海洋学研究 >

2024 , Vol. 42 >Issue 1: 23 - 35

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2024.01.003

研究论文

太平洋深海富稀土沉积物的分类及成因

  • 王添翼 , 1, 2 ,
  • 董彦辉 2 ,
  • 初凤友 , 2, * ,
  • 石学法 3 ,
  • 李小虎 2 ,
  • 苏蓉 4 ,
  • 章伟艳 2
展开
  • 1.北京大学 地球与空间科学学院,北京 100871
  • 2.自然资源部第二海洋研究所 海底科学重点实验室,浙江 杭州 310012
  • 3.自然资源部第一海洋研究所 海洋地质与成矿作用重点实验室,山东 青岛 266100
  • 4.吉林大学 地球科学学院,吉林 长春 130000
* 初凤友(1964—),男,研究员,主要从事海底资源与成矿系统研究,E-mail:。

王添翼(1998—),男,吉林省双辽市人,主要从事深海富稀土沉积物研究,E-mail:。

收稿日期: 2023-03-24

  修回日期: 2023-05-16

  网络出版日期: 2024-05-11

基金资助

浙江省基础公益研究计划(LGF22D06004)

国家自然科学基金项目(U2244222)

国际海底区域资源环境评价项目(DY135-N1-1-01)

国际海底区域资源环境评价项目(DY135-G2-1-03)

收起

Classification and genesis of deep-sea REY-rich sediments in the Pacific Ocean

  • WANG Tianyi , 1, 2 ,
  • DONG Yanhui 2 ,
  • CHU Fengyou , 2, * ,
  • SHI Xuefa 3 ,
  • LI Xiaohu 2 ,
  • SU Rong 4 ,
  • ZHANG Weiyan 2
Expand
  • 1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
  • 2. Second Institute of Oceanography, Key Laboratory of Submarine Geosciences, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 3. First Institute of Oceanography, Key Laboratory of Marine Geology and Metallogeny, MNR, Qingdao 266100, China
  • 4. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130000, China

Received date: 2023-03-24

  Revised date: 2023-05-16

  Online published: 2024-05-11

Fold

摘要

深海富稀土沉积物广泛分布在西太平洋、东太平洋、东南太平洋、印度洋等地区。本研究对东太平洋克拉里昂-克里珀顿断裂带(Clarion-Clipperton Fracture Zone,简称CC区)的两个站位富稀土沉积物的矿物学与地球化学特征进行了分析,并收集了太平洋92个站位深海富稀土沉积物元素地球化学数据,依据地球化学特征,结合矿物组成,将太平洋深海富稀土沉积物分为富Al型、富Fe型、富Ba型等三个类型。富Al型富稀土沉积物广泛布在西太平洋地区,沉积物类型以沸石黏土为主,全岩Al2O3平均含量可达14.9%。富Fe型富稀土沉积物位于东太平洋海隆附近的东南太平洋和东北太平洋区域,沉积物中TFe2O3平均含量高达18.8%,部分样品呈现明显的Eu正异常,热液活动可能为稀土元素的富集提供了丰富的稀土元素及载体矿物。富Ba型富稀土沉积物主要分布于东太平洋CC区,沉积物类型主要是(含)硅质黏土,Ba平均含量可达8 092×10-6。高Ba含量指示了沉积物形成时期所在海域可能具有很高的初级生产力,这种环境条件形成了大量的生物磷灰石沉积,并与CC区渐新世以来强劲的底流耦合,进而增强了磷灰石的积累,促进了稀土的富集。

关键词： 太平洋; 富稀土沉积物; CC区

本文引用格式

王添翼 , 董彦辉 , 初凤友 , 石学法 , 李小虎 , 苏蓉 , 章伟艳 . 太平洋深海富稀土沉积物的分类及成因[J]. 海洋学研究, 2024 , 42(1) : 23 -35 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2024.01.003

