【doc】中非马拉维裂谷湖成铁锰结构的地球化学和成因

【doc】中非马拉维裂谷湖成铁锰结构的地球化学和成因 中非马拉维裂谷湖成铁锰结构的地球化学 和成因 锭}{多, 第10誊第2期 1999年6胄 地质科学译丛 Journal时GeascknceTranakttiot~ VoL10N2 Jun.1993 务8,套 中非马拉维裂谷湖成铁锰结核的7料?弓 地球化学和成因 T.M.Will/ares等 BrRishGcolo$icalSurly-App1~dGeod~em/stryUnit-Keyworth'Nottln~m 摘要 锄1}f: 对取自马拉维(Ma1awi)湖东铘的利科马(Likoma)岛附近,100至l30米深的甓锰结棱样品,用 直流电弧发射光谱测定了34个元素.虽然实辱的Fe/Mn比值现为与结枝大小呈反消长变化- 但结棱中Fe+Mn总量通常超过50.MS,AI…SiKCa和Ti的含量低于地壳平均值.连些常量 元素的含量可认为主要反映了结枝结构中辞屑混入物的矿特种类及其数量.在所舟折的26个 微量元素中,Zn,Co,Pb,Ba,Y,La,v,Zr,AS和Nb的含量超过其平均地壳丰度-而sf,Ni,cu, cr,sc,Rb,Ga,Li,B,Mo,Cd,BJ,Sn,Ce和Nd的含量低于地壳平均值或检出限.Ba的富 集系数高 (21.9S),co(5.53)和Zn(2.06)为有限富集,Ni(0.62)和Cu(0.09)亏报,这是大多敷湖成甓锰沉积 物的特征.这种特性足以将马拉维湖结棱和深海结桂区舟开.而马拉雏裂各甓锰沉积物是以成岩 成因为主体.热藏喷气作用也明显拉{}I着泉Fe,v和Be元素的供碧.连就意味着需要扩展现存的 舟类体系咀便包括那些叠属j荜于两个或多个j荜的同时沉淀形成的结枝.利科马岛附近的结棱层物 理性质上适台经济开发.但在化学成份上达不爿作为Mn或Ni-Co-Cu矿石的. 引言 马拉维湖铁锰结核的产状已有广泛的论 述,但前人尚未对其地球化学进行综合研究. 这类沉积物可为具有经济意义的微量金属提 供潜在资源,对他们的还能增长我们对 区域自然资源库存的认识,另外对淡水结核 40 译稿收到日期tl9g2—12—05 建造来讲,马拉维裂谷盆地是一个很不寻常 的形成环境,因为它的深度(>700m)和构造 背景在许多方面与洋脊系统类似,而与多数 湖成盆地差异较大.因此马拉维胡结核和其 它沉积环境结核之间的地球化学相似性可以. 恰当地用来改进现有的结核分类体系.这里 我们给出34个元索的数据并与其它地方的 铁锰沉积物进行初步对比.. ^ 中非马拉雏裂谷湖戚铁譬结核的地球化学和戚固 环境背景 马拉维湖位于东非大裂谷系最南端的地 堑内,水面长560km,宽70kin,其体积占世 界淡水湖第五.潮面高程约为475m,最大水 深704m,所以大部分潮底位于海平面之下. 盆地的成因可归为东非地壳破裂和沉降的最 后期形成,此期在中新世形成了肯尼亚和西 部裂谷,并可能晚至上新世时仍影响到马拉 维.通过湖底的热通量很大,在Nkhata湾和 利科马岛的盆地中部所测得的最大值约为 2+9~cai/cm/s,.热卤水的喷发也很普追, 这种喷发控制着湖水中si和F这类元索的 供给. 每年约1ram的同裂谷沉积作用已经导 致马拉维湖底有一系列不同沉积物堆积,包 括浊流层,硅藻土,季节深水淤泥,均质牯土 和长英质砂.对这些岩相的确切分布已做过 大量详细研究,结果表明它们可能反映了构 造(图1)和古气候相互之间复杂的作用.已 发现的铁锰结核位于利科马姆本杰(Mbon— je)和思科塔科塔(Nkhatakota)周围(图1), 主要由覆盖在长英质砂土之上的鲕状纤铁矿 组成.在潮的东南海湾已经发现,在相对较纯 的硅藻土之上有结核状绿脱石层.