东太平洋多金属结核富钡镁锰矿细脉蛋白石层的成因机制

庄丹丹，初凤友＊，朱继浩

（1.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012；2.国家海洋局 海底科学重点实验室，浙江 杭州310012）

0 引言

多金属结核（以下简称结核）是一种富集Fe、Mn、Ni、Co和Cu等金属元素和稀土元素的海洋自生矿物，它广泛分布于全球各大洋中，具有巨大的潜在经济价值［1－2］，是一种重要的海洋固体矿产资源。结核根据其产出形态，可分为埋藏型、半埋藏型和暴露型三种，其中埋藏型结核表面较为粗糙，称为R型结核；暴露型结核表面较为光滑，称为S型结核；而半埋藏型结核同时具有粗糙和光滑的表面，称为 R－S型结核［3－4］。

结核的锰矿物主要有水羟锰矿、钡镁锰矿和钠水锰矿三种，它们具有不同的结构特征和化学成分特征，而 Mn／Fe值可作为识别它们的标志之一［5－6］。相较于水羟锰矿，钡镁锰矿具有更高的Mn、Ni和Cu元素含量，有助于形成高品位结核［7］。不同的锰矿物具有不同的成因机制，反映了不同的生长环境［8］。因此，本文以富钡镁锰矿细脉的蛋白石层为研究对象，对其结构和化学成分特征进行了分析，探讨其成因机制及形成环境，为寻找高品位的多金属结核矿床提供了理论依据。

1 样品和方法

1.1 样品

本研究所用样品为多金属结核，形状为中型椭球状，大小为5.5cm×4cm×3cm。采自东太平洋CC区（即Clarion与Clipperton两条断裂带之间的区域）深海平原（图1），采样水深为5 200m，于2013年蛟龙号实验性应用航次中由蛟龙号深潜器下潜获取。研究区内结核属于半埋藏型，结核上表面较为光滑（S型），下表面较为粗糙（R型）。结核分布区域与其相邻的沉积物区域具有明显的分界线。

图1 取样位置图Fig.1 Location of the sampling station

1.2 分析方法

将结核样品切分为两半，一半用于全岩分析，另一半用于制作光片。全岩分析在澳实分析检测（广州）有限公司完成，利用的是电感耦合等离子体发射光谱方法（ICP－OES）。

光片的制作与电子探针测试工作在国家海洋局第二海洋研究所海底科学重点实验室完成。结核疏松易碎，需利用环氧树脂将其注胶固定，通过反复的打磨和抛光得到探针光片。光片制成后，首先在显微镜下利用反射光对样品进行观察，并选出进行电子探针点分析和线扫描分析的位置。随后将探针光片置入真空镀碳仪中镀碳，利用Jeol JXA－8100型电子探针仪分析 Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Si、Al、Ba、Mg、K和Ca元素的含量，并获取高分辨率的背散射图像。实验加速电压为15kV，电流为20nA。电子束直径为1μm。采用的标样为硬玉（Al）、赤铁矿（Fe）、氧化钴（Co）、氧化镍（Ni）、赤铜矿（Cu）、橄榄石（Si和 Mg）、钾长石（K）、蔷微辉石（Mn）、硫酸钡（Ba）和硅酸钙（Ca）。测试数据用ZAF程序进行纠正。共获取电子探针点分析数据29组，线扫描分析数据57组，每组包括Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Si、Al、Mg、Ba、K 和 Ca 11个元素。

2 结果

2.1 显微特征

该结核样品的中部存在一个特殊的构造层，无论在反射率和显微结构上都与周围壳层存在显著差异，因此称之为特征层。特征层呈细长带状分布于结核中，宽约200μm，其两端逐渐在壳层中尖灭（图2a）。特征层的反射率明显低于周围壳层，且结构较为致密，内部填充有大量的亮灰白色细脉状且结晶程度较好的矿物，交织在一起形似网状。

在高分辨率背散射图像中，特征层及其周围相邻区域主要表现出3种不同程度的反射率。根据反射率的差异，将这些区域划分为高、中、低反射率区域（图2b），高反射率区域呈较亮的灰白色，中反射率区域呈灰色，而低反射率区域呈黑色。

