西盘古海盆锰结核的元素地球化学特征及生长机制.pdf

杨叶飘，韩宗珠，来志庆，等.西盘古海盆锰结核的元素地球化学特征及生长机制J.海洋地质前沿，2023，39（9）：35-45.YANG Yepiao,HAN Zongzhu,LAI Zhiqing,et al.Geochemical constraints on the formation mechanisms of manganese nodules from Cipan-gu BasinJ.Marine Geology Frontiers,2023,39(9):35-45.西盘古海盆锰结核的元素地球化学特征及生长机制杨叶飘1，韩宗珠1,2*，来志庆1,2，龙时迈1，顾伟1，窦连想1（1 中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛 266100；2 海底科学与探测技术教育部重点实验室，青岛 266100）摘要：通过对西盘古海盆(Cipangu Basin)15 个锰结核样品开展系统的形态结构、显微构造、矿物组成、常微量元素和稀土元素含量特征差异性研究，进而探讨该区锰结核的成因类型和生长机制。西盘古海盆锰结核外观为椭球状或连生体状，表面光滑，组成矿物主要有水羟锰矿、石英、钙长石和石盐；其稀土元素配分模式图表现出明显的 Ce 正异常、Y 负异常和轻稀土富集特征。样品 Mn/Fe 比值均2.5，与 Ni、Cu 正相关，且 Mn 与 Cu、Co 和 Ni 高度正相关，这表明因 Cu2+、Ni2+、Co2+更易占据层板结构锰氧八面体 MnO6的空位而在锰矿物表面富集。锰结核显微构造区域可划分为 Type-型和 Type-型，其中 Type-型为结构致密高反射率的层纹状、柱状、叠层状构造的显微构造区域，Type-型为结构疏松低反射率的掌状、混杂状、环状构造的显微构造区域；Type-型区域的 Mn/Fe 比值和 Ni、Ni+Cu、Co 含量均高于 Type-型区域。构造致密的 Type-型区域代表沉积环境变化较小，生长速率较小；构造疏松的Type-型区域代表沉积环境剧烈变化、结核生长速率较大。西盘古海盆锰结核具有典型的水成型成因特征，通过常微量元素测试数据估算得出西盘古海盆锰结核样品的形成时间为1.48 Ma。据微区分析数据估算得出其生长年龄为 2.44 Ma。关键词：锰结核；西盘古海盆；成因类型；生长机制中图分类号：P736.4文献标识码：ADOI：10.16028/j.1009-2722.2022.093 0 引言关于锰结核形成的生长机制说法众多，多数学者认同胶体生长机制，认为铁锰水合氧化物胶体在海水中逐步吸附 Co、Ni 等金属元素，在核心之上不断加积形成壳体。部分学者还认可微生物生长机制，2 种机制均得到了微量元素、稀土元素、结构构造以及微体化石特征的支持1。探究锰结核的生长机制需要将锰结核的成因类型、生长年龄相结合。其中，水成型锰结核由强氧化环境下来自海水的金属元素沉淀形成；成岩型锰结核由氧化或弱氧化环境下来自沉积物孔隙水的金属元素形成；热液型锰结核由来自热液流体中的金属元素形成。水成型锰结核具有较高比例的混合铁锰氧化物矿物（含Fe 的水羟锰矿），Fe、Co、稀土元素和 REY 含量较高，Mn/Fe 比值2.5。成岩型锰结核具有较高的锰氧化物矿物（10 锰矿相和钡镁锰矿），并且具有较高的 Mn、Ni 和 Cu 含量，以及4 的 Mn/Fe 比值2。相比之下，热液型成因的锰结核少见，通常由纯锰氧化物组成，除 Mg、Ba、K 和 Li 以外的其他金属的含量可以忽略不计3。锰结核的成因机制遵循“静电模型”，即 Ni2+和 Cu2+等金属阳离子带正电富集在带负电的 Mn氧化物表面，而带负电荷和中性的金属配合物附着在稍带正电的 Fe（氧）氢氧化物表面上4。这些 Fe和 Mn 胶体最终沉积在海底，围绕核心缓慢沉积5-8，国内外学者们对锰结核的形成原因有了大量的研究，但是西盘古海盆区域研究较少，尚需深入探究。本文通过对西盘古海盆锰结核的形态结构、收稿日期：2022-04-05资助项目：国家自然科学基金（41376053）作者简介：杨叶飘（1998），硕士，主要从事海洋地质方面的研究工作.E-mail：*通讯作者：韩宗珠（1964），男，教授，主要从事岩石学和地球化学方面的研究工作.E-mail： ISSN 1009-2722海洋地质前沿第 39 卷第 9 期CN37-1475/PMarine Geology FrontiersVol 39 No 9显微构造、矿物组成、常微量元素和稀土元素含量的分析，探究西盘古海盆锰结核的成因类型、元素富集模式、生长年龄。