北京十三陵地區(qū)青白口系長龍山組含鐵建造的發(fā)育特征及成因*

張 琴 王柏寒 周 琛 孫祖宇 梅嘯寒 原成帥 王 凱

1 中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249 2 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 3 中國石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北潛江 433123 4 中國地質(zhì)大學(北京)能源學院，北京 100083 5 中國地質(zhì)大學(北京)科學研究院，北京 100083

北京十三陵地區(qū)新元古界青白口系長龍山組發(fā)育一系列與海綠石砂巖伴生的前寒武紀含鐵建造。該含鐵建造(Iron Formation或Iron-bearing Formation)是指形成于前寒武紀的沉積或變質(zhì)鐵礦(Gross，1980；李碧樂等，2007)，因其成分主要由硅質(zhì)(碧玉、燧石、石英)和鐵質(zhì)(磁鐵礦、赤鐵礦)薄層組成而得名，其化學組成主要為鐵氧化物(Fe3O4和/或Fe2O3)和SiO2，礦物組成主要為磁鐵礦(Fe3O4)和/或赤鐵礦(Fe2O3)及石英，鐵氧化物與石英礦物常共生出現(xiàn)(Trendall，2002；Bekkeretal.， 2010；代堰锫等，2012；姚仲友等，2012；劉利等，2014)。前人研究普遍認為： 含鐵建造在整個前寒武紀的地質(zhì)記錄中分布廣泛；前寒武紀普遍為缺氧環(huán)境，而赤鐵礦的形成需要氧化環(huán)境；含鐵建造的產(chǎn)出自3.8Ga開始，主要集中于2.8～1.8Ga的大氧化事件之后，在0.8Ga左右因雪球事件而少量出現(xiàn)(Gross，1980；李碧樂等，2007；Bekker，2010；梁瑞等，2013；劉利等，2014)。含鐵建造在全球分布非常廣泛，含鐵建造的類型、分布時代、鐵質(zhì)來源、成因及成礦機理一直備受關(guān)注(Lepp and Goldich，1964；Trendall，2002；Bekkeretal.， 2010；姚仲友等，2012；劉利等，2014)。

前人對燕山地區(qū)元古界做了大量的研究，主要集中在年代地層和層序地層劃分(溫獻德，1997；鮑亦剛等，2001；高林志等，2007，2008，2010；李懷坤等，2010；胡國輝等，2013)、石油地質(zhì)特征(張長根和熊繼輝，1979；王鐵冠，1980；王杰和陳踐發(fā)，2001；孫省利等，2003；付順等，2011；劉清俊等，2014)、古地理環(huán)境(宋天銳，2007；王立峰等，2000；陳小軍等，2011；鐘焱等，2011；徐述騰，2015；郭芪恒等，2019)等方面。對華北地臺含鐵建造進行的研究認為，古元古代是中國一次非常重要的成礦期，含鐵建造在華北地臺廣泛分布(沈保豐等，2010)；華北克拉通中時代最古老的含鐵建造形成于始太古代，最年輕的含鐵建造形成于古元古代早期(張連昌等，2012)。前人也對華北地臺中元古界鐵嶺組黃鐵礦(梅朝佳，2018)和串嶺溝組砂脈中自生黃鐵礦(湯冬杰等，2009)進行過初步研究，但對華北地區(qū)新元古界出露的含鐵建造目前還沒有報道，對于青白口系含鐵建造的分布特征、發(fā)育類型和巖石學特征并不明確，對新元古代含鐵建造的形成條件、發(fā)育機理及其成因模式也亟待解決。

表 1 北京十三陵地區(qū)青白口系地層劃分及巖性特征(據(jù)朱士興等，2012，有修改)Table 1 Stratigraphic subdivision and lithological characteristics of the Qingbaikou System in the Ming Tombs area，Beijing(modified from Zhu et al.， 2012)

因此，筆者通過野外地質(zhì)考察、普通薄片鑒定、X衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、電子探針等手段，開展長龍山組含鐵建造的分布特征、物質(zhì)組成和形態(tài)特征等研究，明確含鐵建造的發(fā)育類型和巖石學特征，并進一步通過微量元素和化學成分的對比，深入分析長龍山組鐵質(zhì)的來源，探討含鐵建造的成礦條件和成因機制，建立不同類型含鐵建造的發(fā)育模式。該成果有助于豐富新元古代含鐵建造的成因機理，為預測華北地區(qū)新元古界青白口系含鐵建造的成礦規(guī)律和找礦提供地質(zhì)基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

