王長樂 張連昌 蘭彩云 李紅中 黃華

WANG ChangLe1，2，ZHANG LianChang1＊＊，LAN CaiYun2，3，LI HongZhong1 and HUANG Hua1

1. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640

1. Key Laboratory of Mineral Resources，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

3. Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China

2014-09-03 收稿，2015-05-05 改回.

條帶狀鐵建造(Banded iron formations，BIFs)作為前寒武紀(jì)地層紀(jì)錄的重要物質(zhì)組成，是一種特征的富鐵化學(xué)沉積巖(TFe ＞15%)，通常由互層的富鐵和富硅條帶構(gòu)成(James，1954;Trendall，1983)。它們是火山和構(gòu)造活動(dòng)、生物演化及海洋組成相互作用的產(chǎn)物(Huston and Logan，2004;Holland，2005;Bekker et al.，2010)，因而，研究BIF 可為了解地殼的早期構(gòu)造演化、地球的早期水圈及大氣圈的成分等提供重要信息。

James(1954，1966)依據(jù)礦物組構(gòu)用沉積相的觀點(diǎn)對BIF 進(jìn)行了分類，分別運(yùn)用四個(gè)相來對應(yīng)于不同水深的產(chǎn)物，即氧化物相、硅酸鹽相、碳酸鹽相、硫化物相。氧化物相主要含鐵礦物為磁鐵礦和赤鐵礦，而碳酸鹽相的主要成分則是菱鐵礦和鐵白云石。硅酸鹽相的礦物組成較為復(fù)雜，很大程度上取決于沉積后的變質(zhì)程度。在低級(jí)變質(zhì)的條件下，會(huì)出現(xiàn)鐵蛇紋石、鐵滑石、黑硬綠泥石、鐵綠泥石及鐵白云母等。隨著變質(zhì)程度的升高，相應(yīng)會(huì)出現(xiàn)鎂鐵閃石、鐵閃石、輝石及鐵橄欖石等。硫化物相以出現(xiàn)黃鐵礦或磁黃鐵礦為特征，可是由于其具有較高的硅質(zhì)碎屑含量，該相對應(yīng)的巖性可描述為黃鐵礦化的黑色頁巖。雖然它與其他相的BIF 聯(lián)系緊密，可是對于其中的黃鐵礦的成因卻具有較大爭議(Fripp，1976;Phillip et al.，1984;Groves et al.，1987;Simonson，2003)。一些學(xué)者認(rèn)為硫化物相不是一種條帶狀鐵建造的類型(Beukes and Gutzmer，2008;Bekker et al.，2010)。

依據(jù)BIF 形成的構(gòu)造沉積環(huán)境，可將其劃分為Algoma和Superior 兩種類型(Gross，1980，1996)。Algoma 型BIF 主要發(fā)育于綠巖帶中，規(guī)模相對較小，經(jīng)常與鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)的火山巖或者火山碎屑巖及雜砂巖相關(guān)聯(lián)，產(chǎn)出于島弧/弧后區(qū)域或者克拉通內(nèi)部的裂谷帶中;Superior 型BIF 規(guī)模較大且連續(xù)性好，通常與被動(dòng)大陸邊緣的大陸架淺海沉積序列密切共生，常見巖性為臺(tái)地碳酸鹽巖、炭質(zhì)頁巖和石英砂巖等。

圖1 山西呂梁地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)萬渝生等，2000 改編)呂梁地區(qū)在華北克拉通的構(gòu)造位置可見插圖(Zhao et al. ，2005)Fig.1 Sketch geological map of the Lüliang area in Shanxi Province (modified from Wan et al.，2000)，showing the distribution of strata and granitesThe insert shows the location of the Lüliang area in the North China Craton (revised after Zhao et al. ，2005)

華北克拉通是世界上條帶狀鐵建造的重要產(chǎn)區(qū)之一，主要集中于鞍山-本溪、冀東、山西五臺(tái)-呂梁和安徽霍邱等地區(qū)。袁家村BIF 位于華北克拉通中部，分布于呂梁地區(qū)的嵐縣袁家村一帶，是山西省重要的鐵礦資源產(chǎn)地(沈保豐等，2010)。與華北克拉通其他地區(qū)的BIF 相比，袁家村BIF 具有特殊的研究意義。首先，大多數(shù)BIFs 形成于新太古代(Zhang et al.，2011，2012;萬渝生等，2012;代堰锫等，2012;Zhai and Santosh，2013)，而袁家村BIF 形成于古元古代(2.3 ～2.1Ga)(于津海等，1997a;耿元生等，2000;Liu et al.，2012)，處于大氧化事件期間或其后(GOE，2.4 ～2.2Ga)(Bekker et al.，2004)，并且這個(gè)時(shí)間段同時(shí)對應(yīng)著世界上BIF 的一個(gè)明顯的低谷期(Bekker et al.，2010);其次，Algoma 型BIF 在我國甚為廣泛，而袁家村BIF 卻隸屬于Superior 型(沈其韓，1998;張連昌等，2012)，極有可能是國內(nèi)最為典型的Superior 型BIF;最后，國內(nèi)多數(shù)BIFs 變質(zhì)程度高，一般可達(dá)角閃巖相，部分可達(dá)麻粒巖相，而袁家村BIF 經(jīng)受的變質(zhì)程度較低，為綠片巖相?；谏鲜?，本文選取袁家村BIF 作為研究對象，著重介紹和分析其不同的沉積相及相應(yīng)礦物學(xué)特征，力圖還原原始的礦物組成和形成條件，為探討國內(nèi)Superior 型BIF 的成因提供翔實(shí)資料和研究基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

華北克拉通中部構(gòu)造帶的西側(cè)呂梁山地區(qū)，廣泛出露古元古代的表殼巖和花崗巖侵入體(圖1)。其中花崗巖類侵入體按照侵入時(shí)代可分為構(gòu)造前TTG 片麻巖、同構(gòu)造片麻狀花崗巖和構(gòu)造后花崗巖三類(于津海等，2004;Zhao et al.，2008)。最早形成的是云中山片麻巖(2499 ±9Ma)，分布范圍較廣泛的是赤堅(jiān)嶺-關(guān)帝山花崗質(zhì)片麻巖，時(shí)代為2.2 ～2.0Ga(耿元生等，2000);同構(gòu)造片麻狀花崗巖主要為惠家莊片麻狀花崗巖(1932 ±11Ma);而后構(gòu)造花崗巖主要為蘆芽山紫蘇花崗巖(1815 ～1800Ma)(Zhao et al.，2008)。

表殼巖由四個(gè)主要序列組成，依次為界河口群、呂梁群、野雞山群、黑茶山群或嵐河群。界河口群主要呈NNE 向分布于呂梁地區(qū)的興縣交樓申、奧家灘、東會(huì)至漢高山一帶(圖1)。主要由變泥砂質(zhì)巖石和一定數(shù)量的大理巖及少量斜長角閃巖等巖石組成，變質(zhì)程度較深，可達(dá)角閃巖相到麻粒巖相。由于其中的變質(zhì)沉積巖與西部陸塊孔茲巖帶中的變質(zhì)沉積巖性質(zhì)上具有相似性，因此被稱為孔茲巖系(萬渝生等，2000)。該群與其東面的野雞山群的接觸關(guān)系有兩種解釋，一種為不整合覆蓋(萬渝生等，2000)，另外一種則為構(gòu)造接觸(于津海等，1997b;張兆琪等，2004)。野雞山群總體呈南窄北寬的狹長帶狀分布，在野雞山一帶出露最寬，其東、西分別與赤堅(jiān)嶺花崗質(zhì)雜巖和界河口群呈斷層接觸。由下部序列的綠片巖相變玄武巖、安山巖、少量英安巖和上部序列的復(fù)理石型沉積物組成(Liu et al.，2011)。黑茶山群或嵐河群呈北東-南西向展布于呂梁地區(qū)的西北部，呈不整合疊置于呂梁群之上，為一套巨厚的弱變質(zhì)的礫巖、石英巖和白云大理巖，經(jīng)歷了低綠片巖相變質(zhì)(Wan et al.，2006)。

呂梁群主要出露于袁家村-寺溝地區(qū)(圖1)，中、下部序列以碎屑沉積巖為主，底部含有條帶狀鐵建造，中上部為大量的基性火山巖，頂部以酸性火山巖為主，總體經(jīng)歷了綠片巖相到低角閃巖相的變質(zhì)(于津海等，1999;Liu et al.，2012)。呂梁群自下而上可劃分為袁家村組、裴家莊組、近周峪組和杜家溝組。地層走向大致呈南北向，傾向向東，為一倒轉(zhuǎn)背斜的西翼(耿元生等，2004)。目前，關(guān)于杜家溝組長英質(zhì)巖石的屬性還有爭議。于津海等(1998)認(rèn)為它們?yōu)樽冑|(zhì)流紋巖，與下部變質(zhì)玄武巖構(gòu)成雙峰式火山巖。而另外一些學(xué)者認(rèn)為其可能為糜棱巖化的花崗巖(劉樹文等，2009)或長石斑巖(杜利林等，2012)。

