遼寧清原地區(qū)小萊河條帶狀鐵建造和圍巖地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

楊 帆，張 偉，李 壯*，張 茜，崔 瑩

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249; 2. 北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871)

0 引 言

條帶狀鐵建造(Banded Iron Formation,BIF)一般指前寒武紀(jì)古老克拉通內(nèi)特有的全鐵(FeOT)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)大于15%的化學(xué)沉積巖(含鐵硅質(zhì)巖)，由燧石(變質(zhì)后為石英)和含鐵礦物構(gòu)成黑白相間的條帶狀、條紋狀或者細(xì)紋狀等構(gòu)造[1-4]。BIF型鐵礦床是地球上最重要的鐵礦資源[5]，按照形成的構(gòu)造環(huán)境、巖石組合和規(guī)?？蓪IF劃分阿爾戈馬型(Algoma型)和蘇必利爾型(Superior型)[2,4-6]。阿爾戈馬型BIF主要產(chǎn)于太古宙—古元古代綠巖帶火山-沉積序列中，規(guī)模相對(duì)較小，形成過程通常與海底火山作用有關(guān)[7-8]；蘇必利爾型BIF則主要賦存于古元古代細(xì)碎屑巖-碳酸鹽巖等沉積地層中，不含或含極少量的火山巖，一般形成于被動(dòng)大陸邊緣的大陸架淺海環(huán)境，且規(guī)模普遍較大[6-7,9-10]。BIF成因研究對(duì)揭示早前寒武紀(jì)古海洋、古大氣的化學(xué)成分和氧化-還原環(huán)境以及進(jìn)一步認(rèn)識(shí)早期地球表生環(huán)境演化機(jī)制和構(gòu)造環(huán)境等均有重要意義[11-14]。

底圖引自文獻(xiàn)[24]，有所修改圖1 遼寧清原地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified Geological Sketch of Qingyuan Area in Liaoning

對(duì)BIF型鐵礦成礦物質(zhì)的來源問題[4,15-18]，長(zhǎng)期以來存在著較大的爭(zhēng)議[5,9]：一種觀點(diǎn)認(rèn)為成礦物質(zhì)來源于陸源物質(zhì)的風(fēng)化，如Wang等對(duì)五臺(tái)綠巖帶王家莊BIF及圍巖開展巖石學(xué)和地球化學(xué)研究認(rèn)為，成礦過程中存在大量陸源碎屑輸入，主要基于BIF存在少量的富鋁礦物，且具有較高的Al2O3及高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)含量，以及Al2O3、高場(chǎng)強(qiáng)元素和稀土元素含量之間成正相關(guān)關(guān)系等特征[19]；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為成礦物質(zhì)來源于海底火山作用，如Planavsky等對(duì)BIF、海相碳酸鹽巖及現(xiàn)代海水的稀土元素特征對(duì)比研究認(rèn)為，BIF是海底高溫?zé)嵋汉秃Ｋ旌系漠a(chǎn)物[20]，Zhang等對(duì)河北石人溝BIF的元素和U-Pb-O同位素研究認(rèn)為，其形成于大洋板塊俯沖過程有關(guān)的海底火山活動(dòng)[21]。此外，Li等還揭示出磷灰石和乙酸鐵鹽與磁鐵礦共存的現(xiàn)象，據(jù)此認(rèn)為西澳大利亞鐵建造形成于生物參與的沉積作用[22]。中國(guó)BIF主要分布在華北克拉通，集中在鞍山—本溪、密云—冀東、五臺(tái)—呂梁、霍邱—舞陽(yáng)、清原和魯西等地區(qū)[9,15](圖1)。前寒武紀(jì)BIF型鐵礦床與火山成因塊狀硫化物礦床存在時(shí)間上的耦合性[14]，并且在空間上二者的耦合關(guān)系已逐漸成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[23]，如鞍山—本溪和密云—冀東地區(qū)存在大量的大型—超大型BIF[5]，但并不發(fā)育火山成因塊狀硫化物礦床，而清原地區(qū)BIF型鐵礦床與火山成因塊狀硫化物礦床共生組合產(chǎn)出于綠巖帶中部[10](圖2)。張連昌等對(duì)清原綠巖帶變質(zhì)火山巖組合的巖石學(xué)及地球化學(xué)研究認(rèn)為，清原綠巖帶BIF型鐵礦床與火山成因塊狀硫化物礦床共生組合形成于新太古代弧后盆地環(huán)境[14]。彭自棟等對(duì)清原綠巖帶BIF的圍巖開展地球化學(xué)研究認(rèn)為，其形成于雙峰式火山巖廣泛發(fā)育的拉張構(gòu)造環(huán)境[10,23,25]。以上對(duì)清原綠巖帶BIF的構(gòu)造環(huán)境等研究多集中于火山巖圍巖，本文試圖通過BIF和碎屑沉積巖圍巖的成因研究為構(gòu)造環(huán)境提供新的制約。鑒于此，本文以華北克拉通清原地區(qū)小萊河BIF和碎屑沉積巖圍巖為切入點(diǎn)，在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，開展系統(tǒng)的礦物學(xué)、主量元素、微量元素及同位素地球化學(xué)分析，厘定巖石成因和物質(zhì)來源等，以期對(duì)小萊河BIF甚至華北克拉通BIF的形成機(jī)理及演化提供制約。

