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西南印度洋洋中脊表层沉积物地球化学特征及其热液活动指示意义

张霄宇 陶春辉 廖时理 周建平 李怀明 滕国超 黄大松

张霄宇, 陶春辉, 廖时理, 周建平, 李怀明, 滕国超, 黄大松. 西南印度洋洋中脊表层沉积物地球化学特征及其热液活动指示意义[J]. 沉积学报, 2020, 38(4): 727-736. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
引用本文: 张霄宇, 陶春辉, 廖时理, 周建平, 李怀明, 滕国超, 黄大松. 西南印度洋洋中脊表层沉积物地球化学特征及其热液活动指示意义[J]. 沉积学报, 2020, 38(4): 727-736. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
ZHANG XiaoYu, TAO ChunHui, LIAO ShiLi, ZHOU JianPing, LI HuaiMing, TENG GuoChao, HUANG DaSong. Elemental Geochemical Characteristics and Significance of Hydrothermal Signature in the Axial Sediments from the Southwest Indian Oceanic Ridge[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(4): 727-736. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
Citation: ZHANG XiaoYu, TAO ChunHui, LIAO ShiLi, ZHOU JianPing, LI HuaiMing, TENG GuoChao, HUANG DaSong. Elemental Geochemical Characteristics and Significance of Hydrothermal Signature in the Axial Sediments from the Southwest Indian Oceanic Ridge[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(4): 727-736. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085

西南印度洋洋中脊表层沉积物地球化学特征及其热液活动指示意义

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41773005

国家重点研发计划课题 0309901

国际海域资源调查与开发“十三五”项目 DY135⁃S1⁃01

详细信息
    作者简介:

    张霄宇,女,副教授,海洋环境和地球化学,E⁃mail: zhang_xiaoyu@zju.edu.cn

  • 中图分类号: P736.1 P595

Elemental Geochemical Characteristics and Significance of Hydrothermal Signature in the Axial Sediments from the Southwest Indian Oceanic Ridge

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41773005

National Key Research and Development Plan, No.2018YFC 0309901

The 13th Five⁃Year Plan Project for the Investigation and Development of International Marine Resources DY135⁃S1⁃01

  • 摘要: 洋中脊热液硫化物勘探技术的滞后,严重制约了对海底热液硫化物资源的勘探开发。以我国西南印度洋硫化物勘探合同区域采集的25个表层沉积物样品为研究对象,基于主量、微量和稀土元素检测数据,采用元素含量特征、相关性分析、元素对比值、特征元素三角图解,以及稀土元素分馏特征值等手段,开展沉积物热液信息研究。结果表明:样品所代表的大部分研究区域内主要为钙质生物沉积,部分样品元素地球化学特征受沉积物中玄武岩风化碎屑的影响,龙旂热液区的部分样品中表现出一定的热液迹象,稀土元素分馏特征和配分模式、(Al+K)⁃Mg⁃(Fe+Mn)三角图解可较好地指示热液活动。研究不仅为我国在西南印度洋的硫化物勘探提供基础数据参考,同时也是对海底热液硫化物勘探的沉积物地球化学找矿理论和方法的初步探索。
  • 图  1  采样位置示意图

    Figure  1.  Sampling locations

    图  2  样品的微量元素和稀土元素含量与大陆上地壳(UCC)[15]比较

    Figure  2.  Content of trace elements and rare earth elements in the sample compared with the continental upper crust (UCC)[15]

    图  3  研究区域内Si/Ti⁃Al/Ti(a)和Al/Ti⁃Zr/Ti(b)图解

    ●:本次研究;◆:大陆上地壳;■:南海东北部泥质沉积;▲:西南印度洋中脊玄武岩

    Figure  3.  Diagram of (a) Si/Ti⁃Al/Ti, and (b) Al/Ti⁃Zr/Ti in the study area

    ●:This study;◆:Upper continental crust;■:Mud deposits in the northeastern South China Sea;▲:Southwest Indian Ocean Ridge basalt

    图  4  (Al+K)⁃Mg⁃(Fe+Mn)三端元模型图

    Figure  4.  (Al+K)⁃Mg⁃(Fe+Mn) tripartite model diagram

    图  5  研究样品PAAS配分模式(PAAS数据参考[13]

    Figure  5.  REE concentration for the Mariana Trough normalized to shale and plotted versus atomic number

    表  1  样品采样位置和现场观察记录

    Table  1.   Sampling locations and field observation record

    分组 编号 定名 基本属性
    S1 XY02 灰白色粉砂质含有孔虫软泥 灰白色粉末状沉积物,较为致密,无明显大颗粒,粉砂状,镜下观察为有孔虫。
    XY03 白色钙质硅酸盐软泥 灰白色沉积物,颗粒较细,有一定黏度。不含有孔虫等生物质成分,致密土块状,易成粉末。
    XY07 灰白色有孔虫砂 白色松散沉积物,主要成分是有孔虫,粒径较大,主要在0.1~0.2 mm之间。含黑色火山玻璃的黑色玄武岩碎屑,玄武岩碎块粒径为0.5~5 cm,气孔状构造发育,并可见少量的灰色玄武岩火山玻璃,火山玻璃为油脂光泽,贝壳状断口。
    XY08 白色钙质有孔虫软泥 白色黏土状沉积物,颗粒极细,肉眼无法分辨。黏度较高,遇盐酸完全溶解,主要成分是钙质。
    XY09 灰黄色含生物碎屑的钙质沉积物 灰黄色,弱黏性,半流动,含砾钙质沉积,砾石为隐晶质,有大量生物碎屑,如珊瑚、有孔虫壳体、双壳累壳体等。含玻璃质的黑色玄武岩碎块,成块状,粒径在3~4 cm之间,发育有气孔和杏仁构造,隐晶质,少量玻璃质,可见贝壳状断口和油脂光泽。
    X10 灰黄色含生物碎屑的钙质沉积物 灰黄色。弱黏性,半流动,含砾钙质沉积,砾石为隐晶质,有大量生物碎屑,如珊瑚、有孔虫壳体、双壳累壳体等。灰白色钙质软泥。灰白色,强黏性,遇盐酸几乎完全溶解,主要成分为有孔虫
    XY11 灰白色有孔虫 软泥 灰白色,较为疏松。粒径在0.1 mm左右,较为均匀,成分为有孔虫,含少量玄武岩碎屑,粒径在0.5~5 mm之间。
    XY15 灰白色钙质软泥 灰白色松散沉积物,黏度一般,主要成分是有孔虫壳体,并含有较多的火山碎屑成分。
    XY25 浅褐色钙质软泥 浅褐色沉积物,无气味,弱黏性,分选性好,主要成分为有孔虫,含少量的火山岩石碎屑。
    S2 XY13 灰白色有孔虫 软泥 松散沉积物,黏性较小,主要为有孔虫壳体,粒径在0.2~0.5 mm之间,并含有少量碎屑
    XY16 灰白色钙质软泥 灰白色松散沉积物,黏度一般,主要成分是细砂,生物质成分,并含有丰富的有孔虫壳体。
    XY18 灰白色钙质软泥 灰白色沉积物,黏度较大,主要成分为有孔虫壳体,并含有少量的火山碎屑玻璃和生物壳体。
    XY19 灰白色钙质软泥 灰白色沉积物,强黏性,有生物遗迹,主要成分是有孔虫壳体。
    XY20 灰白色钙质软泥 灰白色沉积物,粒度极细,强黏性。
    XY21 灰黑色钙质软泥 主要成分为有孔虫壳体,粒径在0.2~0.5 mm之间,弱黏性。
    XY22 灰黑色火山碎屑钙质软泥 沉积物为黑白色,质地较软,主要成分为有孔虫壳体。
    XY23 灰黑色玄武岩 碎屑 碎屑呈菱角状,粒径从毫米级到2厘米不等,磨圆度较差。
    XY24 绿泥石化玄武岩 岩石蚀变程度较高,表面可见大量绿泥石,可见一些红褐色氧化带。
    S3 XY12 灰白色钙质中 粗砂 灰白色沉积物,极为松散,粒径大约为1 mm,遇盐酸剧烈起泡,为钙质沉积物。
    XY14 灰白色钙质软泥 沉积物灰白色,较为松散,弱黏性,有丰富的有孔虫壳体,并含有少量的火山岩碎屑。
    XY17 灰白色钙质黏土 灰白色松散沉积物,主要成分为有孔虫颗粒,含有少量岩石碎屑,其中大部分碎屑已经蚀变。
    S4 XY01 灰色有孔虫钙质软泥 较为松散的灰色沉积物,弱黏性,98%为有孔虫壳体,粒径均匀。
    XY04 灰白色钙质软泥 灰白色沉积物,黏度较小,颗粒感明显。
    XY05 灰白色钙质软泥 颗粒细腻,有明显黏度。
    XY06 灰色粉砂质有 虫钙质软泥 灰色粉砂质沉积物,较疏松,无明显的大颗粒,弱黏性。
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    表  2  主量元素含量(wt.%)

