条带状铁建造（banded iron formation，简称BIF）是早前寒武纪特有的富铁-硅的化学沉积岩（15-40 wt% Fe和40-60 wt% SiO2），常作为铁矿床长期开采，是全球钢铁产业最重要的铁矿石来源。一般来讲，一个矿床的形成通常需要众多地质因素的耦合作用，但首要考虑的应是矿质的来源，此点对于BIF也不例外，其铁质及硅质来源不断是BIF成矿理论研究的热点和难点。展开对BIF源区特征的深入研究，不仅有利于准确理解BIF的沉淀机制，示踪古海洋和大气组分和氧化还原状态的变化，也可为揭示大陆尤其是洋壳演化规律给予依据。前寒武纪BIF形成的高峰期与地壳增生和地幔柱活动存在对应关系，其中成矿物质通常认为来自周围海水和海底高温热液的混合溶液，铁质主要来自淋滤玄武质洋壳的海底热液，也有可能来自于大陆边缘沉积物，其中的铁质顺利获得微生物异化还原作用活化转移到古海洋中，而硅质或主要来自海底热液，或来自风化的大陆。现在，关于BIF铁质和硅质源区是否不同、铁质和硅质运移途径以及不同储库单元的贡献度等问题仍需大量研究工作的探索和验证。
在此背景下，考虑到BIF在我国华北克拉通分布极为广泛，且规模巨大，中国科研实验室地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室的王长乐副研究员与万博研究员团队，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的铁质和硅质源区特征，发现华北BIF具有多源性，受控于古老陆壳和新生物质不同比例的贡献；沉积自多端元组成的混合溶液（古海洋），物质转移到海洋的方式主要为海底热液和河流（可详见Wang et al., 2024-Precambrian Research）。对于铁质，考虑到稀土元素与铁在现代海洋和淡水环境中的运移及沉淀过程中不发生分离，故推测二者应具有相同来源。顺利获得仔细甄别和重新演算早前寒武纪BIF及其赋存的火山-沉积序列的Nd 同位素组成（初始εNd(t)值大多为正值），发现太古宙BIF的铁质主要源自热液淋滤的新生镁铁质洋壳；对于硅质，考虑到硅同位素的分馏机制复杂，故无法简单利用该特征来约束硅质源区。当前众多学者倾向利用BIF的Ge/Si比值来限制，基于富铁(BIF全岩或铁质条带)和富硅单元(硅质岩或硅质条带)的系统研究发现，Ge/Si比值伴随硅含量的升高显著降低，趋近于风化的大陆Ge/Si比值，可能说明硅质应主要来自陆壳风化，综合认为铁和硅并非同源，即铁-硅源区解耦。然而，该结论仍存疑问，如Ge/Si比值变化是否仅与源区贡献有关，如果真是如此，铁-硅的源区何时开始发生解耦。
为此，该研究进一步聚焦太古宙不同时代的BIF源区特征，针对性选取了多个太古宙BIF进行了分析，以期约束BIF铁-硅源区解耦现象发生的时间与控制因素。太古宙BIF的Ge/Si比值具有较大范围，伴随铁含量的增加而增加，说明BIF原始矿物三价铁氢氧化物对Ge的吸附。依据Ge/Si值与铁-硅的相关关系，可进一步估算BIF纯硅单元的Ge/Si比值，发现其在35亿年左右有明显的下降（图1），从始太古代的11.3 ± 2.2 × 10-6mol/mol（类似现代海底热液端元值）降低至新太古代的0.9 ± 0.3 × 10-6mol/mol（类似现代海洋和大陆端元值），说明BIF硅质源区可能自此时发生了根本性转变，从海底热液的主导贡献转换到大陆风化的主导贡献，表明BIF铁-硅源区解耦现象自35亿年开始出现。
图1 太古宙BIF硅含量和Ge/Si比值的相关关系图
考虑到硅质沉淀从沉积到成岩-变质作用对Ge/Si比值的影响甚微，因此，BIF纯硅单元的Ge/Si比值可近似代表同时期海水的Ge/Si比值，来记录海水Ge/Si比值的变化趋势（图2）。为了深入揭示海水Ge/Si比值变化规律的控制机制，进一步证实Ge/Si比值在硅质来源示踪方面的可行性，在充分收集前人关于现代海洋Ge-Si元素源与汇的基础上，构建了海洋Ge-Si元素的箱式模型和质量平衡模型（图3）。结果显示，海洋Ge/Si比值受控于河流和热液硅的相对输入量以及Ge的非二氧化硅埋藏量（如三价铁的氢氧化物和自生铝质硅酸盐）。相比于热液较高的河流硅质贡献或海洋Ge的高埋藏量会导致海洋Ge/Si比值下降。考虑到太古宙BIF的Eu正异常和初始Nd同位素组成并未随时间发生显著变化，故推测该时期海洋热液的贡献较为稳定，海洋Ge/Si比值在35亿年左右的降低极有可能是由于陆地风化引起的河流输入增强所致。此外，陆地的出现也可导致海洋逆风化作用的加强，造成海洋自生硅酸盐矿物大量形成（即Ge的埋藏量提高），致使海洋Ge/Si比值进一步降低，说明源区相对贡献是引起海洋Ge/Si比值变化的重要因素。
图2 太古宙海洋Ge/Si比值变化趋势图。橙色虚线代表前人总结的海水Sr同位素随时间的变化线
图3 A.现代海洋Ge-Si元素箱式模型；B.太古宙海洋Ge-Si元素箱式模型；C.Ge-Si元素质量平衡模型，其中k代表河流与热液硅的相对输入量；Genos和GeT分别代表Ge的非二氧化硅埋藏量和总埋藏量；(Ge/Si)hy、(Ge/Si)river和(Ge/Si)sw分别代表热液、河流和海洋的Ge/Si比值
总体而言，太古宙海洋Ge/Si比值的下降与陆地风化输入有关，说明陆地面积在35亿年左右已初具规模，与前人部分地质和地球化学记录基本一致，如早期硅质碎屑沉积岩的出现、太古宙海洋Sr同位素组成的提高和页岩Ti同位素组成的变化等。需要强调的是，早期陆地的出现可能暗示地球早期构造体制的转变，造成海陆格局的根本性转变以及陆地风化作用的开始，致使浅海环境的出现，并给予海洋生物新陈代谢作用必需的营养元素（如磷），从而加速早期生命演化。
研究成果发表于国际学术期刊Geology（王长乐, Leslie Robbins,彭自栋,张连昌, 万博*,Kurt Konhauser. The onset of continental weathering recorded in Archean banded iron formations [J]. Geology, 2025, 53(3): 243-247. DOI: 10.1130/G52793.1.）。该成果入选Geology当期封面文章，是Geology自1973年创刊来首次在封面上推荐中国BIF的学术成果。同时，该成果被美国著名科学杂志《ScienceNews》特邀评论报道，是该杂志自1921年创刊来首次发布BIF的研究成果。研究受中国科研实验室先导B专项、国家自然科学基金项目和国家重点研发计划青年科学家项目联合资助。