1 样品及分析方法1.1研究区概况西盘古海盆位于沙茨基海隆以西，马尔库斯-威克及麦哲伦海山以北。沙茨基海隆是全球第三大洋底高原。自西南向北东方向由大塔穆海山、奥里海山、希尔绍夫海山与帕潘宁海脊组成，其中大塔穆海山是全球最大的单体火山9。西太平洋多金属结核成矿区众多，其中马尔库斯-威克海山区及麦哲伦海山区属于西太平洋多金属结核成矿带。前人对马尔库斯-威克海山区和麦哲伦海山区等区域锰结核（锰结壳）的矿物学和地球化学特征做了详细研究。西盘古海盆锰结核取样区域（水深为 5 833 m）整体地形较为平坦，取样区域属于海底正地形，相对高于邻近的区域。该海盆位于西北太平洋海盆内，和卡兰尼乌卜（Kalaniopuu）海盆、墨卡托（Mer-cator）海盆、涅德日达（Nedezhda）海盆、托勒密（Ptolemy）海盆共同组成的海盆被称为西北太平洋海盆9（图 1）。研究区域 Cipangu Basin，可音译为西盘古海盆，也可译为芝盘古海盆。1.2样品处理和测试分析西盘古海盆锰结核样品外观形态为椭球状和连生体状，表面光滑，可分为核心和壳体 2 部分，与其他大洋锰结核核心硬度高的情况不同。样品形状不一，多为不规则球状，粒径大小均匀，直径平均为 4 cm，壳体较薄，约为 12 mm，整体摩氏硬度为 23（图 2）。样品核心为浅黄色，质地较为紧密，摩氏硬度约为 23，内部有许多孔洞。样品壳体为黑褐色，质地紧密，摩氏硬度约为 3（图 3）。在结核核心和壳体接触处，有明显分层。西盘古海盆锰结核样品数目共计 15 个，将样品从冷冻状态置于 50 恒温烘干，烘干后用玛瑙刀分层，再用玛瑙研钵研磨为200 目的粉末。样品粉末压片后，在中国科学院青岛生物能源与过程研究所 X 射线粉晶衍射实验室完成 X 射线衍射（XRD）分析，测试仪器为 D/最大值-RA 型 X 射线衍射仪。测试曲线通过 Jade6.0 软件进行分析。常微量及稀土元素测试由青岛海洋地质研究所实验室完成。将样品分别置于真空干燥箱 110、15010160170样品采集点203040N180 E图 1西盘古海盆的地理及采样位置Fig.1 Location of the Cipangu Basin and sampling sites36Marine Geology Frontiers海洋地质前沿2023 年 9 月250 和马弗炉内 440 持续加热 6 h。利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，型号 IRIS In-terepid XSP）测定常、微量元素。利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，型号 Thermal X Series）测定样品中稀土元素的含量，稀土元素相对误差5%。矿物微区原位化学成分测试分析在中国海洋大学地球科学学院电子探针实验室完成。仪器为 JEOL 公司 JXA-8230 型号，波谱分析（WDS）检测的波长范围为 0.0879.3 nm。仪器运行加速电压为 15 kV，束流电流为 2108 A，束流电流稳定度为5%/h（0.3%/12 h）W，电子束直径为 5 m，分析精度为1%（含量5%）和 5%（含量约 1%）。以上地球化学分析共进行了 18 种元素测试。2 结果2.1矿物学和结构特征观察样品 XRD 分析结果（图 4a），NWPB3、cmcmcmcmcmcmcmcmcmcmcmcmcmcmcm图中 1 个刻度代表 1 cm图 2西盘古海盆锰结核样品照片Fig.2 Photos of manganese nodules samples in the Cipangu Basin cmcmcmcmcmcmcmcm图中 1 个刻度代表 1 cm图 3西盘古海盆锰结核样品核心照片Fig.3 Photos of manganese nodule cores from the Cipangu Basin第 39 卷 第 9 期杨叶飘，等：西盘古海盆锰结核的元素地球化学特征及生长机制37NWPB4、NWPB6、NWPB12 样品中观察到明显的水羟锰矿（特征峰10/3.7）、石英（特征峰10/2.7、特征峰10/2.1）和钙长石（特征峰10/2.8）。NWPB3、NWPB4、NWPB12 样品中观察到明显的石盐（特征峰10/3.1）。加热过后根据 XRD 分析结果（图 4b），发现样品衍射峰更杂乱，观察到明显的水钠锰矿（特征峰10/1.2）、石英（特征峰10/2.7）和钙长石（特征峰10/2.8）衍射峰。