全球海底蘊(yùn)藏著豐富的多金屬結(jié)核，它們不僅是最具開(kāi)發(fā)潛力的海底礦床，還是古海洋、古氣候和古地磁研究的重點(diǎn)區(qū)域。在最近發(fā)表于Journal of GeophysicalResearch: Solid Earth的一篇論文中，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李金華研究員團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外合作者，綜合運(yùn)用巖石磁學(xué)、電子顯微學(xué)和地球化學(xué)技術(shù)，以東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)的表層沉積物為對(duì)象，通過(guò)量化識(shí)別載磁礦物的來(lái)源及其空間分布特征，發(fā)現(xiàn)多金屬結(jié)核的分布與趨磁細(xì)菌磁小體豐度之間存在相關(guān)性，為理解多金屬結(jié)核生長(zhǎng)過(guò)程中的微生物-礦物相互作用提供了新證據(jù)，也為深入認(rèn)識(shí)深海趨磁細(xì)菌生態(tài)分布規(guī)律及其參與和記錄的生物地質(zhì)過(guò)程提供新線索。

    深海多金屬結(jié)核富含鎳、鈷、銅、錳等金屬元素，是極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦產(chǎn)資源，主要分布在太平洋、大西洋和印度洋的深海平原。同時(shí)，多金屬結(jié)核生長(zhǎng)較為緩慢，且與多種微生物相互作用。因此，多金屬結(jié)核能夠記錄區(qū)域生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵信息，是古環(huán)境和古地磁研究的理想材料。

    趨磁細(xì)菌是一類具有系統(tǒng)發(fā)育多樣性的功能微生物群，能夠在細(xì)胞內(nèi)合成生物膜包被的納米尺寸磁鐵礦或膠黃鐵礦顆粒，稱為磁小體。利用磁小體，趨磁細(xì)菌能夠感知并沿著地磁場(chǎng)定向游泳，并通過(guò)在水體的有氧-無(wú)氧過(guò)渡帶上下穿梭獲得生長(zhǎng)所需的物質(zhì)和能量，同時(shí)促進(jìn)周圍環(huán)境C、N、P、S、Fe等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。

    前人研究表明，多金屬結(jié)核中存在大量由趨磁細(xì)菌生成的磁小體，并且在其周圍表層沉積物中也檢測(cè)到了趨磁細(xì)菌的基因（Donget al., 2016; Jiang et al., 2020; Yuan et al., 2020）。這些發(fā)現(xiàn)為趨磁細(xì)菌在多金屬結(jié)核形成中的作用提供了直接證據(jù)，暗示微生物活動(dòng)可能與結(jié)核生長(zhǎng)密切相關(guān)。然而，由于沉積物中磁小體與其他來(lái)源的磁性礦物混合，并受到埋藏壓實(shí)等地質(zhì)改造的影響，造成了其量化識(shí)別極為困難，進(jìn)而限制了對(duì)趨磁細(xì)菌與多金屬結(jié)核相互作用的深入理解。

    2013年，我國(guó)“海洋六號(hào)”科考船在DY29-02航次期間對(duì)東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)域進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，獲取了大量站點(diǎn)的表層沉積物樣品。在前期研究中，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所肖天研究團(tuán)隊(duì)在這些表層沉積物中發(fā)現(xiàn)了趨磁細(xì)菌基因(Dong et al., 2016)。隨后，課題組與肖天研究員團(tuán)隊(duì)合作，系統(tǒng)研究了其中一個(gè)位點(diǎn)的樣品，發(fā)現(xiàn)至少存在8種不同類型的磁鐵礦，并完善了“宏觀磁性測(cè)量+微納尺度掃描電鏡觀測(cè)+原子水平透射電鏡綜合分析”相結(jié)合的磁性礦物量化識(shí)別研究體系(Li et al., 2020；Liuet al., 2023)。在本項(xiàng)研究中，課題組與國(guó)內(nèi)外合作者，綜合運(yùn)用巖石磁學(xué)、電子顯微學(xué)和地球化學(xué)技術(shù)，對(duì)32個(gè)不同點(diǎn)位的表層沉積物開(kāi)展了研究（圖1），量化識(shí)別了磁性礦物的類型及其空間分布特征，取得以下重要認(rèn)識(shí)：

