PACMANUS热液区Si-Fe-Mn氧化物的显微结构特征及意义

欧阳荷根,曾志刚,张国良,陈 帅,3,殷学博,汪小妹,王晓媛

(1.中国科学院 海洋研究所,山东 青岛 266071; 2.中国科学院 海洋地质与环境重点实验室,山东 青岛266071; 3.中国科学院 研究生院,北京 100049)

PACMANUS热液区发现于1991年[1],由于该热液区的形成与海底英安质火山作用密切相关[1],且显示出与古代火山岩型块状硫化物矿床(VMS)相似的构造地质背景[2],因而得到了世界地质工作者的广泛关注。2000年11月至2001年3月,大洋钻探计划“193”航段为探明PACMANUS热液区海底火山建造的结构、岩石矿化和蚀变类型对该区进行了详细的取样和研究工作[2]。目前,关于 PACMANUS热液区的形成机理研究已比较透彻,而对于该热液区Si-Fe-Mn氧化物特征的报道则较少。本文借助偏光/反光显微镜、电子探针和扫描电镜分析技术,对该区的 Si-Fe-Mn氧化物进行了显微结构分析,目的是通过了解Si-Fe-Mn氧化物的显微结构来探讨其形成过程。

1 区域地质概况

东马努斯海盆位于马努斯海盆西部靠近新爱尔兰岛位置,夹于西侧的Djaul断层和东侧的Weitin断层之间,是马努斯海盆最年轻的扩张区(图 1,据文献[2]有修改)[2]。该区已发现有3个大的热液活动区：PACMANU热液区、SuSu Knolls热液区和DESMOS热液区[2,3]。

PACMANUS热液区位于 Pual Ridge上(图 1)。Pual Ridge为一北东向火山建造,长15 km,宽1.5 km,高出海底500 m,最小水深1 655 m[2]。脊顶部火山岩主要为英安质火山玻璃,脊两侧更深的部位则主要为叶片扁平状含气泡多孔安山质熔岩流,而周围水深大于2 000 m的位置则主要为叶片状玄武质安山岩[1,4]。沿着Pual Ridge顶部区域散布着一些各自独立的热液堆积体,形成长度达13 km的PACMANUS热液区[2]。

PACMANUS热液区主要由4个高温热液活动点(Rogers Ruins,Roman Ruins,Satanic Mills和Tsukushi)以及一个低温热液活动点(Snowcap)组成(图 2,据文献[5]有修改)[2]。对 Satanic Mills,Roman Ruins和Tsukushi热液点流体测温显示,这3个热液点的热液流体温度相当,变化范围为220～276 ℃[6]。端元流体酸性强(pH=2.5～3.5),显示出高的 K/Ca比值,其Mn和Fe的浓度要高于洋中脊热液流体[6,7]。在 Roman Ruins和 Rogers Ruins之间以及 Satanic Mills中存在着一些Fe羟基氧化物和Mn氧化物堆积体,在Tsukushi,Fe羟基氧化物和Fe-Mn氧化物堆积体非常普遍,从Tsukushi一直向东北部延伸,形成一大的Tsukushi-Snowcap Knoll Fe羟基氧化物堆积体,而在Snowcap Knoll中,几乎所有的蚀变英安岩露头都覆盖有Fe-Mn氧化物[2,8]。

图1 研究区区域地质图Fig.1 Regional geological map of the research area

图2 PACMANUS热液区热液点分布及样品采集位置图Fig.2 Distribution of hydrothermal deposits within the PACMANUS hydrothermal vent field and sampling locations of the present study

2 样品与方法

样品是 2008年“KX08-973”航次在东马努斯海盆 PACMANUS热液区用拖网取得的少量 Si-Fe-Mn氧化物。拖网轨迹(起点 3°43.0751′ S,151°40.4173′ E;终点 3°43.3952′ S,151°40.8478′ E)靠近 PACMANUS热液区的Rogers Ruins和Roman Ruins热液点(图2)。

样品疏松易碎,其结构显示出明显的分带性。层Ⅰ主要由黑色物质组成,厚约2 mm; 层Ⅲ主要由黑色物质组成,厚约 4 cm,介于这两层之间的层Ⅱ则主要由黄-黄褐色物质组成(图 3)。样品自然干燥后,截取局部相对较坚硬部位(图 3标注部位)制作探针片,作显微镜观察和电子探针分析。挑选肉眼下颜色比较纯净的颗粒(黄色和黑色颗粒)作扫描电镜分析。电子探针分析在中国地质科学院矿产资源研究所进行,仪器名称为 JXA8800R,工作条件为：电压 20 kV,电子束束流2×10-8A。扫描电镜在北京理化分析测试中心进行,仪器名称为 S4800场发射扫描电子显微镜,工作条件为：电压15 kV。显微镜观察在中国科学院海洋研究所进行,仪器名称为 Nikon偏光/反光显微镜。

图3 Si-Fe-Mn氧化物手标本照片Fig.3 Image of the Si-Fe-Mn oxide

3 Si-Fe-Mn氧化物显微结构特征

3.1 显微镜及电子探针下Si-Fe-Mn氧化物显微结构特征

显微镜下观察发现,Si-Fe-Mn氧化物的结晶度差,主要以显微隐晶质形式存在,可见透射率较低的物质边缘环绕着一层透明-半透明物质(图4A)。这两种透射率不同的物质电子探针结果显示,透射率较低的物质主要含Si和Mn(Si-Mn质层,图4B灰色区域),透明-半透明物质主要含 Si和 Fe(Si-Fe质层,图4B白色区域)。

