北京密云地區(qū)沙廠組條帶狀磁鐵石英巖SHRIMP鋯石U—Pb年齡及其地質(zhì)意義

史志強　石玉若

摘 要：通過對北京密云地區(qū)沙廠鐵礦條帶狀磁鐵石英巖進行SHRIMP鋯石U-Pb定年研究，主要獲得兩組鋯石U-Pb年齡，分別為（1 806±13）、（2 464±18）Ma。結(jié)合其巖相學、陰極發(fā)光圖像分析，這些鋯石為變質(zhì)成因鋯石，因此，這兩組年齡應(yīng)代表條帶狀磁鐵石英巖的兩期變質(zhì)作用時代，這與前人認為的華北克拉通東部陸塊前寒武紀兩期變質(zhì)事件時間（約2.44 Ga和約1.82 Ga）相吻合。另外，在條帶狀磁鐵石英巖中還發(fā)現(xiàn)了一顆年齡為（2 517±12）Ma的渾圓狀鋯石，代表了該磁鐵石英巖中碎屑鋯石的年齡，從而間接限定了該區(qū)條帶狀鐵建造的形成時代為（2 464±18）～（2 517±12）Ma。結(jié)合前人研究資料，其可能形成于新太古代晚期。這些成果為該區(qū)乃至整個華北地區(qū)前寒武紀BIF型鐵礦以及晚太古代至古元古代的構(gòu)造演化提供了進一步詳實的年代學資料。

關(guān)鍵詞：條帶狀鐵建造；U-Pb年齡；鋯石；前寒武紀；變質(zhì)事件；形成時代；華北克拉通

中圖分類號：P597 文獻標志碼：A

Abstract： SHRIMP zircon U-Pb ages for the banded magnetite quartzite from Shachang iron deposit in Miyun area of Beijing were reported. Zircon U-Pb ages of the magnetite quartzite are （1 806±13）Ma and （2 464±18）Ma， respectively. Based on the CL images of zircons， together with the petrography of rocks， the ages should represent two stages of metamorphism of the banded magnetic quartzite， which are similar with the time of two large-scale metamorphic events （namely ～2.44 Ga and ～1.82 Ga） in the eastern block of North China Craton. Fortunately， a round zircon with the age of （2 517±12）Ma is found， representing the age of detrital zircon from the magnetite quartzite. It also indirectly constrains that the banded iron formation is formed at （2 464±18）-（2 517±12）Ma， most likely at the end of Neoarchean by combining previous data. The results also provide further detailed information for the study of Late Archean-Paleoproterozoic tectonic evolution and Precambrian BIF-type iron deposits in North China.

Key words： banded iron formation； U-Pb age； zircon； Precambrian； metamorphic event； formation age； North China Craton

0 引 言

條帶狀鐵建造（BIF）是指全鐵含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）大于15%，主要由互層的硅質(zhì)條帶和鐵質(zhì)條帶組成的早前寒武紀特有的海相化學沉積巖 [1]。當條帶狀鐵建造中的全鐵含量達到工業(yè)品位時，即成為BIF型鐵礦。國際上前寒武紀BIF型鐵礦主要分布在俄羅斯、澳大利亞、巴西、加拿大、非洲、印度和美國等地，中國BIF型鐵礦則主要分布在華北克拉通，包括遼寧北部、西部和鞍山—本溪，冀東，北京密云，內(nèi)蒙古固陽、大青山，山西五臺、呂梁，河南登封，安徽霍邱，魯西和膠東等地，以遼寧鞍山—本溪和冀東地區(qū)BIF型鐵礦分布規(guī)模最大。世界上BIF型鐵礦形成時代主要為新太古代，大約80%的BIF型鐵礦資源在這個時期形成[2-5]。其特點是礦床規(guī)模較大，類型單一。中國BIF型鐵礦主要是與晚太古代海相火山作用關(guān)系密切的阿爾戈馬型[6]。

條帶狀鐵建造構(gòu)成了鐵礦的重要組成部分，其探明儲量占全球鐵礦產(chǎn)量的90%，占富鐵礦儲量的60%～70%[7]。作為世界上廣泛分布的一種早前寒武紀特殊沉積巖[8-10]，條帶狀鐵建造的形成時代始于3.8 Ga左右，結(jié)束于16 Ga，并以2.7～2.8、2.4～2.5、1.8～1.9 Ga為3個成礦高峰期[6]。條帶狀鐵建造已經(jīng)逐漸成為反演地球早期構(gòu)造（地幔柱與早期板塊構(gòu)造）演化的重要載體[11-12]。盡管條帶狀鐵建造經(jīng)歷了復雜的變形變質(zhì)作用，但是其地球化學體系組構(gòu)特征卻存在不同程度的穩(wěn)定性而或多或少地記錄并保留了原始及后期改造的信息。隨著研究的深入，磁鐵石英巖的微區(qū)特征及其對形成過程的指示日益得到重視，在揭示條帶狀鐵建造形成演化方面表現(xiàn)出了巨大潛力[13]。