QtzQtz(a)An HlVerMPB3MPB4MPB6MPB122/()1020304050607080Qtz(b)AnBirMPB13 110MPB13 250MPB13 4402/()10203040506070（a）不同样品的 X 射线粉晶衍射特征性图谱；（b）样品 NWPB13 在110、250、440 加热条件下的 X 射线粉晶衍射特征性图谱Qtz-石英，An-钙长石，Hl-石盐，Ver-水羟锰矿，Bir-水钠锰矿图 4西盘古海盆锰结核壳体 X 射线粉晶衍射特征性图谱Fig.4 Characteristic spectra of X-ray powder crystal diffrac-tion of manganese nodule shell in the Cipangu Basin西盘古海盆锰结核样品中常见掌状构造、环状构造和层纹状构造（图 5）。其中，掌状构造（图 5a）分布于靠近核心内疏松区域，在多个方向延伸不一致，掌状构造方向不规律，微层间厚度差距大。环状构造（图 5b）分布在壳体和核心之间，表现为黏土杂质微层，微小纹层围绕核心环状分布。层纹状构造（图 5c、d）分布在壳体的最外部，表现为铁锰质与黏土类杂质矿物相间构成的显微层状构造，微小纹层呈平缓波状平行延伸，延续性较好。100 m(a)(c)(b)(d)100 m100 m10 m（a）掌状构造；（b）环状构造；（cd）层纹状构造图 5西盘古海盆锰结核内部显微构造的背散射图片Fig.5 Backscattering picture of the internal microstructure ofmanganese nodules in the Cipangu Basin 2.2地球化学特征锰结核的常量元素、微量元素和稀土元素含量变化可反映结核的生长环境。西盘古海盆锰结核壳体数据表明，含量0.1%的常量元素有 Fe、Mn、Al、Ca、K、Mg、Na、P，其中 Fe、Mn 是锰结核中含量最高的元素。Fe、Mn 总含量为 24.79%，Fe 含量为 8.72%16.46%，平均含量为 13.81%。Mn 含量介于 3.99%19.50%，平均含量为 10.97%。Mn/Fe为 0.331.45，平均为 0.78（表 1）。表 1西盘古海盆锰结核壳体常量元素和金属元素含量Table 1 Macro element and metal element contents of manganese nodule from the Cipangu Basin%FeMnAl2O3CaOK2OMgONa2OP2O5TiO2BaSrCoNiCuMn/Fe最小值8.723.995.492.240.981.923.330.340.540.050.040.020.040.050.33最大值16.4619.511.083.041.82.716.640.60.860.120.070.060.430.281.45平均值13.8110.977.582.461.242.264.430.490.770.080.060.040.190.130.78 Fe、Mn、Cu、Co、Ni 等金属元素是结核中最具经济价值的成矿元素，Cu 含量的变化范围为0.05%0.28%，平均含量为 0.13%；Co 含量变化范围为 0.02%0.06%，平均含量为 0.04%；Ni 含量变38Marine Geology Frontiers海洋地质前沿2023 年 9 月化范围为 0.04%0.43%，平均含量为 0.19%。Al、Ca、K、Na、Mg 代表着锰结核中陆源碎屑、火山碎屑物质及生物碎屑物质等杂质的含量。Al2O3含量变化范围为 5.49%11.08%，平均含量是 7.58%。CaO 含量变化范围为 2.24%3.04%，平均含量是2.46%。K2O 含量变化范围为 0.98%1.8%，平均含量是 1.24%。Na2O 含量变化范围为 3.33%6.64%，平均含量是 4.43%。MgO 含量变化范围为1.92%2.71%，平均含量是 2.26%。西盘古海盆锰结核壳体中微量元素的含量见表 2。样品中 Pb 的含量为 248.40687.70 mg/kg，平均为 519.27 mg/kg。样品中 Mo 的含量为 27.89309.01 mg/kg，平均为 141.05 mg/kg，含量变化较大。Th 的含量为 23.7651.72 mg/kg，平均为 40.90mg/kg。Rb 的含量为 21.0957.02 mg/kg，平均为31.48 mg/kg。