全球早白垩世大规模岩浆活动、铁矿床形成及与气候变化的可能耦合关系*

王文博 苏尚国 王娜 李瑞鹏, 2

1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083 2.深圳云创瑞诚数据科技有限公司，深圳 518101

地球系统科学是将全球大气圈、水圈、岩石圈和生物圈作为相互作用的大系统，研究圈层与圈层之间的物理、化学、生物过程，其时间尺度自数年、数十年、百年至数百年(Kump, 2010)。地球系统科学是当今地球科学的研究前缘以及研究热点(侯增谦, 2010; 莫宣学, 2019)。

白垩纪时期的地球系统是整个地球历史中变化最剧烈的时期之一。期间发生了众多重大地质事件，如大规模岩浆活动(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)、白垩纪全球极热事件(Huetal., 2020)、超静磁带出现(Helsley and Steiner, 1969; Croninetal., 2001; 史瑞萍等, 2002; Zhao, 2005)、中国东部大规模岩石圈减薄(Perryetal., 1988; 邓晋福, 1988, 2006; Daley and DePaolo, 1992; Platt and England, 1994; Turneretal., 1996)、白垩纪末生物集群绝灭事件(Walliser, 1996)，等等。这些事件之间有怎样的成因联系？是如何相互制约？为此我们选择早白垩世时期发生的各种地质事件，探讨重大地质事件的触发机制和发生过程，从地球系统科学角度，探究早白垩世时期地球深部过程、温室气体的释放以及气候变化的耦合关系。

1 中生代火成岩时空分布

1.1 中生代中国火成岩分布

大部分学者认为大规模岩浆活动与岩石圈的减薄有关，且很早就有人对此问题作了讨论，邓晋福等(1996, 2006)、吴福元和孙德有(1999)、吴福元等(2000)对中国北方台地演化史的分析表明，燕山期中国东部岩石圈开始大规模减薄，最大岩石圈减薄开始于130Ma之后，结束于110Ma或100Ma。中国东部大规模岩浆活动最早始于侏罗纪(约180Ma)，分别位于张广才岭-小兴安岭和大兴安岭北端(鄂霍茨克)，张广才岭-小兴安岭最早结束；当张广才岭-小兴安岭结束时，正是华南大规模岩浆活动峰期(和岩石圈减薄最大)时间(160Ma左右)；而当华南大体结束大规模岩浆活动时，华北-大兴安岭才开始大规模岩浆活动(150～125Ma)；136Ma之前，鄂霍茨克山脉垮塌了，再过10Myr，中国东部高原才垮塌；这之后，沿东部沿海又兴起一次大规模岩浆活动，终止于早白垩世晚期(张旗等, 2009)。

我国中生代大火成岩省分布如图1所示。

图1 中生代中国火成岩分布图(吴福元和孙德有, 1999; 吴福元等, 2000; 张旗等, 2009; 邓晋福等, 2016)

1.2 早白垩世中国火成岩面积、体积估算

中国东部中生代发生了大规模的岩浆活动，早白垩世是岩浆活动最强烈的时期。

1.2.1 张广才岭-小兴安岭火成岩区

位于兴凯地块-那丹哈达地块和松辽盆地东部(松辽盆地大部分底部可能属于火成岩区)之间。南北长约1200km，东西宽约500km，面积约60万km2。在中侏罗世早期(180～160Ma)发生了较大的岩浆活动和岩石圈减薄，岩石圈减薄后最小厚度约为30km。

1.2.2 鄂霍茨克火成岩区

大部分位于蒙古和俄罗斯境内，长约2500km，宽约为600km，面积约为150万km2。估计岩石圈减薄是在180Ma之后开始，在136Ma前结束。岩石圈减薄后最小厚度约为50km。

1.2.3 华南大火成岩区

主要分布在湖南、江西、福建和广东四个省，呈北东-南西向，长宽约600km×1200km，面积约70万km2。岩石圈的减薄开始时间大约为160Ma，结束于150Ma之前，岩石圈减薄后最小厚度约为30km。