Abstract

Deep-sea REY-rich sediments that are rich in lanthanides and yttrium (REY) extensively distributed in regions such as the Western Pacific, Eastern Pacific, Southeastern Pacific, and the Indian Ocean. This study analyzed the mineralogical and geochemical characteristics of deep-sea REY-rich sediments from two sites in the Clarion-Clipperton Fracture Zone (CCFZ) of the Eastern Pacific. Additionally, geochemical data on elements from 92 deep-sea REY-rich sediment sites across the Pacific were collected. Based on geochemical characteristics in conjunction with mineral composition, the Pacific deep-sea REY-rich sediments are categorized into three types: Al-rich, Fe-rich, and Ba-rich. The Al-rich type, prevalent in the Western Pacific region, primarily consists of zeolite clay, with an average whole-rock Al2O3 content reaching up to 14.9%. The Fe-rich type, found near the Eastern Pacific Rise in the Southeastern and Northeastern Pacific, exhibits a high average TFe2O3 content of 18.8%. Some samples within this type show a significant positive Eu anomaly, indicating that hydrothermal activity may contribute to the enrichment of REY and associated carrier minerals. The Ba-rich type, mainly located in the CCFZ of the Eastern Pacific, consists predominantly of (siliceous) clay, with an average Ba content of approximately 8 092×10-6. The elevated Ba levels suggest that the area of sediment formation may have experienced high primary productivity. This environmental condition likely resulted in extensive biogenic apatite deposition, which coupled with strong bottom currents in the CCFZ since the Oligocene, enhanced the accumulation of apatite, thereby promoting the enrichment of rare earth elements.

Key words： Pacific Ocean; REY-rich sediments; Clarion-Clipperton Fracture Zone

0 引言

稀土元素包括镧系元素和钇(rare earth elements and yttrium, REY),是一类关键性矿产资源,被广泛应用于高科技行业,素有工业维生素之称[1-2]。2011年KATO等[3]首次报道了太平洋部分地区的深海沉积物富含稀土元素。目前的研究[4]认为,形成海底富稀土沉积物的条件主要包括:构造稳定且水深超过碳酸盐补偿深度的深海盆地;陆源或生物碎屑输入量较小,沉积物类型主要为沸石黏土,沉积速率较低的区域;底流较强,且呈氧化环境的海底。富稀土沉积物中稀土元素的载体主要是生物磷灰石、铁锰氧化物等[5]。
矿产资源的形成时代与成因分类是勘探开发的基础,目前富稀土沉积物年代学研究成果较少,且大部分的研究还把不同类型的深海富稀土沉积物视为同一类型的矿产资源。石学法等[4]划分了4个主要的深海富稀土沉积物成矿带:西太平洋深海稀土成矿带、中-东太平洋深海稀土成矿带、东南太平洋深海稀土成矿带、中印度洋海盆-沃顿海盆深海稀土成矿带。KATO等[3]提出可以根据Fe的含量将富稀土沉积物分为富Fe和贫Fe两大类。厘清不同类型的富稀土沉积物在组成特征、时空分布特点、成因机制等方面是否存在差别,对深海稀土资源的勘探与开发具有指导意义。我国对于深海富稀土沉积物的勘探和研究横跨整个太平洋和印度洋,富稀土沉积物的分类问题显得尤为重要。
本研究收集整理了太平洋地区92个站位的3 330组元素地球化学数据[3,6⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-24],补充了东太平洋克拉里昂-克里珀顿断裂带(Clarion-Clipperton Fracture Zone,简称CC区)西部两个站位的沉积物柱状样矿物学和地球化学特征。基于元素共生组合及矿物组成差异,对太平洋地区不同海域的富稀土沉积物进行了成因分类,并总结其时空分布特征,希冀对深海稀土资源勘探工作提供支持。

1 样品与分析测试方法

按深海富稀土沉积物的∑REY大于700×10-6的标准[4],共搜集了来自太平洋的92个沉积物柱状样品,共3 330组地球化学数据。根据样品位置,结合已有的深海富稀土沉积物成矿带划分标准,将所有样品来源分为西太平洋、东太平洋、近东太平洋海隆(东南太平洋+东北太平洋)三个区域(图1)。各区域范围、水深、数据数量、稀土层埋深、∑REY平均含量等信息见表1。
图1 太平洋沉积物柱状样品位置图