1 區(qū)域地質(zhì)與礦區(qū)特征

華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，擁有大于3.8 Ga的地質(zhì)演化史[12,26-27]，亦是中國(guó)境內(nèi)三大克拉通之一，總面積約3×105km2(圖1)[28]。華北克拉通的基底組成至少有兩種主流認(rèn)識(shí)[29-30]：翟明國(guó)等認(rèn)為華北克拉通基底由6個(gè)微陸塊組成，依次為膠遼陸塊、遷懷陸塊、阜平陸塊、許昌陸塊、集寧陸塊和阿拉善陸塊[28-29]；而Zhao等認(rèn)為華北克拉通基底分為西部陸塊、東部陸塊和華北中部碰撞造山帶[27,31](圖1)。

底圖引自文獻(xiàn)[36]，有所修改圖2 清原地區(qū)太古宙表殼巖系綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic Column Showing Formation and Member Names for the Archean Supracrustal Rocks in Qingyuan Area

遼寧清原地區(qū)位于華北克拉通東部陸塊(或膠遼陸塊)東北緣。前人研究認(rèn)為，太古宙基底被渾河斷裂分成新太古代渾南高級(jí)區(qū)和中太古代渾北綠巖帶[27,32](圖1)。已發(fā)表的年代學(xué)數(shù)據(jù)表明，渾河斷裂南北兩側(cè)的巖石形成時(shí)代主要為2.50 Ga，為新太古代晚期，南北兩側(cè)的巖石并無明顯的年齡差異[33-35]。另外，渾河斷裂兩側(cè)的巖石在礦物組合上也具有相似性，均呈現(xiàn)出角閃巖相至麻粒巖相變質(zhì)的特征[33-34]，表明渾河斷裂并非高級(jí)區(qū)和綠巖帶的分界。清原地區(qū)新太古代基底可以劃分為TTG-花崗質(zhì)片麻巖和綠巖帶表殼巖系[36]。表殼巖系由3個(gè)主要序列組成，自下而上依次為石棚子組、紅透山組和南天門組[27,36](圖2)。綠巖帶底部的石棚子組巖性主要為變質(zhì)基性—超基性火山巖，夾中酸性火山巖，變質(zhì)程度達(dá)到麻粒巖相，可進(jìn)一步劃分為兩段：下段以斜長(zhǎng)角閃巖、輝石角閃巖和少量黑云母斜長(zhǎng)片麻巖為主，基本無BIF發(fā)育；而上段則主要由互層的斜長(zhǎng)角閃巖和黑云母斜長(zhǎng)片麻巖組成，局部為少量含輝石角閃巖、云母石英片巖和BIF，原巖建造上具有雙峰式火山巖特征[14,36]。中部的紅透山組由互層產(chǎn)出的斜長(zhǎng)角閃巖和黑云斜長(zhǎng)片麻巖組成，并有少量BIF和黑云母片巖[37]。頂部的南天門組主要由角閃巖相變質(zhì)沉積巖組成，下段有少量BIF和變質(zhì)玄武巖[23,38]。

小萊河BIF型鐵礦床位于渾河斷裂以南敖家堡村附近，是遼寧清原地區(qū)規(guī)模最大的鐵礦床[36,39]。礦體及表殼巖系圍巖呈殘留體形式分布于太古宙TTG片麻巖中(圖1)。小萊河BIF的圍巖主要為下伏石棚子組上段互層的斜長(zhǎng)角閃巖和黑云斜長(zhǎng)片麻巖、變粒巖等(原巖為基性巖和中酸性火山巖)，上覆斜長(zhǎng)角閃巖和紫蘇麻粒巖，局部可見到薄層的石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖(原巖為碎屑沉積巖)[36,39]。BIF與圍巖整合接觸，接觸界面無混合、侵蝕等現(xiàn)象。BIF的單層厚度差異大，幾米至數(shù)十米不等。受斷層和沉積后變質(zhì)-變形作用強(qiáng)烈改造的BIF分布以單斜構(gòu)造為主，局部呈復(fù)式褶皺，走向大致沿SN向，傾向NE，傾角為30°～60°[36]。

