华北克拉通BIF铁矿形成时代与构造环境

条带状铁矿(BIF)主要形成于中晚太古代-早元古代,是地质演化和环境变化耦合作用的产物,在地质历史上具有不可重复性。BIF铁建造及相关火山沉积记录了早前寒武纪丰富的地质、环境和生物演化的信息,一直是前寒武纪研究的重要主题。同时,前寒武纪条带状铁建造是世界上最重要的铁矿类型,也是中国最重要的铁矿资     

华北克拉通早前寒武纪基性火山作用与地壳增生

大量的年代学资料表明,华北克拉通在早前寒武纪阶段有两个主要的基性火山活动时期,一期发生在2.7Ga左右,另一期发生在2.5Ga左右,代表了两期强烈的地壳增生事件。太古宙末期基性火山岩的分布、地球化学特征、基性火山岩与其他岩石的关系和组合特征表明,华北克拉通在新太古代时期,在陆块之间基性火山岩的喷溢使地壳面积增大并把原本分离的小陆块拼合到一起,造成地壳的增生。在陆块内部,地壳的增生主要通过地幔柱的方式进行,在较均匀的地壳部分主要通过基性岩浆的垫托方式使地壳增厚,部分岩浆侵位到地壳较浅部位,甚至溢出地表。这两种地壳增生方式是相辅相成的,它们的联合作用形成了太古宙末的华北古大陆。     

华北克拉通南部早前寒武纪基底形成与演化

简要总结了华北克拉通南部鲁山地区、小秦岭地区、登封及中条山地区的早前寒武纪地质事件序列及其地质意义,并对各地区地质特征和变质演化特点进行对比。结合前人研究工作,初步探讨了华北克拉通南部早前寒武纪基底的演化特点、陆壳形成的主要时期和华北南部基底的构造区划等问题,提出几点认识:1)华北克拉通南部鲁山、中条山、小秦岭等地区均有2.7~2.9Ga岩石记录,以英云闪长质-奥长花岗质-花岗闪长质(TTG)岩石为主,它们共同构成华北南缘的古老结晶基底,并经历了新太古代晚期~2.5Ga构造-热事件,标志着华北克拉通南部在新太古代末期可能已经形成统一基底;2)华北克拉通南部主要的陆壳形成时期为中太古代晚期-新太古代,与全球其他主要克拉通一致,而古元古代早-中期则以地壳再循环为主;3)综合地质、地球化学等特点,将华北南部鲁山-小秦岭地区和中条山等地区划归为"南部古陆块",并提出该陆块呈现为一个大型的倾伏向斜构造,可能在新太古代晚期已经形成,其枢纽向南东倾斜。"南部古陆块"在新太古代末期与其它微陆块拼合,并发生了变质作用和陆壳的活化与再循环,共同指示新太古代晚期华北克拉通统一基底的形成。     