    Table  2.   Content of major elements (wt.%)

    编号 Al2O3 CaO K2O MgO Na2O SiO2 SO3 TFe2O3 MnO TiO2 LOI
    XY01 0.42 52.5 0.09 0.12 0.61 1.88 0.16 0.32 0.03 0.01 43.16
    XY02 1.06 49.9 0.18 0.29 1.16 4.18 0.27 0.55 0.04 0.04 42.24
    XY03 1.59 49.1 0.28 0.49 0.87 5.73 0.20 0.86 0.03 0.07 40.75
    XY04 2.67 45.8 0.16 1.29 1.44 8.63 0.22 2.05 0.07 0.27 37.42
    XY05 0.96 50.6 0.14 0.23 0.76 3.44 0.21 0.56 0.03 0.04 42.37
    XY06 0.26 52.4 0.07 0.19 1.02 1.44 0.24 0.22 0.03 0.01 43.95
    XY07 0.26 53.2 0.07 0.17 0.98 0.91 0.19 0.24 0.03 0.01 43.96
    XY08 1.02 50.2 0.17 0.26 1.04 4.11 0.26 0.53 0.03 0.04 42.28
    XY09 0.70 51.3 0.10 0.47 0.89 2.33 0.29 0.53 0.06 0.04 43.1
    XY10 1.73 48.6 0.24 0.59 1.16 6.04 0.25 0.98 0.04 0.08 40.21
    XY11 0.92 50.9 0.14 0.25 0.84 3.40 0.21 0.54 0.02 0.04 42.38
    XY12 0.30 52.3 0.07 0.50 0.94 1.56 0.20 0.44 0.04 0.02 43.6
    XY13 0.48 51.8 0.12 0.23 1.06 1.99 0.22 0.60 0.03 0.02 43.51
    XY14 0.23 52.1 0.07 0.41 1.00 1.14 0.21 0.28 0.02 0.01 44.09
    XY15 2.40 48.7 0.11 0.74 0.67 6.66 0.16 1.30 0.04 0.10 38.96
    XY16 0.56 51.9 0.11 0.21 1.04 2.03 0.25 0.46 0.03 0.02 43.48
    XY17 1.16 49.6 0.16 0.85 0.88 4.44 0.21 0.97 0.05 0.09 41.15
    XY18 1.03 49.7 0.17 0.32 1.10 4.18 0.28 0.70 0.02 0.04 42.43
    XY19 1.13 50.3 0.25 0.36 0.77 4.54 0.19 0.79 0.02 0.06 41.65
    XY20 1.20 48.8 0.21 0.34 1.20 5.02 0.29 0.82 0.04 0.05 41.78
    XY21 3.66 39.3 0.16 3.09 1.04 14.71 0.19 3.57 0.07 0.30 33.88
    XY22 10.67 12.20 0.49 8.29 5.01 35.30 0.10 7.46 3.87 0.71 16.06
    XY23 10.02 26.8 0.14 4.39 2.00 29.90 0.25 7.27 0.38 0.85 17.13
    XY24 10.50 17.20 0.12 6.97 1.94 38.53 0.33 10.17 0.15 1.02 12.55
    XY25 1.59 48.3 0.19 0.48 1.14 5.63 0.25 1.46 0.16 0.08 40.74
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    表  3  微量元素和稀土元素含量(×10-6