圖1 太平洋研究區(qū)域地質(zhì)圖及采樣點(diǎn)位

    （1）磁性礦物含量和粒徑的空間變化特征：磁性礦物濃度相關(guān)參數(shù)χlf，Ms，SIRM1T，HIRM-0.3T和HIRM-0.1T的空間分布規(guī)律一致（圖2a-2e），暗示它們可能由同一種來(lái)源磁性礦物主導(dǎo)，并且該來(lái)源磁性礦物含量在研究區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出從北向南、從東向西遞減的趨勢(shì)。然而，與上述濃度磁學(xué)參數(shù)不同，對(duì)單磁疇磁性礦物敏感的χARM在研究區(qū)域內(nèi)幾乎保持不變，僅在最南部區(qū)域降低（圖2f）。這表明除了主要來(lái)源的磁性礦物外，還可能存在其它來(lái)源的單磁疇磁性礦物顆粒。此外，粒度磁學(xué)參數(shù)Bcr/Bc從北到南減小，而Mrs/Ms和χARM/χ值則同步增大（圖2j-2l），表明研究區(qū)內(nèi)磁性礦物粒徑從北向南逐漸減小的趨勢(shì)。

圖2 東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)的32個(gè)表層沉積物巖石磁學(xué)參數(shù)的空間分布特征

    （2）磁性礦物類型和來(lái)源鑒定：通過(guò)系統(tǒng)的掃描和透射電子顯微鏡分析表明，樣品中的磁性礦物主要由三大來(lái)源組成：陸源風(fēng)塵、火山熱液形成的碎屑成因磁性礦物和趨磁細(xì)菌成因的生物磁鐵礦（磁小體）。其中，北部區(qū)域的沉積物主要由碎屑磁鐵礦組成，而生物成因磁小體數(shù)量極少（圖3a-3f）。相比之下，中部區(qū)域的沉積物中，磁小體數(shù)量顯著增加，并與碎屑磁鐵礦共存（圖3g-3l）。而在最南部的樣品中，幾乎完全由生物成因的磁小體組成，少見(jiàn)碎屑磁鐵礦（圖3m-3q）。

圖3 東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)表層沉積物的電子顯微學(xué)結(jié)果

北部區(qū)域（樣品S1）、中部區(qū)域（樣品S16）、南部區(qū)域（樣品S32）

    （3）地球化學(xué)分析中的稀土元素在母巖風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積和成巖過(guò)程中不易遷移，能更準(zhǔn)確地示蹤沉積物物源。十個(gè)代表性樣品的REE配分模式具有顯著的負(fù)Ce異常、微弱的正Eu異常和中稀土元素的富集（圖4a,4b）。顯著的負(fù)Ce異常指示研究區(qū)沉積物中含有大量從海水或孔隙水中形成的自生成因礦物。微弱的正Eu異常指示著研究區(qū)沉積物中含有火山熱液活動(dòng)形成或海底火山如萊恩群島等被洋流剝蝕搬運(yùn)沉積的物質(zhì)。在研究區(qū)空間分布特征上，從北部到南部區(qū)域，沉積物中的CeN/CeN*和EuN/EuN*值顯著減?。▓D4c），指示從北到南的表層沉積物中自生成因礦物貢獻(xiàn)逐漸增加，碎屑礦物（包括熱液形成或者火山侵蝕）貢獻(xiàn)減少。

    （4）不同類型磁性礦物的量化識(shí)別：在基于系統(tǒng)電子顯微學(xué)和地球化學(xué)分析精確識(shí)別樣品中磁性礦物來(lái)源的基礎(chǔ)上，本研究對(duì)32個(gè)表層沉積物樣品進(jìn)行了FORC-PCA的三端元分解分析（圖4d）。端元1的FORC圖等值線沿橫軸延伸至約120mT，在縱軸上的展布較寬，且具有明顯的向左大開(kāi)口等值線（圖4e），可能代表陸源風(fēng)塵攜帶的具有較強(qiáng)靜磁相互作用的低矯頑力碎屑成因磁鐵礦、磁赤鐵礦及高矯頑力的赤鐵礦集合體。端元2和端元3的FORC圖表現(xiàn)為顯著的沿橫軸延伸且縱軸分布較窄的閉合等值線（圖4f,4g）。端元2的FORC圖外部等值線在縱軸上的分布較寬，且中心矯頑力值為10-30mT，代表其主要由火山侵蝕或熱液成因的硅酸鹽包裹磁鐵礦貢獻(xiàn)；而端元3則表現(xiàn)為典型的中央脊特征，中心矯頑力峰值約為20-40mT，主要由弱靜磁相互作用的生物成因磁小體化石貢獻(xiàn)。

