海底多金属硫化物（Seafloor Massive Sulfides,SMS）的磁性特征与其矿物组成及氧化还原环境密切相关，对理解热液成矿过程和勘探开发具有重要意义。本研究采用Unisense微电极系统原位测定海底硫化物微区氧化还原参数（Eh、pH、O₂、H₂S），结合岩石磁学分析，探讨氧化还原状态对硫化物磁性特征（如磁化率、剩磁）的调控机制。结果表明，不同氧化还原微环境导致硫化物矿物相变（如磁黄铁矿→黄铁矿），显著改变其磁学性质。本研究为海底硫化物资源评价和古环境重建提供了新的技术途径和理论依据。


1.引言


海底多金属硫化物（SMS）是海底热液活动的产物，富含Fe、Cu、Zn等金属元素，其矿物组成（如黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿）受局部氧化还原环境控制。这些矿物的磁性特征（如磁化率、饱和等温剩磁）对成矿过程和后期改造极为敏感，但传统研究难以实现微区氧化还原状态与磁性的耦合分析。


微电极技术（如Unisense系统）可原位、高分辨率（μm-mm尺度）测定Eh、pH、O₂等参数，为揭示硫化物微区氧化还原-磁性关系提供新手段。本研究结合微电极测量与岩石磁学分析，阐明氧化还原状态如何调控硫化物磁性特征，并探讨其在资源勘探和古环境重建中的应用价值。


2.材料与方法


2.1样品来源


样品取自东太平洋海隆（EPR）和印度洋中脊（CIR）的热液硫化物烟囱体。


切割为1 cm³块状样品，保留原始表面结构。


2.2微电极原位测量


氧化还原参数测定


使用Unisense微电极（Eh-100、PH-100、O₂-50、H₂S-50）扫描样品表面（分辨率50μm）。


测定微区Eh（氧化还原电位）、pH、溶解O₂及H₂S浓度。


微区划分


根据Eh-pH数据划分氧化区（Eh>+100 mV）、过渡区（-100 mV<Eh<+100 mV）和还原区（Eh<-100 mV）。


2.3岩石磁学分析


磁化率（χ）：采用Bartington MS2磁化率仪测定。


剩磁分析：通过交变退磁（AF）和热退磁（TD）分离不同磁性矿物组分。


矿物鉴定：结合X射线衍射（XRD）和扫描电镜-能谱（SEM-EDS）验证矿物相变。


2.4实验设计


氧化模拟实验：将硫化物样品暴露于不同O₂浓度的海水中，监测磁性变化。


电化学调控实验：通过微电极施加可控电位，研究Eh对矿物转化的影响。


3.结果


3.1微区氧化还原状态的空间异质性


氧化区（烟囱体外表面）：Eh高达+200 mV，O₂>50 μmol/L，以赤铁矿、针铁矿为主。


过渡区（烟囱体中部）：Eh≈0 mV，H₂S显著升高（>100 μmol/L），磁黄铁矿（Fe₇S₈）占主导。


还原区（烟囱体内核）：Eh<-150 mV，H₂S>500 μmol/L，以黄铁矿（FeS₂）和非磁性硫化物为主。


3.2磁性特征的氧化还原依赖性


3.3氧化-还原驱动的矿物相变


氧化条件下（Eh>+100 mV）：磁黄铁矿→黄铁矿+赤铁矿（磁性减弱）。


还原条件下（Eh<-100 mV）：磁黄铁矿→等轴黄铁矿（磁性消失）。


4.讨论


4.1氧化还原状态对磁性的调控机制


矿物转化：


磁黄铁矿（Fe₇S₈）在氧化环境中部分转化为弱磁性赤铁矿（Fe₂O₃），导致磁化率降低。


强还原环境促使磁黄铁矿转变为非磁性黄铁矿（FeS₂），彻底丧失磁性。


化学剩磁（CRM）：


过渡区磁黄铁矿在热液冷却过程中记录热液流体的方向性信息，形成稳定的化学剩磁。


4.2对资源勘探的启示


高磁化率区域可能指示未受氧化的富磁黄铁矿带，是Cu、Zn等金属的富集区。


磁性异常可作为海底硫化物矿床的勘探标志。


4.3古环境重建潜力


硫化物磁性特征可反演古热液系统的氧化还原历史。


结合微电极数据，可量化古热液活动的Eh-pH条件。


5.结论


微电极技术成功揭示了海底硫化物微区氧化还原状态的异质性，证实其对磁性特征具有决定性影响。


磁黄铁矿在过渡氧化还原条件下表现出最强磁性，是海底硫化物磁异常的主要贡献者。


本研究提出的“氧化还原-磁性”耦合模型，为硫化物资源评价和古热液环境重建提供了新思路。


展望


未来可结合：


同步辐射技术（如μ-XANES）直接表征Fe的价态分布。


微生物作用实验，探讨微生物介导的氧化还原过程对磁性的影响。