    Table  3.   Contents of trace elements and rare earth elements (×10-6

    编号 XY01 XY02 XY03 XY04 XY05 XY06 XY07 XY08 XY09 XY10 XY11 XY12 XY13 XY14 XY15 XY16 XY17 XY18 XY19 XY20 XY21 XY22 XY23 XY24 XY25
    As 2.3 2.2 1.9 3.1 2.1 2.2 2.4 3.2 3.1 1.8 2 2.3 3.1 2.3 2.4 2.9 2.4 2.9 1.8 3.6 2.2 3.7 10.8 1.8 5.4
    Ba 302 443 382 77.1 334 209 42.7 451 174.5 504 364 21.2 146.5 45 130 205 391 457 370 536 306 376 88.8 95.5 145
    Co 6 4.9 5.8 12.4 5.6 6.7 6.2 4.8 25.4 5.3 5.3 12.1 5.8 7.1 8.6 4.9 9.8 5.4 5.4 6.4 15.6 45.1 124.5 41.4 45.9
    Cr 5 30 15 36 9 4 4 26 7 18 8 27 9 18 18 9 55 10 10 11 69 167 145 188 19
    Cs 0.21 0.4 0.73 0.25 0.33 0.13 0.13 0.4 0.25 0.49 0.32 0.12 0.24 0.11 0.21 0.25 0.39 0.4 0.62 0.5 0.33 0.78 0.13 0.15 0.32
    Cu 17.1 26.4 28.5 24.8 26.6 13.7 7.3 26.3 9.6 22.7 25.2 9.9 11.8 9.8 20.5 15.2 27.6 34.3 11.5 39.1 151 101 42.2 197.5 28.3
    Ga 1.5 1.6 2.5 3.2 1.4 0.5 0.6 1.6 1 2.2 1.4 0.6 0.9 0.5 2.1 0.9 2 1.5 2.1 1.9 5.2 13.2 11.2 13.5 2.1
    Mo 0.14 0.18 0.08 0.15 0.17 0.16 0.17 0.21 0.59 0.2 0.14 0.31 0.15 0.15 0.16 0.16 0.58 0.16 0.1 0.19 1.02 27.1 2.8 0.33 0.77
    Nb 0.5 0.9 1.5 0.9 0.8 0.5 0.4 1 0.8 1.2 0.8 0.5 0.5 0.3 0.9 0.5 0.9 0.9 1.1 1 0.9 0.7 3.9 1.3 1.9
    Ni 7.6 11.5 12.9 20.8 9.2 6.3 5.4 10.6 9.5 12.8 8.2 18.5 7.1 14.4 10.6 6.7 44.2 8.5 8.3 10 39.7 175 72.3 92.9 25.6
    P 190 240 380 200 190 170 90 250 200 290 190 110 120 120 150 180 300 290 350 330 340 320 570 470 200
    Pb 3.1 3.7 3.6 6.7 4.2 2.9 3 3.9 9.4 3.2 3.3 4.8 3.4 3.7 4.4 3.8 4.4 3.7 2.8 4.9 6 3.6 35.3 4.7 26.2
    Rb 3.3 7.3 12.3 3.9 5.6 2 2.3 7.3 4 9.1 5.7 1.8 4.2 1.8 4.1 4 6.2 6.9 10.7 8.6 5.4 7.8 3.1 2.8 6.6
    Sb 0.19 0.32 0.19 0.22 0.1 0.49 0.11 1.17 0.2 0.19 0.09 0.18 0.13 0.11 0.14 0.08 0.18 0.12 0.14 0.18 0.16 2.12 0.6 0.19 0.53
    Sc 1.5 1.9 3 5.8 2 1.4 1.2 1.9 1.6 2.5 1.6 1.4 1.6 1.2 3.8 1.5 3.6 2.1 2.5 2.8 11.3 24.2 22.4 29.2 3
    Sr 1 426 1 552 1 625 1 189 1 431 1 395 1 285 1 656 2 139 1 396 1 445 1 249 1 295 1 247 1 249 1 370 1 313 1 679 1 541 1 772 1 153 378 984 424 1 240
    Th 0.69 1.06 1.65 0.71 0.86 0.48 0.42 1.12 0.93 1.18 0.87 0.48 0.6 0.47 0.58 0.64 1.08 0.99 1.21 1.19 0.7 0.29 1.34 0.36 1.17
    U 0.19 0.25 0.6 0.17 0.23 0.12 0.1 0.29 0.48 0.37 0.2 0.11 0.19 0.11 0.18 0.2 0.28 0.29 0.59 0.4 0.36 0.22 0.5 0.43 0.28
    V 7 11 18 48 11 4 4 12 14 19 11 7 8 5 33 9 19 14 14 17 74 149 189 247 25
    Y 9.5 10.2 14 11.3 8.1 8 4.9 10.8 7.7 11.2 7.9 6 7.7 6.9 6.7 7 14 10.4 10.1 12.4 15.6 19.4 22 29.3 6.7
    Zn 11 18 23 25 14 10 8 15 13 21 14 11 15 9 17 12 18 16 15 18 84 84 73 118 30
    Zr 7 10 15 23 9 4 4 11 7 15 9 4 7 4 11 6 14 9 14 11 23 39 57 63 18
    La 5.7 6.8 10 5.2 5.4 4.8 3.3 7.1 6.2 7.4 5.4 5.4 4.4 4.4 3.8 4.4 8 6.8 6.6 8.3 5.5 2.7 7.6 3.4 5.8
    Ce 6.2 7.8 11.7 10.2 6.7 5.4 5 8.2 10.9 8.7 6.6 7 5.3 6.1 6.5 5.8 9.6 7.3 8.7 9.1 7.3 6.4 25.6 8 22
    Pr 1.3 1.54 2.19 1.28 1.15 0.97 0.64 1.58 1.26 1.56 1.11 0.89 0.83 0.87 0.82 0.86 1.82 1.39 1.36 1.76 1.32 1 2.03 1.31 1.22
    Nd 5.1 6 9 5.5 4.6 4.1 2.5 6.1 5.4 6.5 4.9 3.6 3.6 3.6 3.4 3.7 7.4 5.8 5.4 7.4 5.9 5.3 9.4 7.6 4.4
    Sm 1.1 1.33 1.9 1.44 0.97 0.96 0.55 1.31 1.03 1.33 1.02 0.73 0.77 0.85 0.94 0.75 1.68 1.31 1.18 1.44 1.58 1.84 2.75 2.74 0.96
    Eu 0.2 0.29 0.45 0.39 0.23 0.2 0.14 0.29 0.22 0.3 0.23 0.16 0.18 0.18 0.19 0.18 0.4 0.31 0.25 0.36 0.44 0.64 0.87 0.95 0.21
    Gd 1.3 1.35 1.87 1.72 1.03 1 0.63 1.46 1.03 1.53 1.05 0.77 0.87 0.93 0.91 0.81 1.89 1.38 1.11 1.57 1.95 2.57 3.39 3.78 0.99
    Tb 0.2 0.2 0.3 0.27 0.16 0.15 0.1 0.21 0.16 0.23 0.16 0.12 0.14 0.14 0.16 0.13 0.3 0.22 0.18 0.25 0.35 0.47 0.56 0.7 0.16
    Dy 1.3 1.29 1.78 1.61 1.02 0.99 0.62 1.31 0.96 1.48 1.01 0.76 0.88 0.87 0.97 0.85 1.82 1.27 1.14 1.58 2.09 3.23 3.65 4.7 0.94
    Ho 0.3 0.28 0.38 0.36 0.22 0.21 0.14 0.3 0.2 0.33 0.23 0.17 0.2 0.19 0.21 0.19 0.4 0.28 0.25 0.35 0.47 0.71 0.78 1.03 0.2
    Er 0.8 0.76 1.08 1.04 0.61 0.61 0.4 0.86 0.56 0.9 0.66 0.48 0.59 0.55 0.61 0.53 1.12 0.8 0.73 0.96 1.37 2.02 2.19 3 0.58
    Tm 0.1 0.11 0.16 0.15 0.09 0.09 0.06 0.13 0.08 0.13 0.1 0.07 0.09 0.08 0.09 0.08 0.17 0.12 0.11 0.14 0.2 0.29 0.32 0.43 0.09
    Yb 0.7 0.68 1 0.97 0.58 0.57 0.38 0.82 0.5 0.85 0.64 0.45 0.58 0.52 0.58 0.49 1.09 0.76 0.71 0.89 1.29 1.84 2.1 2.76 0.58
    Lu 0.1 0.1 0.15 0.14 0.09 0.09 0.06 0.13 0.08 0.13 0.1 0.07 0.09 0.08 0.09 0.08 0.17 0.12 0.11 0.14 0.19 0.28 0.32 0.42 0.09
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    表  4  富钙质样品因子旋转载荷矩阵

    注:载荷绝对值<0.6的未显示。

    Table  4.   Factor rotating load matrix for calcium⁃rich samples

    主因子 F1 F2 F3 F4
    Al2O3 0.893
    CaO -0.954
    K2O 0.931
    MgO 0.977
    Na2O 0.750
    SiO2 0.936
    SO3 0.878
    TFe2O3 0.967
    TiO2 0.943
    LOI -0.941
    As 0.798
    Ba 0.775
    Co 0.955
    Cr 0.844
    Cs 0.977
    Cu 0.885
    Ga 0.914
    Mn 0.909
    Mo 0.623
    Nb 0.739
    Ni 0.725
    P 0.869
    Pb 0.979
    Rb 0.976
    Sb 0.66
    Sc 0.987
    Sr 0.685
    Th 0.970
    U 0.882
    V 0.964
    Y 0.628 0.616
    Zn 0.925
    Zr 0.787
    REE 0.788
    方差贡献/% 41.51 24.55 13.84 6.35
    累积方差贡献/% 41.51 66.06 79.90 86.25
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    表  5  稀土元素的特征参数

    Table  5.   Characteristic parameters of rare earth elements

    特征参数 ∑REE(×10-6 ∑LREE/∑HREE δCe δEu 数据来源
    本研究样品 最大值 61.56 9.53 1.91 1.35 本研究
    最小值 14.52 1.43 0.53 0.94
    平均值 28.71 4.66 0.76 1.07
    SWIR玄武岩 60.63 1.98 1.15 1.44 王振波等[20]
    N⁃MORB 39.11 1.32 0.88 1.49 韩宗珠等[26]
    UCC 148.14 9.33 0.98 1.09 Rudnick et al.[15]
    SWIR热液沉积 4.36 2.99 0.52 8.1 王振波等[20]
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-19
  • 刊出日期:  2020-08-10

目录

    西南印度洋洋中脊表层沉积物地球化学特征及其热液活动指示意义

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
      基金项目:

      国家自然科学基金项目 41773005

      国家重点研发计划课题 0309901

      国际海域资源调查与开发“十三五”项目 DY135⁃S1⁃01

      作者简介:

      张霄宇,女,副教授,海洋环境和地球化学,E⁃mail: zhang_xiaoyu@zju.edu.cn

    • 中图分类号: P736.1 P595

    摘要: 洋中脊热液硫化物勘探技术的滞后,严重制约了对海底热液硫化物资源的勘探开发。以我国西南印度洋硫化物勘探合同区域采集的25个表层沉积物样品为研究对象,基于主量、微量和稀土元素检测数据,采用元素含量特征、相关性分析、元素对比值、特征元素三角图解,以及稀土元素分馏特征值等手段,开展沉积物热液信息研究。结果表明:样品所代表的大部分研究区域内主要为钙质生物沉积,部分样品元素地球化学特征受沉积物中玄武岩风化碎屑的影响,龙旂热液区的部分样品中表现出一定的热液迹象,稀土元素分馏特征和配分模式、(Al+K)⁃Mg⁃(Fe+Mn)三角图解可较好地指示热液活动。研究不仅为我国在西南印度洋的硫化物勘探提供基础数据参考,同时也是对海底热液硫化物勘探的沉积物地球化学找矿理论和方法的初步探索。

    English Abstract

    张霄宇, 陶春辉, 廖时理, 周建平, 李怀明, 滕国超, 黄大松. 西南印度洋洋中脊表层沉积物地球化学特征及其热液活动指示意义[J]. 沉积学报, 2020, 38(4): 727-736. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
    引用本文: 张霄宇, 陶春辉, 廖时理, 周建平, 李怀明, 滕国超, 黄大松. 西南印度洋洋中脊表层沉积物地球化学特征及其热液活动指示意义[J]. 沉积学报, 2020, 38(4): 727-736. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
    ZHANG XiaoYu, TAO ChunHui, LIAO ShiLi, ZHOU JianPing, LI HuaiMing, TENG GuoChao, HUANG DaSong. Elemental Geochemical Characteristics and Significance of Hydrothermal Signature in the Axial Sediments from the Southwest Indian Oceanic Ridge[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(4): 727-736. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
    Citation: ZHANG XiaoYu, TAO ChunHui, LIAO ShiLi, ZHOU JianPing, LI HuaiMing, TENG GuoChao, HUANG DaSong. Elemental Geochemical Characteristics and Significance of Hydrothermal Signature in the Axial Sediments from the Southwest Indian Oceanic Ridge[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(4): 727-736. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.085
      • 据初步估算,广泛分布于大洋中脊、岛弧和弧后盆地等不同构造环境、与海底热液活动相伴生的多金属硫化物总含量达到6×108 t,其中铜和锌金属量与陆地上已经发现的新生代块状多金属硫化物矿床相当,同时富含铅、金和银等贵金属元素[1]。近年来,随着对深海热液喷口生态保护需求的认识,未来洋中脊硫化物资源勘探将更关注非活动热液区。但是,非活动/埋藏型热液区不具备明显的羽状流找矿标志,传统的活动热液区羽状流的找矿技术不适用于该类型硫化物的找矿[2]。因此,发展新的勘查技术、构建有效的指标体系是目前海底热液硫化物资源勘探领域急需解决的问题。

        西南印度洋中脊与热点相互作用强烈[35]。岩浆供给、非岩浆活动的热源、特殊的构造环境以及热点等多种因素的共同作用使得西南印度洋脊热液活动和硫化物成矿作用非常复杂。2007—2010年,中国大洋矿产资源研究开发协会(China Ocean Mineral Resources R & D Association,COMRA)在西南印度洋脊组织了4个航次(大洋17A、19、20和21航次)共11个航段的海底热液活动调查,发现了8处热液区(点)[6]。2011年,在国际海底管理局第17次会议上,中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局签署了西南印度洋脊 1×104 km2的多金属硫化物勘探合同。

        有鉴于此,本次研究尝试基于陆地水系沉积物地球化学找矿的基本原理,选取了大洋40航次第3、4航段采集获得的25个电视抓斗海底沉积物样品进行主量、微量和稀土元素检测分析,开展了以下几个方面的研究:1)研究区域内沉积物类型分布特征和元素地球化学特征研究;2)研究区域内沉积物的物质来源探讨;3)研究区域内元素地球化学异常对热液活动的指示意义及地质作用分析。通过本次研究,一方面为我国在西南印度洋的硫化物勘探工作探索热液硫化物活动信息;同时,也为构建玄武岩和热液产物地球化学指标提供数据样本,以丰富海底热液硫化物沉积物地球化学找矿理论和方法研究的数据库。

      • 西南印度洋脊东起罗得里格斯三联点(Rodrigues Triple Junction,RTJ),西至布维三联点(Bouvet Triple Junction,BTJ),全长约8×103 km,是南极洲板块和非洲板块的重要分界线。西南印度洋脊为超慢速扩张洋脊,沿其走向从BTJ到RTJ在中央裂谷形态[7]、地壳厚度[8]、地形地貌特征[9]、地幔组成[1011]和岩浆活动[1214]等方面都具有明显差别。Gallieni转换断层是西南印度洋脊的重要边界,从Gallieni转换断层向东延伸到RTJ洋中脊裂谷水深增加,火山活动减少,地幔温度降低[3];向西至Indomed转换断层,是目前西南印度洋脊热液活动调查程度最高的海区。8~10 Ma以来该段洋脊经历了岩浆供给突然增加的过程,表现在脊轴和离轴区海底水深变浅,洋壳厚度明显比周边洋中脊区域增加。Crozet热点与西南印度洋脊的相互作用被认为是该段洋中脊异常增生的原因,但是热点与洋脊相互作用的方式和过程还存在较多争议[3]。2007—2009年,中国大洋调查航次在该段洋脊发现的6处热液区(点),不同热液区的硫化物各具地球化学特征,主要有以龙旂热液区硫化物样品为代表的富Zn型和富Fe型,50°24′ E热液区的富硅沉积物,以及长白山热液区碳酸盐沉积物。已有的热液硫化物数据为本次研究提供了背景参考。

        2016年4月19日至6月2日,大洋40航次第三、四航段在西南印度洋洋脊合同区域开展了硫化物资源勘探,并通过电视抓斗采集海底沉积物样品。本次研究共挑选了25个表层沉积物样品(图1),实际站位经纬度和现场观察记录见表1。根据样品的地理位置,将样品分为四组(表1),其中S2组最接近或者位于龙旂热液区。