1.2.4 华北-大兴安岭火成岩区

该火成岩区从黑龙江北部一直到长江中下游，是现今发现的中国东部最大的火成岩集成区，面积>360万km2。该火成岩区形成的时间约为150～125Ma，与此同时岩石圈变薄至最小，在华北约为70～50km，在大兴安岭变化比较大，从超过50km至约30km，北端与鄂霍茨克南部山脉重叠，少量埃达克岩出露于该火成岩区南部的林西一带(吕志成等, 2004; 张永北等, 2006)。

1.2.5 东部沿海火成岩区

该火成岩区是岩浆活动多期次的产物，其中白垩纪早期岩浆活动最为剧烈。在时代上，近EW向的火山岩带形成时间约为180～170Ma，是中国东南地区晚中生代大规模岩浆活动的开端；近NNE向早白垩世火山岩带约在130～90Ma形成，是中国东南地区晚中生代大规模岩浆活动和成矿作用的顶峰期。该火成岩区可分为两段：南段位于江西、浙江、福建和广东四个省，北段包括苏鲁辽东部沿海地区，南北两段总面积大概是70万km2(如果除去江西和广东地区，则大概是36万km2。

各大火成岩区面积和体积估算请见表1。

表1 中国东部中生代火成岩面积及体积估算表

早白垩世时期中国东部火成岩主要分布在华北-大兴安岭火成岩区和东南沿海火成岩区。在该段时期内大致形成了约396万立方千米的火成岩。这些火成岩的形成致使大气中含氧量降低、二氧化碳含量急剧上升，地球气温升高并进入温室气候阶段(Wignall, 2001)。

2 早白垩世中国铁矿床成因类型

我国铁矿床的类型非常齐全，成矿时代在太古宙至中、新生代都有发育，主要有七大类型。本文主要讨论早白垩世时期形成的岩浆型铁矿床、玢岩型(与火山-侵入活动有关的铁矿床中的陆相火山-侵入型铁矿床、少量海相火山-侵入型铁矿床)及矽卡岩型(接触交代-热液型铁矿床)铁矿床(崔立伟等, 2012)，如图2所示。

图2 早白垩世中国铁矿分布图

2.1 岩浆型铁矿床

该类铁矿床与基性、基性-超基性的岩浆侵入作用有关，由于该类铁矿中含有丰富的钒和钛，故通常称其为钒钛磁铁矿矿床。按照其成矿方式可以把该类铁矿床分为岩浆晚期贯入型铁矿床和岩浆晚期分异型铁矿床两类(谢承祥等, 2009)。部分岩浆型(岩浆晚期贯入型)铁矿床形成于早白垩世，分布于北京昌平上庄和薛家石梁一带，如上庄铁矿床(～129Ma)中的铁矿石主要以网状结构、晶状体或块状矿石层的形式赋存于橄长岩上方的辉长岩下部。网状矿石(50vol%～85vol% Fe-Ti氧化物)和块状矿石(>85vol% Fe-Ti氧化物)含有不同比重的橄榄石、斜长石、黑云母和角闪石。块状和网状矿石中的氧化物呈颗粒状，钛磁铁矿约为70%，钛铁矿约为25%，镁铝尖晶石约为5%。Fe-Ti氧化物矿石中橄榄石含有约在70.5%至81.5%之间的镁橄榄石(Fo)，而闪长岩和辉长岩中的镁橄榄石含量在64.5%至74%之间。Ni的浓度比较低，在bdl(<79×10-6)至660×10-6范围内变化。氧化矿石中的钛磁铁矿比硅酸盐岩石中的钛磁铁矿(6.2%～10.9%)含有更高的TiO2(6% TiO2)。与硅酸盐岩相比，氧化物矿石中的钛磁铁矿还具有较高的MgO、Al2O3和V2O3、有较低的Fe3+/Fe2+。氧化物矿石中的钛铁矿具有>51%的TiO2、3.3%～8.6%的MgO和低的Fe3+/Fe2+比值，而硅酸盐岩中的钛铁矿包含<51%的TiO2、0.06%～3.3%的MgO和高的Fe3+/Fe2+比值(Liuetal., 2015)。