Fig.1 Map of Locations for sediment samples from the Pacific Ocean

表1 富稀土沉积物样品基本背景信息

Tab.1 Basic background information of REY-rich sediment samples

区域名称 区域范围 水深/m 重力柱状
样品数/根		 地球化学
数据数量/组		 富稀土层位
∑REY含量范围/
(×10-6)		 ∑REY平均含量/
(×10-6)		 平均埋藏深度/m
西太平洋[3,6⇓-8,10,13,24] 120°E—160°W
0°—35°N		 >4 000 67 2 173 700~7 974 1 447 7.0
东太平洋[3,17,23] 120°W—160°W
20°N—20°S		 >4 500 22 756 700~2 114 1 049 5.8
近东太平洋
海隆[3,20,22]		 区域1:
130°W—160°W
15°N—45°N
区域2:
90°W—150°W
5°S—25°S		 >4 000 13 401 700~2 228 1 224 4.7
补充采集的现场富稀土沉积物柱状样位于东太平洋CC区,于2019年通过向阳红10号船采集,包括1站重力柱样品GC1901(154.97°W, 9.78°N,水深5 345 m,样品长400 cm)和1站箱式插管样品BC11(155.16°W, 9.51°N,水深 5 362 m,样品长36 cm)。沉积物类型以硅质黏土、含硅质黏土为主①(① 李小虎,董彦辉,李正刚,等.中国大洋54航次报告[R].2020: 154-226.)。
GC1901站和BC11站沉积物全部样品的前期处理与相关实验工作均在自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室完成。主量元素使用X射线荧光光谱法测定,执行标准为GB/T 14506.28—2010[25],相对误差小于5%。微量元素和稀土元素在超净实验室消解,采用ICP-MS方法测定,执行标准为GB/T 14506.30—2010[26],相对误差小于10%。沉积物全岩X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析采用荷兰X’Pert PRO X射线衍射仪,该仪器使用Cu靶辐射,管电压为45 kV,管电流为40 mA,扫描范围(2θ)为3°~35°,扫描速度为1.8°/min。使用蔡司Ultra 55场发射扫描电子显微镜进行观察,加速电压为20 kV,工作距离为25 mm,电流为1.0~2.0 nA。

2 结果

2.1 太平洋富稀土沉积物矿物学特征

西太平洋富稀土沉积物以(含)沸石深海黏土为主,其组成成分主要有黏土矿物、钙十字沸石、放射虫、微结核、鱼牙骨碎屑、硅藻,少见陆源碎屑、生物组分等物质。该地区富稀土沉积物的典型特征是富含钙十字沸石,一些样品中含量可以达到25%~40%[5]。
东太平洋CC区富稀土沉积物以(含)硅质黏土为主,矿物组成与西太平洋地区富稀土沉积物存在明显差异,含有大量硅质生物化石。其组成成分主要有黏土矿物、微结核、鱼牙骨碎屑、放射虫、硅藻,几乎未见沸石,偶见重晶石[17,27]。重力柱GC1901的全岩XRD结果表明,富稀土沉积物矿物组成主要为高岭石、伊利石、钠长石、蒙脱石和石英(图2a)。经淘洗后的矿物在扫描电镜下观察发现,放射虫约为60%,鱼牙骨碎屑约为15%,微结核约为 10%,还见少量重晶石颗粒,未见沸石(图2b)。
图2 东太平洋CC区GC1901站富稀土沉积物全岩XRD分析(a)及重矿物扫描电镜观察(b)结果

Fig.2 XRD analysis of bulk samples (a) and mineral scanning electron microscope observations (b) of REY-rich sediments (site GC1901) from CCFZ of the Eastern Pacific

