东南极西福尔丘陵冰碛物中磁铁石英岩的识别与地质意义_王晓虎.pdf

第 35 卷第 1 期 极地研究 Vol.35,No.1 2023 年 3 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH March 2023 收稿日期 2021 年 9 月来稿,2022 年 3 月收到修改稿 基金项目 国家自然科学基金(41941004,42172068)、国家重点研发计划(2021YFC2901805)和地质调查项目(DD20221810)资助 作者简介 王晓虎,男,1983 年生。副研究员,主要从事构造与成矿研究。E-mail: 通信作者 王伟,E-mail: 东南极西福尔丘陵冰碛物中磁铁石英岩的识别 与地质意义 王晓虎1,2 王伟1,2 保红1,2 刘晓春1,2 胡健民1,2 赵越1,2(1中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;2自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室,北京 100081)摘要 广袤的南极大陆发育丰富的岩石类型,也蕴藏着丰富的自然资源。但南极大陆大部分地区常年被冰雪覆盖,难以进行直接研究;而散布在冰川周缘的冰碛物包含各种岩石类型,携带丰富的冰下地质信息,对理解南极大陆岩石组成、构造演化及成矿作用具有不可替代的作用。通过对东南极西福尔丘陵冰碛物研究,识别出了两种磁铁石英岩(条带状铁建造的组成岩石,简称 BIF),分别为浅暗红色富赤铁矿磁铁石英岩和浅灰色磁铁石英岩。浅暗红色富赤铁矿磁铁石英岩的石英条带和磁铁矿条带相间分布,界线较为平直,矿物组合主要包括石英、磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿等,含少量绢云母、磷灰石;赤铁矿含量约 3%,分布在磁铁矿颗粒边缘或裂隙中,或呈颗粒状分布于石英条带中。浅灰色磁铁石英岩的石英条带和磁铁矿条带相间分布,条带边缘不平直,矿物组合主要包括石英、磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿,含少量透辉石、透闪石、阳起石;赤铁矿含量很少(1%),分布在磁铁矿颗粒裂隙内,或呈颗粒状分布于石英条带中。根据已有的结果初步推断东南极西福尔丘陵两种样式 BIF 具有相似的沉积环境,属阿尔戈马型。BIF 中赤铁矿可能是由磁铁矿经历了一定程度的氧化作用形成,且赤铁矿形成时地球环境中氧气含量应处于上升过程。根据已有的资料推测,西福尔丘陵 BIF 形成时代在 25 亿年前,或可追溯至 30 亿年前,其形成机理与环境有助于解释地球早期地质及环境演化规律,值得将来深入研究。关键词 南极 西福尔丘陵 磁铁石英岩 条带状铁建造(BIF)doi:10.13679/j.jdyj.20210077 0 引言 南极大陆 1400 多万平方千米的土地和广大的周边海域蕴藏着丰富的矿产资源,目前已发现的矿种就有 220 种之多,几乎囊括了当今世界所有的已知矿种1。条带状含铁建造是地球早期特有的化学沉积建造,是古老地壳的重要组成部分,也是世界上最重要的铁矿资源类型,以富硅质和富铁质的条纹或条带交替出现为特征,主要分布 于西格陵兰、西非、南非、西澳、南美、北美、印度、中国华北的古老克拉通以及南极1-7。南极最典型的磁铁石英岩(条带状铁建造的组成岩石,简称 BIF)发育于南查尔斯王子山地区8-9。南极大陆被冰雪覆盖,基岩露头稀少,因此,仅凭基岩所能获取的地质信息相当有限,而分布于冰盖周缘的冰川漂砾(冰碛石)提供了探究冰下地质信息的重要“钥匙”10-19。中国第 29 次南极科学考察在东南极西福尔丘陵(Vestfold Hills)冰碛物带中采集到BIF,为查明BIF的产出特征及类型,本文 2 极地研究 第 35 卷 对其进行了岩相学观察及成分分析,识别出两种样式 BIF,总结了它们的产出特征及矿物组成,并初步探讨东南极西福尔丘陵地区冰下 BIF 的地质意义。本文用到的主要矿物代号包括石英(Qtz),磁铁矿(Mag),赤铁矿(Hem),褐铁矿(Lm),绢云母(Ser)。