2.2 玢岩型铁矿床

玢岩型铁矿床主要为与陆相火山-侵入作用有关的铁矿床，该类型铁矿床多与中偏基性或中酸性火山岩有关，且与火山岩、次火山岩有成因上的联系。主要形成于玢岩体内部或火山碎屑及周围接触带中，成矿时代为早白垩世。主要分布在宁芜-庐枞地区，常称之为“玢岩铁矿”(汪国栋和宋雄, 1996)，如宁芜-庐枞成矿区的泥河铁矿。这种铁矿床主要是由硫铁矿、磁铁矿和硬石膏组成，这三种主要组分共同形成共生的隐伏矿床。在横向上，矿床的东北部主要是硫铁矿，西南部主要是磁铁矿，而介于二者之间的中部则主要是硬石膏。在垂直向上，下部主要是磁铁矿，上部则为硫铁矿和硬石膏。其中磁铁矿的大体形态呈透镜状和似层状，在辉石闪长玢岩的穹隆顶部位置形成，且辉石闪长玢岩的穹隆构造控制着磁铁矿的形态。硫铁矿的产出形态分为两种，第一种是透镜状、似层状产出，赋存于辉石闪长玢岩内，并伴有磁铁矿共生；第二种赋存于砖桥组下段的火山岩中(赵文广等, 2011)，呈似层状形态。这种类型的矿床所含有的金属矿物主要是黄铁矿、磁铁矿、赤铁矿、磁黄铁矿和菱铁矿，另外，含有的非金属矿物主要有钠长石、石英、硬石膏、钾长石、辉石、碳酸盐矿物等。该类铁矿的矿石结构主要是自形-半自形粒状结构，同时还伴有交代假象结构和筛状结构。矿石构造包括有块状构造、浸染状构造、细脉浸染状构造和斑杂构造等(杜玉雕和魏国辉, 2018)。

2.3 矽卡岩型铁矿(接触交代-热液型铁矿床)

矽卡岩型铁矿是由于中酸性侵入岩在侵位过程中，其所含的含矿流体与碳酸盐岩接触交代作用形成的，这类铁矿的矿物组合属于典型的矽卡岩类，故又称之为矽卡岩型铁矿。矽卡岩型铁矿主要形成于早白垩世，一般来说该类矿床的品位普遍较高，一般形成的都是中型和小型铁矿，大型的也有但很少。矽卡岩型铁矿广泛分布在我国各地区，如东部的莱芜、临汾、大冶和邯邢等地区。除此之外，黑龙江翠宏山、内蒙古黄岗、广东连平大顶、陕西木龙沟、浙江漓渚、西藏尼雄、青海肯德可克等也是矽卡岩岩型铁矿比较重要的分布区(谢承祥等, 2009; 骆华宝等, 2009)。以邯邢成矿带大王庄铁矿床为例，该铁矿矿物成分较为简单，以磁铁矿为主，并含有少量的褐铁矿、赤铁矿、黄铁矿等；其中脉石矿物主要为透辉石、透闪石、阳起石、石英、方解石，此外还有磷灰石、绿泥石、斜长石以及微量的榍石和褐帘石等；其中的主要金属矿物磁铁矿是单独晶粒或自形-半自形粒状聚集体，并且磁铁矿颗粒极不均匀地散布在脉石矿物中，晶粒大小从0.05～1mm都有，且普遍有交代透辉石现象，沿颗粒边缘或(111)解理经常被赤铁矿交代，也有很少一部分被磁铁矿交代。同时，矿石结构常见有包含结构、嵌晶结构、自形-半自形晶粒状结构和他形晶粒状结构等；主要构造包括块状构造、条带状构造、浸染状构造、斑点状构造等(画玉省, 2017)。