北京密云地區(qū)是華北克拉通北緣太古宙變質(zhì)巖廣泛出露的地區(qū)之一。該地區(qū)太古界變質(zhì)巖系以其豐富的BIF型鐵礦資源和變質(zhì)作用特征曾引起學者的關(guān)注。前人集中在20世紀八九十年代對該區(qū)鐵礦做過大量的研究，但資料較老，尤其是高精度的年代學工作開展得較少。近年來的研究結(jié)果表明，北京密云地區(qū)所在的華北克拉通東部陸塊在太古代陸殼增生過程中發(fā)生了一系列的巖漿活動，隨后在新太古代到古元古代時期經(jīng)歷了3期變質(zhì)作用。第一期變質(zhì)作用大致在2.50 Ga左右；第二期變質(zhì)作用發(fā)生在約2.44 Ga；第三期變質(zhì)作用發(fā)生在約182 Ga[14]。結(jié)合前人研究成果，推測該區(qū)沉積變質(zhì)鐵礦的形成也應(yīng)受到相應(yīng)巖漿活動與變質(zhì)作用的影響。針對這一問題，本文采集北京密云地區(qū)沙廠鐵礦的磁鐵石英巖進行SHRIMP鋯石U-Pb定年，從而限定了BIF型鐵礦的形成和變質(zhì)時代，并對其形成演化歷史及地質(zhì)構(gòu)造背景進行了討論。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

華北克拉通位于歐亞大陸東部，地理位置為東經(jīng)100°～130°、北緯32°～42°，總面積約為10×106 km2，北鄰中亞造山帶（興蒙造山帶），南接祁連—秦嶺—大別造山帶，東至朝鮮半島，包括了整個華北地區(qū)和東北地區(qū)南部（圖1），是中國面積最大、時代最古老的陸塊。華北克拉通自初始陸核形成以來，經(jīng)歷了復雜的殼-幔作用和陸殼增生過程，記錄了前寒武紀漫長而復雜的地質(zhì)演化歷史[15]。作為中國最大、最古老的克拉通，華北克拉通基底主要由25～38 Ga的TTG片麻巖、綠片巖相-麻粒巖相火山沉積巖組成[18-21]，其上則覆蓋著中元古代長城系—薊縣系至中新生代蓋層。

北京密云地區(qū)位于華北克拉通東北部燕山臺褶帶密懷隆起的東部，在古太古代到古中元古代經(jīng)歷了復雜的構(gòu)造變質(zhì)事件，并在此過程中形成了大量從角閃巖相到麻粒巖相的不同變質(zhì)程度的變質(zhì)巖，受到地質(zhì)學家的長期關(guān)注。根據(jù)本區(qū)太古宙變質(zhì)區(qū)的巖石特點，巖石地層單元可劃分為非層狀巖系和表殼巖系兩大類。非層狀巖系主要為TTG雜巖，表殼巖系為變質(zhì)的火山-沉積巖系，條帶狀鐵建造屬于表殼巖系的組成部分。北京密云地區(qū)變質(zhì)鐵礦床集中產(chǎn)于密云群沙廠組、大槽組及四合堂群山神廟組，在四合堂群陽坡地組和西灣子組中亦有小型礦床（點）（圖1）。本區(qū)已發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)鐵礦床（點）共64處，已探明的鐵礦床有40處（其中大型礦床2處，中型21處），該類型鐵礦石儲量占北京鐵礦總儲量的96%以上[22]。

沙廠組分布在北京密云水庫以南，由一套輝石質(zhì)麻粒巖相變質(zhì)巖石組合組成。主要巖石類型為二輝石麻粒巖、黑云角閃輝石斜長片麻巖、黑云輝石變粒巖（呈韻律式互層），夾淺粒巖、斜長輝石巖、斜長角閃巖、磁鐵石英巖、角閃二輝石巖透鏡體等。變質(zhì)相屬于麻粒巖相，不排除局部為高角閃巖相。該組地層總厚度大于1 216 m[17]。

