全球早白堊世大規模巖漿活動、鐵礦床形成及與氣候變化的可能耦合關系*

王文博 蘇尚國 王娜 李瑞鵬, 2

1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083 2.深圳云創瑞誠數據科技有限公司，深圳 518101

地球系統科學是將全球大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈作為相互作用的大系統，研究圈層與圈層之間的物理、化學、生物過程，其時間尺度自數年、數十年、百年至數百年(Kump, 2010)。地球系統科學是當今地球科學的研究前緣以及研究熱點(侯增謙, 2010; 莫宣學, 2019)。

白堊紀時期的地球系統是整個地球歷史中變化最劇烈的時期之一。期間發生了眾多重大地質事件，如大規模巖漿活動(Larson, 1991; Jones and Jenkyns, 2001)、大洋缺氧事件(Schlanger and Jenkyns, 1976; Jenkyns, 1980)、大洋富氧事件(Huetal., 2005; 王成善和胡修棉, 2005)、白堊紀全球極熱事件(Huetal., 2020)、超靜磁帶出現(Helsley and Steiner, 1969; Croninetal., 2001; 史瑞萍等, 2002; Zhao, 2005)、中國東部大規模巖石圈減薄(Perryetal., 1988; 鄧晉福, 1988, 2006; Daley and DePaolo, 1992; Platt and England, 1994; Turneretal., 1996)、白堊紀末生物集群絕滅事件(Walliser, 1996)，等等。這些事件之間有怎樣的成因聯系？是如何相互制約？為此我們選擇早白堊世時期發生的各種地質事件，探討重大地質事件的觸發機制和發生過程，從地球系統科學角度，探究早白堊世時期地球深部過程、溫室氣體的釋放以及氣候變化的耦合關系。

1 中生代火成巖時空分布

1.1 中生代中國火成巖分布

大部分學者認為大規模巖漿活動與巖石圈的減薄有關，且很早就有人對此問題作了討論，鄧晉福等(1996, 2006)、吳福元和孫德有(1999)、吳福元等(2000)對中國北方臺地演化史的分析表明，燕山期中國東部巖石圈開始大規模減薄，最大巖石圈減薄開始于130Ma之后，結束于110Ma或100Ma。中國東部大規模巖漿活動最早始于侏羅紀(約180Ma)，分別位于張廣才嶺-小興安嶺和大興安嶺北端(鄂霍茨克)，張廣才嶺-小興安嶺最早結束；當張廣才嶺-小興安嶺結束時，正是華南大規模巖漿活動峰期(和巖石圈減薄最大)時間(160Ma左右)；而當華南大體結束大規模巖漿活動時，華北-大興安嶺才開始大規模巖漿活動(150～125Ma)；136Ma之前，鄂霍茨克山脈垮塌了，再過10Myr，中國東部高原才垮塌；這之后，沿東部沿海又興起一次大規模巖漿活動，終止于早白堊世晚期(張旗等, 2009)。

我國中生代大火成巖省分布如圖1所示。

圖1 中生代中國火成巖分布圖(吳福元和孫德有, 1999; 吳福元等, 2000; 張旗等, 2009; 鄧晉福等, 2016)

1.2 早白堊世中國火成巖面積、體積估算

中國東部中生代發生了大規模的巖漿活動，早白堊世是巖漿活動最強烈的時期。

1.2.1 張廣才嶺-小興安嶺火成巖區

位于興凱地塊-那丹哈達地塊和松遼盆地東部(松遼盆地大部分底部可能屬于火成巖區)之間。南北長約1200km，東西寬約500km，面積約60萬km2。在中侏羅世早期(180～160Ma)發生了較大的巖漿活動和巖石圈減薄，巖石圈減薄后最小厚度約為30km。

1.2.2 鄂霍茨克火成巖區

大部分位于蒙古和俄羅斯境內，長約2500km，寬約為600km，面積約為150萬km2。估計巖石圈減薄是在180Ma之后開始，在136Ma前結束。巖石圈減薄后最小厚度約為50km。

