结壳。海山链是形成于侏罗-早白垩世洋底基底之上的火山构造隆起,区内磁条带的展布和地层分布特征表明,海山链的形成与北西走向的转换断层密切相关。海山均是构造因素控制下,沿断裂带火山喷发/喷溢...
矿产资源调查与潜力评价
答：呷村VHMS矿床成矿地质模型 (二)非常规矿产资源调查与评价 西太平洋富钴结壳调查 在西太平洋地区,对富钴结壳矿床特征进行了研究,首次提出了富钴结壳资源评估参数的选择方法和计算方法,评估了麦哲伦海山区目标经济区及资源远景区富钴结壳的资源量。自主研制了海底资源勘查技术——海底彩色摄像系统,并成功地应用于中太平洋...
国际海底区域矿产资源调查研究现状
答：1997～2005年，在太平洋麦哲伦海山区和中太平洋海山区实施了10个航次的富钴结壳战略性调查，在国际海底区域选择了20多个海山，并对部分重点海山进行了加密取样（拖网、电视抓斗、浅钻）和海底摄像调查，基本查明了重点靶区的结壳资源状况，为圈定和申请富钴结壳矿区提供了基础资料。2003年，成功组织和实施了...
太平洋的资源
答：矿物资源 近海大陆架的石油、天然气、煤很丰富,深海盆地有丰富的猛结核矿层(所含锰、镍、钴、铜四种矿物的金属储量比陆地上多几十倍至千倍),此外海底砂锡矿、金红石、锆、钛、铁及铂金砂矿储量也很丰富。太平洋海域广阔 ,蕴藏着极其丰富的自然资源,已经开发和利用的主要是水产资源和矿产资源。太平洋中的动植物...
蛟龙号载人潜水器的历史沿革
答：2013年8月31日下午,“向阳红09”船搭载“蛟龙”号载人潜水器驶离密克罗尼西亚波纳佩港,赶赴西北太平洋中国富钴结壳勘探区进行第三航段资源环境调查任务。这是“蛟龙”号2013年试验性应用航次最后一个航段任务。2013年9月2日下午“蛟龙”号于到达第三航段作业海区——位于麦哲伦海山链的采薇海山区。采薇海山基底水深...