2 巖石學(xué)特征和分析方法

Mag為磁鐵礦；Qtz為石英；Opx為斜方輝石；Pl為斜長(zhǎng)石；Gr為石榴石；Bi為黑云母；LQ1、LQ4、LQ8為電子探針分析點(diǎn)編號(hào)圖3 小萊河BIF的野外和鏡下照片F(xiàn)ig.3 Field Photos and Photomicrographs of Xiaolaihe BIF

本文研究的樣品采自華北克拉通東北部遼寧清原地區(qū)小萊河鐵礦區(qū)[圖3(a)],采樣點(diǎn)經(jīng)緯度為(41°53′04″N，124°41′30″E)，包括了BIF和變質(zhì)碎屑沉積巖圍巖[圖3(b)]。小萊河BIF呈鐵黑色，具有條帶狀構(gòu)造，顆粒大小為1～3 mm，鑲嵌中粒等粒粒狀變晶結(jié)構(gòu)[圖3(c)]，主要由磁鐵礦(體積分?jǐn)?shù)為35%～50%)、石英(25%～35%)和硅酸鹽(輝石類和角閃石類，15%～30%)組成，含少量黃鐵礦(少量經(jīng)氧化成褐鐵礦)及方解石等(<5%)[37,39](如樣品LQ7-1)[圖3(d)]。斜方輝石為淺綠色，發(fā)育兩組近直交解理，解理夾角為87°或93°，中正至高正突起，糙面顯著(如樣品LQ7-2-1)[圖3(e)]，推測(cè)與其變質(zhì)程度較高(麻粒巖相變質(zhì))有關(guān)，與清原綠巖帶巖石經(jīng)歷角閃巖相至麻粒巖相變質(zhì)的特征[33-34]一致。變質(zhì)碎屑沉積巖圍巖的巖性變化較大且遭受不同程度的綠簾石化或綠泥石化等蝕變(表3)，如石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖主要由石英(體積分?jǐn)?shù)為10%～25%)、斜長(zhǎng)石(35%～40%)、黑云母(15%～20%)、石榴子石(10%～15%)、角閃石(3%～5%)和磁鐵礦(1%～3%)組成，部分圍巖樣品的磁鐵礦體積分?jǐn)?shù)較高(>10%)。

礦物電子探針分析在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司電子探針與電鏡實(shí)驗(yàn)室日本島津公司EPMA-1600型電子探針儀上完成。工作電壓為15 kV，加速電流為20 nA，束斑直徑為2～5 μm，以天然樣品和人工合成氧化物為標(biāo)準(zhǔn)樣品，分析精確度優(yōu)于2%。樣品需經(jīng)偏光顯微鏡鑒定后，再選擇新鮮樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析，樣品的粉碎加工均在無污染設(shè)備中進(jìn)行。樣品主量元素分析于武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司實(shí)驗(yàn)室完成，采用熔片X射線熒光光譜(XRF)分析法，使用XRF-1500型X熒光光譜儀測(cè)試，分析誤差為1%～3%，燒失量的數(shù)值是根據(jù)1 g粉末加熱1 h時(shí)獲得。樣品微量元素(含稀土元素)分析在中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所實(shí)驗(yàn)室完成，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜分析法，標(biāo)樣為國(guó)家級(jí)巖石標(biāo)準(zhǔn)樣品GSR-1(黑云母花崗巖)和GSR-3(橄欖玄武巖)。質(zhì)譜測(cè)定過程中，以多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液制作工作曲線來校準(zhǔn)元素含量。當(dāng)元素含量大于10×10-6時(shí)，分析精度優(yōu)于5%；當(dāng)含量小于10×10-6時(shí)，分析精度優(yōu)于10%。將50 mg巖石粉末溶解于混合酸(HF/HClO4)置于封蓋的Savillex Teflon破碎機(jī)中，恒溫120 ℃條件下加熱6 d，干燥成濕鹽并重新溶解在0.5 mL HClO4溶液中；在140 ℃條件下蒸發(fā)成濕鹽，并在120 ℃條件下利用1 mL HNO3溶液和3 mL水混合液中復(fù)溶24 h，以待測(cè)試。樣品Sm-Nd同位素分析在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心同位素實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試儀器為美國(guó)THERMO FISHER公司生產(chǎn)的Triton型熱電離同位素質(zhì)譜儀(TIMS)，143Nd/144Nd值按照146Nd/144Nd值為0.721 900進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，調(diào)整至JMC Nd2O3143Nd/144Nd值為0.511 122。在濃度測(cè)量中，Sm和Nd濃度影響同位素稀釋的不確定性(0.2%～0.5%)，Sm平均程序空白為50 pg，Nd平均程序空白為50～100 pg，147Sm衰變常數(shù)為0.006 54 Ga-1。Sm-Nd同位素分析的樣品前處理工作在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。使用HCl溶液清洗過的二次陽(yáng)離子交換柱對(duì)Sm和Nd進(jìn)行提純處理[40]。