北京十三陵地區(qū)隸屬于華北地臺燕山地區(qū)的京西坳陷，發(fā)育巨厚的古元古界長城系(1800—1600Ma，Pt1)、中元古界薊縣系(1600—1400Ma，Pt2)和新元古界青白口系(1000—800Ma，Pt3)，上覆古生界和中生界的沉積蓋層(郭芪恒等，2019)。燕山地區(qū)是中國新元古界青白口系出露最好、層序較為完整的區(qū)域(周洪瑞等，2006)，按照傳統(tǒng)的地層劃分，青白口系自下而上劃分為下馬嶺組、長龍山組和景兒峪組(陳秉麟，1981；喬秀夫和高林志，1999；陳小軍等，2011；朱士興等，2012)。近年來前人對燕山地區(qū)原青白口系下部下馬嶺組的年齡和層位歸屬問題提出了質(zhì)疑，其中最主要的是高林志等(2007，2008，2010)對北京西山下馬嶺組上部火山凝灰?guī)r進行了鋯石測年，得到凝灰?guī)r層的年齡為1368±12Ma，而青白口系時限為1000—800Ma，據(jù)此提出下馬嶺組應該歸屬于比青白口系更早的中元古界。目前，大多數(shù)學者將下馬嶺組定為待建系(高林志等，2007，2008，2010；喬秀夫等，2007；李懷坤等，2010；朱士興等，2012；翟明國等，2014；范文博，2015)。

本次研究的北京十三陵龍山剖面下馬嶺組、長龍山組和景兒峪組地層出露較完整(表 1)，地層序列和巖石特征在華北板塊具有代表性，并可與華北其他地區(qū)的剖面作對比(朱士興等，2012)。下馬嶺組以深灰色含鐵質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖及碳質(zhì)泥巖為主，厚度介于燕山西段和薊縣剖面之間，達318m。長龍山組發(fā)育一套含礫砂巖、砂巖和泥頁巖互層序列，下部砂巖較多，夾多套鐵質(zhì)條帶或斑塊，中部海綠石砂巖增多，上部以發(fā)育大套灰綠色頁巖和紫紅色頁巖薄互層為特征，厚119m。景兒峪組下部為一套灰綠色夾紫灰色的薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r或灰質(zhì)泥巖，大多發(fā)生變質(zhì)而板巖化，上部發(fā)育白云質(zhì)條帶灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶，厚94m(朱士興等，2012)(表 1)。之后，華北地塊與相鄰地體之間的碰撞導致下馬嶺組的抬升(或蔚縣抬升)以及碰撞花崗巖的形成。新元古代沉積是Rodinia超級大陸裂解的結(jié)果，長龍山組石英砂巖和海綠石砂巖是Rodinia超級大陸裂解后的最早期沉積，記錄了海侵初期的超覆過程(潘建國等，2013)。

圖 1 北京十三陵地區(qū)龍山剖面位置(據(jù)張巧大，2002，有修改)Fig.1 Location of the Longshan section in the Ming Tombs area，Beijing(modified from Zhang，2002)

2 樣品采集及測試

為了探討含鐵建造的發(fā)育類型、鐵質(zhì)來源和成礦機理，本次研究的露頭剖面位于京西地區(qū)十三陵龍山(N40°15′03″、E116°14′14″，圖 1)。共選取長龍山組一段和下馬嶺組改造較弱的新鮮樣品38塊(取樣位置見圖 2)進行多項分析化驗和顯微鏡下鑒定，具體包括普通薄片分析樣品38塊、掃描電鏡觀察樣品6塊、電子探針鑒定分析樣品6塊、X衍射礦物含量分析樣品10塊及微量元素(REE+Y)分析樣品7塊。

樣品的宏觀特征主要依據(jù)野外露頭和樣品的拋光面觀察，顯微組構(gòu)特征使用偏光顯微鏡進行觀察，超微組構(gòu)的表征通過Quanta200F場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡(ESEM)進行觀察。ESEM觀測的加速電壓為30 kV，工作距離為15mm。形態(tài)特征分析使用電子探頭(SE)成像技術(shù)，成分差異通過背散射探頭(SSD)進行表征。為增強導電性，樣品在掃描觀測前使用離子濺射儀噴鍍了厚約10nm的Au薄層。

原位微區(qū)成分定量分析通過與ESEM相連的EDAX Genesis 2000 X-射線能譜儀(EDS)完成。EDS分析的加速電壓為20 kV，工作距離為15mm，探針電流200 nA，束斑直徑約為1μm。成分校準采用天然礦物標樣(MINM25-53)對比。同點重復測量獲得的分析誤差小于1%。

