PACMANUS熱液區(qū)Si-Fe-Mn氧化物的顯微結(jié)構(gòu)特征及意義

歐陽(yáng)荷根,曾志剛,張國(guó)良,陳 帥,3,殷學(xué)博,汪小妹,王曉媛

(1.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071; 2.中國(guó)科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266071; 3.中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京 100049)

PACMANUS熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)于1991年[1],由于該熱液區(qū)的形成與海底英安質(zhì)火山作用密切相關(guān)[1],且顯示出與古代火山巖型塊狀硫化物礦床(VMS)相似的構(gòu)造地質(zhì)背景[2],因而得到了世界地質(zhì)工作者的廣泛關(guān)注。2000年11月至2001年3月,大洋鉆探計(jì)劃“193”航段為探明PACMANUS熱液區(qū)海底火山建造的結(jié)構(gòu)、巖石礦化和蝕變類型對(duì)該區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的取樣和研究工作[2]。目前,關(guān)于 PACMANUS熱液區(qū)的形成機(jī)理研究已比較透徹,而對(duì)于該熱液區(qū)Si-Fe-Mn氧化物特征的報(bào)道則較少。本文借助偏光/反光顯微鏡、電子探針和掃描電鏡分析技術(shù),對(duì)該區(qū)的 Si-Fe-Mn氧化物進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)分析,目的是通過(guò)了解Si-Fe-Mn氧化物的顯微結(jié)構(gòu)來(lái)探討其形成過(guò)程。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東馬努斯海盆位于馬努斯海盆西部靠近新愛(ài)爾蘭島位置,夾于西側(cè)的Djaul斷層和東側(cè)的Weitin斷層之間,是馬努斯海盆最年輕的擴(kuò)張區(qū)(圖 1,據(jù)文獻(xiàn)[2]有修改)[2]。該區(qū)已發(fā)現(xiàn)有3個(gè)大的熱液活動(dòng)區(qū)：PACMANU熱液區(qū)、SuSu Knolls熱液區(qū)和DESMOS熱液區(qū)[2,3]。

PACMANUS熱液區(qū)位于 Pual Ridge上(圖 1)。Pual Ridge為一北東向火山建造,長(zhǎng)15 km,寬1.5 km,高出海底500 m,最小水深1 655 m[2]。脊頂部火山巖主要為英安質(zhì)火山玻璃,脊兩側(cè)更深的部位則主要為葉片扁平狀含氣泡多孔安山質(zhì)熔巖流,而周圍水深大于2 000 m的位置則主要為葉片狀玄武質(zhì)安山巖[1,4]。沿著Pual Ridge頂部區(qū)域散布著一些各自獨(dú)立的熱液堆積體,形成長(zhǎng)度達(dá)13 km的PACMANUS熱液區(qū)[2]。

PACMANUS熱液區(qū)主要由4個(gè)高溫?zé)嵋夯顒?dòng)點(diǎn)(Rogers Ruins,Roman Ruins,Satanic Mills和Tsukushi)以及一個(gè)低溫?zé)嵋夯顒?dòng)點(diǎn)(Snowcap)組成(圖 2,據(jù)文獻(xiàn)[5]有修改)[2]。對(duì) Satanic Mills,Roman Ruins和Tsukushi熱液點(diǎn)流體測(cè)溫顯示,這3個(gè)熱液點(diǎn)的熱液流體溫度相當(dāng),變化范圍為220～276 ℃[6]。端元流體酸性強(qiáng)(pH=2.5～3.5),顯示出高的 K/Ca比值,其Mn和Fe的濃度要高于洋中脊熱液流體[6,7]。在 Roman Ruins和 Rogers Ruins之間以及 Satanic Mills中存在著一些Fe羥基氧化物和Mn氧化物堆積體,在Tsukushi,Fe羥基氧化物和Fe-Mn氧化物堆積體非常普遍,從Tsukushi一直向東北部延伸,形成一大的Tsukushi-Snowcap Knoll Fe羥基氧化物堆積體,而在Snowcap Knoll中,幾乎所有的蝕變英安巖露頭都覆蓋有Fe-Mn氧化物[2,8]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of the research area

圖2 PACMANUS熱液區(qū)熱液點(diǎn)分布及樣品采集位置圖Fig.2 Distribution of hydrothermal deposits within the PACMANUS hydrothermal vent field and sampling locations of the present study

2 樣品與方法

樣品是 2008年“KX08-973”航次在東馬努斯海盆 PACMANUS熱液區(qū)用拖網(wǎng)取得的少量 Si-Fe-Mn氧化物。拖網(wǎng)軌跡(起點(diǎn) 3°43.0751′ S,151°40.4173′ E;終點(diǎn) 3°43.3952′ S,151°40.8478′ E)靠近 PACMANUS熱液區(qū)的Rogers Ruins和Roman Ruins熱液點(diǎn)(圖2)。

