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    北京十三陵地區(qū)青白口系長龍山組含鐵建造的發(fā)育特征及成因*

    2020-06-07 01:34:46王柏寒孫祖宇梅嘯寒原成帥
    古地理學報 2020年3期
    關(guān)鍵詞:含鐵鐵質(zhì)龍山

    張 琴 王柏寒 周 琛 孫祖宇 梅嘯寒 原成帥 王 凱

    1 中國石油大學(北京)地球科學學院,北京 102249 2 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249 3 中國石化江漢油田分公司江漢采油廠,湖北潛江 433123 4 中國地質(zhì)大學(北京)能源學院,北京 100083 5 中國地質(zhì)大學(北京)科學研究院,北京 100083

    北京十三陵地區(qū)新元古界青白口系長龍山組發(fā)育一系列與海綠石砂巖伴生的前寒武紀含鐵建造。該含鐵建造(Iron Formation或Iron-bearing Formation)是指形成于前寒武紀的沉積或變質(zhì)鐵礦(Gross,1980;李碧樂等,2007),因其成分主要由硅質(zhì)(碧玉、燧石、石英)和鐵質(zhì)(磁鐵礦、赤鐵礦)薄層組成而得名,其化學組成主要為鐵氧化物(Fe3O4和/或Fe2O3)和SiO2,礦物組成主要為磁鐵礦(Fe3O4)和/或赤鐵礦(Fe2O3)及石英,鐵氧化物與石英礦物常共生出現(xiàn)(Trendall,2002;Bekkeretal., 2010;代堰锫等,2012;姚仲友等,2012;劉利等,2014)。前人研究普遍認為: 含鐵建造在整個前寒武紀的地質(zhì)記錄中分布廣泛;前寒武紀普遍為缺氧環(huán)境,而赤鐵礦的形成需要氧化環(huán)境;含鐵建造的產(chǎn)出自3.8Ga開始,主要集中于2.8~1.8Ga的大氧化事件之后,在0.8Ga左右因雪球事件而少量出現(xiàn)(Gross,1980;李碧樂等,2007;Bekker,2010;梁瑞等,2013;劉利等,2014)。含鐵建造在全球分布非常廣泛,含鐵建造的類型、分布時代、鐵質(zhì)來源、成因及成礦機理一直備受關(guān)注(Lepp and Goldich,1964;Trendall,2002;Bekkeretal., 2010;姚仲友等,2012;劉利等,2014)。

    前人對燕山地區(qū)元古界做了大量的研究,主要集中在年代地層和層序地層劃分(溫獻德,1997;鮑亦剛等,2001;高林志等,2007,2008,2010;李懷坤等,2010;胡國輝等,2013)、石油地質(zhì)特征(張長根和熊繼輝,1979;王鐵冠,1980;王杰和陳踐發(fā),2001;孫省利等,2003;付順等,2011;劉清俊等,2014)、古地理環(huán)境(宋天銳,2007;王立峰等,2000;陳小軍等,2011;鐘焱等,2011;徐述騰,2015;郭芪恒等,2019)等方面。對華北地臺含鐵建造進行的研究認為,古元古代是中國一次非常重要的成礦期,含鐵建造在華北地臺廣泛分布(沈保豐等,2010);華北克拉通中時代最古老的含鐵建造形成于始太古代,最年輕的含鐵建造形成于古元古代早期(張連昌等,2012)。前人也對華北地臺中元古界鐵嶺組黃鐵礦(梅朝佳,2018)和串嶺溝組砂脈中自生黃鐵礦(湯冬杰等,2009)進行過初步研究,但對華北地區(qū)新元古界出露的含鐵建造目前還沒有報道,對于青白口系含鐵建造的分布特征、發(fā)育類型和巖石學特征并不明確,對新元古代含鐵建造的形成條件、發(fā)育機理及其成因模式也亟待解決。

    表 1 北京十三陵地區(qū)青白口系地層劃分及巖性特征(據(jù)朱士興等,2012,有修改)Table 1 Stratigraphic subdivision and lithological characteristics of the Qingbaikou System in the Ming Tombs area,Beijing(modified from Zhu et al., 2012)

    因此,筆者通過野外地質(zhì)考察、普通薄片鑒定、X衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、電子探針等手段,開展長龍山組含鐵建造的分布特征、物質(zhì)組成和形態(tài)特征等研究,明確含鐵建造的發(fā)育類型和巖石學特征,并進一步通過微量元素和化學成分的對比,深入分析長龍山組鐵質(zhì)的來源,探討含鐵建造的成礦條件和成因機制,建立不同類型含鐵建造的發(fā)育模式。該成果有助于豐富新元古代含鐵建造的成因機理,為預測華北地區(qū)新元古界青白口系含鐵建造的成礦規(guī)律和找礦提供地質(zhì)基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