表 2西盘古海盆锰结核壳体微量元素含量Table 2 Trace element content in the shell of manganese nodule from the Cipangu Basin mg/kgCrVZnZrScRbNbMo最小值15.01192.68208.22197.111.921.0911.3727.89最大值35.43428.18744.25396.219.2957.0222.58309.01平均值23.18330.32430.47311.6414.131.4817.6141.05CdCsHfWTlPbThU最小值0.981.735.116.199.99248.423.762.46最大值8.574.718.1421.0446.77687.751.725.16平均值3.912.596.8311.0825.66519.2740.93.77 2.3稀土元素特征西盘古海盆锰结核壳体中稀土元素的含量见表 3，西盘古海盆稀土元素数据表明其REY 最高值为 1 107.07 mg/kg；最低值为 435.31 mg/kg，平均值为 833.09 mg/kg。Ce 值为 431.84 mg/kg，约占结核中 REY 总量的 52%。结核 Ce 值为 2.07 表现出明显的正异常。Ce/Y 值为 6.42 说明轻重稀土分异明显。西盘古海盆 Eu 值为 1.12，表现为轻微正异常。表 3西盘古海盆锰结核稀土元素组成Table 3 Rare earth elements of manganese nodules in the Cipangu Basin mg/kgLaCePrNdSmEuGdTbDyHo最小值90.48431.8425.5108.5825.76.1425.833.921.74.14最大值50.03217.413.4357.0113.033.1613.432.0611.452.22平均值123.5570.434.02145.734.628.2635.025.2629.645.54ErTmYbLuYREYCe/YCeEuY/Ho最小值10.781.459.131.3566.57833.096.422.071.1216.27最大值5.960.835.240.7739.28435.315.531.921.0915.26平均值141.8711.951.885.51 107.077.332.371.1517.73 西盘古海盆 15 个锰结核样品的稀土元素配分模式图（图 6）具有较好的一致性，这表明各样品的稀土元素来源和富集机制相对一致。Fe 与 TiO2、P2O5、Sr 呈高度正相关，与 K2O 呈高度负相关。Mn 与 Cu、Co、Ni 和 Ba、Sr 呈高度正相关，与 Al2O3、K2O、Na2O 呈高度负相关。REY与 Fe、Mn、P2O5、Co、Ni、Ba、Sr 呈高度正相关，与 Al2O3、K2O、Na2O 呈高度负相关。Al2O3、K2O、Na2O 具有高度正相关关系，且三者与 Ba、Co、Cu、Ni、Sr 呈负相关关系。Ba、Co、Cu、Ni、Sr 之间具有高度正相关关系（表 4）。3 讨论3.1元素富集模式在水成型成因的锰结核在形成过程中，胶体吸附是锰结核生长的重要机制，海水中的 Fe、Mn 质第 39 卷 第 9 期杨叶飘，等：西盘古海盆锰结核的元素地球化学特征及生长机制39胶体微粒和黏土质胶粒，相互作用后凝聚沉淀过程中吸附海水中的 Cu、Co、Ni 等元素11。这与主微量元素和电子探针测试数据中所表明的 Fe、Mn 元素含量高的区域 Cu、Co、Ni 总量就含量高的规律具有一致性，因此，各区域样品可能是水成型锰结核。用 Mn/Fe 比值来表示样品中 Mn 元素的变化，随着 Mn/Fe 比值增加，Ni、Ni+Cu、Co 同步增加。这进一步佐证了样品可能为水成型成因，Cu、Co、Ni 等元素通过胶体吸附在锰矿物表面。根据锰结核样品的结构、显微构造、反射率和Mn/Fe 比值等特点，可将显微构造区域分为 Type-型和 Type-型。Type-型为结构致密高反射率层纹状结构、柱状结构、叠层状结构，Type-型为结构疏松低反射率掌状结构、混杂状结构、环状结构12-13。结合样品的显微构造特征，在 6 种不同的显微构造位分别进行电子探针点分析。Mn 和Cu、Co、Ni 的含量单个锰结核中变化很大，结核中Mn 含量较高的部分也往往具有相对较高的 Cu 和Ni，相对较低的 Fe 和 Co。可用 Mn/Fe 比值来表示样品中 Mn 元素的变化（图 7），Type-型显微构造区域 Mn/Fe 比值高于 Type-型显微构造区域，西盘古海盆样品中Mn/Fe 比值与 Ni 呈良好的正相关关系，与 MgO不相关，Mn/Fe-Ni+Cu 同样具有明显的相关性与Mn/Fe-Ni 表现一致，可以观察出 Type-型显微构造区域比 Type-型显微构造区域更加富集 Ni、Cu、Co14-17。