關(guān)于呂梁群的形成時(shí)代，于津海等(1997a)根據(jù)呂梁群近周峪組變基性火山巖中單顆粒鋯石U-Pb 年齡(2051 ±68Ma)和杜家溝組變質(zhì)流紋巖中鋯石U-Pb 年齡(2099 ±41Ma)認(rèn)為呂梁群火山巖形成于2100Ma 左右;耿元生等(2000)對近周峪組基性火山巖中所夾的中酸性火山凝灰?guī)r進(jìn)行鋯石U-Pb 年齡測定，獲得2360 ±95Ma。同時(shí)對變質(zhì)基性火山巖進(jìn)行Sm-Nd 年齡測定，獲得等時(shí)線年齡為2351 ±56Ma，二者有很好的一致性。為了更確切確定呂梁群的形成時(shí)代，耿元生等(2008)對上部杜家溝組酸性火山巖進(jìn)行鋯石U-Pb 年齡的測定，獲得2175Ma。Liu et al. (2012)對呂梁群和野雞山群中的變基性火山巖的地球化學(xué)特征和鋯石年代學(xué)特征進(jìn)行了研究，分別獲得了二者中變火山巖的形成年齡(2213 ±47Ma 和2210 ±13Ma)及其變質(zhì)年齡(1832Ma)。通過野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)群在層序地層和巖相組合上有相似性，從而認(rèn)為呂梁群和野雞山群可能是一種巖性組合的不同部分，這一點(diǎn)同時(shí)得到了二者相似的地球化學(xué)特征的佐證(劉樹文等，2009)。

另外，一些學(xué)者也對界河口群和野雞山群進(jìn)行了年代學(xué)的研究。從野外接觸關(guān)系上來看，呂梁群和界河口群沒有直接的接觸關(guān)系，但二者都被野雞山群不整合覆蓋。耿元生等(2000)從野雞山群長英質(zhì)凝灰?guī)r中獲得單顆粒鋯石U-Pb 年齡為2124 ±38Ma;萬渝生等(2000)獲得了界河口群中變泥砂質(zhì)巖石的兩組碎屑鋯石年齡(2.80 ±0.11Ga 和2.03 ±0.05Ga)，認(rèn)為界河口群形成于古元古代，而不是新太古代;Xia et al.(2009)也對具孔茲巖系特征的界河口群進(jìn)行了鋯石年代學(xué)的工作，獲得的碎屑鋯石年齡集中于1.9 ～2.1Ga。這些年齡明顯顯示界河口群形成時(shí)代可能為古元古代晚期，并且界河口群的巖石組合、變質(zhì)變形與呂梁群存在明顯區(qū)別，形成環(huán)境顯然不同，說明界河口群和呂梁群不是地層意義上的上下疊覆關(guān)系。由于界河口群中碎屑鋯石的U-Pb 年齡以及Hf 同位素特征與野雞山群不同，但與西部陸塊孔茲巖帶中的變質(zhì)沉積巖具有相似性，劉超輝等(2013)認(rèn)為界河口群在2.0 ～1.85Ga 之間形成于西部陸塊東緣被動(dòng)大陸邊緣盆地里，隨后在～1.85Ga 的東西陸塊碰撞過程中沿著韌性剪切帶向東逆沖從而進(jìn)入中部造山帶中。

綜上所述，可基本斷定呂梁群形成于古元古代(2.3 ～2.1Ga)，間接約束了袁家村條帶狀鐵建造的沉積時(shí)代。

2 BIF 巖系地質(zhì)特征

研究區(qū)出露地層有古元古代呂梁群袁家村組變沉積巖系，古生界寒武-奧陶系碳酸鹽巖，第四系黃土及殘破積零星分布(圖2a)。呂梁群袁家村BIF 賦存于袁家村組的含鐵巖系中，受層位控制，是呂梁地區(qū)最主要的含鐵建造。含鐵巖系在北部的袁家村地區(qū)主要由綠泥片巖、絹云綠泥千枚巖、磁鐵石英巖、絹云石英片巖、含鐵石英巖組成。自北向南變質(zhì)程度逐漸增高，從低綠片巖相、高綠片巖相、低角閃巖相到高角閃巖相(于津海等，1999)。在南部尖山、周家溝一帶，變質(zhì)程度增高，出現(xiàn)十字綠泥片巖、斜長角閃巖、角閃片巖等(沈保豐等，2010)。這種變質(zhì)帶的遞增現(xiàn)象可從礦物的組合和重結(jié)晶變化程度得到驗(yàn)證。從袁家村至尖山，隨著變質(zhì)程度的加深，石英粒徑隨之加大，從20μm 到700μm(田永清等，1986①田永清，袁國屏，路九如，荊毅，余建宏，李敏敏. 1986. 山西省嵐縣袁家村前寒武紀(jì)變質(zhì)-沉積鐵礦床的地質(zhì)構(gòu)造特征與形成條件研究. 山西:地質(zhì)礦產(chǎn)局測繪隊(duì)印制，1 -270;Zhu et al.，1988)。

本次研究主要集中于北部變質(zhì)程度較低的袁家村BIF。研究區(qū)位于軸向SSW-NNE 區(qū)域復(fù)向斜構(gòu)造東翼的次一級(jí)構(gòu)造帶內(nèi)，袁家村組含鐵巖系沿北北東-北東東向呈L 形帶狀分布，走向延長4.4km，寬1.4km。構(gòu)造總體走向北北東至南北向，傾向南東至東，傾角60° ～80°。斷裂均為BIF 沉積后期的斷裂，對BIF 破壞不嚴(yán)重(圖2a)。條帶狀鐵建造的圍巖主要為含鐵石英巖、綠泥片巖、絹云片巖和變輝綠巖等。石英巖、片巖類夾層多呈薄條或扁豆?fàn)?，與BIF 的接觸為漸變接觸，且靠近BIF 的部分片理化程度加強(qiáng);變輝綠巖與BIF的接觸界線截然，破壞BIF 的整體性，多呈層間貫入，一般寬數(shù)米到百余米，巖石粒度較細(xì)，變形較弱，呈致密塊狀，邊部片理較發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)由北向南，變輝綠巖的數(shù)量增多，寬度和粒度增大，退化變質(zhì)現(xiàn)象增強(qiáng)。除此之外，在研究區(qū)的北部分布著片麻狀花崗巖，呈巖株?duì)钋秩胗诤F巖系中，中粗粒他形粒狀結(jié)構(gòu)，與圍巖呈平整或微波狀接觸。

圖2 袁家村條帶狀鐵建造沉積相特征(a)袁家村條帶狀鐵建造研究區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)田永清等，1986 修改);(b)袁家村鐵建造沉積相分布圖;(c)據(jù)后期褶皺變形復(fù)原的沉積相分布圖，復(fù)原的坐標(biāo)以4 線(AB 剖面)西端為固定點(diǎn)，將氧化物相-硅酸鹽相并入氧化物相，將氧化物相-碳酸鹽相和硅酸鹽相-碳酸鹽相并入碳酸鹽相(據(jù)田永清等，1986 修改)Fig.2 Features of sedimentary facies of the Yuanjiacun BIF(a)geological map of the Yuanjiacun BIF，showing the distribution of the BIF and associated supracrustal rocks (modified after Tian et al. ，1986);(b)geological sketch of the Yuanjiacun BIF，showing the distribution of various sedimentary facies;(c)palinspastic map of various sedimentary facies in the Yuanjiacun BIF based on later fold deformations，the west end of IV prospecting line (AB section)is regarded as fixed points of the coordinate frame. To highlight the distribution regularity，put the transition facies between oxide and silicate facies and oxide facies together，and incorporate the transition facies between oxide and carbonate facies and the transition facies between silicate and carbonate facies into carbonate facies(modified after Tian et al. ，1986)

研究區(qū)達(dá)到工業(yè)品位的主要有兩種類型的鐵礦:條帶狀鐵建造和再沉積的礫巖型鐵建造。在袁家村至寧家灣南北長約7.5km 的范圍內(nèi)，可劃分出大小礦體總共26 個(gè)，其中，18、19、20 號(hào)屬于礫巖型鐵礦(田永清等，1986)。圖2a 只表示出了礦區(qū)的中部和南部礦段，北部由于黃土覆蓋而略去。主要的礦體集中于礦區(qū)的中部，礦體的形態(tài)與其規(guī)模有直接的聯(lián)系。一般大型礦體多呈扁豆?fàn)?、似層?如10 號(hào))及分支聚合狀(如11 號(hào));中型礦體由于延長小、厚度大一般呈透鏡狀、扁豆?fàn)?如2 號(hào)、21 號(hào));小型礦體往往具有一定的延長，但厚度較小，因而多呈層狀、似層狀(如12 號(hào))。