1.2.3 華南大火成巖區

主要分布在湖南、江西、福建和廣東四個省，呈北東-南西向，長寬約600km×1200km，面積約70萬km2。巖石圈的減薄開始時間大約為160Ma，結束于150Ma之前，巖石圈減薄后最小厚度約為30km。

1.2.4 華北-大興安嶺火成巖區

該火成巖區從黑龍江北部一直到長江中下游，是現今發現的中國東部最大的火成巖集成區，面積>360萬km2。該火成巖區形成的時間約為150～125Ma，與此同時巖石圈變薄至最小，在華北約為70～50km，在大興安嶺變化比較大，從超過50km至約30km，北端與鄂霍茨克南部山脈重疊，少量埃達克巖出露于該火成巖區南部的林西一帶(呂志成等, 2004; 張永北等, 2006)。

1.2.5 東部沿海火成巖區

該火成巖區是巖漿活動多期次的產物，其中白堊紀早期巖漿活動最為劇烈。在時代上，近EW向的火山巖帶形成時間約為180～170Ma，是中國東南地區晚中生代大規模巖漿活動的開端；近NNE向早白堊世火山巖帶約在130～90Ma形成，是中國東南地區晚中生代大規模巖漿活動和成礦作用的頂峰期。該火成巖區可分為兩段：南段位于江西、浙江、福建和廣東四個省，北段包括蘇魯遼東部沿海地區，南北兩段總面積大概是70萬km2(如果除去江西和廣東地區，則大概是36萬km2。

各大火成巖區面積和體積估算請見表1。

表1 中國東部中生代火成巖面積及體積估算表

早白堊世時期中國東部火成巖主要分布在華北-大興安嶺火成巖區和東南沿海火成巖區。在該段時期內大致形成了約396萬立方千米的火成巖。這些火成巖的形成致使大氣中含氧量降低、二氧化碳含量急劇上升，地球氣溫升高并進入溫室氣候階段(Wignall, 2001)。

2 早白堊世中國鐵礦床成因類型

我國鐵礦床的類型非常齊全，成礦時代在太古宙至中、新生代都有發育，主要有七大類型。本文主要討論早白堊世時期形成的巖漿型鐵礦床、玢巖型(與火山-侵入活動有關的鐵礦床中的陸相火山-侵入型鐵礦床、少量海相火山-侵入型鐵礦床)及矽卡巖型(接觸交代-熱液型鐵礦床)鐵礦床(崔立偉等, 2012)，如圖2所示。

圖2 早白堊世中國鐵礦分布圖

2.1 巖漿型鐵礦床

該類鐵礦床與基性、基性-超基性的巖漿侵入作用有關，由于該類鐵礦中含有豐富的釩和鈦，故通常稱其為釩鈦磁鐵礦礦床。按照其成礦方式可以把該類鐵礦床分為巖漿晚期貫入型鐵礦床和巖漿晚期分異型鐵礦床兩類(謝承祥等, 2009)。部分巖漿型(巖漿晚期貫入型)鐵礦床形成于早白堊世，分布于北京昌平上莊和薛家石梁一帶，如上莊鐵礦床(～129Ma)中的鐵礦石主要以網狀結構、晶狀體或塊狀礦石層的形式賦存于橄長巖上方的輝長巖下部。網狀礦石(50vol%～85vol% Fe-Ti氧化物)和塊狀礦石(>85vol% Fe-Ti氧化物)含有不同比重的橄欖石、斜長石、黑云母和角閃石。塊狀和網狀礦石中的氧化物呈顆粒狀，鈦磁鐵礦約為70%，鈦鐵礦約為25%，鎂鋁尖晶石約為5%。Fe-Ti氧化物礦石中橄欖石含有約在70.5%至81.5%之間的鎂橄欖石(Fo)，而閃長巖和輝長巖中的鎂橄欖石含量在64.5%至74%之間。Ni的濃度比較低，在bdl(<79×10-6)至660×10-6范圍內變化。氧化礦石中的鈦磁鐵礦比硅酸鹽巖石中的鈦磁鐵礦(6.2%～10.9%)含有更高的TiO2(6% TiO2)。與硅酸鹽巖相比，氧化物礦石中的鈦磁鐵礦還具有較高的MgO、Al2O3和V2O3、有較低的Fe3+/Fe2+。氧化物礦石中的鈦鐵礦具有>51%的TiO2、3.3%～8.6%的MgO和低的Fe3+/Fe2+比值，而硅酸鹽巖中的鈦鐵礦包含<51%的TiO2、0.06%～3.3%的MgO和高的Fe3+/Fe2+比值(Liuetal., 2015)。

