南海北部陸緣多金屬結(jié)核的內(nèi)部顯微構(gòu)造特征及其地質(zhì)意義

王瑜，張振國

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實驗室，河北唐山 063009)

多金屬結(jié)核又稱鐵錳結(jié)核，含有Mn、Fe、Ni、Co、Cu等幾十種元素［1］。從其分布區(qū)域看，大都集中分布于大洋盆地，其形成主要受控于大洋的底流活動、碳酸鹽補(bǔ)償深度、陸源碎屑的供應(yīng)速度及古海洋生產(chǎn)力等要素［2］。邊緣海區(qū)域的多金屬結(jié)核較為少見，南海北部是新生代全球沉積作用最活躍的區(qū)域，形態(tài)發(fā)育完好的大型多金屬結(jié)核更是十分罕見。基于這種認(rèn)識，本文通過分析和研究結(jié)核顯微構(gòu)造特征，系統(tǒng)地劃分了內(nèi)部顯微構(gòu)造的成因類型，進(jìn)而探討其形成的邊緣海環(huán)境和生長機(jī)制。

1 樣品及研究方法

研究所用南海北部陸緣多金屬結(jié)核樣品，系“海洋四號”在2005年執(zhí)行科考任務(wù)時，通過拖網(wǎng)作業(yè)獲得。該批多金屬結(jié)核形態(tài)發(fā)育良好，呈球狀、腎狀、草莓狀等不同形態(tài)。本文研究樣品外觀為黑褐色，呈球狀或不規(guī)則扁球狀，表面有菜花狀突起，條痕為黑褐色，硬度小于小刀(＜5.5)，不規(guī)則球狀，長徑6cm、短徑為4.5cm(圖 1)。

樣品切片的制作由北京大學(xué)地學(xué)實驗室完成;結(jié)核內(nèi)部顯微構(gòu)造分析在河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實驗室高倍率偏反光電子顯微鏡下進(jìn)行。

2 多金屬結(jié)核的顯微構(gòu)造類型及特征

2.1 樣品的切片特征

樣品切片顯示，具有以核部為中心，致密層和疏松層呈環(huán)狀交替分布的韻律層構(gòu)造，由內(nèi)至外呈致密層(Ⅰ)——疏松層(Ⅱ)——較致密層(Ⅲ)——疏松層(Ⅳ)——較致密層(Ⅴ)——疏松層(Ⅵ)間隔分布。核心近似橢圓形，長徑1cm、短徑0.7cm(圖2)。

2.2 樣品的顯微構(gòu)造類型及特征

在高倍率偏、反光鏡下，多金屬結(jié)核巖石薄片的顯微構(gòu)造復(fù)雜多樣，在不同的韻律層內(nèi)可以看到各類更細(xì)微的顯微結(jié)構(gòu)［3］。由于多金屬結(jié)核中最基本的構(gòu)造單元是非晶質(zhì)的鐵錳氧化物、晶質(zhì)錳的氧化物、粘土以及一些碎屑物質(zhì)構(gòu)成的微層。它們的厚度由不足1μm到幾十μm不等，根據(jù)不同礦物所具有的不同光學(xué)性質(zhì)，可以清晰地將其區(qū)別開來。非晶質(zhì)的鐵錳氧化物為淺灰色，較暗;晶質(zhì)錳氧化物呈黃白色，較亮;而粘土及一些碎屑物為黑灰色。

本研究利用河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實驗室新型高倍偏反光顯微鏡，對樣品進(jìn)行了大量細(xì)致的觀察，較為典型的顯微構(gòu)造特征如圖3所示。

層紋狀構(gòu)造:是指由鐵錳質(zhì)礦物與粘土類雜質(zhì)相間構(gòu)成的顯微層狀構(gòu)造，微層呈平緩波狀平行延伸，延續(xù)性較好［4-5］。一般圍繞核心呈同心層狀分布，在核心附近和在每一韻律層的開始比較發(fā)育。

圖1 多金屬結(jié)核的外部形態(tài)圖

圖2 多金屬結(jié)核的層狀構(gòu)造

圖3 多金屬結(jié)核內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)