近东太平洋海隆的富稀土沉积物以DSDP Site 319、DSDP Site 37、ODP Site 1215为典型[28⇓-30]。根据DSDP Site 319航次报告,在顶部0~9 m的富稀土层位可见大量铁氧化物,TFe2O3平均含量可达31%[28]。DSDP Site 37站在7~13 m埋深的富稀土层位沸石含量为10%~20%,并见较多以沸石为核心组成的大型铁锰结核[29]。ODP Site 1215站在4.5~22.5 m的富稀土层位,沉积物为深棕色,可见大量透明或棕色火山玻璃,并含有大量沸石,推测其为火山灰蚀变后的产物[30]。

2.2 太平洋富稀土沉积物元素地球化学特征

2.2.1 富稀土沉积物主、微量元素特征

西太平洋地区富稀土沉积物Al2O3含量相对较高,平均含量为14.9%,东太平洋与近东太平洋海隆地区分别为11.0%和10.1%(图3a)。西太平洋富稀土沉积物∑REY与MnO呈较弱的正相关性(图3b)。∑REY与TFe2O3、Ba几乎无相关性,在富稀土沉积物中TFe2O3含量范围为4.0%~9.5%,平均含量为6.6%(图3c);Ba含量范围为(207~1 074)×10-6,平均含量仅378×10-6(图3d)。
图3 不同地区沉积物主、微量元素与稀土元素含量比值关系图

Fig.3 Ratio relationship among major, trace elements and ∑REY in sediments from different area

在近东太平洋海隆区域,富稀土沉积物中∑REY与TFe2O3含量相关性明显(图3c),在非富稀土沉积物中TFe2O3平均含量为9.4%,而在富稀土沉积物中TFe2O3含量范围为6.6%~48.4%,平均可达18.8%,且TFe2O3含量与P2O5含量呈正相关性(图4)。该区域富稀土沉积物中,MnO、P2O5、CaO与∑REY均呈正相关性(图3b、3e、3f)。在富稀土沉积物中MnO平均含量为4.6%,P2O5平均含量为1.8%,明显高于非富稀土沉积物的MnO(平均含量1.8%)和P2O5(平均含量0.5%)。该区域Ba含量也相对较高,富稀土沉积物Ba平均含量为8 959×10-6(图3d)。
图4 不同地区富稀土沉积物P2O5含量与TFe2O3含量比值关系图

Fig.4 Ratio relationship between P2O5 and TFe2O3 of REY-rich sediments from different area

东太平洋地区∑REY与Ba含量呈正相关性,非富稀土沉积物中Ba平均含量为4 088×10-6,富稀土沉积物中Ba平均含量可达8 092×10-6(图3d)。∑REY与MnO、TFe2O3含量呈正相关性,非富稀土沉积物中MnO、TFe2O3平均含量分别为0.9%和6.0%,富稀土沉积物中MnO、TFe2O3平均含量分别为2.1%和7.7%(图3b、3c)。

2.2.2 典型富稀土沉积物柱状样主、微量元素特征

不同类型的富稀土沉积物在纵向剖面上有不同的变化特征。本研究选取了三个区域三个典型的且数据比较完整的沉积物重力柱样品,包括西太平洋的Core-C[6]、东太平洋的GC1901、近东太平洋海隆的S021GC17[20],用以分析不同区域富稀土沉积柱在剖面上的地球化学特征变化。
西太平洋地区重力柱Core-C总长3.1 m,样品从1.9~3.1 m为富稀土层位,∑REY范围为773×10-6~3 389×10-6[6]。纵向剖面上∑REY与Al2O3、Ba、TFe2O3含量的变化趋势相反(图5a)。在富稀土层位Al2O3平均含量为15.4%;在非富稀土层位Al2O3含量范围为16.2%~17.2%,平均含量为16.7%。Ba含量随深度增加逐渐下降,在富稀土层位Ba平均含量为450×10-6,在非富稀土层位其平均含量为1 352×10-6。在非富稀土层位TFe2O3波动较小,平均含量为8.0%;在富稀土层位TFe2O3含量范围为5.3%~8.2%,平均含量为7.2%。
图5 不同地区典型沉积物柱状样品的主、微量元素含量随深度的变化

Fig.5 Content variation of major and trace elements with depth in typical sediment samples from different area