    1 地質(zhì)背景

    北京十三陵地區(qū)隸屬于華北地臺燕山地區(qū)的京西坳陷,發(fā)育巨厚的古元古界長城系(1800—1600Ma,Pt1)、中元古界薊縣系(1600—1400Ma,Pt2)和新元古界青白口系(1000—800Ma,Pt3),上覆古生界和中生界的沉積蓋層(郭芪恒等,2019)。燕山地區(qū)是中國新元古界青白口系出露最好、層序較為完整的區(qū)域(周洪瑞等,2006),按照傳統(tǒng)的地層劃分,青白口系自下而上劃分為下馬嶺組、長龍山組和景兒峪組(陳秉麟,1981;喬秀夫和高林志,1999;陳小軍等,2011;朱士興等,2012)。近年來前人對燕山地區(qū)原青白口系下部下馬嶺組的年齡和層位歸屬問題提出了質(zhì)疑,其中最主要的是高林志等(2007,2008,2010)對北京西山下馬嶺組上部火山凝灰?guī)r進行了鋯石測年,得到凝灰?guī)r層的年齡為1368±12Ma,而青白口系時限為1000—800Ma,據(jù)此提出下馬嶺組應該歸屬于比青白口系更早的中元古界。目前,大多數(shù)學者將下馬嶺組定為待建系(高林志等,2007,2008,2010;喬秀夫等,2007;李懷坤等,2010;朱士興等,2012;翟明國等,2014;范文博,2015)。

    本次研究的北京十三陵龍山剖面下馬嶺組、長龍山組和景兒峪組地層出露較完整(表 1),地層序列和巖石特征在華北板塊具有代表性,并可與華北其他地區(qū)的剖面作對比(朱士興等,2012)。下馬嶺組以深灰色含鐵質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖及碳質(zhì)泥巖為主,厚度介于燕山西段和薊縣剖面之間,達318m。長龍山組發(fā)育一套含礫砂巖、砂巖和泥頁巖互層序列,下部砂巖較多,夾多套鐵質(zhì)條帶或斑塊,中部海綠石砂巖增多,上部以發(fā)育大套灰綠色頁巖和紫紅色頁巖薄互層為特征,厚119m。景兒峪組下部為一套灰綠色夾紫灰色的薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r或灰質(zhì)泥巖,大多發(fā)生變質(zhì)而板巖化,上部發(fā)育白云質(zhì)條帶灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶,厚94m(朱士興等,2012)(表 1)。之后,華北地塊與相鄰地體之間的碰撞導致下馬嶺組的抬升(或蔚縣抬升)以及碰撞花崗巖的形成。新元古代沉積是Rodinia超級大陸裂解的結(jié)果,長龍山組石英砂巖和海綠石砂巖是Rodinia超級大陸裂解后的最早期沉積,記錄了海侵初期的超覆過程(潘建國等,2013)。

    圖 1 北京十三陵地區(qū)龍山剖面位置(據(jù)張巧大,2002,有修改)Fig.1 Location of the Longshan section in the Ming Tombs area,Beijing(modified from Zhang,2002)

    2 樣品采集及測試

    為了探討含鐵建造的發(fā)育類型、鐵質(zhì)來源和成礦機理,本次研究的露頭剖面位于京西地區(qū)十三陵龍山(N40°15′03″、E116°14′14″,圖 1)。共選取長龍山組一段和下馬嶺組改造較弱的新鮮樣品38塊(取樣位置見圖 2)進行多項分析化驗和顯微鏡下鑒定,具體包括普通薄片分析樣品38塊、掃描電鏡觀察樣品6塊、電子探針鑒定分析樣品6塊、X衍射礦物含量分析樣品10塊及微量元素(REE+Y)分析樣品7塊。

    樣品的宏觀特征主要依據(jù)野外露頭和樣品的拋光面觀察,顯微組構(gòu)特征使用偏光顯微鏡進行觀察,超微組構(gòu)的表征通過Quanta200F場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡(ESEM)進行觀察。ESEM觀測的加速電壓為30 kV,工作距離為15mm。形態(tài)特征分析使用電子探頭(SE)成像技術(shù),成分差異通過背散射探頭(SSD)進行表征。為增強導電性,樣品在掃描觀測前使用離子濺射儀噴鍍了厚約10nm的Au薄層。

    原位微區(qū)成分定量分析通過與ESEM相連的EDAX Genesis 2000 X-射線能譜儀(EDS)完成。EDS分析的加速電壓為20 kV,工作距離為15mm,探針電流200 nA,束斑直徑約為1μm。成分校準采用天然礦物標樣(MINM25-53)對比。同點重復測量獲得的分析誤差小于1%。

