南海深海海底铁锰结核/结壳的成因和历史记录

This is a scientific proposal to study the forming mechanism and paleo-environmental records of ferromanganese nodule and crust from deep sea floor in South China Sea, anticipated to become one part integrated in the multidisciplinary NSFC program “South China Sea Deep”. In June of 2013, in a cruise of R/V Xiangyanghong 9 equipped with HOV Jiaolong, a large area of abundant ferromanganese nodule on sea bed sediment and ferromanganese crust on volcanic outcrop along the crater wall were discovered for the first time on a small seamount (Jiaolong seamount) summit at water depth of about 3600m in central north South China Sea. In general, ferromanganese nodules are 4-8 cm in diameter, ferromanganese crusts are 2-3 mm thick. Preliminary studies show that nodule has similar mineralogical and chemical composition with the crust. Both nodule and crust are so called hydrogenetic origin. By detailed comprehensive studies with a series of modern mineralogical, geochemical and isotopic dating approaches on high resolution sub-samples from collected nodules, crusts, and associated push core sediments and volcanic rocks, as well as the particle samples in water column, samples from other area in South China Sea and western Pacific from next promised cruises and national/international cooperation, we hope to define and characterize the sources and mechanisms for the ferromanganese accumulation in a continental marginal deep sea environment with high sedimentation rate, to demonstrate the paleo-records in the nodule and crust that evolved together with the deep water history in South China Sea.

本申请拟针对“南海深海过程演变”的指导思想和总目标，开展“南海深海海底铁锰结核/结壳的成因和历史记录”研究。2013年6月我们乘坐“蛟龙号”载人深潜器在南海3600米左右水深的蛟龙海山顶部沉积物上观察发现有大面积的铁锰结核密集分布，在山顶破火山口峭壁上有薄层铁锰结壳覆盖，采集获得了具有清晰地质产状的铁锰结核、结壳及相关的水体、沉积物和基岩样品。本申请拟以已有的铁锰结核/结壳作为重点研究对象，开展高分辨率的矿物学-元素同位素地球化学和同位素定年研究，解译结核/结壳的物质来源和形成机制，追溯结核/结壳所记录的古海洋事件。同时，借助强有力的国内外合作，开展蛟龙海山结核/结壳与上覆水体、颗粒物和海底沉积物、其它海底铁锰结核/结壳的对比研究，探索边缘海结核/结壳与大洋结核/结壳生长机制的差异，深入认识南海深海铁锰结核/结壳成矿的特殊性及其古环境意义。

本项目针对“南海深海过程演变”的指导思想和总目标，开展“南海深海海底铁锰结核/结壳的成因和历史记录”研究。2013年6月乘坐“蛟龙号”载人深潜器在南海3600米左右水深的蛟龙海山顶部沉积物上观察发现有大面积的铁锰结核密集分布，在山顶破火山口峭壁上有薄层铁锰结壳覆盖，采集获得了具有清晰地质产状的铁锰结核、结壳及相关的水体、沉积物和基岩样品。本项目以已有的铁锰结核/结壳作为重点研究对象，开展了各项研究，获得如下进展：.通过三个深潜航次（2013年“蛟龙”载人深潜航次、2018年“ROPOS”遥控深潜航次、2018年“深海勇士号”载人深潜航次），发现并明确了南海铁锰结核的大量存在；.对4块铁锰结壳样品（来自太平洋、南海、西南印度洋中脊）开展了磁性地层年代学和初步岩石磁学研究，确立了铁锰结壳定年的磁性地层学方法。.通过元素、矿物等分析，明确了南海铁锰结核结壳相对于世界上其它海区铁锰结核结壳的成分特点，南海结壳富Al、Th和Pb，而贫Co、Cu、Ni、Zn和REY，且壳层较薄、品位较低，作为资源开采的潜力不大，而南海结核主要成矿元素（Fe、Mn、Co、Ni等）含量介于大洋和边缘海之间，Al、Th、Pb、Ce元素高于其它海区，REY也高于除菲律宾海的其它海区，南海结核可以作为潜在的海底资源。 .根据化学和矿物成分分析，绝大多数南海结核结壳为水成成因，是海水中的铁锰组分以极其缓慢的速度（mm/Ma）堆积生长形成的，U系定年结果也显示南海结核结壳表层1~2mm的生长速率接近深海大洋的水成结壳（1.95~4.41mm/Ma）。.南海结核结壳表层铅同为素比值较为均一，206Pb/204Pb在18.57~18.68之间，平均为18.61；207Pb/204Pb在15.65~ 15.67之间，平均为15.66；208Pb/204Pb在38.86~38.94之间，平均为38.89。206Pb/204Pb值低于世界其它大洋，但是207Pb/204Pb和208Pb/204Pb值介于太平洋和印度洋之间，南海结核结壳的成分变化可以反映南海海盆构造尺度上的环境演化。.本研究是首次有关南海结核的全面研究。有关南海结核大量存在的发现与确认，不仅为深入研究铁锰结核的形成机制及其环境记录打下了坚实的基础，也为我国正在研发中的深海铁锰结核开采设备提供了良好的海试地点。