條帶狀鐵建造（banded iron formation，簡稱BIF）的形成機制一直是國際上研究的熱點話題之一，主要因為研究BIF具有礦床學理論和地球系統科學的雙重意義。BIF是全球鋼鐵產業最重要的鐵礦石來源，國內外主要開采利用的對象有所差異，國外絕大部分開采的是BIF的長期風化或熱液改造富集產物，鐵礦石品位較高，一般在50%以上，而國內像鞍鋼和首鋼等大型鋼鐵企業直接開采利用的是BIF本身，品位較低，一般在30%左右，因此，BIF在我國又稱為沉積變質型鐵礦或條帶狀鐵礦。此外，BIF是早前寒武紀（3.8-1.8 Ga）分布最為廣泛的富鐵海相化學沉積巖，是地質演化和環境演變耦合作用的產物，因此，研究BIF也可為探討早期地球構造和生命演化，尤其是古環境提供重要信息。
條帶狀鐵礦在我國華北克拉通分布極為廣泛，且規模巨大。我國BIF的研究最早可追溯至上世紀七十年代開展的“富鐵礦會戰”項目，當時取得的成果頗豐，對BIF的一些基本特征有了較為清晰的認識。然而，由于社會經濟形勢的導向，在20世紀90年代到新世紀初期將近二十年，我國BIF的成因研究嚴重滯后，而國外BIF的研究卻在該期間迎來了研究的熱潮，與國內形成了鮮明的反差。雖然在2010年前后，我國相繼啟動了多個涉及條帶狀鐵礦的重大科研項目，但之前造成的與國外研究整體滯后的鴻溝仍然存在。客觀來講，我國BIF的研究仍主要處于與國際“跟跑”的局面，部分方面正在從“跟跑”向“并跑”過渡，但總體上我國BIF研究關注度不夠，科研投入也較低。
近十年來，中國科學院地質與地球物理研究所礦產資源研究院重點實驗室王長樂副研究員與張連昌研究員團隊，在翟明國院士等的指導和幫助以及科技部973項目和國家自然科學基金等的支持下，對華北BIF進行了大量的野外調查與室內分析，系統揭示并總結了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），而同時期國外BIF明顯缺乏，國外同期的地質記錄以碳酸鹽巖和頁巖為主；（2）華北BIF及含礦巖系保持完整，較好記錄了BIF形成前后的地質信號，含鐵礦物以磁鐵礦為主，有利于選礦利用；（3）華北BIF經歷的變質程度多樣，存在低級變質的BIF，完全能夠深化BIF成礦機制及其古環境示蹤等多方面的研究（圖1）。
圖1 華北克拉通BIF分布圖
在此基礎上，研究團隊針對性選取了多個新太古代晚期的BIF進行了研究，以期揭示其形成的氧化還原條件。在充分整理前人分析數據的過程中，發現相同地方的樣品具有不相一致的結果，部分氧化還原敏感元素絕對含量可跨越多個數量級，導致如此的原因諸多，如挑選樣品的不合理、樣品前處理過程中的污染以及樣品在多個實驗室分析過程中產生的差異等。為此，他們在野外采樣和室內分析過程中嚴格挑選樣品，通過多種方式減少人為干擾和污染，運用相同的方法來進行地球化學分析，最終產生了一批高質量可信賴的數據。在詳細判別成巖-變質作用影響相關元素和同位素活動性的基礎上，運用可靠數據準確約束了華北新太古代BIF形成的海水-大氣氧化還原狀態，并深入探討了華北特色成礦作用對古環境的啟示意義，主要結論和認識如下：
（1）華北新太古代BIF雖經歷不同變質程度，最高可達麻粒巖相，但稀土元素特征卻具有極大相似性，說明BIF可記錄同時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區域代表前人古元古代中-晚期(2.2-1.9 Ga)BIF數據，B區域代表前人太古宙和古元古代早期(>2.46 Ga)BIF數據
（2）華北新太古代BIF常發育偏正的鐵同位素值（圖3），且與低的錳-鐵比值缺乏相關性，說明該時期海水中的二價鐵離子經歷了不同程度的氧化形成了三價鐵的原始沉積物，其中部分氧化程度指示BIF形成自低氧或缺氧的海水條件。結合鐵同位素擴散-轉移沉淀模型，認為此時光合帶海水氧含量應低于0.01μM/L（相當于現今光合帶海水氧含量的0.001%），進一步指示缺氧富鐵的海水環境，說明鐵質主要通過厭氧光合作用的鐵氧化方式發生氧化沉淀。
（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），說明大陸未經歷或僅僅發生了較低程度的氧化風化，指示BIF沉積時大氣氧含量偏低，與前人獲得的硫的非質量分餾信號以及太古宙普遍出現的碎屑還原礦物（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。灰色代表前人數據，橙色代表該研究中華北BIF數據
總體而言，華北新太古代BIF應形成于缺氧的海洋-大氣環境條件下，該結論對于理解大氧化事件（Great Oxidation Event, 2.5-2.2 Ga）之前的古環境格局有重要意義。當前，國際上對于太古宙末期的古環境認識主要來自西澳Pilbara和南非Kaapvaal克拉通的研究，其中不同的氧化指標說明太古宙末期淺海已經開始有氧，但大氣缺氧，大氣和海洋處于不平衡態。由于無法知曉其他地方的古環境信息，部分學者甚至認為此時大面積海域淺水地區都應該有氧。與國外不同的是，我們華北同時期發育大規模的BIF成礦作用，說明大氧化事件前夕海洋并非大范圍充氧，而仍然應該是缺氧狀態，更加廣泛的氧化海洋的出現應該與大氧化事件發生的時間一致，與構造體制轉變和生物演變等過程有重要內在關聯。
關注官方微信