    電子探針、XRD和REE+Y測試樣品均是利用微鉆取自巖石光面。電子探針測點主要選擇于含鐵建造條帶中,使用JEOL JXA-8100型電子探針顯微分析儀在北京科技大學進行。用于XRD分析的含鐵建造樣品先經(jīng)過瑪瑙研缽研磨至200目以下,后使用D2 PHASER型X射線衍射儀在中國石油大學(北京)測試。REE+Y分析使用PE300Q型ICP-MS儀在中國地質(zhì)科學院實施,測試精度優(yōu)于10%。

    圖 2 北京十三陵地區(qū)長龍山組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column of the Changlongshan Formation in the Ming Tombs area,Beijing

    3 結(jié)果分析

    3.1 長龍山組沉積序列和含鐵建造分布

    本次研究的長龍山組從下向上劃分為一段、二段和三段(圖 2,表 1)。含鐵建造主要發(fā)育于長龍山組一段,長龍組二段底部零星發(fā)育。

    長龍山組一段厚達52m。底部發(fā)育含礫粗砂巖,可見粒徑2~3cm礫石,磨圓度以次圓狀為主,分選性較好,具疊瓦狀定向排列,為潮間帶潮道沉積。中下部發(fā)育厚層黃褐色至黑紫色鐵質(zhì)石英砂巖和灰白色石英砂巖互層,局部見鐵質(zhì)結(jié)核,發(fā)育大型交錯層理,向上海綠石砂巖層增多。中上部為薄層海綠石砂巖和鐵質(zhì)砂巖互層,可見小型交錯層理、雙向交錯層理和平行層理。判斷其為潮間帶砂坪沉積。

    長龍山組二段厚26m。主要為灰白色薄層石英砂巖夾黃綠色頁巖及粉砂巖,富集大量海綠石。砂巖礦物成分主要為石英,以粉細砂為主,次圓狀,分選性中等,可見低角度交錯層理。為潮下帶灘壩沉積。

    長龍山組三段厚41m。為紫紅色與黃綠色頁巖互層,自下而上鈣質(zhì)含量逐漸增多,頁理極度發(fā)育,易破碎(圖 2)。為淺海陸棚泥巖相。

    綜合研究認為,研究區(qū)長龍山組從下向上整體為一套以海侵過程為主的砂質(zhì)潮坪沉積過渡為濱外陸棚泥質(zhì)沉積。含鐵建造主要發(fā)育在長龍山組一段的砂坪中(圖 2),在二段僅有零星分布。本次取樣主要位于長龍山組一段(圖 2)。

    3.2 長龍山組含鐵建造巖石學特征

    依據(jù)普通薄片觀察和X衍射分析結(jié)果,北京十三陵地區(qū)長龍山組鐵質(zhì)石英砂巖中石英含量為44.5%~70.9%,且石英破碎情況普遍嚴重,表明其經(jīng)歷了較強的風化壓實作用或后期的改造變質(zhì)。巖屑含量較低,在3.0%~18.5%之間,平均為6.0%,主要成分為沉積巖巖屑,以燧石為主,含少量巖漿巖巖屑,幾乎不含變質(zhì)巖巖屑。長石含量也較低,小于3.0%。上述特征反映了物源區(qū)巖石類型以沉積巖為主。

    含鐵建造集中分布在長龍山組一段,主要由石英和鐵質(zhì)組成,可與海綠石伴生。根據(jù)厚度及其與海綠石的伴生關(guān)系,可以將含鐵建造分為2種類型,分別是與海綠石互層或伴生分布的Ⅰ型和與海綠石無伴生關(guān)系的Ⅱ型。

    A,B,C—野外照片,鐵質(zhì)條帶和海綠石互層發(fā)育;D,E—顯微鏡下照片,鐵質(zhì)呈膠體形式充填石英顆粒間,有氧化的海綠石伴生。G為海綠石,H為鐵質(zhì)圖 3 北京十三陵地區(qū)長龍山組一段Ⅰ型含鐵建造宏觀分布特征和顯微鏡下特征Fig.3 Distribution and microscopic characteristics of type I iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing

    A—似藻類結(jié)構(gòu),長龍山組,北京十三陵;B—聚球藻類結(jié)構(gòu),巴西(Beatriz and James,2012)。箭頭指示藻類結(jié)構(gòu)圖 4 含鐵建造中似藻類結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Characteristics of algal-like structure of iron formation

    3.2.1 Ⅰ型含鐵建造

    圖 5 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造中鐵質(zhì)近球形結(jié)構(gòu)及元素組成Fig.5 Near spherical structure and element composition of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing

