古元古代大氧化事件(GOE)前后海洋环境的变化来自华北条带状铁建造(BIF)岩相学和地球化学的证据

ＣＭＹ
Ｋ
第２２卷　第５期２０２０年　１０月古地理学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＡＬＡＥＯＧＥＯＧＲＡＰＨＹ（ＣｈｉｎｅｓｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ ２２　Ｎｏ ５
Ｏｃｔ．２０２０ 文章编号：１６７１－１５０５（２０２０）０５－０８２７－１４ ＤＯＩ：１０．７６０５／ｇｄｌｘｂ．２０２０．０５．０５７
古元古代大氧化事件（ＧＯＥ）前后海洋环境的变化：
来自华北条带状铁建造（ＢＩＦ）岩相学
和地球化学的证据
张连昌１，２　兰彩云３　王长乐１，２　彭自栋１，２
佟小雪１，２　李文君１，２　董志国１，２
１中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京１０００２９
２中国科学院大学，北京１０００４９
３西北大学地质学系，大陆动力学国家重点实验室，陕西西安７１００６９
摘　要　条带状铁建造（ＢＩＦ）是形成于前寒武纪海洋中的化学沉积岩，记录了古海洋氧化还原状态的重要
信息。

华北克拉通广泛分布的新太古代和古元古代ＢＩＦ，是了解古元古代大氧化事件（ＧＯＥ）前后古海洋氧化还
原环境变化的理想对象。

初步研究表明，华北克拉通新太古代ＢＩＦ主要为磁铁矿型氧化物相和硅酸盐相，极少
数出现碳酸盐相；古元古代ＢＩＦ包括赤铁矿型和磁铁矿型氧化物相、硅酸盐相和碳酸盐相，其中赤铁矿相是古
元古代ＢＩＦ独有的。

以上矿物学特征表明，新太古代和古元古代水体的氧化还原条件是不同的。

华北克拉通新
太古代ＢＩＦ的稀土元素组成缺乏强烈的负Ｃｅ异常，反映同期海水氧含量非常低，为缺氧状态；但少量ＢＩＦ也包
含有负Ｃｅ异常，同时具有较大变化范围的Ｔｈ／Ｕ值，指示新太古代海洋的局部水体氧含量相对较高，呈弱氧化状
态。

与新太古代ＢＩＦ相比，古元古代ＢＩＦ的Ｃｅ异常变化较大，包括无异常、正异常和负异常，尤其是赤铁矿相
ＢＩＦ具明显的负Ｃｅ异常，表明古元古代水体的氧含量和氧化还原结构已发生了明显变化；结合华北克拉通ＢＩＦ的Ｎｉ／Ｃｏ、Ｖ／（Ｖ＋Ｎｉ）和Ｔｈ／Ｕ等比值特征，认为古元古代海洋呈次氧化—氧化环境。

新太古代ＢＩＦ强烈富集重
铁同位素，Ｓ同位素非质量分馏效应较为明显；而古元古代ＢＩＦ相对富集轻铁同位素，Ｓ同位素非质量分馏效应
不明显。

综上，新太古代海洋环境整体缺氧，但局部可能存在氧气“绿洲”，暗示光合产氧作用在太古代晚期已
经存在；大氧化事件期间及之后的古海洋总体具上部氧化、下部还原的分层特征。

关键词　条带状铁建造　前寒武纪　大氧化事件　海洋环境　华北克拉通
第一作者简介　张连昌，男，１９５９年生，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，中国科学院大学教
授，主要从事金属矿床成矿作用研究。