圖4 東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)表層沉積物的稀土元素配分模式和一階反轉(zhuǎn)曲線-主成分分析結(jié)果

    （5）非生物成因磁性礦物記錄及其地質(zhì)學(xué)指示：陸源風(fēng)塵（端元1）的絕對(duì)含量在研究區(qū)內(nèi)從北向南、從東向西減少（圖5a），與該區(qū)域受中緯度西風(fēng)和東北信風(fēng)共同調(diào)控的現(xiàn)代大氣環(huán)流模式相一致?；鹕匠梢虼判缘V物（端元2）的絕對(duì)含量在研究區(qū)內(nèi)從東向西減少（圖5b），與前人研究得到的南極底水流主導(dǎo)的太平洋底流路徑相吻合。富氧且侵蝕能力強(qiáng)的南極底層水不斷侵蝕上游的萊恩群島和夏威夷群島，將大量火山碎屑成因的磁性礦物沉積在下游的東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)火山碎屑物質(zhì)含量從西向東逐漸減少。

圖5 東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)不同來(lái)源磁性礦物含量和結(jié)核密度的空間變化特征

    （6）趨磁細(xì)菌磁小體記錄及其微生物地質(zhì)學(xué)指示：盡管東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)域底層海水中含氧量極高，限制了趨磁細(xì)菌的生長(zhǎng)，造成其豐度較低；但基于精確的磁小體量化識(shí)別方法，本研究發(fā)現(xiàn)，在富含更高密度多金屬結(jié)核的中間區(qū)域，表層沉積物中的生物磁小體（端元3）不僅形態(tài)多樣，且含量高于研究區(qū)的北部和南部區(qū)域（圖5c,5d）。結(jié)合前人對(duì)多金屬結(jié)核及其周圍沉積物的研究推測(cè)，多金屬結(jié)核表面豐富的微生物會(huì)分解無(wú)機(jī)膠體化學(xué)物質(zhì)消耗氧氣，在多金屬結(jié)核表面繁殖，形成生物膜，從而在多金屬結(jié)核富集區(qū)形成一個(gè)缺氧且富含有機(jī)質(zhì)的微環(huán)境，為趨磁細(xì)菌的生長(zhǎng)和礦化提供了適宜的條件（圖6）；另一方面，趨磁細(xì)菌死亡后其胞內(nèi)的磁小體保存在多金屬結(jié)核中，隨著多金屬結(jié)核的持續(xù)生長(zhǎng)，這些磁小體記錄了穩(wěn)定的生物地球化學(xué)剩磁，為多金屬結(jié)核的高分辨率古地磁應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖6 東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)內(nèi)的趨磁細(xì)菌生態(tài)分布模型

    綜上，該研究揭示了東太平洋多金屬結(jié)核區(qū)的三種磁性礦物來(lái)源：風(fēng)塵來(lái)源的磁性礦物濃度呈現(xiàn)出從北向南、從東向西逐漸減少的趨勢(shì)，這表明中緯度西風(fēng)帶和東北信風(fēng)共同推動(dòng)了碎屑礦物的遷移；火山成因的磁鐵礦含量從西向東、從北向南逐漸減少，這與南極底層水對(duì)萊恩群島和夏威夷群島的侵蝕作用密切相關(guān)。生物成因磁小體的豐度與多金屬結(jié)核的分布吻合，表明多金屬結(jié)核水-巖界面富含有機(jī)質(zhì)的輕度還原微環(huán)境為趨磁細(xì)菌的生存提供了理想條件，進(jìn)一步證明東太平洋多金屬結(jié)核海底趨磁細(xì)菌的生長(zhǎng)主要受到局部氧化還原條件的驅(qū)動(dòng)。

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