北京密云地区沙厂组条带状磁铁石英岩SHRIMP锆石UPb年龄及其地质意义最新资料.docx

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北京密云地区沙厂组条带状磁铁石英岩SHRIMP锆石UPb年龄及其地质意义最新资料

北京密云地区沙厂组条带状磁铁石英岩SHRIMP锆石U―Pb年龄及其地质意义

　　：

SHRIMPzirconU-PbagesforthebandedmagnetitequartzitefromShachangirondepositinMiyunareaofBeijingwerereported.ZirconU-Pbagesofthemagnetitequartziteare（1806±13）Maand（2464±18）Ma，respectively.BasedontheCLimagesofzircons，togetherwiththepetrographyofrocks，theagesshouldrepresenttwostagesofmetamorphismofthebandedmagneticquartzite，whicharesimilarwiththetimeoftwolarge-scalemetamorphicevents（namely～2.44Gaand～1.82Ga）intheeasternblockofNorthChinaCraton.Fortunately，aroundzirconwiththeageof（2517±12）Maisfound，representingtheageofdetritalzirconfromthemagnetitequartzite.Italsoindirectlyconstrainsthatthebandedironformationisformedat（2464±18）-（2517±12）Ma，mostlikelyattheendofNeoarcheanbycombiningpreviousdata.TheresultsalsoprovidefurtherdetailedinformationforthestudyofLateArchean-PaleoproterozoictectonicevolutionandPrecambrianBIF-typeirondepositsinNorthChina.

　　0引言

　　条带状铁建造（BIF）是指全铁含量（质量分数，下同）大于15%，主要由互层的硅质条带和铁质条带组成的早前寒武纪特有的海相化学沉积岩[1]。

当条带状铁建造中的全铁含量达到工业品位时，即成为BIF型铁矿。

国际上前寒武纪BIF型铁矿主要分布在俄罗斯、澳大利亚、巴西、加拿大、非洲、印度和美国等地，中国BIF型铁矿则主要分布在华北克拉通，包括辽宁北部、西部和鞍山―本溪，冀东，北京密云，内蒙古固阳、大青山，山西五台、吕梁，河南登封，安徽霍邱，鲁西和胶东等地，以辽宁鞍山―本溪和冀东地区BIF型铁矿分布规模最大。

世界上BIF型铁矿形成时代主要为新太古代，大约80%的BIF型铁矿资源在这个时期形成[2-5]。

其特点是矿床规模较大，类型单一。

中国BIF型铁矿主要是与晚太古代海相火山作用关系密切的阿尔戈马型[6]。

　　条带状铁建造构成了铁矿的重要组成部分，其探明储量占全球铁矿产量的90%，占富铁矿储量的60%～70%[7]。

作为世界上广泛分布的一种早前寒武纪特殊沉积岩[8-10]，条带状铁建造的形成时代始于3.8Ga左右，结束于16Ga，并以2.7～2.8、2.4～2.5、1.8～1.9Ga为3个成矿高峰期[6]。

条带状铁建造已经逐渐成为反演地球早期构造（地幔柱与早期板块构造）演化的重要载体[11-12]。

尽管条带状铁建造经历了复杂的变形变质作用，但是其地球化学体系组构特征却存在不同程度的稳定性而或多或少地记录并保留了原始及后期改造的信息。

随着研究的深入，磁铁石英岩的微区特征及其对形成过程的指示日益得到重视，在揭示条带状铁建造形成演化方面表现出了巨大潜力[13]。

　　北京密云地区是华北克拉通北缘太古宙变质岩广泛出露的地区之一。

该地区太古界变质岩系以其丰富的BIF型铁矿资源和变质作用特征曾引起学者的关注。

前人集中在20世纪八九十年代对该区铁矿做过大量的研究，但资料较老，尤其是高精度的年代学工作开展得较少。

近年来的研究结果表明，北京密云地区所在的华北克拉通东部陆块在太古代陆壳增生过程中发生了一系列的岩浆活动，随后在新太古代到古元古代时期经历了3期变质作用。

第一期变质作用大致在2.50Ga左右；第二期变质作用发生在约2.44Ga；第三期变质作用发生在约182Ga[14]。

结合前人研究成果，推测该区沉积变质铁矿的形成也应受到相应岩浆活动与变质作用的影响。

针对这一问题，本文采集北京密云地区沙厂铁矿的磁铁石英岩进行SHRIMP锆石U-Pb定年，从而限定了BIF型铁矿的形成和变质时代，并对其形成演化历史及地质构造背景进行了讨论。

