印度洋结核区多金属结核地球化学特征
宋成兵1, 2，邓希光3，何高文3，张学华3，姚会强3，杨永3
(1. 中国大洋矿产资源研究开发协会，北京 100860；2. 中南地质大学(北京)，北京，100083；
3. 广州海洋地质调查局，广东 广州，510760)
摘 要：
种蕴藏量巨大的矿产资源，它广泛分布于大洋海底，其潜在的经济价值引起了国内外的普遍关注和重视，常以暴露型、半埋藏型和埋藏型存在于大洋海底沉积物表层。通过对在大洋19航次和21航次在印度洋结核区所取得的7个站位样品进行地球化学分析，并与东太平洋CC区产出的结核进行对比，发现印度洋结核区的结核地球化学特征与东太平洋海盆CC区结核相似；结核(Co+Ni+Cu)品位为1.17%~3.27%，平均值为2.33%，也与开辟区品位相当；结核中轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，有正的Ce异常，轻微的Eu负异常，与我国开辟区结核的REE配分模式一致。通过Fe-Mn-(Ni+Cu)图解判别印度洋结核区既有成岩作用偏混合成因的结核，也有水成成因的结核，这也得到了样品的地球化学证实。
关键词：
中图分类号：TD982 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S2-0108-06
Geochemical characteristics of polymetallic nodules from Central Indian Basin
SONG Cheng-bing1, 2, DENG Xi-guang3, HE Gao-wen3, ZHANG Xue-hua3, YAO Hui-qiang3, YANG Yong3
(1. China Ocean Mineral Resources R&D Association, Beijing 100860, China;
2. China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China;
3. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China)
Abstract: Polymetallic nodules are abundant potential mineral resources, which are found in most oceans of the world. It has attracted economic interests of worldwide countries. There are three types of nodules, including the explosed, semi-buried and buried types, on the surface of sea-bottom sediments. Seven nodule samples from sites in the Central Indian Basin have been analyzed, sampling by COMRA leg 19 and leg 21. Compared with CC area in Eastern Pacific Ocean, there are similar geochemical features between the nodules of Central Indian Ocean and the nodules of Eastern Pacific Ocean. The concentration of nodules(Co+Ni+Cu) is 1.17%-3.27% , and the average is 2.33%, which agrees with the concentration of nodules in CC area of Eastern Pacific Ocean. The feature of REE of nodules is that it is rich in light REE and short in heavy REE, and Ce is anomaly positive and Eu is anomaly weakly negative, which is similar to the feature of REE of nodules in CC area of Eastern Pacific Ocean. According to the diagram of Fe-Mn-(Ni+Cu), the formation of nodules from the Central Indian Basin originates from the process of the depositional-diagenetic geneses and the hydrogenetic geneses, which is favor of geochemical characteristics of nodules.