3 早白垩世中国铁矿分布和储量

早白垩世全球铁矿床成矿大爆发，该时期也是中国铁矿床主成矿期。中国早白垩世铁矿床可以划分五个主要成矿带：邯邢成矿带、鲁西成矿带、长江中下游成矿带、宁芜-南京成矿带和永安-梅州-惠阳(塌陷)成矿带(赵一鸣和吴良士, 2004; 郑建民等, 2007; 杜建国和常丹燕, 2011)，中国早白垩世铁矿分布特征详见图2，铁矿床储量统计详见表2。

表2 早白垩世中国各类型铁矿床统计表

中国早白垩世铁矿床成矿类型有：(1)岩浆型铁矿床；(2)玢岩型铁矿床；(3)矽卡岩型铁矿床。

岩浆型铁矿床的典型代表为北京昌平薛家石梁上庄铁矿，其形成时代为132Ma；该类型铁矿床为岩浆晚期分异的含铁矿液沿岩体内断裂或接触带贯入而成；成矿赋矿围岩为辉长岩，矿床规模一般为中-小型，成矿于早白垩世。

玢岩型铁矿床多与中偏基性或中酸性火成岩有关，成矿时代为早白垩世；主要分布于宁芜-庐枞地区，常称为“玢岩铁矿”。此外，西藏加多岭铁矿也属于陆相火山-侵入型铁矿(崔立伟等, 2012)。

矽卡岩型铁矿成矿时代主要为早白垩世，主要分布在我国东部的邯邢、莱芜、大冶、临汾等铁矿集中区。此外黑龙江翠宏、内蒙古黄岗、浙江漓渚、青海肯德可克、西藏尼雄等地亦有产出。近年，苏尚国等(2014)对邯邢地区铁矿床进行了详细研究，提出了“含铁熔体-流体通道成矿系统”成矿模型。模型认为在深部岩浆房，中性-基性岩浆与碳酸盐岩反应形成“铁矿浆”是形成矽卡岩铁矿床的前提；另外，在深部岩浆房流体的加入产生流体超压环境，形成“含铁熔体-流体”使铁矿浆密度降低，“含铁熔体-流体”沿通道(构造薄弱带)快速上侵就位是形成矽卡岩铁矿床的必要条件。该模型能够很好的解释包括矿浆型铁矿在内的不同类型铁矿的成因。该模型认为“铁矿浆”主要形成于深部岩浆房。由于流体的加入铁矿浆密度降低变为含铁熔体-流体流沿构造薄弱带上侵就位成矿，矽卡岩也主要形成于深部，随铁矿浆一同上升至地壳浅部，表现为异地矽卡岩。根据矿体就位深度等特征，从深部到浅部分别表现为岩浆型、玢岩型和矽卡岩型，热液型铁矿床。故我们认为中国东部早白垩世所有铁矿床的形成都经历反应①形成。

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

①

4 全球早白垩世铁矿床分布特征、储量及Fe-CO2量变核算

从全球尺度上看，早白垩世铁矿床形成主要分布于环太平洋带、环地中海带以及环黑海带(图3)。

图3 早白垩世全球铁矿分布图

太平洋成矿带是由于大洋板片俯冲产生的陆缘弧和岛弧环境下形成矿床，如菲律宾和印尼等都有中小型接触交代热液型矿床形成。陆缘弧环境经典成矿区包括安第斯中部(如秘鲁、智利境内形成的铁矿床)，美国西部和伊利安爪哇-巴布亚新几内亚(杨晓勇和张连昌, 2018)。在安第斯成矿带的古生代库亚尼亚(Cuyania)、阿雷基帕-安托法(Arequipa-Antofalla)、智利尼亚(Chilenia)等多个地体逐步增生到了冈瓦纳大陆边缘，形成了该区域的基底构造；在此之后又遭受了中-新生代纳斯卡板块向南美大陆的俯冲造山作用(张潮等, 2017)；最终形成了安第斯造山带，组成了环太平洋成矿域的重要部分。地中海和黑海在中生代时期开始闭合，可能依然是大洋板片俯冲造成的大型成矿事件。