電子探針、XRD和REE+Y測試樣品均是利用微鉆取自巖石光面。電子探針測點主要選擇于含鐵建造條帶中，使用JEOL JXA-8100型電子探針顯微分析儀在北京科技大學進行。用于XRD分析的含鐵建造樣品先經(jīng)過瑪瑙研缽研磨至200目以下，后使用D2 PHASER型X射線衍射儀在中國石油大學(北京)測試。REE+Y分析使用PE300Q型ICP-MS儀在中國地質(zhì)科學院實施，測試精度優(yōu)于10%。

圖 2 北京十三陵地區(qū)長龍山組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column of the Changlongshan Formation in the Ming Tombs area，Beijing

3 結(jié)果分析

3.1 長龍山組沉積序列和含鐵建造分布

本次研究的長龍山組從下向上劃分為一段、二段和三段(圖 2，表 1)。含鐵建造主要發(fā)育于長龍山組一段，長龍組二段底部零星發(fā)育。

長龍山組一段厚達52m。底部發(fā)育含礫粗砂巖，可見粒徑2～3cm礫石，磨圓度以次圓狀為主，分選性較好，具疊瓦狀定向排列，為潮間帶潮道沉積。中下部發(fā)育厚層黃褐色至黑紫色鐵質(zhì)石英砂巖和灰白色石英砂巖互層，局部見鐵質(zhì)結(jié)核，發(fā)育大型交錯層理，向上海綠石砂巖層增多。中上部為薄層海綠石砂巖和鐵質(zhì)砂巖互層，可見小型交錯層理、雙向交錯層理和平行層理。判斷其為潮間帶砂坪沉積。

長龍山組二段厚26m。主要為灰白色薄層石英砂巖夾黃綠色頁巖及粉砂巖，富集大量海綠石。砂巖礦物成分主要為石英，以粉細砂為主，次圓狀，分選性中等，可見低角度交錯層理。為潮下帶灘壩沉積。

長龍山組三段厚41m。為紫紅色與黃綠色頁巖互層，自下而上鈣質(zhì)含量逐漸增多，頁理極度發(fā)育，易破碎(圖 2)。為淺海陸棚泥巖相。

綜合研究認為，研究區(qū)長龍山組從下向上整體為一套以海侵過程為主的砂質(zhì)潮坪沉積過渡為濱外陸棚泥質(zhì)沉積。含鐵建造主要發(fā)育在長龍山組一段的砂坪中(圖 2)，在二段僅有零星分布。本次取樣主要位于長龍山組一段(圖 2)。

3.2 長龍山組含鐵建造巖石學特征

依據(jù)普通薄片觀察和X衍射分析結(jié)果，北京十三陵地區(qū)長龍山組鐵質(zhì)石英砂巖中石英含量為44.5%～70.9%，且石英破碎情況普遍嚴重，表明其經(jīng)歷了較強的風化壓實作用或后期的改造變質(zhì)。巖屑含量較低，在3.0%～18.5%之間，平均為6.0%，主要成分為沉積巖巖屑，以燧石為主，含少量巖漿巖巖屑，幾乎不含變質(zhì)巖巖屑。長石含量也較低，小于3.0%。上述特征反映了物源區(qū)巖石類型以沉積巖為主。

含鐵建造集中分布在長龍山組一段，主要由石英和鐵質(zhì)組成，可與海綠石伴生。根據(jù)厚度及其與海綠石的伴生關(guān)系，可以將含鐵建造分為2種類型，分別是與海綠石互層或伴生分布的Ⅰ型和與海綠石無伴生關(guān)系的Ⅱ型。

A，B，C—野外照片，鐵質(zhì)條帶和海綠石互層發(fā)育；D，E—顯微鏡下照片，鐵質(zhì)呈膠體形式充填石英顆粒間，有氧化的海綠石伴生。G為海綠石，H為鐵質(zhì)圖 3 北京十三陵地區(qū)長龍山組一段Ⅰ型含鐵建造宏觀分布特征和顯微鏡下特征Fig.3 Distribution and microscopic characteristics of type I iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing

A—似藻類結(jié)構(gòu)，長龍山組，北京十三陵；B—聚球藻類結(jié)構(gòu)，巴西(Beatriz and James，2012)。箭頭指示藻類結(jié)構(gòu)圖 4 含鐵建造中似藻類結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Characteristics of algal-like structure of iron formation

3.2.1 Ⅰ型含鐵建造

圖 5 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造中鐵質(zhì)近球形結(jié)構(gòu)及元素組成Fig.5 Near spherical structure and element composition of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing

A—條帶狀和斑塊狀含鐵建造；B—條帶狀含鐵建造；C，D—黑色的鐵質(zhì)層和石英呈脈狀互層分布，石英破碎明顯，C為單偏光，D為正交光。H為鐵質(zhì)，Q為石英圖 6 北京十三陵地區(qū)長龍山組Ⅱ型含鐵建造宏觀分布和顯微鏡下特征Fig.6 Distribution and microscopic characteristics of type Ⅱ iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing

3.2.2 Ⅱ型含鐵建造

主要分布于長龍山組一段下部。單層厚度多為10～15cm，平均厚度較大，無海綠石互層，呈條帶狀(圖 6-A，6-B)或團塊狀(圖 6-A)。顯微鏡下表現(xiàn)為黑色的鐵質(zhì)層和石英呈脈狀互層分布，相互夾雜；石英次生加大明顯，說明為碎屑石英；石英都呈定向拉長排列，含個別長石，石英和長石都破碎明顯，具有糜棱狀構(gòu)造(圖 6-C，6-D)。高倍掃描電鏡SEM照片顯示赤鐵礦具有針狀和雪花狀晶體結(jié)構(gòu)(圖 7)，其中針鐵礦晶形代表了其是在較高的pH值及較寒冷的環(huán)境下形成(姜兆霞和劉青松，2016)。

A—赤鐵礦針狀晶體結(jié)構(gòu)；B—赤鐵礦針狀晶體的XRD圖譜；C—赤鐵礦雪花狀晶體結(jié)構(gòu)；D—赤鐵礦雪花狀晶體XRD圖譜圖 7 北京十三陵地區(qū)長龍山組赤鐵礦針狀和雪花狀晶體結(jié)構(gòu)及元素組成Fig.7 Acicular and snowflake structure and its element composition of hematite in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing

含鐵建造的野外分布特征和顯微鏡下特征都能證明，2類含鐵建造的條帶狀結(jié)構(gòu)明顯，即使斑塊或團塊狀也顯示出順層分布的特點，因此都屬于條帶狀含鐵建造(Banded Iron Formation，BIF)(姚仲友等，2012)。研究區(qū)長龍山組含鐵建造主要沉積于大陸架—潮坪環(huán)境中，與石英砂巖伴生。根據(jù)Gross(1980)的劃分方案，此含鐵建造屬于蘇必利爾型，通常規(guī)模較大，較典型的代表如北美蘇必利爾湖地區(qū)和加拿大拉布拉多地區(qū)分布的含鐵建造，中國在山西袁家村、山東濟寧等地也分布此類含鐵建造(姚仲友等，2012)，因此，十三陵地區(qū)長龍山組的含鐵建造具有一定的經(jīng)濟價值。

3.3 含鐵建造礦物學特征

本研究選?、裥秃廷蛐秃F建造樣品共10件進行XRD分析。結(jié)果顯示，研究區(qū)含鐵建造鐵質(zhì)含量在8.2%～26.5%之間，平均為17.3%，以赤鐵礦為主，含少量黃鐵礦，部分樣品見針鐵礦(表 2)。從含鐵建造的野外出露(圖 3-A，3-B，3-C；圖 6-A，6-B)

表 2 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造X衍射數(shù)據(jù)Table 2 X-ray diffraction data of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing

圖 8 北京十三陵地區(qū)長龍山組和下馬嶺組微量元素源區(qū)判別圖解(底圖據(jù)Bhatia和Crook,1986)Fig.8 Trace element discrimination diagram for source area in the Changlongshan Formation and Xiamaling Formation of the Ming Tombs area，Beijing(Base map according to Bhatia and Crook,1986)

和普通薄片(圖 3-C，3-D；圖 6-C，6-D)上可以看到，鐵質(zhì)條帶的不同位置顏色不同，表明鐵質(zhì)的含量存在差異，這導致了取樣位置不一樣，所測出的鐵質(zhì)含量會有差異(表 2)。薄片觀察表明，Ⅱ型含鐵建造的鐵質(zhì)含量可達到50%(圖 7)，屬于中高品位的含鐵建造(姚仲友等，2012)。

3.4 含鐵建造微量元素分析

微量元素溶解度普遍較低，性質(zhì)相對穩(wěn)定，并且能夠快速地進入到細粒沉積物中而不發(fā)生分異，使得細粒沉積物能較好地保存源區(qū)的地球化學信息(Condie，1991)。沉積巖中的微量元素主要取決于源區(qū)母巖的類型，可代表物源區(qū)源巖的地球化學特征。因此，根據(jù)沉積物中微量元素的特征，利用特定的圖解可以判別大洋島弧、大陸島弧、主動大陸邊緣和被動大陸邊緣等構(gòu)造環(huán)境以及物源區(qū)的母巖類型(McLennan and Scott，1993)。