3 結(jié)果分析

3.1 礦物化學(xué)特征

本文選取遼寧清原地區(qū)小萊河BIF中的斜方輝石進(jìn)行電子探針分析[圖3(e)]。斜方輝石SiO2含量為48.15%～50.87%，F(xiàn)eO含量為27.19%～35.31%，MgO含量為11.79%～12.86%，Al2O3含量為0.70%～0.98%，CaO含量為0.42%～0.95%，MnO含量為0.83%～0.90%，Cr2O3、TiO2、Na2O及K2O含量均較低(表1)。在Wo-En-Fs圖解(圖4)[41]中，頑火輝石端元(MgSiO3)含量為33.54%～39.71%，鐵輝石端元(FeSiO3)含量為55.67%～61.51%，硅輝石端元(CaSiO3)含量為0.91%～1.94%，表明小萊河BIF中的斜方輝石為鐵紫蘇輝石。

表1 斜方輝石樣品LQ7-2-1電子探針分析結(jié)果Table 1 EPMA Results of Orthorhombic Pyroxene (Sample LQ7-2-1)

3.2 巖石化學(xué)特征

小萊河BIF主量元素分析結(jié)果見表2。從表2可以看出：SiO2含量為39.04%～61.36%，平均值為48.95%；FeOT含量范圍較大(32.19%～52.39%)，平均值為43.32%；Al2O3含量變化范圍很小(0.45%～1.17%)，平均值為0.85%；MgO含量為1.90%～5.36%，平均值為3.60%；CaO含量為0.65%～4.07%，平均值為1.62%；大部分樣品MnO、TiO2及堿金屬氧化物(Na2O和K2O)含量不足1%。小萊河BIF的SiO2與FeOT含量呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)，但與其他氧化物相關(guān)性不強(qiáng)。

表2 小萊河BIF主量和微量元素分析結(jié)果Table 2 Analysis Results of Major and Trace Elements of Xiaolaihe BIF

碎屑沉積巖圍巖的主量元素分析結(jié)果見表3。從表3可以看出：SiO2含量為38.60%～63.52%，平均值為48.95%；FeOT含量范圍較大(20.34%～46.71%)，平均值為33.62%；TiO2含量為0.06%～1.03%，平均值為0.31%；Al2O3含量變化范圍較大(2.49%～16.36%)，平均值為8.45%；MnO含量為0.02%～0.69%，平均值為0.26%；MgO含量為1.61%～7.54%，平均值為3.45%；CaO含量變化范圍較大(0.95%～9.55%)，平均值為4.00%；堿金屬氧化物(Na2O和K2O)含量較低，Na2O含量為0.03%～2.54%，平均值為0.39%，K2O含量為0.04%～1.47%，平均值為0.38%。碎屑沉積巖圍巖的SiO2與其他氧化物含量相關(guān)性均不強(qiáng)(圖5)。樣品中的堿金屬氧化物含量變化范圍較大[圖5(g)、(h)]，大多數(shù)樣品具有較低的K2O和Na2O含量，因此，高K2O和Na2O含量可能是在變質(zhì)過程中K和Na的高遷移率導(dǎo)致的[41]。

底圖引自文獻(xiàn)[41]，有所修改圖4 輝石端元組分圖解Fig.4 Endmember Diagram of Pyroxene

圖5 小萊河BIF和碎屑沉積巖圍巖哈克圖解Fig.5 Harker Diagrams of Xiaolaihe BIF and Its Associated Clastic Sedimentary Rock

在后太古代澳大利亞頁(yè)巖(PAAS)標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式(圖6)中，BIF及圍巖均呈現(xiàn)出輕稀土元素(LREE)相對(duì)虧損、重稀土元素(HREE)相對(duì)富集的特點(diǎn)。除樣品LQ7-1外，BIF的(La/Yb)PAAS值變化范圍較小(0.22～0.47)，呈現(xiàn)出顯著的Ce負(fù)異常至微弱的正異常(0.85～1.04)和顯著的Eu正異常(1.40～2.57)，Y/Ho值為29.67～37.00。碎屑沉積巖圍巖的(La/Yb)PAAS值變化范圍較大(0.01～0.47)，平均值為0.21，呈現(xiàn)出輕微的Ce負(fù)異常(0.90～0.97)，而Eu異常變化范圍較大(0.24～1.77)，Y/Ho值為27.13～35.42。

ws為樣品含量；wPAAS為PAAS含量；PAAS標(biāo)準(zhǔn)化值引自文獻(xiàn)[43]圖6 小萊河BIF和碎屑沉積巖圍巖PAAS標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式Fig.6 PAAS-normalized REE Patterns of Xiaolaihe BIF and Its Associated Clastic Sedimentary Rock