    A—條帶狀和斑塊狀含鐵建造;B—條帶狀含鐵建造;C,D—黑色的鐵質(zhì)層和石英呈脈狀互層分布,石英破碎明顯,C為單偏光,D為正交光。H為鐵質(zhì),Q為石英圖 6 北京十三陵地區(qū)長龍山組Ⅱ型含鐵建造宏觀分布和顯微鏡下特征Fig.6 Distribution and microscopic characteristics of type Ⅱ iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing

    3.2.2 Ⅱ型含鐵建造

    主要分布于長龍山組一段下部。單層厚度多為10~15cm,平均厚度較大,無海綠石互層,呈條帶狀(圖 6-A,6-B)或團塊狀(圖 6-A)。顯微鏡下表現(xiàn)為黑色的鐵質(zhì)層和石英呈脈狀互層分布,相互夾雜;石英次生加大明顯,說明為碎屑石英;石英都呈定向拉長排列,含個別長石,石英和長石都破碎明顯,具有糜棱狀構(gòu)造(圖 6-C,6-D)。高倍掃描電鏡SEM照片顯示赤鐵礦具有針狀和雪花狀晶體結(jié)構(gòu)(圖 7),其中針鐵礦晶形代表了其是在較高的pH值及較寒冷的環(huán)境下形成(姜兆霞和劉青松,2016)。

    A—赤鐵礦針狀晶體結(jié)構(gòu);B—赤鐵礦針狀晶體的XRD圖譜;C—赤鐵礦雪花狀晶體結(jié)構(gòu);D—赤鐵礦雪花狀晶體XRD圖譜圖 7 北京十三陵地區(qū)長龍山組赤鐵礦針狀和雪花狀晶體結(jié)構(gòu)及元素組成Fig.7 Acicular and snowflake structure and its element composition of hematite in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing

    含鐵建造的野外分布特征和顯微鏡下特征都能證明,2類含鐵建造的條帶狀結(jié)構(gòu)明顯,即使斑塊或團塊狀也顯示出順層分布的特點,因此都屬于條帶狀含鐵建造(Banded Iron Formation,BIF)(姚仲友等,2012)。研究區(qū)長龍山組含鐵建造主要沉積于大陸架—潮坪環(huán)境中,與石英砂巖伴生。根據(jù)Gross(1980)的劃分方案,此含鐵建造屬于蘇必利爾型,通常規(guī)模較大,較典型的代表如北美蘇必利爾湖地區(qū)和加拿大拉布拉多地區(qū)分布的含鐵建造,中國在山西袁家村、山東濟寧等地也分布此類含鐵建造(姚仲友等,2012),因此,十三陵地區(qū)長龍山組的含鐵建造具有一定的經(jīng)濟價值。

    3.3 含鐵建造礦物學特征

    本研究選?、裥秃廷蛐秃F建造樣品共10件進行XRD分析。結(jié)果顯示,研究區(qū)含鐵建造鐵質(zhì)含量在8.2%~26.5%之間,平均為17.3%,以赤鐵礦為主,含少量黃鐵礦,部分樣品見針鐵礦(表 2)。從含鐵建造的野外出露(圖 3-A,3-B,3-C;圖 6-A,6-B)

    表 2 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造X衍射數(shù)據(jù)Table 2 X-ray diffraction data of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing

    圖 8 北京十三陵地區(qū)長龍山組和下馬嶺組微量元素源區(qū)判別圖解(底圖據(jù)Bhatia和Crook,1986)Fig.8 Trace element discrimination diagram for source area in the Changlongshan Formation and Xiamaling Formation of the Ming Tombs area,Beijing(Base map according to Bhatia and Crook,1986)

    和普通薄片(圖 3-C,3-D;圖 6-C,6-D)上可以看到,鐵質(zhì)條帶的不同位置顏色不同,表明鐵質(zhì)的含量存在差異,這導致了取樣位置不一樣,所測出的鐵質(zhì)含量會有差異(表 2)。薄片觀察表明,Ⅱ型含鐵建造的鐵質(zhì)含量可達到50%(圖 7),屬于中高品位的含鐵建造(姚仲友等,2012)。

    3.4 含鐵建造微量元素分析

    微量元素溶解度普遍較低,性質(zhì)相對穩(wěn)定,并且能夠快速地進入到細粒沉積物中而不發(fā)生分異,使得細粒沉積物能較好地保存源區(qū)的地球化學信息(Condie,1991)。沉積巖中的微量元素主要取決于源區(qū)母巖的類型,可代表物源區(qū)源巖的地球化學特征。因此,根據(jù)沉積物中微量元素的特征,利用特定的圖解可以判別大洋島弧、大陸島弧、主動大陸邊緣和被動大陸邊緣等構(gòu)造環(huán)境以及物源區(qū)的母巖類型(McLennan and Scott,1993)。