關(guān)于沙廠組的時代，金文山等在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素室用單顆粒鋯石U-Pb同位素稀釋法測得5個深變質(zhì)巖樣品的年齡為（2 362±31）～（2 553±74）Ma，考慮到古老鋯石中Pb有所丟失，年齡值偏低，因此，推斷其中（2 553±74）Ma為最接近實際表殼巖系遭受麻粒巖相變質(zhì)作用的年齡[17]；另外，測得該區(qū)12個表殼巖樣品Sm-Nd模式年齡為2 41500～4 049.48 Ma，表明該區(qū)可能還有古太古代源巖的存在。賀高品等測得由5個變質(zhì)基性侵入巖樣品組成的一條Sm-Nd等時線年齡為（2 825±189）Ma，5個樣品的Sm-Nd模式年齡為2 183.58～2 686.21 Ma[23]。

1.2 礦床地質(zhì)特征

沙廠鐵礦為華北克拉通典型的BIF型鐵礦，位于北京密云水庫南部。礦床區(qū)域所處位置在郝家莊復式背斜的東翼，其中發(fā)育有鐵山頭向斜、鐵西背斜、四礦帶向斜等次一級褶皺構(gòu)造（圖2）。鐵山頭向斜構(gòu)造是褶皺構(gòu)造的主要組成部分，向斜軸向為SN—NNE向（北段為NNE向，南段為SN向）；向斜兩翼由Ⅱ、Ⅲ礦帶組成，兩翼鐵礦層向北匯合于鐵山頭，向南逐漸展開，平面上呈倒“V”形（圖2）；向斜轉(zhuǎn)折端清晰，礦體厚度普遍加大（地表厚93 m，深部變厚至115 m）；向斜樞紐向南傾伏，傾伏角為20°～33°，軸面向西傾，傾角為80°～83°[22]。

沙廠鐵礦規(guī)模較大，1970年投產(chǎn)后年處理礦石150×104 t[22]。鐵礦礦體主要產(chǎn)出于沙廠組表殼巖系之中，沙廠組二段為主要含鐵層位，是一套麻粒巖相巖石組合。主要變質(zhì)巖石有二輝麻粒巖、透輝斜長片麻巖、石榴二輝斜長片麻巖、（石榴）輝石角閃斜長片麻巖、云輝斜長片麻巖等。礦體多呈似層狀、透鏡狀、扁豆狀，空間上成群成帶分布，自東至西構(gòu)成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦帶。受區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造的控制，各礦帶在平面上呈“W”形排列，表現(xiàn)出不封閉的連續(xù)褶皺構(gòu)造形態(tài)；其產(chǎn)狀與褶皺一致，以Ⅱ、Ⅲ礦帶及其組成的鐵山頭向斜規(guī)模及工業(yè)價值最大。

沙廠鐵礦礦石成分以磁鐵礦及石英為主，其次為透輝石、普通輝石、角閃石、石榴石、黑云母等，含少量斜長石、赤鐵礦、磁赤鐵礦、黃鐵礦等。礦石多具粒狀鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)，呈條帶狀、片麻狀、塊狀構(gòu)造。副礦物主要有鋯石及磷灰石等。鐵礦石品位較好（TFe含量為26%～32%），礦石類型以輝石磁鐵石英巖（包括磁鐵石英巖及角閃磁鐵石英巖）為主，其次為磁鐵片麻巖。主要圍巖組合為黑云輝石變粒巖-斜長片麻巖+輝石斜長片麻巖+麻粒巖+斜長輝石巖+斜長角閃巖。

2 樣品特征

用于挑選鋯石的樣品編號為MY01（40°22′273″N，117°00′40.2″E），采自北京密云地區(qū)沙廠鐵礦Ⅳ礦帶（圖2），根據(jù)其礦物組分含量可命名為透閃石化磁鐵石英巖。該磁鐵石英巖是沙廠鐵礦的主要礦石類型。其圍巖主要為片麻巖，樣品新鮮，沒有遭受分化，具中粗粒變晶結(jié)構(gòu)、條帶狀構(gòu)造[圖3（a）、（b）]，主要由石英（體積分數(shù)約55%）、磁鐵礦（約30%）和透閃石類礦物（15%）組成[圖3（c）]；副礦物為鋯石和磷灰石，主要賦存于石英內(nèi)部[圖3（d）]。樣品中磁鐵礦主要有細粒和粗粒兩種：細粒磁鐵礦多為分散狀單顆粒定向分布，量較少，多分布于石英條帶中；粗粒磁鐵礦為細粒重結(jié)晶產(chǎn)物，大多呈集合體條狀，平行分布，其中含有閃石類礦物。透閃石可能是紫蘇輝石退變的產(chǎn)物，其內(nèi)部有細粒灰色礦物集合體，有的內(nèi)部可見少量細粒粉末狀磁鐵礦，局部似乎保留有原礦物平行解理紋或雙晶紋。