为进一步确定背散射图像中不同反射率区域的矿物组成，利用矿相显微镜的单偏光镜和正交偏光镜对3种不同反射率的区域进行观察。

高反射率区域在单偏光镜下呈高亮的灰白色，在正交偏光镜下完全消光，称之为高反射率矿物（图2c和2d）。高反射率矿物在特征层及其周围区域主要以3种形式出现：第1种，呈团块状分布在紧邻特征层的外部壳层中；第2种，呈极细的脉状分布于特征层中，脉宽约1～4μm，大部分细脉围绕核心与同心圆状壳层呈近乎平行分布，少量细脉沿斜向分布，与其上团块状高反射率矿物或其他脉状高反射率矿物相连，形似网状，细脉状高反射率矿物与周围矿物有明显的界线；第3种，呈较粗的脉状沿径向分布在特征层和径向裂缝之间，且切穿整个特征层，连接了团块状和细脉状高反射率矿物。

图2 特征层矿物反射率及结构特征Fig.2 Mineral reflectivity and structural features in the special layer

中反射率区域在单偏光镜下呈灰色，在正交偏光镜下完全消光，称之为中反射率矿物（图2c和2d）。中反射率矿物主要呈较大面积地分布在紧邻特征层的外部和内部壳层中，且位于特征层近核心一侧的细脉状高反射率矿物之间填充有少量的中反射率矿物。

低反射率区域在单偏光镜下呈半透明的乳白色、浅黄色、黄褐色和深灰色等不同颜色，在正交偏光镜下发生内反射，因此认为低反射率区域的矿物组成并不单一，以颜色为区别特征称之为乳白色、浅黄色、黄褐色或深灰色低反射率矿物，统称为低反射率矿物（图2c和2d）。沿结核的生长剖面，低反射率矿物主要集中分布于结核的3个部位，且往往与高反射率矿物相伴生：第1处为紧邻核心的外层壳层中，浅黄色低反射率矿物具不规则形状，较为松散地聚集在一起呈带状分布；第2个部位为特征层，乳白色和黄褐色低反射率矿物呈椭圆形或近乎椭圆形分布于特征层中（图2e），深灰色低反射率矿物则密集地填充于细脉状高反射率矿物之间，且大多分布于特征层的外半层中，该处低反射率矿物总体呈细长的带状分布；第3个部位为近结核表面的壳层中，黄褐色低反射率矿物呈不规则形状，较为松散地聚集在一起呈月牙状分布，两端尖灭于壳层之中。

特征层近核心一侧的壳层存在一个生物印模（图2f），形似放射虫。

2.2 化学元素特征

利用电子探针对特征层中具有不同反射率的矿物组成进行了Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Si、Al、Mg、Ba、K和Ca元素含量及Mn／Fe值的分析。

选取特征层中的两条细脉状高反射率矿物进行电子探针线扫描分析（图3a），由“A”至“B”代表了壳层由外到内。结果表明（图3b），细脉状高反射率矿物具有较大的 Mn／Fe值，富集 Mn、Cu、Ni、Ca、Ba和Co元素。低反射率矿物的 Mn／Fe值则较低，富集Fe、Si、Al和K元素。

Mn／Fe值在高反射率矿物中为6.59～37.28，平均值为17.85；在低反射率矿物中为0.04～3.38，平均值为0.40。沿扫描剖面，Mn／Fe值曲线呈“双峰状”：在低反射率区域呈波动较小的低值，在高反射率区域突变为高值。近“A”侧细脉状高反射率矿物中的Mn／Fe值显著小于近“B”侧细脉状高反射率矿物中的值。

Mn、Cu、Ni和Ca元素在高反射率矿物中的含量分别为31.50%～45.40%、1.55%～2.68%、1.05%～2.14%和0.27%～0.46%，平均值分别为40.72%、2.19%、1.51%和0.39%；在低反射率矿物中的含量分别为0.64%～27.89%、0.08%～1.14%、0.14%～0.93%和0.03%～0.26%，平均值分别为4.28%、0.36%、0.33%和0.09%。沿扫描剖面，Mn、Cu、Ni和Ca元素含量的曲线均呈“双峰状”，且呈现出一致的变化趋势：在低反射率区域呈波动较小的低值，在高反射率区域突变为高值，且Mn、Cu、Ni和Ca元素含量各自的最高值在两条细脉状高反射率矿物中基本一致。

Ba和Co元素在高反射率矿物中的含量分别为0.28%～0.77%和0.22%～0.44%，平均值分别为0.46%和0.35%；在低反射率矿物中的含量分别为0.06%～0.55%和0.04%～0.38%，平均值分别为0.24%和0.18%。虽然沿扫描剖面，Ba和Co元素含量波动较大，曲线呈“锯齿状”，但其值在高反射率区仍大于低反射率区，且Ba和Co元素含量各自的最高值在两条细脉状高反射率矿物中基本一致。