    長龍山組和下馬嶺組之間為不整合接觸(朱士興等,2012),在華北地區(qū)下馬嶺組也普遍富含鐵質(zhì)和海綠石,因此為判斷長龍山組的鐵質(zhì)來源及其與下馬嶺組之間的物源關(guān)系,共選用長龍山組5個樣品和下馬嶺組2個樣品進行微量元素測定。在Bhatia(1983)、Bhatia和Crook(1986)提出的La-Th-Sc判別圖解(圖 8-A)中,長龍山組砂巖都落入大陸島弧物源區(qū),下馬嶺組2個樣品位于被動大陸邊緣區(qū)域和大陸島弧的交界處附近。在Th-Co-Zr/10判別圖解(圖 8-B)中,長龍山組樣品和下馬嶺組樣品點基本都落入大陸島弧區(qū)域。在Th-Sc-Zr/10判別圖解(圖 8-C)中,長龍山組樣品點都落入大陸島弧物源區(qū),而下馬嶺組樣品點位于大陸島弧物源區(qū)與被動大陸邊緣交界附近。3個圖解投點結(jié)果基本一致,說明北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造的物源區(qū)具有大陸島弧的構(gòu)造背景,而下馬嶺組恰好具有類似構(gòu)造環(huán)境的母巖類型,這為長龍山組鐵質(zhì)來源的分析提供了依據(jù)。

    7.牛腺病毒病。40℃以上高熱稽留,食欲減少,腹瀉,糞便帶血及黏膜塊,眼鼻分泌物增多,咳嗽,呼吸次數(shù)增加,引起出生犢牛的肺炎及腸炎,可致母畜流產(chǎn),重者死亡。

    圖 9 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造源巖判別圖解(底圖據(jù)Condie,1993)Fig.9 Discrimination diagram for source rock of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing(Base map according to Condie, 1993)

    3.5 含鐵建造電子探針分析

    本次研究選取電子探針分析樣品4件,測點共30個,對Ⅰ型與海綠石伴生的含鐵建造的化學組成進行分析(表 3),以進一步分析鐵質(zhì)與海綠石的關(guān)系。從 表 3 可以看出,長龍山組含鐵氧化物含量和鐵的摩爾量變化較大,說明鐵質(zhì)的分布具有較強的非均質(zhì)性。

    根據(jù)樣品成分中Fe2O3與K2O的相關(guān)性、Fe、Al、K的相對含量及其之間的相關(guān)性,可以分析鐵質(zhì)的來源,進一步判斷含鐵建造中鐵質(zhì)的成因,并可建立鐵質(zhì)成因模式(Pestitscheketal., 2012)。

    4 討論

    對于含鐵建造中鐵質(zhì)的來源,一直存在陸殼風化來源、 海底火山來源、 海底水巖反應來源等不同觀點(張連昌等,2012)。對前寒武紀含鐵建造成因的研究也一直備受關(guān)注,主要成因觀點包括: (1)化學膠體沉淀成因。地層遭受風化作用發(fā)生紅土化形成的Fe3+,以真溶液或膠體溶液的形式被搬運至氧化帶沉積下來,可形成條帶狀含鐵建造(Lepp and Goldich,1964;Alibert and Mcculloch,1993;湯冬杰等,2011)。這種含鐵建造也會因受到后期構(gòu)造或斷裂活動的改造而導致巖石發(fā)生變質(zhì),如河北鞍山式鐵礦、黑龍江佳木斯鐵礦等,均有如此特征(劉靜蘭,1987;姚春彥等,2012;周俊鵬,2019);(2)熱液沉淀成因。由于地幔柱拱裂巖石圈導致海底大規(guī)模的巖漿噴發(fā),富鐵沉積物便從海底對流循環(huán)的熱液中沉淀(Bischoff,1969;蔣少涌,1992;Bekkeretal.,2010);(3)冰水沉淀成因。含鐵離子的化學膠體在聚集過程中,由于巨厚冰層的覆蓋使得表面氧氣無法接觸,在冰水沉積環(huán)境下形成了含鐵離子膠體,鐵離子來自冰下水體;當表層富氧海水與冰下通道中流出的富鐵離子(Fe2+)缺氧水體混合時,F(xiàn)e2+被快速氧化而發(fā)生化學沉積,并膠結(jié)冰水中的近源碎屑組分,形成富鐵礫巖型鐵礦體(Klein,1973,2005;余志慶和王倫,1989;Beukes and Klein,1990;Lottermoser and Ashley,2000;李志紅等,2008,2014;李延河等,2010,2011)。對于十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造的成因,需要根據(jù)其分布特征、物質(zhì)組成及其鐵質(zhì)的來源進行系統(tǒng)的探討。

