东印度洋深海钻探与稀土洋泥研究

沉积物和沉积岩中的稀土元素(REE)和钇元素(合称含钇稀土,简称REY),由于在各种地球化学过程中具有独特性,因此已经被用做定义现代和古地质环境和过程的有效工具。关于太平洋“富钇稀土”(深海沉积物含有高浓度REY)的报道推动研究人员对深海沉积物资源潜力进行了新的预测。Kato 等人(2011)提出了富稀土洋泥5 个有利特征:①洋泥中ΣREY 含量很高,其中重稀土量(HREE)超过了目前占全球HREE 储量统治地位的中国南部离子吸附型矿床。②太平洋中富稀土洋泥分布广泛,其含量完全可以满足当前全球的需求量。③富REY 洋泥分布广泛、均一化的深海粘土中,很容易编制资源分布图,便于开发利用。④富REY 洋泥中放射性元素Th 和U 的含量非常低,在开采和加工过程中不会产生环境问题。⑤用稀酸就可以很方便地将REY 元素从洋泥中淋滤出来。

富稀土洋泥的太平洋沉积物位于远离海岸的深海区域,那里没有大量稀释REY 含量的陆源组分和大量的生物成因碳酸盐或二氧化硅。Kato 等人(2011)指出富稀土洋泥的成因与海底热液作用和大洋中脊火山活动有关。热液柱中悬浮的氢氧化铁颗粒在对流穿过水柱期间从周围海水中吸附REE,然后沉降在海底,使氢氧化铁成为海底沉积物中REY 的一个重要赋存相。此外,根据大量统计分析,深海洋泥中钙十字沸石,一种普通沸石,其沉降速率很低,被认为是太平洋沉积物中REY 的一种载体。但是在钙十字沸石中富集REY的基本机理尚未弄清。Piper(1974)指出太平洋深海沉积物中的钙十字沸石出现稀土富集;但是Dubinin(2000)的报告指出,单独的钙十字沸石生长体中REE 的富集程度并不是特别高,钙十字沸石本身不会从海水中吸附REE。Dubinin 还指出,钙十字沸石的生长往往混入有氢氧化铁、羟基磷酸Fe-Ca 和微小的骨屑,并且得出结论,认为钙十字沸石中REE 的聚集取决于于钙十字沸石集合体中这些物质的丰度。此外,很久以来有一种说法认为,组成鱼骨和牙齿的磷灰石是深海沉积物中REY 的必要载体。最近利用X 射线吸收精细结构光谱分析(XAFS)或者利用激光消融电感耦合等离子体质谱法(LAICP-MS)的研究表明,磷灰石是太平洋深海沉积物中REY富集的重要贡献者。

本研究中所用钻探站点(DSDP计划和ODP 计划)的位置

此次研究分析了来自深海钻探计划(DSDP)213、223、236、238、259 站点和大洋钻探计划(ODP)758A 站点的沉积物样品,以微量元素、REY 丰度分析和X射线衍射为测定方法,分析样品的主要矿物元素及微量元素的地球化学特征。这些样品全部位于印度洋海域,DSDP267 和267A 站点位于南大洋的印度部分。为了评价海底表层沉积物中REY 的分布, 此次研究采集的样品深度从海底到海底以下50mbsf。此外,还更详尽地分析了DSDP 213 站点从顶芯到123 mbsf 深度的样品,因为该站点在海底以下75~123m 之间具有巨厚的含钙十字沸石的暗褐色沸石粘土,它具有太平洋富REY 洋泥典型的岩性。

印度洋各站点岩性、ΣREY 含量和深度剖面图

太平洋富REY 洋泥的数据主要表现出两种趋势。在富Fe 趋势中,图6a 中红色箭头所示,沉积物中Fe2O3/ΣREY比值较高。受东部太平洋隆起热柱影响的区域的样品也保持这种趋势。因此,这种趋势是由于热液成因氢氧化铁从海水中吸附REY的结果。在贫Fe 趋势中,蓝色箭头所示,沉积物的Fe2O3/ΣREY 比值较低。这些富含REY 洋泥出现在沉积速率低的区域,而且这些区域中往往含有钙十字沸石。目前Wharton 盆
地接受来自西澳大利亚和印度尼西亚群岛的陆源物质;但是213 站点富稀土洋泥形成于始新世中期。

