南海北部陆缘多金属结核的内部显微构造特征及其地质意义

王瑜，张振国

(河北联合大学矿业工程学院，河北省矿业开发与安全技术实验室，河北唐山 063009)

多金属结核又称铁锰结核，含有Mn、Fe、Ni、Co、Cu等几十种元素［1］。从其分布区域看，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动、碳酸盐补偿深度、陆源碎屑的供应速度及古海洋生产力等要素［2］。边缘海区域的多金属结核较为少见，南海北部是新生代全球沉积作用最活跃的区域，形态发育完好的大型多金属结核更是十分罕见。基于这种认识，本文通过分析和研究结核显微构造特征，系统地划分了内部显微构造的成因类型，进而探讨其形成的边缘海环境和生长机制。

1 样品及研究方法

研究所用南海北部陆缘多金属结核样品，系“海洋四号”在2005年执行科考任务时，通过拖网作业获得。该批多金属结核形态发育良好，呈球状、肾状、草莓状等不同形态。本文研究样品外观为黑褐色，呈球状或不规则扁球状，表面有菜花状突起，条痕为黑褐色，硬度小于小刀(＜5.5)，不规则球状，长径6cm、短径为4.5cm(图 1)。

样品切片的制作由北京大学地学实验室完成;结核内部显微构造分析在河北省矿业开发与安全技术实验室高倍率偏反光电子显微镜下进行。

2 多金属结核的显微构造类型及特征

2.1 样品的切片特征

样品切片显示，具有以核部为中心，致密层和疏松层呈环状交替分布的韵律层构造，由内至外呈致密层(Ⅰ)——疏松层(Ⅱ)——较致密层(Ⅲ)——疏松层(Ⅳ)——较致密层(Ⅴ)——疏松层(Ⅵ)间隔分布。核心近似椭圆形，长径1cm、短径0.7cm(图2)。

2.2 样品的显微构造类型及特征

在高倍率偏、反光镜下，多金属结核岩石薄片的显微构造复杂多样，在不同的韵律层内可以看到各类更细微的显微结构［3］。由于多金属结核中最基本的构造单元是非晶质的铁锰氧化物、晶质锰的氧化物、粘土以及一些碎屑物质构成的微层。它们的厚度由不足1μm到几十μm不等，根据不同矿物所具有的不同光学性质，可以清晰地将其区别开来。非晶质的铁锰氧化物为浅灰色，较暗;晶质锰氧化物呈黄白色，较亮;而粘土及一些碎屑物为黑灰色。

本研究利用河北省矿业开发与安全技术实验室新型高倍偏反光显微镜，对样品进行了大量细致的观察，较为典型的显微构造特征如图3所示。

层纹状构造:是指由铁锰质矿物与粘土类杂质相间构成的显微层状构造，微层呈平缓波状平行延伸，延续性较好［4-5］。一般围绕核心呈同心层状分布，在核心附近和在每一韵律层的开始比较发育。

图1 多金属结核的外部形态图

图2 多金属结核的层状构造

图3 多金属结核内部显微结构

叠层状构造:由非晶质铁、锰氧化物及粘土等杂质微层相间分布，所构成的显微层状构造。各层厚度不一，叠层起伏，沿辐射方向层层叠起，顶点指向结核外部。

柱状构造:由非晶质铁锰氧化物与粘土杂质微层规则有序地高角度弯曲叠置而成，柱状构造有时会产生分枝。相邻柱体及分枝之间由粘土类杂质或碎屑物充填。

颗粒状构造:以球状颗粒均匀排列为特征，颗粒直径数十至数百微米，内部呈同心纹层构造。

掌状构造:由铁、锰氧化物及粘土等杂质微层相间分布的多个叠层状构造排列及延伸方向一致，厚度不一，前部分散，后部集中，类似手掌的显微构造。

斑状或团状构造:这类构造可能由微晶的锰氧化物(主要是钙锰矿)和粘土等杂质构成。交代、交代残余和重结晶现象普遍，原生微层纹状构造己不存在或仅部分保留。

条带状构造:铁、锰氧化物与粘土等杂质近似平行状相间排列，横向延伸比较稳定。

裂隙充填构造:由于赋存条件的变化，多金属结核胶结物发生碎裂，产生放射状的裂隙，从内核延伸到结核表面，在结核中运移的流体，溶解和淋滤出部分铁锰物质，又在裂隙中沉淀下来，形成枝状或带状的充填构造。

