地球科学学院在Earth and Planetary Science Letters上发表宣龙式铁矿原生含铁矿物的最新进展

近日，云南大学地球科学学院地质学系、云南省关键矿产成矿过程和机制国际联合实验室教师蔡瑜杭同中国地质科学院地质力学研究所张拴宏研究员、东华理工大学裴军令研究员等学者合作，在华北北缘古元古代宣龙式铁矿原生含铁矿物及其古环境意义方面取得新进展。相关成果以“Paleomagnetic constraints on the primary iron minerals of the late Paleoproterozoic Xuanlong-type ironstone in the North China Craton”为题，发表在国际知名期刊《Earth and Planetary Science Letters》。

重大生物演化事件与古环境变化之间的耦合关系是前寒武纪研究的热点。作为一类能记录地球各圈层演化过程信息的化学沉积岩，条带状铁建造(banded iron formation, BIF)和粒状铁建造(granular iron formation, GIF)是前寒武纪古环境演化研究的重要研究对象。赤铁矿是铁建造中一种常见三价铁的铁氧化物，其形成常常与氧气等氧化剂的存在息息相关而常作为氧化环境的指示矿物。但是，自然条件下，除了直接从水溶液中沉淀而成，赤铁矿也能由岩石中铁的氢氧化物(如针铁矿、褐铁矿等)或其它含二价铁的含铁矿物(如黄铁矿、菱铁矿等)在后期地质作用中脱水或热分解而形成。后一种情况下形成的赤铁矿常常为次生矿物而次生赤铁矿的存在也给准确重建铁建造沉淀时的古环境带来了障碍。

古元古代晚期(按我国地质年代表为中元古代早期)是单细胞真核生物向多细胞真核生物演化的关键时期(Miao et al., 2024)。在此时间段内，华北北缘串岭沟组底部(~16.4亿年)发育了一套著名的GIF——宣龙式铁矿(图1)，其含铁矿物主要为赤铁矿且其它含铁矿物含量少。高含量的赤铁矿使宣龙式铁矿成为国内著名的富铁矿床，也使其成为了古中元古代古环境演化研究的热点之一。但是，目前鲜有研究讨论宣龙式铁矿中的赤铁矿是否为其原生矿物。围绕这一科学问题，研究团队以宣龙式铁矿为研究对象，综合运用古地磁学、岩石磁学和原位分析等技术方法，在限定宣龙式铁矿中的原生含铁矿物的基础上，探讨其沉淀时古环境意义，取得以下的主要认识：

图1 (a)宣龙地区地质简图；(b)宣龙地区构造位置示意图；(c) 长城系地层年代框架

1、在微区原位分析(SEM-EDS)结果中(图2)，宣龙式铁矿铁质鲕粒和铁质叠层石发育清晰和完整的纹层结构，可分为致密层和疏松层，且疏松层赤铁矿中Al和Si替代程度强于致密层。κ−T曲线和低温磁学实验等实验结果均显示出赤铁矿和菱铁矿的典型磁学信号(图3)。样品中赤铁矿在约160℃出现Morin转换(图3)。同时，结合微区原位分析(SEM-EDS)结果(图2)，可知样品中赤铁矿为含铝赤铁矿(铝离子以类质同像的形式替代铁离子)。

图2 (a)宣龙式铁矿代表样品光片的光学显微镜图像(反射光)；(b-f) 宣龙式铁矿代表样品扫描电镜—能谱分析(SEM-EDS)结果

2、古地磁学结果表明：从宣龙式铁矿中分离出的高温特征剩磁分量能通过C级倒转检验和褶皱检验，相应的古地磁极为50°N，193°E。该古地磁极位置与华北南缘同期崔庄组(~16.4亿年)的古地磁极结果相近。结合显微镜下分析和岩石磁学分析结果，该特征剩磁被解释为原生剩磁，并为早期成岩作用中沉淀的含铝赤铁矿所携带的化学剩磁。古地磁学研究结果肯定了含铝赤铁矿是宣龙式铁矿的原生矿物，也确定了宣龙式铁矿的成矿时代为古元古代晚期。

图3 宣龙式铁矿部分代表样品岩石磁学结果

3、通过解析含铝赤铁矿的携磁机制、铁质鲕粒和叠层石的生长过程，宣龙式铁矿中铁质鲕粒和铁质叠层石中致密层或疏松层赤铁矿的发育过程实际上就是沉积物孔隙水化学成分的变化过程，反映的是宣龙式铁矿沉积区处于海陆过渡带特殊位置的海平面相对高度变化。当相对海平面上升时，沉积物中孔隙水以海底热液输入的水体占主体，发育致密层，而当相对海平面下降时，沉积物中孔隙水以径流输入的水体占主体，发育疏松纹层。

本研究受到国家自然科学基金(41920104004、U2244213、41725011、42302247)的资助。相关研究成果发表在国际知名期刊《Earth and Planetary Science Letters》：Cai, Y.H.*, Zhang, S.-H., Pei, J.L., Tong, Y.B., Zhou, Z.Z., Hou, L.F., 2024. Paleomagnetic constraints on the primary iron minerals of the late Paleoproterozoic Xuanlong-type ironstone in the North China Craton. Earth and Planetary Science Letters 647, 119013, DOI: 10.1016/j.epsl.2024.119013.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.119013