3.3 Sm-Nd同位素特征

1件小萊河BIF樣品和5件碎屑沉積巖圍巖樣品的Sm-Nd同位素分析結(jié)果見表4和圖7。小萊河BIF樣品的147Sm/144Nd值為0.131 9，143Nd/144Nd值為0.511 87，εNd(2.50 Ga)值為5.7，呈現(xiàn)出虧損型地幔源區(qū)特征。碎屑沉積巖圍巖樣品的147Sm/144Nd值為0.105 8～0.445 6，143Nd/144Nd值為0.511 280～0.516 438，εNd(2.50 Ga)值為-5.3～3.8。

圖7 Sm-Nd同位素等時(shí)線圖Fig.7 Isochron Diagram of Sm-Nd Isotope

4 討 論

4.1 碎屑沉積巖圍巖地球化學(xué)特征

因?yàn)檫|寧清原地區(qū)小萊河BIF的碎屑沉積巖圍巖遭受絹云母化等蝕變和角閃巖-麻粒巖相變質(zhì)作用[36]，所以在分析巖石成因之前需要考慮以上過程等對(duì)地球化學(xué)特征的影響。碎屑沉積巖圍巖的燒失量較低(0.2%～4.0%,表3)以及微弱的Ce異常[圖6(b)]，表明其未發(fā)生明顯的次生蝕變、碳化及硅化等作用。Ague指出沉積巖主量元素在變質(zhì)過程中遷移率較低，在經(jīng)歷角閃巖相變質(zhì)作用之后仍能保持CaO、Na2O和K2O等含量基本不變[42]。綜上所述，本文研究的碎屑沉積巖圍巖地球化學(xué)特征可以用來揭示物質(zhì)來源和構(gòu)造環(huán)境等。在原巖判別圖解中，樣品均落于泥質(zhì)沉積巖區(qū)[圖8(a)]，說明小萊河BIF的圍巖為副變質(zhì)巖，這些泥質(zhì)巖樣品落于鐵砂和鐵頁(yè)巖范圍[圖8(b)]。

表3 小萊河BIF的圍巖主量和微量元素分析結(jié)果Table 3 Analysis Results of Major and Trace Elements of the Wall Rocks Associated with Xiaolaihe BIF

續(xù)表 3

表4 小萊河BIF和圍巖Sm-Nd同位素分析結(jié)果Table 4 Analysis Results of Sr-Nd Isotope of Xiaolaihe BIF and Its Wall Rock

陸源碎屑物質(zhì)的化學(xué)成分受若干地質(zhì)因素影響，包括化學(xué)風(fēng)化、沉積分選、再循環(huán)和成巖作用等[43-45]，對(duì)判別沉積物源區(qū)特征及構(gòu)造環(huán)境等會(huì)產(chǎn)生一定的干擾[46]。因此，首先需要對(duì)以上過程進(jìn)行分析。碎屑巖的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)常用來定量評(píng)價(jià)源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度[47-48]。研究表明，未風(fēng)化的巖石化學(xué)蝕變指數(shù)通常小于50，遭受強(qiáng)烈風(fēng)化的巖石化學(xué)蝕變指數(shù)可達(dá)100[40,49]。碎屑沉積巖圍巖的化學(xué)蝕變指數(shù)為21.97～90.44，平均值為58.40，表明大部分樣品的源區(qū)遭受低—中程度化學(xué)風(fēng)化(表3)。A-CN-K圖解既可以為源區(qū)風(fēng)化趨勢(shì)提供制約，又可以利用風(fēng)化趨勢(shì)反向投影到長(zhǎng)石連線(斜長(zhǎng)石-堿性長(zhǎng)石的連線)上的交點(diǎn)來推斷沉積物源區(qū)的組成，該交點(diǎn)可近似代表物源區(qū)的斜長(zhǎng)石和堿性長(zhǎng)石相對(duì)比例[48,50]。碎屑沉積巖圍巖的風(fēng)化趨勢(shì)平行于Al2O3-CaO*+Na2O軸[圖8(c)]，接近英云閃長(zhǎng)巖-花崗閃長(zhǎng)巖-花崗巖的理想風(fēng)化趨勢(shì)，風(fēng)化趨勢(shì)與長(zhǎng)石連線的交點(diǎn)靠近斜長(zhǎng)石端元，表明圍巖物源區(qū)組分中的堿性長(zhǎng)石含量極低，沉積物源區(qū)應(yīng)該存在奧長(zhǎng)花崗巖和英云閃長(zhǎng)巖組分[41]。此外，多數(shù)樣品均遠(yuǎn)離Al2O3-K2O軸，表明源區(qū)的風(fēng)化過程受控于斜長(zhǎng)石分解過程，與樣品的低—中程度化學(xué)風(fēng)化特征[41]一致。僅有一個(gè)樣品靠近Al2O3-K2O軸，可能是后期的鉀質(zhì)交代導(dǎo)致[41]。

