文章信息
- 李诗颖, 吕士辉, 苏新, 陶春辉, 李怀明, 周建平. 2018.
- LI Shi-ying, Lü Shi-hui, SU Xin, TAO Chun-hui, LI Huai-ming, ZHOU Jian-ping. 2018.
- 西南印度洋龙旂、断桥热液区沉积物中重矿物空间分布特征及其意义
- Heavy-mineralogical distribution characteristics of seafloor sediments from Longqi and Duanqiao hydrothermal fields in Southwest Indian Ridge and their geological inferences
- 海洋科学, 42(2): 10-22
- Marine Sciences, 42(2): 10-22.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20160928001
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文章历史
- 收稿日期:2016-09-28
- 修回日期:2017-11-28
2. 国家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310036
2. The Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310036, China
海底热液硫化物作为现代海底热液成矿作用的主要产物[1], 富含多种有用金属, 不仅矿体富集程度高, 且成矿速率快, 单个硫化物矿床(矿体)的资源量可达数十至数百万吨, 对其进行合理勘探和研究成为国际科研一大热点。自1979年起, 在全球大洋中脊、弧后盆地和板内火山等不同构造环境中已经有170多处热液活动区被发现[2], 大部分分布于大洋中脊环境[3], 调查研究集中在太平洋和大西洋的快速和中慢速扩张洋中脊。作为超慢速扩张的西南印度洋脊, 热液活动调查起步较晚, 1998年, 日本的“Indoyo”航次首次在西南印度洋中脊(SWIR)进行了深潜调查, 才第一次证实了像SWIR这样超慢速扩张的洋中脊同样可以发育高温热液活动并形成块状硫化物烟囱体。2005年起, 我国在SWIR开展了一系列的热液调查活动, 于2007年采集到了热液硫化物碎块及烟囱样品; 2008—2009年在SWIR超慢速扩张洋中脊新发现6个海底热液活动区[1], 包括了世界上第一个以地幔岩为基底的热液沉积硫化物区, 此外, 还发现了约20 km的超大范围的新型碳酸钙白烟囱热液沉积区以及极难被发现的非活动的海底热液区[4]。
重砂找矿是一种传统而又成熟的陆地找矿方法[5-7], 具有大量的实测数据和成功案例, 广泛而又成功地运用在陆地勘探工作中[8-10]。目前国内外海底热液硫化物重砂找矿的工作虽已开展, 但多是直接套用陆地重砂找矿的相关规程, 适用于洋中脊热液硫化物的找矿原理并未完善, 相关研究成果也未见发表。本文以西南印度洋龙旂与断桥热液区洋底表层沉积物样品为研究对象, 开展了沉积物自然重砂矿物的相关研究, 探讨了沉积物的矿物组成特征与洋中脊热液活动之间的相关关系, 为洋中脊热液硫化物勘查重砂找矿工作提供一定的理论与工作基础。
1 研究区地质概况及取样位置本文沉积物样品采集区域位于SWIR中国硫化物合同区的中西部(图 1), 英多姆断裂带(46°E)与加列尼断裂带(52°20′E)之间脊段的49.5~50.5°E, 37~ 38°S区域, 总体水深较浅, 在1 800~2 000 m, 地形变化较为复杂, 断层陡坎大量发育(图 2)。根据前人调查显示, 在采集区域内已发现两个热液区, 分别是龙旂(49°39′E, 37°47′S)和断桥(50°24′E, 37°39′S)热液区[1], 其中龙旂热液区位于洋中脊小型非转换断层错断与中脊裂谷正断裂交汇点, 已查明的热液矿点分布在突起正地形周围, 水深2 000~3 000 m, 龙旂北侧为裂谷带, 南侧为洋脊山脉, 该区周围地形高低起伏不平, 玄武岩普遍出露, 构造裂隙发育; 断桥热液区位于洋脊轴部高地上, 水深较浅, 约为1 700 m左右, 周边地形较为平坦, 无断层或大断裂发育, 在该区未探测到明显的温度和浊度异常, 推测其可能处于非活跃期。
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图 1 研究区西南印度洋脊和热液活动区位置、研究区采样点及龙旂、断桥热液区位置 Fig. 1 Location map of the Southwest Indian Ridge (SWIR) and the hydrothermal activity field and Location map of the sampling sites, and Longqi and Duanqiao hydrothermal activity field |