Ｅ ｍａｉｌ：ｌｃｚｈａｎｇ＠ｍａｉｌ ｉｇｇｃａｓ ａｃ ｃｎ。

中图分类号：Ｐ５８８ ２４＋２ 文献标志码：Ａ
国家自然科学基金项目（编号：Ｕ１８１２４０２，４１９７２１９９）资助。

［ＦｉｎａｎｃｉａｌｌｙｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏｓ．Ｕ１８１２４０２，４１９７２１９９）］
收稿日期：２０２０－０７－１４ 改回日期：２０２０－０８－１２
ＣｈａｎｇｅｓｏｆｏｃｅａｎｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＧｒｅａｔＯｘｉｄａｔｉｏｎＥｖｅｎｔ（ＧＯＥ）：Ｅｖｉｄｅｎｃｅｆｒｏｍｐｅｔｒｏｇｒａｐｈｙａｎｄｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ
ｏｆｂａｎｄｅｄｉｒｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＢＩＦ）ｆｒｏｍｔｈｅＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ
ＺｈａｎｇＬｉａｎ Ｃｈａｎｇ１，２　ＬａｎＣａｉ Ｙｕｎ３　ＷａｎｇＣｈａｎｇ Ｌｅ１，２　ＰｅｎｇＺｉ Ｄｏｎｇ１，２
ＣＭＹ
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古　地　理　学　报 ２０２０年１０月
ＴｏｎｇＸｉａｏ Ｘｕｅ１，２　ＬｉＷｅｎ Ｊｕｎ１，２　ＤｏｎｇＺｈｉ Ｇｕｏ１，２
１ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｅｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ
２ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ
３ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏｎｔｉｎｅｎｔａｌＤｙｎａｍｉｃｓ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ７１００６９，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｎｄｅｄｉｒｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＢＩＦ）ｂｅｌｏｎｇｓｔｏｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｒｏｃｋｓｆｏｒｍｅｄｉｎＰｒｅｃａｍｂｒｉａｎｍａ
ｒｉｎｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｒｅｄｏｘｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｎｃｉｅｎｔｏｃｅａｎｓ．Ｍｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｇｅｏｃｈｅｍｉｓ ｔｒｙｏｆＢＩＦｃａｎｒｅｖｅａｌｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｏｘｙｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆａｎｃｉｅｎｔａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｏｃｅａｎ．ＴｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎａｎｄＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦｓｗｉｄｅｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｉｎｔｈｅＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ（ＮＣＣ），ａｒｅｔｈｅｉｄｅａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔｓｆｏｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｔｈｅａｎｃｉｅｎｔｏｃｅａｎｒｅｄｏｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅＰａｌｅｏ ｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＧｒｅａｔＯｘｉｄａｔｉｏｎＥｖｅｎｔ（ＧＯＥ）．ＯｕｒｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｆａｃｉｅｓｏｆｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎＢＩＦｉｎｔｈｅＮＣＣａｒｅｍａｉｎｌｙｍａｇｎｅｔｉｔｅ ｔｙｐｅｏｘｉｄｅａｎｄｓｉｌｉｃａｔｅ，ｗｉｔｈｍｉｎｏｒｃａｒｂｏｎａｔｅ．ＴｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｆａｃｉｅｓｏｆｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦａｒｅｈｅｍａｔｉｔｅ ａｎｄｍａｇｎｅｔｉｔｅ ｔｙｐｅｏｘｉｄｅ，ｓｉｌｉｃａｔｅａｎｄｃａｒｂｏｎ ａｔｅ，ｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｈｅｍａｔｉｔｅ ｏｘｉｄｅｆａｃｉｅｓｉｓｕｎｉｑｕｅｔｏｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦ．Ｔｈｅａｂｏｖｅｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｃａｌｆｅａ ｔｕｒｅｓｓｕｇｇｅｓｔｔｈａｔｔｈｅｒｅｄｏｘｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎａｎｄＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃｓｅａｗａｔｅｒａｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．ＴｈｅｒａｒｅｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎＢＩＦｉｎｔｈｅＮＣＣｌａｃｋｓａｓｔｒｏｎｇｎｅｇａｔｉｖｅＣｅａｎｏｍａｌｙ，ｒｅ ｆｌｅｃｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｏｘｙｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔｏｆｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙｓｅａｗａｔｅｒｉｓｖｅｒｙｌｏｗａｎｄｔｈｅｍａｒｉｎｅｉｓａｎｏｘｉｃ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔｏｆＢＩＦｓｉｎｔｈｅＮＣＣａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅＣｅａｎｏｍａｌｉｅｓａｎｄａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆＴｈ／Ｕｒａｔｉｏｓ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｌｏｃａｌｗａｔｅｒｏｆｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎｏｃｅａｎｈａｄｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈｏｘｙｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｗａｓａｔａｗｅａｋｏｘｉｄａｔｉｏｎｓｔａｔｅ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎＢＩＦｓ，ｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦｓｐｒｅｓｅｎｔａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆＣｅａｎｏｍａｌｉｅｓ（ｉ ｅ．，ｎｏＣｅａｎｏｍａｌｉｅｓ，ｐｏｓｉｔｉｖｅＣｅａｎｏｍａｌｉｅｓａｎｄｎｅｇａｔｉｖｅＣｅａｎｏｍａｌｉｅｓ）．Ｔｈｅｈｅｍａ ｔｉｔｅ ｂｅａｒｉｎｇＢＩＦｈａｓａｎｏｂｖｉｏｕｓｎｅｇａｔｉｖｅＣｅａｎｏｍａｌｉｅｓ，ｉｍｐｌｙｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｏｘｙｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｒｅｄｏｘｓｔａｔｅｏｆＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃｓｅａｗａｔｅｒｃｈａｎｇｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒａｔｉｏｓｏｆＮｉ／Ｃｏ，Ｖ／（Ｖ＋Ｎｉ）ａｎｄＴｈ／ＵｏｆｔｈｅＢＩＦｓｉｎｔｈｅＮＣＣ，ｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃｏｃｅａｎｓｅｘｈｉｂｉｔｅｄａｓｕｂｏｘｉｄａｔｉｏｎｔｏｏｘｉｄａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎ ｍｅｎｔ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ＮｅｏａｒｃｈｅａｎＢＩＦｉｓｓｔｒｏｎｇｌｙｅｎｒｉｃｈｅｄｉｎｈｅａｖｙｉｒｏｎｉｓｏｔｏｐｅｓａｎｄｔｈｅｎｏｎ ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｏｆＳｉｓｏｔｏｐｅｉｓｏｂｖｉｏｕｓ，ｗｈｅｒｅａｓｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｅｎｒｉｃｈｅｄｉｎｌｉｇｈｔｉｒｏｎｉｓｏｔｏｐｅｓａｎｄｔｈｅｎｏｎ ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｏｆＳｉｓｏｔｏｐｅｉｓｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓ．ＩｔｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈａｔｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎｍａｒｉｎｅｉｓａｎｏｘ ｉｃ，ｂｕｔｔｈｅｏｘｙｇｅｎ‘ｏａｓｉｓ ｍａｙｅｘｉｓｔｌｏｃａｌｌｙ，ｉｍｐｌｙｉｎｇｔｈａｔｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｏｘｙｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｌｒｅａｄｙｅｘｉｓ ｔｅｄｉｎｔｈｅＬａｔｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎ．ＴｈｅａｎｃｉｅｎｔｏｃｅａｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｌａｙｅｒｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｄｕｒｉｎｇａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅＧＯＥ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒｗａｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｏｘｉｄｉｚｅｄａｎｄｔｈｅｄｅｅｐｗａｔｅｒｗａｓｒｅｄｕｃｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｂａｎｄｅｄｉｒｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｐｒｅｃａｍｂｒｉａｎ，ＧｒｅａｔＯｘｉｄａｔｉｏｎＥｖｅｎｔ，ｏｃｅａｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，
ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ
Ａｂｏｕｔｔｈｅｆｉｒｓｔａｕｔｈｏｒ　ＺｈａｎｇＬｉａｎ Ｃｈａｎｇ，ｂｏｒｎｉｎ１９５９，ｉｓａｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｏｆＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆ
ＭｉｎｅｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ａｎｄａｐｒｏｆｅｓｓｏｒｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ．Ｈｅｉｓｍａｉｎｌｙｅｎｇａｇｅｄｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｍｅｔａｌｏｒｅｄｅｐｏｓｉｔｓ．Ｅ ｍａｉｌ：ｌｃｚｈａｎｇ＠ｍａｉｌ ｉｇｇｃａｓ ａｃ ｃｎ．
１　概述纵观地球演化历史，新太古代—古元古代（２ ７～１ ８Ｇａ）地球发生了一系列转变，尤其是大气氧的出现，成为地球区别于其他星球的重要标志，亦是地球宜居环境形成的基础（Ｃｏｎｄｉｅｅｔａｌ．，２０１８）。

在这一演变过程的初期（２ ６～２ ４Ｇａ），
地球表生环境开始向有氧方向转变，并开始发生巨量条带状铁建造（ＢＩＦ）沉积。

进入古元古代，特别是２ ４５～２ ２０Ｇａ期间，出现藻类生物繁衍、大规模铁建造、多次冰期、大氧化事件（ＧＯＥ）等
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第２２卷　第５期张连昌等：古元古代大氧化事件（ＧＯＥ）前后海洋环境的变化：
来自华北条带状铁建造（ＢＩＦ）岩相学和地球化学的证据表生环境事件（Ｈｏｌｌａｎｄ，２００９；Ｋｏｎｈａｕｓｅｒｅｔａｌ．，２００９）。

但对于大气增氧的具体时间及机制等问题仍然存在争议，是当前国际前寒武纪研究亟待解决的难题之一。

由于新太古代—古元古代铁建造的发育具有连续性和集中性，记录了表生环境的重要信息（Ｂｅｋｋｅｒｅｔａｌ．，２０１０；赵振华，２０１０；朱祥坤等，２０１３；Ｋｏｎｈａｕｓｅｒｅｔａｌ．，２０１７），因此深入开展新太古代—古元古代铁建造研究，有助于揭示铁建
造发育规模与大气增氧过程之间的关系。