x(·)為化合物摩爾分?jǐn)?shù)；CaO*為硅酸鹽組分中的CaO；圖(c)中3個(gè)箭頭分別代表英云閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖的理想風(fēng)化趨勢(shì)；圖(a)底圖引自文獻(xiàn)[53]；圖(b)底圖引自文獻(xiàn)[52]，有所修改；圖(c)引自文獻(xiàn)[48]，有所修改；圖(d)底圖引自文獻(xiàn)[54]；圖(e)底圖引自文獻(xiàn)[55]；圖(f)底圖引自文獻(xiàn)[52]圖8 碎屑沉積巖圍巖物源分析圖解Fig.8 Provenance Diagrams of Clastic Sedimentary Rock

Th/Sc-Zr/Sc圖解可以揭示沉積物的沉積分選和沉積再循環(huán)程度[51-52]。酸性巖富集Th，而基性巖富集Sc，因此，在沉積分選過程中Th/Sc值變化范圍較大，而在沉積再循環(huán)過程中Th/Sc值變化范圍較小。由于鋯石在沉積循環(huán)過程中較為穩(wěn)定，所以沉積再循環(huán)的Zr/Sc值顯著增加。受物源區(qū)成分變化控制的沉積物Th/Sc和Zr/Sc值之間往往成正相關(guān)關(guān)系[54-56][圖8(d)]。小萊河BIF的碎屑沉積巖圍巖Th/Sc值分布在0.03～1.18，Zr/Sc值分布在0.05～11.25，表明圍巖的化學(xué)特征主要受成分變化控制而非沉積再循環(huán)過程，且沉積物源區(qū)可能相對(duì)復(fù)雜。

Sm-Nd同位素特征結(jié)合微量元素比值(如Th/Sc值)可以進(jìn)一步揭示沉積物源區(qū)的性質(zhì)[55]。例如，McLennan等提出弧后和大陸弧背景下的沉積巖主要沿島弧安山巖和上地殼之間的混合線分布，而形成于弧前背景下的沉積巖落在島弧安山巖和洋中脊玄武巖之間[52]。小萊河BIF的碎屑沉積巖圍巖主要落在島弧安山巖與長(zhǎng)英質(zhì)成分過渡區(qū)域，與沉積物源區(qū)存在奧長(zhǎng)花崗巖和英云閃長(zhǎng)巖組分相吻合，但其中一個(gè)樣品投在洋中脊玄武巖區(qū)域，暗示物源區(qū)可能存在少量基性—超基性巖[56][圖8(d)]。Roser等指出K2O/Na2O值和SiO2含量可以區(qū)分不同的構(gòu)造環(huán)境[57]。小萊河BIF的碎屑沉積巖圍巖均落在島弧環(huán)境[圖8(f)]，與樣品主要落在島弧安山巖、長(zhǎng)英質(zhì)成分和上地殼之間的特征一致[圖8(e)]，表明圍巖可能形成于大洋島弧體制下的弧后盆地構(gòu)造環(huán)境。碎屑沉積巖圍巖的Sm-Nd同位素等時(shí)線結(jié)果通過Isoplot 4.15軟件[58]計(jì)算得出(圖7)，獲得的等時(shí)線年齡為2 528 Ma(樣品為4個(gè))，初始143Nd/144Nd值為0.509 513±0.000 351，與前人通過鋯石U-Pb方法獲得小萊河鐵礦角閃變粒巖(火山巖圍巖)的原巖年齡為2.51 Ga在誤差范圍內(nèi)一致[33,36]，因此，應(yīng)將小萊河BIF的形成時(shí)代厘定為新太古代晚期。

4.2 BIF成因

BIF物質(zhì)來源一直存在不同觀點(diǎn)[9]，如陸殼風(fēng)化、海底火山或者海底水巖反應(yīng)等[59-61]。全巖SiO2和FeOT含量對(duì)判別BIF沉積物源有一定的指示意義[62]。小萊河BIF的SiO2+FeOT含量變化范圍較大為(72.98%～90.70%)，多數(shù)落于世界BIF范圍內(nèi)，與五臺(tái)山鐵礦范圍完全一致(圖9)。但個(gè)別樣品Al2O3含量較高(表2)，表明這些樣品在沉積過程中有少量陸源碎屑物質(zhì)輸入[16,61-62]。