东太平洋地区的GC1901重力柱从3.1~4.0 m为富稀土层位(图5b)。在整个柱状样中,TFe2O3含量随深度变化波动较小,范围为6.2%~7.6%,平均含量为7.0%,与∑REY的变化无相关关系。在富稀土层位Al2O3含量随∑REY上升而逐渐下降,在非富稀土层位其含量则稳定在13%~14%。在富稀土层位Ba含量范围为4 096×10-6~14 654×10-6,平均含量可达8 935×10-6;而在非富稀土层位其含量范围为3 952×10-6~6 241×10-6,平均值为4 883×10-6。
近东太平洋海隆地区的S021GC17样品,从顶部0 m至底部3.0 m均为富稀土层位[20](图5c)。∑REY范围为1 057×10-6~1 882×10-6,并随深度增加而增加。在富稀土层位,TFe2O3含量与∑REY变化趋势一致,TFe2O3含量范围为12.7%~16.3%,平均含量为14.3%。Ba含量与∑REY没有相关性,其平均含量较高,可达11 747×10-6,在2.0~2.6 m处有明显的低谷。Al2O3平均含量为10.9%,从顶到底含量逐渐下降,与∑REY变化趋势相反。

2.2.3 富稀土沉积物稀土元素特征

三个区域的富稀土沉积物稀土元素数据经澳大利亚后太古宙平均页岩(Post-Archean Australian Shale, PAAS)标准化后,配分模式较为类似,均呈现为中、重稀土相对富集,并且具有明显Ce负异常(Ce*)。东太平洋和近东太平洋海隆区域的部分样品具有更明显的Y正异常(图6)。
图6 不同地区富稀土沉积物稀土元素经PAAS标准化后配分模式图

(PAAS值引自文献[32]。)

Fig. 6 PAAS-normalized REY patterns of REY-rich sediments from different area

(PAAS values are from reference [32]. )

三个区域富稀土沉积物大部分呈轻微Eu正异常(Eu*),Eu*主要集中在0.9~1.3,与∑REY无明显相关性(图7a)。但近东太平洋海隆地区有3站的富稀土层位有较强Eu正异常(S021GC17, S028GC23, DSDP Site 597),平均可达1.8[20,22,31]。三个区域富稀土沉积物均有Ce负异常,随∑REY增加,Ce*值逐渐下降(图7b)。西太平洋富稀土沉积物Ce*平均值为0.4,东太平洋富稀土沉积物Ce*平均值为0.2,近东太平洋海隆富稀土沉积物的Ce*平均值为0.3。富稀土沉积物中Eu*与Ce*值并无明显相关性(图7c)。
图7 不同地区富稀土沉积物Eu*、Ce*与∑REY的关系及(La/Sm)N-(La/Yb)N比值关系图

Fig.7 The ratio relationship among Eu*, Ce*, and ∑REY,as well as (La/Sm)N-(La/Yb)N of REY-rich sediments in different area

(La/Yb)N和(La/Sm)N值可用来表示轻、中、重稀土分异程度[33],三个地区的富稀土沉积物具有相似的(La/Yb)N值(图7d),样品(La/Yb)N值的范围主要集中在0.4~0.8。近东太平洋海隆地区的三根重力柱样品Eu*值较高(Eu*>1.5),它们的富稀土沉积物具有相对更高的(La/Sm)N值,范围为0.6~1.2。西太平洋和东太平洋地区的富稀土沉积物(La/Sm)N值相对较低,范围集中在0.4~0.7(图7d)。总体而言,三个地区的重稀土元素富集程度无明显差别,近东太平洋海隆地区稀土沉积物相对更富集中稀土元素。

2.3 太平洋富稀土沉积物成矿年代

为了探讨富稀土沉积物的形成年代,搜集了14组深海钻探计划和大洋钻探计划 (Deep Sea Drilling Project/Ocean Drilling Program, DSDP/ODP) 的深海富稀土沉积物样品地球化学数据。根据DSDP和ODP航次研究报告[28⇓⇓-31,34⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-45]中的地层学年龄结果,各区域富稀土层位的形成年代有明显差别(表2)。
表2 太平洋各区域富稀土沉积物年代对比