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图 2 龙旂热液区沉积物中13种矿物指标含量分布图 Fig. 2 The distribution of 13 kinds of mineral in Longqi area |
本文采用双目镜鉴定法对研究区40件沉积物样品开展重矿物鉴定, 具体分析方法如下。
样品破碎:先将样品烘干, 然后用木锤进行敲打破碎, 再用研钵对胶结部分进行轻度研磨(不破坏矿物、岩屑原始大小), 细粒胶结部分可用手(戴胶皮手套)进行揉搓, 最终使黏土胶结的颗粒解体, 恢复各组分的原始颗粒大小。
淘洗:重砂淘洗是利用矿物比重的差异, 在水介质中借助外力使轻、重矿物分开的一种分离法。先将大淘洗盘装满水, 并在其中置一中淘洗盘盛尾砂, 然后将预淘洗的砂样倒入另一淘洗盘中, 双手握盘半浸于水中作回旋转动, 使重矿物沉聚盘底, 而轻矿物则聚集在砂的上部, 当轻矿物显著聚集时, 将盘微倾斜使轻矿物随水流带出盘外。如果尾砂中遗留的重矿物超出允许误差时, 则需将尾砂反复淘洗, 以提高重矿物的回收率, 最终需对淘洗样品的10%尾砂进行淘洗检查。
磁选:将样品放置在铝板上, 调节磁力开关, 根据分选矿物的磁性不同, 调节所需电流强度, 使铝板上的矿物与磁极轻轻接触或者轻轻擦过, 当磁极吸不到矿物时即移开铝板, 关闭开关, 使电磁性矿物落入盛样盘中, 如此操作反复吸选, 直到砂样中电磁性矿物全部被吸出为止, 若吸出来的电磁性矿物中仍夹带有较多的无电磁性矿物时, 则必须对选出的电磁性矿物进行反复重选。
样品的鉴定及定量:重砂矿物鉴定主要是在双目镜下进行, 根据矿物特征进行定性与定量, 先对矿物进行基本物理特征, 如颜色、晶形、条痕、光泽、透明度、包裹体等进行描述, 再对矿物粒度进行定形、定量, 最后采用数粒法对各类型矿物进行定量, 得出沉积物样品中的矿物颗粒数, 再根据沉积物分析重量计算出每千克沉积物中的矿物颗粒数, 即用矿物颗粒数除以分析重量再乘以1 000, 分析重量单位为g, 而重砂含量单位为颗/kg。
3 结果 3.1 沉积物重矿物特征 3.1.1 矿物总体特征经过双目镜下鉴定, 研究区沉积物样品中共鉴定出34种矿物, 包括辉石、橄榄石、磁铁矿、铬铁矿、黄铜矿、黄铁矿、阳起石、石英、白云母和石棉等。沉积物中分选出的各类矿物粒级以砂—粉砂级为主(粒径范围为0.01~0.1 mm), 矿物磨圆度普遍较低, 主要以棱角-次棱角状为主(详细鉴定特征见表 1)。
主要矿物 | 矿物特征 | 大小/mm |
单斜辉石 | 绿色, 浅绿色, 浅褐色, 棱角状, 少量为次棱角状。 | 0.1~0.3 |
斜方辉石 | 蔷薇色, 次棱角-棱角块状, 透明-半透明, 玻璃光泽。 | 0.05~0.2 |
褐帘石 | 褐黑色, 次棱角状, 半透明, 透明, 玻璃光泽。 | 0.1~0.5 |
黝帘石 | 浅褐黄色, 次棱角状, 半透明, 油脂光泽。 | 0.08~0.2 |
绿帘石 | 黄绿色, 次棱角块状, 次棱角-次圆粒状, 透明, 玻璃光泽。硬度为6。 | 0.05~0.25 |
透闪石 | 无色, 半自形柱状, 次棱角柱状晶内可见黑色包体, 透明, 玻璃光泽。次棱角柱状晶内可见黑色包体。硬度5~6, 比重2.9~3.0。 | 0.08~1 |
普通角闪石 | 墨绿色, 半自形柱状, 次棱角柱状圆角柱状, 个别蚀变严重, 透明, 玻璃光泽。 | 0.05~0.12 |
橄榄石 | 黄绿色, 黄色, 浅黄色, 棱角-次棱角状, 个别可见柱状, 透明, 玻璃光泽。 | 0.05~0.7 |
尖晶石 | 铁黑色, 八面体状, 块状, 不透明, 沥青光泽。 | 0.08~0.15 |
石榴石 | 粉色, 浅粉色, 个别桔红色, 棱角状-次圆粒状滚圆状, 晶体表面有赘生物, 透明, 玻璃光泽。 | 0.1~0.35 |
锆石 | 粉色, 浅粉色, 深粉色, 暗红色, 次圆-次滚圆粒状, 次棱角柱状, 粒状, 晶体表面粗糙, 凹坑常见, 有些晶内可见红色固相包体, 还有的晶内可见微小气液包体, 透明度低到高均可见, 弱金刚光泽-金刚光泽, 毛玻光泽, 或油脂光泽, 颗粒细小。 | 0.03~0.1 |
文石 | 无色, 棱角柱状, 棱角状, 长柱状, 透明, 玻璃光泽。 | 0.08~0.1 |
重晶石 | 无色, 白色, 淡黄色, 板柱状为主, 块状少量, 可见厚板状, 块状, 透明, 玻璃光泽。 | 0.1~0.3 |
刚玉 | 蓝绿色, 次棱角状, 半透明, 金刚光泽。 | 0.05~0.1 |
磁铁矿 | 黑色, 次棱角-次圆粒状, 棱角-次棱角状, 个别可见滚圆粒状, 大部分晶体表面有赘生物粘连, 不透明, 金属光泽。5.5~6, 比重4.9~5.2。 | 0.05~0.7 |
黄铁矿 | 浅铜黄色, 棱角状, 立方体状, 不透明, 金属光泽。 | 0.05~0.2 |
钛铁矿 | 黑色, 褐色, 褐黑色, 次棱角状, 次棱角-次圆粒状, 不透明, 金属光泽。 | 0.05~0.1 |
铬铁矿 | 黑色, 八面体状, 棱角状, 不透明, 金属光泽至强金属光泽, 硬度较大。 | 0.05~0.12 |
赤铁矿 | 砖红色, 次滚圆粒状, 块状, 不透明, 半金属光泽。 | 0.08~0.2 |
褐铁矿 | 褐红色, 次棱角状, 粒状, 不透明, 暗淡光泽。 | 0.08~0.2 |