1 区域地质概况 西福尔丘陵是东南极普里兹湾地区 4 个太古宙克拉通地块之一20,是该区出露最大的连续地块,在太古宙末(约 2500 Ma)形成并经历了麻粒岩相高级变质作用21。西福尔丘陵基底杂岩主要由 3 个岩石单元构成22(图 1):其一为切尔诺克副片麻岩(Chelnok Paragneiss),形成时代早于 2526 Ma,主要由含石榴石变泥质岩组成,含少量变质杂砂岩、石英岩、钙硅酸盐岩和变质改造 的 BIF;其 二 为 莫 塞 尔 正 片 麻 岩(Mossel Gneiss),形成时代为 25262501 Ma,主要由层状长英质正片麻岩组成,含石香肠状变质辉石岩、辉长岩和少量含假蓝宝石麻粒岩夹层;其三为克鲁克德湖正片麻岩(Crooked Lake Gneiss),形成时间为 25012475 Ma,主要由弱变形的中-粗粒超镁铁质、辉长质、英云闪长质、花岗闪长质和花岗质正片麻岩组成,侵入于前两个岩石单元中,通常含有大量的同源和非同源捕掳体22。其后在古-中元古代经历了挤压与拉张交替进行的地质演化历史,经历了多期脆性-韧性剪切变形,在古-中元古代该地区也经历了多期镁铁质岩浆的侵入23-24。西福尔丘陵的东南缘冰碛堤呈近南北向展布,长约 20 km,宽约 0.30.7 km(图 1),主要由冰川搬运的基岩碎块组成。根据冰川流动方向推测25,其中的冰碛物来自西福尔丘陵东南侧。冰碛物具有混杂堆积、分选差的特征,主要由砾石和松散沙组成,其中砾石的主要组成包括片麻岩、基性岩、石英岩、浅变质火山岩(片岩类)、沉积岩(砂岩类)等。本文用到的样品采自西福尔丘陵冰碛物中,采样位置见图 1。2 测试方法 为了进一步明确矿物种类和矿物元素组成,对样品中矿物进行拉曼光谱分析、扫描电镜/能谱分析和电子探针分析。激光拉曼工作在北京大学地球与空间科学学院完成,实验仪器由 HORIBA JY 公司生产,型号为LabRAM HR Evolution。采 集 光 谱 范 围10004000 cm1,采集时间 30 s,物镜为 100 倍,激光波长 532 nm,输出功率 10100 mW,共焦针孔 70 m,FLAT 校正。实验样品为探针片。扫描电镜/能谱(SEM/EDS)分析工作在中国地质科学院地质研究所进行,电镜为蔡司 EVO 18,电压 15.0 kV,电子束电流 200 A,发射电流2.0 nA,能谱仪型号为 Oxford X-Max 20。样品为探针片,喷碳后将样品放入扫描电镜观察及能谱分析。第 1 期 王晓虎等:东南极西福尔丘陵冰碛物中磁铁石英岩的识别与地质意义 3 图 1 西福尔丘陵区域地质概况。a)东南极西福尔丘陵位置1;b)东南极西福尔丘陵地质简图(据 Snape 等修改22),1-新生代冰川沉积物,2-克鲁克德湖正片麻岩,3-莫塞尔正片麻岩,4-切尔诺克副片麻岩,5-变质岩,6-湖,7-采样点位置;c)采样点附近冰碛物野外照片 Fig.1.Regional geological survey of the Vestfold Hills.a)position of the Vestfold Hills in Antarctica1;b)simplified geo-logical map of the Vestfold Hills(modified after Snape et al.22),1-Cenozoic glacial deposits,2-Crooked Lake gneiss,3-Mossel gneiss,4-Chelnok paragneiss,5-unassigned metamorphic rocks,6-lake,7-sampling location;c)photo of moraines near the sampling position EPMA 分析测试在中国地质科学院地质研究所完成。电子探针仪器型号 JEOLJXA-8100,加速电压 15 kV,发射电流 20 nA,束斑直径 35 m,ZAF 校正。3 西福尔丘陵两种 BIF 的岩石学特征 3.1 岩相学特征 在西福尔丘陵地区的冰碛物中,两种不同样式的 BIF,编号分别为 VF1-101(BIF1)和 VF1-102(BIF2)(图 2a,图 3a)。