Fe和K元素在高反射率矿物中的含量分别为1.15%～5.29%和0.35%～0.73%，平均值分别为3.16%和0.49%；在低反射率矿物中的含量分别为7.78%～16.01%和0.98%～2.24%，平均值分别为13.37%和1.92%。沿扫描剖面，Fe和K元素含量的曲线均呈“双凹状”，且呈现出一致的变化趋势：在低反射率区域呈波动较小的高值，在高反射率区域突变为低值，且Fe和K元素含量各自的最低值在两条细脉状高反射率矿物中基本一致。Fe和K元素含量的变化曲线与Mn、Cu、Ni和Ca元素含量的变化曲线的变化趋势呈对称相反。

Si和Al元素在高反射率矿物中的含量分别为0.28%～5.32%和0.80%～1.70%，平均值分别为1.74%和1.10%；在低反射率矿物中的含量分别为2.13%～19.02%和0.17%～3.48%，平均值分别为12.62%和2.28%。沿扫描剖面，Si和Al元素含量的曲线具有一致的变化趋势，呈特殊的“双凹状”：在低反射率区域出现高值，在高反射率区域出现低值，而由“A”到“B”，在从低反射率区域进入到高反射率区域时，Si和Al元素含量出现骤降，而由高反射率区域进入到低反射率区域时，元素含量的增加则较为平缓。

Mg元素在高反射率矿物中的含量为1.10%～2.39%，平均值为1.88%；在低反射率矿物中的含量为0.10%～2.43%，平均值为1.69%。沿扫描剖面，由“A”到“B”，Mg元素含量在低反射率区域呈增大趋势，在高反射率区域呈减小趋势，极大值出现在细脉状高反射率区域与低反射率区域相交的上界面，而极小值出现在交界面的下界面。

表1 全岩及不同反射率矿物的氧化物组成平均含量Tab.1 Average oxide contents of the whole nodule and mineral of different reflectivities %

不同反射率矿物及全岩样品的元素氧化物组成（表1）表明，高反射率矿物主要由MnO组成，其平均含量高达46.43%；且具有较高的CuO、NiO和MgO组分含量；而FeO含量则较低，平均仅为1.63%，因此Mn／Fe值较高，平均值为28.44。中反射率矿物主要由MnO和FeO组成，其平均含量分别为40.86%和10.44%，其 Mn／Fe值平均为3.90；SiO2和 CoO 组分的含量也较高，平均含量分别为10.03%和0.28%。低反射率矿物主要由SiO2、Al2O3和FeO组成，其平均含量分别高达46.78%、9.82%和13.72%；而 MnO、CuO、NiO和CoO等金属元素组分的含量则极低，平均含量分别仅为3.69%、0.39%、0.28%和0.12%；其Mn／Fe值平均仅为0.20。

不同反射率矿物之间氧化物的含量存在一定的变化规律（图4）。这11个氧化物组分含量及Mn／Fe值在不同反射率矿物中呈现出4种变化特征：第1种，Mn／Fe值和MnO、CuO、NiO和MgO组分含量在高反射率矿物中达到最大值，随反射率的减弱逐渐减小；第2种，SiO2、FeO和K2O组分含量在高反射率矿物中达到最小值，随反射率的减弱逐渐增大；第3种，CoO、BaO和CaO组分含量在中反射率矿物中达到最大值，在低反射率矿物中达到最小值；第4种，Al2O3组分含量在低反射率矿物中达到最大值，在中反射率矿物中的含量略小于高反射率矿物。

图4 不同反射率矿物平均氧化物含量变化图Fig.4 Change of average oxide contents of different reflectivity minerals

不同颜色低反射率矿物的氧化物含量也存在一定的差异（图5）。虽然低反射率矿物颜色由浅黄色、黄褐色、深灰色逐渐递增，各氧化物组分含量并未呈现出相应的递增或递减的规律性变化特征，但总体来说，Al2O3、SiO2和CaO组分在非特征层中的含量大于特征层中，而FeO、MnO、CuO、NiO、CoO、MgO、Na2O和BaO组分在特征层中含量大于非特征层。

图5 不同颜色低反射率矿物氧化物含量变化图Fig.5 Change of oxide contents of low reflectivity minerals in different colour

