富钴结壳成因的矿物学证据

大洋富钴结壳是生长在海底岩石或岩屑表面的一种结壳状自生沉积物,含有Mn、Fe、Co等多种元素，其中的主要矿物为锰相矿物(主要是水羟锰矿(δ-MnO2))和铁相矿物，均为纳米级矿物，是天然自净化的产物。本次研究所用样品主要为"海洋四号"调查船DY105-11和DY105-13航次调查船在2002年西太平洋不同的海山区调查时采集的，拟从其矿物学的角度，即对这些纳米级矿物的化学成分和晶体结构、矿物组合以及富钴结壳的微结构研究，分析纳米矿物及其微量元素的分布和变化，利用高分辨透射电子显微镜直接对结壳生长过程中矿物组成及其微量元素的分布和变化进行详细的研究,寻找富钴结壳成因的矿物学证据；同时，通过对基岩和海水的PH值、温度、所含微量元素成分的含量等富钴结壳生长的影响因素进行正交实验，寻找最佳合成纳米级铁锰氧化物矿物的实验条件，为了探讨富钴结壳中纳米矿物的环境属性提供依据。

把源于西太平洋海山区麦哲伦海山的一块富钴结壳样品(M38D-14)作为本项目研究对象，运用了电子探针、X射线单晶衍射技术、透射电子显微镜、X射线荧光扫描仪、稳定同位素质谱仪、热电离质谱仪和多接收电感耦合等离子体质谱仪等测试手段，对其进行了微观构造、矿物学、地球化学、物质来源、成因以及古海洋环境的响应的研究。.该结壳壳层由老至新，依次发育斑块状构造、柱状构造和不规则波状纹层构造，其中新壳层有大量的陆源碎屑矿物，判断在其生长过程中，经历了底流活动强度逐渐减弱，沉积碎屑由少变多，氧化环境由强变弱的环境。.其矿物组成为三个相：锰矿物相主要是钡镁锰矿和水钠锰矿；无定型铁的氢氧化物相有针铁矿；碎屑组分相有方解石、石英、沸石、利蛇纹石、蒙脱石。钡镁锰矿为纳米级的纤维状、片状；水钠锰矿为纳米级的卷曲叶片状的。其中，钡镁锰矿的X射线衍射图像为多晶环，化学成分以含Mn、Fe为主，少量的K、Ca、Ti、Co、Si、Al，这是在自然条件下铝硅酸盐矿物经常与锰矿物共生的结果；其一维晶格像中可见(111)、(010)晶格条纹平直且规则分布，其水钠锰矿可见(200)晶面出现刃型位错，这可能是应力作用引起的。.电子探针的元素地球化学分析结果表明：样品以Mn、Fe为主，其波状纹层构造的壳层含Si、Al为主，但Mn、Fe含量极低；其微量元素具有K、P、Ti亏损，Ba、Th、Ce高度富集的特征。通过对其主、微量元素的相关性和聚类分析，其所含元素分为三组，水成组有Mn、Hf、Ba、Mo、S、Ca、Co、Ti、Nb、K、Y、Sr、Zr、V、Fe，陆源组有Si、Al，生源组有Ni、Cu、P、Zn。.根据Fe、Mn、Cu和Ni值分析，该结壳为水成成因。根据Co地层学法、Co/(Fe+Mn)和Co/(Ni+Cu)变化曲线与太平洋底栖有孔虫δ18O曲线对比法分析，可知该结壳形成始于晚渐新世(29.29Ma)，经历了3个地质事件，即晚渐新世气候变暖(26Ma)、东南极冰盖发育(14Ma)和第四纪冰川作用(2Ma)；其成矿时海水的氧化程度显著增大。对该结壳的Al/(Fe+Mn)值作为风尘记录的指标分析，发现在22Ma±、8Ma、3Ma时，样品生长经历了东北信风增强、亚洲季风增强和东亚冬夏季风加强3个气候事件，季风加强且内陆输送到太平洋的粉尘增多，这与样品中由老到新的沉积碎屑由少变多是一致的。