　　1地质背景

　　1.1区域地质特征

　　华北克拉通位于欧亚大陆东部，地理位置为东经100°～130°、北纬32°～42°，总面积约为10×106km2，北邻中亚造山带（兴蒙造山带），南接祁连―秦岭―大别造山带，东至朝鲜半岛，包括了整个华北地区和东北地区南部（图1），是中国面积最大、时代最古老的陆块。

华北克拉通自初始陆核形成以来，经历了复杂的壳-幔作用和陆壳增生过程，记录了前寒武纪漫长而复杂的地质演化历史[15]。

作为中国最大、最古老的克拉通，华北克拉通基底主要由25～38Ga的TTG片麻岩、绿片岩相-麻粒岩相火山沉积岩组成[18-21]，其上则覆盖着中元古代长城系―蓟县系至中新生代盖层。

　　北京密云地区位于华北克拉通东北部燕山台褶带密怀隆起的东部，在古太古代到古中元古代经历了复杂的构造变质事件，并在此过程中形成了大量从角闪岩相到麻粒岩相的不同变质程度的变质岩，受到地质学家的长期关注。

根据本区太古宙变质区的岩石特点，岩石地层单元可划分为非层状岩系和表壳岩系两大类。

非层状岩系主要为TTG杂岩，表壳岩系为变质的火山-沉积岩系，条带状铁建造属于表壳岩系的组成部分。

北京密云地区变质铁矿床集中产于密云群沙厂组、大槽组及四合堂群山神庙组，在四合堂群阳坡地组和西湾子组中亦有小型矿床（点）（图1）。

本区已发现的变质铁矿床（点）共64处，已探明的铁矿床有40处（其中大型矿床2处，中型21处），该类型铁矿石储量占北京铁矿总储量的96%以上[22]。

　　沙厂组分布在北京密云水库以南，由一套辉石质麻粒岩相变质岩石组合组成。

主要岩石类型为二辉石麻粒岩、黑云角闪辉石斜长片麻岩、黑云辉石变粒岩（呈韵律式互层），夹浅粒岩、斜长辉石岩、斜长角闪岩、磁铁石英岩、角闪二辉石岩透镜体等。

变质相属于麻粒岩相，不排除局部为高角闪岩相。

该组地层总厚度大于1216m[17]。

　　关于沙厂组的时代，金文山等在天津地质矿产研究所同位素室用单颗粒锆石U-Pb同位素稀释法测得5个深变质岩样品的年龄为（2362±31）～（2553±74）Ma，考虑到古老锆石中Pb有所丢失，年龄值偏低，因此，推断其中（2553±74）Ma为最接近实际表壳岩系遭受麻粒岩相变质作用的年龄[17]；另外，测得该区12个表壳岩样品Sm-Nd模式年龄为241500～4049.48Ma，表明该区可能还有古太古代源岩的存在。

贺高品等测得由5个变质基性侵入岩样品组成的一条Sm-Nd等时线年龄为（2825±189）Ma，5个样品的Sm-Nd模式年龄为2183.58～2686.21Ma[23]。

　　1.2矿床地质特征

　　沙厂铁矿为华北克拉通典型的BIF型铁矿，位于北京密云水库南部。

矿床区域所处位置在郝家庄复式背斜的东翼，其中发育有铁山头向斜、铁西背斜、四矿带向斜等次一级褶皱构造（图2）。

铁山头向斜构造是褶皱构造的主要组成部分，向斜轴向为SN―NNE向（北段为NNE向，南段为SN向）；向斜两翼由Ⅱ、Ⅲ矿带组成，两翼铁矿层向北汇合于铁山头，向南逐渐展开，平面上呈倒“V”形（图2）；向斜转折端清晰，矿体厚度普遍加大（地表厚93m，深部变厚至115m）；向斜枢纽向南倾伏，倾伏角为20°～33°，轴面向西倾，倾角为80°～83°[22]。

　　沙厂铁矿规模较大，1970年投产后年处理矿石150×104t[22]。

铁矿矿体主要产出于沙厂组表壳岩系之中，沙厂组二段为主要含铁层位，是一套麻粒岩相岩石组合。

主要变质岩石有二辉麻粒岩、透辉斜长片麻岩、石榴二辉斜长片麻岩、（石榴）辉石角闪斜长片麻岩、云辉斜长片麻岩等。

矿体多呈似层状、透镜状、扁豆状，空间上成群成带分布，自东至西构成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ矿带。