3 讨论

3.1 不同反射率区域所对应的矿物组成

通过矿相显微镜可发现，高反射率矿物和中反射率矿物为该结核样品的主要组成部分，且它们在单偏光镜下分别呈灰白色和灰色，在正交偏光镜下完全消光，为不透明矿物，因此认为高反射率矿物和中反射率矿物为结核的主要矿物组成——铁锰氧化物。高反射率矿物呈高亮的灰白色，结晶程度较好，主要由MnO组成，其平均含量高达46.43%，而平均FeO含量仅为1.63%，Mn／Fe值平均高达28.44，具有钡镁锰矿的典型特征［6，9］，因此认为该样品中的高反射率矿物为钡镁锰矿。

中反射率矿物呈灰色，结晶程度较差，主要由MnO和FeO组成，其平均含量分别为40.86%和10.44%，其 Mn／Fe值平均为3.90，具有水羟锰矿的典型特征［10］，因此认为该样品中的中反射率矿物为水羟锰矿。

低反射率矿物在单偏光镜下呈现不同的颜色，在正交偏光镜下发生内反射，是一种半透明矿物。低反射率矿物主要由SiO2、Al2O3和FeO组成，其平均含量分别为46.78%、9.82%和13.72%，而 MnO、CuO、NiO和CoO等金属元素组分的含量则极低，平均含量分别仅为3.69%、0.39%、0.28%和0.12%。低反射率矿物在镜下的结构特征与化学元素特征与前人的研究一致，为蛋白石［11］。

因此，该多金属结核样品中的特征层为填充有大量细脉状钡镁锰矿的蛋白石层。其近核心的内部壳层为水羟锰矿，外部壳层存在团块状钡镁锰矿。在蛋白石层与径向裂缝之间存在一条较粗的钡镁锰矿脉。

3.2 钡镁锰矿细脉的成因机制

不同的矿物具有其独有的结构特征和化学元素特征，反映了不同的成因机制和生长环境。根据蛋白石层及其周围矿物的结构特征和化学元素组成特征，可推断出它们的形成环境，并为蛋白石层和钡镁锰矿细脉的成因机制建立了一个模型，反映出该结核样品形成过程中环境的演变情况。

蛋白石层的下伏壳层为水羟锰矿，水羟锰矿的化学式为 MnO2·m（R2O，RO，R2O3）·nH2O，R＝Na＋、Ca2＋、Co3＋、Mn4＋、Fe3＋［12］。水羟锰矿中 Mn元素为＋4价，Na、Ca、Co和Fe也处于最高价态，说明水羟锰矿形成于氧化环境。目前普遍认为水羟锰矿为水成成因的，应用“胶体－化学”水成模型，Mn4＋氧化物和Fe3＋氢氧化物以胶体的形式通过胶体吸附和沉积作用从水体中沉积下来，形成水羟锰矿［8，13］。Mn元素除来自上覆水体外，还可来自海底沉积物。海底表面沉积物之下存在一个还原环境的沉积层，其所赋存的Mn2＋离子可随孔隙水向上迁移至沉积物－底层水界面的氧化层［14－16］。具有类似化学性质的过渡金属元素如Fe、Co、Ni和Cu也具有同样的的溶解－再沉淀迁移机制［16］。由此推测，在蛋白石形成之前，该结核呈半埋藏状态于海底沉积物之中，底层水环境为氧化环境，Mn4＋氧化物胶体和Fe3＋氢氧化物胶体通过胶体吸附和沉积作用在结核出露水面部分形成水羟锰矿（图6a）。

蛋白石是一种非晶质的含水二氧化硅矿物，其化学式为SiO2·nH2O，具有较高含量的孔隙水［17］。特征层中存在大量椭球形的蛋白石，结合特征层下部壳层中存在的生物印模，可认为特征层中的蛋白石源于生物成因。在某一时期，上覆水中沉降了大量的硅质生物碎屑（如硅藻和放射虫等生物的遗骸），它们可能源于海面生物生产力的提高［18－20］。这些硅质生物碎屑在上覆水体中氧化分解［21－22］，形成的SiO2胶体直接沉积在结核出露水面的部分，形成一层蛋白石。这与蛋白石层呈细长条带状分布于壳层中，且两端逐渐尖灭于壳层中这一现象相符。SiO2胶体带负电荷，在沉积过程中吸附了大量带正电荷的Al（OH）3胶体和Fe（OH）3胶体［23］，因此特征层中的蛋白石 Al和Fe元素含量较高。由此推测，在某一时期，该结核呈半埋藏状态，上覆水体中沉降的大量硅质生物碎屑氧化分解后，SiO2胶体通过沉淀作用在结核出露水面的部分形成一层蛋白石层（图6b）。