在所有情 况下,结核的深度范围限于80,160米l Williams和Owen(1990)由此认为,结核自生 作用的条件是:(1)接近亚滨海的淤泥,这种 谳泥是活动金属的储集层}(2)接近较浅的, 粗粒相以使适合的沉淀核得以供应}(3)沉积 物与海水的界面上方属氧化条件,以使储存 在空麝c水中的FeMn和微量元索能够沉淀. 结果 物理特征 从207和208采样点打捞起的单个结核 直径范围是0.44,ld.0mm.细粒(<4ram) 和粗粒(>4ram)部分的物理特性明显不同. 前者表现为较暗,较光滑,赤铁矿质的,脆性 较弱.很相似由MuHer郁Forstner(1973)描 述的马拉维潮.绿脱石.粗细两部分一般都 是从均匀混台的非均质沉积物中分选出来 的.散没有证据表明结核的大小或形态与沉 积环境或地层位置的局部差异有关联.在剖 面上,所有结核显示出同心的层状,其中心为 直径0.1,1.Omm的长英质核.结棱与现存 的淡水结核分类中任何单形态组均不相符. 图1马拉维湖裂各结构与岩相分布之 l可的关系囝 由帖探胡庇来样,回声探和地震缘音确 定.构造横切面未按比倒足?仅相对表面沉积 曲而育.插图(-)显示所绪地聋化学数据207 和208采样点位置l(b)培出与拉缝胡的区域 位置 主量元素组成 表1中各列出了直径<4ram(&和B)和 >4ram(A和B)两个样品的地球化学数据, 由此计算了八个主量元索的平均值.经上壳 丰度标准化石,与深海近海岸及中纬度湖相 4l 地质辑学译丛 结核敷据绘于图2中. 所有样品中含量最高的Fe和Mn其量 占样品总质量的5O以上.其它地方的Fe 和Mn含量(表2和表3)绝大部分小于2O , d0.小于4ram的结核的Fe/Mn比值 (>2.09)比大于4ram(<1.8)要高,这与 先前指出的细粒部分含较多的赤铁矿"是一 致的.Fe/Mn比值与结核大小呈反比的成因 尚无解释,但现有资料清楚表明结核生长过 程中这两种金属的表面吸附作用与沉淀作用 的相对速率是不断调整的.平均Mn富集系 数(166)与产于深海(约170)和大陆架(约 159)环境的结核全球平均值类似,但比所观 测到的多数湖相环境的高得多.与此相应的 铁富集系数(6.5)比其它任何沉积环境的平 均值都高. Mg,AI,Si,K和Ca的值实际上与所有 其它沉积环境铁锰沉积物的值一致.均为低 于地壳丰度值.这些元素主要赋存于结核内 部碎屑混入物(如粘土矿物)之中.在已知当 地沉积物矿物成分的情况下,就可以通过Al 和sj的丰度估算出这类粘土部分占多少.该 区Al和si的峰值分别为1.7和7.5,由 此可知铝硅酸盐的总体含量约为25. 相对其它湖相和海相结核而亩,该区结 核中主要阳离子只有K相对较高.而K,Mg 和ca的最高值(分别为2.09?0.86, 2.24)均比单纯硅酸盐中相应含量高得多. 经常可见这些元素以类质同相形式进入ln& 大小的水锰石中协变关系是与这种替换的影 响相一致.部分ca也可以含Mn方解石和钙 质贝壳碎屑的形式进入结核中.sj的富集有 限(<7%),从而无法与MuUer和Forstner 0973)所描述的"绿脱石类比Ti的富集系 数(0.171)-q胡相结核的典型值相同,但比海 相结核的均值低一个数量级(表2). * 簧 * 图2马拉堆湖采样点207和208铁锰 结核与产于深海,大陆榘和中纬度湖相 环境的结核八个主t元素地尧丰度标准 化模式.以上三个环境的脊科束源见表2 和3 童纂的衡量元素 与地壳丰度相比,相对富集的有11个元 素(表1).人们已发现产于大多数环境中的 结核均富集Zn,Co和Pb.样品中这些元索的 平均值(分别为144pp=,I10ppm和45ppmm)类似 于典型的海岸棚和湖相结核的平均值(Zn 310ppm,Co125ppm,Pb65ppm),但低于大 多数深海结核(Zn71Oppm,Co298oppm,Pb 86D口pro).