2.2 玢巖型鐵礦床

玢巖型鐵礦床主要為與陸相火山-侵入作用有關的鐵礦床，該類型鐵礦床多與中偏基性或中酸性火山巖有關，且與火山巖、次火山巖有成因上的聯系。主要形成于玢巖體內部或火山碎屑及周圍接觸帶中，成礦時代為早白堊世。主要分布在寧蕪-廬樅地區，常稱之為“玢巖鐵礦”(汪國棟和宋雄, 1996)，如寧蕪-廬樅成礦區的泥河鐵礦。這種鐵礦床主要是由硫鐵礦、磁鐵礦和硬石膏組成，這三種主要組分共同形成共生的隱伏礦床。在橫向上，礦床的東北部主要是硫鐵礦，西南部主要是磁鐵礦，而介于二者之間的中部則主要是硬石膏。在垂直向上，下部主要是磁鐵礦，上部則為硫鐵礦和硬石膏。其中磁鐵礦的大體形態呈透鏡狀和似層狀，在輝石閃長玢巖的穹隆頂部位置形成，且輝石閃長玢巖的穹隆構造控制著磁鐵礦的形態。硫鐵礦的產出形態分為兩種，第一種是透鏡狀、似層狀產出，賦存于輝石閃長玢巖內，并伴有磁鐵礦共生；第二種賦存于磚橋組下段的火山巖中(趙文廣等, 2011)，呈似層狀形態。這種類型的礦床所含有的金屬礦物主要是黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦、磁黃鐵礦和菱鐵礦，另外，含有的非金屬礦物主要有鈉長石、石英、硬石膏、鉀長石、輝石、碳酸鹽礦物等。該類鐵礦的礦石結構主要是自形-半自形粒狀結構，同時還伴有交代假象結構和篩狀結構。礦石構造包括有塊狀構造、浸染狀構造、細脈浸染狀構造和斑雜構造等(杜玉雕和魏國輝, 2018)。

2.3 矽卡巖型鐵礦(接觸交代-熱液型鐵礦床)

矽卡巖型鐵礦是由于中酸性侵入巖在侵位過程中，其所含的含礦流體與碳酸鹽巖接觸交代作用形成的，這類鐵礦的礦物組合屬于典型的矽卡巖類，故又稱之為矽卡巖型鐵礦。矽卡巖型鐵礦主要形成于早白堊世，一般來說該類礦床的品位普遍較高，一般形成的都是中型和小型鐵礦，大型的也有但很少。矽卡巖型鐵礦廣泛分布在我國各地區，如東部的萊蕪、臨汾、大冶和邯邢等地區。除此之外，黑龍江翠宏山、內蒙古黃崗、廣東連平大頂、陜西木龍溝、浙江漓渚、西藏尼雄、青海肯德可克等也是矽卡巖巖型鐵礦比較重要的分布區(謝承祥等, 2009; 駱華寶等, 2009)。以邯邢成礦帶大王莊鐵礦床為例，該鐵礦礦物成分較為簡單，以磁鐵礦為主，并含有少量的褐鐵礦、赤鐵礦、黃鐵礦等；其中脈石礦物主要為透輝石、透閃石、陽起石、石英、方解石，此外還有磷灰石、綠泥石、斜長石以及微量的榍石和褐簾石等；其中的主要金屬礦物磁鐵礦是單獨晶粒或自形-半自形粒狀聚集體，并且磁鐵礦顆粒極不均勻地散布在脈石礦物中，晶粒大小從0.05～1mm都有，且普遍有交代透輝石現象，沿顆粒邊緣或(111)解理經常被赤鐵礦交代，也有很少一部分被磁鐵礦交代。同時，礦石結構常見有包含結構、嵌晶結構、自形-半自形晶粒狀結構和他形晶粒狀結構等；主要構造包括塊狀構造、條帶狀構造、浸染狀構造、斑點狀構造等(畫玉省, 2017)。

