【研究亮点】王丹等—CMP：古元古代硼矿为何能够保存数十亿年？

——来自辽吉带变质蒸发岩的新认识

　　硼（B）是重要的战略性关键矿产资源，广泛应用于化工、冶金、建材、电子工业、航空航天及国防工业等领域。全球大型B矿床主要形成于蒸发沉积环境，特别是超大型B矿，集中分布于Turkey、California以及Andes地区的现代盐湖盆地等干旱-半干旱地区，构成了全球最重要的硼资源产地。相比之下，前寒武纪B矿床十分稀少，达到大型-超大型规模并能够保存至今的古老B矿床更是极为罕见。由于B是流体活动元素，沉积型B矿中的含B矿物，多为低温含水硼酸盐矿物（如硼砂、硬硼钙石等），通常具有较高的溶解度，在后期构造变形、地下水活动及长期风化过程中极易发生溶解和破坏。因此，前寒武纪时期可能并不缺少硼的沉积与富集作用，而是不容易保存下来。前寒武纪是否存在大型B矿床沉积，以及古老的B矿床如何在数十亿年地质演化过程中长期保存，是B矿床成因研究的关键科学问题。

　　华北克拉通辽吉B成矿带发育全球最古老的大型-超大型B矿床，这些B矿既保留了早期蒸发沉积阶段的信息，又经历了复杂的高级变质作用，并最终仍能够保持大型-超大型矿床规模，这在全球古老蒸发岩型B矿中极为罕见。因此，辽吉B矿为理解前寒武纪大型蒸发型B矿的形成与长期保存机制，提供了全球最理想的天然实例。针对上述关键科学问题，中国地质科学院地质研究所王丹副研究员、刘福来研究员与德国Rolf L. Romer教授等合作，在华北克拉通辽吉造山带古元古代翁泉沟B矿开展系统研究，提出了古元古代蒸发型B矿的形成与长期保存的新机制。该团队通过系统的矿物-全岩同位素地球化学、变质作用的综合研究，为古老蒸发岩型矿床的形成与演化提供了新的认识：

图1 辽吉构造带辽河群翁泉沟硼矿床地质图

1. 翁泉沟B矿富Mg特征指示化学沉积，而非幔源超基性岩浆作用

　　翁泉沟B矿赋存于一套富镁大理岩中，以夹层状产出于变质火山-沉积岩中（图1）。围岩主要包括长英质片麻岩、镁铁质片麻岩以及后期花岗质岩石和辉绿岩脉。翁泉沟B矿发育大量富B-Mg的矿物，包括B酸盐矿物（硼镁铁矿、遂安石、硼镁石等）和含B的硅酸盐矿物（橄榄石、斜硅镁石、金云母）等。

　　该B矿具有极高的MgO（17.8–43.3 wt%）和Fe2O3T（最高达60.5 wt%）含量（图2），其成因长期存在争议。部分学者认为，这套富Mg岩石可能代表幔源超基性岩，与科马提岩类似的超镁铁质喷出岩有关；也有观点认为其形成与后期交代作用密切相关。然而，本研究发现，B矿全岩及橄榄石等矿物均具有非常低的Cr、Co和Ni含量（<26 ppm），明显不同于典型幔源超基性岩的元素特征。同时，B矿与围岩片麻岩具有相似的稀土及微量元素配分模式（图2）。此外，B矿及围岩中的磷灰石εNd(t)值多数介于−2至−7之间，对应两阶段Nd模式年龄约2.8–2.3 Ga，与亏损地幔的特征明显不同，而更接近古老陆壳物质再循环和改造的同位素组成。这些证据共同表明，翁泉沟B矿中的富Mg特征主要反映蒸发沉积过程中Mg的化学富集，并未记录幔源超基性岩浆活动的证据。

图2 大理岩和片麻岩的主微量元素协变图

（A）SiO2 vs Fe2O3。（B）SiO2 vs Al2O3；（C）SiO2 vs MgO；（D）K2O vs Al2O3；（E）含硼大理岩和围岩片麻岩的的球粒陨石标准化稀土元素配分模式图。（F）含硼大理岩和围岩片麻岩的上地壳标准化微量元素蛛网图。