3 分析方法

將約20 kg的樣品人工粉碎后，采用重選及電磁選分離出鋯石。將待測鋯石與數(shù)粒鋯石標樣TEM 置于環(huán)氧樹脂制成的樣品靶上，將靶上的鋯石磨去一半露出內(nèi)部，用于透射光、反射光和陰極發(fā)光照相測量及SHRIMP鋯石U-Pb定年，接著進行拋光、清洗、鍍金等操作。

SHRIMP鋯石U-Pb定年在中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所北京離子探針中心的 SHRIMP Ⅱ上完成。一次流強度為 4.5 nA，離子束斑直徑為25～30 μm。應(yīng)用標準鋯石 TEM（年齡為417 Ma）進行年齡校正。數(shù)據(jù)處理及U-Pb諧和曲線繪制采用Squid及ISOPLOT程序完成。普通鉛根據(jù)實測的204Pb 進行校正，單個數(shù)據(jù)點誤差類型為1σ，加權(quán)平均年齡誤差類型為2σ。樣品測試過程中選擇無包裹體、無裂紋的鋯石。

4 結(jié)果分析

鋯石陰極發(fā)光（CL）圖像在中國地質(zhì)科學院北京離子探針中心實驗室完成。圖4為樣品中鋯石陰極發(fā)光圖像。巖石樣品中的SHRIMP鋯石U-Pb定年結(jié)果列于表1。

樣品MY01中大多數(shù)鋯石呈不規(guī)則粒狀，自形程度較低，無內(nèi)部結(jié)構(gòu)。陰極發(fā)光圖像有亮白和暗灰兩種，粒徑較小，一般為50～150 μm（圖4），顆粒無震蕩韻律環(huán)帶；有些顆粒還具有清晰的核邊結(jié)構(gòu)，部分鋯石表面有溶蝕現(xiàn)象，說明鋯石受到強烈變質(zhì)作用改造，應(yīng)屬于變質(zhì)成因鋯石（如分析點21、131等）。對MY01樣品18顆鋯石中的23個分析點[圖5（a）、（b）]進行分析，數(shù)據(jù)點構(gòu)成的不一致線上交點年齡為（2 426±43）Ma，下交點年齡為（1 858±66）Ma（平均標準權(quán)重偏差（MSWD）為2.5）。其中6個靠近諧和曲線的數(shù)據(jù)點給出U-Pb年齡為（1 806±13）Ma，MSWD值為1.4 [圖5（c）、（d）]，另外7個靠近諧和曲線的數(shù)據(jù)點給出U-Pb年齡為（2 464±18）Ma，MSWD值為2.0 [圖5（e）、（f）]。這兩組年齡均代表了該磁鐵石英巖的兩次變質(zhì)時代，也就是該區(qū)條帶狀鐵建造遭受后期變質(zhì)作用的年齡。其中一顆鋯石（圖4中分析點11.1）的年齡較老（（2 517±12）Ma），磨圓較好，可知其經(jīng)歷了較長距離的搬運作用，可能代表該磁鐵石英巖所含碎屑鋯石的時代。另外，從年齡頻數(shù)圖可看出，該磁鐵石英巖中還存在一期峰值約為2 325 Ma的年齡記錄[圖5（b）]，可能是由于鉛丟失造成年齡偏低，其變質(zhì)作用時間比較復雜，具體原因還有待進一步研究。

5 討 論

考察華北克拉通從中太古代到古元古代的構(gòu)造演化歷史，前人研究認為太古代晚期是華北克拉通巖漿活動的重要時期[24-25]，是華北克拉通陸殼增生的高峰期，在此期間華北克拉通發(fā)生了強烈的構(gòu)造熱事件。此后，在太古代晚期到元古代早期，華北克拉通又伴隨有一系列的變質(zhì)變形作用，而北京密云地區(qū)所處的東部陸塊變質(zhì)作用分別在2 500、2 440、1 820 Ma等3個階段達到峰值[14]。張連昌等研究表明，在3.0 Ga前后已有條帶狀鐵建造生成，2.7 Ga和25～26 Ga是主要集中期，特別是在255 Ga前后最為發(fā)育，即在25 Ga之前發(fā)生條帶狀鐵建造的沉積，隨后在古元古代早期（245～250 Ga）發(fā)生了高級變質(zhì)、花崗巖侵入以及基性巖墻群侵入等多期構(gòu)造和巖漿作用的改造[6，26]。