黄铜矿 | 铜黄色, 棱角状, 不透明, 金属光泽。 | 0.05~0.2 |
火山玻璃 | 茶褐色, 次棱角状, 透明, 玻璃光泽。 | 0.05~0.18 |
阳起石 | 浅绿色, 厚板状, 块状, 不透明, 纤维光泽。 | 0.1~0.45 |
石英 | 无色, 次棱角状, 透明, 玻璃光泽。 | 0.1~0.25 |
白云母 | 通常呈板状或片状, 外形成假六方形或菱形。柱面有明显的横条纹。 | 无 |
石棉 | 浅绿色, 无色, 薄板状, 不透明, 纤维光泽。 | 0.1~0.4 |
本文沉积物样品采集区域内地形起伏变化较复杂, 地貌类型以海岭、海山、海丘、山间盆地、峡谷、裂谷及洼地为主, 且断层陡坎大量发育。洋底基岩以拉班玄武岩为主, 局部有少量辉长岩类、橄榄岩类出露, 区域内发现多处热液活动区。根据研究区实际地质、构造环境, 本文对研究区沉积物中主要矿物类型的来源[10-14]进行了归纳分析, 将其分为6种类型:洋底基岩碎屑矿物、基岩蚀变矿物、热液成因矿物、生物成因矿物、沉积成因矿物、多种成因矿物, 详细分析如下。
3.1.2.1 洋底基岩碎屑矿物研究区沉积物中该类矿物以棱角状-次滚圆状为主, 为洋底基岩的组成矿物(造岩矿物与副矿物), 经物理风化、剥蚀及短距离搬运沉积在研究区的负地形区域, 具体矿物如下。辉石(单斜辉石和斜方辉石)、橄榄石及铬铁矿:在研究区沉积物中普遍存在, 主要来自于洋底基性(玄武岩、辉长岩及辉绿岩等)及超基性岩(橄榄岩类)中。
火山玻璃:在研究区沉积物中普遍存在, 主要来自于洋底基性火山岩(玄武岩)。
石榴石、普通角闪石、尖晶石、锆石、刚玉与钛铁矿:在研究区沉积物中含量较少, 主要来自于洋底基性或超基性岩中。
3.1.2.2 基岩蚀变矿物该类矿物主要由洋底基岩受海水蚀变与热液蚀变作用影响而生成的次生矿物, 包括绿帘石、透闪石、阳起石、褐铁矿、白云母与石棉。
3.1.2.3 热液成因矿物该类矿物为热液硫化物矿体的风化产物及热液羽状流中矿物组份的结晶产物, 具体矿物包括如下。
黄铁矿:呈浅铜黄色、棱角状或立方体状, 具金属光泽, 与沉积物中典型自生黄铁矿(胶状球粒黄铁矿)有明显区别, 因此推测其为热液成因矿物。
黄铜矿:呈铜黄色、棱角状, 具金属光泽, 为热液硫化物矿体的主要组成矿物。
3.1.2.4 生物成因矿物研究区沉积物中该类矿物以文石为主, 无色透明, 棱角柱状、棱角块状或长柱状, 具玻璃光泽, 主要为生物骨骼或壳体碎屑。
3.1.2.5 沉积成因矿物研究区沉积物中赤铁矿呈砖红色, 次滚圆粒状或块状, 具半金属光泽, 未见板状、片状或菱面体的晶体, 因此推测其为沉积成因矿物。
3.1.2.6 多种成因矿物该类矿物具有多种成因类型, 镜下鉴定特征不足以确定其物质来源, 具体矿物如下。
黝帘石:具2种来源类型。(1)属洋底基岩碎屑矿物, 主要来自于洋底基性岩类(辉长岩、辉绿岩等); (2)属基岩蚀变矿物, 主要为洋底基岩中长石类矿物的蚀变产物。重晶石:呈无色、白色或淡黄色, 晶形以板柱状为主, 可见厚板状与块状, 具玻璃光泽, 其中, 结晶程度较好的重晶石(板柱状或厚板状)推测其为热液成因矿物, 而结晶程度较差的块状重晶石则可能为生物成因矿物。
褐帘石:具基岩蚀变矿物与热液成因矿物2种来源类型。
磁铁矿:具洋底基岩碎屑矿物与热液成因矿物2种来源类型。
3.2 重砂矿物分布特征根据上文对重砂矿物来源分析, 以及重砂鉴定数据初步分析情况, 本文选取了重砂、黄铜矿、黄铁矿、钛铁矿、橄榄石、石榴石、磁铁矿、铬铁矿、辉石、普通角闪石、帘石类矿物(黝帘石、绿帘石及褐帘石)、透闪石和赤褐铁矿共13种矿物指标, 在龙旂与断桥热液区的地形图上分别进行投图(图 2、图 3)。为了更直观地分析不同矿物的含量分布及其与矿源位置之间的关系, 本文对各测站重砂矿物含量进行分级, 含量从小到大分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级(详细见表 2), 其中黄铜矿和黄铁矿含量较低, 直接采用“有”和“无”进行区别, “有”即含有该矿物, “无”则没有出现该矿物, “—”代表没有该分级。
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图 3 断桥热液区沉积物中7种矿物指标含量分布图 Fig. 3 The distribution of 7 kinds of mineral in Duanqiao area |
矿物名称 | 重砂含量(颗/kg) | |||
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | |
重砂 | ≤758 | > 759, ≤1175 | > 1176, ≤1535 | > 1535 |
黄铜矿 | 无 | — | — | 有 |
黄铁矿 | 无 | — | — | 有 |
钛铁矿 | ≤20 | > 20, ≤50 | > 50, ≤100 | > 100 |
橄榄石 | ≤100 | > 100, ≤300 | > 300, ≤1000 | > 1000 |
石榴石 | ≤20 | > 20, ≤100 | > 100, ≤200 | > 200 |