脉状构造:显微镜下铁、锰氧化物呈现脉络状排列，脉理清晰。

2.3 多金属结核不同层位代表性显微构造特征

在显微镜下观察，致密层中非晶质铁锰氧化物、晶质锰化物及粘土等杂质相间分布，构成叠层状构造，疏松层则呈颗粒聚集状，微层不明显。

样品核心部为不透光、似花瓣状的铁锰矿物，周围的蚀变区已被粘土及其它碎屑物充填(如图3);Ⅰ层的显微构造以层纹状构造为主，伴随柱状和叠层状的致密层，从镜下看该层非晶质铁、锰氧化物排列紧密，粘土等杂质的含量少;Ⅱ层的显微构造以斑杂状构造为主，伴随着裂隙及充填构造的疏松层，从镜下看该层非晶质铁、锰氧化物和晶质锰的氧化物排列疏松，岩屑碎块含量较多;Ⅲ层的显微构造层纹和脉状以及叠层和条带状构造的较致密层，从镜下看该层非晶质铁、锰氧化物及其他矿物的晶体排列较紧密，碎屑物质含量较少;Ⅳ层的显微构造以掌状和裂隙及充填构造为主的疏松层，从镜下看该层晶质、非晶质铁、锰氧化物排列较疏松，粘土等碎屑物质含量较少;Ⅴ层的显微构造是较致密层，以层纹构造为主，伴随着脉状，从镜下看该层晶质、非晶质铁、锰氧化物及其它矿物排列较为紧密，粘土及其他碎屑物含量较少;Ⅵ层的显微构造主要以斑杂和裂隙及充填构造相伴而生的疏松层，在镜下看该层排列较疏松，其中以球状颗粒均匀排列为特征，颗粒直径数十至数百微米，内部呈同心纹层构造。

图4 多金属结核核心显微构造

3 多金属结核的显微构造特征及其地质意义

南海北部陆缘多金属结核由核心开始，内部构造类型繁多，各层位所具代表性的显微构造呈现一定的规律性。其致密层:质地致密，粘土矿物及碎屑杂质含量极低，具层纹结构、柱状结构、叠层状结构等。而较致密层:质地较致密，粘土矿物及碎屑杂质含量较低，具树枝状结构、叠层状结构等。但疏松层:质地疏松，粘土矿物及碎屑杂质含量较高，结构凌乱，具斑状结构、掌状结构、树枝状结构等特征。其构造组合关系多种多样，这反映了结核生长机制及其生长古海洋环境的变化［6-8］。

首先，从组合类型来看，层纹和柱状构造是最常见的致密层组合类型，而疏松层多以斑杂和叠层状组合为主。其次，从结核的构造生长次序及相互关系来看，结核多半以层纹构造开始生长，然后逐步过渡为柱状、叠层状和斑杂状构造。这反映结核在生长过程中主要受陆源沉积速率和铁、锰等物质的供应控制。结核开始生长时以岩屑、粘土及各种生物碎屑核心物质的反映面不利于柱状或贝纹状构造的发育或其他某种因素阻碍了这种构造的生长，该样品是从层纹状开始生长的。层纹与叠层状构造，块状与斑杂构造，块状与纹层构造之间往往构成一间断面，这反映了由于环境变化而产生的结核生长间断现象。同时发现生物成因的构造往往与斑杂构造相伴生，显示结核生长时期沉积物悬浮到再沉积的动荡环境。因此，边缘海多金属结核内部形成了类型丰富的显微构造。

［1］朱克超，李振韶，何高文，等.东太平洋多金属结核矿产［M］.地质出版社，2001:106-138.

［2］李江山，方念乔，丁旋，等.富钴结壳显微构造与元素含量:基于中太平洋MHD79样品的研究［J］.现代地质，2007，21(3):518-523.

［3］张振国.南海北部陆缘多金属结核地球化学特征及成矿意义［D］.中国地质大学(北京)，2007，6.

［4］许东禹，阎葆瑞.海底铁锰结核纹层和柱状构造成因的探讨［J］.海洋地质与第四纪地质，1998，18(3):31-36.

［5］张振国，高莲凤，沈鹏飞，等.南海西北陆缘新型多金属结核的发现及意义［J］.海洋地质动态，2010，26(4):32-35.

［6］林振宏，季福武，张富元，等.南海东北陆坡铁锰结核的特征和成因［J］.海洋地质与第四纪地质，2003，23(1):7-12.

［7］黄永样，杨惠宁.海底沉积物类型及其地球化学环境对多金属结核形成与分布的控制作用［M］.地质出版社，1997:139-150.

［8］吴长航.南海北部多金属结核的生长及元素地球化学特征研究［D］.中国地质大学(北京)，2009，6.