海底冷泉（Cold Seeps）是一種來自海底沉積界面以下，以水、甲烷或其他碳?xì)浠衔餅橹饕M分的低溫流體，是海洋物質(zhì)和元素循環(huán)的重要途徑。冷泉逸出的甲烷90%以上由硫酸鹽還原和甲烷缺氧氧化（Anaerobic Oxidation of Methane, AOM）作用消耗。一般認(rèn)為，SO42-是AOM的主要電子受體。但有研究提出，錳（Mn）有可能參與了AOM，并為化能微生物提供高于SO42-的能量，但該過程尚未在冷泉系統(tǒng)中實(shí)際觀察到。另一方面，錳的自生礦物廣泛分布于海洋各種沉積環(huán)境中，在海底累積形成多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼等資源，部分以鐵錳微結(jié)核的形式存在，近年來廣受關(guān)注。已有研究發(fā)現(xiàn)，冷泉系統(tǒng)中存在富錳沉積層和菱錳礦等自生錳礦物，但缺乏關(guān)于現(xiàn)代活動(dòng)冷泉中自生錳微結(jié)核的研究。
本研究團(tuán)隊(duì)從南中國海（SCS）的活躍“海馬”冷泉區(qū)采集到了富錳沉積物，從中提取到錳微結(jié)核并開展了礦物學(xué)和地球化學(xué)分析。研究結(jié)果表明，冷泉區(qū)的自生微結(jié)核粒徑較小（大部分顆粒直徑小于100μm），主要呈不規(guī)則狀或近球形，表面粗糙多孔（圖1）。物相主要為弱結(jié)晶的7？-和10？-層狀錳酸鹽礦物（圖2）。
圖1 “海馬”冷泉區(qū)錳微結(jié)核樣品形貌以及微生物礦化與化學(xué)沉淀產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征
圖2 “海馬”冷泉區(qū)錳微結(jié)核樣品中7？和10？層狀錳酸鹽礦物結(jié)構(gòu)特征
相較于其它普通沉積環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的鐵錳微結(jié)核，“海馬”冷泉區(qū)的錳微結(jié)核樣品中富含Mn而相對(duì)虧損Fe、Co、Ni、Cu和稀土。該錳微結(jié)核中具有微生物礦化結(jié)構(gòu)和化學(xué)沉淀特征（圖1），剖面結(jié)構(gòu)較均一，無明顯層狀結(jié)構(gòu)。依據(jù)Co年代學(xué)計(jì)算方法，基于其Co、Fe、Mn含量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該微結(jié)核的生長速率異常高（平均達(dá)～8267mm/Myr），說明錳微結(jié)核的物質(zhì)來源可能是深部富金屬冷泉流體，而錳微結(jié)核很可能形成自生物礦化和化學(xué)沉淀共同作用下的快速沉淀過程。基于以上分析，本研究團(tuán)隊(duì)提出了錳在活躍冷泉環(huán)境下的運(yùn)移模式：在缺氧/還原環(huán)境的AOM過程中，沉積物中的Mn(IV) 可以被還原活化為Mn(II)，并釋放到孔隙水中；Mn(II)將向上擴(kuò)散，在氧化環(huán)境中重新氧化并沉淀形成錳微結(jié)核（示意圖見圖3）。
圖3 活躍冷泉區(qū)錳遷移過程示意圖
該南海“海馬”冷泉區(qū)自生微結(jié)核的發(fā)現(xiàn)，指示了現(xiàn)代活躍冷泉區(qū)中錳細(xì)菌的活動(dòng)，支持了其中依賴Mn的AOM作用發(fā)生的可能性，從而加深了對(duì)冷泉系統(tǒng)中錳的地球化學(xué)的認(rèn)識(shí)。
該研究成果已在線發(fā)表于國際期刊Journal of Geophysical Research：Oceans。論文第一作者為中科院廣州地球化學(xué)研究所博士生張歡，通訊作者為袁鵬教授（中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所/廣東工業(yè)大學(xué)）和自然資源部第二海洋研究所董彥輝副研究員。該研究受到國家高層次人才計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助。
論文信息：Huan Zhang(張歡), Junming Zhou(周軍明), Peng Yuan(袁鵬)*, Yanhui Dong(董彥輝)*, Wenxiao Fan(樊文梟), Xing Yu(余星), Jianggu Lu(魯江姑), 2023. Implication from mineralogical and geochemical characteristics of authigenic micronodules in the Haima cold seeps for understanding the manganese geochemistry in active seepage, Journal of Geophysical Research: Oceans, https://doi.org/10.1029/2022JC019194
（中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿）
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