樣品疏松易碎,其結(jié)構(gòu)顯示出明顯的分帶性。層Ⅰ主要由黑色物質(zhì)組成,厚約2 mm; 層Ⅲ主要由黑色物質(zhì)組成,厚約 4 cm,介于這兩層之間的層Ⅱ則主要由黃-黃褐色物質(zhì)組成(圖 3)。樣品自然干燥后,截取局部相對(duì)較堅(jiān)硬部位(圖 3標(biāo)注部位)制作探針片,作顯微鏡觀察和電子探針?lè)治觥Ｌ暨x肉眼下顏色比較純凈的顆粒(黃色和黑色顆粒)作掃描電鏡分析。電子探針?lè)治鲈谥袊?guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所進(jìn)行,儀器名稱為 JXA8800R,工作條件為：電壓 20 kV,電子束束流2×10-8A。掃描電鏡在北京理化分析測(cè)試中心進(jìn)行,儀器名稱為 S4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,工作條件為：電壓15 kV。顯微鏡觀察在中國(guó)科學(xué)院海洋研究所進(jìn)行,儀器名稱為 Nikon偏光/反光顯微鏡。

圖3 Si-Fe-Mn氧化物手標(biāo)本照片F(xiàn)ig.3 Image of the Si-Fe-Mn oxide

3 Si-Fe-Mn氧化物顯微結(jié)構(gòu)特征

3.1 顯微鏡及電子探針下Si-Fe-Mn氧化物顯微結(jié)構(gòu)特征

顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),Si-Fe-Mn氧化物的結(jié)晶度差,主要以顯微隱晶質(zhì)形式存在,可見透射率較低的物質(zhì)邊緣環(huán)繞著一層透明-半透明物質(zhì)(圖4A)。這兩種透射率不同的物質(zhì)電子探針結(jié)果顯示,透射率較低的物質(zhì)主要含Si和Mn(Si-Mn質(zhì)層,圖4B灰色區(qū)域),透明-半透明物質(zhì)主要含 Si和 Fe(Si-Fe質(zhì)層,圖4B白色區(qū)域)。

電子探針?lè)治霰砻?在Si-Mn質(zhì)層中,SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)72.16 %,MnO2可達(dá)14.43 %,而Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(0.56%～0.59%); 在Si-Fe質(zhì)層中,SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)53.68 %,Fe2O3可達(dá)40.78%,而MnO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常低(0.01 %～0.18 %)(表1)。對(duì)這兩層物質(zhì)中的Si,Mn,Fe和P元素進(jìn)行線掃描(圖4B,線AB),結(jié)果顯示,沿著AB方向(圖4B),Si和Mn的含量呈降低趨勢(shì),Fe和P的含量呈升高趨勢(shì)(圖5)。

圖4 Si-Fe-Mn氧化物偏光顯微鏡下特征(A)及其電子探針二次電子圖像(B)Fig.4 Characteristics of the Si-Fe-Mn oxide under optic microscope(A)and its secondary electron image(B)

3.2 掃描電鏡下Si-Fe-Mn氧化物顯微結(jié)構(gòu)特征

對(duì)圖 3中層Ⅰ的黑色顆粒和層Ⅱ中的黃色顆粒在掃描電鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)黑色顆粒有的呈碎屑狀,有的呈球粒狀(圖6A)。對(duì)球粒狀物質(zhì)進(jìn)行能譜分析,結(jié)果顯示,球粒狀物質(zhì)主要含Si和Mn(圖6B); 黃色顆粒在掃描電鏡下呈鱗片狀結(jié)構(gòu)(圖 6C),對(duì)其進(jìn)行的能譜分析結(jié)果顯示,其主要含Si、Fe和Mn(圖6D)。此外,在黃色顆粒中還可見直徑約10 μm的Si質(zhì)空心管(圖7),Si質(zhì)空心管的形態(tài)類似前人在湖相熱泉沉積物中觀察到的石化硅藻[9]。

圖5 Si-Fe-Mn氧化物中Si,Mn,Fe和P線掃描圖Fig.5 Linear scanning analysis images of the Si,Mn,Fe and P in the Si-Fe-Mn oxide

表1 Si-Fe-Mn氧化物中Si-Mn質(zhì)層和Si-Fe質(zhì)層電子探針成分分析結(jié)果Tab.1 Electron microprobe compositions of the Si-Mn layer and Si-Fe layer in the Si-Fe-Mn oxide

4 討論

已有的研究表明,富Si,Fe和Mn氧化物在洋中脊[10]、弧后盆地[11]以及板內(nèi)海底火山[12,13]中都有產(chǎn)出。大部分為高溫黑煙囪邊緣沉淀的含金屬沉積物[14,15],也有些是塊狀硫化物的海底風(fēng)化產(chǎn)物[16],其他還有些是低溫?zé)嵋毫黧w直接沉淀產(chǎn)物[17]。