图１　华北克拉通早前寒武纪条带状铁建造分布简图（据张连昌等，２０１２）
Ｆｉｇ １　ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｅａｒｌｙＰｒｏｃａｍｂｒｉａｎＢＩＦｓｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ（ａｆｔｅｒＺｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１２）
已有的研究表明，与表生环境有关的沉积建造记录了一系列反映大氧化事件前后海洋环境变化的地球化学信息：Ｆａｒｑｕｈａｒ等（２０００）统计的沉积岩样品Δ３３Ｓ值在２ ５～２ ４５Ｇａ发生了急剧的变化；Ｒｏｕｘｅｌ等（２００５）提出ＢＩＦ中黄铁矿的δ５６Ｆｅ值明显降低，碳酸盐岩δ１３Ｃ值在２ ３～２ ０Ｇａ发生了明显的正漂移；Ｂｅｋｋｅｒ等（２００４）发现在大氧化事件期间或之后赤铁矿在铁建造中的含量明显升高。

上述特征表明大氧化事件期间表层海水可能已经发生氧化，并伴随着层化海洋的出现，由此导致铁建造的元素地球化学行为和沉积相模式发生一系列变
化（Ｐｌａｎａｖｓｋｙｅｔａｌ．，２０１０；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１５）。

华北克拉通前寒武纪条带状铁建造分布广泛（图１）。

近年来，对该铁建造的研究工作取得了一些重要进展，主要包括铁建造的形成时代、构造背景、成因类型、物质来源、形成机制及古环境等方面（ＺｈａｉａｎｄＷｉｎｄｌｅｙ，１９９０；万渝生等，２０１２；张连昌等，２０１２；Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１２；Ｈａｎｅｔａｌ．，２０１４；Ｌｉｅｔａｌ．，２０１４；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１４ａ，２０１４ｂ，２０１５；Ｙａｎｇｅｔａｌ．，２０１４；Ｌａｎｅｔａｌ．，２０１７，２０１９ａ，２０１９ｂ）。

已基本查明华北克拉通绝大部分条带状铁建造形成于新太古代晚期（２ ５６～２ ５２Ｇａ），主要分布于鞍本（鞍山和本溪）、固阳、冀东和五台等地区，属阿尔戈玛型铁建造（Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１２；Ｌｉｅｔａｌ．，２０１４）；少量条带状铁建造形成于古元古代（２ ４～２ ２Ｇａ），主要分布于山西吕梁袁家村、河南舞阳和
鲁山等地区，属苏必利尔型铁建造（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１４ａ；Ｌａｎｅｔａｌ．，２０１７）；而山东昌邑和安徽霍邱铁建造的形成时代还存在新太古代与古元古代的争议。

总体来看，华北ＢＩＦ沉积时代贯穿于ＧＯＥ前后，通过对铁建造的研究不仅可以深入认识不同时代与不同类型铁建造的形成条件及形成机理，而且对于了解ＧＯＥ前后古海洋、大气化学成分及氧化还原状态，揭示早期地球表生环境变化机制和生命效应均具有重要的科学意义。

２　新太古代ＢＩＦ矿物组成与岩相学华北克拉通新太古代ＢＩＦ主要赋存于绿岩带，且大部分ＢＩＦ明显遭受到后期变质—变形作用的强烈改造。

从ＢＩＦ围岩的岩性及变质程度（相）看，大多数ＢＩＦ的围岩以角闪岩相变质为主，如本溪地
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古　地　理　学　报 ２０２０年１０月
表１　华北克拉通新太古代主要条带状铁建造铁矿地质特征
Ｔａｂｌｅ１　ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎＢＩＦｉｒｏｎｄｅｐｏｓｉｔｓｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ集中区鞍本地区冀东地区
五台固阳鲁西鞍山本溪遵化迁西滦县容矿群组鞍山群鞍山群遵化群迁西群滦县群五台群色尔腾山群鲁西群
围岩岩性绿泥石石英片岩，云母石
英片岩斜长角闪岩，阳起石片岩，黑云角闪片麻岩，变粒岩黑云角闪斜长片麻岩，黑云斜长片麻岩黑云斜长片麻岩，辉长片麻岩，角闪斜长片麻岩黑云变粒岩，二云母变粒岩，二云母石英片岩斜长角闪岩，云母片岩，绿泥角闪片岩斜长角闪岩，
透闪石片岩，石榴石黑云母片岩
绿片岩，千枚岩
变质相绿片岩相绿片—角闪岩相角闪岩相角闪—麻粒
岩相绿片—角闪岩相绿片—角闪
岩相角闪岩相绿片—角闪
岩相
品位／％２８～３５２８～３５２５～３５２５～３５２５～３５２６～３３２５～３２２０～３３
规模超大型—大型超大型—大型中型大—中型超大—大型中—小型中—小型超大型—大型
岩相磁铁矿氧化物相为主，少量硅酸盐相和碳酸盐相磁铁矿氧化物相为主，少量硅酸盐相磁铁矿氧化
物相为主，少量硅酸盐相磁铁矿氧化物相磁铁矿氧化物相磁铁矿氧化物相和硅酸盐相磁铁矿氧化
物相和硅酸盐相磁铁矿氧化物相
矿物组成磁铁矿，菱铁
矿，石英，透闪石，绿泥石，铁白云石，黑硬绿泥石磁铁矿，菱铁
矿，石英，阳起石，透闪石，铁白云石磁铁矿，石英，角闪石，黑云母磁铁矿，石英，角闪石，黑云母，紫苏辉石磁铁矿，石英，阳起石，透闪石，绿泥石磁铁矿，石英，绿泥石，镁铁闪石，黑硬绿泥石磁铁矿，石英，透闪石，阳起石，黑云母磁铁矿，石英，角闪石，
绿泥石，黑
云
母，碳酸盐矿
物
典型矿床齐大山，东鞍
山，西鞍山，大孤山，眼前山大台沟，歪头山，南芬，北台
石人沟，马兰庄水厂，马兰庄，杏山司家营，马城，大贾庄王家庄，山羊坪，峨口三合明，公益
明，东五分子济宁，杨庄
区歪头山和南芬、冀东地区石人沟和水厂、五台地区王家庄和峨口的ＢＩＦ等；部分地区围岩变质程度较低，为绿片岩相，如鞍山地区的大孤山、西鞍山和东鞍山的ＢＩＦ等；极少数地区围岩变质程度较高，可达麻粒岩相，如清原地区小莱河、河南舞阳的ＢＩＦ等（Ｌａｎｅｔａｌ．，２０１７，２０１９ａ；彭自栋等，２０１８；张连昌等，２０２０）。

ＢＩＦ与相关岩系呈整合接触，夹层及围岩常为变基性火山岩（斜长角闪岩），如本溪南芬ＢＩＦ（Ｚｈｕｅｔａｌ．，２０１５）和五台王家庄ＢＩＦ（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１４ａ）；次为变中酸性火山岩，如冀东司家营ＢＩＦ夹层岩石为黑云斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩（变英安岩）（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１７），弓长岭ＢＩＦ夹层岩石为黑云变粒岩（变英安岩）（万渝生等，２０１２）。

