许东禹
（国土资源部海洋地质研究所，青岛 266071）
摘要 深海多金属结核、富钴结壳和海山磷钙土是在新生代一定地质时期和特殊地质环境条件下形成的沉积矿产。深海钻探（DSDP）、大洋钻探（ODP）、CC区沉积物岩心的研究和结核、结壳及磷钙土结构构造、矿物和地球化学特征的对比研究结果表明，南极底层水、上升流、生物生产力、沉积间断等古海洋事件和环境是控制和影响上述三类沉积矿产的形成和分布的主要因素。关键词 多金属结核 富钴结壳 古海洋
1 引言
多金属结核和富钴结壳是最有潜景的矿产资源。目前，许多国家已从多金属结核的区域性概查转入进行小区域的详查和勘探，而且有些国家从富钴结壳的基础性科学研究转入进行区域性资源调查。因此，探明结核和结壳的形成环境和分布规律有理论和实际意义。Halbach等[1～4],Hein[5],Andreev[6],Skornyakova[7]和Cronan等[8]已从沉积学、古海洋学和地球化学等方面探讨了多金属结核和富钴结壳的形成环境和分布规律。本文作者试图用板块构造理论和古海洋演化观点作为手段，根据中国在东北太平洋的多金属结核和富钴结壳调查和研究结果（图1，表1），探讨深海铁锰沉积物的生长历史和分布特征。
图1 研究区位置图
表1 研究样品表
沉积物：C.0—钙质软泥；C.S.0—钙硅质软泥；S.C—硅质粘土；S.0—硅质软泥。
结核类型（形状）：M—中型；L—大型；S—小型。（C）—菜花状；（E）—椭球状；（SP）—球状连生；（S）—球状；（T）—板状。
2 太平洋多金属结核和富钴结壳的分布
在始新世之前形成的太平洋海山或海岭的顶部和坡面上往往产有富钻和贫铜、镍的结壳，锰相矿物主要是δ－MnO2。其稀土总量很高，一般高于1000×10-6。结壳的基质主要是火山岩或其碎屑，核心往往是岩屑，粘土或生物碎屑。在海山顶部往往同时产有磷钙土结核，而且结壳往往夹有碳酸盐沉积物。伴生的沉积物主要是钙质软泥，这说明富钴结壳和磷钙土是在碳酸盐补偿深度（CCD）之上形成的。
在始新世—中新世期间形成的深海平原和深海丘陵上主要产有富Mn、Ni和Cu，贫Co和Fe的水成和成岩型结核，其锰相矿物主要为δ－MnO2和钙锰矿。稀土元素总量比较低，一般低于1000×10-6。伴生沉积物主要是硅质软泥和硅质粘土。在始新世之前形成的较老的深海平原和深海丘陵上产出的结核主要是富Fe而贫Cu、Ni的水成型结核。锰相矿物以δ－MnO2为主，伴生沉积物主要是硅质粘土、深海粘土或沸石粘土（图2）[9～11]。由此可见，结核和结壳的分布和地球化学特征明显受到构造运动、火山活动、地形和沉积物等的影响和控制（图2、图3）。
在太平洋和大西洋深海钻探（DSDP）和大洋钻探（ODP）岩心中已发现有许多埋藏结核和结壳[12]。在中太平洋CP25和CC48柱状样沉积物中也发现有浅埋的结核（图4）[9～11]。这些埋藏结核的大部都产在沉积间断面上，这表明结核生长形成的条件是沉积间断或沉积速率非常缓慢的环境[10，11]。
图2 CC区多金属结核形成类型的分布
I—球状－椭球状组合；Ⅱ—菜花状－盘状组合；Ⅲ—杨梅状－板状组合；1—菜花状；2—板状；3—椭球状；4—盘状；5—椭球状及其连体；6—椭球状及其连生体；
图3 不同地形单元上的结核的形态类型
1—菜花状；2—盘状；3—连生体；4—杨梅状；5—椭球状连生体
3 结核和结壳的生长史
3.1 结核的生长史
无论是水成型或者是成岩型结核，它们均具有同心圆状纹层或树枝状构造，在结核的不同生长层之间往往出现一个平行或斜交的生长间断面，这表明结核不是连续生长的，而是断续生长的（图5）[11]。
图4 CP25岩心剖面图[13]
图5 结核的生长间断面[11]
