条带状铁建造（BIF）是一种富铁层和富硅层交替形成的化学沉积岩，广泛存在于太古宙至古元古代地层中。它们不仅记录了地球早期海洋的氧化过程，保存了早期生命起源的微体化石证据，还为人类提供了超过50%的铁矿石资源。这些科学意义和工业价值使得BIF成为地学界的研究焦点。

对于BIF的研究，首先需要搞清楚它的形成时代。夹层火山灰定年是最传统、可靠的定年方案，可以间接、有效地限定BIF的产出时代。然而，这种定年方案受限于火山灰的空间产出，并非所有的沉积层位都含有火山灰夹层。除此之外，前人还尝试了多种自生矿物定年方案来直接限定BIF的沉积时代，比如自生磷酸盐矿物（独居石、磷钇矿），但得到的年龄往往都是后期热液事件的年龄，指示BIF的矿化时间，并非最初沉积时代。

BIF中由于生物作用和化学作用的影响会出现Fe和P共沉积，表现为自生磷灰石和铁氧化物交互生长。磷灰石U-Pb同位素体系封闭温度较低，容易受到后期变质作用的影响而开放，致使U-Pb同位素计时计发生重置。另外，BIF形成过程中有时会混入陆源碎屑物质，尤其是在浅水环境下形成的BIF，因此需要有效区分出自生磷灰石。这些客观因素为磷灰石定年带来了挑战。传统的定年技术难以精确限定BIF的沉积时代，这些古老岩石的形成时间一直存在争议。

中国科学院地质与地球物理研究所兰中伍副研究员联合国内外科学家，通过利用磷灰石激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱/质谱（LA-ICP-MS/MS）Lu-Hf定年技术并结合AMICS和BSE成像分析成功限定了古老BIF的形成时代。BIF样品采自华北克拉通东部板块的司家营地区（图1），在沉积之后经历了绿片岩-角闪岩相变质。样品主要由磁铁矿/赤铁矿，石英，直闪石，磷灰石和方解石组成（图2）。磷灰石大部分为不规则形态，和铁氧化物及石英交互生长在一起。另外，磷灰石的稀土元素配分模式和自生磷灰石的稀土元素配分模式相一致。岩相学和地球化学特征说明这些磷灰石是在早期成岩过程中形成的。

图1 （A-B）研究区地质简图，研究区冀东地区位于华北板块的东部板块北部；（C）BIF采自司家营地区的滦县群下部，BIF层位和变质火成岩层位交替出现

图2 用于定年的磷灰石的AMICS 图像（A-B）和BSE（C-H）图像。BIF中以典型的燧石条带和铁氧化物条带交替出现为特征。磷灰石和铁氧化物及石英交互生长在一起，指示在成岩过程中形成

通过对70个磷灰石颗粒的分析发现磷灰石的U-Pb同位素体系记录了约21亿年前的重置年龄，这与华北克拉通约21亿年前的构造热事件的发生时间相一致。磷灰石的Lu-Hf反向等时线年龄约为25亿年（MSWD=2.1；n=62）（图3），与区域上的年代地层框架相一致，被解释为磷灰石的初始结晶年龄。研究结果表明，尽管磷灰石的U-Pb同位素体系在后期变质作用过程中发生了重置，但是Lu-Hf同位素体系依然保持封闭、未受到干扰，成功保留了初始沉积年龄。

图3 磷灰石U-Pb Tera-Wasserburg图解（A）和Lu-Hf反等时线（B），得到的年龄分别为2095 ± 52 Ma（MSWD = 2.5; n = 70）和2501 ± 28 Ma（MSWD = 2.1; n = 62），指示磷灰石U-Pb同位素体系在后期变质事件中受到了扰动，但Lu-Hf同位素体系仍然保持封闭

这项研究表明，即使在经历了角闪岩相变质作用的BIF中，也可以通过磷灰石Lu-Hf定年方法获得精准的自生磷灰石年龄。该方法为直接限定前寒武纪BIF的沉积时代提供了可能，不管其是否经历了变质作用的影响。这项研究不仅有助于更准确地理解BIF与古海洋化学、大气氧化状态以及极端气候事件之间的关系，而且为研究大型铁矿床的形成时间提供了有力的证据。该研究将为全球范围的BIF研究提供新的视角，特别是在那些缺少可靠放射性同位素年龄限定的地区。这种定年技术可以更精确地重建地球早期海洋的化学演化过程以及它们和生命起源和演化之间的联系。

研究成果发表于国际学术期刊Geology（兰中伍, Stijn Glorie, Stefan Löhr, 王瑞敏, 沈冰. Apatite Lu−Hf dating of late Archean banded iron formations [J]. Geology, 2025. DOI: 10.1130/G52919.1.）。研究得到国家自然科学基金（42273025, 42225304），古生物学与地层学重点实验室开放基金（223115），澳大利亚研究理事会未来研究基金（FT210100906）和澳大利亚研究理事会探索项目（DP200101881）的联合资助。