除绿岩带外，一些ＢＩＦ赋存于变碎屑沉积岩序列中，如鞍山齐大山ＢＩＦ（表１）。

华北克拉通新太古代绝大多数ＢＩＦ矿物组成主要为磁铁矿、石英、硅酸盐矿物，含少量碳酸盐矿物，个别含硫化物（如清原下甸ＢＩＦ）。

从ＢＩＦ矿物组合（相）看，ＢＩＦ以磁铁矿氧化物相和硅酸盐相为主，少见碳酸盐相（表１）。

其中，氧化物相指含铁矿物组合中一般无原生的赤铁矿，以磁铁矿为主，有时见赤铁矿交代磁铁矿，呈现磁铁矿假象，其他含铁矿物包括铁蛇纹石、黑硬绿泥石、铁滑石、含铁碳酸盐等。

硅酸盐相的矿物组成较复杂，取决于沉积后的变质程度，主要矿物为黑硬绿泥石、铁蛇纹石和角闪石等，偶见辉石、橄榄石、铁滑石等矿物，其他含铁矿物主要为铁碳酸盐、磁铁矿等。

碳酸盐相中含铁矿物组合一般为菱铁矿和铁白云石等，其他含铁矿物包括黄铁矿、磁铁矿、黑硬绿泥石、铁滑石等（表１）。

例如，大孤山ＢＩＦ铁矿是鞍山地区南矿带的典型矿床，矿区岩系主要为新太古界鞍山群樱桃园组变沉积岩、古元古界辽河群千枚岩以及震旦系钓鱼台组石英岩（图２）。

大孤山ＢＩＦ赋存于樱桃园组绿片岩相变沉积岩中，该组主要由绿泥石石英片岩、黑云变粒岩、磁铁石英岩和云母石英片岩组成。

ＢＩＦ矿体分为中部主矿体和北部矿体２个部分。

中部主矿体整体产状为陡倾的单斜，主要由氧化物相—硅酸盐相ＢＩＦ组成。

北部矿体呈薄层状，分布范围较小，主要由碳酸盐相ＢＩＦ组成。

氧化物相主要含铁矿物为磁铁矿，硅酸盐相主要由磁铁矿
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第２２卷　第５期张连昌等：古元古代大氧化事件（ＧＯＥ）前后海洋环境的变化：
来自华北条带状铁建造（ＢＩＦ）岩相学和地球化学的证据 ①辽宁省冶金地质勘查局地质勘查研究院．２０１１．辽宁鞍山地区大孤山铁矿地质勘察报告：１－１８０
．
图２　辽宁鞍山地区大孤山铁矿地质图（Ａ）（改自辽宁省冶金地质勘查局地质勘查研究院图件资料，２０１１）①
和大孤山矿区野外实测剖面图（Ｂ）（据佟小雪等，２０１８）
Ｆｉｇ ２　ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐｏｆｔｈｅＤａｇｕｓｈａｎｉｒｏｎｄｅｐｏｓｉｔｉｎＡｎｓｈａｎａｒｅａ，ＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ（ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍｍａｐｓｆｒｏｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙ，ＢｕｒｅａｕｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙ，ＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，２０１１）ａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｓｅｃｔｉｏｎｏｆ ｔｈｅＤａｇｕｓｈａｎｉｒｏｎｄｅｐｏｓｉｔ（ａｆｔｅｒＴｏｎｇｅｔａｌ．，２０１８）
（４０％）、黑硬绿泥石和镁铁闪石等铁硅酸盐矿物
（５０％）组成，而碳酸盐相主要由磁铁矿（６０％）、菱铁矿（２５％）和石英（１０％）组成，还见少量绿泥石等矿物（佟小雪等，２０１８）。

图３所示为典型ＢＩＦ矿物组成及岩相特征。

其中冀东司家营、鞍本地区的东鞍山和南芬矿区ＢＩＦ由磁铁矿氧化物相和硅酸盐相组成（图３－Ａ，３－Ｂ，３－Ｃ），山西五台王家庄、清原下甸矿区ＢＩＦ主要为由角闪石、铁闪石和黑硬绿泥石组成的硅酸盐相（图３－Ｄ，３－Ｅ，３－Ｆ），鞍山地区大孤山ＢＩＦ除氧化物相和硅酸盐相外，还出现碳酸盐相（图３－Ｇ，３－Ｈ，３－Ｉ）。

３　古元古代ＢＩＦ矿物组成与岩相学
华北克拉通古元古代ＢＩＦ以山西吕梁地区的袁家村和河南舞阳地区的铁山庙、鲁山和登封地区的
ＢＩＦ较为典型（表２）。

从ＢＩＦ围岩的岩性及变质程度（相）看，其围岩一般为浅变质细碎屑岩或碳酸盐岩，变质相以绿片岩相为主，少量为角闪岩—麻粒岩相。

这些古元古代的ＢＩＦ具有苏必利尔型ＢＩＦ的特征。

华北克拉通古元古代绝大多数ＢＩＦ的矿物组成主要为赤铁矿、磁铁矿、石英、硅酸盐和碳酸盐矿物。

从ＢＩＦ中含铁矿物组合（相）看，ＢＩＦ以赤铁矿氧化物相和硅酸盐相为主，少见碳酸盐相（表２）。

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古　地　理　学　报 ２０２０年１０
月Ａ，Ｂ和Ｃ—分别为冀东司家营、鞍本东鞍山和南芬磁铁矿氧化物相ＢＩＦ，主要由磁铁矿（Ｍｔ）和石英（Ｑ）组成（正交光）；Ｄ，Ｅ和Ｆ—分别为五台王家庄、清原下甸硅酸盐相ＢＩＦ，主要由磁铁矿（Ｍｔ）、石英（Ｑ）、角闪石（Ａｍ）、铁闪石（Ｇｒｕ）、黑硬绿泥石（Ｓｔｐ）和方解石（Ｃａｌ）等组成 （正交光）；Ｇ，Ｈ和Ⅰ—为大孤山碳酸盐相ＢＩＦ，主要由磁铁矿（Ｍｔ）、菱铁矿（Ｓｄ）、石英（Ｑ）及绿泥石（Ｃｈｌ）组成（正交光）
图３　华北克拉通新太古代典型条带状铁建造岩相学特征
Ｆｉｇ ３　ＰｅｔｒｏｇｒａｐｈｉｃｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎｔｙｐｉｃＢＩＦｓｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ
表２　华北克拉通主要古元古代条带状铁建造地质特征
Ｔａｂｌｅ２　ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦｓｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ
集中区吕梁舞阳鲁山登封
容矿群组吕梁群上太华群上太华群嵩山群围岩岩性绿泥片岩、石英绢云母千枚岩和绢云母片岩斜长角闪片麻岩、磁铁辉石岩、白云质大理岩石墨片麻岩、大理岩、斜长角闪岩、石英岩石英岩、绢云片岩、白云
岩、千枚岩
变质相绿片岩相角闪岩—麻粒岩相角闪岩相绿片岩相
品位／％２８～３５２５～３５２０～３５２０～３５
规模超大型大—中型中—小型小型
岩相以赤铁矿氧化物相和磁铁矿
氧化物相为主，少量硅酸盐相和碳酸盐相以磁铁矿氧化物相为主，少量硅酸盐相以磁铁矿氧化物相和赤铁矿氧化物相为主，少量硅酸盐相赤铁矿氧化物相和碳酸盐
相
矿物组成磁铁矿，赤铁矿，菱铁矿，石英，
绿泥石，铁白云石，黑硬绿泥石磁铁矿，石英，辉石，方解石磁铁矿，赤铁矿，石英赤铁矿，石英，铁白云石
典型矿床山西袁家村、狐姑山和尖山河南舞阳经山寺、 庙、铁古坑河南鲁山铁山岭河南嵩山井湾铁矿资料来源Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１５兰彩云等，２０１３Ｌａｎｅｔａｌ．，２０１７Ｌａｎｅｔａｌ．，２０１７
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第２２卷　第５期张连昌等：古元古代大氧化事件（ＧＯＥ）前后海洋环境的变化：
来自华北条带状铁建造（ＢＩＦ）岩相学和地球化学的证据 ①田永清，袁国屏，路九如，荆毅，余建宏，李敏敏．１９８６．山西省岚县袁家村前寒武纪变质—沉积铁矿床的地质构造特征与形成条件研究．山西：地质矿产局测绘队，１－２７０．
其中赤铁矿氧化物相中存在原生赤铁矿，同时含变
质成因的磁铁矿。