3 早白堊世中國鐵礦分布和儲量

早白堊世全球鐵礦床成礦大爆發，該時期也是中國鐵礦床主成礦期。中國早白堊世鐵礦床可以劃分五個主要成礦帶：邯邢成礦帶、魯西成礦帶、長江中下游成礦帶、寧蕪-南京成礦帶和永安-梅州-惠陽(塌陷)成礦帶(趙一鳴和吳良士, 2004; 鄭建民等, 2007; 杜建國和常丹燕, 2011)，中國早白堊世鐵礦分布特征詳見圖2，鐵礦床儲量統計詳見表2。

表2 早白堊世中國各類型鐵礦床統計表

中國早白堊世鐵礦床成礦類型有：(1)巖漿型鐵礦床；(2)玢巖型鐵礦床；(3)矽卡巖型鐵礦床。

巖漿型鐵礦床的典型代表為北京昌平薛家石梁上莊鐵礦，其形成時代為132Ma；該類型鐵礦床為巖漿晚期分異的含鐵礦液沿巖體內斷裂或接觸帶貫入而成；成礦賦礦圍巖為輝長巖，礦床規模一般為中-小型，成礦于早白堊世。

玢巖型鐵礦床多與中偏基性或中酸性火成巖有關，成礦時代為早白堊世；主要分布于寧蕪-廬樅地區，常稱為“玢巖鐵礦”。此外，西藏加多嶺鐵礦也屬于陸相火山-侵入型鐵礦(崔立偉等, 2012)。

矽卡巖型鐵礦成礦時代主要為早白堊世，主要分布在我國東部的邯邢、萊蕪、大冶、臨汾等鐵礦集中區。此外黑龍江翠宏、內蒙古黃崗、浙江漓渚、青海肯德可克、西藏尼雄等地亦有產出。近年，蘇尚國等(2014)對邯邢地區鐵礦床進行了詳細研究，提出了“含鐵熔體-流體通道成礦系統”成礦模型。模型認為在深部巖漿房，中性-基性巖漿與碳酸鹽巖反應形成“鐵礦漿”是形成矽卡巖鐵礦床的前提；另外，在深部巖漿房流體的加入產生流體超壓環境，形成“含鐵熔體-流體”使鐵礦漿密度降低，“含鐵熔體-流體”沿通道(構造薄弱帶)快速上侵就位是形成矽卡巖鐵礦床的必要條件。該模型能夠很好的解釋包括礦漿型鐵礦在內的不同類型鐵礦的成因。該模型認為“鐵礦漿”主要形成于深部巖漿房。由于流體的加入鐵礦漿密度降低變為含鐵熔體-流體流沿構造薄弱帶上侵就位成礦，矽卡巖也主要形成于深部，隨鐵礦漿一同上升至地殼淺部，表現為異地矽卡巖。根據礦體就位深度等特征，從深部到淺部分別表現為巖漿型、玢巖型和矽卡巖型，熱液型鐵礦床。故我們認為中國東部早白堊世所有鐵礦床的形成都經歷反應①形成。

(7SiO2+12FeO+2MgO+CaO+Al2O3+……)+4CaCO3=4Fe3O4↓+Ca3Al2Si3O8+2CaMgSiO6+4CO2↑

①

4 全球早白堊世鐵礦床分布特征、儲量及Fe-CO2量變核算

從全球尺度上看，早白堊世鐵礦床形成主要分布于環太平洋帶、環地中海帶以及環黑海帶(圖3)。

圖3 早白堊世全球鐵礦分布圖

太平洋成礦帶是由于大洋板片俯沖產生的陸緣弧和島弧環境下形成礦床，如菲律賓和印尼等都有中小型接觸交代熱液型礦床形成。陸緣弧環境經典成礦區包括安第斯中部(如秘魯、智利境內形成的鐵礦床)，美國西部和伊利安爪哇-巴布亞新幾內亞(楊曉勇和張連昌, 2018)。在安第斯成礦帶的古生代庫亞尼亞(Cuyania)、阿雷基帕-安托法(Arequipa-Antofalla)、智利尼亞(Chilenia)等多個地體逐步增生到了岡瓦納大陸邊緣，形成了該區域的基底構造；在此之后又遭受了中-新生代納斯卡板塊向南美大陸的俯沖造山作用(張潮等, 2017)；最終形成了安第斯造山帶，組成了環太平洋成礦域的重要部分。地中海和黑海在中生代時期開始閉合，可能依然是大洋板片俯沖造成的大型成礦事件。