礫巖型鐵建造賦存于寒武系中統(tǒng)的底部，呈角度不整合直接覆于呂梁群之上。該類鐵建造是在原先的條帶狀鐵建造經(jīng)歷改造后重新形成的，主要由條帶狀石英赤(鏡)鐵礦角礫和碳酸鹽膠結(jié)物組成。角礫大小不一，分選和磨圓均較差，粒徑變化大，從1cm 到幾米不等。角礫中的條帶狀構(gòu)造仍然清晰可見，條帶很細(xì)，一般為0.2mm 左右，成分不均勻，部分角礫僅有石英或者赤鐵礦組成。據(jù)此推測是寒武系河流或者海洋作用致使早期的前寒武紀(jì)條帶狀鐵建造破碎，經(jīng)過短距離搬運(yùn)再沉積的產(chǎn)物，其中伴隨著碳酸鹽顆粒的膠結(jié)。

圖3 袁家村條帶狀鐵建造野外特征(a)條帶狀鐵建造產(chǎn)狀陡傾，接近直立;(b)條帶狀鐵建造中大型緊閉褶皺;(c)兩期構(gòu)造變形;(d)旋轉(zhuǎn)碎斑系，裂隙中充填著石英，顯示左行剪切的特點(diǎn);(e)左列右階的雁列張節(jié)理;(f)多期的共軛“X”型節(jié)理;(g)層內(nèi)彎曲變形;(h)層內(nèi)緊閉褶皺Fig.3 Field photos of the Yuanjiacun BIFOutcrops of the Yuanjiacun BIF showing a steep occurrence (a)，a tight fold (b)， wrinkling deformation (c)， rotated quartz porphyroclasts (d)and en echelon tension joint (e)displaying sinistral shearing characteristics，conjugate X-shaped joints (f)，intraformational bending deformation (g)and tight folds (h)

BIF 層整體產(chǎn)狀陡傾(圖3a)，變形較弱，局部可見較強(qiáng)的柔皺(圖3b，c)。剖面上BIF 呈單斜層，但BIF 中緊密褶曲發(fā)育。在部分露頭上可見多期的柔皺變形(圖3c)，BIF 由于后期剪切應(yīng)力作用產(chǎn)生的裂隙較發(fā)育，可見旋轉(zhuǎn)碎斑系(動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的石英集合體或細(xì)碎粒發(fā)生旋轉(zhuǎn))(圖3d)，也可見右階的雁列張節(jié)理(圖3e)和多組的共軛“X”型節(jié)理(圖3f)。另外，在條帶狀鐵建造中發(fā)育有層內(nèi)撓曲(圖3g，h)，與上述的構(gòu)造變形明顯不同，具有平臥褶皺樣式，常常只局限在個(gè)別小層，可以見到頂?shù)酌媾c水平條帶呈過渡關(guān)系。一般認(rèn)為此種現(xiàn)象屬于準(zhǔn)同時(shí)變形，經(jīng)常是淺水海洋沉積的特征，可能是在沉積的同時(shí)由于受到震動(dòng)或重力吸引從而使得原始的沉積物發(fā)生滑動(dòng)垮塌造成的(田永清等，1986)。

3 袁家村BIF 沉積相地質(zhì)特征

袁家村BIF 的礦物組成較復(fù)雜，依據(jù)原生礦物的共生組合及產(chǎn)出特征可大致將其劃分為上述三個(gè)原生的巖相:氧化物相、硅酸鹽相、碳酸鹽相。下面對三種巖相進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 氧化物相

氧化物相是本區(qū)BIF 最主要的沉積相，根據(jù)鐵的氧化物種類，可將該相進(jìn)一步劃分為赤鐵礦亞相和磁鐵礦亞相。

(1)赤鐵礦亞相

條帶狀赤(鏡)鐵石英巖作為該亞相主要的巖石類型，大部分集中于研究區(qū)的東北部，如10 號(hào)鐵礦體，常與磁鐵礦亞相形成過渡(圖2)。綠泥片巖、含鐵石英巖及絹云片巖經(jīng)常構(gòu)成赤鐵石英巖的夾層。

赤鐵石英巖一般呈灰黑色，條帶狀構(gòu)造，條帶平直連續(xù)，偶有彎曲變形，條帶寬度從0.05mm 到7mm 不等(圖4a，b)。礦物組成主要為石英和赤鐵礦，基本不見其他礦物，偶爾可見少量假象赤鐵礦。赤鐵礦和石英常各自獨(dú)立組成條帶，但也可見赤鐵礦和石英呈一定比例的混合組成條帶(圖4c)。另外還可見到板片狀的赤鐵礦與假象赤鐵礦各自組成條帶(圖4d)，條帶之間一般是截然的。赤(鏡)鐵礦一般呈半自形到他形板條狀，粒徑細(xì)，約0.02mm 左右，特別是在一些富硅條帶中，有一些細(xì)條紋狀的赤鐵礦，赤鐵礦呈粉塵狀，粒徑小至0.002mm(圖4e)。赤鐵礦常以兩種狀態(tài)存在于BIF 中，一是呈細(xì)分散的板條狀赤鐵礦，一般位于石英顆粒的三聯(lián)點(diǎn)上(圖4f)，或結(jié)晶較大，穿插若干石英顆粒(圖5a)，有時(shí)被半自形的石英顆粒所包裹(圖4f);二是赤鐵礦因變質(zhì)重結(jié)晶作用形成鱗片狀、長柱狀的鏡鐵礦，礦物鱗片的排列方向常與層理斜交(圖5b)。赤鐵礦有時(shí)膠結(jié)石英，圍繞半自形的石英顆粒生長(圖5c)。石英一般呈自形到半自形粒狀，粒徑約0.2mm，在富硅條帶中一般相互連接構(gòu)成集合體，而在富鐵條帶中經(jīng)常以單顆粒分散分布。

赤鐵礦有時(shí)可呈豆粒狀產(chǎn)出，豆粒一般沿層理分布，延長方向與條紋一致，大小不一，粒徑約為1 ～2mm，膠結(jié)物主要是石英。該種結(jié)構(gòu)不僅出現(xiàn)在少數(shù)赤鐵石英巖中，而且在綠泥石英片巖中也可見到(圖5d，e)。推測豆粒是在淺而動(dòng)蕩的水中，由硅膠和氧化鐵的水化物在各種懸浮物的表面積聚下結(jié)合而成的。在個(gè)別鉆孔中，可發(fā)現(xiàn)石英赤鐵礦呈碎片狀產(chǎn)出(圖5f)，粒徑大于1cm，這種現(xiàn)象僅局限于某一段，在它的上、下部都對應(yīng)著正常的平直條帶狀石英赤鐵礦。碎塊呈不規(guī)則狀或長板狀，延長方向多與層理一致，一些石英碎塊上可含細(xì)條紋的赤鐵礦，表明它遷移的距離不大。推測BIF 在固結(jié)或半固結(jié)狀態(tài)下，由于外部破壞營力例如波浪等擾動(dòng)或擊打破碎形成的。

圖4 條帶狀石英赤鐵礦野外和鏡下特征(a、b)石英赤鐵礦(Q+Hem)，條帶寬0.05 ～7mm，條帶平直連續(xù);(c)富硅條帶中的細(xì)條紋赤鐵礦，寬約0.05mm(反射);(d)富鐵條帶中的假象赤鐵礦紋層(Mt)，與上、下紋層呈截然接觸，粒徑約0.04mm(反射);(e)富鐵與富硅條帶接觸較截然，富硅條帶分散分布著粉塵狀的赤鐵礦，粒徑約0.002mm(反射);(f)細(xì)小的赤鐵礦顆?；蚍植荚谑㈩w粒的三聯(lián)點(diǎn)上，或被石英顆粒包裹(正交)Fig.4 Field photos and micro-photographs of hematite quartziteField photos of hematite quartzite including (a)and (b). Hematite quartzite composed of black hematite (Hem)-rich and white quartz (Q)-rich straight microbands，showing a sharp contact between these two units. Photomicrographs showing representative textures and petrographic relationships between the main mineral phases in the BIF，including (c-f). (c)silica-rich microbands containing finely-laminated hematite (about 0.05mm wide)(reflected light);(d)hematite-rich microbands containing finely-laminated martite (Mt)(0.04mm in size)(reflected light);(e)silica-rich microbands with scattered dusty hematite crystals (0.002mm in size)(reflected light);(f)small hematite grains found either within or located in the triple junction of quartz crystals (between crossed polarizers)