蛋白石层之上的壳层主要为水羟锰矿，部分区域存在团块状的钡镁锰矿。钡镁锰矿的化学式为R2Mn4＋5O12·3H2O，R＝Ca2＋、Na＋、Ba2＋、Mg2＋、Mn2＋［24－25］。钡镁锰 矿 中，Mn元 素 既 有 ＋2 价 也 有＋4价，说明钡镁锰矿形成于氧化性相对较弱的氧化－还原环境中。因此，认为位于该同一层位水羟锰矿和钡镁锰矿并非同一时期产物，钡镁锰矿为后期形成的次生矿物。由此推测，在蛋白石层形成之后，底层水环境依然为氧化环境，Mn4＋氧化物胶体和Fe3＋氢氧化物胶体通过胶体吸附和沉积作用在结核出露水面部分形成水羟锰矿。同一时期内，结核发生成岩作用使其体积发生收缩，产生径向裂缝和平行于壳层的微裂缝［26］。而蛋白石中较高含量的孔隙水容易在成岩作用过程中丢失［17］，导致蛋白石脱水产生裂缝。因此，由于结核的成岩作用和蛋白石的脱水作用，蛋白石层中形成了大量平行于壳层的裂缝（图6c）。

在钡镁锰矿晶体结构中，Mn2＋易被Ni2＋和Cu2＋等二价阳离子所取代［9，24］，因此该结核样品的钡镁锰矿具有较高的Ni和Cu元素含量。由此可见，特征层内部及其周围钡镁锰矿的形成除需要弱氧化－还原环境外，还需要 Mn2＋、Ni2＋和Cu2＋离子的供给。研究表明，有机生物碎屑的氧化分解可以降低环境中的氧化还原电位［8，16，27］，为钡镁锰矿的形成提供了弱氧化－还原环境。在弱氧化－还原环境中，水羟锰矿中的部分Mn4＋离子被还原为 Mn2＋得到释放；且沉积物氧化层中含Mn、Ni和Cu元素的氧化物发生还原作用，释放出Mn2＋、Ni2＋和Cu2＋离子，满足了钡镁锰矿形成所需。因而，后期形成的钡镁锰矿具有富Mn贫Fe的化学特征。富含Mn2＋、Ni2＋和Cu2＋离子的沉积物孔隙水还可进入蛋白石层的裂缝，通过胶体吸附作用形成铁锰物质等组成的胶体矿物，再通过重结晶作用形成钡镁锰矿［24］。由此推测，在其后的一段时间内，环境中沉降了大量的富生物碎屑的沉积物，将结核完全掩埋起来，生物碎屑在沉积物中发生氧化分解，形成弱氧化－还原环镜。在弱氧化－还原环境中，部分水羟锰矿经交代作用形成钡镁锰矿，富含Mn2＋、Ni2＋和Cu2＋离子的沉积物孔隙水进入蛋白石层裂缝中，通过胶体吸附作用形成铁锰物质等组成的胶体矿物，再通过重结晶作用形成结晶程度较好的细脉状钡镁锰矿（图6d）。

团块状钡镁锰矿之上的壳层仍为水羟锰矿，说明后期结核重新出露于底层水中，呈半埋藏状态，在氧化环境中形成接受Mn4＋氧化物胶体和Fe3＋氢氧化物胶体的沉积形成水羟锰矿。结核的重新出露可能是由于较强的底流将沉积物冲刷走，或底栖生物的扰动作用所致（图6e）。

