辽宁北部抚顺地区铁矿形成的古环境限制：来自岩石学、地球化学和同位素分析的见解

《Precambrian Research》：Paleoenvironmental constraints of iron formation in the Fushun Area, northern Liaoning: insights from petrography, geochemistry, and isotope analysis

硅铁建造形成环境与变质作用关系研究。通过南芬硅铁建造的矿物学、地球化学及年代学分析，揭示其形成于还原弱酸古海洋环境，变质条件为815℃/1.05 GPa的granulite-facies环境，年龄分别为2533±6.8 Ma和2485±7.8 Ma，支持华北克拉通晚太古代构造体制模型。

　　

洪玉轩|梁晨月|郭红宇|弗朗茨·诺鲍尔|郑长青|徐涛

吉林大学地球科学学院，中国长春130061

摘要

铁矿层（IFs）是重建早期地球表面环境和地球化学演化的重要记录。作为具有经济价值的前寒武纪沉积岩，它们是重建早期地球构造环境和古环境条件的关键档案。本研究聚焦于辽宁省抚顺市碾盘（NP）地区的一种独特硅酸盐铁矿层，其矿物组合与典型的条带状铁矿层（BIFs）有所不同。通过整合岩石学、矿物化学、地球化学、地质年代学和同位素分析，我们重建了这种特定类型铁矿层的原岩成分和沉积环境。NP铁矿层主要由两种岩石类型组成：含磁铁矿的双辉石矿石和条带状铁硅酸盐石英岩，这两种岩石都表现出明显的成分条带结构。利用双辉石温度计和石榴石-正辉石压力计进行的热压计算表明，其峰值变质条件为石榴岩相（815°C/1.05 GPa）。锆石U-Pb测年结果显示沉积年龄为25.33±6.8 Ma，变质年龄为24.85±7.8 Ma。系统的地球化学和同位素分析表明，原岩沉积物主要来源于海水，其中只有少量的热液成分（<0.1%）。整个岩石中未出现负Ce异常，同时δ⁵⁶Fe含量显著升高，并且存在黄铁矿，这些特征共同表明沉积环境为还原性、弱酸性的海洋环境。我们的研究结果支持以下成因模型：（1）在缺氧条件下，铁质和硅质沉积物最初从海水中沉淀；（2）随后在太古宙晚期至古元古代期间经历了区域性的石榴岩相变质作用，最终形成了位于华北克拉通（NCC）抚顺地区的这种独特硅酸盐铁矿层。

引言

铁矿层（IFs）最初由James（1954年）系统定义，指含有≥15%铁且具有特征性薄层或层理的化学沉淀沉积岩，是前寒武纪地球表面过程的重要档案。Gross（1980年）提出了一种基于岩石学结构的分类方法，将铁矿层分为两种基本类型：（1）条带状铁矿层（BIFs），表现为交替的Fe-Si和Si富集层理，被认为是风暴波基部以下的深水沉积物（James, 1954; Gross, 1980; Simonson and Hassler, 1996; Trendall, 2002; Krape? et al., 2003）；（2）颗粒状铁矿层（GIFs），其特征是没有层理的当前结构碎屑，表明沉积环境为受波浪和洋流影响的浅海环境（Pufahl and Fralick, 2004; Konhauser et al., 2017）。这些纹理变化记录了太古宙至元古代海洋盆地中的基本古环境梯度。James（1954年）根据矿物组合将BIF沉积相分为氧化物相、硅酸盐相、碳酸盐相和硫化物相。虽然硫化物相与其他BIF相存在空间关联，但其组成黄铁矿的成因（同源还是后成）仍存在学术争议（Groves et al., 1987）。这些研究者认为氧化还原电位是主要控制因素，特别是对于硫化物相、碳酸盐相和氧化物相（Groves et al., 1987等）。氧化物相的主要铁矿物是磁铁矿和赤铁矿，而碳酸盐相主要含有菱铁矿。前者显然在强氧化条件下沉淀，很可能发生在浅海近岸环境；后者则形成于氧化还原条件过渡时期，此时溶解氧浓度足以降解有机物，但不足以稳定三价铁物种（James, 1954）。