    表 3 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造化學組成Table 3 Chenmical composition of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing

    4.1 長龍山組鐵質(zhì)的來源

    近年來,學者們對燕山地區(qū)青白口系的地層界線進行了新的區(qū)域性考察,發(fā)現(xiàn)長龍山組與下伏下馬嶺組之間不僅是1條明顯的SBI類型的層序不整合界線,而且還是1條既有平行不整合、又有角度不整合的區(qū)域不整合接觸界線。此沉積間斷面所代表的地殼運動稱為“蔚縣上升”,角度不整合的存在表明“蔚縣上升”不是一般的升降運動,而可能是1次發(fā)生在長龍山組沉積之前的代表地殼收縮和擠壓的褶皺運動(周洪瑞等,2006;朱士興等,2010;曲永強等,2012;梁瑞等,2013;潘建國等,2013)。

    天津薊縣、北京十三陵等不同地區(qū)的下馬嶺組普遍具有含鐵沉積物: 上部為綠色、翠綠色頁巖夾薄層鐵質(zhì)粉砂巖;下部夾海綠石砂巖,并含菱鐵礦和黃鐵礦透鏡體;底部發(fā)育鐵綠泥石和鐵質(zhì)膠結(jié)礫巖,礫巖之上常見透鏡狀鐵礦或含鐵粗砂巖。在薊縣剖面中,下馬嶺組多發(fā)育含菱鐵礦砂巖沉積,同時普遍見有夾2~4層、順層產(chǎn)出的中基性巖漿巖(主要呈巖床,可導致局部接觸變質(zhì)),頂部還發(fā)育凝灰?guī)r,這為下馬嶺組鐵質(zhì)的富集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。下馬嶺組和長龍山組之間的不整合間斷,使得下馬嶺組的鐵質(zhì)遭受長期的風化作用,這可為長龍山組提供鐵質(zhì)來源,進而導致鐵質(zhì)在長龍山組富集。長龍山組發(fā)育的海綠石大多數(shù)為顆粒狀,具有非常好的磨圓度,也可推測其主要是來自于下馬嶺組大塊發(fā)育的膠結(jié)物狀的海綠石經(jīng)過再次搬運而沉積的碎屑顆粒。因此,下馬嶺組發(fā)育的鐵質(zhì)沉積物,為長龍山組鐵質(zhì)建造的發(fā)育提供了鐵質(zhì)來源。

    另外,根據(jù)微量元素特征,十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造物源區(qū)具有大陸島弧的構(gòu)造背景,包含安山巖以及長英質(zhì)母巖,下馬嶺組火山巖為活動陸緣,同時下馬嶺組中普遍見有夾2~4層順層產(chǎn)出的中基性巖漿巖(主要呈巖床)。同時,微量元素分析亦表明,長龍山組和下馬嶺組的鐵質(zhì)都來源于大陸島弧安山巖(圖 8;圖 9)。因此,十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造的鐵質(zhì)來源與下馬嶺組的鐵質(zhì)和安山巖有著緊密的關(guān)系。

    4.2 含鐵建造的成因

    4.2.1 膠體化學沉積成因

    與前文所提到的幾種含鐵建造成因觀點進行對比,發(fā)現(xiàn)十三陵地區(qū)含鐵建造缺乏冰磧成因的有利證據(jù),且華北地區(qū)在長龍山組沉積時期缺少巖漿熱液活動記錄,故研究區(qū)含鐵建造不符合冰水沉淀成因及熱液沉淀成因機理。研究區(qū)下馬嶺組沉積后的風化剝蝕,使本來富含鐵質(zhì)的下馬嶺組遭受到紅土化作用,形成了一定厚度的鐵質(zhì)豐富的古風化殼,這為后期長龍山組鐵質(zhì)建造的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)鏡下觀察和XRD測試數(shù)據(jù),研究區(qū)含鐵建造成層性較好,層理發(fā)育,與海綠石砂巖呈互層分布,因此推斷長龍山組含鐵建造屬于沉積型成因。其物質(zhì)來源以陸源風化產(chǎn)物為主,并產(chǎn)出于古陸不整合面之上的海侵巖系底部或中下部(翟裕生和王建平,2011)。這正好符合長龍山組和下馬嶺組之間的接觸關(guān)系和發(fā)育層位,即研究區(qū)長龍山組含鐵建造正好發(fā)育于下馬嶺組風化面之上新的海侵體系域下部(圖 2),其正是適合膠體化學沉積礦床的構(gòu)造背景。