硅酸盐相中主要出现硅酸盐类矿
物，多见黑硬绿泥石、铁滑石和角闪石，偶尔可见
辉石等矿物。

碳酸盐相主要由菱铁矿、铁白云石等
碳酸盐矿物组成（表２）。

例如，依据山西吕梁袁家村ＢＩＦ矿物共生组合
及产出特征，可大致将其划分为氧化物相、硅酸盐
相和碳酸盐相。

其中ＢＩＦ氧化物相约占６０ｖｏｌ．％，
主要出现于研究区的北部，石英赤铁矿和石英磁铁
矿各占２４ｖｏｌ．％和３６ｖｏｌ．％；硅酸盐相次之，主要
由不同的铁硅酸盐矿物组成，约占３０ｖｏｌ．％，在研
究区内分布较广；而碳酸盐相较少，主要的含铁碳
酸盐矿物（菱铁矿和铁白云石）只占１０ｖｏｌ．％，集
中于研究区的南部（图４）。

袁家村ＢＩＦ氧化物相是该区ＢＩＦ最主要的岩
相，根据铁氧化物类型，可将该相进一步划分为赤
铁矿亚相和磁铁矿亚相。

其中赤铁矿亚相中可见赤
铁矿呈豆粒状产出，豆粒一般沿层理分布，延长方
向与条纹一致（图５－Ａ），大小不一，粒径为１～
２ｍｍ，胶结物主要是石英。

推测该豆粒是在浅部
动荡的水中，由硅胶和氧化铁的水化物在悬浮物的
表面积聚而成。

石英赤铁矿一般呈条带状构造，条带平直连续，宽度０ ０５～７ｍｍ（图５－Ｂ），矿物组成主要为石英和赤铁矿，基本不见其他矿物。

在部分富硅条带中，有一些条纹状的赤铁矿呈粉尘状，粒径小至０ ００２ｍｍ（图５－Ｃ），有的富铁与富硅条带接触较截然（图５－Ｄ）。

赤铁矿常以２种状态存在
于ＢＩＦ中，一种是呈分散的板条状赤铁矿，一般位于石英颗粒的三联点上，有时被半自形的石英颗粒所包裹（图５－Ｅ）；另一种赤铁矿因区域变质重结晶作用而形成鳞片状、长柱状的镜铁矿（图５－Ｆ）。

Ｗａｎｇ等（２０１５）对吕梁袁家村古元古代ＢＩＦ进行了系统的沉积相与沉积环境分析，获得了与ＧＯＥ之前ＢＩＦ特征不同的沉积模型，即氧化物相同时形成于上部弱氧化水体之中，其余相ＢＩＦ均形成于下部还原的水体之中。

近岸一侧主要为氧化物相，而远岸一侧（接近热液喷口）主要为碳酸盐
相，硅酸盐相介于二者之间。

该模型可用来阐释ＧＯＥ期间及之后ＢＩＦ
的分相特征。

图４　山西吕梁袁家村条带状铁建造岩相平面分布（据田永清等，１９８６①；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１５）Ｆｉｇ ４　Ｇｅｏｌｏｇｉｃｓｋｅｔｃｈｓｈｏｗｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｐｅｔｒｏ ｇｒａｐｈｉｃｆａｃｉｅｓｏｆＢＩＦｓｉｎＹｕａｎｊｉａｃｕｎａｒｅａ，ＬüｌｉａｎｇＤｉｓｔｒｉｃｔｏｆ ＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ（ａｆｔｅｒＴｉａｎｅｔａｌ．，１９８６；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１５）４　新太古代与古元古代ＢＩＦ地球化学特征对比
ＢＩＦ是记录地球早期古海洋环境变化的重要载体，ＢＩＦ中一系列元素及同位素组成反映了古海洋
化学组成及环境变化的丰富信息。

近年来，对华北克拉通新太古代和古元古代典型地区的ＢＩＦ地球化学特征开展了不同程度的研究工作，在ＢＩＦ的微量元素和稀土元素，Ｃ、Ｏ、Ｓ稳定同位素及Ｆｅ、３３Ｓ等非传统同位素方面取得了一系列成果（表３）。

４ １　稀土元素
ＢＩＦ的稀土元素组成能反映古海水的化学成分３３８
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月Ａ—赤铁矿（Ｈｅｍ）呈细小的豆粒状沿条带分布，粒径１～２ｍｍ；Ｂ—条带状石英赤铁矿，条带宽０ ０５～７ｍｍ，条带平直连续；Ｃ—富硅条带中的细条纹赤铁矿，宽约０ ０５ｍｍ（反射光）；Ｄ—富铁条带与富硅条带接触较截然，富硅条带中散布着粉尘状的赤铁矿，粒径约０ ００２ｍｍ（反射光）；Ｅ—细小的赤铁矿颗粒或分布在石英颗粒的三联点上，或被石英颗粒包裹（正交光）；Ｆ—赤铁矿因区域变质作用重 结晶，形成镜铁矿（反射光）
图５　山西吕梁袁家村古元古代条带状铁建造岩相特征
Ｆｉｇ ５　ＰｅｔｒｏｇｒａｐｈｉｃｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃｔｙｐｉｃＢＩＦｓｉｎＹｕａｎｊｉａｃｕｎａｒｅａ，ＬüｌｉａｎｇＤｉｓｔｒｉｃｔｏｆＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ
和氧化还原条件，其中Ｃｅ异常是衡量海水氧化还原状态最有效的方法之一。

一般来说，氧化的现代海水会显示明显的负Ｃｅ异常、ＬＲＥＥ亏损和Ｌａ Ｙ正异常（图６），而次氧化和厌氧的水体缺乏负Ｃｅ异常（ＧｅｒｍａｎａｎｄＥｌｄｅｒｆｉｅｌｄ，１９９０；ＢｙｒｎｅａｎｄＳｈｏｌｋｏｖｉｔｚ，１９９６）。

