PACMANUS熱液區Si-Fe-Mn氧化物的顯微結構特征及意義

歐陽荷根,曾志剛,張國良,陳 帥,3,殷學博,汪小妹,王曉媛

(1.中國科學院 海洋研究所,山東 青島 266071; 2.中國科學院 海洋地質與環境重點實驗室,山東 青島266071; 3.中國科學院 研究生院,北京 100049)

PACMANUS熱液區發現于1991年[1],由于該熱液區的形成與海底英安質火山作用密切相關[1],且顯示出與古代火山巖型塊狀硫化物礦床(VMS)相似的構造地質背景[2],因而得到了世界地質工作者的廣泛關注。2000年11月至2001年3月,大洋鉆探計劃“193”航段為探明PACMANUS熱液區海底火山建造的結構、巖石礦化和蝕變類型對該區進行了詳細的取樣和研究工作[2]。目前,關于 PACMANUS熱液區的形成機理研究已比較透徹,而對于該熱液區Si-Fe-Mn氧化物特征的報道則較少。本文借助偏光/反光顯微鏡、電子探針和掃描電鏡分析技術,對該區的 Si-Fe-Mn氧化物進行了顯微結構分析,目的是通過了解Si-Fe-Mn氧化物的顯微結構來探討其形成過程。

1 區域地質概況

東馬努斯海盆位于馬努斯海盆西部靠近新愛爾蘭島位置,夾于西側的Djaul斷層和東側的Weitin斷層之間,是馬努斯海盆最年輕的擴張區(圖 1,據文獻[2]有修改)[2]。該區已發現有3個大的熱液活動區：PACMANU熱液區、SuSu Knolls熱液區和DESMOS熱液區[2,3]。

PACMANUS熱液區位于 Pual Ridge上(圖 1)。Pual Ridge為一北東向火山建造,長15 km,寬1.5 km,高出海底500 m,最小水深1 655 m[2]。脊頂部火山巖主要為英安質火山玻璃,脊兩側更深的部位則主要為葉片扁平狀含氣泡多孔安山質熔巖流,而周圍水深大于2 000 m的位置則主要為葉片狀玄武質安山巖[1,4]。沿著Pual Ridge頂部區域散布著一些各自獨立的熱液堆積體,形成長度達13 km的PACMANUS熱液區[2]。

PACMANUS熱液區主要由4個高溫熱液活動點(Rogers Ruins,Roman Ruins,Satanic Mills和Tsukushi)以及一個低溫熱液活動點(Snowcap)組成(圖 2,據文獻[5]有修改)[2]。對 Satanic Mills,Roman Ruins和Tsukushi熱液點流體測溫顯示,這3個熱液點的熱液流體溫度相當,變化范圍為220～276 ℃[6]。端元流體酸性強(pH=2.5～3.5),顯示出高的 K/Ca比值,其Mn和Fe的濃度要高于洋中脊熱液流體[6,7]。在 Roman Ruins和 Rogers Ruins之間以及 Satanic Mills中存在著一些Fe羥基氧化物和Mn氧化物堆積體,在Tsukushi,Fe羥基氧化物和Fe-Mn氧化物堆積體非常普遍,從Tsukushi一直向東北部延伸,形成一大的Tsukushi-Snowcap Knoll Fe羥基氧化物堆積體,而在Snowcap Knoll中,幾乎所有的蝕變英安巖露頭都覆蓋有Fe-Mn氧化物[2,8]。

圖1 研究區區域地質圖Fig.1 Regional geological map of the research area

圖2 PACMANUS熱液區熱液點分布及樣品采集位置圖Fig.2 Distribution of hydrothermal deposits within the PACMANUS hydrothermal vent field and sampling locations of the present study

2 樣品與方法

樣品是 2008年“KX08-973”航次在東馬努斯海盆 PACMANUS熱液區用拖網取得的少量 Si-Fe-Mn氧化物。拖網軌跡(起點 3°43.0751′ S,151°40.4173′ E;終點 3°43.3952′ S,151°40.8478′ E)靠近 PACMANUS熱液區的Rogers Ruins和Roman Ruins熱液點(圖2)。