Tab.2 Age comparisons of REY-rich sediments across various area of the Pacific Ocean

区域 站位 形成年代
西太平洋 DSDP Site 313 中中新世
ODP Site 869 早中新世
DSDP Site 170 晚渐新世
DSDP Site 311 早渐新世
DSDP Site 168 晚始新世
DSDP Site 68 晚始新世
东太平洋 DSDP Site 74 早中新世
DSDP Site 163 晚渐新世
ODP Site 1220 中渐新世-早中新世
ODP Site 1222 晚始新世-早中新世
近东太平洋海隆 DSDP Site 37 更新世
DSDP Site 597 更新世
DSDP Site 319 上新世-全新世
ODP Site 1215 始新世-全新世
西太平洋地区富稀土沉积物形成年代从晚始新世至中中新世,跨度较大;东太平洋地区富稀土沉积物形成时间较为集中,大致为晚始新世至早中新世之间的渐新世时期;相比于前两个地区,近东太平洋海隆富稀土沉积物形成年代则最近,绝大部分形成于5.3 Ma以来的上新世。

3 讨论

3.1 富稀土沉积物的类型划分及主要特征

根据西太平洋、东太平洋和近东太平洋海隆地区的富稀土沉积物矿物学与地球化学的分析结果,将太平洋深海富稀土沉积物划分为富Al型、富Ba型、富Fe型三类。富Al型富稀土沉积物主要位于西太平洋地区,分布范围大致为120°E—160°W,0°—35°N。该类型富稀土沉积物中黏土和沸石含量高(沸石含量大于25%),主要埋藏在0~13.0 m,平均埋藏深度为7.0 m。Al2O3含量高,平均含量为14.9%,最高可达19.3%;TFe2O3和Ba平均含量相对较低,TFe2O3平均含量6.6%,Ba平均含量仅378×10-6。
富Fe型富稀土沉积物主要位于近东太平洋海隆地区,按照站位分布可具体分为东北太平洋(130°W—160°W,15°N—45°N)和东南太平洋(90°W—150°W,5°S—25°S)两个区域(图1)。该类型富稀土沉积物主要为多金属软泥,可见大量铁锰氧化物。富稀土层埋藏深度较浅,平均埋藏深度为4.7 m,大部分沉积物表层就为富稀土层。TFe2O3含量较高,范围为6.6%~48.4%,平均可达18.8%,远超过远洋黏土中TFe2O3平均含量。富Fe型富稀土沉积物中Ba平均含量也较高,可达8 959×10-6,这可能是由于靠近海隆,热液活动向沉积物输入了大量的Ba。
富Ba型富稀土沉积物主要位于东太平洋地区,分布范围大致为120°W—160°W,20°N—20°S。该类型富稀土沉积物中Ba含量较高,沉积物主要为硅质黏土,少见沸石。富Ba型富稀土沉积物平均埋藏深度为5.8 m,∑REY平均含量为1 049×10-6,是∑REY含量最低的一类。TFe2O3平均含量为7.7%,Ba平均含量为8 092×10-6,Ba含量最高可达18 217×10-6。由于富Ba型富稀土沉积物主要分布于东太平洋海盆,该区域远离东太平洋海隆,并且TFe2O3含量较低,所以认为Ba并非来源于热液活动,而是由于高生产力环境导致的沉积物中Ba含量上升。