华北和圣弗朗西斯科克拉通前寒武纪地质对比

一些学者提出华北克拉通在新元古代早期之前与圣弗朗西斯科克拉通（圣弗朗西斯科-刚果克拉通）相邻,但缺少证据;本文总结两个古陆地质记录,为评价这一古构造格局模型提供线索。两个古陆陆壳生长的峰期均为～2.7 Ga前;不同之处是,华北古陆经历了显著的～2.5 Ga前的陆壳生长和改造,而圣弗朗西斯科克拉通则似乎没有。华北古陆2.4～2.2 Ga期间发育少量变质火山-沉积岩系和花岗岩,～2.1 Ga前后广泛发育裂谷火山-沉积建造及侵入岩,2.0～1.9 Ga发育超高温变质作用和类似弧岩浆活动,导致两个克拉通（东、西华北克拉通）拼合形成统一的华北古陆;同一时期,圣弗朗西斯科克拉通南、北缘发育2.4～2.0 Ga岩浆作用,指示长期处于大陆边缘弧或者岛弧背景,～2.0 Ga还发育超高温变质作用。两个古陆都发育～2.0 Ga前类似大陆边缘弧特点的岩浆活动,只是圣弗朗西斯科克拉通时代稍早。1.8 Ga以来,两个古陆均发育多期岩墙群,部分基本同期,如～1.78 Ga岩墙群、～1.7 Ga岩墙群和～0.92 Ga岩墙群等;不同的是,华北古陆发育约1.3～1.2 Ga岩床/墙群,而圣弗朗西斯克拉通发育～1.5 Ga岩墙群。1.8～0.8 Ga,两个古陆上都断续发育（火山）-沉积建造：1.8～1.6 Ga以及1.4～1.2 Ga,两者的沉积建造同样以石英砂岩等碎屑岩为主,碳酸盐岩较少;1.2～1.0 Ga前,两者的记录均较少,或暂不能确定;1.0～0.8 Ga,两者均发育碎屑岩和碳酸盐岩;1.6～1.4 Ga,华北古陆发育碳酸盐岩建造,而圣弗朗西斯科克拉通则发育碎屑岩建造。华北古陆新元古界地层中碎屑锆石常显示～1.5 Ga的峰值,该期岩浆岩鲜少报道于华北古陆,但却见于圣弗朗西斯科克拉通。两个陆块都发育太古宙-古元古代条带状铁建造铁矿、古元古代石墨矿、中新元古代沉积-喷流型铅锌矿等。不过,华北古陆发育的古元古代硼矿、菱镁矿,中元古代碳酸岩型稀土矿等在圣弗朗西斯科不发育;而后者发育的绿岩带型相关金矿、镍矿、祖母绿宝石矿等,华北似乎不发育。另外,0.7～0.5 Ga,圣弗朗西斯科克拉通周边广泛发育泛非期造山带,而华北古陆并没有这一事件的明确记录;显生宙,圣弗朗西斯科克拉通相对稳定,中生代与刚果克拉通分离;但华北古陆内部经历强烈的构造-岩浆活动（峰期在中生代）。华北与圣弗朗西斯科克拉通前寒武纪是否相邻还需进一步地质对比和古地磁工作,尤其应关注约2.0～1.9 Ga岩浆-变质（造山）事件、约1.8～1.7 Ga岩浆-沉积（裂谷）事件以及约0.9 Ga岩浆-沉积（裂谷）事件。从地质记录的相似性角度来看,华北东南缘与圣弗朗西斯科南缘的地质记录相似性最大,可延续性最强,最可能相邻。     

河南舞阳铁山庙式BIF铁矿的矿物学与地球化学特征及对矿床成因的指示

河南舞阳铁矿位于华北克拉通南缘.铁山庙式铁矿是舞阳铁矿的一部分,赋存于新太古界太华杂岩铁山庙组表壳岩中.本文根据铁山庙式铁矿中三种不同类型矿石(条带状石英-辉石-磁铁矿、块状辉石-磁铁矿、块状石英-磁铁矿)中磁铁矿的矿物成分、全岩/矿的主量元素及微量元素特征,探讨铁山庙式铁矿床的成因.磁铁矿单矿物成分分析表明,条带状石英-辉石-磁铁矿矿石中磁铁矿的FeOT含量90.6％ ～93.1％,平均91.8％;块状辉石-磁铁矿矿石中磁铁矿的FeOT含量90.7％～91.2％,平均91.0％;块状石英-磁铁矿矿石中磁铁矿的FeOT含量92.0％～93.0％,平均92.4％.上述平均值均与磁铁矿FeOT的理论值(93.1％)接近.三种类型矿石的其它元素如TiO2、MgO、MnO、CaO、Al2O3 Cr2O3 NiO等含量均＜0.1％,无明显区别,表明该区磁铁矿为含杂质极少的纯磁铁矿,表现出沉积变质成因磁铁矿的特征.矿石中斜方辉石-单斜辉石及近矿围岩紫苏辉石-长石-石英矿物组合,表明铁山庙式矿床经受了高级变质作用,石英、磁铁矿等矿物普遍发生变质重结晶,颗粒粗大,但仍保存原有的地球化学组成.元素地球化学分析显示,三种类型矿石中SiO2 、TiO2 Al2O3、P2O5的含量相近;块状辉石-磁铁矿较其它二者相对贫铁、富钙、镁,这是由于块状辉石-磁铁矿石中富含铁普通辉石和铁次透辉石所致;矿石中TiO2、Al2O3含量都极低,说明该区成岩成矿过程中未受到碎屑物质的混染.三种不同类型矿石的主量元素含量总体上都与世界典型BIF的相近.对于稀土元素,三种类型矿石均具有轻稀土亏损、重稀土富集((La/Yb)PAAS=0.29～0.995＜1),La、Eu、Y的正异常(La/La*=1.10～1.89;Eu/Eu* =1.30～2.23;Y/Y* =1.47～1.84),较高的Y/Ho比值(39.7 ～51.3),具有现代海水及高温热液混合特征.因此,我们认为铁山庙式铁矿三种不同类型的矿石是极少受到陆源碎屑混染的化学沉积成因,虽遭受后期变质作用,但仍属BIF型铁矿.     