根据结核的生长间断面，结核中可以分出几个构造层或生长层。然后用同位素测年法和古生物分析方法测定了它们的时代。据韩昌甫等[11]分析，东太平洋CC区的结核具有3个生长期：第一生长期是从晚始新世至早中新世中期；第二生长期是从早中新世至晚中新世末期；第三生长期是从上新世至现代（表2）。根据东太平洋CC3和CC61测站和中太平洋CP22站结核的K-Ar法测年结果，结核的第一生长层年代分别为32.6Ma、32.7Ma和26.9Ma，大体相当于中、晚渐新世，中太平洋CP23结核的第三生长层年代为4.6Ma，大体相当于早上新世。据10Be法测年，CC区CCC30和CCB121站结核和中太平洋CP2站结核的第二生长层年代为6.0Ma，即晚上新世，它们的第三生长层年代在4～6Ma之间[14]。
表2 结核不同生长期的化石
注：①—钙质超微化石；②—硅藻；③—放射虫。
3.2 富钴结壳生长历史
Halbach等[4]认为富钴结壳具有两个生长层：其中一个是年轻，其年代小于10Ma；另一个是较老，年代在40～38Ma间，大体相当于中始新世至早渐新世。据猪狩和西村[15]，西七岛海岭的天法海山上的富钴结壳开始生长的地质时代为晚中新世，这是根据天法海山形成时代推断的。这座海山是一座火山岛，形成于15～16Ma间或更早。
4 太平洋的新生代构造运动和古海洋事件
通过深海钻探（DSDP）和大洋钻探（ODP）岩心的系统研究，结合各种地球物理研究结果，现已复原了中生代以来太平洋岩石圈板块运动，海洋分布格局及洋流等环境演化和古海洋事件。由于从晚白垩世以来的海底扩张和板块运动，在太平洋海底形成了一系列火山、海岭和断裂带，如音乐家海山、拉捷耶夫海山、莱恩海岭、马绍尔—吉尔伯顿海岭、草洛凯断裂带、默来断裂带、克拉里昂断裂带和克利帕顿断裂带等。始新世时，由于海底运动方向和速度的变化，使得有些不活动地区和火山活动变得更加强烈。大量始新世时期的玄武岩出现在莱恩海岭，马绍尔—吉尔伯顿海岭和其他一些白垩纪的海山区。中新世时，在太平洋海底形成了一系列扩张中心，而且海底热液活动变得更加强烈。如东太平洋海隆上的热液活动迄今仍然还是很强烈。
海底构造运动不仅改变了海底地形，而且还改变了洋流等环境因素（表3）。一般认为晚古新世和早始新世（55～53Ma）时澳大利亚大陆自南极大陆分离和向北迁移，在这两个大陆之间形成了一个海洋[16]，并开始形成南极绕极环流和南极冰[17]。在始新世末期，塔斯曼海岭下沉，使得印度洋与太平洋联通[17,18]，浅的南极绕极环流和南极底层水开始形成，气候变冷[16]，广泛出现沉积间断[19]。早渐新世时（38～35Ma），南太平洋通过得雷克海峡与大西洋联通，由于得雷克海峡完全张开（31～23Ma）[20]使得整个大洋彻底联通，完全形成了南极绕极环流，出现了新西兰边界流并发育了上升流[17]，从而增大了各地区之间温度梯度[21]。渐新世时，南极绕极环流隔开了温暖的亚热带环流与冷的亚南极环流之间的热交换，使得南极大陆再也得不到热供应。结果，在中新世时南极冰川发育，南极冰盖和海冰扩展。南极冰川的增长和环流的发展，导致了早中新世南极水团的扩张和南极辐聚流的形成，这时硅质生物生产力明显增大并硅质沉积带向北扩展[17,22]。中中新世时，大部分南极冰盖已经形成[23,24]，这导致了南极底层水活动强度增强和赤道逆流发育，在赤道太平洋广大地区形成沉积间断[25～29]。晚中新世时，由于直布罗陀海峡的上升，封闭了欧洲地中海[30]，全球气候变冷（6.2～5.0Ma）[31]，南极冰盖扩展，南极底层水完全形成并活动增强，太平洋环流也得到加强，高纬度和赤道上升流发育[32,33]，在浅海区沉积了大量磷钙土[34]。中新世末期冰川的发展引起了全球海平面的大幅度下降，从而导致了地中海涸干的Messinian事件的发生（6.2～5.0Ma）[35]和盐度危机[36]。上新世时，南美和北美之间的中美海峡被封闭（3.1～3.4Ma），使得太平洋与大西洋之间的联系被切断[37]。这样，太平洋环流系统和南极及赤道上升流变得更加强大，硅质生物生产力增大。