疊層狀構(gòu)造:由非晶質(zhì)鐵、錳氧化物及粘土等雜質(zhì)微層相間分布，所構(gòu)成的顯微層狀構(gòu)造。各層厚度不一，疊層起伏，沿輻射方向?qū)訉盈B起，頂點指向結(jié)核外部。

柱狀構(gòu)造:由非晶質(zhì)鐵錳氧化物與粘土雜質(zhì)微層規(guī)則有序地高角度彎曲疊置而成，柱狀構(gòu)造有時會產(chǎn)生分枝。相鄰柱體及分枝之間由粘土類雜質(zhì)或碎屑物充填。

顆粒狀構(gòu)造:以球狀顆粒均勻排列為特征，顆粒直徑數(shù)十至數(shù)百微米，內(nèi)部呈同心紋層構(gòu)造。

掌狀構(gòu)造:由鐵、錳氧化物及粘土等雜質(zhì)微層相間分布的多個疊層狀構(gòu)造排列及延伸方向一致，厚度不一，前部分散，后部集中，類似手掌的顯微構(gòu)造。

斑狀或團(tuán)狀構(gòu)造:這類構(gòu)造可能由微晶的錳氧化物(主要是鈣錳礦)和粘土等雜質(zhì)構(gòu)成。交代、交代殘余和重結(jié)晶現(xiàn)象普遍，原生微層紋狀構(gòu)造己不存在或僅部分保留。

條帶狀構(gòu)造:鐵、錳氧化物與粘土等雜質(zhì)近似平行狀相間排列，橫向延伸比較穩(wěn)定。

裂隙充填構(gòu)造:由于賦存條件的變化，多金屬結(jié)核膠結(jié)物發(fā)生碎裂，產(chǎn)生放射狀的裂隙，從內(nèi)核延伸到結(jié)核表面，在結(jié)核中運移的流體，溶解和淋濾出部分鐵錳物質(zhì)，又在裂隙中沉淀下來，形成枝狀或帶狀的充填構(gòu)造。

脈狀構(gòu)造:顯微鏡下鐵、錳氧化物呈現(xiàn)脈絡(luò)狀排列，脈理清晰。

2.3 多金屬結(jié)核不同層位代表性顯微構(gòu)造特征

在顯微鏡下觀察，致密層中非晶質(zhì)鐵錳氧化物、晶質(zhì)錳化物及粘土等雜質(zhì)相間分布，構(gòu)成疊層狀構(gòu)造，疏松層則呈顆粒聚集狀，微層不明顯。

樣品核心部為不透光、似花瓣狀的鐵錳礦物，周圍的蝕變區(qū)已被粘土及其它碎屑物充填(如圖3);Ⅰ層的顯微構(gòu)造以層紋狀構(gòu)造為主，伴隨柱狀和疊層狀的致密層，從鏡下看該層非晶質(zhì)鐵、錳氧化物排列緊密，粘土等雜質(zhì)的含量少;Ⅱ?qū)拥娘@微構(gòu)造以斑雜狀構(gòu)造為主，伴隨著裂隙及充填構(gòu)造的疏松層，從鏡下看該層非晶質(zhì)鐵、錳氧化物和晶質(zhì)錳的氧化物排列疏松，巖屑碎塊含量較多;Ⅲ層的顯微構(gòu)造層紋和脈狀以及疊層和條帶狀構(gòu)造的較致密層，從鏡下看該層非晶質(zhì)鐵、錳氧化物及其他礦物的晶體排列較緊密，碎屑物質(zhì)含量較少;Ⅳ層的顯微構(gòu)造以掌狀和裂隙及充填構(gòu)造為主的疏松層，從鏡下看該層晶質(zhì)、非晶質(zhì)鐵、錳氧化物排列較疏松，粘土等碎屑物質(zhì)含量較少;Ⅴ層的顯微構(gòu)造是較致密層，以層紋構(gòu)造為主，伴隨著脈狀，從鏡下看該層晶質(zhì)、非晶質(zhì)鐵、錳氧化物及其它礦物排列較為緊密，粘土及其他碎屑物含量較少;Ⅵ層的顯微構(gòu)造主要以斑雜和裂隙及充填構(gòu)造相伴而生的疏松層，在鏡下看該層排列較疏松，其中以球狀顆粒均勻排列為特征，顆粒直徑數(shù)十至數(shù)百微米，內(nèi)部呈同心紋層構(gòu)造。

