雅浦海溝南緣鐵錳結(jié)核礦物與地球化學(xué)特征及其成因研究?

田 舉， 徐繼尚， 李廣雪， 劉 明， 莊自賢， 來(lái)志慶1,， 張 洋， 李舒豪

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 3.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

鐵錳結(jié)核作為一種重要的深海礦產(chǎn)資源在全球已經(jīng)有100多年的研究歷史[1]，其以Fe、Mn為主要元素且稀土元素也高度富集，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。鐵錳結(jié)核生長(zhǎng)緩慢且受外界擾動(dòng)較小，因此鐵錳結(jié)核是反映海底洋流活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、碳酸鹽補(bǔ)償深度和海洋初級(jí)生產(chǎn)力等信息的重要載體[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鐵錳結(jié)核的成因研究已基本達(dá)成了共識(shí)，根據(jù)Fe、Mn元素的比值可劃分為水成成因、成巖成因和混合成因三種類(lèi)型[4]。大量的學(xué)者針對(duì)不同成因類(lèi)型的鐵錳結(jié)核進(jìn)行了系統(tǒng)的礦物學(xué)、微觀構(gòu)造和地球化學(xué)特征等方面的研究工作且建立起比較完整的理論體系[5-6]。

我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)七八十年代陸續(xù)開(kāi)展鐵錳結(jié)核的研究工作。截止目前，研究的區(qū)域已覆蓋中國(guó)南海[3,6-7]、東太平洋CC區(qū)[3,6-7]、中太平洋麥哲倫海山[4]、西太平洋帕里西維拉海盆[9]和馬里亞納海脊[10]等。雅浦海溝作為全球重要的板塊交界處又以其最深點(diǎn)超過(guò)8 000 m的深度，歷來(lái)受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而，關(guān)于雅浦海溝附近多金屬結(jié)核的研究國(guó)內(nèi)外至今仍未有相關(guān)報(bào)道。本文旨在通過(guò)對(duì)西太平洋雅浦海溝南緣海底表層沉積物中發(fā)現(xiàn)的鐵錳結(jié)核，運(yùn)用現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)來(lái)闡明海溝區(qū)鐵錳結(jié)核的礦物、地球化學(xué)特征，并分析海溝特殊的地理位置對(duì)鐵錳結(jié)核生長(zhǎng)發(fā)育的影響。這對(duì)進(jìn)一步豐富大洋鐵錳結(jié)核的基礎(chǔ)理論研究具有一定的意義。

1 地質(zhì)背景

本次研究樣品采自西太平洋雅浦海溝南部附近海域(見(jiàn)圖1)。雅浦海溝是一個(gè)連續(xù)弓形海溝系統(tǒng)的一部分，它與伊豆-小笠原海溝、馬里亞納海溝和帕勞海溝構(gòu)成了菲律賓海板塊的東邊界[11]。雅浦海溝的長(zhǎng)度大約 700 km，海溝軸部的深度變化范圍約為 6 000～9 000 m，最深處為 8 946 m，為世界最深的海溝之一[11]。前人通過(guò)在雅浦海溝北部及雅浦島附近布設(shè)海底地震儀，對(duì)雅浦海溝區(qū)海底地震進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)雅浦海溝內(nèi)存在火山地震活動(dòng)，但雅浦海溝內(nèi)的地震帶寬度遠(yuǎn)小于其它俯沖帶的地震帶[13]。

研究區(qū)流系和水團(tuán)十分復(fù)雜，且研究程度相對(duì)較低。由圖1可以看出，影響研究區(qū)的表層和次表層流主要為北赤道流和北赤道流到達(dá)菲律賓群島南下形成的棉蘭老流[14]，此外北上的新幾內(nèi)亞沿岸流和新幾內(nèi)亞底流(次表層流)則可能會(huì)與棉蘭老流相遇形成環(huán)流體系影響研究區(qū)[15]。底層流方面，南下的呂宋底流和向北的棉蘭底流有可能匯入東向的北赤道底流影響到研究區(qū)，有資料顯示南極中層水在新幾內(nèi)亞附近也會(huì)有一個(gè)西北向的分支流向研究區(qū)[14-15]。海溝中構(gòu)造熱液活動(dòng)以及豐富的水系帶來(lái)的強(qiáng)氧化環(huán)境都為鐵錳結(jié)核的發(fā)育提供了可能。