含co最高的样品大多教最富含 Fe,说明co的聚集是由受Fe控制的吸附作 用引起的.而不是由Calvert和Prioe,Cronan和Thomas(1972)所说的类质同象进入l0A 大小的水锰矿中.zll与Fe共消长是由于 优先梭三价铁氧化物吸附所致.高价Pb"离 子可以替换6Mn02中Mn,也可置换' FeOOH中Fe3.没有证据表明如Caloert和 P~ce(1977)所}7证的那样,Pb优先富枭于最? 富铁的样品之中. 中}马拉雏裂菩湖戚装艋结棱的地球化学和成因 袭1马拉维湖铁锰结核八个主量元素()和26个微量元素(ppm)丰度噩平均t羹燕 敷.寰 中给出了通过混合207和208两个采样点的'纯'结核物资后所获得的两个子样 <{mm以亚 >4ram粒径的结果.并给出了每个样品的Fe/Mn和Co/Ni比.地壳丰度值引自 Taylor (1964) 43 地质科学译丛 所有被的样品中.Ba至少富集20 倍.Ba浓度和结核大小(吸附比表面)弱相关 表明B4的富集是出共沉淀g{起的,而不是由 吸附作用引起的,自生硬锰矿(BaMn~Oe EOH.])可构成主要的Ba~Mn相.Ba平均含 量约9200ppm,是所报道的大多数深海结核 的5倍多(袁2),但前人的工作仅观察到Ag 富集于海相环境的铁锰结核中.本区At的 最高值(1.4ppm).是地壳丰度的20倍.因此 被认为是十分有意义的.虽然有一个子样的 Ag含量为零.但很可能该样品中Ag的含量 仅是低于DR方法的检出限而已,尚未见有 Be和Nb的数据发表. 亏损的微量元素 所分析的微量元素中.有七个的含最低 于地壳丰度,而另有八个微量元素的含最低 于DR方法的检出限(表1).总的来说,sr是 一 个近于亏损的元素(0.95倍地壳丰度).但 实际上在富Mn(>4ram)部分却是富集的 (约1.3倍地壳丰度).在含水氧化物中sr和 Mn的亲台性已有充分地论述.象Ba一样. sr可进入10A大小的水锰矿品格中替换 Mn,Ca或M8.已经注意到,Ni也类似地倾 向于聚集在锰氧化物中,马拉维样品中Ni的 均富集系数为0.62,如果单独考虑富Mn 分则富集系数上升为0.80.然而表1中的 最大值(S6pprn)与大多数海相结核和几个淡 水沉积物的Ni含量水平(>5000ppm)相比 仍然是较低的.Cu的含量范围2~6ppm(表 1)是所有类型铁锰结核中含量最低的.尤其 是在最富Fe部分Cu亏损尤其明显. 元素cr和sc在各种环境的铁锰结核中 并不是系统地富集,本区cr的平均富集系数 (0205),实际上比其它地方许多类似的沉积 物高.值得注意的是,富铁(<4ram)部分的 cr含量是粗粒富Mn部分的30倍(表1),表 明Mn被三价铗氧化物优先吸附;抑或Fe, cr和其它与Fe有关的元素(如V)具有同一 44 来源(可能为热液).其余能检测的元素中. Oa(地壳丰度的0+73倍)和Rb(0+2倍)可能 赋存于象粘土和长石这类碎屑混入物中.虽 然各子样之间Oa含量变化很大,最高约 19ppm(近地壳丰度),这一最高值明显高于 以前观测到的海相和湖相铁锰沉积物的水平 (<】4ppm).在点207和208相对下伏沉积 物中,其K/Rb比值较高(约1000),这似乎' 证实存在于白生氧化物及碎屑混入物中.尚 未发表过结核中Li的含量,但其值普追较低' (2~Sppm),加之B未能检出,这些都与分析 样品中粘土矿物混A物的量极少一致. 几个'检测不出'的元素在其它环境的结 核中含量较高.特别是Mo在海洋结核(平均 274.6倍地壳丰度)比其它任何元素更富集. 斯堪的那维亚淡水结拔中Mo高达50ppm. 深海结核中Cd的平均富集系数为60,而瑞 典湖中的cd达10ppm(约66倍地壳丰度). 