1、第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，东南太平洋秘鲁海盆 区浅层埋藏型铁锰结核的矿物学和地球化学特征及成因类型*吴潇平，赵广涛，徐翠玲，来志庆，*（中国海洋大学海洋地球科学学院海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 ；中国科学院海洋地质与环境重点实验室，山东 青岛 ；中国地质调查局青岛海洋地质研究所自然资源部天然气水合物重点实验室，山东 青岛 ；青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 ）摘要：本文通过对秘鲁海盆 区浅层埋藏型铁锰结核开展地球化学和矿物学研究，探讨了埋藏型大洋锰结核的有用组分的富集、清扫机制及成因类型。该区铁锰结核致密层和疏松层互层具有明显的多孔树
2、状微结构，结核主要由 锰矿相、锰矿相（水钠锰矿）和 （水羟锰矿）等锰相矿物组成，成分上具有高、低 和中等 、（分别为 、）的亚氧化成岩型特征和低的、和 元素（均小于）含量。铁锰结核中低含量的 和大部分的 与 氧化物清扫有关，其中 与 相关系数 ，高 （）中 含量同样很高（），其他元素如、和 均与 的羟基氧化物及铝硅酸盐相关性较高（）。铁锰结核、元素含量和 比值在分层上呈现规律性变化，致密层的 负异常和疏松层的 正异常进一步表明，铁锰结核的生长过程经历亚氧化氧化成岩作用的环境条件变化，该变化致使疏松层部分组分的微弱增加和 富集机制的改变，而亚氧化条件下 氧化物的解吸附作用导致致密层中 含量的减少
3、而出现与水成成因相关元素和 含量的协同变化。因此，研究区铁锰结核的岩石学和成分特征与表层沉积环境的特殊氧化条件具有较好的耦合关系。关键词：东南太平洋；铁锰结核；富集、清扫机制；成因类型中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：吴潇平，赵广涛，徐翠玲，等 东南太平洋秘鲁海盆 区浅层埋藏型铁锰结核的矿物学和地球化学特征及成因类型 中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：山东省自然科学基金项目（）；中国科学院海洋地质与环境重点实验室开放基金课题项目（）；中央高校基本科研业务费专项（）资助 （）；，（）；（）收稿日期：；修订日期：作者简介：吴潇平（），男，硕士生。：*通讯作
4、者：近 年来，学者们对大洋铁锰结核（以下简称锰结核）的地球化学和矿物学特征、成因和分布特征以及对古海洋环境演变的记录等开展了大量研究。锰结核根据成因可分为水成型、热液型和成岩型，前两者主要由底层海水中的金属元素沉淀而成，后者则主要由氧化和亚氧化的沉积物孔隙水中的元素迁移富集而成，部分水成型锰结核具有在氧化沉积物环境中形成的成岩型微层，成岩型结核中也会有水成型微层。大洋锰结核在全球大洋、大陆边缘和极地海域中均有分布，其中资源成矿潜力较大的结核富集区主要分布在太平洋和印度洋中水深约 的深海盆内 。运用放射性同位素和定年方法可反演地质历史时期的海洋环流、生物生产力、岩浆活动以及陆壳风化信息，锰结核被
5、视为古海洋学和古气候学的理想示踪物 。锰结核根据在沉积物中的赋存深度可分为表层型和埋藏型；又可根据赋存位置的氧化条件细分为来自表层的表层结核、来自沉积物 以上的浅层埋藏型结核以及来自沉积物深度 的深层埋藏型结核。与表层结核相比，埋藏型结核的研究相对较少，而在分布数量上有研究发现，在太平洋沉积物中深度 以上的埋藏型结核可能和表层结核一样多，因此其具有重要的研究和资源意义。埋藏后的结核会因其沉积环境化学条件不同而经历不同生长过程，如在未固化的氧化型沉积层的生长，埋藏于近中性环境则期吴潇平，等：东南太平洋秘鲁海盆 区浅层埋藏型铁锰结核的矿物学和地球化学特征及成因类型可能保持不变，结核在还原环境中通常