(圖中紅色箭頭代表表層與次表層流，黃色箭頭為底層流，綠色箭頭為南極中層水；其中，NEC:北赤道流，KC:黑潮，MC：棉蘭老流，NGCUC：新幾內(nèi)亞沿岸底流，NGCC:新幾內(nèi)亞近岸流，NEUC:北赤道底流，LUC：呂宋底流，MUC：棉蘭底流，NECC：北赤道逆流，AAIW：南極中層水。Red arrows indicate main surface and subsurface currents;Yellow arrows indicate sub-surfacecurrents;Green arrow indicates the Antarctic Intermediate Water.NEC: North Equatorial Current,KC: Kuroshio Current,MC:Mindanao Current,NGCUC:New Guinea Coastal Undercurrent,NGCC: New Guinea Coastal Current,NEUC: North Equatorial Undercurrent,LUC: Luzon Undercurrent, MUC:Mindanao Undercurrent,NECC:North Equatorial Counter Current,AAIW:Antarctic Intermediate Water.)

2 樣品和分析方法

本文研究樣品是基于國(guó)家海洋局“全球變化與海氣相互作用”專(zhuān)項(xiàng)，于2017年6月在雅浦海溝南部加洛林海盆中使用沉積物箱式取樣器共獲取7個(gè)站位鐵錳結(jié)核，但只有緊靠雅浦海溝邊緣的C3(水深4 792 m)和D1(水深4 697 m)兩個(gè)站位的結(jié)核樣品發(fā)育成熟且保存致密完整，故本文選取這兩個(gè)站位的結(jié)核樣品進(jìn)行研究(見(jiàn)圖2)。C3結(jié)核樣品的顏色為黑褐色夾雜土黃色，形狀為不規(guī)則球狀，直徑約為4.8 cm，摩氏硬度約為6，結(jié)核橫切剖面圖可以看出殼層和核心部位分界明顯，中間殼層夾雜黃褐色黏土層。D1站位結(jié)核顏色為黑色，形狀較扁平，為不規(guī)則盤(pán)狀，最長(zhǎng)直徑約為8 cm，摩氏硬度約為7，也可觀察出殼層和核心的分界。

礦物成分利用中國(guó)科學(xué)院海洋研究所D8 Advance衍射儀測(cè)試，實(shí)驗(yàn)條件為Cu靶，Ni過(guò)濾器，管壓40 kV，管流40 mA，掃描范圍為2θ 5°～75°，步長(zhǎng)0.02°。在山東省物化探勘查院巖礦測(cè)試中心分別用等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)和等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)定其常、微量和稀土元素。電子探針?lè)治?EPMA)在中國(guó)海洋大學(xué)地球科學(xué)院學(xué)院電子探針顯微分析實(shí)驗(yàn)室完成，儀器型號(hào)為JXA-8230，實(shí)驗(yàn)條件為電壓15.0 kV,實(shí)驗(yàn)電流2.00E-8A。探針片制作時(shí)選取切割后經(jīng)過(guò)結(jié)核核心和外部所有殼層的剖面進(jìn)行灌膠和打磨，符合上機(jī)要求后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試點(diǎn)位依次從結(jié)核外層到內(nèi)層進(jìn)行選取，確保能夠覆蓋主要?dú)忧议g距大致相等，其中主量元素測(cè)試精度大于1%，微量元素精度大于5%[16]。

圖2 樣品外觀及內(nèi)部剖面圖

3 結(jié)果

3.1 鐵錳結(jié)核礦物成分及顯微構(gòu)造

目前鐵錳結(jié)核的礦物鑒定比較困難，結(jié)合前人的成果經(jīng)驗(yàn)[4, 9, 17]，根據(jù)X射線衍射結(jié)果(見(jiàn)圖3)，可以看出C3和D1站位兩塊結(jié)核的礦物組成相似，以水羥錳礦、鈉水錳礦、石英和鈣十字石為主，而代表成巖類(lèi)型結(jié)核礦物的鈣錳礦和鋇鎂錳礦則非常少見(jiàn)。從礦物成分來(lái)看，海溝區(qū)兩個(gè)站位的鐵錳結(jié)核和前人研究的水成成因的鐵錳結(jié)核(結(jié)殼)一致[4, 9]。

(a為C3站位結(jié)核；b為D1站位結(jié)核。a is for station C3；b is for station D1.)