受区内褶皱构造的控制，各矿带在平面上呈“W”形排列，表现出不封闭的连续褶皱构造形态；其产状与褶皱一致，以Ⅱ、Ⅲ矿带及其组成的铁山头向斜规模及工业价值最大。

　　沙厂铁矿矿石成分以磁铁矿及石英为主，其次为透辉石、普通辉石、角闪石、石榴石、黑云母等，含少量斜长石、赤铁矿、磁赤铁矿、黄铁矿等。

矿石多具粒状镶嵌变晶结构，呈条带状、片麻状、块状构造。

副矿物主要有锆石及磷灰石等。

铁矿石品位较好（TFe含量为26%～32%），矿石类型以辉石磁铁石英岩（包括磁铁石英岩及角闪磁铁石英岩）为主，其次为磁铁片麻岩。

主要围岩组合为黑云辉石变粒岩-斜长片麻岩+辉石斜长片麻岩+麻粒岩+斜长辉石岩+斜长角闪岩。

　　2样品特征

　　用于挑选锆石的样品编号为MY01（40°22′273″N，117°00′40.2″E），采自北京密云地区沙厂铁矿Ⅳ矿带（图2），根据其矿物组分含量可命名为透闪石化磁铁石英岩。

该磁铁石英岩是沙厂铁矿的主要矿石类型。

其围岩主要为片麻岩，样品新鲜，没有遭受分化，具中粗粒变晶结构、条带状构造[图3（a）、（b）]，主要由石英（体积分数约55%）、磁铁矿（约30%）和透闪石类矿物（15%）组成[图3（c）]；副矿物为锆石和磷灰石，主要赋存于石英内部[图3（d）]。

样品中磁铁矿主要有细粒和粗粒两种：

细粒磁铁矿多为分散状单颗粒定向分布，量较少，多分布于石英条带中；粗粒磁铁矿为细粒重结晶产物，大多呈集合体条状，平行分布，其中含有闪石类矿物。

透闪石可能是紫苏辉石退变的产物，其内部有细粒灰色矿物集合体，有的内部可见少量细粒粉末状磁铁矿，局部似乎保留有原矿物平行解理纹或双晶纹。

　　3分析方法

　　将约20kg的样品人工粉碎后，采用重选及电磁选分离出锆石。

将待测锆石与数粒锆石标样TEM置于环氧树脂制成的样品靶上，将靶上的锆石磨去一半露出内部，用于透射光、反射光和阴极发光照相测量及SHRIMP锆石U-Pb定年，接着进行抛光、清洗、镀金等操作。

　　SHRIMP锆石U-Pb定年在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心的SHRIMPⅡ上完成。

一次流强度为4.5nA，离子束斑直径为25～30μm。

应用标准锆石TEM（年龄为417Ma）进行年龄校正。

数据处理及U-Pb谐和曲线绘制采用Squid及ISOPLOT程序完成。

普通铅根据实测的204Pb进行校正，单个数据点误差类型为1σ，加权平均年龄误差类型为2σ。

样品测试过程中选择无包裹体、无裂纹的锆石。

　　4结果分析

　　锆石阴极发光（CL）图像在中国地质科学院北京离子探针中心实验室完成。

图4为样品中锆石阴极发光图像。

岩石样品中的SHRIMP锆石U-Pb定年结果列于表1。

　　样品MY01中大多数锆石呈不规则粒状，自形程度较低，无内部结构。

阴极发光图像有亮白和暗灰两种，粒径较小，一般为50～150μm（图4），颗粒无震荡韵律环带；有些颗粒还具有清晰的核边结构，部分锆石表面有溶蚀现象，说明锆石受到强烈变质作用改造，应属于变质成因锆石（如分析点21、131等）。

对MY01样品18颗锆石中的23个分析点[图5（a）、（b）]进行分析，数据点构成的不一致线上交点年龄为（2426±43）Ma，下交点年龄为（1858±66）Ma（平均标准权重偏差（MSWD）为2.5）。

其中6个靠近谐和曲线的数据点给出U-Pb年龄为（1806±13）Ma，MSWD值为1.4[图5（c）、（d）]，另外7个靠近谐和曲线的数据点给出U-Pb年龄为（2464±18）Ma，MSWD值为2.0[图5（e）、（f）]。

这两组年龄均代表了该磁铁石英岩的两次变质时代，也就是该区条带状铁建造遭受后期变质作用的年龄。

其中一颗锆石（图4中分析点11.1）的年龄较老（（2517±12）Ma），磨圆较好，可知其经历了较长距离的搬运作用，可能代表该磁铁石英岩所含碎屑锆石的时代。

另外，从年龄频数图可看出，该磁铁石英岩中还存在一期峰值约为2325Ma的年龄记录[图5（b）]，可能是由于铅丢失造成年龄偏低，其变质作用时间比较复杂，具体原因还有待进一步研究。