長龍山組和下馬嶺組之間為不整合接觸(朱士興等，2012)，在華北地區(qū)下馬嶺組也普遍富含鐵質(zhì)和海綠石，因此為判斷長龍山組的鐵質(zhì)來源及其與下馬嶺組之間的物源關(guān)系，共選用長龍山組5個樣品和下馬嶺組2個樣品進行微量元素測定。在Bhatia(1983)、Bhatia和Crook(1986)提出的La-Th-Sc判別圖解(圖 8-A)中，長龍山組砂巖都落入大陸島弧物源區(qū)，下馬嶺組2個樣品位于被動大陸邊緣區(qū)域和大陸島弧的交界處附近。在Th-Co-Zr/10判別圖解(圖 8-B)中，長龍山組樣品和下馬嶺組樣品點基本都落入大陸島弧區(qū)域。在Th-Sc-Zr/10判別圖解(圖 8-C)中，長龍山組樣品點都落入大陸島弧物源區(qū)，而下馬嶺組樣品點位于大陸島弧物源區(qū)與被動大陸邊緣交界附近。3個圖解投點結(jié)果基本一致，說明北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造的物源區(qū)具有大陸島弧的構(gòu)造背景，而下馬嶺組恰好具有類似構(gòu)造環(huán)境的母巖類型，這為長龍山組鐵質(zhì)來源的分析提供了依據(jù)。

7.牛腺病毒病。40℃以上高熱稽留，食欲減少，腹瀉，糞便帶血及黏膜塊，眼鼻分泌物增多，咳嗽，呼吸次數(shù)增加，引起出生犢牛的肺炎及腸炎，可致母畜流產(chǎn)，重者死亡。

圖 9 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造源巖判別圖解(底圖據(jù)Condie,1993)Fig.9 Discrimination diagram for source rock of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing(Base map according to Condie, 1993)

3.5 含鐵建造電子探針分析

本次研究選取電子探針分析樣品4件，測點共30個，對Ⅰ型與海綠石伴生的含鐵建造的化學組成進行分析(表 3)，以進一步分析鐵質(zhì)與海綠石的關(guān)系。從 表 3 可以看出，長龍山組含鐵氧化物含量和鐵的摩爾量變化較大，說明鐵質(zhì)的分布具有較強的非均質(zhì)性。

根據(jù)樣品成分中Fe2O3與K2O的相關(guān)性、Fe、Al、K的相對含量及其之間的相關(guān)性，可以分析鐵質(zhì)的來源，進一步判斷含鐵建造中鐵質(zhì)的成因，并可建立鐵質(zhì)成因模式(Pestitscheketal.， 2012)。

4 討論

對于含鐵建造中鐵質(zhì)的來源，一直存在陸殼風化來源、 海底火山來源、 海底水巖反應來源等不同觀點(張連昌等，2012)。對前寒武紀含鐵建造成因的研究也一直備受關(guān)注，主要成因觀點包括： (1)化學膠體沉淀成因。地層遭受風化作用發(fā)生紅土化形成的Fe3+，以真溶液或膠體溶液的形式被搬運至氧化帶沉積下來，可形成條帶狀含鐵建造(Lepp and Goldich，1964；Alibert and Mcculloch，1993；湯冬杰等，2011)。這種含鐵建造也會因受到后期構(gòu)造或斷裂活動的改造而導致巖石發(fā)生變質(zhì)，如河北鞍山式鐵礦、黑龍江佳木斯鐵礦等，均有如此特征(劉靜蘭，1987；姚春彥等，2012；周俊鵬，2019)；(2)熱液沉淀成因。由于地幔柱拱裂巖石圈導致海底大規(guī)模的巖漿噴發(fā)，富鐵沉積物便從海底對流循環(huán)的熱液中沉淀(Bischoff，1969；蔣少涌，1992；Bekkeretal.，2010)；(3)冰水沉淀成因。含鐵離子的化學膠體在聚集過程中，由于巨厚冰層的覆蓋使得表面氧氣無法接觸，在冰水沉積環(huán)境下形成了含鐵離子膠體，鐵離子來自冰下水體；當表層富氧海水與冰下通道中流出的富鐵離子(Fe2+)缺氧水體混合時，F(xiàn)e2+被快速氧化而發(fā)生化學沉積，并膠結(jié)冰水中的近源碎屑組分，形成富鐵礫巖型鐵礦體(Klein，1973，2005；余志慶和王倫，1989；Beukes and Klein，1990；Lottermoser and Ashley，2000；李志紅等，2008，2014；李延河等，2010，2011)。對于十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造的成因，需要根據(jù)其分布特征、物質(zhì)組成及其鐵質(zhì)的來源進行系統(tǒng)的探討。