(2)磁鐵礦亞相

磁鐵石英巖作為該亞相主要的巖石類型，主要集中于10號(hào)鐵礦體的東西兩側(cè)(圖3)，與赤鐵石英巖和硅酸鹽相鐵建造均可形成過渡。磁鐵石英巖一般呈灰黑色，條帶狀構(gòu)造，條帶寬約0.5 ～1mm，基本上僅由磁鐵礦和石英形成，極少見其他礦物(圖6a)。條帶一般平直連續(xù)，偶爾可見柔皺變形，條帶的產(chǎn)出各式各樣，較少見純鐵和純硅的條帶，條帶一般由磁鐵礦和石英不同比例混合而成，中等條帶中常常夾雜著細(xì)小的微條帶(圖6b)。磁鐵礦一般呈半自形到他形粒狀，粒徑為0.01 ～0.2mm，在富鐵條帶中，顆粒較大，常相互連接，組成不規(guī)則狀順層延伸的集合體(圖6b);在貧鐵條帶中，磁鐵礦呈稀疏浸染狀散布于石英顆粒之間，粒徑較小，常呈單獨(dú)的晶粒產(chǎn)出。有時(shí)可見磁鐵礦結(jié)晶粗大，呈分散顆粒狀穿插切斷石英顆粒(圖6c)。石英常呈自形-半自形粒狀，粒徑為0.01 ～1mm，常以集合體的形式產(chǎn)出(圖6d)，有時(shí)還可見石英呈菱形，且單個(gè)顆粒的消光位不一樣，應(yīng)當(dāng)是受應(yīng)力作用的結(jié)果。

圖5 赤鐵礦手標(biāo)本和鏡下特征(a)富硅條帶中赤鐵礦(Hem)呈長條狀切穿石英(Q)顆粒(反射);(b)赤鐵礦因區(qū)域變質(zhì)重結(jié)晶形成鏡鐵礦，與條帶呈斜交(反射);(c)赤鐵礦膠結(jié)石英顆粒(反射);(d)赤鐵礦呈細(xì)小的豆粒狀沿條帶分布，粒徑約1 ～2mm;(e)赤鐵礦顆粒在綠泥(Chl)石英片巖中沿著片理分布(單偏);(f)石英赤鐵礦呈碎塊狀，仍可見碎塊沿層狀分布Fig.5 Field photos and micro-photographs of hematiteMicro-photographs of hematite，including (a-c，e). (a)quartz-rich microband with microplaty hematite (Hem)cutting across quartz (Q)grains(reflected light);(b)bunchy specularite aggregates (recrystallization of hematite)occurring locally truncating the banding (reflected light);(c)euhedral quartz crystals surrounded by hematite cements (reflected light);(e)granular hematite occurring parallel to the schistosity defined by chlorite (Chl)in chlorite quartz schist (plain-polarized light). Field photos of hematite quartzite，including(d，f). (d)granular hematite(1 ～2mm in size)occurring parallel to the banding;(f)fragments of hematite quartzite orientated parallel to the early banding

盡管原始沉積的磁鐵石英巖經(jīng)受了后期的變質(zhì)作用，但仍可見一些原始的沉積結(jié)構(gòu)構(gòu)造，如板狀交錯(cuò)層理，豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)(豆?fàn)畲盆F礦粒徑約1 ～2mm)(圖6e-g)，它們均指示部分磁鐵石英巖可能在較淺且動(dòng)蕩的水中形成，但層系厚度較小，說明水的流速較小。

3.2 硅酸鹽相

該相鐵建造以大量硅酸鹽礦物出現(xiàn)為特征，散布于研究區(qū)，經(jīng)常與石英磁鐵礦形成過渡，組成礦物除了石英和磁鐵礦之外，還有鐵黑硬綠泥石、綠泥石、鐵滑石、鎂鐵閃石和陽起石等。在與碳酸鹽相鐵建造構(gòu)成過渡相的巖石中，還可發(fā)現(xiàn)大量的鐵白云石。新鮮巖石一般呈灰白色或灰綠色(圖7a)，經(jīng)風(fēng)化表面變紅變黃，條帶狀構(gòu)造明顯，條帶平直連續(xù)、寬約0.5 ～3mm，但有時(shí)可見層間褶皺、旋轉(zhuǎn)碎斑、多期彎曲變形等現(xiàn)象(圖3)。條帶產(chǎn)出形式多樣，少見純硅和純鐵條帶。部分硅質(zhì)條帶中可見不連續(xù)的鐵質(zhì)條紋，由細(xì)小的結(jié)晶好的磁鐵礦組成(圖7b)。一些富鐵條帶中保留著未被壓實(shí)的燧石豆莢(圖7c)，豆莢間斷分布，周圍的富硅條帶和鐵質(zhì)條紋均遭到成巖壓實(shí)作用，條帶的寬度不能代表原始沉積的厚度。

圖6 石英磁鐵礦野外和鏡下特征(a)石英磁鐵礦由硅質(zhì)條帶和鐵質(zhì)條帶組成，富鐵條帶中有極細(xì)的硅質(zhì)條紋;(b)富硅條帶中有極細(xì)的鐵質(zhì)條紋，磁鐵礦(Mag)在鐵質(zhì)條帶中呈不規(guī)則的順層集合體產(chǎn)出，而在硅質(zhì)條帶中分散分布(反射);(c)結(jié)晶粗大的磁鐵礦穿切石英(Q)顆粒(正交);(d)富硅條帶中圓形的石英集合體(正交);(e)石英磁鐵礦中可見板狀交錯(cuò)層理;(f)磁鐵礦呈細(xì)小豆粒狀產(chǎn)出，粒徑約1 ～2mm;(g)為照片(e)中板狀交錯(cuò)層理的放大Fig.6 Field photos and micro-photographs of magnetite quartziteField photos of magnetite quartzite，including (a，e-g). (a)the magnetite quartzite composed of black magnetite (Mag)-rich and white quartz (Q)-rich microbands;(e)tabular cross-bedding with small dip angles found within magnetite quartzite;(f)granular magnetite (1 ～2mm in size)occurring parallel to the banding;(g)amplication of the cross-bedding shown in (e). Micro-photographs of magnetite quartzite，including (b-d).(b)magnetite crystals occurring either as irregular aggregates in iron-rich microbands or as small dispersed grains in silica-rich microbands (reflected light);(c)large enhedral and isolated magnetite crystals occurring truncating the banding (between crossed polarizers);(d)round quartz aggregates found within quartz bands (between crossed polarizers)

鐵黑硬綠泥石是該相最主要的含鐵硅酸鹽礦物，呈棕褐色，細(xì)柱狀或長柱狀，一般長0.05 ～0.1mm，寬度約0.01mm，有時(shí)結(jié)晶較粗大，最長可達(dá)0.5 ～1mm，具有明顯的多色性，常與磁鐵礦、石英、鐵白云石、鐵滑石等共生。有三種產(chǎn)出形式，或呈條帶狀產(chǎn)出(圖7d);或分散分布，一般在富鐵條帶狀含量較低，而在富硅條帶中含量陡增(圖7e)，沿著石英的顆粒邊緣分布;或與石英或白云石組成細(xì)脈穿插原始紋層(后期熱液作用所致)(圖8a)。鐵黑硬綠泥石結(jié)晶方向一般與原始紋層斜交，說明其為成巖后變質(zhì)作用的產(chǎn)物。另外，可見其經(jīng)常被鐵滑石、綠泥石所交代(圖8b，c)。

圖7 硅酸鹽型鐵建造野外和鏡下特征(a)綠泥石(Chl)、磁鐵礦(Mag)和石英(Q)互成條帶，可見鐵質(zhì)條帶中有極細(xì)的硅質(zhì)條紋;(b)富硅條帶中有不連續(xù)的鐵質(zhì)條紋，還分布著大量的鐵白云石(Ank)，磁鐵礦顆粒極細(xì)，粒徑約0.01mm(單偏);(c)富鐵條帶中的未被壓實(shí)的燧石豆莢，豆莢在條帶中間斷分布，周圍鐵質(zhì)條帶遭到后期壓實(shí)作用(單偏);(d)黑硬綠泥石(Stp)呈條帶狀分布(單偏);(e)黑硬綠泥石主要集中于富硅條帶中，沿石英邊緣發(fā)育(單偏)Fig.7 Field photos and micro-photographs showing the mineralogy and typical textures of the silicate facies iron formation of the Yuanjiacun BIF(a)BIF consisting of alternating magnetite (Mag)，chlorite (Chl)and quartz (Q)bands;(b)quartz bands containing discontinuous laminations comprised of magnetite (0.01mm in size)and subhedral，porphyroblastic crystals of ankerite (Ank)(plain-polarized light);(c)discontinuous chert nodules in iron-rich mesobands containing finely-laminated magnetite (plain-polarized light);(d)stilpnomelane (Stp)microbands intercalated with quartz and magnetite microbands (plain-polarized light);(e)stilpnomelane bundles intergrown with quartz and magnetite，occurring along edges of subhedral quartz crystals (plain-polarized light)

綠泥石在該相中分布較為廣泛，鮮綠色，呈片狀或他形，常與磁鐵礦、石英、黑硬綠泥石或鐵白云石共生，或與磁鐵礦構(gòu)成條帶，或呈單獨(dú)的顆粒分散于富硅條帶中，一般長約0.05mm(圖8c，d)。有時(shí)可見后期的綠泥石石英脈穿插早期紋層(圖8e)。