    赤鐵礦出現(xiàn)針狀晶體,通常被認為是條帶狀含鐵建造經(jīng)過表生淋濾交代形成的(仲佳鑫等,2012)。在Ⅱ型含鐵建造中觀察到了較多的針狀赤鐵礦(針鐵礦)(圖 7-A,7-C),且原始含鐵建造層理保存較好(圖 3-A,3-B,3-C),反映了研究區(qū)含鐵建造遭受了表生淋濾及交代作用。華北板塊長龍山組與下馬嶺組之間存在沉積間斷,這為陸源物質(zhì)風化提供了條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。長龍山組沉積早期,下伏風化殼上的鐵質(zhì)物質(zhì)以溶解物質(zhì)(膠體)形式搬運至海盆,遇電解質(zhì)中和發(fā)生膠體沉淀,并與石英等碎屑物質(zhì)一起沉積下來,從而形成了鐵質(zhì)石英砂巖。

    研究區(qū)含鐵建造厚度在不同層位差別較大,且 Ⅱ 型含鐵建造中大多數(shù)石英發(fā)生了破碎,并有定向排列和糜棱化現(xiàn)象(圖 6-C,6-D),反映了鐵質(zhì)沉淀過程中或之后發(fā)生過強烈的構(gòu)造運動。十三陵龍山剖面位于燕山地區(qū),景兒峪組沉積后發(fā)生了著名的薊縣運動,這可能是鐵質(zhì)石英砂巖發(fā)生糜棱化的主要原因,但糜棱化的具體時間和成因還需要做進一步的研究。因此,推斷條帶狀分布的大套Ⅱ型含鐵建造主要屬于膠體化學沉積成因,后期可能遭受了構(gòu)造作用改造而發(fā)生糜棱化。

    4.2.2 海綠石的轉(zhuǎn)化

    Ⅰ型含鐵建造與海綠石伴生,且這些海綠石多以膠結(jié)物的形式存在,石英等碎屑顆粒沒有明顯的定向排列(圖 3-D,3-E)。海綠石在一定條件下會轉(zhuǎn)化為褐鐵礦或針鐵礦,針鐵礦脫水便會轉(zhuǎn)化為赤鐵礦(Chukhrov,1974;Benjaminetal., 2020)。海綠石是在相對缺氧的環(huán)境下產(chǎn)生的,而新元古界主要為缺氧環(huán)境,只有少量造氧生物存在。在Ⅰ型含鐵建造中發(fā)現(xiàn)的藻類結(jié)構(gòu)生物(圖 4),是為氧化作用提供氧氣的有力證據(jù)(梅冥相等,2007)。藻類生物光合作用需要光照強度,在光照強烈的春夏季產(chǎn)生氧氣較多,光照不足的秋冬季節(jié)則難以產(chǎn)生氧氣。根據(jù)海綠石與赤鐵礦韻律性的伴生關(guān)系,推測極有可能是海綠石在氧氣充足的情況下遭受風化作用先轉(zhuǎn)化為褐鐵礦,再進一步氧化為赤鐵礦,而在氧氣不足的條件下則依然保持海綠石的形態(tài)生長,所以出現(xiàn)了海綠石和鐵質(zhì)伴生的現(xiàn)象。

    圖 10 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造的化學組成關(guān)系Fig.10 Relationship diagram of chemical composition of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing

    A—Ⅱ型含鐵建造發(fā)育模式示意圖;B—Ⅰ型含鐵建造主要發(fā)育模式示意圖圖 11 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造發(fā)育模式示意圖Fig.11 Schematic diagram of development model of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area,Beijing

    海綠石遭受風化作用可以析出鐵質(zhì),其成分中的Fe2O3及K2O呈正比例關(guān)系,F(xiàn)e與Al以及K與Al均呈反比例關(guān)系(Pestitscheketal., 2012)。從本次取自與鐵質(zhì)條帶伴生的海綠石樣品的電子探針分析結(jié)果可以看到,在K2O含量小于4%時,F(xiàn)e2O3與K2O呈正比例關(guān)系,在Al含量較高時,F(xiàn)e與Al呈反比例關(guān)系,而K與Al之間的反比例關(guān)系不明顯(圖 10),此結(jié)果與Pestitschek等(2012)研究得到的規(guī)律有所偏差。造成這一現(xiàn)象的原因可能是海綠石風化只是含鐵建造鐵質(zhì)的來源之一,在Ⅰ型含鐵建造中仍有化學膠體直接沉淀形成的赤鐵礦,且Ⅰ型含鐵建造也具有非常好的成層性(圖 3-A,3-B,3-C)及與鐵質(zhì)共生的海綠石發(fā)生氧化作用呈棕色(圖 3-D,3-E;圖 4),也都可以證明這一點。另外,電子探針數(shù)量較少也可能影響了實驗的結(jié)果。所以,Ⅰ型含鐵建造可能是化學膠體沉淀成因與海綠石風化混合成因的產(chǎn)物。