鐵錳結(jié)核的內(nèi)部顯微構(gòu)造是指結(jié)核中各殼層中不同礦物集合體間的關(guān)系，可以反應(yīng)結(jié)核在不同時(shí)期生長(zhǎng)環(huán)境的變化，特別是與海底洋流活動(dòng)等水動(dòng)力條件密切相關(guān)。對(duì)比前人的研究[18-20]，海溝區(qū)鐵錳結(jié)核的內(nèi)部構(gòu)造主要包括平行紋層狀構(gòu)造、疊層狀構(gòu)造、同心環(huán)狀構(gòu)造、柱狀構(gòu)造、斑雜狀構(gòu)造等幾種，本文選取顯微構(gòu)造更加明顯的D1站位結(jié)核來(lái)探討，不同部位的顯微構(gòu)造見(jiàn)圖4(圖a-d分別代表結(jié)核由老到新的層位)。其中內(nèi)部顯微構(gòu)造指示的不同時(shí)期結(jié)核生長(zhǎng)環(huán)境的演化將在討論章節(jié)中詳細(xì)論述。

圖4 D1結(jié)核樣品典型顯微構(gòu)造圖

3.2 全巖地球化學(xué)特征

對(duì)C3、D1兩個(gè)站位的結(jié)核樣品進(jìn)行了常量、微量和稀土元素的地球化學(xué)分析(見(jiàn)表1)。

海溝區(qū)兩個(gè)站位的結(jié)核在化學(xué)成分上非常相似，主量元素與太平洋其他海域水成成因的鐵錳結(jié)核相比(見(jiàn)表2)，海溝附近結(jié)核Fe、Mn元素的含量較高，二者含量之和達(dá)到31%以上，這與東太平洋CC區(qū)和麥哲倫海山的多金屬結(jié)核(結(jié)殼)含量比較近似。但這兩個(gè)區(qū)域結(jié)核(結(jié)殼)Mn的含量都遠(yuǎn)大于Fe的含量，而本文海溝區(qū)兩塊結(jié)核表現(xiàn)出Fe的含量和Mn的含量比較接近，猜測(cè)與來(lái)自馬里亞納島弧和雅浦海溝的巖漿熱液活動(dòng)產(chǎn)生的火山物質(zhì)富鐵貧錳有關(guān)[21]。C3和D1站位沉積環(huán)境的Eh值分別為259.5和331 mV，屬于較強(qiáng)的氧化環(huán)境，有利于鐵錳氧化物的沉淀。樣品中Al、Ti也有一定的含量，說(shuō)明結(jié)核在生長(zhǎng)過(guò)程中受到了黏土質(zhì)物質(zhì)的供應(yīng)，這和結(jié)核所處的黏土質(zhì)沉積物環(huán)境有關(guān)。一定量的K、Na和Ca元素的出現(xiàn)，說(shuō)明結(jié)核中還含有一定量的長(zhǎng)英質(zhì)組分和生物碎屑，這也和在電子探針中發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)石組分比較吻合。

表1 C3、D1站位結(jié)核化學(xué)成分

注：常量元素單位：wt%；微量、稀土元素單位：μg·g-1。

Note：The unite of major elementsis wt%,and of trace elements and REE is μg·g-1.

表2 太平洋不同區(qū)域水成成因類(lèi)型鐵錳結(jié)核(結(jié)殼)元素含量對(duì)比

微量元素中，Cu、Co、Ni和Zn是結(jié)核中具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的特征元素。對(duì)比其它海域多金屬結(jié)核特征元素的含量，位于大陸邊緣的沖繩海槽、南海陸坡和東菲律賓海物質(zhì)來(lái)源受到陸源物質(zhì)輸入的影響較大，這4種特征元素的含量相對(duì)較低；而遠(yuǎn)離大陸的東太平洋CC區(qū)、麥哲倫海山和本文研究區(qū)物質(zhì)來(lái)源以海洋自生物質(zhì)為主，這四種特征元素的含量相對(duì)富集。特征元素含量整體呈現(xiàn)出近海低、大洋高的特征。這可能是由于研究區(qū)靠近海溝，多金屬結(jié)核中的四種特征元素的主要來(lái)源是海溝內(nèi)巖漿熱液物質(zhì)，并且底部強(qiáng)氧化環(huán)境為這幾種元素的富集提供了有利的條件。