        图  1  采样位置示意图

        Figure 1.  Sampling locations

        表 1  样品采样位置和现场观察记录

        Table 1.  Sampling locations and field observation record

        分组 编号 定名 基本属性
        S1 XY02 灰白色粉砂质含有孔虫软泥 灰白色粉末状沉积物,较为致密,无明显大颗粒,粉砂状,镜下观察为有孔虫。
        XY03 白色钙质硅酸盐软泥 灰白色沉积物,颗粒较细,有一定黏度。不含有孔虫等生物质成分,致密土块状,易成粉末。
        XY07 灰白色有孔虫砂 白色松散沉积物,主要成分是有孔虫,粒径较大,主要在0.1~0.2 mm之间。含黑色火山玻璃的黑色玄武岩碎屑,玄武岩碎块粒径为0.5~5 cm,气孔状构造发育,并可见少量的灰色玄武岩火山玻璃,火山玻璃为油脂光泽,贝壳状断口。
        XY08 白色钙质有孔虫软泥 白色黏土状沉积物,颗粒极细,肉眼无法分辨。黏度较高,遇盐酸完全溶解,主要成分是钙质。
        XY09 灰黄色含生物碎屑的钙质沉积物 灰黄色,弱黏性,半流动,含砾钙质沉积,砾石为隐晶质,有大量生物碎屑,如珊瑚、有孔虫壳体、双壳累壳体等。含玻璃质的黑色玄武岩碎块,成块状,粒径在3~4 cm之间,发育有气孔和杏仁构造,隐晶质,少量玻璃质,可见贝壳状断口和油脂光泽。
        X10 灰黄色含生物碎屑的钙质沉积物 灰黄色。弱黏性,半流动,含砾钙质沉积,砾石为隐晶质,有大量生物碎屑,如珊瑚、有孔虫壳体、双壳累壳体等。灰白色钙质软泥。灰白色,强黏性,遇盐酸几乎完全溶解,主要成分为有孔虫
        XY11 灰白色有孔虫 软泥 灰白色,较为疏松。粒径在0.1 mm左右,较为均匀,成分为有孔虫,含少量玄武岩碎屑,粒径在0.5~5 mm之间。
        XY15 灰白色钙质软泥 灰白色松散沉积物,黏度一般,主要成分是有孔虫壳体,并含有较多的火山碎屑成分。
        XY25 浅褐色钙质软泥 浅褐色沉积物,无气味,弱黏性,分选性好,主要成分为有孔虫,含少量的火山岩石碎屑。
        S2 XY13 灰白色有孔虫 软泥 松散沉积物,黏性较小,主要为有孔虫壳体,粒径在0.2~0.5 mm之间,并含有少量碎屑
        XY16 灰白色钙质软泥 灰白色松散沉积物,黏度一般,主要成分是细砂,生物质成分,并含有丰富的有孔虫壳体。
        XY18 灰白色钙质软泥 灰白色沉积物,黏度较大,主要成分为有孔虫壳体,并含有少量的火山碎屑玻璃和生物壳体。
        XY19 灰白色钙质软泥 灰白色沉积物,强黏性,有生物遗迹,主要成分是有孔虫壳体。
        XY20 灰白色钙质软泥 灰白色沉积物,粒度极细,强黏性。
        XY21 灰黑色钙质软泥 主要成分为有孔虫壳体,粒径在0.2~0.5 mm之间,弱黏性。
        XY22 灰黑色火山碎屑钙质软泥 沉积物为黑白色,质地较软,主要成分为有孔虫壳体。
        XY23 灰黑色玄武岩 碎屑 碎屑呈菱角状,粒径从毫米级到2厘米不等,磨圆度较差。
        XY24 绿泥石化玄武岩 岩石蚀变程度较高,表面可见大量绿泥石,可见一些红褐色氧化带。
        S3 XY12 灰白色钙质中 粗砂 灰白色沉积物,极为松散,粒径大约为1 mm,遇盐酸剧烈起泡,为钙质沉积物。
        XY14 灰白色钙质软泥 沉积物灰白色,较为松散,弱黏性,有丰富的有孔虫壳体,并含有少量的火山岩碎屑。
        XY17 灰白色钙质黏土 灰白色松散沉积物,主要成分为有孔虫颗粒,含有少量岩石碎屑,其中大部分碎屑已经蚀变。
        S4 XY01 灰色有孔虫钙质软泥 较为松散的灰色沉积物,弱黏性,98%为有孔虫壳体,粒径均匀。
        XY04 灰白色钙质软泥 灰白色沉积物,黏度较小,颗粒感明显。
        XY05 灰白色钙质软泥 颗粒细腻,有明显黏度。
        XY06 灰色粉砂质有 虫钙质软泥 灰色粉砂质沉积物,较疏松,无明显的大颗粒,弱黏性。
      • 样品检测前在室温下解冻,并于40 ℃下烘干。取5 g左右干样,剔除肉眼可见大颗粒岩石风化碎屑,用玛瑙杵仔细研磨至200目以下,以备烧失量、主量元素、微量元素和稀土元素的测定。

        研磨后的样品在1 000 ℃下加热6 h,根据加热前后样品质量上的变化得到烧失量。主量元素采用X荧光光谱法(X⁃ray Fluorescence,XRF)测定。将样品加入含硝酸锂(LiNO3)的助熔剂,充分混合后高温熔融。熔融物倒入铂金模子形成扁平玻璃片后,采用X荧光光谱仪(PANalytical Axios Max)检测,准确度控制相对误差(RE)为5%,精密度控制相对偏差(RD)为10%。微量元素采用电感耦合等离子发射光谱法(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry,ICP⁃OES)检测。样品用四酸(即HNO3⁃HClO4⁃HF⁃HCl)消解法消解后,蒸至近干后用稀盐酸溶解定容,再用ICP⁃OES(Varian VISTA)分析,控制相对误差(RE)为10%,控制相对偏差(RD)为10%。稀土元素测定使用电感耦合等离子体质谱法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,ICP⁃MS)。将样品加入偏硼酸锂/四硼酸锂(LiBO2/Li2B4O7)熔剂,混合均匀,在1 025 ℃以上的熔炉中熔化。熔液冷却后,用硝酸、盐酸和氢氟酸定容,再用ICP⁃MS(Perkin Elmer Elan 9000)分析,准控制相对误差(RE)为10%,控制相对偏差(RD)为10%。各项检测结果见表2表3

        表 2  主量元素含量(wt.%)

        Table 2.  Content of major elements (wt.%)

        编号 Al2O3 CaO K2O MgO Na2O SiO2 SO3 TFe2O3 MnO TiO2 LOI
        XY01 0.42 52.5 0.09 0.12 0.61 1.88 0.16 0.32 0.03 0.01 43.16
        XY02 1.06 49.9 0.18 0.29 1.16 4.18 0.27 0.55 0.04 0.04 42.24
        XY03 1.59 49.1 0.28 0.49 0.87 5.73 0.20 0.86 0.03 0.07 40.75
        XY04 2.67 45.8 0.16 1.29 1.44 8.63 0.22 2.05 0.07 0.27 37.42
        XY05 0.96 50.6 0.14 0.23 0.76 3.44 0.21 0.56 0.03 0.04 42.37
        XY06 0.26 52.4 0.07 0.19 1.02 1.44 0.24 0.22 0.03 0.01 43.95
        XY07 0.26 53.2 0.07 0.17 0.98 0.91 0.19 0.24 0.03 0.01 43.96
        XY08 1.02 50.2 0.17 0.26 1.04 4.11 0.26 0.53 0.03 0.04 42.28
        XY09 0.70 51.3 0.10 0.47 0.89 2.33 0.29 0.53 0.06 0.04 43.1
        XY10 1.73 48.6 0.24 0.59 1.16 6.04 0.25 0.98 0.04 0.08 40.21
        XY11 0.92 50.9 0.14 0.25 0.84 3.40 0.21 0.54 0.02 0.04 42.38
        XY12 0.30 52.3 0.07 0.50 0.94 1.56 0.20 0.44 0.04 0.02 43.6
        XY13 0.48 51.8 0.12 0.23 1.06 1.99 0.22 0.60 0.03 0.02 43.51
        XY14 0.23 52.1 0.07 0.41 1.00 1.14 0.21 0.28 0.02 0.01 44.09
        XY15 2.40 48.7 0.11 0.74 0.67 6.66 0.16 1.30 0.04 0.10 38.96
        XY16 0.56 51.9 0.11 0.21 1.04 2.03 0.25 0.46 0.03 0.02 43.48
        XY17 1.16 49.6 0.16 0.85 0.88 4.44 0.21 0.97 0.05 0.09 41.15
        XY18 1.03 49.7 0.17 0.32 1.10 4.18 0.28 0.70 0.02 0.04 42.43
        XY19 1.13 50.3 0.25 0.36 0.77 4.54 0.19 0.79 0.02 0.06 41.65
        XY20 1.20 48.8 0.21 0.34 1.20 5.02 0.29 0.82 0.04 0.05 41.78
        XY21 3.66 39.3 0.16 3.09 1.04 14.71 0.19 3.57 0.07 0.30 33.88
        XY22 10.67 12.20 0.49 8.29 5.01 35.30 0.10 7.46 3.87 0.71 16.06
        XY23 10.02 26.8 0.14 4.39 2.00 29.90 0.25 7.27 0.38 0.85 17.13
        XY24 10.50 17.20 0.12 6.97 1.94 38.53 0.33 10.17 0.15 1.02 12.55
        XY25 1.59 48.3 0.19 0.48 1.14 5.63 0.25 1.46 0.16 0.08 40.74