尚无湖相结核中B,Bi和sn的可靠数据,已 报导的太平洋和大西洋样品中这三个元素的 含量分别为290ppm(29倍地壳丰度). 26ppm(约47倍)和2.7ppm(约13.5倍).这 些元素的零值可部分地反映出它们具有较高 DR检出限(Mo5ppm,Cd2ppm,B10pp.~, Bi2ppm,Sn5ppm),同时孔隙水中矿化非常 弱也是一个原因.ce和Nd的DR检出限(分 别500和200ppm)也超出了含水氧化物沉积 物的浓度永平. 讨论 结核生长机理' 形态类似的铁锰结核可以有许多不同的 形成机理,包括:1.直接从海水中沉淀}2.通? 过表面沉积物中Fe和Mn的成岩作用,3.从 海底火山作用喷出的拉斑玄武或玄武喷出物 中淋滤出金属{4.从热液流体中沉淀金属. 人们对马拉维裂谷结核的主要成因模式争论 中非马拉维裂各湖成铁锰结校的地球化学和成园 很大.Muner等认为由于永久性层状水桂中 存在一个明显的氧化还原障,Fe可沉淀在开 放的湖水中所致.近来Williams和Owen (I990)提出一个简单的成岩模式,认为针铁 矿结核的形成与沉积后氧化水体下佚的沉积 物中Fe和Mn的还原扩散与近表面的沉淀 作用有关.从本研究资料来看,Fe和Mn的 广贬富集(与只有铁富集相反)主要与后一过 程相一致.尽管开放水中Fe的沉淀作用已被 用来解释其它地方大量鲕状沉积物的出现. 但这种机制投有说明象早期沉积成岩期间出 现的Mn相对于铁富集的原因.因此,以这种 方式形成结核的特征是比本文所阐述的结核 更贫Mn(<5). 控制结核分布的因素 除Williams和Owen(I990)所述的受沉 积物岩性和深度控制外,马拉维湖中铁锰结 核的分布可能还与周围的沉积速率密切相 关.在海相环境中,相对纯的结核层一般与碎 屑沉积速率特别低(<I,3mm/l0年)的地 方相伴生.利科马岛附近,位于铁锰层之下的 长英质沉积韧被解释为河流的崩积砂,这些 砂是在距夸约500~350年当马拉维湖处于 最后一妖沉降位置最低时沉积下来的.自下 沉以来,局部快速流(约]km/h)使这些砂之 上的进一步沉积作用难以进行,这种方式可 能类似于南极极圈环流带产生的低碎屑沉积 和相伴生铁锰结核的形成.姆本杰周围下沉 的地势同样引起流动加强.因此局部的冲刷 作用可解释当地出现类似的结核沉积物. 构造环境的影响 几篇有关裂谷型自生金属矿床研究的论 文均强调了构造运动及伴生的热液活动的作 用和太平洋洋脊区,对这些更大的地热体系 进行对比.Muller和Forstner(1973)认为,马 拉维裂谷的绿脱石层分布与盆底热流异常的 位置重合,且提出热泉可为后结合成Fe—si 相中的si提供来源. 大多数已有资料表明,构造环境对马拉 维湖铁锰结核的成分仅起到次一级控制作 用.饲如,水锰矿中Ti,B和亲铜元紊Ni,Co, Zn.Cu(这些元素均富集于许多热液沉淀物 中)的含量比红海和太平洋断裂带结核中的 相应含量低一个数量级.然而,Fe/Mn比值 以异常高值(I.73—3,54)为主,说明构造的 控制是有限的,其它淡水结核只有在极低 Mn(<5)的条件下其Fe/Mn比值能超过 这一高值范围.在活动洋脊系附近的富Mn (>10Mn)样品中常见与此类似的比值,洋 脊环境中过剩Fe几乎肯定来自火山作用.因 此类似的解释同样可适合于马拉维裂谷结核 中某些特高的Fe含量(约40). 在所分析的样品中均具有特别高的v (220,304ppm)和Nb(38~59ppm)含量,这 一 点可进一步说明热液影响.v通常与一组 亲铁性强的元紊如Ti,Sr,Ha,Zn和c0一道 在活动洋脊沉积物中强烈富集,但在湖成铁 锰结核中以保持低于地壳丰度为特征. 处于结核堆积处或其驸近富F卤水的 出现也许有助于Be的异常富集(约3倍),从 而导致弱活动性的相(如Be(OH))转变为 更活性氟代镀酸盐.