西盘古海盆中 Mn 与 Al、K 和 Na 高度负相关。原因许是 Al、K 和 Na 常作为主控元素分布于碎屑矿物中，Fe 和 Mn 则多存在于铁锰氧化物中，因此，样品中 Al、K 和 Na 与 Fe 和 Mn 呈负相关。结核中 Mn/Fe-Al 的常量分析和 EMPA 分析图（图 8）表现出 Mn/Fe 与 Al 负相关，进一步说明 Al 富集在碎屑（Si-Al）相中，同时 Mn 富集在-MnO2中，不富集在碎屑（Si-Al）相18-19。3.2成因类型锰结核具有多种多样的内部形态特征、矿物类型、地球化学特征，因此其成因类型的分类方案也种类颇多20。最常见的有 Mn/Fe 比值和 Fe-Mn-（Cu+Ni+Co）10 三角图分类法，Mn/Fe 比值和三角 La1样品/PASSCeNWPB01NWPB02NWPB03NWPB04NWPB05NWPB06NWPB07NWPB08NWPB09NWPB10NWPB11NWPB12NWPB13NWPB14NWPB15Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Lu10PAAS 标准化数据来自文献 10图 6西盘古海盆锰结核 REY 的 PASS 标准化配分模式Fig.6 PASS standardized distribution pattern of manganesenodule REY of the Xipangu Sea Basin 表 4西盘古海盆锰结核元素相关系数矩阵Table 4 The Pearson correlation coefficient matrix for major and valuable metal elements ofmanganese nodule shell from the Cipangu Basin TFeTMnAl2O3CaOMgOK2ONa2OTi2P2O5BaCoCuNiSrREYTFe1TMn0.4991Al2O30.687-0.9191CaO0.20.4750.5311MgO0.4210.6330.7630.5421K2O0.8220.8530.9580.3430.6861Na2O0.7270.8680.810.2920.5560.8481Ti2 O0.8640.3350.3970.0160.0810.5830.6461P2O50.9570.5530.7710.2320.6010.8880.7150.7381Ba0.5550.9780.910.4630.6920.8560.910.3950.611Co0.7790.8990.9540.4910.7340.9540.8930.5770.8340.9321Cu0.4440.9770.8580.4040.5670.7910.8560.3220.490.9740.8691Ni0.480.9770.8730.4510.6090.8070.8660.3570.5310.9820.8980.9931Sr0.8150.8750.9620.4250.720.9790.870.5930.870.9020.9820.8280.8521REY0.8620.8250.9370.4630.7290.9640.8620.6510.9080.8640.9820.7740.8110.988140Marine Geology Frontiers海洋地质前沿2023 年 9 月图分类法均将锰结核的成因类型分为水成型、成岩型、热液型15。也有使用微量元素和 REE 元素总量进行锰结核成因类型的分类，然而使用微量元素判断锰结核成因类型的分类方法多是针对特定产区的，不能统一运用至所有锰结核分类中17，21-24。Fe-Mn-（Co+Ni+Cu）10 三角图表明，Mn 和Cu+Co+Ni 是正相关的，与 Fe 是负相关的，即 Mn 和 Cu+Co+Ni 的富集与 Fe 的富集机制不同。西盘古海盆样品大部分位于水成型区域，小部分位于热液型和水成型区域交界处，这代表西盘古海盆锰结核在形成过程中可能受到热液影响（图 9）。