表 3 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造化學組成Table 3 Chenmical composition of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing

4.1 長龍山組鐵質(zhì)的來源

近年來，學者們對燕山地區(qū)青白口系的地層界線進行了新的區(qū)域性考察，發(fā)現(xiàn)長龍山組與下伏下馬嶺組之間不僅是1條明顯的SBI類型的層序不整合界線，而且還是1條既有平行不整合、又有角度不整合的區(qū)域不整合接觸界線。此沉積間斷面所代表的地殼運動稱為“蔚縣上升”，角度不整合的存在表明“蔚縣上升”不是一般的升降運動，而可能是1次發(fā)生在長龍山組沉積之前的代表地殼收縮和擠壓的褶皺運動(周洪瑞等，2006；朱士興等，2010；曲永強等，2012；梁瑞等，2013；潘建國等，2013)。

天津薊縣、北京十三陵等不同地區(qū)的下馬嶺組普遍具有含鐵沉積物： 上部為綠色、翠綠色頁巖夾薄層鐵質(zhì)粉砂巖；下部夾海綠石砂巖，并含菱鐵礦和黃鐵礦透鏡體；底部發(fā)育鐵綠泥石和鐵質(zhì)膠結(jié)礫巖，礫巖之上常見透鏡狀鐵礦或含鐵粗砂巖。在薊縣剖面中，下馬嶺組多發(fā)育含菱鐵礦砂巖沉積，同時普遍見有夾2～4層、順層產(chǎn)出的中基性巖漿巖(主要呈巖床，可導致局部接觸變質(zhì))，頂部還發(fā)育凝灰?guī)r，這為下馬嶺組鐵質(zhì)的富集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。下馬嶺組和長龍山組之間的不整合間斷，使得下馬嶺組的鐵質(zhì)遭受長期的風化作用，這可為長龍山組提供鐵質(zhì)來源，進而導致鐵質(zhì)在長龍山組富集。長龍山組發(fā)育的海綠石大多數(shù)為顆粒狀，具有非常好的磨圓度，也可推測其主要是來自于下馬嶺組大塊發(fā)育的膠結(jié)物狀的海綠石經(jīng)過再次搬運而沉積的碎屑顆粒。因此，下馬嶺組發(fā)育的鐵質(zhì)沉積物，為長龍山組鐵質(zhì)建造的發(fā)育提供了鐵質(zhì)來源。

另外，根據(jù)微量元素特征，十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造物源區(qū)具有大陸島弧的構(gòu)造背景，包含安山巖以及長英質(zhì)母巖，下馬嶺組火山巖為活動陸緣，同時下馬嶺組中普遍見有夾2～4層順層產(chǎn)出的中基性巖漿巖(主要呈巖床)。同時，微量元素分析亦表明，長龍山組和下馬嶺組的鐵質(zhì)都來源于大陸島弧安山巖(圖 8；圖 9)。因此，十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造的鐵質(zhì)來源與下馬嶺組的鐵質(zhì)和安山巖有著緊密的關(guān)系。

4.2 含鐵建造的成因

4.2.1 膠體化學沉積成因

與前文所提到的幾種含鐵建造成因觀點進行對比，發(fā)現(xiàn)十三陵地區(qū)含鐵建造缺乏冰磧成因的有利證據(jù)，且華北地區(qū)在長龍山組沉積時期缺少巖漿熱液活動記錄，故研究區(qū)含鐵建造不符合冰水沉淀成因及熱液沉淀成因機理。研究區(qū)下馬嶺組沉積后的風化剝蝕，使本來富含鐵質(zhì)的下馬嶺組遭受到紅土化作用，形成了一定厚度的鐵質(zhì)豐富的古風化殼，這為后期長龍山組鐵質(zhì)建造的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)鏡下觀察和XRD測試數(shù)據(jù)，研究區(qū)含鐵建造成層性較好，層理發(fā)育，與海綠石砂巖呈互層分布，因此推斷長龍山組含鐵建造屬于沉積型成因。其物質(zhì)來源以陸源風化產(chǎn)物為主，并產(chǎn)出于古陸不整合面之上的海侵巖系底部或中下部(翟裕生和王建平，2011)。這正好符合長龍山組和下馬嶺組之間的接觸關(guān)系和發(fā)育層位，即研究區(qū)長龍山組含鐵建造正好發(fā)育于下馬嶺組風化面之上新的海侵體系域下部(圖 2)，其正是適合膠體化學沉積礦床的構(gòu)造背景。