圖4 多金屬結(jié)核核心顯微構(gòu)造

3 多金屬結(jié)核的顯微構(gòu)造特征及其地質(zhì)意義

南海北部陸緣多金屬結(jié)核由核心開始，內(nèi)部構(gòu)造類型繁多，各層位所具代表性的顯微構(gòu)造呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。其致密層:質(zhì)地致密，粘土礦物及碎屑雜質(zhì)含量極低，具層紋結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、疊層狀結(jié)構(gòu)等。而較致密層:質(zhì)地較致密，粘土礦物及碎屑雜質(zhì)含量較低，具樹枝狀結(jié)構(gòu)、疊層狀結(jié)構(gòu)等。但疏松層:質(zhì)地疏松，粘土礦物及碎屑雜質(zhì)含量較高，結(jié)構(gòu)凌亂，具斑狀結(jié)構(gòu)、掌狀結(jié)構(gòu)、樹枝狀結(jié)構(gòu)等特征。其構(gòu)造組合關(guān)系多種多樣，這反映了結(jié)核生長機(jī)制及其生長古海洋環(huán)境的變化［6-8］。

首先，從組合類型來看，層紋和柱狀構(gòu)造是最常見的致密層組合類型，而疏松層多以斑雜和疊層狀組合為主。其次，從結(jié)核的構(gòu)造生長次序及相互關(guān)系來看，結(jié)核多半以層紋構(gòu)造開始生長，然后逐步過渡為柱狀、疊層狀和斑雜狀構(gòu)造。這反映結(jié)核在生長過程中主要受陸源沉積速率和鐵、錳等物質(zhì)的供應(yīng)控制。結(jié)核開始生長時以巖屑、粘土及各種生物碎屑核心物質(zhì)的反映面不利于柱狀或貝紋狀構(gòu)造的發(fā)育或其他某種因素阻礙了這種構(gòu)造的生長，該樣品是從層紋狀開始生長的。層紋與疊層狀構(gòu)造，塊狀與斑雜構(gòu)造，塊狀與紋層構(gòu)造之間往往構(gòu)成一間斷面，這反映了由于環(huán)境變化而產(chǎn)生的結(jié)核生長間斷現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)生物成因的構(gòu)造往往與斑雜構(gòu)造相伴生，顯示結(jié)核生長時期沉積物懸浮到再沉積的動蕩環(huán)境。因此，邊緣海多金屬結(jié)核內(nèi)部形成了類型豐富的顯微構(gòu)造。

［1］朱克超，李振韶，何高文，等.東太平洋多金屬結(jié)核礦產(chǎn)［M］.地質(zhì)出版社，2001:106-138.

［2］李江山，方念喬，丁旋，等.富鈷結(jié)殼顯微構(gòu)造與元素含量:基于中太平洋MHD79樣品的研究［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2007，21(3):518-523.

［3］張振國.南海北部陸緣多金屬結(jié)核地球化學(xué)特征及成礦意義［D］.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2007，6.

［4］許東禹，閻葆瑞.海底鐵錳結(jié)核紋層和柱狀構(gòu)造成因的探討［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，1998，18(3):31-36.

［5］張振國，高蓮鳳，沈鵬飛，等.南海西北陸緣新型多金屬結(jié)核的發(fā)現(xiàn)及意義［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，2010，26(4):32-35.

［6］林振宏，季福武，張富元，等.南海東北陸坡鐵錳結(jié)核的特征和成因［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2003，23(1):7-12.

［7］黃永樣，楊惠寧.海底沉積物類型及其地球化學(xué)環(huán)境對多金屬結(jié)核形成與分布的控制作用［M］.地質(zhì)出版社，1997:139-150.

［8］吳長航.南海北部多金屬結(jié)核的生長及元素地球化學(xué)特征研究［D］.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2009，6.