經過大量統計，在鐵礦床爆發期(早白堊世)全球大約共形成了101.7億噸的鐵礦床(本文涉及鐵礦儲量為靜態數據，隨礦業發展有待持續補充)，在此根據公式①對Fe礦形成時釋放的CO2做半定量估算。根據公式①我們可以知道形成鐵礦時釋放的CO2量，從方程式中可以清楚看到每形成1分子Fe3O4就會伴隨1分子的CO2釋放，又因為二者質量比M(Fe3O4):M(CO2)=5.27:1，故全球形成101.7億噸的鐵礦床就會釋放CO2約19.3億噸。

5 早白堊世氣候變化

5.1 早白堊世全球溫度變化

本節主要通過討論早白堊世中國陸相紅層來討論當時全球環境溫度變化。赫特立夫期(約132Ma)形成的勞村組紫灰色泥巖位于浙江省建德市壽昌鎮周村。坂頭組是巴雷姆期(129～127Ma)形成的紅層，呈紫紅、橙黃色調、粉砂巖和泥巖、鐵質皮殼和結核，位于福建省永安市吉山白堊系剖面(陳丕基, 2000; 李祥輝等, 2009)。始于120Ma左右典型的浙江省江郎山館頭組(K1g)、朝川組(K1c)和方巖組(K1f)紅層等(李祥輝等, 2009; 黃進等, 2015)。館頭組、朝川組和方巖組是晚白堊世Aptian期至Santonian期的產物(李祥輝等, 2009; 朱誠等, 2009)。館頭組(K1g)為下白堊統永康群底部地層，可以分上下兩段，中段缺失，下段為砂礫巖、砂巖以及深灰色薄層狀粉砂質泥巖、炭質頁巖，偶爾夾粉砂細砂巖。朝川組(K1c)的底部是含礫粗砂巖、中粗砂巖，中部是紫紅色塊狀粉砂巖、粉砂質泥巖夾有河流相的砂礫巖，上部是紫紅色粉砂質泥巖與砂礫巖、礫巖，相互交錯。朝川組的沉積地層中還夾有火山巖夾層，有流紋巖、玄武巖和火山碎屑巖等。方巖組(K1f)是組成江郎山地貌的主體地層，主要是紫紅色、淺灰色巨厚層至塊狀礫巖，夾有砂礫巖、砂巖，中夾透鏡體，同時也偶爾夾雜火山巖，是一套由山麓沖積扇到河流谷地、湖泊平原、三角洲地帶沉積的河流相、湖相沉積地層。阿爾必期紅層(110Ma)呈紫紅、橙黃色、粉砂巖和泥巖、鐵質皮殼和結核，位于福建省永安市吉山白堊系剖面。賽諾蔓期紅層(100Ma)屬紅色、(粉砂質)泥巖，存在生物潛穴、植物根系(根跡)，位于浙江省龍游縣小南海鎮曹垅村上白堊統衢縣組。

在早白堊世，當時環境處于溫室時期，CO2濃度普遍比較高：145～140Ma剛進入早白堊世，CO2濃度開始增高，根據植物化石氣孔計算在140Ma左右達到峰值約860×10-6(Sunetal., 2007)；在140～130Ma左右大氣環境中CO2濃度有小幅度降低；于135Ma到最低約740×10-6(Chenetal., 2001)并一直持續至135Ma前后；約132Ma之后，CO2含量陸續增高，至120Ma達到高峰約910×10-6(Passalia, 2009)；120Ma后出現急劇下降；直至105Ma前后，根據植物化石氣孔測定當時CO2濃度穩定在620×10-6左右(Haworthetal., 2005)；直到早白堊世末期又開始出現緩慢下降趨勢(詳見圖4)。