Key words: polymetallic nodules; geochemistry; Indian Ocean
从1872至1876年，英国“挑战者”号船环球考察时，在大西洋底首次发现了多金属结核。继此之后，一些国家在大洋考察中都有多金属结核的发现，但这些调查仅仅是探索阶段。直到20世纪60年代后，人们逐渐意识到陆地资源终有枯竭的时候，各国相继对大洋进行多金属结核的调查。随着科学技术的发展，结核的大规模开采将成为可能，因而结核中具经济效益的锰铁矿物以及Cu，Co和Ni等金属元素的研究也越来越引起各国的普遍关注和兴趣。目前，国外很多国家都对多金属结核资源进行了大规模的调查研究，并取得了一定的成果。我国多金属结核调查从20世纪70年代后期开始至今，国家海洋局、原地矿部及后来成立的中国大洋矿产资源研究与开发协会，在中太平洋和东太平洋“CC区”先后进行了20多个航次的多金属结核资源调查，取得了丰富的地质、地球物理和多金属结核的资料和样品，并且在“CC区”获得了7.5 km2的专属开辟区。目前在国际海底区域，国际海底管理局在太平洋和印度洋分别拥有一块多金属结核区，已经有8个国家或国家集团成为了多金属结核勘探承包者，其中中国、日本、韩国、法国、海金联、俄罗斯和德国成为“CC区”多金属结核勘探承包者，印度成为印度洋结核区的勘探承包者。
印度洋的结核区已经完成了大量的调查和研究工作，在区域地质、结核的结构和构造、矿物成份和地球化学等方面均有工作涉及，并估算了资源量[1-3]。而我国的结核工作区位于太平洋CC区，没有对印度洋结核区进行调查工作，仅在2007年的19航次进行了6个站位的箱式取样和1条摄像测线以及2011年的21航次3个站位(拖网和电视多管)和1条摄像测线，在7个站位取得多金属结核样品，分别为19航次的19III-S21-LBOX1,19III-S22-LBOX2-3,19III-S23-LBOX1,19III-S24-LBOX1和19III-S26-LBOX1 5个站位(下文和图表中均缩写为B1，B2，B3，B4和B6)和21航次的IO1002-D和IO1001TVMC02(下文和图表中均缩写为02D和02MC)。本文作者综合7个站位的多金属结核样品，对结核样品进行了地球化学分析，研究印度洋结核的地球化学特征，并与“CC区”的多金属结核进行对比，分析印度洋多金属结核的成因。
1 区域地质
印度洋结核区位于印度洋中央海盆的西北角，区域范围为10°S—17°S和72°E—82°E，是印度洋唯一的可开采结核矿区，也是世界上第二大结核矿区(图1)。印度洋中央海盆位于南北向东经90°海岭与查戈斯-拉卡代夫海岭(Chagos-Laccadive Ridge)之间，北面为印度大陆和孟加拉湾，南面及西南面为东南印度洋中脊和中央印度洋中脊，呈长方形，水深4 000~6 090 m，平均水深约5 000 m。
东经90°海岭是在白垩纪时南印度洋凯尔盖朗热点(Kerguelen)伴随印度板块北移形成的，海岭长约 4 000 km，离海底高2 000~3 000 m。最底部为白垩系的玄武岩，中部为厚度约2 km的古新统火山沉积物，上层为厚度为300~400 m的中新统以来的深海软泥。它是印度板块与澳大利亚板块的分界线。
查戈斯-拉卡代夫海岭是在白垩纪时留尼汪热点(Reunion)伴随印度板块北移形成的，长约3 000 km，宽为166~370 km，岭脊水深往南逐渐加深。底部为白垩系的玄武岩，中部为4~5 km厚的火山熔岩层，上层为晚古新世以来的深海沉积物(包括深海软泥、浅海灰岩、砂岩和粉砂岩)。
东南印度洋中脊和中央印度洋中脊分别为印度板块与南极板块、非洲板块的分界线，其中东南印度洋中脊属于中速扩张脊，半扩张速度为62~73 mm/a，而中央印度洋中脊也属于中速扩张脊，其半扩张速度为40 mm/a。
印度洋中央海盆是在早白垩世时由于东冈瓦纳大陆的裂解逐渐向北漂移，直到约50Ma印度板块俯冲在亚洲板块之下形成的，其后主要以板内变形为主，漂移距离大约为6 500 km，平均漂移速度为55 mm/a(半速率)[4]。在中央海盆内存在一些平行于海岭近N—S向的断裂，如韦斯努断裂(Vishnu Fracture Zone)和印地拉尼断裂(Indrani Fracture Zone)，区域内火山活动和海山平行于洋中脊。据DSDP215钻井资料[5]表明，印度洋中央海盆最下部的沉积地层为与基岩枕状玄武岩相接触的古新统灰褐色或黄褐色超微浮游生物软泥，其上为早始新统至晚中新统的浅褐色放射虫黏土及深褐色沸石黏土夹粉砂质黏土，往上为晚中新统的灰褐色或灰色粉砂质黏土和黏土质粉砂，顶部为晚中新统至第四系的黄褐色放射虫硅藻软泥。