表2列出了一些關(guān)于華北克拉通前寒武紀條帶狀硅鐵建造形成和變質(zhì)年齡的研究成果。由表2可以看出，華北克拉通條帶狀鐵建造的形成時代普遍集中于太古代晚期，而隨后在早元古代又普遍發(fā)生了兩次大的區(qū)域變質(zhì)作用。李厚民等對遼寧弓長嶺鐵礦圍巖中含石榴石蝕變巖進行SHRIMP鋯石U-Pb定年，獲得的上交點年齡為（1 850±16）Ma，10個分析點的加權(quán)平均年齡為（1 840±7）Ma，可能代表了條帶狀鐵建造的變質(zhì)年齡[27]；Li等對冀東遷西組條帶狀鐵建造相關(guān)巖系進行SHRIMP鋯石U-Pb定年，得出其沉積時代為2 520 Ma，變質(zhì)年齡為2 485～2 511 Ma[28]；另外，金文山等在沙廠鐵礦區(qū)及其附近圍巖中提取的斜長二輝麻粒巖和細粒黑云二長巖的年齡分別為2 478、2 460 Ma[17]。

通過對選自北京密云地區(qū)沙廠鐵礦的磁鐵石英巖進行SHRIMP鋯石U-Pb定年研究，結(jié)果顯示其主要存在兩期變質(zhì)鋯石年齡記錄，分別為（1 806±13）、（2 464±18）Ma。結(jié)合其野外勘查情況及樣品的巖相學和鋯石陰極發(fā)光圖像，這兩組年齡即分別代表了該區(qū)條帶狀鐵建造的變質(zhì)年齡。這兩組變質(zhì)年齡基本上與華北克拉通東部陸塊古元古代時期的兩次變質(zhì)事件時間（約2.44 Ga和約1.82 Ga）[14]相一致。由此可見，該區(qū)條帶狀鐵建造的變質(zhì)作用與整個華北克拉通東部陸塊在古元古代發(fā)生的兩次大的變質(zhì)事件有密切關(guān)系。

關(guān)于條帶狀鐵建造的形成時代，由于其屬于化學沉積成因，在形成后期普遍遭受了角閃巖相至麻粒巖相的變質(zhì)作用，很多同位素封閉體系被破壞，能夠準確記錄硅鐵建造形成年齡的對象以及對其進行同位素定年的方法都很少。很多硅鐵建造的形成時代是根據(jù)巖漿巖的年代格架及硅鐵建造與地層的地質(zhì)關(guān)系推斷出來的[43]。本次采自北京密云地區(qū)沙廠鐵礦的條帶狀磁鐵石英巖中發(fā)現(xiàn)了一顆年齡為（2 517±12）Ma的渾圓狀鋯石，推測其搬運距離較長，可能代表了該磁鐵石英巖中碎屑鋯石的年齡，從而限定了該區(qū)條帶狀鐵建造的形成時代為（2 464±18）～（2 517±12）Ma。結(jié)合華北克拉通其他地區(qū)條帶狀鐵建造的形成時代，推測其可能形成于新太古代晚期。

6 結(jié) 語

（1）北京密云地區(qū)沙廠組條帶狀磁鐵石英巖的SHRIMP鋯石U-Pb年齡分別為（1 806±13）、（2 464±18）Ma，與華北克拉通東部陸塊兩次大的變質(zhì)事件時間（約244 Ga和約182 Ga）相吻合，均代表了該區(qū)條帶狀鐵建造的變質(zhì)時代，表明該區(qū)BIF型鐵礦與該區(qū)廣泛出露的太古代片麻巖一同遭受了后期兩次變質(zhì)作用的改造。

（2）該條帶狀磁鐵石英巖中的一顆年齡為（2 517±12）Ma的碎屑鋯石也進一步限定了該區(qū)條帶狀鐵建造的形成時代為（2 464±18）～（2 517±12）Ma。結(jié)合前人研究資料，其可能形成于新太古代晚期。

（3）研究成果為該區(qū)乃至整個華北地區(qū)早期構(gòu)造演化提供了進一步的詳實資料，同時對于進一步開展中國BIF型鐵礦資源研究也有重要意義。

中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所李琳琳，中國地質(zhì)大學（北京）侯晨陽、丁靜幫助進行野外樣品的采集，中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所伍家善研究員幫助進行巖相學分析，中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所北京離子探針中心在樣品制備和分析過程中給予了幫助，在此一并表示感謝。

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