圖4 全球早白堊世鐵礦床形成和氣候環境變化之間的耦合關系圖

從圖4可以清楚的發現，早白堊世陸相紅層也在華北-大興安嶺、東南沿海地區廣泛分布，與此同時鐵礦開始爆發式形成，巖漿活動也在華北-大興安嶺和東南沿海地區活動頻繁，根據植物化石氣孔計算的CO2濃度也在隨之發生規律性變化，他們之間存在著很明顯的耦合關系。

5.2 早白堊世恐龍及其他生物形體變化和滅絕事件

侏羅紀到白堊紀古生物的體型由于某種原因發生了巨大的變化：趨于小型化。翼手龍出現于侏羅紀晚期，在白堊紀時期繁盛；相比于侏羅紀，白堊紀翼手龍的頭骨較輕，尾巴也進一步地退化，飛行能力變強，但是不擅長于行走；從侏羅紀晚期到白堊紀期間翼手龍整體體型演化趨向小型化。又如侏羅紀時期天空中稱霸的依然是翼龍，不過天空中已經出現了新的飛行者——鳥類，它大小如雞，雖然稱之為鳥，但它仍保留了爬行動物的特征(羅奕和全景, 2013)。從生物演化的角度來看，新物種并沒有像同等級的古老物種一樣具有龐大的體型，說明當時演化進程仍然是趨于小型化。再如早白堊世約11200萬年前到9700萬年前，當時最大的肉食性恐龍棘龍，約18m，白堊紀中期到白堊紀晚期約10000萬到9300萬年前最大的肉食性恐龍鯊齒龍，約14m，再到晚白堊世的最后幾百萬年里，即7000萬年前至6500萬年前，當時最大的肉食性恐龍霸王龍，約13m(羅奕和全景, 2013)，最大肉食性恐龍演變仍然是體型趨于小型化，并于白堊紀末期(6500萬年)恐龍滅絕。

海洋生物也有此趨勢，早白堊世早期的熱河動物群、早白堊世中晚期大拉子動物群，其中魚類最具有代表性的眭從狼鰭魚到滿洲魚，代表了兩個階段的演化過程(王友勤和劉爾義, 1996)。從發現的化石來看，其中的狼鰭魚體長一般在10cm左右，而滿洲魚體長約5cm左右。故縱觀侏羅紀到白堊紀結束整個地質歷史時期，生物演化趨勢為趨向于小型化。

6 早白堊世環境變化對當代環境走向的指示意義

(1)本文論述了早白堊世的大規模巖漿活動和鐵礦爆發形成時間及陸相紅層的出現有著非常吻合的時間耦合關系。所以早白堊世大規模的巖漿活動，致使當時全球溫度變高、鐵礦爆發式形成，含鐵熔體-流體流從地球深部沿著巖漿通道在地殼淺部就位成礦。

(2)早白堊世的大規模巖漿活動及鐵礦床的形成釋放大量CO2溫室氣體，使得當時大氣環境中CO2含量急劇增加；早白堊世陸相紅層大量出現，推測是由于大氣溫度升高，Fe2+變成Fe3+所致。

(3)全球早白堊世大規模巖漿活動及巨量鐵礦床的形成，釋放大量溫室氣體對氣候環境變化和生物進化起著重要的控制作用。由于當時大氣中CO2含量急劇增加，氧氣含量相對變低，且全球氣溫增高，致使早白堊世生物為了適應這種極端環境氣候個體趨向于小型化。當今CO2已達第三紀以來含量最高值(Cuietal,.2020)，我們更要加深了解和我們當代很相似的早白堊世時期，以便更加主動的應對今后的氣候環境變化和生物演化。

致謝在野外考察過程中得到鄧晉福、肖慶輝、羅照華、侯建光、胡偉武等老師的指導和幫助；在研究和成文過程中莫宣學院士、李曙光院士、周美夫老師及崔瑩老師給予了具體指導；參加野外工作的還有崔曉亮、劉璐璐、蔣俊毅、劉美玉、霍延安、楊譽博、侯曉陽及魯鑫等；三位審稿人提出了寶貴的修改意見；在此一并表示感謝。