华北中部构造带不同前寒武纪地块主要特征对比研究

古元古代是华北克拉通构造演化的关键时期,主要体现在由新太古代大陆地壳垂向增生到古元古代侧向增生的转换。华北中部构造带的构造性质是近年来华北克拉通构造演化研究争论的焦点之一,构造带中段出露恒山、五台和阜平等多个前寒武纪变质杂岩,其中发育多条大型韧性剪切带,这些剪切带的主期活动时代均为1. 85～1. 80Ga。本文以这些剪切带为构造边界将变质杂岩划分为恒山地块、繁峙地块、五台地块和阜平地块,并在早期研究中解析了繁峙地块构造挤入事件和阜平地块西部的伸展构造事件,表明这些前寒武纪地块的构造位置在古元古代末前后可能有所不同。结合前人资料,本文对这些地块的岩石组成、形成时代、变质作用以及典型构造样式等特征进行详细对比研究。结果表明,恒山地块、阜平地块和五台地块共同组成华北克拉通早前寒武纪"高级区-绿岩带"的典型壳层结构,而繁峙地块与其他地块具有明显差异,具有外来地块特征。     

华北前寒武纪成矿系统与重大地质事件的联系

前寒武纪是指显生宙最古老的地质时代--寒武纪之前的地质时代,它占了地球演化历史的近90%。地球陆壳的80%~90%以上是在前寒武纪形成的,记录了复杂和惊心动魄的地质构造过程,还赋存着丰富的矿产资源。前寒武纪最重要的地质事件有陆壳的巨量增生、前板块机制/板块机制的构造转折、由缺氧到富氧的地球环境的剧变。华北克拉通是全球最古老陆块之一,前寒武纪各阶段全球性重大地质事件几乎都被记录下来,并表现出一些特殊性。与全球其它克拉通相比,华北陆壳生长-稳定化过程具有多阶段特征,太古宙末-古元古代环境剧变记录复杂多样,古元古代与板块体制建立和超大陆演化相关的俯冲碰撞和伸展裂解等地质记录丰富,中-新元古代经历持续伸展并接受巨量裂谷沉积。这些重大地质事件都伴随大规模成矿作用,形成了华北克拉通丰富的矿产资源和独特的优势矿种。

     

华北与扬子克拉通早期相互关系的Nd同位素地球化学制约

对于前寒武纪、特别是中、上元古代、华北和扬子克拉通大地构造特征及其相互关系的认识是长期争议的问题之一，其核心在于两克拉通是否属于同一大陆央石圈板块，扬子克拉通及其北缘由于研究程度较低，部分地质体缺乏可靠地质年代数据，影响了研究工作的进一步深入，本文就扬子克拉通北缘汉中碑坝和西乡地区重要地质体的形成时代作了系统的Ｒｂ－Ｓｒ、Ｓｍ－Ｎｄ和部分颗粒锆石Ｐｂ同位素蒸发年龄方法的同位素年代学分析的Ｒｂ－Ｓｒ     