樣品疏松易碎,其結構顯示出明顯的分帶性。層Ⅰ主要由黑色物質組成,厚約2 mm; 層Ⅲ主要由黑色物質組成,厚約 4 cm,介于這兩層之間的層Ⅱ則主要由黃-黃褐色物質組成(圖 3)。樣品自然干燥后,截取局部相對較堅硬部位(圖 3標注部位)制作探針片,作顯微鏡觀察和電子探針分析。挑選肉眼下顏色比較純凈的顆粒(黃色和黑色顆粒)作掃描電鏡分析。電子探針分析在中國地質科學院礦產資源研究所進行,儀器名稱為 JXA8800R,工作條件為：電壓 20 kV,電子束束流2×10-8A。掃描電鏡在北京理化分析測試中心進行,儀器名稱為 S4800場發射掃描電子顯微鏡,工作條件為：電壓15 kV。顯微鏡觀察在中國科學院海洋研究所進行,儀器名稱為 Nikon偏光/反光顯微鏡。

圖3 Si-Fe-Mn氧化物手標本照片Fig.3 Image of the Si-Fe-Mn oxide

3 Si-Fe-Mn氧化物顯微結構特征

3.1 顯微鏡及電子探針下Si-Fe-Mn氧化物顯微結構特征

顯微鏡下觀察發現,Si-Fe-Mn氧化物的結晶度差,主要以顯微隱晶質形式存在,可見透射率較低的物質邊緣環繞著一層透明-半透明物質(圖4A)。這兩種透射率不同的物質電子探針結果顯示,透射率較低的物質主要含Si和Mn(Si-Mn質層,圖4B灰色區域),透明-半透明物質主要含 Si和 Fe(Si-Fe質層,圖4B白色區域)。

電子探針分析表明,在Si-Mn質層中,SiO2的質量分數可達72.16 %,MnO2可達14.43 %,而Fe2O3的質量分數較低(0.56%～0.59%); 在Si-Fe質層中,SiO2的質量分數可達53.68 %,Fe2O3可達40.78%,而MnO2的質量分數非常低(0.01 %～0.18 %)(表1)。對這兩層物質中的Si,Mn,Fe和P元素進行線掃描(圖4B,線AB),結果顯示,沿著AB方向(圖4B),Si和Mn的含量呈降低趨勢,Fe和P的含量呈升高趨勢(圖5)。

圖4 Si-Fe-Mn氧化物偏光顯微鏡下特征(A)及其電子探針二次電子圖像(B)Fig.4 Characteristics of the Si-Fe-Mn oxide under optic microscope(A)and its secondary electron image(B)

3.2 掃描電鏡下Si-Fe-Mn氧化物顯微結構特征

對圖 3中層Ⅰ的黑色顆粒和層Ⅱ中的黃色顆粒在掃描電鏡下觀察,發現黑色顆粒有的呈碎屑狀,有的呈球粒狀(圖6A)。對球粒狀物質進行能譜分析,結果顯示,球粒狀物質主要含Si和Mn(圖6B); 黃色顆粒在掃描電鏡下呈鱗片狀結構(圖 6C),對其進行的能譜分析結果顯示,其主要含Si、Fe和Mn(圖6D)。此外,在黃色顆粒中還可見直徑約10 μm的Si質空心管(圖7),Si質空心管的形態類似前人在湖相熱泉沉積物中觀察到的石化硅藻[9]。

圖5 Si-Fe-Mn氧化物中Si,Mn,Fe和P線掃描圖Fig.5 Linear scanning analysis images of the Si,Mn,Fe and P in the Si-Fe-Mn oxide

表1 Si-Fe-Mn氧化物中Si-Mn質層和Si-Fe質層電子探針成分分析結果Tab.1 Electron microprobe compositions of the Si-Mn layer and Si-Fe layer in the Si-Fe-Mn oxide

4 討論

已有的研究表明,富Si,Fe和Mn氧化物在洋中脊[10]、弧后盆地[11]以及板內海底火山[12,13]中都有產出。大部分為高溫黑煙囪邊緣沉淀的含金屬沉積物[14,15],也有些是塊狀硫化物的海底風化產物[16],其他還有些是低溫熱液流體直接沉淀產物[17]。

