條帶狀鐵建造(banded iron formation,簡(jiǎn)稱BIF)的形成機(jī)制一直是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)話題之一,主要因?yàn)檠芯緽IF具有礦床學(xué)理論和地球系統(tǒng)科學(xué)的雙重意義。BIF是全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)最重要的鐵礦石來(lái)源,國(guó)內(nèi)外主要開(kāi)采利用的對(duì)象有所差異,國(guó)外絕大部分開(kāi)采的是BIF的長(zhǎng)期風(fēng)化或熱液改造富集產(chǎn)物,鐵礦石品位較高,一般在50%以上,而國(guó)內(nèi)像鞍鋼和首鋼等大型鋼鐵企業(yè)直接開(kāi)采利用的是BIF本身,品位較低,一般在30%左右,因此,BIF在我國(guó)又稱為沉積變質(zhì)型鐵礦或條帶狀鐵礦。此外,BIF是早前寒武紀(jì)(3.8-1.8 Ga)分布最為廣泛的富鐵海相化學(xué)沉積巖,是地質(zhì)演化和環(huán)境演變耦合作用的產(chǎn)物,因此,研究BIF也可為探討早期地球構(gòu)造和生命演化,尤其是古環(huán)境提供重要信息。
條帶狀鐵礦在我國(guó)華北克拉通分布極為廣泛,且規(guī)模巨大。我國(guó)BIF的研究最早可追溯至上世紀(jì)七十年代開(kāi)展的“富鐵礦會(huì)戰(zhàn)”項(xiàng)目,當(dāng)時(shí)取得的成果頗豐,對(duì)BIF的一些基本特征有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。然而,由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的導(dǎo)向,在20世紀(jì)90年代到新世紀(jì)初期將近二十年,我國(guó)BIF的成因研究嚴(yán)重滯后,而國(guó)外BIF的研究卻在該期間迎來(lái)了研究的熱潮,與國(guó)內(nèi)形成了鮮明的反差。雖然在2010年前后,我國(guó)相繼啟動(dòng)了多個(gè)涉及條帶狀鐵礦的重大科研項(xiàng)目,但之前造成的與國(guó)外研究整體滯后的鴻溝仍然存在。客觀來(lái)講,我國(guó)BIF的研究仍主要處于與國(guó)際“跟跑”的局面,部分方面正在從“跟跑”向“并跑”過(guò)渡,但總體上我國(guó)BIF研究關(guān)注度不夠,科研投入也較低。
近十年來(lái),中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所礦產(chǎn)資源研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王長(zhǎng)樂(lè)副研究員與張連昌研究員團(tuán)隊(duì),在翟明國(guó)院士等的指導(dǎo)和幫助以及科技部973項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持下,對(duì)華北BIF進(jìn)行了大量的野外調(diào)查與室內(nèi)分析,系統(tǒng)揭示并總結(jié)了BIF的特色成礦作用:(1)華北BIF大多形成于太古宙末期(2.6-2.5 Ga),而同時(shí)期國(guó)外BIF明顯缺乏,國(guó)外同期的地質(zhì)記錄以碳酸鹽巖和頁(yè)巖為主;(2)華北BIF及含礦巖系保持完整,較好記錄了BIF形成前后的地質(zhì)信號(hào),含鐵礦物以磁鐵礦為主,有利于選礦利用;(3)華北BIF經(jīng)歷的變質(zhì)程度多樣,存在低級(jí)變質(zhì)的BIF,完全能夠深化BIF成礦機(jī)制及其古環(huán)境示蹤等多方面的研究(圖1)。
圖1 華北克拉通BIF分布圖