稀土元素具有極其穩(wěn)定的性質(zhì)，在整個(gè)地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中往往“整體”運(yùn)移、不易發(fā)生遷移和分餾。因此，稀土元素是良好的地球化學(xué)指示劑，對(duì)于研究海洋沉積物的來(lái)源、沉積環(huán)境和特征具有重要的意義[23]。海溝區(qū)結(jié)核的稀土元素總量(REE)整體較高，分別為1 216和1 353 μg/g，與太平洋其他區(qū)域多金屬結(jié)核的稀土總量大體一致。其北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式顯示兩個(gè)站位的結(jié)核都存在較強(qiáng)的Ce正異常(見(jiàn)圖5)，這是由于Ce不同于其它稀土元素，在結(jié)核生長(zhǎng)過(guò)程中海底呈現(xiàn)出強(qiáng)氧化條件，Ce3+容易氧化成Ce4+，以CeO2的形式沉淀而結(jié)合到鐵、錳相中形成Ce正異常[24]。由LREE/HREE比值也可以看出，兩塊結(jié)核樣品表現(xiàn)出重稀土元素虧損，這是由于其在海水中形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物而不容易結(jié)合到結(jié)核的礦物相中[25]。從稀土元素特征可以看出，海溝區(qū)結(jié)核樣品在生長(zhǎng)過(guò)程中都處于底部較強(qiáng)的氧化環(huán)境，而且結(jié)核樣品在生長(zhǎng)過(guò)程中鐵錳氧化物對(duì)輕稀土元素優(yōu)先吸附。

圖5 稀土元素北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖

4 討論

4.1 成因類(lèi)型

為了進(jìn)一步研究本文鐵錳結(jié)核的成因類(lèi)型，本文借鑒了三種較為成熟的研究方法。首先，根據(jù)前人研究成果[26]，在水成結(jié)核中，因其富Fe、Co和Pb而貧Cu、Ni和Mn，故Mn/Fe<2.5；成巖成因的結(jié)核因貧Fe富Mn和Cu，Mn/Fe>5；混合成因的結(jié)核則介于二者之間。將本文海溝區(qū)結(jié)核樣品的全巖和電子探針數(shù)據(jù)投影在多金屬結(jié)核成因三角圖(見(jiàn)圖6)，可見(jiàn)海溝區(qū)結(jié)核樣品皆為水成成因。

此外還借鑒了曹德凱的經(jīng)驗(yàn)方法[27]，他計(jì)算了國(guó)際海底管理局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)1 512條多金屬結(jié)核數(shù)據(jù)Co/(Ni+Cu)比值，并以此劃分了五個(gè)等級(jí)，以指示水成/成巖作用的強(qiáng)度，分別為：(1)0.545< Co/(Ni+Cu)；(2)0.545>Co/(Ni+Cu)>0.185；(3)0.185>Co/(Ni+Cu)>0.112；(4)0.112>Co/(Ni+Cu)>0.075；(5)Co/(Ni+Cu)<0.075；并以(1)級(jí)多金屬結(jié)核水成作用最強(qiáng)，(5)級(jí)成巖作用最強(qiáng)，根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到C3、D1樣品屬于(2)級(jí)，為水成作用成因。

圖6 研究區(qū)鐵錳結(jié)核成因類(lèi)型判別圖[28]

通過(guò)上文的討論可以看出，三種的不同的方法得出的結(jié)論一致，均判定本文所研究的C3和D1兩個(gè)站位的鐵錳結(jié)核樣品為水成成因。

此外，在調(diào)查區(qū)的129個(gè)站位中，共在7個(gè)站位發(fā)現(xiàn)發(fā)育鐵錳結(jié)核，站位水深都接近或深于CCD(碳酸鹽補(bǔ)償深度)，而在CCD以淺的鈣質(zhì)軟泥為主的沉積物中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鐵錳結(jié)核的存在。且只有海溝邊緣C3和D1兩個(gè)站位的結(jié)核發(fā)育較完整成熟，其他站位結(jié)核都比較松散易碎且與表層沉積物混染嚴(yán)重。我們認(rèn)為，海溝復(fù)雜的地形條件使海溝附近具有較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境，從而使結(jié)核生長(zhǎng)的氧化條件也相對(duì)較強(qiáng)；而且靠近海溝的位置受海溝內(nèi)部巖漿和熱液活動(dòng)的影響，成礦元素相對(duì)富集，這都為海溝區(qū)發(fā)育鐵錳結(jié)核提供了優(yōu)勢(shì)條件。