鐵滑石呈無色，細(xì)小長條狀，集合體呈束狀，可見一組完全解理，顆粒極細(xì)，長0.05 ～0.2mm，在鏡下與白云母較難區(qū)分，最高含量可達(dá)10%。常與黑硬綠泥石、磁鐵礦、石英共生，常呈星點(diǎn)狀分散分布于富硅條帶中(圖8b，f)。

閃石類礦物在該相較為稀少，僅局部產(chǎn)出，常與石英、磁鐵礦、方解石共生，可見其交代早期黑硬綠泥石的現(xiàn)象。鎂鐵閃石呈很細(xì)的纖維狀、長條狀，單晶長0.1 ～0.3mm，或星點(diǎn)狀分散分布，或呈集合體形式產(chǎn)出(圖9a)，有時(shí)排列方向不受片理限制(圖9b);陽起石常呈六邊形，有時(shí)呈長柱狀，或呈團(tuán)狀分布，或星點(diǎn)狀展布(圖9c)。

圖8 黑硬綠泥石、鐵滑石和綠泥石鏡下特征(a)后期黑硬綠泥石(Stp)石英(Q)脈和方解石(Cal)細(xì)脈穿插早期紋層(單偏);(b)鐵滑石(M)交代黑硬綠泥石(單偏);(c)綠泥石(Chl)交代黑硬綠泥石，綠泥石在富硅條帶中分散分布(單偏);(d)綠泥石與磁鐵礦(Mag)組成條帶;而在石英條帶中分散分布(單偏);(e)后期綠泥石石英脈穿插早期鐵白云石(Ank)+石英+磁鐵礦紋層(單偏);(f)鐵滑石在富硅條帶中分散分布(單偏)Fig.8 Micro-photographs under plain-polarized light showing representative textures of stilpnomelane，ferro-talc-minnesotaite and chlorite in the silicate-facies iron formation(a)veins made up of stilpnomelane (Stp)and quartz (Q)and calcite (Cal)cutting cross the banding;(b)tabular stilpnomelane replaced by minnesotaite (M);(c)tabular stilpnomelane replaced by chlorite (Chl);(d)chlorite intergrown with magnetite (Mag)，quartz and stilpnomelane，occurring either as microbands comprising mainly of magnetite and stilpnomelane or scattered anhedral crystals in quartz bands;(e)chlorite veins truncating the banding;(f)minnesotaite intergrown with magnetite and quartz in quartz bands

鐵白云石在硅酸鹽-碳酸鹽的過渡相中分布比較廣泛，是最重要的一種碳酸鹽礦物。可與磁鐵礦、石英、黑硬綠泥石、綠泥石共生。常呈較自形的菱形粒狀，粒徑與磁鐵礦、石英相當(dāng)，粒徑約0.02mm，可呈不規(guī)則集合體與磁鐵礦、石英組成條帶(圖9d)，也可較均勻地分布于富硅條帶中(圖9e)，可見磁鐵礦與鐵白云石相互交生的現(xiàn)象。部分鐵白云石包裹磁鐵礦，部分極細(xì)的磁鐵礦沿著鐵白云石的邊緣生長，疑似交代鐵白云石(圖9f，g)。同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)星點(diǎn)狀的黃鐵礦出現(xiàn)于富含鐵白云石的硅質(zhì)條帶中。另外，可發(fā)現(xiàn)后期的鐵白云石石英脈穿插于早期紋層中，使原始條帶發(fā)生一定位移的錯(cuò)動(dòng)(圖9h)。

3.3 碳酸鹽相

碳酸鹽相主要發(fā)育于研究區(qū)的南部，主要礦物為菱鐵礦和鐵白云石，前者主要分布在南部碾溝一帶，形成礦體;后者主要集中于硅酸鹽-碳酸鹽相的過渡相中。主要的巖石類型為菱鐵石英巖，少量的磁鐵鐵白云石大理巖(沈保豐等，1982)。由于多年未開采的緣故，野外基本不見新鮮的露頭。巖石整體由于風(fēng)化原因呈黃褐色(圖10a)，可見多條石英碳酸鹽脈穿插于條帶中。因此，這一部分將根據(jù)前人資料簡單介紹。菱鐵石英巖呈條帶狀構(gòu)造產(chǎn)出，菱鐵礦和石英互成條帶，除此之外，還含有少量的碳質(zhì)、綠泥石、黃鐵礦等。菱鐵礦常呈半自形到自形菱形粒狀，粒徑0.02 ～0.05mm，邊緣常常發(fā)育有黃褐色銹斑。

圖9 硅酸鹽相鐵建造組成礦物鏡下特征(a)束狀鎂鐵閃石(Cum)與磁鐵礦(Mag)、石英(Q)共生，可見其交代黑硬綠泥石(Stp)(單偏);(b)鎂鐵閃石集合體方向與紋層斜交(正交);(c)自形的陽起石(Act)與磁鐵礦、方解石共生，可見其交代黑硬綠泥石(單偏);(d)鐵白云石(Ank)呈他形集合體形式，與磁鐵礦和少量石英組成條帶(正交);(e)較自形的鐵白云石均勻分布于富硅條帶中(單偏);(f)富硅條帶中磁鐵礦沿著菱形鐵白云石邊緣生長(反射);(g)富硅條帶中磁鐵礦被自形鐵白云石包裹，可見鐵白云石常具有溶解邊(正交);(h)鐵白云石后期活化形成條帶使早期紋層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)(單偏)Fig.9 Micro-photographs showing representative textures of cummingtonite，actinolite and ankerite in the silicate facies iron formation(a)cummingtonite (Cum)bundles intergrown with magnetite (Mag)，quartz (Q)，replacing early stilpnomelane (plain-polarized light);(b)cummingtonite bundles truncating the banding (between crossed polarizers);(c)euhedral actinolite (Act)intergrown with magnetite，quartz and calcite，replacing early stilpnomelane (plain-polarized light);(d)microbands comprising anhedral ankerite (Ank)aggregates and magnetite intercalated with quartz bands (between crossed polarizers);(e)subhedral ankerite evenly distributed in quartz microbands (plain-polarized light);(f)subhedral-euhedral magnetite crystals occurring along the edges of ankerite (reflected light);(g)ankerite present as euhedral rhomboids with their edges commonly displaying corrosion gulfs，containing magnetite inclusions (between crossed polarizers);(h)later ankerite veins cutting across the banding，resulting into slight displacement of the bands (plain-polarized light)

另外，在研究區(qū)南部寧家灣的局部地段和硅酸鹽相鐵建造的局部位置順層發(fā)育部分黃鐵礦(圖10b，d)，黃鐵礦紋層寬約3mm，與富硅和富鐵條帶共同組成鐵建造。二者野外產(chǎn)狀形式相同，但黃鐵礦成因卻不同。前者黃鐵礦呈半自形到他形，部分顯示膠狀結(jié)構(gòu)，粒徑從幾十微米變化到幾百微米(圖10c)，可能為原始沉積的產(chǎn)物;后者黃鐵礦交代磁鐵礦，呈現(xiàn)磁鐵礦的假象(圖10e)，另外部分黃鐵礦和石英形成細(xì)脈呈小角度穿插于早期紋層，可能為成巖后期熱液的產(chǎn)物(圖10f)。

3.4 袁家村BIF 沉積相空間分布

袁家村BIF 主要有三個(gè)沉積相:氧化物相、硅酸鹽相和碳酸鹽相。在前人地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上(田永清等，1986)，通過野外踏勘和室內(nèi)巖相分析獲得了研究區(qū)條帶狀鐵建造沉積相的分布圖(圖2b)。各類沉積相呈帶狀無規(guī)律分布，氧化物相約占60%，主要在研究區(qū)的北面，IV 號(hào)(A-B)勘探線附近，其中石英赤鐵礦和石英磁鐵礦各占24%和36%;硅酸鹽相次之，約占30%;而碳酸鹽相較少，只占10%，集中于研究區(qū)的南面。

表1 袁家村條帶狀鐵建造中赤鐵礦電子探針分析結(jié)果(wt%)Table 1 Electron probe microanalyses of hematite from the Yuanjiacun BIF(wt%)

研究區(qū)總體的構(gòu)造格局是由一個(gè)早期背斜和兩個(gè)晚期背形、一個(gè)晚期向形組成的疊加褶皺系列(田永清等，1986)。其中伴隨著一系列同期次的次級(jí)褶皺，其幾何特征與前述四個(gè)大型褶皺是相似的?？傮w上看，褶皺由北向南傾伏。從軸面的傾斜角度看，該褶皺是一個(gè)向東傾斜向西倒轉(zhuǎn)的左傾斜歪褶皺體系。依據(jù)該構(gòu)造格局特點(diǎn)將現(xiàn)有的分布圖進(jìn)行復(fù)原，獲得原始的沉積相分布略圖(圖2c)，復(fù)原的縱坐標(biāo)以IV 線(A、B 剖面)西端為固定點(diǎn)。為了更能突出沉積相之間的過渡關(guān)系，將氧化物相-硅酸鹽相并入硅酸鹽相，將氧化物相-碳酸鹽相和硅酸鹽相-碳酸鹽相并入碳酸鹽相。圖中可看出沉積相呈南北向延展，反映出由東向西的相變規(guī)律，西邊為碳酸鹽相，東邊為氧化物相，其間是過渡的硅酸鹽相。