经过大量统计，在铁矿床爆发期(早白垩世)全球大约共形成了101.7亿吨的铁矿床(本文涉及铁矿储量为静态数据，随矿业发展有待持续补充)，在此根据公式①对Fe矿形成时释放的CO2做半定量估算。根据公式①我们可以知道形成铁矿时释放的CO2量，从方程式中可以清楚看到每形成1分子Fe3O4就会伴随1分子的CO2释放，又因为二者质量比M(Fe3O4):M(CO2)=5.27:1，故全球形成101.7亿吨的铁矿床就会释放CO2约19.3亿吨。

5 早白垩世气候变化

5.1 早白垩世全球温度变化

本节主要通过讨论早白垩世中国陆相红层来讨论当时全球环境温度变化。赫特立夫期(约132Ma)形成的劳村组紫灰色泥岩位于浙江省建德市寿昌镇周村。坂头组是巴雷姆期(129～127Ma)形成的红层，呈紫红、橙黄色调、粉砂岩和泥岩、铁质皮壳和结核，位于福建省永安市吉山白垩系剖面(陈丕基, 2000; 李祥辉等, 2009)。始于120Ma左右典型的浙江省江郎山馆头组(K1g)、朝川组(K1c)和方岩组(K1f)红层等(李祥辉等, 2009; 黄进等, 2015)。馆头组、朝川组和方岩组是晚白垩世Aptian期至Santonian期的产物(李祥辉等, 2009; 朱诚等, 2009)。馆头组(K1g)为下白垩统永康群底部地层，可以分上下两段，中段缺失，下段为砂砾岩、砂岩以及深灰色薄层状粉砂质泥岩、炭质页岩，偶尔夹粉砂细砂岩。朝川组(K1c)的底部是含砾粗砂岩、中粗砂岩，中部是紫红色块状粉砂岩、粉砂质泥岩夹有河流相的砂砾岩，上部是紫红色粉砂质泥岩与砂砾岩、砾岩，相互交错。朝川组的沉积地层中还夹有火山岩夹层，有流纹岩、玄武岩和火山碎屑岩等。方岩组(K1f)是组成江郎山地貌的主体地层，主要是紫红色、浅灰色巨厚层至块状砾岩，夹有砂砾岩、砂岩，中夹透镜体，同时也偶尔夹杂火山岩，是一套由山麓冲积扇到河流谷地、湖泊平原、三角洲地带沉积的河流相、湖相沉积地层。阿尔必期红层(110Ma)呈紫红、橙黄色、粉砂岩和泥岩、铁质皮壳和结核，位于福建省永安市吉山白垩系剖面。赛诺蔓期红层(100Ma)属红色、(粉砂质)泥岩，存在生物潜穴、植物根系(根迹)，位于浙江省龙游县小南海镇曹垅村上白垩统衢县组。

在早白垩世，当时环境处于温室时期，CO2浓度普遍比较高：145～140Ma刚进入早白垩世，CO2浓度开始增高，根据植物化石气孔计算在140Ma左右达到峰值约860×10-6(Sunetal., 2007)；在140～130Ma左右大气环境中CO2浓度有小幅度降低；于135Ma到最低约740×10-6(Chenetal., 2001)并一直持续至135Ma前后；约132Ma之后，CO2含量陆续增高，至120Ma达到高峰约910×10-6(Passalia, 2009)；120Ma后出现急剧下降；直至105Ma前后，根据植物化石气孔测定当时CO2浓度稳定在620×10-6左右(Haworthetal., 2005)；直到早白垩世末期又开始出现缓慢下降趋势(详见图4)。