华北克拉通早前寒武纪条带状铁建造形成时代——SHRIMP锆石U Pb定年

华北克拉通是我国早前寒武纪条带状铁建造(BIF)最重要的分布区。近年来大量锆石定年研究表明,华北克拉通BIF形成于始太古代到古元古代早期,但主要为新太古代晚期(2.50～2.55Ga)。最重要的BIF分布于华北克拉通东部的鞍本、冀东和鲁西地区,沉积环境相对稳定是大规模BIF形成的重要条件。华北克拉通新太古代晚期BIF形成的构造环境还不十分清楚,但可能为岛弧构造环境。BIF明显的时代专属性是地质和大气演化的结果。     

胶北地体早前寒武纪重大岩浆事件、陆壳增生及演化

早前寒武纪重大岩浆事件是早期陆壳增生及演化的主要地质作用。本文通过系统总结最近几年胶北地体早前寒武纪重大岩浆事件代表性岩石的岩相学、锆石U-Pb年代学、岩石地球化学及锆石Hf同位素研究的最新成果,厘定出太古宙~2.9Ga、2.7Ga及2.5Ga三期以TTGs岩浆事件为代表的陆壳增生事件。这些TTGs具有典型太古宙高铝TTGs的地球化学特征及正的εHf(t)值,锆石Hf模式年龄主要集中在ca.3.2~2.7Ga。两种不同的构造模式被用来理解胶北太古宙TTGs(陆壳)的成因:(1)加厚基性下地壳的部分熔融;(2)俯冲洋壳的部分熔融。根据胶北TTGs在时间上呈事件性侵位,空间上呈面状分布,以及相对较低的Mg#、Cr及Ni含量,前者可能更适合胶北TTGs的成因。确定了胶北古元古代2.2~2.0Ga黑云母/角闪石二长花岗片麻岩及~1.8Ga以二长(正长)花岗岩为代表的多期陆壳重熔事件。综合这些研究结果,初步总结出胶北早前寒武纪陆壳形成及演化历史:1)2.9Ga,主要为基性地壳(洋壳)的增生,并可能存在规模有限的、被剥蚀殆尽的太古宙早期陆壳;2)在~2.9Ga、~2.7Ga及~2.5Ga,由于地幔(热)柱上涌,ca.3.3~2.7Ga新生的加厚基性玄武质下地壳发生事件性部分熔融,并伴随有早期陆壳的重熔,形成主要由TTGs及少量陆壳重熔型(高钾)花岗岩组成的太古宙陆壳;3)ca.2.2~2.0Ga,可能由于地幔物质上涌,陆壳伸展,形成裂谷,陆壳物质重熔,形成ca.2.2~2.0Ga花岗质岩石;4)ca.1.95~1.85Ga,发生强烈的挤压碰撞构造作用,裂谷闭合,卷入挤压作用的物质发生高角闪岩相到高压麻粒岩相变质;5)~1.8Ga,地幔物质上涌,陆壳伸展减薄,陆壳物质重熔,形成~1.8Ga花岗岩。     