　　5讨论

　　考察华北克拉通从中太古代到古元古代的构造演化历史，前人研究认为太古代晚期是华北克拉通岩浆活动的重要时期[24-25]，是华北克拉通陆壳增生的高峰期，在此期间华北克拉通发生了强烈的构造热事件。

此后，在太古代晚期到元古代早期，华北克拉通又伴随有一系列的变质变形作用，而北京密云地区所处的东部陆块变质作用分别在2500、2440、1820Ma等3个阶段达到峰值[14]。

张连昌等研究表明，在3.0Ga前后已有条带状铁建造生成，2.7Ga和25～26Ga是主要集中期，特别是在255Ga前后最为发育，即在25Ga之前发生条带状铁建造的沉积，随后在古元古代早期（245～250Ga）发生了高级变质、花岗岩侵入以及基性岩墙群侵入等多期构造和岩浆作用的改造[6，26]。

　　表2列出了一些关于华北克拉通前寒武纪条带状硅铁建造形成和变质年龄的研究成果。

由表2可以看出，华北克拉通条带状铁建造的形成时代普遍集中于太古代晚期，而随后在早元古代又普遍发生了两次大的区域变质作用。

李厚民等对辽宁弓长岭铁矿围岩中含石榴石蚀变岩进行SHRIMP锆石U-Pb定年，获得的上交点年龄为（1850±16）Ma，10个分析点的加权平均年龄为（1840±7）Ma，可能代表了条带状铁建造的变质年龄[27]；Li等对冀东迁西组条带状铁建造相关岩系进行SHRIMP锆石U-Pb定年，得出其沉积时代为2520Ma，变质年龄为2485～2511Ma[28]；另外，金文山等在沙厂铁矿区及其附近围岩中提取的斜长二辉麻粒岩和细粒黑云二长岩的年龄分别为2478、2460Ma[17]。

　　通过对选自北京密云地区沙厂铁矿的磁铁石英岩进行SHRIMP锆石U-Pb定年研究，结果显示其主要存在两期变质锆石年龄记录，分别为（1806±13）、（2464±18）Ma。

结合其野外勘查情况及样品的岩相学和锆石阴极发光图像，这两组年龄即分别代表了该区条带状铁建造的变质年龄。

这两组变质年龄基本上与华北克拉通东部陆块古元古代时期的两次变质事件时间（约2.44Ga和约1.82Ga）[14]相一致。

由此可见，该区条带状铁建造的变质作用与整个华北克拉通东部陆块在古元古代发生的两次大的变质事件有密切关系。

　　关于条带状铁建造的形成时代，由于其属于化学沉积成因，在形成后期普遍遭受了角闪岩相至麻粒岩相的变质作用，很多同位素封闭体系被破坏，能够准确记录硅铁建造形成年龄的对象以及对其进行同位素定年的方法都很少。

很多硅铁建造的形成时代是根据岩浆岩的年代格架及硅铁建造与地层的地质关系推断出来的[43]。

本次采自北京密云地区沙厂铁矿的条带状磁铁石英岩中发现了一颗年龄为（2517±12）Ma的浑圆状锆石，推测其搬运距离较长，可能代表了该磁铁石英岩中碎屑锆石的年龄，从而限定了该区条带状铁建造的形成时代为（2464±18）～（2517±12）Ma。

结合华北克拉通其他地区条带状铁建造的形成时代，推测其可能形成于新太古代晚期。

　　6结语

（1）北京密云地区沙厂组条带状磁铁石英岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄分别为（1806±13）、（2464±18）Ma，与华北克拉通东部陆块两次大的变质事件时间（约244Ga和约182Ga）相吻合，均代表了该区条带状铁建造的变质时代，表明该区BIF型铁矿与该区广泛出露的太古代片麻岩一同遭受了后期两次变质作用的改造。

（2）该条带状磁铁石英岩中的一颗年龄为（2517±12）Ma的碎屑锆石也进一步限定了该区条带状铁建造的形成时代为（2464±18）～（2517±12）Ma。

结合前人研究资料，其可能形成于新太古代晚期。

　　（3）研究成果为该区乃至整个华北地区早期构造演化提供了进一步的详实资料，同时对于进一步开展中国BIF型铁矿资源研究也有重要意义。

　　中国地质科学院地质研究所李琳琳，中国地质大学（北京）侯晨阳、丁静帮助进行野外样品的采集，中国地质科学院地质研究所伍家善研究员帮助进行岩相学分析，中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心在样品制备和分析过程中给予了帮助，在此一并表示感谢。