磁铁矿 | ≤50 | > 50, ≤100 | > 100, ≤200 | > 200 |
铬铁矿 | ≤50 | > 50, ≤100 | > 100, ≤150 | > 150 |
辉石 | ≤50 | > 50, ≤100 | > 100, ≤500 | > 500 |
普通角闪石 | ≤50 | > 50, ≤100 | > 100, ≤400 | > 400 |
帘石 | ≤100 | > 100, ≤200 | > 200, ≤300 | > 300 |
透闪石 | ≤20 | > 20, ≤50 | > 50, ≤100 | > 100 |
赤褐铁矿 | ≤50 | > 50, ≤100 | > 100, ≤200 | > 200 |
研究区由龙旂区与断桥区2个热液区组成(图 2)。其中, 龙旂热液区位于洋中脊中央裂谷南侧, 该区具典型的洋中脊山脉地形地貌, 地势变化较大, 区内发育4条较大型山脊, 走向均为近东西向。根据前人研究成果(西南印度洋中国大洋航次硫化物资源勘察数据)可知, 龙旂热液区以及附近现有5个已探明热液矿点(图 2)。
将上文中选取的13种矿物指标分别进行投图, 并与已探明热液矿点位置进行对比可知(图 2), 沉积物中重砂总含量为872~1 869颗/kg, 且整体呈现距热液矿点越近, 含量越高的规律; 黄铜矿出现频率最低, 仅在TVG18站位沉积物中发现2颗; 黄铁矿主要出现在热液矿点周围区域, 含量范围为0~42颗/kg; 磁铁矿、铬铁矿、帘石类矿物在各站位沉积物中均有出现, 其分布具有离热液矿点越近、含量越高的规律, 其含量范围分别为8~766、3~201、3~378颗/kg; 透闪石出现频率较高, 主要出现在北部山脊处, 含量范围为0~148颗/kg。
其他矿物指标在研究区均无明显分布规律, 橄榄石与辉石类矿物在沉积物中普遍存在, 含量范围分别为0~645与14~970颗/kg; 石榴石出现频率较高, 含量范围在0~271颗/kg; 普通角闪石、钛铁矿和赤、褐铁矿出现频率较低, 其含量范围分别为0~345、0~166和0~243颗/kg。
综上所述, 该区域沉积物中重砂矿物类型丰富, 以洋底基岩碎屑矿物为主, 含大量基岩蚀变类矿物及少量热液成因矿物, 其中重砂总量、黄铁矿、磁铁矿、铬铁矿、透闪石及帘石类矿物的分布均表现出在热液矿点附近富集的现象; 黄铜矿在洋中脊环境中, 其成因类型为典型的热液成因矿物, 因此, 我们可以推断TVG18站位(沉积物中含黄铜矿)附近存在(未探明)热液矿点, 并对热液矿点的位置进行了推测: (1)TVG18站位位于北部山脊的北侧山坡中段位置, 根据沉积物的一般搬运方向(由地势高的位置向地势低的方向搬运), 可以推测热液矿点应位于该站位的南侧上坡位置; (2)参考俄罗斯大西洋中脊热液硫化物勘探经验, 即洋中脊环境中黄铜矿的搬运距离一般在500 m范围以内, 而该站位沉积物中黄铜矿含量较少(仅发现2颗), 由此, 我们可以推测热液矿点距该沉积物站位距离相对较远; 根据以上推论, 我们初步推断该热液矿点应位于TVG18站位的南侧上坡500 m处(见图 3中红色圆圈位置)。
3.2.2 断桥热液区重砂分布特征断桥热液区位于洋脊轴部高地, 水深较浅, 约为1 700 m, 区内发育4条近东西向山脊, 根据前人研究成果(西南印度洋中国大洋航次硫化物资源勘察数据)可知, 断桥热液区现有2个已探明热液矿点(图 3), 分别位于中部山脊的西部与中部区域, 沉积物采集站位则是围绕热液矿点展布。
将选取的7种矿物指标分别进行投图并与已探明热液矿点位置进行对比可知(图 3), 断桥区沉积物中重砂总含量为913~2 107颗/kg, 具有热液矿点附近含量较高的特点; 沉积物中黄铜矿出现频率最低, 仅在TVG11站位沉积物中发现3颗; 黄铁矿主要出现在热液矿点周围区域, 含量范围为0~44颗/kg; 帘石类矿物出现频率较低, 仅在热液矿点周围区域出现, 含量范围在21~85颗/kg。
铬铁矿、橄榄石与辉石类矿物在沉积物中普遍存在, 但均无明显分布规律, 含量范围分别为31~ 163、474~1 729与5~25颗/kg。
综上所述, 断桥热液区沉积物中重矿物类型相对较少, 以洋底基岩碎屑矿物为主, 含少量基岩蚀变类矿物及热液成因矿物, 其中重砂总量与黄铁矿表现出在热液矿点附近富集的现象。
断桥热液区沉积物与龙旂热液区相比, 重矿物类型缺失磁铁矿、钛铁矿、普通角闪石、透闪石、赤褐铁矿及石榴石, 且帘石类矿物出现频率较低, 仅在离热液矿点最近的2个站位出现。根据上文矿物来源分析结果可知, 透闪石、褐铁矿与帘石类矿物属于基岩蚀变类矿物, 钛铁矿、普通角闪石与石榴石属于基岩碎屑矿物, 磁铁矿具洋底基岩碎屑矿物与热液成因矿物2种来源类型, 因此, 这些矿物的缺失表明断桥区相对龙旂区基岩风化蚀变程度较低, 而在研究区洋中脊环境中, 影响基岩风化蚀变程度的主要因素应为热液活动, 因此, 我们可以推断, 龙旂研究区热液活动明显高于断桥区, 这与前人研究成果[3]相一致(龙旂热液区处于热液活动活跃期, 而断桥热液区则属于非活跃期)。由此我们得出以下结论:龙旂区沉积物具有热液活跃期的典型特征, 其重砂矿物类型丰富, 以洋底基岩碎屑矿物为主, 含大量基岩蚀变类矿物及少量热液成因矿物; 断桥区沉积物具有热液非活跃期的特征, 矿物类型相对较少, 以洋底基岩碎屑矿物为主, 含少量热液成因矿物, 相对缺失基岩蚀变类矿物。