华北克拉通冀东、鞍本、五台和固阳等地的新太古代ＢＩＦ稀土元素配分形式不具有明显的Ｃｅ负异常（图６），可能反映ＢＩＦ沉积时古海洋处于缺氧环境；但其具有富集重稀土、Ｌａ Ｙ正异常及高Ｙ／Ｈｏ值的特征，暗示新太古代海水与现代海水仍然具有某些相似的稀土元素组成。

同时，新太古代ＢＩＦ稀土配分Ｅｕ正异常与海底热液具有相似性（图６），反映海底热液参与了ＢＩＦ的沉淀。

Ｆｒｅｉ等（２００８）发现前寒武纪ＢＩＦ的Ｅｕ异常随着时间演化逐渐降低，推测与地幔温度以及热液活动逐渐减弱有关。

华北克拉通古元古代ＢＩＦ稀土元素配分形式与新太古代总体一致，具ＬＲＥＥ亏损、Ｌａ Ｙ和Ｅｕ正异常的特征（图７）。

但袁家村ＢＩＦ的Ｃｅ异常范围较大，可从正异常过渡到负异常，其中赤铁矿相Ｃｅ异常值为０ ６０～０ ８３，磁铁矿相为０ ５９～１ １８，硅酸盐相为０ ６４～０ ８９。

在稀土元素分析中，前人发现海水中特征的正Ｌａ异常通常会影响到对ＢＩＦ中真实Ｃｅ异常的判断，为此Ｂａｕ和Ｄｕｌｓｋｉ（１９９６）建立了一个Ｐｒ－Ｃｅ
判别图（图８）来还原真实的Ｃｅ异常。

Ｗａｎｇ等（２０１５）在前人研究的基础上，结合古元古代晚期（２ ０～１ ８Ｇａ）、太古代和古元古代早期（＞２ ４Ｇａ）（李志红等，２００８；Ｐｌａｎａｖｓｋｙｅｔａｌ．，２０１０；Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１２）及袁家村ＢＩＦ的数据，绘制了华北新太古代与古元古代ＢＩＦ稀土元素Ｐｒ Ｃｅ判别图（图８）。

从图８中发现，全球新太古代和古元古代早期ＢＩＦ基本上均显示出Ｌａ的正异常，缺乏Ｃｅ负异常，而古元古代晚期ＢＩＦ显示出重要的正Ｃｅ异常；古元古代袁家村ＢＩＦ跨越Ａ、Ｂ区域，同时赤铁矿相具明显的负Ｃｅ异常。

Ｗａｎｇ等（２０１４ａ，２０１４ｂ）曾认为新太古代五台王家庄稀土元素显示出真实的Ｃｅ负异常，暗示水体环境部分已发生弱氧化或出现“氧气绿洲”。

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第２２卷　第５期张连昌等：古元古代大氧化事件（ＧＯＥ）前后海洋环境的变化：
来自华北条带状铁建造（ＢＩＦ）岩相学和地球化学的证据表３　华北新太古代与古元古代条带状铁建造环境敏感元素含量（μｇ／ｇ）及同位素组成
Ｔａｂｌｅ３　ＣｏｎｔｅｎｔａｎｄｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎａｎｄ
ＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦｓｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎ
典型ＢＩＦ河南舞阳铁山庙山西吕梁袁家村辽宁清原下甸辽宁本溪南芬山西五台王家庄内蒙古固阳三合明河北唐山
司家营时代古元古代（２．２～２．４Ｇａ）新太古代（２ ６～２ ５Ｇａ）
Ｎｉ２．９４～１１．３５．５４～２０．４０３．２２～１７．９３．９４～１９．２４．１４～１５．２８．４４～４６．０４Ｃｏ１．７４～２．７９１．９７～１４．４２．２２～１０．４１．１７～３．３２２．２８～１１．７１．６４～３．２８１ ８５～８．６４Ｎｉ／Ｃｏ１．５～４．０２．１～３．２１．５～１．８３．０～７．１３．２～５．５４．１～５．５Ｐｒ０．１３～０．７８０．１６～０．３４０．３８～０．７７０．１１～０．７０．６６～１．７７０．４２～０．７９０ ４０～１．４９Ｙｂ０．１３～０．２５０．２１～０．６８０．３８～０．６１０．１８～０．６００．５９～１．０５０．３１～０．５７０ １８～０．８６Ｐｒ／Ｙｂ１．１～３．１０．６０～３．３４１．０～１．３０．８～１．２１．１～１．３１．３５～１．３８
Ｖ２．１８～５．３７２．８４～２３．９５．８２～１４．７３．０７～４５．０１０．８～３９．５５．９１～１７．１６ ４０～２１．６Ｖ／（Ｖ＋Ｎｉ）０．３～０．３５０．３０～０．５００．４４～０．６４０．４２～０．６９０．５０～０．６００．４３～０．６９
Ｙ１．６３～５．６３１．９０～８．０１３．７０～６．３３１．９７～６．６９７．０８～１０．９２．９９～８．２５１ ２６～１０．０Ｈｏ０．０５～０．１３０．０８～０．２３０．１３～０．２１０．０５～０．２０．２２～０．３９０．１～０．２９０ ０３～０．３２Ｙ／Ｈｏ４０～４６２６～３４２８～３０３３～４０２６～３３２８～３０３０～３６Ｃｒ２３～２０９６８～３３５８８．８～３６３１０１～３７１１６６～９９５Ｃｕ１．８９～２．７３２．０３～５２．８２．１～４９．１３．２９～４０．５２．７６～４７．８４．１～９．２２５ ４０～２９．８Ｔｈ０．１３～０．９９０．１１～１．５７０．０５～０．１８０．０２～１．４３０．２７～１．３９０．０６～０．４５０ ０５～１．２１Ｕ０．０１～０．４７０．０１～０．４００．０２～０．２７０．０１～１．４３０．１０～０．７００．０３～０．２２０ ０７～０．５４Ｔｈ／Ｕ２．２～１０４．１～１０．２０．６７～２．１１．０～１．００．１９～２．７０２．０～２．１０．７～２．２δＣｅ ０．８１～１．０９０．５９～１．１８０．７０～０．８６０．７５～１．０８０．７４～０．９２０．７３～０．９４０ ７０～０．８５δ５６Ｆｅ‰－０．０１～－＋１．２５０．３５～１．０９－０．６５～－０．８３０．０８～１．２７ａ）０．２０～１．０５
Δ３３Ｓ０．８１～０．８９ｂ）－０．０５～＋０．０５ｃ）－０．４３～＋０．０４ｃ）－０．１０～＋０．１３资料来源Ｌａｎｅｔａｌ．，２０１９ａＷａｎｇｅｔａｌ．，２０１５彭自栋等，２０１８Ｚｈｕｅｔａｌ．，２０１５Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１４ａ南景博等，２０１７Ｗａｎｇｅｔａｌ．，
２０１７
注：１）δＣｅ ＝（Ｃｅ／Ｃｅ ）ＳＮ＝［２Ｃｅ／（Ｌａ＋Ｐｒ）］ＳＮ，据Ｂｏｌｈａｒ等（２００４）；
２）资料来源：ａ）为李志红等，２０１２；ｂ）为李延河等，２０１０；ｃ）为侯可军等，２００７。

