广州海洋地质调查局，广东广州 510760 摘 要 从多金属结核成矿物质来源、生长环境、生长机理和成矿模式等方面来对多金属结核的形成机理问题进行探讨，探索多金属结核的成矿过程，重建其形成的古海洋环境，预测结核的区域分布和丰度等，进而为大洋多金属结核资源评价和开发提供科学依据。
关键词 海洋地质；多金属结核；形成机理
中图分类号TG1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）70-0079-02
0 引言
大洋多金属结核（polymetallic nodule）又称锰结核，是一种以铁锰水合氧化物为主的海洋自生沉积型矿物。它外表多为暗褐色或黑色，呈结核状、板状、皮壳状构造，由核心和绕核心而生的Fe-Mn氧化物壳层两部分组成。生长核心主要有微化石（放射虫或有孔虫）介壳、磷化鲨鱼牙齿、玄武岩碎屑等，甚至可能是先前结核的碎片。结核外壳的组分主要有铁锰矿物、粘土类和沸石类矿物、碎屑物质及其他自生矿物等。结核在洋底分布范围广，据已有调查资料，世界各大洋中约有15%的海底被金属结核所覆盖，其中太平洋分布最广约有2300万km2，印度洋约有1500万km2，大西洋分布最少，约有850万km2[1]。太平洋的多金属结核主要富集在东太平洋克拉利昂（Clarion）和克利帕顿（Clipperton）两断裂带间，又称C-C区。结核中蕴藏着丰富的锰、铁、铜、镍、钴等金属资源，据估计，大洋锰结核中所含锰、铜、镍、钴等的储量，即相当于陆地储量的几十至几千倍，太平洋海底多金属结核资源达1.7万亿吨，其中含锰4 000亿吨、铜88亿吨、钴58亿吨、镍164亿吨，是很有远景的潜在海底矿产资源[2]。
关于多金属结核的形成机理问题的研究，一直以来都受到科学家们的重视。这是因为通过形成机理的研究可以探索多金属结核的成矿过程，重建其形成的古海洋环境，预测结核的区域分布和丰度等，进而为大洋多金属结核资源评价和开发提供科学依据。本文将从多金属结核成矿物质来源、生长环境、生长机理和成矿模式等方面来对多金属结核的形成机理问题进行分析探讨。
1 成矿物质来源
成矿物质主要是指Fe、Mn、Cu、Ni和Co等金属元素，它们是结核能否生长的先决条件和物质基础。关于多金属结核成矿的物质来源问题，早有科学家提出了四种主要方式：一是大陆或岛弧上的岩石风化产物，经风或是河流的搬运运动带入海洋；二是海底火山喷发、海底风化、洋底热液活动以及火山物质的海解作用为结核提供了成矿物质；三是来自于海洋生物的供给，它们代谢作用的参与为结核的形成提供大量成矿物质；四是海水本身是盐类溶液，它可能是结核最重要的矿物质供应源[3]。结核成矿物质也是多源的，经过对成矿物质在海水中迁移富集过程的研究表明，底层海水和孔隙水是铁锰结核成矿物质的直接来源 [4]。
2 生长环境及主控因素
多金属结核是海洋各种地质过程综合作用的产物，结核各壳层的形成与古海洋事件及环境的变化息息相关。影响多金属结核生长的环境因素主要有水深、地形、沉积速率、生物作用和南极底层流等。
2.1 水深地形对多金属结核形成的影响
水深对结核形成的影响主要是跟大洋碳酸钙补偿深度（CCD）有关，CCD之下是底层水活动较强的层段，大量的钙质生物经过CCD界面时遭到溶解释放出Fe、Mn等金属元素（Martin and Knauer,1983）供给结核生长，所以海底深度大于CCD时，海底产结核多，而当海底深度在CCD之上时则少。
地形的不同，不仅海水化学性质有差别，沉积物类型及其发育程度也不同：海山和丘陵顶部容易受到溶蚀和侵蚀，沉积物为很少的钙质生物沉积物，结核成矿物质主要用上覆海水供应，形成光滑的水成-沉积型结核；平原和丘陵间凹地一般发育有一定厚度的沉积物，主要是Cu、Ni和Mn等含量较高的硅质软泥，硅质粘土，这些沉积物经过成岩作用以孔隙水给结核的生长提供成矿元素，因而深水平原、丘陵地区主要发育有粗糙的成岩型和水成-成岩型结核。
2.2 生物作用对多金属结核形成的影响
海洋生物的地理分布和生物生产力是影响多金属结核生长和分布的重要因素之一。研究表明[5]，高生物生产力的海域，放射虫、硅藻及有孔虫等生物活动积极，这些生物死亡后随碎屑沉积进入洋底沉积物，为结核的形成创造了有利的成矿环境。远离高生物生产力带，结核的生长速率逐渐减小，直接影响成矿物质的供应量。
2.3 南极底层流对多金属结核形成的影响
自新生代以来南极冰盖形成并扩大，在结冰过程中释放的盐分导致洋水盐分增高，密度增大。由南极形成的富氧低温、高密度洋水沉入底层，在水平压力驱动下朝向密度低、温度高的方向作水平运动。在其流经的海域水温降低，溶解氧和养分增多，南极底层流营造了洋底氧化环境，CO2含量高，CCD界面上升，大量生物溶解，促使生物中吸附的大量成矿金属组分释放，为多金属结核的形成提供了充足的物源。
3 生长机理和成矿模式
结核的生长是极为缓慢的一种地质现象，其生长机制主要是由Fe、Mn等成矿物质的沉析机制决定的，概括起来主要有两种模式：沉积动力学机制和微生物成矿机制。
3.1 沉积动力学机制
沉积动力学机制是以胶体化学作用为主导，氧化作用和生物化学作用叠加的外生成因水下沉析的结核成矿模式。
3.1.1氧化作用
结核中的Mn、Fe矿层是由高价态Mn、Fe的氧化物、氢氧化物组成，因此成矿溶液中低价态的Mn（Fe）必须经过氧化作用转化为高价态，才能生成结核中的Mn（Fe）矿物。氧化作用是结核生长的起始作用。
3.1.2生物化学作用
生物的化学作用对结核生长的影响主要通过两种方式来实现：一是直接参与Fe、Mn的氧化还原反应；二是间接通过代谢活动，改变介质环境的物理化学条件，以及生物分解等，促使成矿物质富集而成矿。