底圖引自文獻(xiàn)[16]圖9 FeOT-CaO+MgO-SiO2圖解Fig.9 Diagram of FeOT-CaO+MgO-SiO2

小萊河BIF內(nèi)潛在的陸源碎屑物質(zhì)包括了清原地區(qū)太古宙超基性巖類、玄武巖、石英閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、英安-流紋巖和TTG片麻巖等[56,63](圖10)。Condie認(rèn)為Cr/Th、Co/Th與Sc/Th值可以靈敏地反映碎屑物源：巖石越偏基性，Cr/Th、Co/Th與Sc/Th值越高；在Co/Th-Sc/Th圖解中，超基性巖類斜率最大，Co/Th值最高，平均為1 100，玄武巖次之，Co/Th平均值為75，中酸性巖Co/Th平均值為2，酸性巖Co/Th值最低，平均值僅為0.1[64]。小萊河BIF樣品的Co/Th值為4.48～24.10，平均值為15.53，呈現(xiàn)出與中酸性巖石一致的演化趨勢(shì)(圖10)，與A-CN-K圖解中碎屑沉積巖圍巖呈現(xiàn)出奧長(zhǎng)花崗巖和英云閃長(zhǎng)巖的風(fēng)化趨勢(shì)特征吻合[圖8(c)]，進(jìn)一步說明陸源碎屑物質(zhì)主要來自中酸性物源區(qū)。結(jié)合小萊河BIF具有顯著的Sr負(fù)異常至輕微的正異常及Nb、Ta負(fù)異常(圖11)，以及與TTG片麻巖的地球化學(xué)特征[56]一致，指示小萊河BIF的碎屑物質(zhì)主要是TTG片麻巖的貢獻(xiàn)，但并不能完全排除石英閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖和基性—超基性巖物源等。

各類巖石數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[56];底圖引自文獻(xiàn)[59]，有所修改圖10 Co/Th-Sc/Th圖解Fig.10 Diagram of Co/Th-Sc/Th

wc為球粒隕石含量；同一圖中相同線條代表不同樣品；熱液數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[65]；海水?dāng)?shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[66]；混合溶液數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[67]；PAAS標(biāo)準(zhǔn)化值引自文獻(xiàn)[40];球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值引自文獻(xiàn)[45];超基性巖類數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[54]圖11 小萊河BIF的PAAS標(biāo)準(zhǔn)化和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式Fig.11 PAAS- and Chondrite-normalized REE Patterns of Xiaolaihe BIF

稀土元素具備相似的地球化學(xué)特征及在水中低的溶解度，因而成為厘定沉積物源的重要工具[68]。影響B(tài)IF稀土元素特征的物質(zhì)包括了陸源碎屑物質(zhì)、火山灰和海水中的磷酸鹽礦物[10,69]。為了獲得較“純凈”的BIF，需進(jìn)行如下步驟挑選樣品：①由于陸源碎屑物質(zhì)具有較高的Al2O3含量，首先以Al2O3含量小于1%為標(biāo)準(zhǔn)，選取Al2O3含量低的樣品排除陸源碎屑物質(zhì)對(duì)稀土元素的影響；②小萊河BIF樣品的Zr與Th含量之間缺乏相關(guān)性，且不相容元素Zr、Sc、Th等含量均極低，表明未受到火山物質(zhì)的混染[13]；③Th/U值與P2O5含量之間缺乏相關(guān)性，排除了磷酸鹽礦物的混染[59]。綜上所述，Al2O3含量低的樣品未受到碎屑物質(zhì)的混染，是相對(duì)“純凈”的化學(xué)沉積物，可以用來分析小萊河BIF成因。

經(jīng)PAAS標(biāo)準(zhǔn)化后的“純凈”小萊河BIF稀土元素配分模式呈現(xiàn)與世界上其他BIF一致的特征，即輕稀土元素相對(duì)重稀土元素虧損，La、Eu、Y正異常及無Ce異常的特征[16,62,70]。現(xiàn)代海水以輕稀土元素虧損，重稀土元素富集，La、Y正異常為標(biāo)志，高溫?zé)嵋毫黧w則具有Eu正異常的特征[65-67]。小萊河BIF稀土元素配分模式，與高溫?zé)嵋汉秃Ｋ凑?∶100混合產(chǎn)物的稀土元素配分模式[71]一致，暗示小萊河BIF可能是海水和高溫?zé)嵋汗餐饔玫慕Y(jié)果。樣品LQ7-1與高溫?zé)嵋旱南⊥猎嘏浞帜Ｊ礁咏?，可能是高溫?zé)嵋簩?duì)該樣品的貢獻(xiàn)較大造成的[圖11(a)]。