华北克拉通条带状铁建造中富铁矿成因类型的研究进展、远景和存在的科学问题

本文在查阅前人大量资料的基础上,对华北克拉通条带状铁建造中富铁矿的研究历史进行了回顾和总结,将研究历史分为1949年以前,1950~1965年期间,1978~1986年期间,1987~1994年期间和2009年以来5个阶段。重点介绍了鞍本地区、冀东-吕梁地区和河南舞阳地区富铁矿的基本地质特征以及典型富铁矿的研究概况,针对鞍本地区弓长岭二矿区磁铁富矿成因的复杂性,对不同成因观点以及目前已取得的共识进行了详细阐述。目前大多数学者不支持接触交代假说和菱铁矿经变质转化为富铁矿成矿假说,近半数学者支持变质热液成矿假说,半数学者支持混合岩化热液成矿假说。作者在综合分析前人大量资料后,认为变质热液成矿说依据不足,理由有四点:(1)磁铁富矿中往往见有磁铁贫矿的残体;(2)磁铁富矿与蚀变岩紧密伴生,蚀变矿物石榴子石、部分角闪石(透闪石)和部分绿泥石均属非变质热液成因;(3)研究区遭受区域高绿片岩相至低角闪岩相变质作用的时间为2500~2450Ma,而与蚀变矿物石榴石紧密伴生的热液锆石SHRIMP U-Pb定年结果为1840±7Ma,明显小于区域变质作用年龄,据此可将热液作用时间限定于古元古代晚期,相当于大陆地壳伸展阶段;(4)部分热液成因富铁矿利用Re-Os方法定年,除一种属原生沉积成矿外,年龄范围也在古元古代晚期,可作为参考。此种热液是否为混合岩化热液尚缺乏足够证据,故本文暂将其作为古元古代晚期热液。此外,本文对华北克拉通条带状铁建造中富铁矿成因类型及其远景进行了初步总结,认为古元古代晚期形成的磁铁富矿规模属大型矿床,有较好远景;原生较富贫铁矿因褶皱构造产生磁铁矿流变而形成的富铁矿(可能尚有热液叠加)规模较大,具有一定远景;其他类型均为小型规模,不具工业意义。最后,本文指出富铁矿成因研究中尚存在的主要问题,包括早元古代晚期热液的来源;热液的形成是一期还是多期;铁建造遭受区域变质达高绿片岩相时,贫铁矿的围岩变质演化机理等,尚需进一步探讨。     

华北克拉通西部基底早前寒武纪地质事件、性质及其地质意义

综合华北克拉通西部陆块阴山地块、孔兹岩带和鄂尔多斯地块基底正、副片麻岩以及鄂尔多斯地块现代河流沙锆石U-Pb和Hf同位素资料,并根据最新获得的鄂尔多斯基底及盖层继承碎屑锆石U-Pb年龄及Hf同位素统计分析揭示,该陆块存在古、中太古代陆壳物质,自新太古代以来先后发生了新太古代~2.7Ga、2.55~2.45Ga以及古元古代2.2~2.0Ga和1.95~1.85Ga等多期构造热事件。由基底和盖层中各类岩石中获得的~2.5Ga锆石的εHf(t)多为正值,Hf陆壳模式年龄(t_(DM)~C)介于2.9～2.6Ga之间(峰值～2.75Ga),阴山地块存在～2.7Ga的岩石,鄂尔多斯地块基底有～2.7Ga继承锆石记录,证明新太古代存在一期重要的陆壳生长。2.55～2.45Ga的岩浆活动在西部陆块不同地质单元基底岩石中均有记录,出现大量壳源花岗岩和幔源岩浆侵入及麻粒岩相变质作用,它们的锆石εHf(t)值由负到正变化大,Hf陆壳模式年龄(t_(DM)~C)除少数接近岩浆活动年龄外,多数明显高于它们的形成年龄,指示了强烈的陆壳再造和一定陆壳生长,岩石组合及地球化学特征反映了汇聚挤压转为伸展环境,类似于华北陆块～2.5Ga广泛的岩浆变质事件及构造背景,揭示了不同陆块碰撞拼合而后转为伸展的构造演化过程。古元古代2.2～2.0Ga期间,沿鄂尔多斯地块北部及东部边缘出现大洋俯冲消减有关的陆缘弧花岗岩类,它们的锆石εHf(t)和t_(DM)~C值变化范围很大,表明在古元古代中晚期鄂尔多斯地块基底仍发生有陆壳增生和再造。此后在1.95～1.85Ga期间,沿鄂尔多斯地块北部的孔兹岩带和东部的中部构造带均发生顺时针P-T演化轨迹的变质作用,证明～1.95Ga鄂尔多斯地块相继与北部阴山地块和东部陆块碰撞拼合为一体,至～1.85Ga发生陆壳抬升与伸展、发生陆壳物质减压熔融的强烈混合岩化和大量S型花岗岩形成,其后发生镁铁质岩墙侵入,标志着华北陆块最终克拉通化完成。     