太平洋深海和213 站点沉积物ΣREY 与各氧化物的含量关系

古地理重建将213 站点移动到当前位置的西南方向,大概位于中始新世以南30°位置。在当时的古纬度下,主导风向带可能是西风带,而且213 站点陆源组分沉积物的可能来源是非洲南部的干旱地区。此外,213 站点富稀土洋泥相对于Al2O3 来说更富集Fe2O3 和TiO2,比平均页岩中的陆源物质表现出的趋势要强(如PAAS 和北美页岩组分)(图7)。它们最终被转化成大洋中脊玄武岩(MORB)和海洋岛屿玄武岩(OIB)的端元成分,意味着沉积物也受到了火山碎屑成分的影响。

213 站点全岩沉积物样品成分关系图
注:(a)Fe2O3 与Al2O3 含量关系图(b)TiO2 和Al2O3 含量关系图。根据ΣREY 值对来自213 站点的数据进行灰度编码。

显微镜观察、X 射线衍射数据和元素图显示,在印度洋和太平洋富REY洋泥中都存在钙十字沸石。ΣREY 含量和存在钙十字沸石之间的正相关关系说明,钙十字沸石在印度洋深海沉积物富集REY 过程中发挥着重要作用。但是目前与钙十字沸石有关的REY 富集机理还没有完全弄清;因此,应该考虑这样一种可能,即ΣREY 和钙十字沸石含量之间相关性是伪相关,也就是说,在碰巧有利于钙十字沸石形成的条件下,高ΣREY 沉积物可能源自于低沉降速率下缺少对ΣREY 的稀释。太平洋和印度洋沉积物都显示ΣREY 和P2O5之间具有很强的相关关系。全岩沉积物分析表明,CaO 和P2O5 之间具有很好的线性相关关系,尤其是ΣREY 高的样品。

213 站点沉积物(实心圆点为本文研究分析的数据)和太平洋深海沉积物(灰色十字,Kato等,2011)的成分关系图
注:(a)ΣREY 与P2O5 关系图;(b)P2O5 与CaO 关系图。根据ΣREY 值对来自213 站点的数据进行灰度编码。根据常规化学方程式Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)计算磷灰石成分,以羟磷灰石的值作为一个代表。

尽管在海底(大于70 mbsf)开发稀土很难,但是印度洋发现的富REY洋泥在ΣREY 含量和厚度上与北太平洋中部富REY 洋泥相当。但是,也有些研究发现在海底地表的其他地方也存在富REY 洋泥。水深是影响深海沉积物REY 富集的一个重要因素,尽管富ERY 洋泥部分是由氢氧化铁从海水中吸附REY 形成的,氢氧化铁来自于沿大洋中脊发生的热液活动,但是在印度洋和太平洋洋中脊附近没有发现富REY 洋泥。大洋中脊附近样品中富含大量方解石,表明REY 浓度低是由生物成因方解石稀释导致的。印度洋和太平洋碳整个新生代酸盐补偿深度(CCD)一般在3000~5000 m 之间,洋中脊比CCD 要浅。与太平洋不同,印度洋中部到西北部有广阔的深海平原,其深度比CCD 深,印度洋有3 个洋中脊,适合形成富REY 洋泥的深海平原面积相对较小。因此,与太平洋相比,印度洋富REY 洋泥分布范围很有可能比较有限。

此次研究着重介绍了印度洋东部DSDP 213 站点一个厚50 m 沉积层中具有REY含量高的特征,其ΣREY 含量最大值为1113 ppm,平均值为629 ppm。这些值与北太平洋中部富REY 洋泥的值相当。尽管印度洋洋泥表现出Fe 的轻微富集,Fe 可能来自陆源组分,印度洋富REY 洋泥的ΣREY 与Fe2O3 的关系与太平洋富REY 洋泥含铁低的趋势相似。全岩主要元素组成也证明磷灰石对REY 富集具有极大贡献。REY 最初不是来自磷灰石,而是在沉积后重新进入到磷灰石中,目前尚未确定REY的载体。213 站点富REY 洋泥PAAS 标准化REY 配分模式显示出Ce 负异常,富集HREE,意味着洋泥中REY 的最终来源是海水。

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