3.2 富Al型富稀土沉积物成因分析

西太平洋富Al型富稀土沉积物站位远离海隆地区和陆地,陆源物质和热液矿物输入较少,位于寡营养盐区域,初级生产力水平在地质历史时期也始终处于较低水平,沉积速率低,这为沉积物中稀土元素的再分配和富集提供了充足的时间[4]。该区域富稀土层形成的时期为晚始新世至中中新世[18,34⇓⇓⇓-38,43⇓⇓-46]。此类型富稀土沉积物中稀土元素的富集主要与磷酸盐组分有关[5,21,25,47-48]。被埋藏的鱼牙、鱼骨等生物磷灰石在漫长而复杂的地质过程中不断吸收稀土元素,从而导致了稀土元素的富集。对该区域沉积物中微结核、孔隙水的多项研究表明,微结核在成岩过程中会释放大量稀土元素进入孔隙水中,再重新分配进入生物磷灰石[9,47,49-50]。
富Al型富稀土沉积物的主要成分为沸石黏土,沸石含量占比可达25%~40%[5]。由于沸石常与稀土富集层伴生,沸石的成因也被认为是富稀土沉积物形成的环境条件之一[4]。沸石被认为形成于氧化环境下,是由火山物质水解后形成的自生矿物。深海沉积物中沸石可分为两种:钙十字沸石和斜发沸石,钙十字沸石常被认为形成时间更晚,富集于中新世以来的深海沉积物中,而斜发沸石被认为形成时间更早。在西太平洋地区的富稀土沉积物中钙十字沸石更为常见[5]。所以,以西太平洋地区为代表的富含沸石的富稀土沉积物,被认为形成于海底火山活跃的环境中,且形成时间较晚,水体为氧化环境且稳定[1]。
底流活动在西太平洋地区也十分强烈,南极底流带来了大量氧气,为深海富稀土沉积的发育提供了氧化环境[10],同时也加强了沉积物的分选[51],有利于将较重的鱼牙骨碎屑、微结核等稀土元素主要富集矿物保留在原地,以增加沉积物中此类矿物的相对丰度,从而为该区域稀土的富集提供充足的载体矿物。

3.3 富Fe型富稀土沉积物成因分析

近东太平洋海隆地区富Fe型深海富稀土沉积物形成时间相对较晚,主要集中于上新世,绝大部分形成年龄小于5.3 Ma[28⇓⇓-31]。在沉积时期,该区域富稀土沉积物站位的古地理位置靠近东太平洋扩张中心(图8),海隆频繁的热液活动可能为富稀土沉积物的形成提供了丰富的稀土来源或载体矿物,从而促进了富稀土层的形成[20,22]。KATO等[3]在2011年已经提出热液活动是稀土的重要来源。对该区域生物磷灰石的Nd同位素分析显示,存在明显的火山源特征[20],热液流体对稀土元素的富集过程可能产生了显著的影响。
图8 近东太平洋海隆富稀土沉积物站位古地理恢复图

(图件改绘自文献[30]。)

Fig.8 Paleogeographic reconstruction map of REY-rich sediment sites near the Eastern Pacific Rise

(Figure is modified from reference [30]. )

富Fe以及Fe的(氢)氧化物矿物(针铁矿等)是近东太平洋海隆富Fe型富稀土沉积物的主要特征。热液成因针铁矿等水合铁氧化物对P元素有较强的结合能力[52]。近东太平洋海隆地区富稀土沉积物样品中,TFe2O3含量与P2O5含量存在明显的正相关关系(图4)。不过这类沉积物中P来源的相关研究还很少,ZHOU等[20]指出本区P的富集可能是因为热液成因针铁矿结合了大量自生磷酸盐矿物,而非生物磷灰石的沉积。此外,Fe(氢)氧化物本身就有能力吸附大量稀土元素[53]。Fe(氢)氧化物和磷酸盐矿物提供了大量的稀土元素载体矿物,从而促进了REY富集。而部分富稀土沉积物中的Eu正异常现象,可能指示了热液不仅提供了丰富的载体,也会提供丰富的稀土元素来源。不过热液活动提供的稀土量还需要进一步评估,目前报道的数据中,只有少量站位具有明显的Eu正异常。