(改自文獻(xiàn)[29]。Modified from[29].)圖7 研究區(qū)鐵錳結(jié)核成因類(lèi)型判別圖

4.2 鐵錳結(jié)核生長(zhǎng)環(huán)境演化

由于鐵錳結(jié)核受陸源碎屑物質(zhì)的影響相對(duì)較小，生成于無(wú)沉積或者沉積速率極低的較穩(wěn)定環(huán)境，受外界的擾動(dòng)較小，因此，鐵錳結(jié)核已經(jīng)成為古海洋學(xué)和全球氣候變化研究的理想“化石”。以下主要通過(guò)鐵錳結(jié)核內(nèi)部顯微構(gòu)造和電子探針測(cè)試結(jié)果討論其生長(zhǎng)環(huán)境的演化。

4.2.1 內(nèi)部顯微構(gòu)造討論 如上文圖4所示，平行紋層狀構(gòu)造的特點(diǎn)為層理相互平行，平緩延伸，起伏較小，形成于較穩(wěn)定和較弱的水動(dòng)力環(huán)境，沉積速率較慢。結(jié)合圖2內(nèi)部剖面圖來(lái)看，其主要出現(xiàn)在D1站位結(jié)核樣品較為緊密的外層。柱狀構(gòu)造的紋層弧度較大，為高角度彎曲，往結(jié)核外部疊置而成，推測(cè)為水動(dòng)力較穩(wěn)定的條件下形成，底層流流向穩(wěn)定，與平行紋層構(gòu)造相似，其主要出現(xiàn)在D1站位結(jié)核樣品緊密中外層。疊層狀構(gòu)造的紋層由核部向外生長(zhǎng)，頂點(diǎn)指向外部，各層間厚度不一，疊層存在起伏，表明形成于相對(duì)較強(qiáng)的水動(dòng)力條件，沉積速率較大，其主要出現(xiàn)在D1站位結(jié)核較為松散的中內(nèi)層。同心環(huán)狀構(gòu)造出現(xiàn)在靠近核心部位的內(nèi)層，由內(nèi)部剖面圖可以看出，層位較松散且?jiàn)A有粘土成分，為鐵錳氧化物和粘土雜質(zhì)繞同一中心生長(zhǎng)形成，橫截面近圓形。核心可能為生物碎屑或更小的結(jié)核，紋層圍繞生長(zhǎng)，表明水中存在大量懸浮顆粒。

一般認(rèn)為，較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境能夠避免結(jié)核被沉積物掩埋，使結(jié)核長(zhǎng)時(shí)間與周?chē)Ｋ佑|利于吸收成礦元素；而且底流越活躍，水流攜帶的含氧量也越高，使氧化環(huán)境增強(qiáng)，也利于成礦元素沉淀。結(jié)核不同殼層的顯微構(gòu)造對(duì)指示結(jié)核不同時(shí)期所處的水動(dòng)力環(huán)境具有重要的參考價(jià)值。根據(jù)上文分析，D1站位結(jié)核內(nèi)部時(shí)代較老的殼層形成于底流較為強(qiáng)烈的海洋環(huán)境。這段時(shí)期，殼層生長(zhǎng)充分，生長(zhǎng)速率較快，形成的結(jié)核內(nèi)側(cè)殼層厚度較大，在各殼層中占據(jù)主導(dǎo)地位。疊層狀和同心環(huán)狀結(jié)構(gòu)發(fā)育，是鐵錳結(jié)核在該期間快速生長(zhǎng)的結(jié)果和外在表現(xiàn)。與結(jié)核內(nèi)側(cè)特征相比，結(jié)核外側(cè)(表層)的致密層內(nèi)紋層多為近于水平或波浪狀，局部甚至表現(xiàn)為由細(xì)密微層組成的韻律狀，鏡下構(gòu)造多為紋層狀構(gòu)造和柱狀構(gòu)造等，沉積物碎屑含量較內(nèi)側(cè)疏松層明顯減少，表明在這些時(shí)期結(jié)核所處的海底環(huán)境較為穩(wěn)定，底流活動(dòng)強(qiáng)度和環(huán)境氧化程度較弱，結(jié)核的生長(zhǎng)速率緩慢，形成較為規(guī)則有序的紋層及柱狀構(gòu)造。