        表 3  微量元素和稀土元素含量(×10-6

        Table 3.  Contents of trace elements and rare earth elements (×10-6

        编号 XY01 XY02 XY03 XY04 XY05 XY06 XY07 XY08 XY09 XY10 XY11 XY12 XY13 XY14 XY15 XY16 XY17 XY18 XY19 XY20 XY21 XY22 XY23 XY24 XY25
        As 2.3 2.2 1.9 3.1 2.1 2.2 2.4 3.2 3.1 1.8 2 2.3 3.1 2.3 2.4 2.9 2.4 2.9 1.8 3.6 2.2 3.7 10.8 1.8 5.4
        Ba 302 443 382 77.1 334 209 42.7 451 174.5 504 364 21.2 146.5 45 130 205 391 457 370 536 306 376 88.8 95.5 145
        Co 6 4.9 5.8 12.4 5.6 6.7 6.2 4.8 25.4 5.3 5.3 12.1 5.8 7.1 8.6 4.9 9.8 5.4 5.4 6.4 15.6 45.1 124.5 41.4 45.9
        Cr 5 30 15 36 9 4 4 26 7 18 8 27 9 18 18 9 55 10 10 11 69 167 145 188 19
        Cs 0.21 0.4 0.73 0.25 0.33 0.13 0.13 0.4 0.25 0.49 0.32 0.12 0.24 0.11 0.21 0.25 0.39 0.4 0.62 0.5 0.33 0.78 0.13 0.15 0.32
        Cu 17.1 26.4 28.5 24.8 26.6 13.7 7.3 26.3 9.6 22.7 25.2 9.9 11.8 9.8 20.5 15.2 27.6 34.3 11.5 39.1 151 101 42.2 197.5 28.3
        Ga 1.5 1.6 2.5 3.2 1.4 0.5 0.6 1.6 1 2.2 1.4 0.6 0.9 0.5 2.1 0.9 2 1.5 2.1 1.9 5.2 13.2 11.2 13.5 2.1
        Mo 0.14 0.18 0.08 0.15 0.17 0.16 0.17 0.21 0.59 0.2 0.14 0.31 0.15 0.15 0.16 0.16 0.58 0.16 0.1 0.19 1.02 27.1 2.8 0.33 0.77
        Nb 0.5 0.9 1.5 0.9 0.8 0.5 0.4 1 0.8 1.2 0.8 0.5 0.5 0.3 0.9 0.5 0.9 0.9 1.1 1 0.9 0.7 3.9 1.3 1.9
        Ni 7.6 11.5 12.9 20.8 9.2 6.3 5.4 10.6 9.5 12.8 8.2 18.5 7.1 14.4 10.6 6.7 44.2 8.5 8.3 10 39.7 175 72.3 92.9 25.6
        P 190 240 380 200 190 170 90 250 200 290 190 110 120 120 150 180 300 290 350 330 340 320 570 470 200
        Pb 3.1 3.7 3.6 6.7 4.2 2.9 3 3.9 9.4 3.2 3.3 4.8 3.4 3.7 4.4 3.8 4.4 3.7 2.8 4.9 6 3.6 35.3 4.7 26.2
        Rb 3.3 7.3 12.3 3.9 5.6 2 2.3 7.3 4 9.1 5.7 1.8 4.2 1.8 4.1 4 6.2 6.9 10.7 8.6 5.4 7.8 3.1 2.8 6.6
        Sb 0.19 0.32 0.19 0.22 0.1 0.49 0.11 1.17 0.2 0.19 0.09 0.18 0.13 0.11 0.14 0.08 0.18 0.12 0.14 0.18 0.16 2.12 0.6 0.19 0.53
        Sc 1.5 1.9 3 5.8 2 1.4 1.2 1.9 1.6 2.5 1.6 1.4 1.6 1.2 3.8 1.5 3.6 2.1 2.5 2.8 11.3 24.2 22.4 29.2 3
        Sr 1 426 1 552 1 625 1 189 1 431 1 395 1 285 1 656 2 139 1 396 1 445 1 249 1 295 1 247 1 249 1 370 1 313 1 679 1 541 1 772 1 153 378 984 424 1 240
        Th 0.69 1.06 1.65 0.71 0.86 0.48 0.42 1.12 0.93 1.18 0.87 0.48 0.6 0.47 0.58 0.64 1.08 0.99 1.21 1.19 0.7 0.29 1.34 0.36 1.17
        U 0.19 0.25 0.6 0.17 0.23 0.12 0.1 0.29 0.48 0.37 0.2 0.11 0.19 0.11 0.18 0.2 0.28 0.29 0.59 0.4 0.36 0.22 0.5 0.43 0.28
        V 7 11 18 48 11 4 4 12 14 19 11 7 8 5 33 9 19 14 14 17 74 149 189 247 25
        Y 9.5 10.2 14 11.3 8.1 8 4.9 10.8 7.7 11.2 7.9 6 7.7 6.9 6.7 7 14 10.4 10.1 12.4 15.6 19.4 22 29.3 6.7
        Zn 11 18 23 25 14 10 8 15 13 21 14 11 15 9 17 12 18 16 15 18 84 84 73 118 30
        Zr 7 10 15 23 9 4 4 11 7 15 9 4 7 4 11 6 14 9 14 11 23 39 57 63 18
        La 5.7 6.8 10 5.2 5.4 4.8 3.3 7.1 6.2 7.4 5.4 5.4 4.4 4.4 3.8 4.4 8 6.8 6.6 8.3 5.5 2.7 7.6 3.4 5.8
        Ce 6.2 7.8 11.7 10.2 6.7 5.4 5 8.2 10.9 8.7 6.6 7 5.3 6.1 6.5 5.8 9.6 7.3 8.7 9.1 7.3 6.4 25.6 8 22
        Pr 1.3 1.54 2.19 1.28 1.15 0.97 0.64 1.58 1.26 1.56 1.11 0.89 0.83 0.87 0.82 0.86 1.82 1.39 1.36 1.76 1.32 1 2.03 1.31 1.22
        Nd 5.1 6 9 5.5 4.6 4.1 2.5 6.1 5.4 6.5 4.9 3.6 3.6 3.6 3.4 3.7 7.4 5.8 5.4 7.4 5.9 5.3 9.4 7.6 4.4
        Sm 1.1 1.33 1.9 1.44 0.97 0.96 0.55 1.31 1.03 1.33 1.02 0.73 0.77 0.85 0.94 0.75 1.68 1.31 1.18 1.44 1.58 1.84 2.75 2.74 0.96
        Eu 0.2 0.29 0.45 0.39 0.23 0.2 0.14 0.29 0.22 0.3 0.23 0.16 0.18 0.18 0.19 0.18 0.4 0.31 0.25 0.36 0.44 0.64 0.87 0.95 0.21
        Gd 1.3 1.35 1.87 1.72 1.03 1 0.63 1.46 1.03 1.53 1.05 0.77 0.87 0.93 0.91 0.81 1.89 1.38 1.11 1.57 1.95 2.57 3.39 3.78 0.99
        Tb 0.2 0.2 0.3 0.27 0.16 0.15 0.1 0.21 0.16 0.23 0.16 0.12 0.14 0.14 0.16 0.13 0.3 0.22 0.18 0.25 0.35 0.47 0.56 0.7 0.16
        Dy 1.3 1.29 1.78 1.61 1.02 0.99 0.62 1.31 0.96 1.48 1.01 0.76 0.88 0.87 0.97 0.85 1.82 1.27 1.14 1.58 2.09 3.23 3.65 4.7 0.94
        Ho 0.3 0.28 0.38 0.36 0.22 0.21 0.14 0.3 0.2 0.33 0.23 0.17 0.2 0.19 0.21 0.19 0.4 0.28 0.25 0.35 0.47 0.71 0.78 1.03 0.2
        Er 0.8 0.76 1.08 1.04 0.61 0.61 0.4 0.86 0.56 0.9 0.66 0.48 0.59 0.55 0.61 0.53 1.12 0.8 0.73 0.96 1.37 2.02 2.19 3 0.58
        Tm 0.1 0.11 0.16 0.15 0.09 0.09 0.06 0.13 0.08 0.13 0.1 0.07 0.09 0.08 0.09 0.08 0.17 0.12 0.11 0.14 0.2 0.29 0.32 0.43 0.09
        Yb 0.7 0.68 1 0.97 0.58 0.57 0.38 0.82 0.5 0.85 0.64 0.45 0.58 0.52 0.58 0.49 1.09 0.76 0.71 0.89 1.29 1.84 2.1 2.76 0.58
        Lu 0.1 0.1 0.15 0.14 0.09 0.09 0.06 0.13 0.08 0.13 0.1 0.07 0.09 0.08 0.09 0.08 0.17 0.12 0.11 0.14 0.19 0.28 0.32 0.42 0.09
      • 研究区含量最高的主量元素是CaO,和LOI之和达28.26%~97.16%,平均值为84.65%,虽然XY22~XY24这3个样品中CaO和LOI含量相对较低,但CaO依然是含量最丰富的主量元素,可见钙质成分是这个区域沉积物中最主要成分。K2O、Na2O和SO3含量相关性较弱,含量范围分别为0.07%~0.49%、0.61%~5.01%和0.1%~0.33%,平均值分别为0.16%、1.22%和0.23%。而其他主量元素与CaO和LOI在含量上呈此消彼长的关系:其中SiO2的含量范围为0.91%~38.5%,平均值为7.91%;Al2O3的含量范围为0.23%~10.67%,平均值为2.26%;TFe2O3的含量范围为0.22%~10.17%,平均值为1.75%;MgO的含量范围为0.12%~8.29%,平均值为1.26%;TiO2的含量范围为0.01%~1.02%,平均值为0.16%;MnO的含量范围为0.02%~3.87%,平均值为0.21%;值得注意的是在站位XY22中MnO出现了异常高值3.87%。由此可将区域内沉积物可分为两种类型:1)富含CaO和LOI;CaO含量大于45%,研究区域内大部分沉积样品属于这一类型,主要包括样品XY01~XY20、XY25,表明样品所代表的区域以钙质生物沉积为主。2)富含Al2O3、MgO、SiO2、TFe2O3、MnO、TiO2;CaO和LOI含量较低,仅限于XY21~XY24等4个样品,其中XY21样品的CaO和LOI含量分别为39.3%和33.88%,虽然远远大于XY22~XY24等其他3个样品,但明显小于富钙质沉积样品,考虑到该样品中Al2O3、MgO、SiO2、TFe2O3、MnO、TiO2含量均显著高于富钙质沉积,因此认为XY21和XY22~XY24同属于富含碎屑的沉积样品。