3.3 指标性矿物分析为了更好地讨论上文选取的13种矿物指标与热液矿点位置之间的相关关系, 我们将“最近距离”(沉积物站位与其最近热液矿点之间的直线距离)作为一个参数参加讨论, 除黄铜矿出现频率较低未进行分析外, 其余12种矿物指标均与“最近距离”进行了相关性指数计算(见表 3), 并对其机理进行了讨论, 详细分析如下。
矿物指标类型 | “最近距离”的相关性指数 | |
龙旂 | 断桥 | |
重砂 | –0.63 | –0.37 |
黄铁矿 | –0.14 | –0.64 |
帘石 | –0.32 | –0.4 |
透闪石 | –0.54 | — |
石榴石 | –0.3 | 0.16 |
橄榄石 | 0.11 | –0.36 |
辉石 | –0.21 | 0.15 |
普通角闪石 | 0.17 | — |
磁铁矿 | –0.43 | — |
铬铁矿 | –0.51 | –0.2 |
钛铁矿 | –0.29 | –0.34 |
赤、褐铁矿 | –0.29 | — |
1) 重砂总量 龙旂区沉积物中重砂总量与“最近距离”的相关性明显高于断桥区(相关性系数分别为–0.63与–0.37), 我们推测该现象与龙旂、断桥两区热液活动的活跃程度相关。研究区沉积物中重砂矿物主要来自洋底基岩碎屑矿物、基岩蚀变矿物及热液成因矿物, 龙旂区处于热液活动活跃期, 活跃的热液活动是洋底基岩风化蚀变主控因素, 因此重砂总量与热液活动密切相关; 断桥区处于热液非活跃期, 较弱的热液活动与海底洋流作用是洋底基岩风化蚀变的主控因素, 因此, 重砂总量与“最近距离”的相关性系数相对较低。
2) 黄铁矿 根据上文中黄铁矿来源分析结果可知, 研究区沉积物中的黄铁矿属于热液成因矿物, 因此沉积物中黄铁矿含量与热液活动密切相关(断桥区中黄铁矿含量与“最近距离”的相关性系数为–0.64), 而龙旂区中黄铁矿相关性较差(相关性系数为–0.14), 我们推测该现象可能与龙旂区中部3个热液矿点较近, 1个沉积物站位可能受到多个热液矿点的影响, 从而造成离热液矿点较远站位沉积物中黄铁矿含量也未明显降低的现象。
3) 帘石类矿物 研究区沉积物中帘石类矿物含量与“最近距离”具有负相关关系, 虽然相关性未有重砂总量显著(龙旂、断桥两区相关性系数分别为–0.32与–0.29), 但研究区洋中脊环境中, 帘石类矿物主要为基岩蚀变类矿物及少量热液成因矿物, 洋中脊的热液活动不仅会增加沉积物中热液成因矿物的数量, 洋底基岩的蚀变、风化剥蚀程度也会随之明显增强, 因此, 帘石类矿物可以作为洋中脊热液硫化物勘查的参考性矿物。
4) 黄铜矿 黄铜矿在研究区沉积物中出现频率较低(仅3个站位), 且含量较低, 因此未进行相关性分析, 但在洋中脊环境中黄铜矿的成因类型为典型热液成因矿物, 与热液活动密切相关, 因此, 我们将黄铜矿作为洋中脊热液硫化物勘查的指示性矿物。
5) 透闪石 龙旂区沉积物中透闪石含量与“最近距离”具有明显的负相关关系(相关性系数为–0.54), 而断桥区沉积物中透闪石属于缺失状态, 结合其矿物来源分析结果及龙旂、断桥两区热液活动活跃程度的不同, 可以推测沉积物中透闪石含量与基岩热液蚀变密切相关, 因此, 我们将透闪石作为洋中脊热液硫化物勘查的参考性矿物指标。
6) 铬铁矿与钛铁矿 研究区沉积物中铬铁矿及钛铁矿含量与“最近距离”之间均存在负相关关系, 虽然相关性系数较低(见表 3), 但洋中脊环境沉积物中的铬铁矿与钛铁矿均属洋底基岩碎屑矿物, 洋中脊的热液活动能明显增强洋底基岩的风化剥蚀程度, 从而导致其在沉积物中的富集。因此, 我们可以将铬铁矿与钛铁矿作为洋中脊热液硫化物勘查的参考性矿物指标。
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图 4 各类矿物与“最近距离”相关性分析图 Fig. 4 Mineral and the "nearest" correlation analysis chart |
7) 磁铁矿 龙旂区沉积物中磁铁矿含量与“最近距离”呈负相关关系(相关性系数为–0.43), 断桥区沉积物中磁铁矿则属于缺失状态, 结合其矿物来源分析结果及龙旂、断桥两区热液活动活跃程度的不同, 可以推测:断桥区沉积物中磁铁矿的相对缺失应与断桥区处于热液非活跃期相关, 沉积物中磁铁矿的富集与热液活动具有一定的相关关系, 因此, 我们可以将磁铁矿作为洋中脊热液硫化物勘查的参考性矿物指标。
8) 赤、褐铁矿 龙旂区积物中赤、褐铁矿含量与“最近距离”的相关性系数较低, 且在断桥区沉积物中处于缺失状态, 因此, 我们推测赤、褐铁矿与热液活动相关性不高。
9) 橄榄石、辉石、普通角闪石及石榴石在洋中脊环境沉积物中均属于洋底基岩碎屑矿物, 其沉积物中的含量与“最近距离”之间均未呈现明显相关关系, 因此, 我们推断研究区沉积物中橄榄石、辉石、石榴石及普通角闪石含量与热液活动无明显相关关系。