这种解释与利科马结核 省附近局部增强的(7cal/cm/s)湖底热 流量相一致. 经济意义 至少在0年前,铁锰结核作为Mn的经 济资源就已经得到承认.近来结核中含有百 分水平的Co,Ni和Cu的发现,很快引起其 中一些寻求这些金属的替代矿石的采矿公司 的兴趣.在工业上,铁锰结核具有特别大的吸 附比表面积和不寻常的电价特征,证明它们 可用于在挺炼前除去原油中的重金属,某些 结核孔隙度高(50,60的孔隙空间),可当 作基质用来吸收气体. 必须强调的是本项研究仅使用了一个地 区的有限资料,因此关于裂谷型铁锰矿床经 45 地质科学译丛 济潜力的结论至多是尝试性的.具有经济意 义的探海结核矿床物理性质和成份上是多种 多样的,从而使得选择.标准"对比准则问题 很大.Kauhnan(1974)和Mero(1977)已经概 述了可供开采的铁锰结核矿床应满足的基本 物理准则,包括盆底坡角<l0,结核产量大 于5ks/m,脉石混人物小于20.利科马岛 结核省内至少有两个地方(总计约40kin.)可 以满足这些条件,姆本杰和思科塔科塔附近 的西部湖底区也可能满足这些条件. 采样点207和208样品化学分析结果表 明,一般达不到矿石品位的最低舍量值(Mn >2O,Nj1%,Cu0.8,Co0.2).Ben— neff(1987)认为之所以第一过渡族元素富集 程度有限的可能原因是结核生长速度过快, 虽然这种作用不能控制在此见到的Be这样 的以共沉淀作用为主而结合进去的元素富 集.但可降低单位质量结核所吸收的所有金 属浓度.利科马附近结核生长速率快,这一点 是显然的,因为有的结核直径高达14ram,而 其下伏的砂是距今350,】S0a期间的主海进 时沉没下去的.相较已计算出的富Nj—Co—Cu 探海结核的平均堆积速率大约为2.0,28.0 mm/1o'^. 结论 1.现有的地球化学资料证实了以前的研 究结果,即利科马岛附近铁锰结核的形成方 式类似大多教潮相和海相大陆架环境下产出 的结核,主要是通过早期Fe—Mn成岩作用形 成的.' 2.由于本区结核中某些元素(Fe,V,Be) 部分地来自非沉积源,所以能明显地与来自. 构造稳定j蚜的结核区分开来.热蒗作用的这 种影响可能同样见于其它克拉通内裂谷盆 .因此有必 地.如Fangomyika谢和Baikal谢 要修改现存的结核分类体系,以便包括那些 有成岩和热液.双重"成因的结核. 3.看来利科马的环境不足以形成具有经 济意义的Mn—Co—Cu矿石,但不能排除在结 核生长缓慢地区出现高品位矿石的可能.作 为象Ag这悻的非常稀有元素的资源,马拉 维湖铁锰结核的价值也需要进一步研究. 节译自<GeovhimicaetCosmochimica Acta~'l992.Vo1.56,P.2703--2712 李方林译高山技 由于垒璋水文测同分布稀琉,约200000十雨量 测量站,10000十蒸发量测盈站,IO0000十捧泄置 测量站及IO0000十观测井,我们不能指望误差舍 小.这些误差包括有各种仪器的误差.啻I如,大部分 国家操作雨量计的方式都不同于其邻国,这导蕺了 在边界线两边测量仪所显示的雨量都不同.更严重 的误差是这些仪器并没有测得真正到达地面的水 量. 我们尤其不能忘记的是维持水文测同运行的困 难}并且事实上今天我们对全璋水平衡的测量能力 46 巳不如70年代.这是因为大部分发选国家和发展中 国家的政府巳削减对水文站及有关方面的经费支 持,致使水文测同质量的恶化. 改善目前状况所需要的是更巨大的努力.我们 必须重视拉丁美洲,非洲,亚洲的一些国家和地区的 测量同仪器及其它设备.因为那些国家水文站的工 作能力呈理最大的j骨坡. 译自(EOS)1992,Oct?P?d3l? 刘囊华评廛哲蓉枝