15（Cu+Ni）-100（Zr+Y+Ce）-（Fe+Mn）/4 三角 Mn/Fe0.00.000.51.01.52.02.50.250.50Mn/Fe0.00.000.51.01.52.02.50.250.750.501.00Mn/Fe0.00.000.51.01.52.02.50.250.50Mn/Fe0.000.51.01.52.02.5123NWPB Type-(12)NWPB Type-(8)NWPB Type-(12)NWPB Type-(8)NWPB Type-(12)NWPB Type-(8)NWPB Type-(8)NWPB type-(12)Ni/%Co/%Ni+Cu/%MgO/%图 7锰结核中 Mn/Fe-Ni、Mn/Fe-Ni+Cu、Mn/Fe-Co 的 EMPA 分析图Fig.7 EMPA analysis of Mn/Fe-Ni,Mn/Fe-Ni+Cu,and Mn/Fe-Co of the Manganese nodules NWPBl(20)NWPB1-15Mn/FeMn/Fe002468024681230123Al/%Al/%（a）常量分析；（b）EMPA 分析图 8锰结核 Mn/Fe-Al 的常量分析和 EMPA 分析Fig.8 Constant analysis and EMPA analysis of Mn/Fe-Al ofthe Manganese nodules(Ni+Co+Cu)1050Fe50Mn50NWpBl-15水成型混合型成岩型热液型图 9Fe-Mn-（Co+Ni+Cu）10 三角图20Fig.9 Triangle map of Fe-Mn-（Co+Ni+Cu）10 20第 39 卷 第 9 期杨叶飘，等：西盘古海盆锰结核的元素地球化学特征及生长机制41图利用 HFSE 和 REY 元素可以更有力的区分锰结核成因类型。较 Fe-（Co+Ni+Cu）10-Mn 三角图分类法，对热液型和水成型的区分更彻底（图 10）。在 Fe-（Co+Ni+Cu）10-Mn 三角图中，西盘古海盆样品处于水成型和热液型交界处，因此，采用 15（Cu+Ni）-100（Zr+Y+Ce）-（Fe+Mn）/4 三角图，可进一步精确划分成因类型。100Zr+Y+CeNWPBl-155050水成型成岩型弱氧化成岩富金属元素热液50热液型(Fe+Mn/4)15(Cu+Ni)混合水成-热液图 1015（Cu+Ni）-100（Zr+Y+Ce）-（Fe+Mn）/4 三角图3Fig.10 Triangle map of 15（Cu+Ni）-100（Zr+Y+Ce）-（Fe+Mn）/43 稀土元素的特征值可以对锰结核的类型进行划分，根据 CeSN/CeSN*分别与 YSN/HoSN和 Nd 含量变化做比值图。CeSN/CeSN*-YSN/HoSN比值图表明（图 11），西盘古海盆锰结核样品投点位于水成型区域。通过以上成因类型判断方法可以得知西盘古海盆锰结核是水成型成因。3.3生长年龄选用 LYLE25提出的经验公式，该公式更适用于水成型的锰结核，无需考虑生长环境中 Co 通量的改变，公式中生长速率单位为 mm/Ma，EMn及EFe均代表锰结核中元素的百分含量（%）。R=16.0EMnE2Fe+0.448根据 Lyle 经验公式计算得出西盘古海盆锰结核的平均生长速率为 1.35 mm/Ma，西盘古海盆的15 个锰结核样品之间无明显差别（表 5）。样品平均生长速率均在水成型锰结核常见的 2.55 mm/Ma生长速率范围内，说明样品的成因类型可能均为水成型。通过计算得出，西盘古海盆锰结核样品的形成时间距今 1.48 Ma，西盘古海盆样品的生长年龄与其结构特点和地球化学特征对应极好，该区域样品的生长年龄短（表 6）。锰结核内包括不同微层，不同微层的生长速率可能存在变化，锰结核中微层生长速率的变化也是其生长环境变化的良好反映。通过锰结核2 种构造区域原位化学成分估算的生长速率表明，所有 Type-型显微构造区域的生长速率均大于Type-型显微构造区域，西盘古海盆锰结核的平均生长速率为 0.82 mm/Ma，生长年龄为 2.44 Ma（表 7）。YSN/HoSNNWPBl-15热液型成岩型混合型水成型(a)CeSN/Ce*SN0.11110Nd/(mg/kg)NWPBl-15热液型成岩型混合型水成型(b)CeSN/Ce*SN0.11101000.1110图 11CeSN/CeSN*与 YSN/HoSN和 Nd 比值图17Fig.11 Plot of CeSN/CeSN*vs.YSN/HoSN and vs.Nd ratio 17 表 5常量分析生长速率计算Table 5 Calculations of growth rate from constant analysis 编号NWPB1NWPB2NWPB3NWPB4NWPB5NWPB6NWPB7NWPB8NWPB9R/（mm/Ma）0.930.981.40.91.361.461.390.980.89编号NWPB10NWPB11NWPB12NWPB13NWPB14NWPB15最小值最大值平均值R/（mm/Ma）1.942.121.122.171.11.460.892.171.3542Marine Geology Frontiers海洋地质前沿2023 年 9 月 4 结论（1）西盘古海盆锰结核样品外观为椭球状和连生体状，表面光滑，组成矿物主要有水羟锰矿、石英、钙长石和石盐等。