ＰＡＡＳ为后太古代澳大利亚页岩，稀土元素数据来自ＭｃＬｅｎｎａｎ，１９８９图６　华北克拉通新太古代条带状铁建造标准化稀土元素配分图Ｆｉｇ ６　ＰＡＡＳ－ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄＲＥＥｐａｔｔｅｒｎｓｆｏｒｔｈｅＮｅｏａｒｃｈｅａｎＢＩＦｓｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏ
ｎＰＡＡＳ来源同图６
图７　山西吕梁袁家村古元古代条带状铁建造稀土元素配分图（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１４ｂ）Ｆｉｇ ７　ＰＡＡＳ－ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄＲＥＥｐａｔｔｅｒｎｓｆｏｒｔｈｅＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦｓｉｎＹｕａｎｊｉａｃｕｎａｒｅａ，ＬüｌｉａｎｇＤｉｓｔｒｉｃｔｏｆＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ （ａｆｔｅｒＷａｎｇｅｔａｌ．，２０１４ｂ）
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古　地　理　学　报 ２０２０年１０
月Ａ区域为古元古代晚期铁建造区域（＜２．０Ｇａ）；Ｂ区域为新太古代与古元古代铁建造区域（＞２．４Ｇａ）（据李志红等，２００８；Ｐｌａｎａｖｓｋｙｅｔａｌ．，２０１０；Ｚｈａｎｇｅｔａｌ．，２０１１；Ｚｈｕｅｔａｌ．，２０１５）；山西吕梁袁家村ＢＩＦ跨越Ａ、Ｂ区域，同时赤铁矿相具明显的负Ｃｅ异常。

（Ｐｒ／Ｐｒ ）ＰＡＡＳ＝［２Ｐｒ／（Ｃｅ＋Ｎｄ）］ＰＡＡＳ；（Ｃｅ／Ｃｅ ）ＰＡＡＳ＝［２Ｃｅ／（Ｌａ＋ Ｐｒ）］ＰＡＡＳ，据Ｂｏｌｈａｒｅｔａｌ．（２００４）；ＰＡＡＳ来源同图６图８　华北新太古代与古元古代条带状铁建造稀土元素Ｐｒ Ｃｅ判别图（据ＢａｕａｎｄＤｕｌｓｋｉ，１９９６；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１５）Ｆｉｇ ８　ＰｌｏｔｏｆＣｅａｎｄＰｒａｎｏｍａｌｉｅｓｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｔｏＰＡＡＳｆｏｒＮｅｏａｒｃｈｅａｎａｎｄＰａｌｅｏｐｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃＢＩＦｓａｍｐｌｅｓ，ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｐｏｓｉｔｉｖｅＬａａｎｏｍａｌｉｅｓａｎｄｔｒｕｅＣｅａｎｏｍａｌｉｅｓ（ａｆｔｅｒＢａｕ ａｎｄＤｕｌｓｋｉ，１９９６；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１５）
该推论与国际上部分学者的研究结果一致，如Ｃａ ｂｒａｌ等（２０１６）对巴西大约２ ６５Ｇａ的Ｉｔａｂｉｒａ组ＢＩＦ主微量元素特征研究发现，该ＢＩＦ具有较低的Ｔｈ／Ｕ值、较高的Ｙ／Ｈｏ值和真实的负Ｃｅ异常，可能说明沉积时海水已有微弱的氧化。

Ｙ和Ｈｏ具有相同的地球化学行为，但是当有海水参与时可以形成异常高的Ｙ／Ｈｏ值（ＢａｕａｎｄＤｕｌｓ ｋｉ，１９９９），现代海水Ｙ／Ｈｏ值（大约４４）高于球粒陨石（２６～２８）（Ｂｏｌｈａｒｅｔａｌ．，２００４）。

Ｐｌａｎａｖｓｋｙ等（２０１０）研究表明，太古宙和古元古代早期ＢＩＦ显示正Ｙ异常，Ｙ／Ｈｏ平均值为３９，而古元古代晚期ＢＩＦ具有相对较低的Ｙ／Ｈｏ值，平均为３２。

从表３统计看，华北新太古代ＢＩＦ的Ｙ／Ｈｏ值为２６～４０，古元古代早期ＢＩＦ的Ｙ／Ｈｏ值为２６～４６，二者变化不大。

４ ２　环境敏感元素
氧化还原敏感元素如Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｕ等，通常在氧化条件下呈溶解态，在还原沉积环境下大多易被还原成低价态转移至沉积物中富集，因此可以利用环境敏感元素在沉积物中的含量及特征比值来
重建古海洋的氧化还原状态和沉积环境（Ａｌｇｅｏ，２００４；ＡｌｇｅｏａｎｄＭａｙｎａｒｄ，２００４；Ｒｉｍｍｅｒ，２００４；Ｔｒｉｂｏｖｉｌｌａｒｄｅｔａｌ．，２００６）。

Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｈ和Ｕ等变价元素的溶解度随氧化还原条件的改变而产生较大变化，导致沉积物中的元素含量发生变化。

氧化还原敏感元素Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｄ在海水中通常作为微量营养元素被浮游生物吸收利用，并以有机质为载体进入沉积物中，当有机质被降解时，这些元素被重新释放进入间隙水，在缺氧条件、尤其是Ｈ２Ｓ存在的条件下，这些元素可形成自生的硫化物矿物，在沉积物中明显富集（Ｔｒｉｂｏｖｉｌｌａｒｄｅｔａｌ．，２００６）。

这些环境敏感元素的地球化学行为是古海洋氧化还原条件变化的指示剂，可作为恢复古海洋氧化还原环境变化的地球化学指标。

在前人研究资料的基础上，笔者统计了华北克拉通古元古代和新太古代典型地区ＢＩＦ的有关环境敏感元素的含量及特征比值（表３）。

考虑到ＢＩＦ中碎屑含量较高时可能会影响环境敏感元素的含量及其对环境氧化还原条件的判别质量，所以表３中的统计数据排除了一些Ａｌ２Ｏ３含量偏高（＞１ ５０％）的样品。

通常认为，Ｎｉ在氧化性海水中主要以溶解的Ｎｉ２＋和ＮｉＣｌ＋存在，在水柱中Ｎｉ与有机质形成有机络合物可以加速Ｎｉ在沉积物中的富集。

Ｃｏ在海水中的行为与Ｍｎ相似，在还原条件下可以从沉积物中溶解重新进入海水中，使Ｎｉ／Ｃｏ值增大。

因此，Ｊｏｎｅｓ和Ｍａｎｎｉｎｇ（１９９４）指出可用Ｎｉ／Ｃｏ值指示沉积环境的氧化还原状态：Ｎｉ／Ｃｏ＜５ ０指示氧化环境，５ ０＜Ｎｉ／Ｃｏ＜７ ０代表次富氧环境，Ｎｉ／Ｃｏ＞７ ０指示贫氧或缺氧环境。

从表３可看出，华北古元古代和新太古代ＢＩＦ的Ｎｉ／Ｃｏ值分别为１ ５～４ ０和１ ５～７ １，其中古元古代ＢＩＦ的Ｎｉ／Ｃｏ＜５ ０，指示氧化环境，而新太古代ＢＩＦ中大多数Ｎｉ／Ｃｏ值偏大，指示相对贫氧缺氧环境。

