陆架铁锰结核的矿物相与生长条件：形态多样性及其对成岩演化的指示意义

为解决陆架铁锰结核形成机制与成岩演化过程的关键问题，研究人员通过同步辐射μ-XRF/XAS、XRD和稳定Pb同位素分析，揭示了波罗的海三种形态结核（壳状、盘状、球状）的矿物相组成及生长环境差异。研究发现盘状和球状结核以Fe-Mn交替层为特征，壳状结核则以富Fe相为主，且不同形态结核的碎屑矿物含量与成岩过程密切相关。该研究为全球陆架铁锰结核的资源潜力和古环境重建提供了重要依据。

　　

铁锰结核作为海底广泛分布的生物地球化学沉淀物，因其富含关键金属元素、记录古环境信息以及参与深海氧循环而备受关注。然而，陆架区铁锰结核的形成机制、矿物相组成与形态多样性之间的关系仍不明确。波罗的海作为典型的陆架海，其铁锰结核覆盖约10%的海底面积，但不同形态结核（壳状、盘状、球状）的成因差异及其对沉积动力和氧化还原条件的响应机制尚不清楚。

针对这一科学问题，来自芬兰地质调查局和斯德哥尔摩大学的研究团队开展了系统性研究，通过多尺度分析揭示了波罗的海铁锰结核的矿物相特征与生长环境的关系。研究成果发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，为理解全球陆架铁锰结核的形成过程提供了新视角。

研究团队采用同步辐射μ-X射线荧光成像（μ-XRF）和X射线吸收光谱（μ-XAS）进行微区元素分布与矿物相表征，结合X射线衍射（XRD）鉴定晶体结构，并通过稳定Pb同位素（²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb等）分析物源。样本来自波罗的海北部（波的尼亚湾）、东北部（群岛海和芬兰湾）及西南部（梅克伦堡湾）的48个结核，涵盖三种形态端元。

矿物学特征
μ-XRF显示盘状和球状结核具有Fe-Mn交替生长层（图2），而壳状结核以富Fe相为主。XAS证实Mn相以层状水钠锰矿（birnessite）为主，呈现柱状和树枝状生长模式，反映微生物介导的沉淀过程（图3）；Fe相则以弱晶质水铁矿（ferrihydrite）为主，其形成受碎屑矿物混入影响。XRD进一步揭示壳状结核含更多云母和粘土矿物，而球状结核碎屑组分最少（图4-5）。

主微量元素地球化学
壳状结核具有最高Fe/Mn比（均值13.9）和Al含量（4.3 wt%），盘状和球状结核依次递减（表2）。Pearson相关性分析（图8）识别出三组元素组合：1）Fe相（P、稀土元素REE、Pb、As）；2）Mn相（Ba、Sr、Cd、Ni）；3）碎屑相（Ti、Nb、K）。REY配分模式显示所有结核均具负Ce异常（Ce/Ce*≈1），指示早期成岩作用主导（图7,13b）。

碎屑组分演化
壳状结核的Ti/Zr比和CIA/WIP值最高（图9a-b），反映强陆源输入和高能沉积环境；盘状和球状结核则显示更高石英含量和沉积再循环程度。值得注意的是，随着水深增加，盘状和球状结核的碎屑组分成熟度提升（图9c），暗示水动力条件对形态分异的控制。

空间变异与Pb同位素示踪
波罗的海结核的化学组成与其他陆架区总体相似，但As、Mo等元素含量较低（图10）。区域对比显示，波的尼亚湾壳状结核具有更高Fe/Mn比和Ce异常值（图11），可能与春季洪水增强陆源输入有关。Pb同位素揭示北部结核（芬兰湾）具有最放射成因特征（²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb均值23.31），反映波罗的地盾基岩侵蚀的物源贡献（表3）。

该研究首次系统阐明了波罗的海铁锰结核形态-矿物-地球化学的耦合关系：壳状结核形成于高能环境，以水铁矿为主且碎屑组分丰富；盘状和球状结核在静水环境中通过微生物介导形成水钠锰矿交替层。这一发现不仅揭示了陆架结核与深海结核在生长速率（微米/年 vs 毫米/百万年）和元素富集机制的差异，还为利用结核形态和元素组合重建古海洋环境提供了新指标。研究强调"蓬松"有机质泥层的周期性覆盖通过改变氧化还原条件影响微生物活性，进而调控结核生长层序（图6），这一认识对理解全球陆架区铁锰成矿作用具有普适意义。