前人對(duì)BIF物質(zhì)來源的研究表明，熱液可以通過淋濾海底的火山巖提供Fe和Si[72-74]。Wang等通過熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，高Al的大洋玄武巖Fe2+會(huì)被熱液蝕變形成的綠泥石圈閉，而低Al的科馬提巖類熱液蝕變形成蛇紋石，F(xiàn)e2+會(huì)被自由淋濾出[73]。同時(shí)，Mg/Si值太高會(huì)圈閉Si，因此，能夠淋濾出富Si、Fe的洋殼巖石只有科馬提巖類[73,75]?？紤]到小萊河BIF產(chǎn)于清原綠巖帶底部的鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖石組合內(nèi)部(含科馬提巖類)[56,76-77]，同時(shí)小萊河BIF稀土元素配分模式(尤其是中—重稀土元素含量)[圖11(b)]及Nd同位素強(qiáng)烈虧損(表4)與清原綠巖帶底部的超基性巖類相似，整體呈平緩型，暗示其物質(zhì)來源可能是高溫?zé)嵋簩?duì)超基性巖類的淋濾。

綜合產(chǎn)狀、時(shí)代、成因和圍巖形成環(huán)境等地質(zhì)資料，小萊河BIF為形成于新太古代晚期弧后盆地內(nèi)的阿爾戈馬型BIF[9]。至于遼寧清原地區(qū)是否存在地幔柱或者原始地幔柱的疊加作用[24]，還需要進(jìn)一步工作證實(shí)，但本文可以提供3個(gè)思路：①清原綠巖帶內(nèi)超基性巖的成因解釋，若超基性巖屬于科馬提巖類[76]，科馬提巖類呈現(xiàn)出異常高的地幔潛能溫度，表明其來源于異常熱的地幔源區(qū)，很難在板塊俯沖帶附近的上地幔環(huán)境中產(chǎn)生[77]。②清原地區(qū)新太古代基底巖石的時(shí)空分布，首先基底TTG-花崗質(zhì)片麻巖構(gòu)造樣式為卵形穹窿構(gòu)造(圖1)，其次結(jié)合華北克拉通東部其他陸塊新太古代晚期基底巖石(包括TTG-花崗質(zhì)片麻巖和綠巖帶)的年代學(xué)資料，自西至東800 km寬度范圍內(nèi)沒有任何系統(tǒng)性或者區(qū)域上的形成時(shí)代遞增或者遞減變化，即在短時(shí)間內(nèi)形成巨量巖漿巖，明顯不同于顯生宙巖漿弧的構(gòu)造樣式和時(shí)空關(guān)系。③BIF型鐵礦床與火山成因塊狀硫化物礦床的成因聯(lián)系，二者礦物質(zhì)均來自熱液系統(tǒng)，且在時(shí)空分布上存在耦合關(guān)系，BIF型鐵礦床在清原綠巖帶各層位中都有產(chǎn)出(圖2)，如石棚子組上段的小萊河和于家堡，紅透山組的大荒溝、太陽(yáng)溝和馬家店以及南天門組下部的下甸子等BIF型鐵礦床[37]，而火山成因塊狀硫化物礦床均產(chǎn)于綠巖帶中部的紅透山組(圖2)，如紅透山、樹基溝、大荒溝、稗子溝、張胡子溝和紅旗山等火山成因塊狀硫化物礦床[38]。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)遼寧清原地區(qū)Al2O3含量高的樣品BIF遭受以TTG片麻巖為主的陸源碎屑物質(zhì)的混染，而未受陸源碎屑輸入影響的BIF與高溫?zé)嵋?、海水混合溶液及綠巖帶底部的超基性巖稀土元素配分模式相似，暗示來源可能是高溫?zé)嵋簩?duì)超基性巖類的淋濾。

(2)小萊河BIF碎屑沉積巖圍巖地球化學(xué)特征表明物源區(qū)以長(zhǎng)英質(zhì)巖石為主，呈中—低程度化學(xué)風(fēng)化，形成在島弧體系下。

(3)小萊河BIF原巖沉積于新太古代晚期的大洋島弧體系下的弧后盆地環(huán)境，系阿爾戈馬型BIF。

李 壯：恰逢西安地質(zhì)調(diào)查中心組建六十周年，我和學(xué)生楊帆共同撰文表達(dá)我們的衷心祝賀！我所在的中國(guó)石油大學(xué)(北京)與西安地質(zhì)調(diào)查中心在科學(xué)研究、人才培養(yǎng)等方面開展了較多合作并取得了不錯(cuò)的成績(jī)！祝福西安地質(zhì)調(diào)查中心在新的征程上再鑄輝煌！此外，多位同行在本次研究期間提供了大量幫助，特別是彭自棟博士分享了大量研究資料，在此一并表示感謝！