内蒙古商都地区白云鄂博群尖山组碎屑锆石U-Pb年代学和Hf同位素研究:对华北克拉通西部陆块北缘前寒武纪地壳演化的制约

华北克拉通前寒武纪地壳生长过程是地质学的研究热点。本文对华北克拉通西部陆块北缘的白云鄂博群尖山组进行了碎屑锆石U-Pb定年和Hf同位素分析,并在此基础上对尖山组的沉积时限、物源及西部陆块北缘的前寒武纪地壳生长过程进行了探讨。样品TM33中碎屑锆石年龄主要集中在1872~2100Ma（n=64）,并有~1960Ma的主年龄峰值和~2000Ma的次年龄峰值,Hf同位素分析结果显示锆石的ε_Hf（t）值在-2.6~7.9之间（除1个测点为-17.6）,Hf同位素二阶段模式年龄（t_DM2）变化范围在2240~4386Ma之间。样品Z1724中碎屑锆石年龄分布于1784~2200Ma（n=44）,并有~1965Ma的主年龄峰值和~2080Ma次年龄峰值。谐和线上最年轻一组锆石的加权平均年龄为1794±73Ma（n=2）,ε_Hf（t）在-5.4~3.2之间,Hf同位素二阶段模式年龄（t_DM2）变化范围在2584~3203Ma之间。基于以上数据,结合侵入白云鄂博群底部1670Ma的辉长岩以及白云鄂博群底部全岩²⁰⁷Pb-²⁰⁶Pb等时线年龄为1649Ma的沉积碳酸盐岩,尖山组的沉积时间被限定在1800~1650Ma。尖山组的物源主要来自固阳、西乌兰不浪地区新太古代基底以及大青山和卓资地区古元古代晚期孔兹岩带。综合前人对研究区及邻区中新元古代沉积地层中碎屑锆石的Hf同位素研究结果,认为华北克拉通西部陆块北缘可能存在2600~2750Ma、~2500Ma和2000~2100Ma三期主要的地壳生长事件,且最后一次规模可能小于前两次。

     

华北克拉通的变质沉积岩及其克拉通的构造划分

早前寒武纪花岗质岩年龄统计结果显示,华北克拉通经历了3.8,3.3,2.9,2.5和1.8~1.9 Ga等多个旋回才从陆核成长为陆台,与之对应沉积岩也由少变多,大约以500 Ma为一周期。由于沉积作用出现在成陆间歇期,所以二者在时间上相间互补,其状如同显生宙超大陆裂解和拼合的周期交替。这一现象不但是地壳演化的普遍规律,而且也可反过来用沉积岩反映陆壳的演化。然而,早前寒武纪尤其是太古宙的沉积岩毕竟太少,无法用来恢复当时古陆块的面貌,但古元古代的特别是陆缘沉积的孔兹岩,尽管已进入下地壳并成为克拉通基底的组成,则以保存甚多、分布延续,使其重塑克拉通的拼合成为可能。已有的华北克拉通的构造划分方案多种多样,但以陆缘沉积的古元古代孔兹岩作为地块的边界,理当最能反映当时古陆块的面貌。因此,以孔兹岩为主要依据,并综合考虑岩石组合、构造环境、变质p-T轨迹、同位素年龄、以及不变质的沉积盖层等地质特征,将华北克拉通主体从西往东划分为：鄂尔多斯地块 / 晋蒙弧形拼合带 / 冀鲁豫地块 /（郯庐断裂）/ 胶辽地块群等构造单元,所得到的不同于以往的构造轮廓,显示华北陆台并非一统的太古宙克拉通,而是吕梁运动拼合成的古元古代大陆。