赤鐵礦出現(xiàn)針狀晶體，通常被認為是條帶狀含鐵建造經(jīng)過表生淋濾交代形成的(仲佳鑫等，2012)。在Ⅱ型含鐵建造中觀察到了較多的針狀赤鐵礦(針鐵礦)(圖 7-A，7-C)，且原始含鐵建造層理保存較好(圖 3-A，3-B，3-C)，反映了研究區(qū)含鐵建造遭受了表生淋濾及交代作用。華北板塊長龍山組與下馬嶺組之間存在沉積間斷，這為陸源物質(zhì)風化提供了條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。長龍山組沉積早期，下伏風化殼上的鐵質(zhì)物質(zhì)以溶解物質(zhì)(膠體)形式搬運至海盆，遇電解質(zhì)中和發(fā)生膠體沉淀，并與石英等碎屑物質(zhì)一起沉積下來，從而形成了鐵質(zhì)石英砂巖。

研究區(qū)含鐵建造厚度在不同層位差別較大，且 Ⅱ 型含鐵建造中大多數(shù)石英發(fā)生了破碎，并有定向排列和糜棱化現(xiàn)象(圖 6-C，6-D)，反映了鐵質(zhì)沉淀過程中或之后發(fā)生過強烈的構(gòu)造運動。十三陵龍山剖面位于燕山地區(qū)，景兒峪組沉積后發(fā)生了著名的薊縣運動，這可能是鐵質(zhì)石英砂巖發(fā)生糜棱化的主要原因，但糜棱化的具體時間和成因還需要做進一步的研究。因此，推斷條帶狀分布的大套Ⅱ型含鐵建造主要屬于膠體化學沉積成因，后期可能遭受了構(gòu)造作用改造而發(fā)生糜棱化。

4.2.2 海綠石的轉(zhuǎn)化

Ⅰ型含鐵建造與海綠石伴生，且這些海綠石多以膠結(jié)物的形式存在，石英等碎屑顆粒沒有明顯的定向排列(圖 3-D，3-E)。海綠石在一定條件下會轉(zhuǎn)化為褐鐵礦或針鐵礦，針鐵礦脫水便會轉(zhuǎn)化為赤鐵礦(Chukhrov，1974；Benjaminetal.， 2020)。海綠石是在相對缺氧的環(huán)境下產(chǎn)生的，而新元古界主要為缺氧環(huán)境，只有少量造氧生物存在。在Ⅰ型含鐵建造中發(fā)現(xiàn)的藻類結(jié)構(gòu)生物(圖 4)，是為氧化作用提供氧氣的有力證據(jù)(梅冥相等，2007)。藻類生物光合作用需要光照強度，在光照強烈的春夏季產(chǎn)生氧氣較多，光照不足的秋冬季節(jié)則難以產(chǎn)生氧氣。根據(jù)海綠石與赤鐵礦韻律性的伴生關(guān)系，推測極有可能是海綠石在氧氣充足的情況下遭受風化作用先轉(zhuǎn)化為褐鐵礦，再進一步氧化為赤鐵礦，而在氧氣不足的條件下則依然保持海綠石的形態(tài)生長，所以出現(xiàn)了海綠石和鐵質(zhì)伴生的現(xiàn)象。

圖 10 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造的化學組成關(guān)系Fig.10 Relationship diagram of chemical composition of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing

A—Ⅱ型含鐵建造發(fā)育模式示意圖；B—Ⅰ型含鐵建造主要發(fā)育模式示意圖圖 11 北京十三陵地區(qū)長龍山組含鐵建造發(fā)育模式示意圖Fig.11 Schematic diagram of development model of iron formation in the Changlongshan Formation of the Ming Tombs area，Beijing

海綠石遭受風化作用可以析出鐵質(zhì)，其成分中的Fe2O3及K2O呈正比例關(guān)系，F(xiàn)e與Al以及K與Al均呈反比例關(guān)系(Pestitscheketal.， 2012)。從本次取自與鐵質(zhì)條帶伴生的海綠石樣品的電子探針分析結(jié)果可以看到，在K2O含量小于4%時，F(xiàn)e2O3與K2O呈正比例關(guān)系，在Al含量較高時，F(xiàn)e與Al呈反比例關(guān)系，而K與Al之間的反比例關(guān)系不明顯(圖 10)，此結(jié)果與Pestitschek等(2012)研究得到的規(guī)律有所偏差。造成這一現(xiàn)象的原因可能是海綠石風化只是含鐵建造鐵質(zhì)的來源之一，在Ⅰ型含鐵建造中仍有化學膠體直接沉淀形成的赤鐵礦，且Ⅰ型含鐵建造也具有非常好的成層性(圖 3-A，3-B，3-C)及與鐵質(zhì)共生的海綠石發(fā)生氧化作用呈棕色(圖 3-D，3-E；圖 4)，也都可以證明這一點。另外，電子探針數(shù)量較少也可能影響了實驗的結(jié)果。所以，Ⅰ型含鐵建造可能是化學膠體沉淀成因與海綠石風化混合成因的產(chǎn)物。