      • 微量元素和稀土元素在不同的沉积物中也表现出显著的差异(表3图2):1)富钙质样品(XY01~XY20、XY25)由于受强烈的钙质生物稀释作用,大部分的微量元素和稀土元素的含量与大陆上地壳平均值(UCC)相比均表现为明显低值。只有Sr元素含量比大陆上地壳高4.5倍,表明Sr可以类质同象的形式存在于钙质矿物晶体。2)富碎屑沉积样品中(XY21~XY24),Co、Cu、Mo、Ni、Sb、Sc、U元素明显比大陆上地壳富集,尤其是Sb和U分别富集466.92倍和42.06倍;As、Pb元素含量与大陆上地壳相当;Ba、Cs、Ga、Nb、P、Rb、Sr、Th、V、Y、Zn、Zr和REE元素含量则表现为亏损。其中,表现为相比大陆上地壳富集或含量相当的金属元素,多为亲硫元素,而表现为亏损的,则多为亲石元素。

        图  2  样品的微量元素和稀土元素含量与大陆上地壳(UCC)[15]比较

        Figure 2.  Content of trace elements and rare earth elements in the sample compared with the continental upper crust (UCC)[15]

        对沉积物样品进一步采用因子分析划分其元素组合,以判断可能的物质来源,结果见表4。在F1主因子轴上,Al2O3、MgO、SiO2、TFe2O3、TiO2、LOI、Cr、Cu、Ga、Mo、Ni、Sb、Sc、V、Y、Zn、Zr元素具有正载荷值,而CaO和LOI具有负载荷值,显然该因子反映了碎屑风化沉积与钙质沉积此消彼长的关系。F1因子的方差贡献达41.51%,表明钙质沉积和碎屑风化沉积是控制研究区沉积物地球化学特征的主要因素。在F2主因子轴上,K2O、Ba、Cs、Nb、P、Rb、Sr、Th、U、Y、REE具有正载荷值,说明F2因子可能代表了来源于自生化学沉淀与碎屑风化沉积的共同作用。F3因子的元素组合为As、Co、Mn、Pb,可能代表了和热液有关的沉积因素。考虑F3因子的方差贡献仅有13.84%,初步判断热液作用对研究区域内沉积物的影响相对较小。F4因子的元素组合仅有Na2O和SO3,且其方差贡献仅有6.35%,判断可能部分代表海水残留这一因素。

        表 4  富钙质样品因子旋转载荷矩阵

        Table 4.  Factor rotating load matrix for calcium⁃rich samples

        主因子 F1 F2 F3 F4
        Al2O3 0.893
        CaO -0.954
        K2O 0.931
        MgO 0.977
        Na2O 0.750
        SiO2 0.936
        SO3 0.878
        TFe2O3 0.967
        TiO2 0.943
        LOI -0.941
        As 0.798
        Ba 0.775
        Co 0.955
        Cr 0.844
        Cs 0.977
        Cu 0.885
        Ga 0.914
        Mn 0.909
        Mo 0.623
        Nb 0.739
        Ni 0.725
        P 0.869
        Pb 0.979
        Rb 0.976
        Sb 0.66
        Sc 0.987
        Sr 0.685
        Th 0.970
        U 0.882
        V 0.964
        Y 0.628 0.616
        Zn 0.925
        Zr 0.787
        REE 0.788
        方差贡献/% 41.51 24.55 13.84 6.35
        累积方差贡献/% 41.51 66.06 79.90 86.25
      • Ti作为一种在沉积过程中相对稳定的主量元素,通常认为是碎屑源区的指标,用其作为标准化元素可以追踪其他元素在风化搬运沉积中的行为[1618]。本研究25个样品的Al/Ti值在8.58~43.33之间,平均值为20.20,与大陆上地壳平均Al/Ti值21.2[17] 和南海东北部泥质沉积的Al/Ti值18.50[19]接近,但样品之间的Al/Ti值明显出现分异(图3):

        图  3  研究区域内Si/Ti⁃Al/Ti(a)和Al/Ti⁃Zr/Ti(b)图解

        Figure 3.  Diagram of (a) Si/Ti⁃Al/Ti, and (b) Al/Ti⁃Zr/Ti in the study area

        XY04、XY17、XY21~XY24等6个样品的Al/Ti值在8.58~12.42之间,平均值为10.55,明显低于大陆上地壳和南海东北部泥质沉积,与SWIR玄武岩9.65十分接近[20]。其余样品则与大陆上地壳的比值相近,其中XY01样品的Al/Ti值为43.33,明显高于大陆上地壳和南海东北部泥质沉积。因此,根据Zr/Ti⁃Al/Ti与Si/Ti⁃Al/Ti,可以初步判定本次研究的25个表层沉积样品可能接受了陆源和西南印度洋中脊玄武岩风化产物,但是局部区域内沉积物中碎屑组分受陆源物质或玄武岩风化作用影响的程度存在着差异。