铁矿层的全球分布显示，在地球历史的关键转折时期（如大氧化事件（GOE；Bekker et al., 2004, Bekker and Kaufman, 2007）、全球冰川作用（Hoffman et al., 1998, Klein, 2005）、大型火成岩省（LIPs；Isley and Abbott, 1999, Bekker et al., 2010）以及地壳快速增长时期（Rasmussen et al., 2012）存在显著的时间聚集现象。这种时间关联使铁矿层成为大气-水圈-地质动力学演化的敏感档案（Rasmussen et al., 2012）。然而，当前的研究主要集中在氧化物相的BIFs上，对于其他矿物组合的理解仍存在很大空白。

位于华北克拉通（NCC）北部边缘的清源地块保存了保存极为完好的硅酸盐铁矿层（例如小莱河BIF、太阳沟BIF、下店子BIF），其特征是辉石-角闪石组合和较高的黄铁矿含量（Peng et al., 2018）。这些单元在新太古宙晚期地壳重构造过程中经历了高级变质作用（角闪岩相至石榴岩相）（Wu et al., 2016, Li and Wei, 2017）。然而，其构造背景存在三种主要模型之争：（1）地幔柱模型（Zhai et al., 1985, Wu et al., 2013），（2）洋壳俯冲（Wang et al., 2016, Yuan et al., 2020），以及（3）太古宙特有的垂直/俯冲构造机制（Wu and Wei, 2021, Zhuang et al., 2025）。

本研究调查了抚顺地区的NP硅酸盐铁矿层，这是清源地块中一个岩石学特征明显但地质信息有限的单元。通过整合岩石学、地球化学（主要和微量元素、Fe-Si同位素）、地质年代学（锆石U-Pb）和热压分析，我们系统分析了其形成年龄、物质来源、沉积环境和构造背景，为硅酸盐铁矿层的成因及华北克拉通晚太古宙的构造机制提供了新的见解。

地质背景

清源地块位于华北克拉通（NCC）的北部边缘（图1a），覆盖了辽宁省东北部和吉林省南部。这个太古宙-古元古代基底主要由TTG片麻岩和上地壳岩石组成（图1b）。后者包括变质的超镁铁质-长英质火山岩和沉积岩，达到角闪岩相甚至局部石榴岩相（Zhai et al., 1984, 1985, Yu, 2006, Zhang et al., 2012, Peng et al., 2015）。

岩石学特征

NP铁矿层以不连续透镜体（0.2–3米）的形式出现在长英质片麻岩中（图3），显示出典型的Fe-Si条带结构。详细的岩石学分析确定了两种主要的岩石类型，它们通过矿物组合和条带特征进行区分：含磁铁矿的双辉石矿石（样品NP-2–16, 24NP-2–1）和条带状铁硅酸盐石英岩（样品NP-3–2）。

分析方法

基于对NP地区的野外地质调查，从铁矿层及其相关岩石中采集了代表性样品。样品清洗并磨制成薄片后，选择新鲜样品进行全岩地球化学分析和锆石分离。

矿物化学

对代表性样品（NP-2–15, NP-3–2, NP-3–3）中的关键硅酸盐矿物（石榴石、斜长石、钾长石、辉石、角闪石）进行了电子探针微分析（EPMA），以量化其化学成分并确定变质条件，详细结果见补充表S1–S4。

原岩重建

NP铁矿层的地球化学证据揭示了其复杂的原岩成分，包括陆地来源和热液贡献。尽管先前的分析证实了陆地物质的存在，但其铁贡献似乎有限。所有样品中一致的Eu异常值（Eu/Eu* = 1.63–2.55，以后太古宙澳大利亚页岩为标准；McLennan et al., 1989）强烈表明铁矿层形成过程中有大量的热液流体参与。然而

结论

基于对抚顺地区NP铁矿层的岩石学观察、矿物和全岩地球化学、锆石U-Pb地质年代学及同位素分析，得出以下结论：

（1）石榴石和铁辉石/铁榴石的存在表明NP铁矿层富含铁；铁硅钙石/铁榴石和钙质角闪石的存在表明原始成分中含有钙；黑云母和钾长石证实了原始成分中钾的含量较高。

（2）石榴岩相组合

CRediT作者贡献声明

洪玉轩：撰写——初稿、方法学、研究。梁晨月：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、研究。郭红宇：方法学、研究、概念化。弗朗茨·诺鲍尔：监督、概念化。郑长青：监督、正式分析、概念化。徐涛：方法学、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42172213和42372255）的资助。特别感谢吉林大学外语教育学院的郑琪对本文的语言审校，她的审校显著提高了论文的质量。我们还要向匿名审稿人表示衷心的感谢，他们的建设性评论极大地提升了论文的质量。同时，我们也非常感谢编辑团队的工作。