综上所述, 研究区沉积物中重砂总量、黄铜矿、黄铁矿与热液活动密切相关, 可作为重砂找矿的指示性矿物; 沉积物中透闪石、帘石类矿物、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿与“最近距离”呈负相关关系, 可作为重砂找矿的参考性矿物指标。
3.4 “最近距离”的推算龙旂区西南部区域仅存在1个热液矿点, 相对较为独立(与其他热液矿点相距较远), 其附近4个沉积物站位在该热液矿点西部山坡处沿近似直线布设, 热液矿点与4个站位由东向西沿山势由高到低依次排列(图 5), 是研究矿物分散晕的理想区域。
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图 5 龙旂区西南部区域热液矿点与沉积物站位分布图 Fig. 5 Longqi hydrothermal area distribution of southwest regional hydrothermal ore spots and sediment stations |
将该区域4个站位沉积物中的指示性矿物(及参考性矿物指标)含量与“最近距离”进行作图分析可知(详细结果见表 4与图 6), 沉积物中重砂总量与帘石类矿物含量具有明显的离矿源距离越近, 含量越高的特征。运用统计学软件Statistica10.0分别计算了该2种矿物含量与“最近距离”的线性方程, 根据此线性方程, 我们可以由测站沉积物中矿物指标含量N(颗/kg), 初步推算其与最近热液矿点的距离, 即“最近距离D(m)”。
站点编号 | 最近距离/m | 指示性矿物含量/(颗/kg) | |||||
重砂 | 黄铁矿 | 帘石 | 磁铁矿 | 铬铁矿 | 钛铁矿 | ||
34II-SWIR-S009TVG09 | 3 114.63 | 1 175 | 5 | 274 | 135 | 8 | 0 |
34II-SWIR-S010TVG10 | 4 818.96 | 1 112 | 8 | 165 | 216 | 53 | 25 |
34I-SWIR-S018TVG06 | 7 380.85 | 663 | 0 | 164 | 134 | 11 | 48 |
34II-SWIR-S011TVG11 | 12 875.54 | 496 | 0 | 7 | 56 | 7 | 0 |
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图 6 指示性矿物含量(及参考性矿物指标)与“最近距离”的散点图 Fig. 6 Index mineral content (including reference mineral content) and "nearest" scatter diagram |
由于在洋中脊区域底质类型以基岩及岩石角砾为主, 沉积物分布较少, 我们获得的沉积物重矿物数据量相对不足, 如上文中线性方程的计算仅有4个站位的数据可用, 因此, “最近距离”的计算公式还需在今后的勘查工作中积累更多的数据进行校正。
3.5 洋流和地形对重矿物分布的影响洋中脊环境中影响沉积物矿物组分分布的因素除热液矿点(位置)以外, 洋底水文条件(洋流的流速与流向)也是其控制因素之一, 因此, 上文中推算热液矿点位置的公式需要加注洋底水文条件。
根据前人研究成果[15]:龙旂热液区近底洋流的平均流向为285°, 平均流速为2.5 cm/s, 由此可知, 文中所选4个沉积物站位均位于热液矿点的洋流下游方向。因此, 初步推算热液矿点位置时, 应该根据实际水文情况对计算值进行调整: (1)顺流方向:洋流平均流速 > 2.5 cm/s时, 实际“最近距离”应大于计算值, 而平均流速 < 2.5 cm/s时, 实际“最近距离”则应小于计算值; (2)逆流方向:实际“最近距离”应小于计算值。
另外, 西南印度洋中脊(SWIR)区域构造活动频繁, 地形起伏较大, 山脊、陡坡及山涧峡谷是该区域的主要地貌类型, 因此, 沉积物的搬运与堆积除受到洋底底流的影响外, 洋底地形地貌特征也是其主控制因素之一, 如洋底地形坡度较陡的区域有利于沉积物的搬运, 在其坡脚地形平坦处更有利于重矿物的富集, 但山脊的出现, 也会阻断沉积物向远处的搬运与扩散, 使沉积物的矿物类型更具备局部特征。
4 结论本文以中国大洋第34航次在龙旂与断桥热液区采集的洋底表层沉积物样品为研究对象, 开展了沉积物自然重砂矿物的相关研究, 并根据已探明热液矿体的位置, 对沉积物重砂分布规律及其与洋中脊热液活动之间的关系进行了分析, 取得以下认识:
1) 热液活动是研究区沉积物中重矿物分布的主控因素, 处于热液活跃期的龙旂热液区沉积物中重矿物类型丰富, 以洋底基岩碎屑矿物为主, 含大量基岩蚀变类矿物及少量热液成因矿物, 其中重砂总量、黄铁矿、磁铁矿、铬铁矿、透闪石及帘石类矿物的分布均表现出在热液矿点附近富集的现象; 处于非活跃期的断桥热液区沉积物中重矿物类型相对较少, 以洋底基岩碎屑矿物为主, 含少量热液成因矿物, 相对缺失基岩蚀变类矿物, 其中重砂总量、黄铁矿与帘石类矿物表现出在热液矿点附近富集的现象。