VF1-101(BIF1)具有浅暗红色调,主要由石英和磁铁矿组成,在显微镜下观察,矿物组合中还包含赤铁矿,少量褐铁矿、绢云母(图 2c,2f)。石英呈半自形粒状结构产出,含量约 57%,磁铁矿主要以粒状集合体为主,含量约 40%,半自形粒状结构,赤铁矿主要以细粒状产出于石英颗粒间以及产于磁铁矿颗粒边缘,粒度粗细不均,含量约 3%左右,磁铁矿粒间局部发生少量褐铁矿化(图 2d,2f,2g,2h),条带状构造,石英和磁铁矿相间分布,条带边缘较为平直,强磁性,为浅暗红色 BIF,手标本上有后期构造扰动的痕迹,破坏了条带的连续性(图 2a,2b,2e)。VF1-102(BIF2)具有浅灰色调,主要由磁铁矿和石英组成,在显微镜下观察,还包含少量赤铁矿,褐铁矿。磁铁矿以粒状集合体为主(图 3a,3b,3c,3d,3e),含量约 50%,石英呈粒状结构,含量也约占一半,赤铁矿主要沿磁铁矿裂隙交代产出,含量小于 1%(图 3f,3g),条带状构造,石英和磁铁矿条带边缘不平直,成层性差,亦具有强磁性,为浅灰色 BIF(图 3a,3b)。3.2 矿物学特征 VF1-101(BIF1)中除主要矿物石英、磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿外,通过能谱分析还识别出少量磷灰石等矿物。有些分析点具有双重光谱特征,应由相邻的矿物相互影响所致(点 4:图 4a,4e;点 8:图 4b,4f)。VF1-102(BIF2)中除主要矿物石英、磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿外,还识别出透辉石、透闪石、阳起石等蚀变矿物(图 4c,4d,4g,4h)。VF1-101(BIF1)中选择包含磁铁矿、赤铁矿和石英的区域进行元素面扫描工作,扫描位置 4 极地研究 第 35 卷 图 2 西福尔丘陵 VF1-101(BIF1)样品手标本及镜下显微照片。a)BIF1 手标本;b)样品薄片,磁铁矿和石英相间分布;c)磁铁矿及石英镜下照片(5+);d)石英中的赤铁矿颗粒(50);e)被错动的磁铁矿条带(5);f)磁铁矿、褐铁矿和石英颗粒(10+);g)石英颗粒中的赤铁矿颗粒(50+);h)磁铁矿及其边部赤铁矿(20+)Fig.2.The specimen and micrograph of VF1-101(BIF1)from Vestfold Hills.a)BIF1;b)thin section,internative distribution with magnetite and quartz;c)micrographs of magnetite and quartz(5+);d)hematite in quartz(50);e)misplaced magnetite band(5);f)micrographs of magnetite,limonite and quartz(10+);g)hematite particles in quartz(50+);h)magnetite and hematite(20+)第 1 期 王晓虎等:东南极西福尔丘陵冰碛物中磁铁石英岩的识别与地质意义 5 图 3 西福尔丘陵 VF1-102(BIF2)手标本及镜下显微照片。a)BIF2 手标本;b)样品薄片,磁铁矿和石英相间分布;c)磁铁矿及褐铁矿镜下照片(20);d)磁铁矿及褐铁矿(20f);e)磁铁矿和石英(5+);f)磁铁矿和石英(5f);g)h)磁铁矿(20+,20f);i)磁铁矿和石英(5);j)赤铁矿交代磁铁矿(50f);k)磁铁矿(5);l)赤铁矿交代磁铁矿(50f);m)磁铁矿(5);n)赤铁矿交代磁铁矿(50f);o)和 p)磁铁矿(5,5f);q)磁铁矿(50);r)赤铁矿交代磁铁矿(50f)Fig.3 The specimen and micrograph of VF1-102(BIF2)from Vestfold Hills.a)BIF2;b)thin section,