6、被认为会溶解或部分溶解，而对于溶解后的结核亦存在后续的元素再迁移现象；也有学者认为，结核埋藏后既不生长也不溶解。因此，不同结核研究区的海洋表面生产力、陆源物质的输入和海底底流及沉积物特性以及结核埋藏深度导致结核埋藏后差异性生长和演变。南美洲大陆西侧的秘鲁海盆（）与太平洋东赤道的克拉 里 昂 克 里 伯 顿 区（）和 中 印 度 洋 海 盆（）并称为全球铁锰结核资源量最大的成矿远景区，海盆浅层沉积物中广泛分布着大量不同成因类型的结核（最大丰度可达 ），其中秘鲁海盆沉积表层快速下降的氧浓度梯度为受早期成岩影响的结核生长提供了有利的生长环境，对浅层埋藏型结核的组成成分产生了重要影响。等将秘鲁海盆区锰
7、结核划分为早期成岩 型、水成 型、混合型 型和高 含量的 型，认为海盆内锰结核的 存在以 为转折点的双曲线回归特征，其 中 成 岩 型 锰 结 核 随 增 大 而 趋 向 于 左右。等 通过热处理实验证明，盆内锰结核主要由稳定的层状 锰矿相、水钠锰矿、水羟锰矿和不定型的 矿物相组成。盆内锰结核的韵律生长成因有两类：（）比气候变化频率更高的 生 物 扰 动 造 成 的 成 岩 型 和 水 成 型 的 互 层 现象；（）锰结核原位生长受似冰期间冰期沉积物底层水氧化化学条件变化导致生长速率和 比值的规律变化。前人对秘鲁海盆锰结核的研究多聚焦于水成型锰结核的研究，缺乏对成岩型锰结核成因研究和元素富集机
8、制的探讨。本文通过对秘鲁海盆埋藏结核的地球化学、矿物学以及微层结构的分析，可以揭示其成分特征和成因类型，以探讨结核的周期性发育过程和生长环境变化，同时也可为研究区的古环境和古海洋学研究提供参考依据。样品及分析方法样品及研究区概况秘鲁海盆位于纳斯卡板块（太平板块和南美洲板块之间）的东北部，东邻秘鲁俯冲带，北接加拉帕戈斯海台边界，西为东太平洋海隆 ，海盆形成于约 的东太平洋隆起活动期间。秘鲁海盆大部分区域沉积物由硅质和钙质的软泥和泥组成，其沉积速率为 ，表层沉积物中颗粒有机碳含量较高（，约 ）。研究区（）位于秘鲁海盆北部边缘（见图），平均水深为 ，高于目前的碳（白圈：，采样位置：。，）图研究区 海
9、底地形和采样位置 中国海洋大学学报 年酸盐补偿深度（，：）与 海 盆 锰 结 核 覆 盖 率 最 高 的 深 度（）相近 。赤道太平洋高生物生产力区致使该区具有较高的有机碳输入和较浅的氧渗透深度（溶解氧在沉积物海水界面以下 即被消耗殆尽）。沉积物表层 为深棕色氧化沉积层，棕色层以 下 为 浅 棕 色 至 灰 棕 色 亚 氧 化 沉 积层，。继之为至 的灰绿色或橄榄色粉砂粘土层，再下 则为斑点状深棕色粉砂粘土层。本文的锰结核样品取自 航次的 ，采样站位为 （，），详见图中 。采样点水深度 （位于 以上），为使用最大取样深度 的箱式取样器于沉积物水界面以下 处取得。锰结核外形呈菜花状，整体呈黑灰色
10、，核心部分已脱离，自核部至外表约，具有规律的致密层 疏松层叠层结构，约 宽的裂缝贯穿整个结核（见图（），表面有 灰白薄层。（）俯视图，（）侧视图，（）分层示意图。（），（），（）图锰结核样品照片 样品处理和测试分析自锰结核的五个致密层（、）和三个疏松层（、）（见图（）分别取样。在初步碎样后低温（）烘干，利用玛瑙研钵研磨至 目以上，对以上样品进行主微量元素测试分析。致密层还开展了 矿物相分析，取结核完整的横截面样品，烘干注胶和低温（）烘干 后进行磨平抛光，用超声波清洗去除杂质后，利用电子探针进行微区原位成分分析。矿物相 射线衍射（）分析测试在中国科学院青岛生物能源与过程研究所公共实验室完成。仪器
11、型号为 ，工作条件为 ，耙，衍射条件设置为：步进长度 （），扫描速度为每分钟，扫描范围为 。测试结果利用 软件进行分析。主、微量元素分析测试在山东省物化探勘查院岩矿测试中心完成。主量元素利用电感耦合等离子体发射光谱仪（）进行测试分析，仪器型号为 ；微量元素利用电感耦合等离子体质谱仪（）进行分析测试，仪器型号为 。矿物微区原位测试分析在中国海洋大学地球科学学院电子探针实验室完成，仪器型号为 ，测试分析加速电压为 ，电流为 ，电子束直径为。共进行了 、等 种元素的测试。因锰结核矿物晶体结构中含有一定量的水（如水羟锰矿约 ，钙锰矿和层状锰矿相约 ）以及高孔隙度的生长结构，因此电子探针分析的元素氧化物