4 BIF 主要礦物組成及其形成條件

4.1 主要礦物化學(xué)組成

鐵建造中礦物種類豐富，除了石英之外，我們對其他礦物的主量成分都進(jìn)行了分析測試。下面將逐一介紹。

(1)赤鐵礦

赤鐵礦的化學(xué)成分見表1。赤鐵礦具有較高含量的Fe(以FeO 計(jì)算)(86.76% ～88.69%)，Mn 常常類質(zhì)同象代替Fe，可是袁家村BIF 赤鐵礦中Mn 含量很低，小于0.02%，MgO 含量從0 變化到0.08%，且與SiO2的含量缺乏相關(guān)性，反映赤鐵礦沒有受到含鐵滑石的影響，Al2O3的含量較高，最高可達(dá)0.46%，可能反映Al3+對Fe3+結(jié)構(gòu)上的替換。

(2)磁鐵礦

磁鐵礦的主量成分見表2。磁鐵礦除FeO 含量高(均值為91.14%)外，其余含量均低，其中MnO、NiO、ZnO、TiO2和K2O 含量尤其低(≤0.01%)，SiO2的含量為次高，其變化范圍為0.08% ～2.39%，平均含量為0.84%，MgO 的含量也相對較高，從0 ～0.58%變化，P2O5的含量從0 變化到0.14%，平均含量為0.04%，CaO 的含量從0 ～0.2%變化，平均值為0.05%，Na2O、Cr2O3、Al2O3平均含量相同，為0.04%。除此之外，對比同一樣品中富硅條帶中細(xì)粒磁鐵礦(＜0.1mm)和富鐵條帶中較粗粒磁鐵礦(＞0.1mm)的主量成分，發(fā)現(xiàn)二者幾乎相同，并無差異，同時(shí)結(jié)合野外和鏡下特征，可推測條帶中磁鐵礦粒徑的變化可能與原始沉積過程中凝膠團(tuán)的大小不一有關(guān)(沈保豐等，1982)。

(3)鐵黑硬綠泥石

鐵黑硬綠泥石的主量成分見表3。黑硬綠泥石含有較高含量的FeO(27.55% ～31.24%)，且在薄片中呈現(xiàn)棕色到深褐色的多色性，說明其富含三價(jià)鐵(Miyano，1982)。黑硬綠泥石一般有兩個(gè)變種:富含二價(jià)和富含三價(jià)鐵離子。前者在薄片中具有淺綠的多色性，而后者具有棕色到深褐色的多色性。一般認(rèn)為最早形成的黑硬綠泥石是富含二價(jià)鐵的，在后期開放的環(huán)境中，可能使得部分二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵，從而轉(zhuǎn)化為富含三價(jià)鐵的變種(Zen，1960;Eggleton，1972)。然而Klein(1974)在研究加拿大Sokoman BIF 時(shí)發(fā)現(xiàn)兩種黑硬綠泥石在條帶中交替出現(xiàn)，可能反映早期巖石組合形成時(shí)氧化狀態(tài)是變化的。袁家村鐵建造中的黑硬綠泥石的特征可能反映其形成時(shí)可能是相對氧化的。另外，黑硬綠泥石具有較高的堿質(zhì)含量，其中Na2O 的含量(0.24% ～0.48%)明顯低于K2O 含量(1.75% ～3.36%)。Al2O3的含量同樣也較高，從4.78%變化到5.14%。

(4)綠泥石

綠泥石中Al2O3、MgO、FeO 的含量分別為15.71% ～19.40%、4.91% ～7.31%和34.85% ～39.98%(表4)。綠泥石的Mg/(Fe+Mg)比值為0.19 ～0.28，相對偏低，指示綠泥石形成于富鐵的環(huán)境下(Laird，1988)。綠泥石的化學(xué)成分表明袁家村BIF 中綠泥石的類型主要隸屬于鮞綠泥石，其次為鐵鎂綠泥石(Deer et al.，1962)，這些類型最易形成于還原環(huán)境(Inoue，1995)。綠泥石的形成溫度與(001)面網(wǎng)間距d001之間存在密切關(guān)系(Stefano，1999)，即d001(0.1nm)=14.399 -0.001T(℃);綠泥石的成分與d001之間也存在一定的關(guān)系(Nieto，1997)，即d001(0.1nm)=14.399 -0.1155AlIV-0.0201Fe2+。由此，可大致獲得綠泥石的形成溫度范圍，為190 ～215℃。

(5)鐵滑石

滑石的化學(xué)成分顯示出Mg 和Fe 之間是最主要的替換關(guān)系，當(dāng)Fe 絕大部分替換Mg 時(shí)，滑石成為鐵滑石。袁家村BIF 中滑石中MgO 和FeO 的含量分別為14.81% ～23.52%和9.99% ～28.41%(表3)，該成分應(yīng)該處于滑石和鐵滑石之間的過渡單元，為含鐵滑石。MnO 和Al2O3的含量很低(＜0.3%和＜0.1%)，表明其可能極少替換Mg 和Si。

(6)鎂鐵閃石

鎂鐵閃石一般富鎂(MgO = 12.97% ～13.49%)和Fe(FeO=22.80% ～30.98%)，貧Ca(0.50% ～0.58%)和Al(0.05% ～0.06%)(表4)。但有一個(gè)樣品較富Ca(5.52%)和Al(0.59%)，據(jù)鏡下特征推測可能受到周圍陽起石的影響。MnO 的含量較低，從0.41%到0.64%，說明Mn 很少代替Fe 和Mg。在高級(jí)變質(zhì)條件下，Mn 的含量可能在B-C 配位上達(dá)到2(Deer et al.，1992)，然而此次分析的Mn 在B 配位上普遍小于0.1，說明BIF 沒有經(jīng)受高級(jí)的區(qū)域變質(zhì)作用。

表4 袁家村條帶狀鐵建造中綠泥石和角閃石電子探針分析結(jié)果(wt%)Table 4 Electron probe microanalyses of chlorite and amphibole from the Yuanjiacun BIF (wt%)

表5 袁家村鐵建造中鐵白云石和方解石電子探針分析結(jié)果(wt%)Table 5 Electron probe microanalyses of ankerite and calcite from the Yuanjiacun BIF(wt%)

(7)陽起石

陽起石是一種富鈣的角閃石，與其共生的碳酸鹽常常為方解石。陽起石中FeO、MgO、CaO 的平均含量分別為17.78%，12.83%、11.20%(表4)。

(8)鐵白云石

鐵白云石相對于白云石而言，最明顯的區(qū)別是具有較高的FeO 的 含 量(14.59% ～16.64%)，而 MgO 的 含 量(10.24% ～11.66%)則相應(yīng)的降低。同時(shí)，其具有較少的MnO 含量(0.30% ～0.39%)(表5)。

(9)方解石

本次分析主要是集中于與角閃石共生的方解石。方解石中除了CaO 的含量(52.23% ～59.58%)最高外，較高的是FeO 的含量(0.92% ～1.98%)，另外，MnO 和MgO 的含量均很低(0.35% ～1.77%和0.32% ～0.46%)(表5)。

4.2 原始礦物組成及后生變化

通過袁家村BIF 的巖相學(xué)和礦物化學(xué)成分的研究，可大致推測原始沉積的礦物組成，探討成巖和變質(zhì)作用條件下礦物組成的演變(圖11)。石英在鐵建造中分布廣泛，不同的含鐵礦物均與其共生，說明硅質(zhì)沉淀以不同的速率貫穿于整個(gè)鐵建造的沉積過程中。前人研究表明(Siever，1992)，前寒武紀(jì)海洋硅的濃度異常高，將近是現(xiàn)代海洋的6 倍，接近硅的飽和程度。硅的沉淀可能由于蒸發(fā)作用導(dǎo)致的飽和沉淀(Garrels，1987)或者是與固相含鐵礦物的同沉淀(Ewers，1983)。而石英最有可能是早期沉淀的無定形硅膠在成巖或后期的變質(zhì)作用重結(jié)晶的產(chǎn)物(Trendall，1983;Klein，2005)。

