本文以麦哲伦海山、马尔库斯-威克海山和中太平洋海山的富钴结壳、多金属结核及海山基岩样品为研究对象,综合利用X射线衍射法(XRD)、等离子体发射光谱法(ICP-OES)、等离子体质谱法(ICP-MS)以及相态分析方法等分析手段,对太平洋富钴结壳的矿物学及元素地球化学特征进行研究,系统地阐述了稀土和铂族元素的来源、赋存状态、富集机制以及古海洋环境影响等问题。这一结果填补了铂族元素赋存状态研究领域的空白,为我国富钴结壳资源综合评价以及选矿工艺提供理论依据。通过研究,主要得出如下结论: 1.太平洋富钴结壳为水成沉积成因,其主要结晶矿物为水羟锰矿(δ-MnO2),并含有大量的非晶态铁氧/氢氧化物(FeOOH·nH2O)。富钴结壳新壳层含有较多的石英、长石等硅酸盐类矿物,老壳层发生了磷酸盐化作用,含有较多的碳氟磷灰石(CFA)矿物。富钴结壳中稀土和铂族元素明显富集,其稀土元素总量为(1415-2854)×10-6,铂族元素总量为(144-1271)×10-9。富钴结壳中稀土和铂族元素明显高于深海结核、玄武岩、磷块岩、碳酸盐岩以及其他海山基岩,老壳层磷酸盐化作用对稀土和铂族元素起到了较明显的富集作用。 2.研究区富钴结壳的轻稀土较重稀土明显富集,具有明显的Ce正异常,Eu异常不明显,稀土元素主要来源于海水;铂族元素之间发生了明显的分异作用,具有明显的Pt正异常,Pd负异常特征,铂族元素主要来源于洋壳蚀变过程中,玄武岩基岩与海水之间的水/岩反应。富钴结壳中Ce和Pt的富集是受海洋氧化性环境所致,海水中可溶性Ce3+和Pt2+分别被氧化成不溶性Ce4+和Pt4+,沉淀被吸附到铁氧/氢氧化物中,从而造成富钴结壳中Ce和Pt的明显富集。 3.通过选择性化学提取方法,将构成结壳主体的吸附态、碳酸盐态、锰氧化物态、铁氧化物态和残渣态这五大化学相态分离出来,建立了稀土和铂族元素相态分析方法。稀土元素相态分析结果显示,未磷酸盐化新壳层中稀土元素主要赋存于铁氧化物态中,其富集比例为48.85%-69.59%,而磷酸盐化老壳层中稀土元素主要赋存于残渣态中,其富集比例为59.26%-89.68%。铂族元素相态分析结果显示,未磷酸盐化新壳层和磷酸盐化老壳层中铂族元素都主要赋存于铁氧化物相中,其富集比例为48.85%-74.08%,残渣态(9.15%-39.07%)对铂族元素也有一定的富集能力。因此,稀土和铂族元素的富集相态主要是铁氧化物态和残渣态,这对我国富钴结壳资源综合评价以及选矿工艺具有重要意义。 4.富钴结壳HD62的最小生长年龄为57.51Ma,平均生长速率为2.23mm/Ma,并形成三个沉积间断。富钴结壳生长剖面中稀土和铂族元素具有相似的演化特征,这与古海洋环境有关,海水氧化环境变化、风尘活动以及磷酸盐事件均对稀土和铂族元素的富集具有重要的影响。