12、数据总量多小于 。本研究共获取有 个有效数据（总量大于 ），其中致密层（、和）个，疏松层（、）个，其中 元素测试含量低于检出限，此外高 （）的异常数据点未纳入 平均值计算。结果矿物学结构特征（）致密层：、，（）疏松层：、。布塞尔矿，钙锰矿，水钠锰矿，石英，水羟锰矿。（）：、，（）：、；）图锰结核样品射线粉晶衍射特征性图谱 期吴潇平，等：东南太平洋秘鲁海盆 区浅层埋藏型铁锰结核的矿物学和地球化学特征及成因类型样品致密层粉晶 射线衍射图（见图（）表明，结核主要由锰相矿物和少量碎屑矿物组成，其中锰相矿物主要有 锰矿相（特征峰 ）、水钠锰矿（特征峰 ）和水羟锰矿（特征峰 ），少量碎屑矿物主要有石英。此
13、外，自结核核心至外层（到），锰矿相（钙锰矿和布赛尔矿）特征峰值逐渐递减，水钠锰矿的外两层峰值突然递增，核心三层波峰不明显，这可能表明水钠锰矿向 锰矿相的转变。背散射图片表明，致密层呈块状形态（见图（），层内连续性较好，含较多的微化石印模和少量微化石，微化石印模多被 氧化物替代，此外还可见 氧化物呈条带状分布于致密层中（见图（）。疏松层粉晶射线衍射图谱（见图（）与致密层的矿物相组成一致，均由 锰矿相、水钠锰矿和水羟锰矿和石英组成，致密层以 波峰为主，疏松层则以 波峰为主。自内向外的疏松层体现为水钠锰矿（）的峰值逐渐增加，锰矿相在 层表现出微弱峰值，至 层则峰值基本消失。疏松（）完整的致密型层，生
14、长方向为左下角至右上角，层内可见大量化石印模，（）致密型层的放大图，可见以交代形式和印模充填的纯的 氧化物，其颜色区别于周围，（）致密层至疏松层的过渡，主要可见良好生长的多孔树状型层和黑色条纹，（）多孔树状型到致密型的不明显的过渡，（）和（）中可见不规则和条纹状黑色斑点，（）为黑色斑点放大图。（）；（）；（），（），（）；（）（）；）图结核各层的背散射图片（）中国海洋大学学报 年层在背散射图像中多表现为孔树状形态（见图（），层内连续性较差，化石印模较少，可见部分暗色不规则或条纹状区域（见图（）和（）黑斑）。致密层到疏松层的边界清晰（见图（）和（），而疏松层到致密层的则表现为连续性过渡（见图（）
15、。地球化学特征主微量元素特征锰结核主微量元素平均含量见表，相较太平洋其他富集区域如 区（）、南太平洋（）和北太平洋富集区（）锰结核，含量极高，含量较低，因此具有极高的 比值，其中 为 （其他区域为）、为 （其他区域 为 ）、为 （其 他 区 域 为），高的 表明锰结核在形成过程受到早期成岩作用的显著影响。此外，锰结核中常见富集的金属元素、和 含量均较低，和 含量与南太平洋及北太平洋富集区平均含量相似，而低于 区；、和 则均明显小于其他三个区域，含量远小于南太平洋和北太平洋富集区，低约两个数量级。总体上，结核元素含量与秘鲁海盆（）的锰结核元素平均含量相近，但元素分布模式成岩特征程度更高，比值显著
16、高于秘鲁海盆均值，除 和 外，其他元素含量均低于秘鲁海盆，其中差别明显的有 、。表 区样品与其他铁锰结核区的元素含量 元素均值 样品 附近区域 型 型 型 秘鲁海盆 区 南太平洋 北太平洋富集区 （）注：表中元素 单位为 ，单位为 ；邻近研究区数据来自于 ，型 ，代表位于结核底部在沉积物中形成的成岩组分；代表位于小型结核和大型结核内部的组分；代表位于结核顶部的在底层海水中形成的水成型组分；秘鲁海盆、区、南太平洋、北太平洋富集区数据来自 等。；，；，期吴潇平，等：东南太平洋秘鲁海盆 区浅层埋藏型铁锰结核的矿物学和地球化学特征及成因类型 对根据内部生长结构对秘鲁海盆 ，附近的锰结核进行分类并进行元素含量特征分析。本研究选择代表性型、型和型进行对比分析，其中型代表成岩作用的减弱和水成作用的增强，随水成作用程度的增加，会降低 、含量，含量则降低，有些元素（如 、）则在型中最为富集。本研究锰结核的多数元素平均含量与型结核较为相似，除 略高和 略低外，样品与型差异特征有：（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）。与同研究区结核元素平均含量的差异可能是由于结核内部致密层和疏松层的不同地球化学特征导致
