条带状铁建造（banded iron formation，简称BIF）的形成机制一直是国际上研究的热点话题之一，主要因为研究BIF具有矿床学理论和地球系统科学的双重意义。BIF是全球钢铁产业最重要的铁矿石来源，国内外主要开采利用的对象有所差异，国外绝大部分开采的是BIF的长期风化或热液改造富集产物，铁矿石品位较高，一般在50%以上，而国内像鞍钢和首钢等大型钢铁企业直接开采利用的是BIF本身，品位较低，一般在30%左右，因此，BIF在我国又称为沉积变质型铁矿或条带状铁矿。此外，BIF是早前寒武纪（3.8-1.8 Ga）分布最为广泛的富铁海相化学沉积岩，是地质演化和环境演变耦合作用的产物，因此，研究BIF也可为探讨早期地球构造和生命演化，尤其是古环境提供重要信息。
条带状铁矿在我国华北克拉通分布极为广泛，且规模巨大。我国BIF的研究最早可追溯至上世纪七十年代开展的“富铁矿会战”项目，当时取得的成果颇丰，对BIF的一些基本特征有了较为清晰的认识。然而，由于社会经济形势的导向，在20世纪90年代到新世纪初期将近二十年，我国BIF的成因研究严重滞后，而国外BIF的研究却在该期间迎来了研究的热潮，与国内形成了鲜明的反差。虽然在2010年前后，我国相继启动了多个涉及条带状铁矿的重大科研项目，但之前造成的与国外研究整体滞后的鸿沟仍然存在。客观来讲，我国BIF的研究仍主要处于与国际“跟跑”的局面，部分方面正在从“跟跑”向“并跑”过渡，但总体上我国BIF研究关注度不够，科研投入也较低。
近十年来，中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室王长乐副研究员与张连昌研究员团队，在翟明国院士等的指导和帮助以及科技部973项目和国家自然科学基金等的支持下，对华北BIF进行了大量的野外调查与室内分析，系统揭示并总结了BIF的特色成矿作用：（1）华北BIF大多形成于太古宙末期（2.6-2.5 Ga），而同时期国外BIF明显缺乏，国外同期的地质记录以碳酸盐岩和页岩为主；（2）华北BIF及含矿岩系保持完整，较好记录了BIF形成前后的地质信号，含铁矿物以磁铁矿为主，有利于选矿利用；（3）华北BIF经历的变质程度多样，存在低级变质的BIF，完全能够深化BIF成矿机制及其古环境示踪等多方面的研究（图1）。
图1 华北克拉通BIF分布图
在此基础上，研究团队针对性选取了多个新太古代晚期的BIF进行了研究，以期揭示其形成的氧化还原条件。在充分整理前人分析数据的过程中，发现相同地方的样品具有不相一致的结果，部分氧化还原敏感元素绝对含量可跨越多个数量级，导致如此的原因诸多，如挑选样品的不合理、样品前处理过程中的污染以及样品在多个实验室分析过程中产生的差异等。为此，他们在野外采样和室内分析过程中严格挑选样品，通过多种方式减少人为干扰和污染，运用相同的方法来进行地球化学分析，最终产生了一批高质量可信赖的数据。在详细判别成岩-变质作用影响相关元素和同位素活动性的基础上，运用可靠数据准确约束了华北新太古代BIF形成的海水-大气氧化还原状态，并深入探讨了华北特色成矿作用对古环境的启示意义，主要结论和认识如下：
（1）华北新太古代BIF虽经历不同变质程度，最高可达麻粒岩相，但稀土元素特征却具有极大相似性，说明BIF可记录同时期海水的稀土元素组成，其中普遍缺乏的Ce异常指示BIF沉积自缺氧的海水环境（图2），与BIF低的锰含量和锰-铁比值一致。
图2 华北BIF的Pr-Ce异常判别图。A区域代表前人古元古代中-晚期(2.2-1.9 Ga)BIF数据，B区域代表前人太古宙和古元古代早期(>2.46 Ga)BIF数据
（2）华北新太古代BIF常发育偏正的铁同位素值（图3），且与低的锰-铁比值缺乏相关性，说明该时期海水中的二价铁离子经历了不同程度的氧化形成了三价铁的原始沉积物，其中部分氧化程度指示BIF形成自低氧或缺氧的海水条件。结合铁同位素扩散-转移沉淀模型，认为此时光合带海水氧含量应低于0.01μM/L（相当于现今光合带海水氧含量的0.001%），进一步指示缺氧富铁的海水环境，说明铁质主要通过厌氧光合作用的铁氧化方式发生氧化沉淀。
（3）华北新太古代BIF中氧化还原敏感元素（如Cr、U和As）含量较低（图3），说明大陆未经历或仅仅发生了较低程度的氧化风化，指示BIF沉积时大气氧含量偏低，与前人获得的硫的非质量分馏信号以及太古宙普遍出现的碎屑还原矿物（如沥青铀矿和黄铁矿）一致。
图3 太古宙-古元古代早期铁建造Mn/Fe比值(a)、铁同位素组成(b)、Cr/Ti比值(c)、自生U含量(d)和As/Ti比值(e)的演变趋势。灰色代表前人数据，橙色代表该研究中华北BIF数据
总体而言，华北新太古代BIF应形成于缺氧的海洋-大气环境条件下，该结论对于理解大氧化事件（Great Oxidation Event, 2.5-2.2 Ga）之前的古环境格局有重要意义。当前，国际上对于太古宙末期的古环境认识主要来自西澳Pilbara和南非Kaapvaal克拉通的研究，其中不同的氧化指标说明太古宙末期浅海已经开始有氧，但大气缺氧，大气和海洋处于不平衡态。由于无法知晓其他地方的古环境信息，部分学者甚至认为此时大面积海域浅水地区都应该有氧。与国外不同的是，我们华北同时期发育大规模的BIF成矿作用，说明大氧化事件前夕海洋并非大范围充氧，而仍然应该是缺氧状态，更加广泛的氧化海洋的出现应该与大氧化事件发生的时间一致，与构造体制转变和生物演变等过程有重要内在关联。
研究成果发表于国际学术期刊EPSL（王长乐, 董志国, Leslie Robbins, 张帮禄, 彭自栋, 佟小雪, 张连昌, Kurt Konhauser. A craton-wide geochemical survey of late Archean banded iron formations in China [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024, 642: 118879. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.118879.）。研究受中国科学院先导B专项、国家自然科学基金项目和研究所重点部署项目联合资助。