为了解中太平洋古海洋演化史，我们对中太平洋的CP30柱状样和东北太平洋的CC48、CCA121和CC9柱状样沉积物进行了磁性地层、岩性地层、生物地层和同位素地质分析（图6），并用δ18O同位素法粗略估算了中新世不同时期生物生产力[30]。
CP30和CC48柱状样沉积物的同位素和古生物分析表明，东北太平洋CC区在早中新世有二期高δ18O事件（图7），在赤道和热带生物组合中发现有Coscinodisfcus marginatus（硅藻）和Coccolithus pelagicus（钙质超微化石）及Epsistominnela exiqua（底栖有孔虫）等冷水种化石，同时发生过二期CaCO3溶解事件（图8）。由此可以推断早在早中新世早期，南极底层水已流入CC区，并在有些地区已发生沉积间断。早—中中新世时（20～18Ma）时，发生过三期高δ18O事件，其时代分别为20.33～19.88Ma,19.55～19.26Ma和18.72～17.81Ma。当对比这些高δ18O事件时，可以看出δ18O值越来越大，这表明气候越来越冷。20～19Ma和19.73～19.OOMa间的二期CaCO。溶解事件，引起了二期沉积间断事件，此间断大体相当于Keller和Barron[28]确定的NHla沉积间断期。这时，生物的碳生产力小于200g/（m2·a）。在早中新世晚期（18～16Ma），在CC区广泛出现相当于NH1b的沉积间断，大部分海底处于CCD之下，这由CC48、CCA121和CCB53柱状样沉积物中缺失代表早中新世晚期的Calocgcletta costata化石带的现象所证实。中中新世时，南极底层水活动变得很强，广泛发育区域性沉积间断，CCD抬升，在海底主要沉积了放射虫软泥和粘土等硅质沉积物。这些沉积物间断相当于NH2间断期，它们是由在柱状样沉积物中缺失中中新世标准化石所证实。晚中新世时，全球变冷事件影响了研究区南极底层水变得更加活动，造成海底大部分地区遭受区域性沉积间断，这些沉积间断大体相当于Keller和Barron[28]的NH5和NH6间断期。上新世时，研究区在中新世末至上新世早期连续发生沉积间断，这是由沉积物中缺失早上新世标准化石所确定的。但是，沉积物中大量产有Coscinodiscus marginatus等冷水种化石，反映了上升流很发育和硅质生物生产力提高。
图6 中太平洋晚新生代地层对比[13]
1—深海粘土；2—硅质粘土；3—硅质软泥；4—钙质软泥；5—沸石粘土。化石带中：①—B.invaginata；②—C.tuberosa
图7 CC48柱状样沉积物δ18O和碳同位素曲线
图8 CC48岩心和赤道东太平洋的CaCO3旋回[38]
5 结核及结壳的生长史与太平洋演化史的对比
研究表明多金属结核和富钴结壳的生长和分布受着许多海洋和地质因素的影响和控制，而且与某种古海洋事件有密切的关系。
如上所述，构造运动产生的海山、深海平原和深海丘陵等海底地形影响和控制了铁锰沉积物的类型和组分。伴生的火山作用为多金属结核和富钴锰结壳的生长提供了成矿元素和结核赖于生长的核心和基质。CC区结核的同位素分析表明，Pb同位素较为亏损，206Pb/204Pb值在18.563和18.745之间，平均18.693，这表明结核受到热液作用的影响。Levitan和Lisitsin[39]的统计表明，DSDP岩心中火山灰出现的频率自古新世以来逐渐增高，而最高频率出现在中—晚中新世和更新世，达15%。CCC9、CCA121和CP30测站柱状样沉积物的早中新世—上新世和第四纪沉积物主要由沸石粘土和含沸石粘土组成，其中火山灰蚀变产物—钙十字沸石和蒙脱石含量达10%～20%[13]，而且所研究的几乎所有结核都含有钙十字沸石。如CCA72、CCA15和CCB56站结核中钙十字沸石含量分别达2.9%、8.3%和6.8%。而CCA57站结核中沸石含量达35.6%。由此可以推断结核的生长和分布受到火山作用及其产物的影响[10]。