其 Mn/Fe 比值均2.5，Mn 与Cu、Co、Ni 高度正相关，Mn/Fe 比值和 Ni、Cu 正相关，这表明样品中 Cu、Ni 与 Mn 的相关性优于 Fe，因 Cu、Ni、Co 易占据层板结构锰氧八面体 MnO6的空位而在锰矿物表面富集；该锰结核具有明显的Ce 和 Y 负异常、重稀土富集特征。（2）根据锰结核的显微结构特征，可将其划分为 Type-型和 Type-型显微构造区域，Type-型区域具有结构致密高反射率的层纹状构造、柱状构造、叠层状构造，Type-型为结构疏松低反射率的掌状结构、混杂状结构、环状结构。Type-型区域的 Mn/Fe、Ni、Ni+Cu、Co 均高于 Type-型区域。结构致密的 Type-型区域区层纹状结构、柱状结构、叠层状结构代表其沉积环境变化小，生长速率较小；结构疏松的 Type-型区域代表了沉积环境变化明显、结核生长速率较大。（3）西盘古海盆锰结核为明显的水成型成因。常微量元素测试数据估算得出样品的形成时间为1.48 Ma。微区分析数据估算得出样品的形成时间为 2.44 Ma。参考文献：HELLER C，KUHN T，VERSTEEGH G M，et al.The geochemic-al behavior of metals during early diagenetic alteration of buriedmanganese nodulesJ.Deep Sea Research Part I OceanographicResearch Papers，2018，142：16-33.1 BAU M，KOSCHINSKY A，DULSKI P，et 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M，BAU M，et al.Small-scale heterogen-eity of trace metals including rare earth elements and yttrium indeep-sea sediments and porewaters of the Peru Basin，southeast-7 表 6基于全岩常量元素含量的生长年龄计算Table 6 Calculations of growth age based on major elements of whole rocks R/（mm/Ma）厚度/mm年龄/Ma西盘古海盆最小值0.892.002.25最大值2.172.000.92平均值1.352.001.48 表 7基于 EPMA 分析数据的生长速率计算Table 7 Calculations of growth rate based on EPMA data 样品区域结构类型Fe/%Mn/%R/（mm/Ma）西盘古海盆总平均最小值4.560.060.46最大值28.0421.291.29平均值15.228.70.82Type-型最小值18.7510.50.7最大值26.1521.291.29平均值22.0316.221.02Type-型最小值4.560.060.46最大值28.0417.521.13平均值10.673.690.69第 39 卷 第 9 期杨叶飘，等：西盘古海盆锰结核的元素地球化学特征及生长机制43ern equatorial PacificJ.Biogeosciences，2019，16(24)：4829-4849.GONZLEZ F J，SOMOZA L，HEIN J R，et al.Phosphorites，Co-rich Mn nodules，and FeMn crusts from Galicia Bank，NE At-lantic：reflections of Cenozoic tectonics and paleoceano-graphyJ.Geochemistry，Geophysics，Geosystems，2016，17(2)：346-374.8 LI Z，LI H，HEIN J R，et al.A possible link between seamountsector collapse 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