2 地球化学特征
采用XRF和ICP-MS分析方法得到了印度洋结核区7个多金属结核样品的地球化学数据，分析数据见表1。结果表明，在主量元素方面，21航次的2个样品02D和02MC的SiO2和Al2O3的含量远高于其他样品以及我国开辟区多金属结核的平均值，SiO2的含量高达26.07%和28.40%，Al2O3的含量高达9.40%和9.57%，这可能是结核核心为酸性火山物质所引起的。与我国开辟区东区和西区的多金属结核地球化学分析数据相比，7个样品的主量元素氧化物的平均含量除MgO、P2O5和TiO2与开辟区东区接近外，其他主量元素氧化物均与开辟区西区接近。在这7个样品中，B3和B6 2个样品与其他样品相比，除了02D和02MC的SiO2和Al2O3含量外，主量元素氧化物含量具有负的相关性，其K2O，Na2O和MgO含量比其他样品的低，而SiO2，Al2O3，CaO，P2O5和TiO2含量比其他样品的高。
从成矿元素来看，印度洋结核区多金属结核样品中Co含量为0.099%~0.185%，平均值为0.130%，其中B3和B6样品含量比其他样品的高，分别为0.185%和0.169%，与开辟区东区平均值相当，低于开辟区西区平均值，其他样品均低于开辟区的平均值，7个样品的平均值与开辟区东区平均值相当；Ni含量为0.544%~1.487%，平均值为1.04%，与开辟区西区平均值相当；3个样品的含量低于1%，3个样品的含量与开辟区东区的相当，1个样品的含量与开辟区西区的相当；Cu含量为0.457%~1.685%，平均值为1.16%，介于开辟区东区与西区之间，其中B3和B6样品含量低于其他样品，分别为0.581%和0.457%。7个样品 (Co+Ni+Cu)的品位为1.17%~3.27%，平均值为2.33%，略低于报道的2.64%的平均值[3]，低于开辟区东区品位，高于开辟区西区的品位，其中B3和B6样品品位低于其他样品1.52%和1.17%。从数据表中可以看出Co与Cu和Ni具负相关关系。
图1 印度洋结核调查区域
Fig.1 Diagram of polymetallic nodule investigation zone of Indian ocean
表1 印度洋多金属结核地球化学分析数据表
Table 1 Geochemical data of polymetallic nodule zone of Indian ocean
结核Mn含量为18.22%~32.11%，平均值为24.65%，与开辟区西区的平均值相当，低于开辟区东区平均值；Fe含量为5.07%~17.67%，平均值为9.40%，与开辟区西区的平均值相当，低于开辟区东区平均值；样品Mn和Fe具有负相关关系。w(Mn)/w(Fe)为1.03~6.33，平均值为3.54，介于开辟区东区与西区之间, 其中B3和B6样品w(Mn)/w(Fe)低于其他样品，仅为1.36和1.03，其他样品w(Mn)/w(Fe)高于2，w(Mn)/w(Fe)与多金属结核的品位具正相关关系。
从稀土元素分析结果来看(表1和图2)，印度洋结核区多金属结核均表现为轻稀土元素富集、正Ce异常和负Eu异常，配分模式基本一致，表明稀土元素可能具有相同的来源。稀土元素总量(∑w(REE))为(467.6-1649.0)×10-6，平均为861.1×10-6，轻稀土元素总量(∑w(LREE))与重稀土元素总量(∑w(HREE))之比为5.95~10.28，平均为7.51。在这7个样品中，B3和B6具有较高的稀土元素总量，较大的轻、重稀土元素比值和较大的正Ce异常。
图2 印度洋结核区多金属结核REE配分图(球粒陨石数据来自[6]；COMRA-E和COMRA-W数据来自何高文，2006)
Fig.2 REE partition graph of polymetallic nodule zone of Indian ocean
从多金属结核的地球化学分析结果来看，B3和B6 2个样品与其他5个样品具有不同的化学成分，相对富集Si，Al，Ca，P，Ti，Co，Fe，Pb，Sr，Zr，Y和稀土元素，相对亏损K，Na，Mg，Ni，Cu，Mn和Zn。而且从分析数据来看，稀土元素总量越高，相应的w(Mn)/w(Fe)和(Cu+Co+Ni)品位就越低，而Ce正异常也较高。
3 成因探讨
一般认为，多金属结核的成因主要包括3种：水成、成岩和混合成因[7]。不同的成因具有不同的地球化学特征，成岩作用形成的结核由于Mn比Fe更易活化，其Mn/Fe较高，富Cu和Ni，贫Co和REE，处于弱氧化环境；而水成成因结核一般呈暴露型产出，成矿环境的氧化性较强，受海底火山作用和陆源物质影响较大，较易吸收Ba，Pb，Sr，Zr和Al，Si，P等组分，具有较低的w(Mn)/w(Fe)，贫Cu和Ni，富Co和REE。从上面多金属结核的地球化学特征来看，样品02MC，B3和B6具有水成成因的地球化学特点，而其他4个样品偏向于成岩作用特点。