图9 古海洋演化同结核生长史的对比
从结核和结壳的形态、构造和分布特征，我们已经知道结核和结壳是在海底长期暴露的条件下生长的。海山和丘陵上的结核和结壳的大部分是光滑球状的大型或中型结核，而且常常受底层流的影响而发生滚动。假设它们的每一生长层厚度为0.1～1cm，生长速率为1mm/Ma，那么要生长到现在的大小，则需要5～10Ma时间。深海平原和深海丘陵区的半埋藏型结核具有光滑顶面和粗糙底面，这些大型到中型结核是在水与沉积物界面上生长的。它们的生长层厚度一般在0.1～1.0cm。假设按生长速率为2mm/Ma计算，那么要完全生长成这样厚的生长层则需要2.5～5Ma。2mm/Ma的生长速率是用同位素方法确定的。
表3 太平洋新生代古海洋演化和沉积矿产
图10 太平洋古海洋演化史[23,29,39,41,42]
在所研究的结核中，年轻化石往往和老化石混合产出，而且往往混有冷水种化石。如，有些生长层中新世放射虫Dictyoprora mongolfieri往往和中新世及更新世化石同时产出，而且伴生有冷水种硅藻Coscinodiscus marginatus和钙质超微化石Coccolithuspelagicus等，这表明结核是在冷水团侵蚀，悬浮搬运和再沉积作用条件下生长的[11,13,14,40]。矿物化学分析结果表明，结核和结壳中直接与海水接触的部位壳层主要由δ－MnO2（四价锰）组成，它们富含Fe、Co、Pb和稀土元素（稀土总量＞1000×10-6），而与沉积物接触的底部除有δ－MnO2外，还富含由Mn2+和Mn4+构成的钙锰矿，它们的稀土元素含量较低（＜1000×10-6），这种现象也表明结核是在长期表露于海底的氧化条件下生长的。
综上所述，我们可以推断结核是在由沉积间断和底层水侵蚀作用造成的海底长期暴露条件下生长的，而不是在所谓“生物翻动”或“静压力上推”作用下形成。海底照相和电视观测表明在产有结核的地区并没有大量产有足于翻动结核的生物存在。
对比分析表明结核和结壳的生长期与太平洋沉积间断及冷期相吻合。这种情况在图9和图10及表3中得到表示。图9是根据东北太平洋CC48柱状样沉积物研究结果所绘制的。由图9可知结核的3个生长期分别与早中新世早期（20.5～19.41Ma,19.41～19.21Ma）和中中新世（16.78～16.2Ma）及晚中新世（16.2～16.1Ma）沉积间断期相吻合。
图10和表3是根据一些作者的研究结果绘制的。从图10和表3可以看出，结核和结壳的生长期与全球变冷、海平面下降、CaCO3快速溶解、沉积间断发育及火山活动频繁等始新世以来的重要古海洋事件发生的时期相吻合。表3也表明了板块构造引起的海陆分布格局的改变，导致了洋流系统的形成和发展及古生物地理和生物生产力的变化。南极底层水和南极绕极环流的出现是改变晚新生代气候和海洋环境的最重大古海洋事件。冷和富氧的南极底层水的活动影响并改变了大洋生物地理和生物生产力，导致了CaCO3的溶解和沉淀，产生了海底广大地区的沉积间断。这样，南极底层水为多金属结核和富钴结壳的生长创造了良好的氧化条件和生长场所，同时提供了大量成矿物质。
6 结论
从以上太平洋古海洋事件和铁锰氧化物的成矿作用的分析，我们可以得出如下结论：
（1）岩石圈板块运动改变了海陆分布格局，影响和控制了全球气候和洋流系统。
（2）多金属结核和富钴结壳是一定地质时期的“多期事件沉积产物”，它们是在全球气候变冷，南极底层水活跃，生物生产力增大和沉积间断发育时期生长形成的。这样，我们可以说结核与结壳的形成与分布同海洋环境和地质事件有决定性的关系。
致谢 本项目研究得到中国大洋协会（DY85-02-03）和国家自然科学基金会的资助（编号49676292），在此对他们的支持深表感谢。
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