    4.3 含鐵建造的成因模式

    基于上述含鐵建造的發(fā)育特征、鐵質(zhì)來源及成因討論,建立了Ⅰ型和Ⅱ型含鐵建造的成因模式(圖 11)。

    Ⅱ型含鐵建造發(fā)育于長龍山組一段下部,形成過程為: (1)下馬嶺組的鐵質(zhì)遭受長期風化作用形成風化殼;(2)長龍山組沉積早期發(fā)生海侵,風化殼上的鐵質(zhì)和碎屑被流水搬運,F(xiàn)e3+以真溶液或膠體形式被搬運至濱淺海,遇電解質(zhì)和藻類發(fā)育帶釋放的大量氧氣,以氧化物的形式發(fā)生沉淀,形成了以赤鐵礦為主的鐵質(zhì)石英砂巖(圖 11-A);(3)薊縣運動或之后強烈的構(gòu)造運動使鐵質(zhì)石英砂巖發(fā)生糜棱化改造。

    Ⅰ型含鐵建造發(fā)育于長龍山組一段上部,與海綠石伴生。根據(jù)巖性和沉積序列演化(圖 2)可知,長龍山組從下部向上部逐漸發(fā)生海侵,在濱淺海相對較深水的還原環(huán)境沉積了海綠石砂巖;由于存在短暫的海退(郭芪恒等,2019,圖 2),海綠石砂巖進入浮游植物(藻類)發(fā)育帶,藻類光合作用提供的大量氧氣使得海綠石發(fā)生氧化,逐步轉(zhuǎn)化為褐鐵礦或針鐵礦,進一步脫水氧化轉(zhuǎn)化為赤鐵礦(圖 11-B)。同時,海綠石的氧化也可能跟藻類隨季節(jié)性氣候變化引起氧氣含量發(fā)生變化有關(guān)。因此,出現(xiàn)了海綠石砂巖和鐵質(zhì)石英砂巖互層的現(xiàn)象,鐵質(zhì)石英砂巖內(nèi)部也伴生了未徹底風化的棕褐色的海綠石(圖 3-D,3-E)。另外,根據(jù)化學組成關(guān)系,Ⅰ型含鐵建造可能還混合了少量化學膠體沉淀成因的鐵質(zhì)(圖 11)。

    5 結(jié)論與建議

    1)北京十三陵地區(qū)青白口系長龍山組含鐵建造發(fā)育,主要分布于長龍山組一段,可以分為與海綠石伴生的Ⅰ型和無海綠石伴生的Ⅱ型,兩者都以赤鐵礦為主,前者以近球形結(jié)構(gòu)為主,后者發(fā)育針狀或雪花狀赤鐵礦。Ⅰ型含鐵建造鐵質(zhì)品位較低,Ⅱ型含鐵建造鐵質(zhì)品位較高。

    2)下馬嶺組和長龍山組之間存在不整合接觸關(guān)系。下馬嶺組普遍發(fā)育含鐵沉積物,沉積之后地殼抬升發(fā)生風化作用,鐵質(zhì)在風化殼富集,為長龍山組提供了鐵質(zhì)來源。

    3)建立了Ⅰ型和Ⅱ型含鐵建造的發(fā)育模式。長龍山組含鐵建造成層性較好,Ⅱ型含鐵建造屬于膠體化學沉淀成因,后期可能發(fā)生了糜棱化改造作用。海綠石風化是Ⅰ型含鐵建造的主要成因,混合有化學膠體沉淀成因。

    上述結(jié)論明確了長龍山組Ⅰ型和Ⅱ含鐵建造的發(fā)育類型、分布特征、成因機制和發(fā)育模式,既豐富了新元古代含鐵建造的成因機理,也為預測華北地區(qū)前寒武紀含鐵建造的分布和找礦提供科學依據(jù)。同時,證明了古元古代以后仍然存在含鐵建造的成礦條件,這也為新元古代找礦指明了方向。由于目前取樣和分析化驗有限,下一步還需要在流體包裹體發(fā)育特征、構(gòu)造應變特征、次生礦物定年及元素和同位素組成變化規(guī)律等方面開展更深入的研究,以確定鐵礦富集的條件及其后期鐵質(zhì)石英砂巖糜棱化的具體時間和成因,并根據(jù)鐵質(zhì)富集程度確定成礦品位,建立更加完善的找礦標志和模式。

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