赤鐵礦主要集中于研究區(qū)的10 號(hào)鐵礦體中，分布不廣泛，一般認(rèn)為是水鐵礦(三價(jià)鐵的氫氧化物)在成巖過程中脫水重結(jié)晶的產(chǎn)物(Glasby and Schulz，1999)。這種水鐵礦(海洋中Fe2+氧化而成)在pH 為4 時(shí)，容易轉(zhuǎn)化成為針鐵礦和少量赤鐵礦;而在pH 為7 ～8 時(shí)，主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦(Schwertmann and Murad，1983)。因此，我們認(rèn)為赤鐵礦應(yīng)該是在接近中性的pH 范圍內(nèi)形成的。磁鐵礦在鐵建造中廣泛分布，遍布各個(gè)沉積相。目前，沒有任何巖相學(xué)的證據(jù)支持磁鐵礦是原生的，均認(rèn)為磁鐵礦是成巖或變質(zhì)作用過程中的次級(jí)產(chǎn)物，主要有以下三種途徑:(1)赤鐵礦和菱鐵礦之間的變質(zhì)反應(yīng)(Burt，1972):FeCO3+Fe2O3=Fe3O4+CO2;(2)富含二價(jià)鐵的熱液作用(Ohmoto，2003):Fe(OH)3+Fe2+=Fe3O4+2H2O+2H+;(3)細(xì)菌還原作用(Konhauser et al.，2002;Kappler et al.，2005):CH2O + 8H++ 4Fe(OH)3=4Fe2++CO2+11H2O。袁家村BIF 中磁鐵礦主要有兩種形式:半自形到他形的較小的磁鐵礦顆粒，或分散分布，或相互連接組成集合體(圖6b);結(jié)晶粗大，分散分布(圖6c)，切穿重結(jié)晶的石英顆粒。前者可能是較早期形成的，來自于上述三種途徑;而后者可能是變質(zhì)作用重結(jié)晶的產(chǎn)物。另外，可見磁鐵礦部分沿著鐵白云石(菱鐵礦轉(zhuǎn)變而成，下述)邊緣生長(圖9f)，推測此部分磁鐵礦為菱鐵礦轉(zhuǎn)變而成，反應(yīng)為12FeCO3+2H2O=4Fe3O4+11CO2+CH4(French，1971)。

黑硬綠泥石是一種富鐵貧鋁的含水硅酸鹽礦物，經(jīng)常作為富鐵巖石中特征性的中低級(jí)變質(zhì)礦物，在大多數(shù)經(jīng)受中低級(jí)變質(zhì)作用的鐵建造中均可見到(Klein，1983)。綠脫石是現(xiàn)代海洋沉積物中常見的礦物，化學(xué)組成與黑硬綠泥石相似，經(jīng)常在洋底還原的熱液環(huán)境中由三價(jià)鐵的氫氧化物和溶解的硅反應(yīng)生成(Dekov et al.，2007)。鑒于它特殊的形成機(jī)制和物質(zhì)組成，Rasmussen et al.(2013)傾向認(rèn)為黑硬綠泥石是綠脫石的變質(zhì)產(chǎn)物。另外，在硅酸鹽相鐵建造的鉆孔中，發(fā)現(xiàn)部分黑硬綠泥石集合體呈顆粒狀分布于富硅條帶的邊緣，顆粒大小不一，從0.4mm 到1mm 不等(圖12a)。顆粒均發(fā)生了碳酸鹽化，邊緣可發(fā)現(xiàn)黑硬綠泥石的殘余(圖12b，c)。但條帶中仍可見未被碳酸鹽化的黑硬綠泥石顆粒(圖12b)，顆粒中含有少量石英和磁鐵礦。顆粒的周圍為石英、黑硬綠泥石和極少量的綠泥石(圖12d)。部分顆粒被細(xì)粒的磁鐵礦條紋切穿(圖12e，f)。這些黑硬綠泥石的微顆粒與前人在西澳Hamersley 鐵建造中發(fā)現(xiàn)的鐵硅酸鹽顆粒相似(Rasmussen et al.，2013)。他們認(rèn)為這些顆粒最早應(yīng)該是綠脫石組成的顆粒，是沉積成因的。它們是由隱晶質(zhì)的軟泥(硅酸鹽)聚集，隨后密度流的作用使其再沉積造成的。這些微顆粒之所以能夠保存，可能是由于成巖早期形成的硅質(zhì)將其完整封存，免受壓實(shí)的破壞。這么看來，上述細(xì)粒的磁鐵礦條紋極有可能是在成巖后期磁鐵礦活化造成的，而非早期沉積所致。

綠泥石為一種富鋁的礦物，一般出現(xiàn)于含有碎屑物質(zhì)的富鐵巖石中(James，1954)。袁家村BIF 中的綠泥石主要有兩種分布形式，或交代黑硬綠泥石，或與石英和磁鐵礦共生。推測最早可能是富鋁的粘土碎屑，隨后在后期的變質(zhì)作用中重結(jié)晶或交代其他礦物形成的。然而綠泥石大多數(shù)隸屬于鮞綠泥石，不能排除部分綠泥石是原生的可能。它們可能是在富Fe2+的海水中，無定形的硅和三價(jià)鐵的氫氧化物在低溫的缺氧環(huán)境中反應(yīng)生成的(Harder，1976，1978)。

鐵白云石有兩種分布形式，或呈集合體與石英、磁鐵礦構(gòu)成條帶，或呈自形的菱形晶均勻分布于硅質(zhì)條帶中。前者可能為早期沉積的細(xì)粒碳酸質(zhì)軟泥在成巖期結(jié)晶的產(chǎn)物(Klein，2005);后者形成時(shí)間可能較晚，可見磁鐵礦被其包裹，但不見鐵白云石被磁鐵礦包裹。經(jīng)?？梢娫摲N鐵白云石邊緣有溶解邊(圖9f，g)，推測可能與較早沉淀的菱鐵礦成巖期發(fā)生溶解反應(yīng)有關(guān)(Ayres，1972;Klein，1973;Pecoits et al.，2009)。

鐵滑石主要呈分散狀態(tài)分布于富硅條帶中，與磁鐵礦和石英等共生。原始沉積過程中，當(dāng)缺乏Fe(Ⅲ)的氫氧化物時(shí)，二價(jià)鐵離子可與溶解的硅在特定的PCO2條件下快速反應(yīng)生成一種無定形的硅酸鹽礦物，它們可能是鐵蛇紋石的前身(Konhauser et al.，2007)。大量的巖相學(xué)證據(jù)表明(Klein，1973，1974，2005)，鐵滑石可能為鐵蛇紋石在低級(jí)變質(zhì)條件下的產(chǎn)物，可能的反應(yīng)為:Fe6Si4O10(OH)8+ 4SiO2=2Fe3Si4O10(OH)2+2H2O。另外鐵建造中可見部分鐵滑石交代黑硬綠泥石，可能的反應(yīng)為:Fe2.7(Si，Al)4(O，OH)12·xH2O+ 0.33Fe2+= Fe3Si4O10(OH)2+ 2H2O + Al + 少量Na，K。

閃石類礦物常與石英、磁鐵礦、方解石共生，可見其交代早期的黑硬綠泥石，可能為黑硬綠泥石進(jìn)一步的變質(zhì)產(chǎn)物。如果體系中水組分較高，CO2組分較低，那么早期的鐵白云石可能會(huì)在進(jìn)變質(zhì)過程中與硅反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為角閃石類的礦物，其中伴隨著方解石的生成。

袁家村條帶狀鐵建造中菱鐵礦可能為原始沉積的產(chǎn)物，也可能為原始沉積的水鐵礦在成巖期經(jīng)異化鐵細(xì)菌的還原作用形成的，這種一般發(fā)生于含有有機(jī)碳的含鐵巖石中(Beukes and Gutzmer，2008)。

綜合上述，可大致推測原始的沉積物為無定形硅膠、水鐵礦、與鐵蛇紋石和黑硬綠泥石組成類似的鐵硅酸鹽凝膠、富Al 的粘土碎屑和含鐵、鎂、鈣的碳酸鹽軟泥(Klein，1973，2005)，并且這些沉積物在隨后的成巖期和綠片巖相的區(qū)域變質(zhì)作用下發(fā)生礦物之間的相互轉(zhuǎn)變。

4.3 礦物形成的物理化學(xué)條件

圖12 黑硬綠泥石顆粒野外和鏡下特征(a)富硅條帶中碳酸鹽顆粒(Cal)(白色)沿著石英(Q)條帶邊緣分布;(b、c)碳酸鹽顆粒邊緣可見黑硬綠泥石(Stp)的殘余，可見黑硬綠泥石集合體組成的原始顆粒，顆粒中還含有石英和磁鐵礦(Mag)(正交);(d)富硅條帶中散布的碳酸鹽顆粒，主要集中于條帶邊緣，顆粒周圍為石英、綠泥石、黑硬綠泥石(單偏);(e)變形的細(xì)條紋磁鐵礦穿切碳酸鹽顆粒，磁鐵礦條紋形成于黑硬綠泥石顆粒形成之后，但在變形之前(單偏);(f)磁鐵礦條紋穿切碳酸鹽顆粒(單偏)Fig.12 Field photos and photomicrographs of stilpnomelane granules found locally in silica-rich microbands，almost all of these stilpnomelane granules are replaced by carbonate(a)calcite (Cal)grains are relatively uniform in size，typically ～1mm in diameter，along the edge of quartz microbands;(b，c)relicts of stilpnomelane (Stp)along the edge of calcite grains and stilpnomelane granules containing quartz (Q)and magnetite (Mag)inclusions (between crossed polarizers);(d)calcite grains enclosed in a mosaic of interlocking silica crystals (plain-polarized light);(e，f)finely-laminated magnetite penetrating stilpnomelane granules，indicating that these magnetite are diagenetic in origin (plain-polarized light)