Ｖ在缺氧或者接近缺氧的水体中会优先富集于沉积物中，沉积岩中普遍高的Ｖ／（Ｖ＋Ｎｉ）值（＞０ ７）可能指示缺氧的沉积环境。

从表３可见，华北新太古代ＢＩＦ的Ｖ／（Ｖ＋Ｎｉ）值（０ ４２～０ ６９）明显高于古元古代（０ ３０～０ ５０），反映新太古代海洋环境趋于缺氧还原条件。

Ｔｈ对氧化还原条件不敏感，以不可溶的Ｔｈ４＋形式存在；Ｕ在氧化条件下以可溶的Ｕ６＋形式存在，只有在还原环境下被还原成不可溶的Ｕ４＋时才在沉６３８
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第２２卷　第５期
张连昌等：古元古代大氧化事件（
ＧＯＥ）前后海洋环境的变化：来自华北条带状铁建造（
ＢＩＦ）岩相学和地球化学的证据积物中富集。

因此，Ｔｈ／Ｕ值在氧化条件下由于Ｕ从沉积物中被释放到海水中而偏高，在强烈氧化条件下该值可以达到８，在缺氧环境中偏低，通常在０～２之间（
ＷｉｇｎａｌｌａｎｄＴｗｉｔｃｈｅｔｔ，１９９６）。

从表３可见，华北古元古代和新太古代ＢＩＦ的Ｔｈ／Ｕ值分别为２ ２～１０和０ ２～２ ７，反映古元古代海洋环境呈次氧化—氧化环境，而新太古代则为缺氧环境。

４ ３　非传统同位素
华北克拉通前寒武纪ＢＩＦ中非传统同位素的研究处于起步阶段，目前主要在Ｆ
ｅ、Ｓｉ同位素方面取得一批数据，在Ｃｒ、Ｍｏ、Δ３３
Ｓ等同位素方面还处于探索阶段。

为了研究ＢＩＦ中硅质的来源，Ｊｉａｎｇ等（１９９３）、Ｌｉ等（１９９５）最先对华北ＢＩＦ的硅同位素组成进行
测试，结果表明中国ＢＩＦｓ的δ３０
ＳｉＮＢＳ２８值普遍较低，
大部分位于－２ ０‰～－０ ３‰之间，平均－０ ９‰。

同时认为中国与世界其他地区不同时代不同类型ＢＩＦｓ的硅同位素组成非常相似，均与现代海底热液活动形成的硅华组成一致，为Ｂ
ＩＦ物质来自于海底火山热液的观点提供了佐证（ＩｓｌｅｙａｎｄＡｂｂｏｔ，１９９９）。

硫同位素非质量分馏的研究，主要应用于讨论地球早期大气成分的演化。

一些科学家（Ｆａｒｑｕｈａｒｅｔａｌ．，２０００；Ｂｅｋｋｅｒｅｔａｌ．，２００４）以沉积岩中硫同位素非质量分馏效应的消失，将ＧＯＥ的发生时间限定在～２ ４５Ｇａ，并认为此前大气中的自由氧含量应低于１
０－５
ＰＡＬ（ＰｒｅｓｅｎｔＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＬｅｖｅｌ）。

中国学者以早前寒武纪ＢＩＦ为例积极进行探索，侯可军等（
２００７）、李延河等（２０１２）发现辽宁鞍山—本溪地区太古代条带状硅铁建造中存在明显的硫
同位素非质量分馏，Δ３３
Ｓ＝－０ ８９‰～＋１ ２１‰，说
明气相光化学氧化在２
５Ｇａ前的硫同位素循环中发挥了重要作用，进而推测太古代大气氧水平相当于现代大气氧水平的１
０－２～１０－
３。

ＢＩＦ中的关键成矿元素是铁，故Ｆｅ同位素是重建古海洋氧化还原状态最佳的方法。

近年来，中国学者开展了大量有关Ｂ
ＩＦ中Ｆｅ同位素的研究工作。

李志红等（２００８）报道，华北新太古代
ＢＩＦ中磁铁矿的δ５６
Ｆｅ值均为正值，如鞍本地区ＢＩＦ样品均富集铁重同位素，δ５６Ｆｅ的变化范围为
０ ０８‰～１ ２７‰，认为ＢＩＦ是在较低氧—缺氧条件下沉淀的。

Ｗａｎｇ等（２０１４ａ，２０１４ｂ）的研究
表明，山西吕梁袁家村ＢＩＦ赤铁矿和磁铁矿有相
似的正铁同位素（δ５６
Ｆ
ｅ＝＋０ ３５‰～＋１ ０９‰），反映低氧—贫氧环境，并推测磁铁矿可能为三价铁的氢氧化物成岩转变而成。

Ｌ
ａｎ等（２０１９ａ）对古元古代铁山庙Ｂ
ＩＦ中条带状矿石和块状矿石进行了Ｆｅ同位素分析，表明２种矿石的δ５６
Ｆｅ值较
为一致，介于－０ ０１‰～－１ ２５‰之间，反映低氧化条件。

彭自栋等（２０１８）分析了辽宁清原新太古代绿岩带中上部的太阳沟和下甸子硅酸盐相
ＢＩＦ中的磁铁矿，其δ５６
ＦｅＭｇ值为－０ ６５‰～－０ ８３‰，证实了它们沉淀之前水体中的Ｆｅ２
＋已
经发生了部分氧化。

在前人基础上，笔者统计了世界和华北太古宙
和古元古代Ｂ
ＩＦ的全岩和单矿物的δ５６
Ｆｅ值（图９），结果显示Ｂ
ＩＦ的δ５６
Ｆｅ介于－２ ５‰～＋２ ７‰之间，其中晚太古代和古元古代早期负δ
５６
Ｆｅ较为常见。

虽然磁铁矿、碳酸盐（菱铁矿和铁白云石）及黄
铁矿具有正的和负的δ５６
Ｆｅ值，但铁氧化物普遍具有最高的δ５６Ｆｅ值，而碳酸盐矿物则具有较低的负δ５６
Ｆ
ｅ值。

如Ｐｌａｎａｖｓｋｙ等（２０１４）对全球２４个太古代和古元古代ＢＩＦ全岩的铁同位素特征进行了研
究，发现３ ０～２ ４Ｇａ的ＢＩＦ中δ５６
Ｆｅ值平均为０ ４‰，２ ３２～１ ８８Ｇａ的ＢＩＦ中δ５６Ｆｅ均值为０，说
明中—新太古代ＢＩＦ沉积时海水中的铁仅发生了部
分氧化，而非完全氧化。

图９　华北克拉通条带状铁建造中δ５６
Ｆｅ同位素组成及
全球对比（改自Ｂｅｋｋｅｒｅｔａｌ．，２０１０）
Ｆｉｇ ９　δ５６ＦｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＢＩＦｓｉｎＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＣｒａｔｏｎａｎｄ
ｇｌｏｂａｌｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ（ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍＢｅｋｋｅｒｅｔａｌ．，２０１０）
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