图4 全球早白垩世铁矿床形成和气候环境变化之间的耦合关系图

从图4可以清楚的发现，早白垩世陆相红层也在华北-大兴安岭、东南沿海地区广泛分布，与此同时铁矿开始爆发式形成，岩浆活动也在华北-大兴安岭和东南沿海地区活动频繁，根据植物化石气孔计算的CO2浓度也在随之发生规律性变化，他们之间存在着很明显的耦合关系。

5.2 早白垩世恐龙及其他生物形体变化和灭绝事件

侏罗纪到白垩纪古生物的体型由于某种原因发生了巨大的变化：趋于小型化。翼手龙出现于侏罗纪晚期，在白垩纪时期繁盛；相比于侏罗纪，白垩纪翼手龙的头骨较轻，尾巴也进一步地退化，飞行能力变强，但是不擅长于行走；从侏罗纪晚期到白垩纪期间翼手龙整体体型演化趋向小型化。又如侏罗纪时期天空中称霸的依然是翼龙，不过天空中已经出现了新的飞行者——鸟类，它大小如鸡，虽然称之为鸟，但它仍保留了爬行动物的特征(罗奕和全景, 2013)。从生物演化的角度来看，新物种并没有像同等级的古老物种一样具有庞大的体型，说明当时演化进程仍然是趋于小型化。再如早白垩世约11200万年前到9700万年前，当时最大的肉食性恐龙棘龙，约18m，白垩纪中期到白垩纪晚期约10000万到9300万年前最大的肉食性恐龙鲨齿龙，约14m，再到晚白垩世的最后几百万年里，即7000万年前至6500万年前，当时最大的肉食性恐龙霸王龙，约13m(罗奕和全景, 2013)，最大肉食性恐龙演变仍然是体型趋于小型化，并于白垩纪末期(6500万年)恐龙灭绝。

海洋生物也有此趋势，早白垩世早期的热河动物群、早白垩世中晚期大拉子动物群，其中鱼类最具有代表性的眭从狼鳍鱼到满洲鱼，代表了两个阶段的演化过程(王友勤和刘尔义, 1996)。从发现的化石来看，其中的狼鳍鱼体长一般在10cm左右，而满洲鱼体长约5cm左右。故纵观侏罗纪到白垩纪结束整个地质历史时期，生物演化趋势为趋向于小型化。

6 早白垩世环境变化对当代环境走向的指示意义

(1)本文论述了早白垩世的大规模岩浆活动和铁矿爆发形成时间及陆相红层的出现有着非常吻合的时间耦合关系。所以早白垩世大规模的岩浆活动，致使当时全球温度变高、铁矿爆发式形成，含铁熔体-流体流从地球深部沿着岩浆通道在地壳浅部就位成矿。

(2)早白垩世的大规模岩浆活动及铁矿床的形成释放大量CO2温室气体，使得当时大气环境中CO2含量急剧增加；早白垩世陆相红层大量出现，推测是由于大气温度升高，Fe2+变成Fe3+所致。

(3)全球早白垩世大规模岩浆活动及巨量铁矿床的形成，释放大量温室气体对气候环境变化和生物进化起着重要的控制作用。由于当时大气中CO2含量急剧增加，氧气含量相对变低，且全球气温增高，致使早白垩世生物为了适应这种极端环境气候个体趋向于小型化。当今CO2已达第三纪以来含量最高值(Cuietal,.2020)，我们更要加深了解和我们当代很相似的早白垩世时期，以便更加主动的应对今后的气候环境变化和生物演化。

致谢在野外考察过程中得到邓晋福、肖庆辉、罗照华、侯建光、胡伟武等老师的指导和帮助；在研究和成文过程中莫宣学院士、李曙光院士、周美夫老师及崔莹老师给予了具体指导；参加野外工作的还有崔晓亮、刘璐璐、蒋俊毅、刘美玉、霍延安、杨誉博、侯晓阳及鲁鑫等；三位审稿人提出了宝贵的修改意见；在此一并表示感谢。