本研究中,顯微鏡、電子探針和掃描電鏡下,樣品都呈現(xiàn)出顯微隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),假使樣品是塊狀硫化物海底風(fēng)化產(chǎn)物,樣品中應(yīng)該可見殘留的硫化物,但實(shí)際觀察結(jié)果并未見到這些礦物。其次,樣品的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的分帶性(圖 3),而塊狀硫化物通過(guò)海底風(fēng)化是很難形成這種結(jié)構(gòu)的。因此,可基本排除樣品是塊狀硫化物海底風(fēng)化產(chǎn)物的可能性。對(duì)于高溫?zé)嵋毫黧w來(lái)說(shuō),由于其Fe2+/H2S＜1,Fe2+將以硫化物的形式沉淀[18]。實(shí)際中,盡管樣品的拖網(wǎng)軌跡靠近Rogers Ruins和Roman Ruins高溫?zé)嵋狐c(diǎn)(圖2),但假使樣品是高溫?zé)嵋汉跓焽柽吘壋恋淼暮饘俪练e物的話,卻很難解釋樣品中的隱晶質(zhì)物質(zhì)主要含Si,Fe和Mn以及缺少硫化物的原因。綜合上述認(rèn)識(shí),作者認(rèn)為樣品是低溫?zé)嵋毫黧w直接沉淀產(chǎn)物的可能性較大。

圖6 黑色和黃色顆粒掃描電鏡下的圖像及其相應(yīng)能譜圖Fig.6 Images of the black and yellow particles under scanning electron microscope and its EDS spectrum

圖7 掃描電鏡下黃色顆粒中Si質(zhì)空心管形態(tài)及其能譜圖Fig.7 Images of the hollow siliceous pipes under scanning electron microscope and its EDS spectrum

電子探針下可見 Si-Mn質(zhì)層被 Si-Fe質(zhì)層包裹(圖4B),在這兩層的接觸帶上,Fe和Mn的含量都呈現(xiàn)出突變的特征。作者認(rèn)為這可能是由于形成Si-Mn質(zhì)層的流體成分(流體富Si,Mn)與形成Si-Fe質(zhì)層的流體成分(流體富Si,Fe)不同的緣故。K,Na,Ca,Mg是海水的主要離子,在 Si-Fe質(zhì)層中,這些離子的含量要高于Si-Mn層,說(shuō)明Si-Fe質(zhì)層從周圍海水中吸附了較多的元素。這可能指示著 Si-Mn質(zhì)層的形成要早于Si-Fe質(zhì)層,反映了氧化物的形成在顯微尺度內(nèi)具有多期多階段性特征。宏觀上,樣品表現(xiàn)出從外層至核心具有Si-Mn→Si-Fe→Si-Mn變化特征,這也從另外一方面說(shuō)明在樣品的形成過(guò)程中,流體的物質(zhì)成分是在不斷變化,從早期的富 Si和 Mn變化至富Si和Fe,再至富 Si和Mn。

樣品中Fe含量高的區(qū)域,P的含量也相應(yīng)偏高(圖5),這是由于Fe羥基氧化物能夠從海水中吸附P的緣故[19]。已有的研究表明[20,21],在Fe羥基氧化物形成過(guò)程中經(jīng)?？梢娂?xì)菌的存在。當(dāng)Fe羥基氧化物中含有較多的細(xì)菌時(shí),也可使其相應(yīng)的 P含量偏高[21]。掃描電鏡下,樣品中出現(xiàn)的Si質(zhì)空心管(圖7)與前人在湖相熱泉沉積物中觀察到的硅藻非常相似[9],而硅藻為浮游微生物,生活在海水表層可見光部位。樣品中出現(xiàn)的硅藻很大可能是硅藻死亡后沉降到熱液區(qū)附近的。硅藻為有機(jī)生命體,含有可被異樣型細(xì)菌利用的有機(jī)物,其死亡后,如果沉降到熱液區(qū),是否可促使熱液區(qū)附近細(xì)菌的繁殖,進(jìn)而影響著Si-Fe-Mn氧化物中P的含量以及Si-Fe-Mn氧化物的形成這些科學(xué)問(wèn)題還待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)PACMANUS熱液區(qū)Si-Fe-Mn氧化物的顯微結(jié)構(gòu)觀察,作者獲得如下認(rèn)識(shí)：

1)Si-Fe-Mn氧化物主要由隱晶質(zhì)物質(zhì)組成,其中還含有些已石化的硅藻。

2)宏觀和微觀尺度上,Si-Fe-Mn氧化物的結(jié)構(gòu)都顯示出明顯的分帶性,反映了 Si-Fe-Mn氧化物的形成具有多期多階段性特征。樣品是富Si,Fe和Mn的低溫?zé)嵋毫黧w直接沉淀產(chǎn)物。

致謝：2008年“KX08-973”航次“科學(xué)一號(hào)”考察船船員以及參與該航次的各院校老師和學(xué)生在取樣過(guò)程中提供了大力幫助,在此表示感謝。

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