2) 根据研究区沉积物中重矿物的分布规律, 并结合各矿物指标与“最近距离”之间的相关性分析结果, 我们建议在今后洋中脊热液硫化物调查的工作中, 重砂总量、黄铜矿与黄铁矿、可作为重砂找矿的指示性矿物, 透闪石、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿及帘石类矿物可作为重砂找矿的参考性矿物指标。
3) 运用统计学软件分别计算了重砂总量和帘石类矿物2种矿物指标与“最近距离”之间线性方程, 并由此提出了根据测站沉积物中矿物指标含量, 初步推算其与最近热液矿点距离的方法。
致谢
衷心感谢中国大洋第34航次全体调查队员的辛勤工作, 为本文提供了丰富的沉积物样品, 感谢各位评审老师提出的宝贵意见。
[1] |
陶春辉, 李怀明, 黄威, 等. 西南印度洋脊49°39'E热液区硫化物烟囱体的矿物学和地球化学特征及其地质意义[J]. 中国科学:化学, 2011, 56(28-29): 2413-2423. Tao Chunhui, Li Huaiming, Huang Wei, et al. Mineralogical and geochemical features of sulfide chimney from the 49°39'E hydrothermal field on the Southwest Indian Ridge and their geological inferences[J]. Science China Chemistry, 2011, 56(28-29): 2413-2423. |
[2] |
叶俊. 西南印度洋超慢速扩张洋脊49. 6°E热液区多金属硫化物成矿作用研究[D]. 青岛: 中国科学院海洋研究所, 2010. Ye Jun. Study on metallogenic behavior of polymetallic sulfide in the 49. 6°E hydrothermal region of the south west Indian Ocean ultra-slowly expansive ridge[D]. Qingdao: Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-80068-1012411037.htm |
[3] |
陶春辉, 李怀明, 金肖兵, 等. 西南印度洋脊的海底热液活动和硫化物勘探[J]. 中国科学:化学, 2014, 59(19): 1812-1822. Tao Chunhui, Li Huaiming, Jin xiaobing, et al. Seafloor hydrothermal activity and polymetallic sulfide exploration on the southwest Indian ridg[J]. Science China Chemistry, 2014, 59(19): 1812-1822. |
[4] |
曹红, 曹志敏. 西南印度洋中脊海底热液活动[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2011, 31(1): 67-75. Cao Hong, Cao Zhimin. Review of submarine hydrothermal activity in the southwest Indian ridg[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2011, 31(1): 67-75. |
[5] |
董国臣, 李景朝, 张虹, 等. 自然重砂的应用与前景[J]. 资源与产业, 2015, 17(2): 1-7. Dong Guochen, Li Jingchao, Zhang Hong, et al. Appli cation and outlook of heavy minerals[J]. Resources & Industries, 2015, 17(2): 1-7. |
[6] |
吕菊蕊, 高继峰. 矿物组合及元素组合在重砂鉴定中的应用[J]. 甘肃科技, 2011, 27(17): 47-49. Lü Jurui, Gao Jifeng. Application of mineral combination and element combination in identification of heavy sand[J]. Gansu Science and Technology, 2011, 27(17): 47-49. DOI:10.3969/j.issn.1000-0952.2011.17.018 |
[7] |
岳艳. 浅谈重矿物物源分析方法[J]. 科技情报开发与经济, 2010, 20(12): 137-146. Yue Yan. Introduction of the provenance analysis of heavy mineral[J]. Sci-Tech Information Development & Economy, 2010, 20(12): 137-146. |
[8] |