      • 考虑到研究区临近49.6° E热液喷口[21],并且部分样品的亲硫元素含量较高(如XY22~XY24样品的TFe2O3、MnO、Pb、Mo等元素),故须考虑热液活动的可能影响。本次研究采用了Al/(Al+Fe+Mn)<0.5(亦有文献认为应< 0.3)[20,22]作为判别富金属沉积物的指标(图4)。本次研究样品的Al/(Al+Fe+Mn)值在0.38~0.59之间,平均值为0.5,其中XY12和XY13具有极小值,分别为0.39和0.38;XY21~XY25样品均低于0.5。对比西南印度洋中脊49.6° E热液产物其Al/(Al+Fe+Mn)平均值0.01[20],大西洋中脊Rainbow区热液产物其Al/(Al+Fe+Mn)值在0.20~0.37之间[23],本次研究样品的Al/(Al+Fe+Mn)值明显较高。因此,对于部分Al/(Al+Fe+Mn)相对较低的样品,需要进一步分析探讨研究区域内部分样品可能存在热液沉积组分的输入。

        图  4  (Al+K)⁃Mg⁃(Fe+Mn)三端元模型图

        Figure 4.  (Al+K)⁃Mg⁃(Fe+Mn) tripartite model diagram

        根据前述Zr/Ti⁃Al/Ti与Si/Ti⁃Al/Ti判断,部分样品如XY04、XY17、XY21⁃XY24中碎屑组分可能主要来源于西南印度洋中脊玄武岩的风化作用,而样品的Al/(Al+Fe+Mn)也接近研究区玄武岩值0.46[20],因此判断部分样品很可能继承了碎屑组分。本次研究选取玄武岩、橄榄石斑晶和热液沉积物的投影点作为构建(Al+K)⁃Mg⁃(Fe+Mn)三端元模型[22,24]的顶角点,同时将平均大陆上地壳[5]、研究区的玄武岩[20]和橄榄石斑晶[25]、Carlsberg海岭含热液组分的钙质沉积[22]作为参照物一起投影,认为在这个三角形区域内的样品受热液影响。结果显示,大多数样品都围绕在西南印度洋中脊玄武岩和平均大陆上地壳的投影点之间,表明这些样品基本不受热液影响;XY21、XY22、XY24这3个样品的投影落在热液影响的三角形区域内,并且均更加靠近西南印度洋中脊玄武岩的投影点,指示这部分样品可能受到一定程度热液作用的影响。

      • 研究区域内稀土总量∑REE在(14.52~61.56)×10-6之间,平均值为28.71×10-6表5),远低于大陆上地壳的稀土总量[15],略低于研究区内洋中脊玄武岩[20],略高于N型洋中脊玄武岩(N⁃MORB)的稀土元素[26],明显高于同研究区内的热液沉积[20]。∑LREE/∑HREE值在1.43~9.53之间,平均值为4.66,除了个别样品(XY01的∑LREE/∑HREE值为9.53),总体上样品的轻重稀土分馏程度明显低于大陆上地壳,但高于热液沉积和洋中脊玄武岩。δCe的变化范围在0.53~1.93之间,平均值为0.76;δEu的变化范围在0.94~1.35之间,平均值为1.07,指示除了个别样品,总体上呈明显的Ce负异常,而Eu异常不明显。样品的这些稀土元素特征参数与大陆上地壳、研究区内的玄武岩、热液沉积相比,往往某个参数比较接近,但其他参数又相差较大,指示稀土元素可能具有多源性,其他不同来源的稀土元素分馏特征掩盖了研究区域内的热液影响。

        表 5  稀土元素的特征参数

        Table 5.  Characteristic parameters of rare earth elements

        特征参数 ∑REE(×10-6 ∑LREE/∑HREE δCe δEu 数据来源
        本研究样品 最大值 61.56 9.53 1.91 1.35 本研究
        最小值 14.52 1.43 0.53 0.94
        平均值 28.71 4.66 0.76 1.07
        SWIR玄武岩 60.63 1.98 1.15 1.44 王振波等[20]
        N⁃MORB 39.11 1.32 0.88 1.49 韩宗珠等[26]
        UCC 148.14 9.33 0.98 1.09 Rudnick et al.[15]
        SWIR热液沉积 4.36 2.99 0.52 8.1 王振波等[20]

        样品的稀土元素PAAS配分模式见图5,整体上呈LREE左倾HREE相对平缓的特点,与N型洋中脊玄武岩相似,表明样品的稀土元素与下伏的玄武岩存在密切关联。但是除了XY22和XY24样品,大部分样品均与N型洋中脊玄武岩的Ce异常有明显差异。

        图  5  研究样品PAAS配分模式(PAAS数据参考[13]

        Figure 5.  REE concentration for the Mariana Trough normalized to shale and plotted versus atomic number

        其中XY23和XY25有明显的Ce正异常,并且XY25稀土元素配分模式表现为右倾,说明不同样品之间Ce的分馏特征有较大差异。一般认为,氧化还原环境的改变,如深海底层流的改造作用可能加大Ce负异常;沉积物中混入Mn微结核之类颗粒也可导致Ce正异常。鉴于研究区为大洋中脊的地质背景,不太可能发育锰微结核,同时有研究指出西南印度洋中脊玄武岩δCe值大于1[20],因此推测XY23和XY25这两个样品主要继承了下伏玄武岩的δCe特征,受底层流的改造作用较小。典型的热液流体及热液沉积通常具有较高的Eu正异常,本次研究中个别样品XY21⁃XY24存在一定程度的Eu异常,但异常程度明显低于研究区内的热液沉积,而更接近于其下伏玄武岩(表5),因此,可能更多的是继承了其下伏玄武岩的Eu异常特征,而沉积物沉积过程中(或者沉积期后)热液组分输入的迹象并不显著。

      • 本次研究经过对沉积物中主量、微量和稀土元素的地球化学特征分析,探讨了研究区域内沉积物可能的物质来源,以判断沉积物中可能的热液活动迹象。研究表明:本次研究的25个表层沉积样品中的碎屑组分,可能同时接受了陆源物质和西南印度洋中脊玄武岩风化的共同作用,并且在局部区域内沉积物受陆源物质或玄武岩风化作用的影响,不同站位的影响程度存在着差异。局部区域,主要是XY⁃21、XY⁃22和XY⁃24站位的沉积物样品可能受较轻程度的热液影响。但是鉴于与下伏的玄武岩在稀土元素继承关系,这3个样品中可能存在的热液活动迹象还有待于进一步商榷。以往研究认为,稀土元素会随着热液流体的扩散从海水中进入热液沉积物,因此,∑REE/Fe值随热液流体远离喷口而增加。XY21和XY22这两个样品其∑REE/TFe2O3值分别为3.92和4.01,因此这两个样品可能确实受到热液流体扩散的影响。虽然与XY22样品采样位置完全相同, XY24样品的∑REE/TFe2O3值为8.47,是XY22样品的2倍,并且稀土元素配分曲线与玄武岩几乎重合,因此判断XY24样品表现出来的热液特征极有可能仅是继承源岩。

        由此可见,研究区域内表层沉积物内元素地球化学特征受到不同物质来源的深刻影响,在热液活动区域的部分沉积物样品中存在热液活动迹象,但是热液作用的影响程度和范围还需要更多的详细调查研究。

      • 1)建议根据西南洋中脊构造特点和热液硫化物形成的相关机制,开展详细勘察的空间采样测网布局研究;2)进一步深入开展区域地球化学详查等基础工作,构建热液活动指标体系,以有效示踪沉积物中的热液活动迹象。

    参考文献 (26)

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