4.3 含鐵建造的成因模式

基于上述含鐵建造的發(fā)育特征、鐵質(zhì)來源及成因討論，建立了Ⅰ型和Ⅱ型含鐵建造的成因模式(圖 11)。

Ⅱ型含鐵建造發(fā)育于長龍山組一段下部，形成過程為： (1)下馬嶺組的鐵質(zhì)遭受長期風化作用形成風化殼；(2)長龍山組沉積早期發(fā)生海侵，風化殼上的鐵質(zhì)和碎屑被流水搬運，F(xiàn)e3+以真溶液或膠體形式被搬運至濱淺海，遇電解質(zhì)和藻類發(fā)育帶釋放的大量氧氣，以氧化物的形式發(fā)生沉淀，形成了以赤鐵礦為主的鐵質(zhì)石英砂巖(圖 11-A)；(3)薊縣運動或之后強烈的構(gòu)造運動使鐵質(zhì)石英砂巖發(fā)生糜棱化改造。

Ⅰ型含鐵建造發(fā)育于長龍山組一段上部，與海綠石伴生。根據(jù)巖性和沉積序列演化(圖 2)可知，長龍山組從下部向上部逐漸發(fā)生海侵，在濱淺海相對較深水的還原環(huán)境沉積了海綠石砂巖；由于存在短暫的海退(郭芪恒等，2019，圖 2)，海綠石砂巖進入浮游植物(藻類)發(fā)育帶，藻類光合作用提供的大量氧氣使得海綠石發(fā)生氧化，逐步轉(zhuǎn)化為褐鐵礦或針鐵礦，進一步脫水氧化轉(zhuǎn)化為赤鐵礦(圖 11-B)。同時，海綠石的氧化也可能跟藻類隨季節(jié)性氣候變化引起氧氣含量發(fā)生變化有關(guān)。因此，出現(xiàn)了海綠石砂巖和鐵質(zhì)石英砂巖互層的現(xiàn)象，鐵質(zhì)石英砂巖內(nèi)部也伴生了未徹底風化的棕褐色的海綠石(圖 3-D，3-E)。另外，根據(jù)化學組成關(guān)系，Ⅰ型含鐵建造可能還混合了少量化學膠體沉淀成因的鐵質(zhì)(圖 11)。

5 結(jié)論與建議

1)北京十三陵地區(qū)青白口系長龍山組含鐵建造發(fā)育，主要分布于長龍山組一段，可以分為與海綠石伴生的Ⅰ型和無海綠石伴生的Ⅱ型，兩者都以赤鐵礦為主，前者以近球形結(jié)構(gòu)為主，后者發(fā)育針狀或雪花狀赤鐵礦。Ⅰ型含鐵建造鐵質(zhì)品位較低，Ⅱ型含鐵建造鐵質(zhì)品位較高。

2)下馬嶺組和長龍山組之間存在不整合接觸關(guān)系。下馬嶺組普遍發(fā)育含鐵沉積物，沉積之后地殼抬升發(fā)生風化作用，鐵質(zhì)在風化殼富集，為長龍山組提供了鐵質(zhì)來源。

3)建立了Ⅰ型和Ⅱ型含鐵建造的發(fā)育模式。長龍山組含鐵建造成層性較好，Ⅱ型含鐵建造屬于膠體化學沉淀成因，后期可能發(fā)生了糜棱化改造作用。海綠石風化是Ⅰ型含鐵建造的主要成因，混合有化學膠體沉淀成因。

上述結(jié)論明確了長龍山組Ⅰ型和Ⅱ含鐵建造的發(fā)育類型、分布特征、成因機制和發(fā)育模式，既豐富了新元古代含鐵建造的成因機理，也為預測華北地區(qū)前寒武紀含鐵建造的分布和找礦提供科學依據(jù)。同時，證明了古元古代以后仍然存在含鐵建造的成礦條件，這也為新元古代找礦指明了方向。由于目前取樣和分析化驗有限，下一步還需要在流體包裹體發(fā)育特征、構(gòu)造應變特征、次生礦物定年及元素和同位素組成變化規(guī)律等方面開展更深入的研究，以確定鐵礦富集的條件及其后期鐵質(zhì)石英砂巖糜棱化的具體時間和成因，并根據(jù)鐵質(zhì)富集程度確定成礦品位，建立更加完善的找礦標志和模式。