本研究中,顯微鏡、電子探針和掃描電鏡下,樣品都呈現出顯微隱晶質結構,假使樣品是塊狀硫化物海底風化產物,樣品中應該可見殘留的硫化物,但實際觀察結果并未見到這些礦物。其次,樣品的結構呈現出明顯的分帶性(圖 3),而塊狀硫化物通過海底風化是很難形成這種結構的。因此,可基本排除樣品是塊狀硫化物海底風化產物的可能性。對于高溫熱液流體來說,由于其Fe2+/H2S＜1,Fe2+將以硫化物的形式沉淀[18]。實際中,盡管樣品的拖網軌跡靠近Rogers Ruins和Roman Ruins高溫熱液點(圖2),但假使樣品是高溫熱液黑煙囪邊緣沉淀的含金屬沉積物的話,卻很難解釋樣品中的隱晶質物質主要含Si,Fe和Mn以及缺少硫化物的原因。綜合上述認識,作者認為樣品是低溫熱液流體直接沉淀產物的可能性較大。

圖6 黑色和黃色顆粒掃描電鏡下的圖像及其相應能譜圖Fig.6 Images of the black and yellow particles under scanning electron microscope and its EDS spectrum

圖7 掃描電鏡下黃色顆粒中Si質空心管形態及其能譜圖Fig.7 Images of the hollow siliceous pipes under scanning electron microscope and its EDS spectrum

電子探針下可見 Si-Mn質層被 Si-Fe質層包裹(圖4B),在這兩層的接觸帶上,Fe和Mn的含量都呈現出突變的特征。作者認為這可能是由于形成Si-Mn質層的流體成分(流體富Si,Mn)與形成Si-Fe質層的流體成分(流體富Si,Fe)不同的緣故。K,Na,Ca,Mg是海水的主要離子,在 Si-Fe質層中,這些離子的含量要高于Si-Mn層,說明Si-Fe質層從周圍海水中吸附了較多的元素。這可能指示著 Si-Mn質層的形成要早于Si-Fe質層,反映了氧化物的形成在顯微尺度內具有多期多階段性特征。宏觀上,樣品表現出從外層至核心具有Si-Mn→Si-Fe→Si-Mn變化特征,這也從另外一方面說明在樣品的形成過程中,流體的物質成分是在不斷變化,從早期的富 Si和 Mn變化至富Si和Fe,再至富 Si和Mn。

樣品中Fe含量高的區域,P的含量也相應偏高(圖5),這是由于Fe羥基氧化物能夠從海水中吸附P的緣故[19]。已有的研究表明[20,21],在Fe羥基氧化物形成過程中經常可見細菌的存在。當Fe羥基氧化物中含有較多的細菌時,也可使其相應的 P含量偏高[21]。掃描電鏡下,樣品中出現的Si質空心管(圖7)與前人在湖相熱泉沉積物中觀察到的硅藻非常相似[9],而硅藻為浮游微生物,生活在海水表層可見光部位。樣品中出現的硅藻很大可能是硅藻死亡后沉降到熱液區附近的。硅藻為有機生命體,含有可被異樣型細菌利用的有機物,其死亡后,如果沉降到熱液區,是否可促使熱液區附近細菌的繁殖,進而影響著Si-Fe-Mn氧化物中P的含量以及Si-Fe-Mn氧化物的形成這些科學問題還待進一步研究。

5 結論

通過對PACMANUS熱液區Si-Fe-Mn氧化物的顯微結構觀察,作者獲得如下認識：

1)Si-Fe-Mn氧化物主要由隱晶質物質組成,其中還含有些已石化的硅藻。

2)宏觀和微觀尺度上,Si-Fe-Mn氧化物的結構都顯示出明顯的分帶性,反映了 Si-Fe-Mn氧化物的形成具有多期多階段性特征。樣品是富Si,Fe和Mn的低溫熱液流體直接沉淀產物。

致謝：2008年“KX08-973”航次“科學一號”考察船船員以及參與該航次的各院校老師和學生在取樣過程中提供了大力幫助,在此表示感謝。

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