对于多金属结核的成因也可以利用地球化学图解来判别，利用Fe-Mn-(Ni+Cu)图解[7]来判别本次分析样品。图3所示为多金属结核成因判别图解，将本次样品结果投点于图3中，发现02D，B1，B2和B4这4个样品落在成岩作用区和混合作用区界线附近，与我国开辟区西区部分结核类似；B3和B6这2个样品落在水成作用区，相对于我国开辟区东区更具有水成成因特征，样品02MC落在我国开辟区东区和西区的重合边缘。
图3 多金属结核成因判别图解(据文献[7]；COMRA-E和COMRA-W数据来自何高文，2006)
Fig.3 Diagram of generation discrimination of polymetallic nodul
4 结论
(1) 从印度洋多金属结核的地球化学分析结果来看，B3和B6 2个样品与其他5个样品具有不同的化学成分，相对富集Si，Al，Ca，P，Ti，Co，Fe，Pb，Sr，Zr，Y和稀土元素，相对亏损K，Na，Mg，Ni，Cu，Mn和Zn。
(2) 印度洋多金属结核(Co+Ni+Cu)品位为1.17%~3.27%，平均值为2.33%，低于开辟区东区品位(2.16%)，高于开辟区西区的品位(2.94%)，Co与Cu和Ni具有负相关关系。
(3) 从样品的稀土元素来看，轻稀土元素富集、正Ce异常和负Eu异常，配分模式基本一致，表明稀土元素可能具有相同的来源。
(4) 具有稀土元素总量越高，相应的w(Mn)/w(Fe)值和(Cu+Co+Ni)品位就越低，而Ce正异常也较高。
(5) 7个样品中有3个样品具有水成成因的地球化学特点，在Fe-Mn-(Ni+Cu)图解中接近于我国开辟区西区的投影范围，4个样品具有成岩作用偏混合成因的地球化学特点，在Fe-Mn-(Ni+Cu)图解中接近于我国开辟区东区的范围。
致谢：感谢大洋协会提供的样品，感谢大洋19航次和20航次的全体科考队员和船员的辛勤工作。也感谢中国地质科学院测试所和广州海洋地质调查局测试所对样品的地球化学分析。
参考文献：
[1] Rao V P C. Mineralogy of polymetalllic nodules and associated sediments from the Central Indian Ocean Basin[J]. Marine Geology, 1987, 74(1): 154-157.
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[3] Mukhopadhyay R, Iyer S D, Ghosh A K. The Indian Ocean Nodule Field: petrotectonic evolution and ferromanganese deposits[J]. Earth-Sciences Reviews, 2002, 60(1/2): 67-130.
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[6] Boynton W V. Geochemistry of the rare earth elements: meteorite studies[C]//Henderson P. Rare earth element geochemistry. Elsevier, 1984: 63-114.
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(编辑 何运斌)
收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15
基金项目：国际海底区域研究开发“十一五”项目(DYXM-115-2-01-07，DYXM-115-2-01-06)
通信作者：邓希光(1969-)，男，湖南双峰人，博士，教授级高工，从事海洋地质、海底矿产资源、岩石地球化学等方面研究；电话：020-82250196；E-mail：dengxg68@163.com
摘要：多金属结核是一种蕴藏量巨大的矿产资源，它广泛分布于大洋海底，其潜在的经济价值引起了国内外的普遍关注和重视，常以暴露型、半埋藏型和埋藏型存在于大洋海底沉积物表层。通过对在大洋19航次和21航次在印度洋结核区所取得的7个站位样品进行地球化学分析，并与东太平洋CC区产出的结核进行对比，发现印度洋结核区的结核地球化学特征与东太平洋海盆CC区结核相似；结核(Co+Ni+Cu)品位为1.17%~3.27%，平均值为2.33%，也与开辟区品位相当；结核中轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，有正的Ce异常，轻微的Eu负异常，与我国开辟区结核的REE配分模式一致。通过Fe-Mn-(Ni+Cu)图解判别印度洋结核区既有成岩作用偏混合成因的结核，也有水成成因的结核，这也得到了样品的地球化学证实。