4.2.2 電子探針結(jié)果討論 根據(jù)前人的研究成果，結(jié)殼化學(xué)組分的變化主要是由于其所處的水深、碳酸鹽補(bǔ)償深度、生長(zhǎng)速率、底流活動(dòng)等條件的改變而引起的。因此，為了更好的研究結(jié)核在不同時(shí)期沉積環(huán)境的演化，對(duì)于鐵錳結(jié)核剖面地球化學(xué)的研究就更為重要。本文通過(guò)對(duì)C3和D1兩個(gè)站位鐵錳結(jié)核由內(nèi)層至外層依次進(jìn)行電子探針打點(diǎn)分析，且盡量覆蓋所有代表性紋層，得到部分代表性元素含量剖面變化圖(見(jiàn)圖8)。本文主要以C3站位為例研究結(jié)核在不同的形成時(shí)期所處沉積環(huán)境的變化。

在C3樣品中，整個(gè)樣品中的Mn/Fe為0.89。殼層中Fe、Mn含量無(wú)太大變化，表明結(jié)核形成時(shí)處于一個(gè)較穩(wěn)定的沉積環(huán)境，物質(zhì)來(lái)源和水動(dòng)力條件均較穩(wěn)定。但是在殼層的同心環(huán)狀顯微構(gòu)造中的微小核心區(qū)出現(xiàn)了Fe的含量大于Mn的情況，可能是因?yàn)橥沫h(huán)狀中心為小結(jié)核體，F(xiàn)e、Mn元素在低價(jià)態(tài)時(shí)易遷移，高價(jià)態(tài)沉淀，而Fe被氧化需要的氧化還原電位低于Mn[18]。因此在元素遷移過(guò)程中，微小結(jié)核核心先吸附Fe2+、Mn2+，然后Fe2+繼續(xù)氧化并催化Mn2+氧化為Mn4+，由此圍繞核心的先是鐵礦物，再是錳礦物[30]，便出現(xiàn)了在微小環(huán)狀構(gòu)造的中心Fe含量遠(yuǎn)高于Mn的情況。

圖8 電子探針結(jié)果顯示結(jié)核剖面的元素含量變化

從C3站位結(jié)核樣品元素剖面圖不難看出，較高的水成元素(Fe和Ti)在較老的層位出現(xiàn)較大值，而隨著結(jié)核的生長(zhǎng)，兩種元素的含量有減小的趨勢(shì)，推測(cè)是由于結(jié)核發(fā)育的初期具備比較有利的水成成礦條件。這段時(shí)期海溝構(gòu)造活動(dòng)較為活躍，為結(jié)核的生長(zhǎng)發(fā)育提供了較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境和豐富的成礦物質(zhì)供應(yīng)。隨著沉積物的堆積，水成礦物的富集有所下降，使水成元素的含量有明顯下降的趨勢(shì)。在結(jié)核的中間殼層，出現(xiàn)了短暫的Al、Si元素明顯增大的趨勢(shì)，反映這段時(shí)期碎屑物質(zhì)的輸入對(duì)結(jié)核的生長(zhǎng)有明顯的影響，這也和殼層結(jié)構(gòu)的中部出現(xiàn)黃褐色的黏土夾層相吻合，可能是由于在這段時(shí)期結(jié)核受下伏黏土質(zhì)沉積物影響較大。至較新的層位外部形態(tài)較為松散，成礦元素含量下降，猜測(cè)可能是由于海溝逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，底層水的減弱使所處的氧化環(huán)境減弱，成礦條件有所下降。

D1樣品中Mn/Fe為1.07，不同殼層的Fe、Mn氧化物含量變化不大，與C3樣品一致，說(shuō)明結(jié)核生長(zhǎng)時(shí)，金屬元素來(lái)源穩(wěn)定，沉積環(huán)境的物化條件均處于一個(gè)較穩(wěn)定的階段。

結(jié)合上文對(duì)D1站位結(jié)核樣品顯微構(gòu)造的分析，可以看出D1和C3兩個(gè)站位的結(jié)核樣品在生長(zhǎng)的初期都處于底部海洋動(dòng)力比較強(qiáng)烈的環(huán)境，帶來(lái)的強(qiáng)氧化環(huán)境為結(jié)核的生長(zhǎng)創(chuàng)造了有利的生長(zhǎng)條件，而在生長(zhǎng)后期底部流場(chǎng)的減弱則限制了結(jié)核的生長(zhǎng)條件。