在此基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)性選取了多個(gè)新太古代晚期的BIF進(jìn)行了研究,以期揭示其形成的氧化還原條件。在充分整理前人分析數(shù)據(jù)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)相同地方的樣品具有不相一致的結(jié)果,部分氧化還原敏感元素絕對(duì)含量可跨越多個(gè)數(shù)量級(jí),導(dǎo)致如此的原因諸多,如挑選樣品的不合理、樣品前處理過(guò)程中的污染以及樣品在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室分析過(guò)程中產(chǎn)生的差異等。為此,他們?cè)谝巴獠蓸雍褪覂?nèi)分析過(guò)程中嚴(yán)格挑選樣品,通過(guò)多種方式減少人為干擾和污染,運(yùn)用相同的方法來(lái)進(jìn)行地球化學(xué)分析,最終產(chǎn)生了一批高質(zhì)量可信賴的數(shù)據(jù)。在詳細(xì)判別成巖-變質(zhì)作用影響相關(guān)元素和同位素活動(dòng)性的基礎(chǔ)上,運(yùn)用可靠數(shù)據(jù)準(zhǔn)確約束了華北新太古代BIF形成的海水-大氣氧化還原狀態(tài),并深入探討了華北特色成礦作用對(duì)古環(huán)境的啟示意義,主要結(jié)論和認(rèn)識(shí)如下:
(1)華北新太古代BIF雖經(jīng)歷不同變質(zhì)程度,最高可達(dá)麻粒巖相,但稀土元素特征卻具有極大相似性,說(shuō)明BIF可記錄同時(shí)期海水的稀土元素組成,其中普遍缺乏的Ce異常指示BIF沉積自缺氧的海水環(huán)境(圖2),與BIF低的錳含量和錳-鐵比值一致。
圖2 華北BIF的Pr-Ce異常判別圖。A區(qū)域代表前人古元古代中-晚期(2.2-1.9 Ga)BIF數(shù)據(jù),B區(qū)域代表前人太古宙和古元古代早期(>2.46 Ga)BIF數(shù)據(jù)
(2)華北新太古代BIF常發(fā)育偏正的鐵同位素值(圖3),且與低的錳-鐵比值缺乏相關(guān)性,說(shuō)明該時(shí)期海水中的二價(jià)鐵離子經(jīng)歷了不同程度的氧化形成了三價(jià)鐵的原始沉積物,其中部分氧化程度指示BIF形成自低氧或缺氧的海水條件。結(jié)合鐵同位素?cái)U(kuò)散-轉(zhuǎn)移沉淀模型,認(rèn)為此時(shí)光合帶海水氧含量應(yīng)低于0.01μM/L(相當(dāng)于現(xiàn)今光合帶海水氧含量的0.001%),進(jìn)一步指示缺氧富鐵的海水環(huán)境,說(shuō)明鐵質(zhì)主要通過(guò)厭氧光合作用的鐵氧化方式發(fā)生氧化沉淀。
(3)華北新太古代BIF中氧化還原敏感元素(如Cr、U和As)含量較低(圖3),說(shuō)明大陸未經(jīng)歷或僅僅發(fā)生了較低程度的氧化風(fēng)化,指示BIF沉積時(shí)大氣氧含量偏低,與前人獲得的硫的非質(zhì)量分餾信號(hào)以及太古宙普遍出現(xiàn)的碎屑還原礦物(如瀝青鈾礦和黃鐵礦)一致。
圖3 太古宙-古元古代早期鐵建造Mn/Fe比值(a)、鐵同位素組成(b)、Cr/Ti比值(c)、自生U含量(d)和As/Ti比值(e)的演變趨勢(shì)?;疑砬叭藬?shù)據(jù),橙色代表該研究中華北BIF數(shù)據(jù)
總體而言,華北新太古代BIF應(yīng)形成于缺氧的海洋-大氣環(huán)境條件下,該結(jié)論對(duì)于理解大氧化事件(Great Oxidation Event, 2.5-2.2 Ga)之前的古環(huán)境格局有重要意義。當(dāng)前,國(guó)際上對(duì)于太古宙末期的古環(huán)境認(rèn)識(shí)主要來(lái)自西澳Pilbara和南非Kaapvaal克拉通的研究,其中不同的氧化指標(biāo)說(shuō)明太古宙末期淺海已經(jīng)開(kāi)始有氧,但大氣缺氧,大氣和海洋處于不平衡態(tài)。由于無(wú)法知曉其他地方的古環(huán)境信息,部分學(xué)者甚至認(rèn)為此時(shí)大面積海域淺水地區(qū)都應(yīng)該有氧。與國(guó)外不同的是,我們?nèi)A北同時(shí)期發(fā)育大規(guī)模的BIF成礦作用,說(shuō)明大氧化事件前夕海洋并非大范圍充氧,而仍然應(yīng)該是缺氧狀態(tài),更加廣泛的氧化海洋的出現(xiàn)應(yīng)該與大氧化事件發(fā)生的時(shí)間一致,與構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變和生物演變等過(guò)程有重要內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
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