王卫星, 程绪江, 张素荣, 等. 天津蓟县地区金、钨、钼矿自然重砂与地球化学区域找矿方法效果[J]. 地质通报, 2014, 33(12): 2011-2014. Wang Weixing, Cheng Xujiang, Zhang Surong, et al. A comparative study of the effects of natural heavy mineral prospecting and regional geochemical exploration for gold, tungsten and molybdenum deposits in Jixian County area, Tianjin[J]. Geological Bulletin of China, 2014, 33(12): 2011-2014. DOI:10.3969/j.issn.1671-2552.2014.12.022 |
[9] |
张娟, 张福神, 晏俊灵, 等. 江西南岭成矿带自然重砂异常特征及其找矿潜力[J]. 地质通报, 2014, 33: 1968-1974. Zhang Juan, Zhang Fushen, Yan Junling, et al. Natural gravity sand anomaly features and their potential for prospecting in Nanling metallogenic belt, Jiangxi Pro vince[J]. Geological Bulletin, 2014, 33: 1968-1974. DOI:10.3969/j.issn.1671-2552.2014.12.015 |
[10] |
Хохрякöв H A. 应用重砂的矿物—地球化学方法预测和寻找金矿床[J]. 刘丽玲译. 地质地球化学, 1992, 5: 20-24. Хохрякöв H A. Application of heavy sand mineral- geochemical method to predict and search for gold deposits[J]. Liu Liling translation. Geology and geochemistry, 1992, 5: 20-24. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=dzdq199205003&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ |
[11] |
林学辉, 辛文彬, 徐磊. 海洋沉积物含水率对部分碱金属及碱土金属元素含量的影响及意义[J]. 海洋科学, 2015, 39(12): 106-111. Lin Xuehui, Xin Wenbin, Xu Lei. Effect of water content on certain alkali and alkali-earth elements in marine sediments[J]. Marine Sciences, 2015, 39(12): 106-111. DOI:10.11759/hykx20140108001 |
[12] |
李凤业. 海洋沉积物中钾、钠、钙、镁的连续测定[J]. 海洋科学, 1985, 9(1): 21-23. Li Fengye. Continuous determination of potassium, sodium, calclum, mganesium in marine sediments (AAS)[J]. Marine Sciences, 1985, 9(1): 21-23. |
[13] |
马婉仙. 重砂测量与分析[M]. 北京: 地质出版社, 1990: 35-74. Ma Wanxian. Measurement and Analysis of Heavy Sand[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1990: 35-74. |
[14] |
中国地质科学院地矿研究所. 砂矿物鉴定手册[M]. 北京: 地质出版社, 1975: 23-278. Institute of Geology and Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences. Handbook of Identification of Sand Minerals[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1975: 23-278. |
[15] |
Liao Guanghong, Zhou Beifeng, Liang Chujin, et al. Moored observation of abyssal flow and temperature near a hydrothermal vent on the Southwest Indian Ridge[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2016, 121: 836-860. DOI:10.1002/2015JC011053 |