4.3 成礦物質(zhì)來(lái)源

前人研究表明，水成成因的鐵錳結(jié)核主要來(lái)自上覆海水的緩慢沉積，其次所處的沉積物環(huán)境對(duì)結(jié)核的影響也不容忽視[30]。上文中對(duì)常微量元素的分析認(rèn)為，研究區(qū)結(jié)核生長(zhǎng)受海溝巖漿熱液活動(dòng)產(chǎn)生的火山物質(zhì)影響。而研究區(qū)沉積物黏土礦物分析表明，沉積物中蒙脫石和伊利石的含量都較高。蒙脫石是由海底火山物質(zhì)蝕變而來(lái)，是作為遠(yuǎn)離陸地的大洋粘土沉積物的主要來(lái)源，而目前普遍認(rèn)為海洋中的伊利石來(lái)源是陸源碎屑[31-32]。前人通過(guò)黏土礦物研究顯示研究區(qū)北部的馬里亞納海溝受到陸源富含伊利石沉積物質(zhì)的供應(yīng)[33]，而本文所研究的海溝邊緣沉積物中伊利石的含量比馬里亞納海溝沉積物中伊利石含量更高(見(jiàn)表3)。除此之外，Kawahata等人研究成果也顯示海溝南部的西加洛林海盆中沉積物來(lái)源受南亞季風(fēng)的影響[34]。以上一系列證據(jù)顯示研究區(qū)沉積物除了受海底火山物質(zhì)的供應(yīng)之外，陸源風(fēng)塵物質(zhì)對(duì)于研究區(qū)也有一定的影響。因此，針對(duì)結(jié)核成礦物質(zhì)分析認(rèn)為，研究區(qū)鐵錳結(jié)核主要受上覆海水成礦物質(zhì)影響發(fā)生緩慢化學(xué)沉積，同時(shí)也受到沉積物中海溝巖漿熱液活動(dòng)產(chǎn)生的火山物質(zhì)和陸源風(fēng)塵物質(zhì)的影響。

表3 研究區(qū)及附近海域沉積物黏土礦物含量表

5 結(jié)論

(1) 雅浦海溝鐵錳結(jié)核礦物成分以水羥錳礦、鈉水錳礦、石英和鈣十字石為主，此外還可見(jiàn)少量的長(zhǎng)石和粘土礦物，為典型的水成成因特點(diǎn)。

(2) 元素分析表明，海溝區(qū)鐵錳結(jié)核Fe和Mn含量較高，且具有富鐵貧錳的特點(diǎn)。Fe、Mn、Cu、Co、Ni和REE元素比邊緣海結(jié)核明顯富集。其北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化配分模式顯示結(jié)核在生長(zhǎng)過(guò)程中處于較強(qiáng)的氧化環(huán)境，并且對(duì)于輕稀土元素的富集優(yōu)于重稀土元素。

(3) 雅浦海溝結(jié)核樣品為水成成因，物質(zhì)組分主要來(lái)自同期的海水沉淀，同時(shí)也受一定火山物質(zhì)和陸源風(fēng)塵物質(zhì)的影響。海溝較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境和豐富的成礦物質(zhì)為鐵錳結(jié)核的生長(zhǎng)發(fā)育提供了有利的條件。此外，較低的沉積速率、接近或者超過(guò)CCD的水深也都有利于結(jié)核的生長(zhǎng)發(fā)育。

(4) 鐵錳結(jié)核內(nèi)部微觀組構(gòu)主要包括平行紋層構(gòu)造、柱狀構(gòu)造、疊層狀構(gòu)造和同心環(huán)狀構(gòu)造，電子探針和微觀組構(gòu)分析結(jié)果表明，結(jié)核形成過(guò)程中所處的沉積環(huán)境發(fā)生過(guò)明顯變化：生長(zhǎng)初期處于比較好的成礦條件，后期成礦條件變差并出現(xiàn)黏土夾層，可能是由于結(jié)核形成初期海溝構(gòu)造活動(dòng)較為活躍，為結(jié)核生長(zhǎng)提供了較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境和豐富的成礦物質(zhì)，而后期海溝構(gòu)造運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定。