由上述模型可以看出，多金属结核的半埋藏状态和埋藏状态在不同沉积环境中是可以相互转换的，并非是多金属结核固定的一种生长方式。

3.3 元素的迁移变化

由表1和图4可以看出，钡镁锰矿和水羟锰矿化学元素组成存在一定的差异：相较于水羟锰矿，钡镁锰矿富集 Mn、Cu、Ni、Mg和 Al元素，贫Ca、Fe、Co、K、Ba和Si元素。结合钡镁锰矿的成因机制，认为在团块状钡镁锰矿形成过程中，Mn、Cu、Ni和Mg由周围沉积物供给而迁移进入钡镁锰矿，Ca、Fe、Co、K和Ba元素则从水羟锰矿中迁移出去，而Si和Al含量的差异可能是由铁锰氧化物中夹杂的微小硅质物质或碎屑物质的存在造成的。而细脉状钡镁锰矿的形成则是由于富 Mn、Cu、Ni、Mg、Fe、Co、K、Ba和Ca等元素的沉积物孔隙水进入蛋白石层裂缝中之后，通过胶体吸附作用形成铁锰物质等组成的胶体矿物，再经重结晶作用而形成。由此可见，富集在结核与周围沉积物中的化学元素可通过溶解－再沉淀作用，实现元素的迁移变化。由图2c和2e可以看出，特征层下伏壳层中的水羟锰矿逐渐“渗入”蛋白石层之中。推测在结核的后期成岩作用过程中，蛋白石和水羟锰矿的组成元素通过溶解－再沉淀作用发生了迁移，致使水羟锰矿交代了部分蛋白石。由图5可以看出，蛋白石层中蛋白石的金属元素含量显著高于非蛋白石层，推测是结核中的金属元素溶解后迁移进入蛋白石所致。结核内部不同矿物之间也存在元素的迁移变化。

4 结论

该结核样品中灰白色的高反射率矿物结晶程度较好，主要由MnO组成，其平均含量高达46.43%，具有高 Mn低Fe的特征，其 Mn／Fe值平均高达28.44，为钡镁锰矿，形成于还原环境。灰色的中反射率矿物结晶程度较差，主要由MnO和FeO组成，其平均含量分别为40.86%和10.44%，其 Mn／Fe值平均为3.90，为水羟锰矿，形成于氧化环境。黑色的低反射率矿物为一种半透明矿物，主要由SiO2组成，其平均含量高达46.78%，Al2O3和FeO组分含量较高，平均值分别为9.82%和13.72%，而其他金属氧化物含量极低，仅为0.12%～3.69%，为蛋白石。特征层为填充有大量的细脉状钡镁锰矿的蛋白石层。

不同的矿物具有不同的成因机制：水羟锰矿为水成成因，通过Mn4＋氧化物和Fe3＋氢氧化物以胶体的形式通过胶体吸附和沉积作用从水体中沉积下来而形成。钡镁锰矿为成岩成因，团块状钡镁锰矿由水羟锰矿在弱氧化－还原环境中，且有 Mn2＋、Ni2＋和Cu2＋离子供给下通过交代作用形成；细脉状钡镁锰矿则是由携带Mn2＋、Ni2＋和Cu2＋等离子的沉积物孔隙水进入蛋白石层的裂缝中，通过胶体吸附作用形成铁锰物质等组成的胶体矿物，再通过重结晶作用而形成。蛋白石为生物成因，硅质生物碎屑氧化分解后产生的SiO2胶体通过沉淀作用形成蛋白石层。

根据钡镁锰矿、水羟锰矿和蛋白石的显微结构特征和化学成分特征，为特征层及其周围矿物的成因机制建立了一个模型，可分为5个生长阶段：第1阶段，呈半埋藏状态的结核出露水面部分通过胶体吸附和沉积作用形成水羟锰矿；第2阶段，水体中沉降大量的硅质生物碎屑被氧化分解后释放的SiO2胶体通过沉积作用在结核表面形成蛋白石层；第3阶段，呈半埋藏状态的结核在氧化环境中形成水羟锰矿，同时由于结核的成岩作用和蛋白石的脱水作用使蛋白石层中产生大量的裂缝；第4阶段，水体中沉降大量富生物碎屑的沉积物，将结核完全掩埋起来，生物碎屑在沉积物中发生氧化分解，形成一个弱氧化－还原环境，部分水羟锰矿经交代作用形成团块状钡镁锰矿，富含Mn2＋、Ni2＋和Cu2＋离子的沉积物孔隙水进入蛋白石层裂缝中，通过胶体吸附作用形成铁锰物质等组成的胶体矿物，再通过重结晶作用形成细脉状钡镁锰矿；第5阶段，由于底流冲刷作用或生物扰动作用，结核重新出露于底层水中，呈半埋藏状态接受水羟锰矿的沉积。因此，认为多金属结核的半埋藏状态和埋藏状态在不同沉积环境中是可以相互转换的，并非是多金属结核固定的一种生长方式。

无论是结核与沉积物之间，或结核内部不同矿物之间，化学元素都可通过溶解－再沉淀作用发生迁移，使矿物组分甚至矿物类型发生变化。

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