电子探针分析表明,在Si-Mn质层中,SiO2的质量分数可达72.16 %,MnO2可达14.43 %,而Fe2O3的质量分数较低(0.56%～0.59%); 在Si-Fe质层中,SiO2的质量分数可达53.68 %,Fe2O3可达40.78%,而MnO2的质量分数非常低(0.01 %～0.18 %)(表1)。对这两层物质中的Si,Mn,Fe和P元素进行线扫描(图4B,线AB),结果显示,沿着AB方向(图4B),Si和Mn的含量呈降低趋势,Fe和P的含量呈升高趋势(图5)。

图4 Si-Fe-Mn氧化物偏光显微镜下特征(A)及其电子探针二次电子图像(B)Fig.4 Characteristics of the Si-Fe-Mn oxide under optic microscope(A)and its secondary electron image(B)

3.2 扫描电镜下Si-Fe-Mn氧化物显微结构特征

对图 3中层Ⅰ的黑色颗粒和层Ⅱ中的黄色颗粒在扫描电镜下观察,发现黑色颗粒有的呈碎屑状,有的呈球粒状(图6A)。对球粒状物质进行能谱分析,结果显示,球粒状物质主要含Si和Mn(图6B); 黄色颗粒在扫描电镜下呈鳞片状结构(图 6C),对其进行的能谱分析结果显示,其主要含Si、Fe和Mn(图6D)。此外,在黄色颗粒中还可见直径约10 µm的Si质空心管(图7),Si质空心管的形态类似前人在湖相热泉沉积物中观察到的石化硅藻[9]。

图5 Si-Fe-Mn氧化物中Si,Mn,Fe和P线扫描图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质层和Si-Fe质层电子探针成分分析结果Tab.1 Electron microprobe compositions of the Si-Mn layer and Si-Fe layer in the Si-Fe-Mn oxide

4 讨论

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]以及板内海底火山[12,13]中都有产出。大部分为高温黑烟囱边缘沉淀的含金属沉积物[14,15],也有些是块状硫化物的海底风化产物[16],其他还有些是低温热液流体直接沉淀产物[17]。

本研究中,显微镜、电子探针和扫描电镜下,样品都呈现出显微隐晶质结构,假使样品是块状硫化物海底风化产物,样品中应该可见残留的硫化物,但实际观察结果并未见到这些矿物。其次,样品的结构呈现出明显的分带性(图 3),而块状硫化物通过海底风化是很难形成这种结构的。因此,可基本排除样品是块状硫化物海底风化产物的可能性。对于高温热液流体来说,由于其Fe2+/H2S＜1,Fe2+将以硫化物的形式沉淀[18]。实际中,尽管样品的拖网轨迹靠近Rogers Ruins和Roman Ruins高温热液点(图2),但假使样品是高温热液黑烟囱边缘沉淀的含金属沉积物的话,却很难解释样品中的隐晶质物质主要含Si,Fe和Mn以及缺少硫化物的原因。综合上述认识,作者认为样品是低温热液流体直接沉淀产物的可能性较大。

图6 黑色和黄色颗粒扫描电镜下的图像及其相应能谱图Fig.6 Images of the black and yellow particles under scanning electron microscope and its EDS spectrum

图7 扫描电镜下黄色颗粒中Si质空心管形态及其能谱图Fig.7 Images of the hollow siliceous pipes under scanning electron microscope and its EDS spectrum

电子探针下可见 Si-Mn质层被 Si-Fe质层包裹(图4B),在这两层的接触带上,Fe和Mn的含量都呈现出突变的特征。作者认为这可能是由于形成Si-Mn质层的流体成分(流体富Si,Mn)与形成Si-Fe质层的流体成分(流体富Si,Fe)不同的缘故。K,Na,Ca,Mg是海水的主要离子,在 Si-Fe质层中,这些离子的含量要高于Si-Mn层,说明Si-Fe质层从周围海水中吸附了较多的元素。这可能指示着 Si-Mn质层的形成要早于Si-Fe质层,反映了氧化物的形成在显微尺度内具有多期多阶段性特征。宏观上,样品表现出从外层至核心具有Si-Mn→Si-Fe→Si-Mn变化特征,这也从另外一方面说明在样品的形成过程中,流体的物质成分是在不断变化,从早期的富 Si和 Mn变化至富Si和Fe,再至富 Si和Mn。

样品中Fe含量高的区域,P的含量也相应偏高(图5),这是由于Fe羟基氧化物能够从海水中吸附P的缘故[19]。已有的研究表明[20,21],在Fe羟基氧化物形成过程中经常可见细菌的存在。当Fe羟基氧化物中含有较多的细菌时,也可使其相应的 P含量偏高[21]。扫描电镜下,样品中出现的Si质空心管(图7)与前人在湖相热泉沉积物中观察到的硅藻非常相似[9],而硅藻为浮游微生物,生活在海水表层可见光部位。样品中出现的硅藻很大可能是硅藻死亡后沉降到热液区附近的。硅藻为有机生命体,含有可被异样型细菌利用的有机物,其死亡后,如果沉降到热液区,是否可促使热液区附近细菌的繁殖,进而影响着Si-Fe-Mn氧化物中P的含量以及Si-Fe-Mn氧化物的形成这些科学问题还待进一步研究。

5 结论

通过对PACMANUS热液区Si-Fe-Mn氧化物的显微结构观察,作者获得如下认识：

1)Si-Fe-Mn氧化物主要由隐晶质物质组成,其中还含有些已石化的硅藻。

2)宏观和微观尺度上,Si-Fe-Mn氧化物的结构都显示出明显的分带性,反映了 Si-Fe-Mn氧化物的形成具有多期多阶段性特征。样品是富Si,Fe和Mn的低温热液流体直接沉淀产物。

致谢：2008年“KX08-973”航次“科学一号”考察船船员以及参与该航次的各院校老师和学生在取样过程中提供了大力帮助,在此表示感谢。

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