袁家村條帶狀鐵建造中的礦物組合(黑硬綠泥石、鐵滑石、綠泥石等)為一套低級(jí)(黑云母帶)變質(zhì)作用的平衡組合(Klein，2005)。前寒武紀(jì)海洋中硅的濃度接近飽和，伴隨著溫度的下降，硅的溶解度降低，反之，則提高。在25℃下，溶解硅與無定形硅膠的平衡最大活度為10-2.7(Klein and Bricker，1977)。在此條件下，圖13 分別給出了水鐵礦、磁鐵礦、鐵蛇紋石和菱鐵礦或白云石各自穩(wěn)定的PO2和PCO2區(qū)間，可見白云石與菱鐵礦的穩(wěn)定區(qū)間基本相同。相對于菱鐵礦和鐵白云石，磁鐵礦的形成需要相對較低的PCO2。鐵建造中磁鐵礦和鐵白云石共生，說明局部孔隙水中的PCO2可能在二者穩(wěn)定的區(qū)間范圍里發(fā)生波動(dòng)。鐵蛇紋石-菱鐵礦或鐵白云石-磁鐵礦可能是袁家村鐵建造中未變質(zhì)之前較為常見的組合，它們共生平衡的PO2很低，大約為10-63。磁鐵礦在研究區(qū)范圍內(nèi)分布最廣，大部分礦物均與磁鐵礦共生，考慮到其穩(wěn)定時(shí)較低的PO2，說明鐵建造大部分礦物是在缺氧環(huán)境中形成的。但是，偶爾可見赤鐵礦和假象赤鐵礦共生(圖4d)，假象赤鐵礦是磁鐵礦發(fā)生后期氧化的產(chǎn)物。赤鐵礦和磁鐵礦共生需要的氧分壓較高，為10-12。另外，鐵建造中黃鐵礦含量極低，說明體系中硫逸度極低。

圖13 25℃下鐵蛇紋石、Fe(OH)3、磁鐵礦和菱鐵礦或白云石的PO2-PCO2 圖解，其中硅的濃度接近飽和(據(jù)Klein and Bricker，1977)Fig.13 Stability relations among greenalite-Fe(OH)3-magnetite-siderite/dolomite as a function of PO2 and PCO2 at saturation with respect to amorphous silica at 25℃(after Klein and Bricker，1977)

利用Eh 和pH 值可評價(jià)水體系中礦物的平衡狀態(tài)。圖14 顯示了水鐵礦、磁鐵礦、黑硬綠泥石、鐵蛇紋石和菱鐵礦、鐵滑石處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的Eh 和pH 范圍(Klein，2005)。這個(gè)特定的富鐵水體系同時(shí)受到了氧分壓和溶解的碳質(zhì)的影響。該水體系硅的濃度接近飽和，A［H4SiO4］=10-2.7。在平均的現(xiàn)代海水中(A［H4SiO4］=10-4)(pH≈8.2)，如果存在鐵蛇紋石-菱鐵礦-磁鐵礦的穩(wěn)定組合，那么體系中Eh 值必定小于0，并且碳的熱力學(xué)活度接近1(Klein and Bricker，1977)。如果溶解碳質(zhì)的熱力學(xué)活度小于0.1，菱鐵礦可能不能穩(wěn)定存在。鐵建造中黑硬綠泥石相對比較氧化，與磁鐵礦、鐵白云石(部分為菱鐵礦重結(jié)晶而成)、鐵滑石(部分為鐵蛇紋石變質(zhì)而成)等共生，是含量最大的含鐵硅酸鹽礦物，可能出現(xiàn)于較低氧分壓，Eh 小于0.2，接近中性或堿性的體系中。水鐵礦只存在于相對高的PO2下，而磁鐵礦卻存在較低的PO2下，pH 接近中性或堿性。鐵蛇紋石出現(xiàn)于缺氧的堿性環(huán)境中，并且伴隨著pH 或溶解的SiO2的升高或溫度的下降(Siever，1971;Eugster and Chou，1973)，鐵蛇紋石的溶解度下降。鐵滑石可能是早期鐵蛇紋石、黑硬綠泥石或富鐵碳酸鹽的變質(zhì)產(chǎn)物，隨著溫度的升高(變質(zhì)程度的增加)，鐵滑石的穩(wěn)定區(qū)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)大，而鐵蛇紋石、黑硬綠泥石和菱鐵礦的穩(wěn)定區(qū)域?qū)⑾鄳?yīng)的縮減。另外，可從圖中看出在缺氧和酸性條件下，二價(jià)鐵離子便于累計(jì)和轉(zhuǎn)移，說明海水中pH 的變化導(dǎo)致了鐵質(zhì)的沉淀。

袁家村條帶狀鐵建造形成發(fā)生在大氧化事件期間或之后(2.3 ～2.1Ga)。前人根據(jù)全球BIF 和相關(guān)碳酸鹽巖的地球化學(xué)特征認(rèn)為古海洋在大氧化事件前后的氧化還原狀態(tài)是截然不同的(Bekker et al.，2010;Planavsky et al.，2010;Wang et al.，2014)，即大氧化事件之前古海洋整體呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)，而大氧化事件之后古海洋中存在氧化還原變層，上部水體氧化，下部水體還原。綜合上述礦物的形成條件，發(fā)現(xiàn)袁家村BIF 的沉淀主要受控于Eh、pH 及氧逸度等的驟然變化，由此推測可能由于還原弱酸性的深部富鐵海水在海侵的過程中上升到淺部相對氧化和弱堿性的淺水環(huán)境中，最終導(dǎo)致鐵質(zhì)的沉淀。

5 結(jié)論

袁家村BIF 氧化物相中發(fā)育豆粒、內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu)和板狀交錯(cuò)層理，可能指示氧化物相鐵建造部分是在較高能的淺水環(huán)境下沉積的。但鐵建造總體上以條紋條帶狀構(gòu)造為主，說明大部分BIF 形成于浪基面以下，且在沉積的過程中，盆地內(nèi)可能比較穩(wěn)定，受到后期因素的擾動(dòng)較小(沈保豐等，1982)?，F(xiàn)代海洋的浪基面的平均深度為200m(Klein，2005)，可為條帶狀鐵建造的沉淀深度提供參考。

袁家村BIF 原始的沉積物可能為無定形硅膠、水鐵礦、與鐵蛇紋石和黑硬綠泥石組成類似的鐵硅酸鹽凝膠、富Al的粘土碎屑和含鐵、鎂、鈣的碳酸鹽軟泥。它們在后期的成巖和變質(zhì)作用過程中演變?yōu)楝F(xiàn)今的礦物組合，主要為磁鐵礦、黑硬綠泥石、鐵滑石、綠泥石、鐵白云石等，這些礦物的化學(xué)特征和形成條件反映它們是在較低氧逸度下的中性到堿性環(huán)境中形成的;而赤鐵礦卻是在較高氧逸度下才能形成。袁家村BIF 的沉積可能同時(shí)發(fā)生于氧化和還原的水體之中，伴隨著變化的氧逸度和有機(jī)碳含量等條件，沉積相從上部的氧化物相逐漸過渡到硅酸鹽相再到下部的碳酸鹽相，且局部由于較高硫逸度形成黃鐵礦。

圖14 25℃下富鐵水體系中含鐵礦物的pH-Eh 圖解其中體系中有溶解的碳質(zhì)，硅的濃度接近飽和，黑硬綠泥石中Fe2+ /Fe3+≈2∶1. 虛線表示氧分壓. 陰影區(qū)域代表鐵滑石的穩(wěn)定區(qū)域(據(jù)Klein，2005 修改)Fig. 14 Eh-pH diagrams depicting the stability fields of some minerals (or their precursors)in the system Fe-H2OO2-SiO2-dissolved C with the ratio of Fe2+ /Fe3+ in stilpnomelane approximating 2，at 25℃ and 1atm total pressureBoundaries between aqueous species and solids at A［aqueous species］ =10 -6. Contours show partial pressure of oxygen. This diagram illustrates that at 25℃minnesotaite (the shaded field)is the stable and greenalite the metastable phase (modified after Klein，2005)

致謝 感謝太鋼集團(tuán)嵐縣礦業(yè)有限公司楊兆林、岳利平工程師在野外考察中的全力幫助!感謝潘鴻迪老師、朱明田博士和代堰锫博士在巖相觀察過程中的指導(dǎo)!感謝趙太平老師、耿元生老師和于津海老師對本文的悉心指導(dǎo)!

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