3.4 富Ba型富稀土沉积物成因分析

沉积物的Ba含量可指示古生产力繁盛程度[54⇓-56]。东太平洋GC1901站沉积物富稀土层位中Ba含量范围为(4 096~14 654)×10-6,平均值为8 935×10-6,明显高于非富稀土层位的Ba含量。随着Ba含量的上升,∑REY呈明显的上升趋势,而TFe2O3含量从顶至底几乎保持不变,这说明GC1901中的稀土受Fe、Mn等金属氧化物影响较小。稀土的富集很可能主要受到生物生产力因素控制,在高生物生产力时期生物繁盛,鱼牙等富磷的生物碎屑沉积量增加,促进了稀土元素的富集。
东太平洋地区富Ba型深海富稀土沉积物形成时代主要集中在渐新世时期[3,40,42-43,45,57]。结合太平洋板块运动轨迹与速度可知,太平洋板块逐渐向西北方向移动[39]。在渐新世初期,CC区西部位于东太平洋赤道南部约130°W—135°W,0°—5°S区域,在渐新世时期洋壳逐渐向西北移动,在渐新世晚期到达约145°W—150°W,0°—5°N区域,在渐新世时期形成的富稀土层跨越了东太平洋赤道[41]。
始新世-渐新世之交(Eocene-Oligocene Transition,EOT)是一个十分重要的气候转变时期,在此期间(34.1~33.6 Ma)地球气候从温室状态转变为冰室状态[58],并伴随一系列的气候事件:大气二氧化碳浓度大幅度下降;南极大陆边缘冰盖开始形成并逐渐扩张;深海氧同位素增加了约1.5‰;南极底层水形成,等等[59-60]。在EOT时期,南大洋形成的南极底层水穿过南太平洋到达东赤道太平洋地区,不仅增强了海底的氧化环境,还将携带的大量营养盐通过上升流运送至东太平洋表层海水[59]。南北两半球的变化并不同步,南半球高纬度地区的温度下降幅度更大,在赤道和北半球温度下降幅度较小,这导致了南北半球的温度差增加[61],从而加强了赤道对流[60]。东赤道太平洋地区生物生产力迅速增加[59]促进了鱼牙等生物磷灰石的积累,底层的氧化环境也促成Fe、Mn氧化物的形成,从而将海水中更多的稀土元素“清扫”进入沉积物中。同时,强烈的底流可能还增强了海底风化速率,硅质生物碎屑、黏土矿物等被搬离,而鱼牙、微结核等稀土元素载体矿物由于比重更大而保留至原地,这也促进了该地区富稀土沉积物的形成[51]。
总之,EOT事件后,来自南大洋的深层冷水改变了东赤道太平洋地区营养物质来源,东赤道太平洋的南极底层水产生的上升流可能为生物提供了营养物质,提高了生物生产力,使鱼类繁盛,从而积累了更多的鱼牙等生物磷灰石[58,62],有利于形成富稀土层。与此同时,在渐新世期间,较强的底流不仅形成了氧化的环境,也造成了非常缓慢的沉降速率或沉积间断,这样的环境条件促进了鱼牙、铁锰 (微) 结核等较重的矿物的形成与保存,为稀土元素提供了丰富的载体矿物。因此,东太平洋地区富Ba型富稀土沉积物,很可能形成于EOT事件后的赤道东太平洋的高生物生产力时期。

4 结论

太平洋深海富稀土沉积物在矿物学、地球化学特征上存在明显差异,可以分三种类型:富Al型、富Fe型和富Ba型。
1)富Al型富稀土沉积物主要分布于西太平洋,沉积物以沸石黏土为主,Al2O3平均含量为14.9%,稀土的富集可能主要受缓慢沉积速率控制。
2)富Fe型富稀土沉积物主要分布于靠近东太平洋海隆地区,沉积物类型主要为多金属软泥,TFe2O3平均含量高达18.8%,部分样品呈现明显的Eu正异常,具有热液流体的典型特征。热液活动可能一方面提供了Fe(氢)氧化物等赋存稀土元素的矿物,同时还直接向沉积物中输送了稀土。
3)富Ba型富稀土沉积物主要分布于东太平洋地区,特别集中于东太平洋CC区西部,沉积物主要为(含)硅质黏土,Ba平均含量可达8 092×10-6,该类型富稀土沉积物可能形成于高初级生产力环境条件下的渐新世时期。

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