2. 重δ11B-δ34S同位素特征：21亿年前已存在大型蒸发盆地

　　辽吉B矿中B的来源长期存在争议。已有研究曾提出不同认识，包括B可能来自俯冲带流体、非海相蒸发岩体系，或直接与海水输入有关。本研究发现翁泉沟B矿中的硼酸盐矿物具有重的硼同位素组成。其中，遂安石、硼镁铁矿及硼镁石的δ11B值分别为+7.5‰至+9.2‰、+7.7‰至+9.6‰以及+7.7‰至+9.8‰，显著高于典型陆壳硼同位素组成（图3），表明矿床形成过程中存在明显的海洋硼的输入。此外，矿床中的磁黄铁矿具有较高的硫同位素组成（δ34S = +8.7‰ 至 +16.1‰）（图3），与古元古代海水硫酸盐的重硫特征一致，进一步指示蒸发盆地形成过程中存在海水或海相沉积物的贡献。

　　此外，辽吉B矿并非单纯海相蒸发岩体系，而是同时记录了明显的陆源输入特征。例如，磷灰石εNd(t)具有低于亏损地幔演化线的值及古老的Nd模式年龄（约2.3–2.8 Ga），说明存在古老陆壳物质参与。B矿中普遍富集U，而B/U比值明显低于现代海水，说明U主要来源于周围火山岩及陆源物质，而非海水本身。全岩地球化学数据显示，部分B矿具有较高的K2O和Al2O3含量，并与SiO2呈正相关关系，表明盆地中还存在明显的陆源碎屑或火山灰输入。这些陆源物质不仅提供了K、U等元素，也导致B矿与围岩片麻岩具有相似的稀土及微量元素配分模式。此外，B矿的δ56Fe值介于−0.049‰至+0.292‰之间，平均值约为+0.10‰，与MORB及大陆火山岩范围基本一致，表明铁主要来源于周围火山岩或热液体系，而非海水本身。

　　综合矿物化学及同位素的特征，研究认为辽吉B矿形成于约21.5亿年前大陆边缘的裂谷或弧后伸展盆地。海水周期性进入封闭-半封闭盆地，周围火山岩、火山灰及陆源沉积物不断提供硼、铁、镁、铀等元素，在持续蒸发浓缩作用下形成富硼沉积体系。

图3 辽吉带硼酸盐矿床全岩及矿物的δ11B和δ34S值分布图

（A）后仙峪（h）、砖庙（z）和翁泉沟（w）硼酸盐矿床的大理岩全岩（WR）及矿物（Lud-硼镁铁矿，Su-遂安石，Sz-硼镁石，Tou-电气石）的δ11B值。Tou-near：矿体附近的电气石；Tou-out：远离矿体的电气石。（B）砖庙和翁泉沟硼酸盐矿床中大理岩全岩及矿物（硬石膏和磁黄铁矿）的δ34S值。（C）辽吉硼酸盐矿床δ11B值与不同地质储库δ11B值的对比图。（D）辽吉硼酸盐矿床δ34S值与不同地质储库δ34S值的对比图。

3. 高温变质并非破坏：古老B矿长期保存的新机制

　　辽吉B矿形成后经历了高级变质作用。部分研究认为，强烈的区域变质作用可能导致蒸发岩矿物分解、流体活动增强以及B的大规模迁移，从而破坏原始矿床；而变质作用发生的时代及温压条件，此前也缺乏精确约束。本研究通过锆石U–Pb定年结果，限定原始蒸发岩形成于约2154–2150 Ma。在B矿形成后的超过2亿年时间里，这些蒸发岩长期处于浅部环境，并受到火山岩及沉积盖层的保护，未发生明显的早期溶解和侵蚀破坏。随后，在1875–1840 Ma古元古代碰撞造山过程中，里尔峪组的B矿及围岩被卷入深部地壳，并经历强烈的麻粒岩相变质作用。围岩片麻岩中榍石Zr温度计结果显示，变质温度范围为714–889°C，其中多数集中于750–800°C；结合相平衡模拟结果，共同限定了峰期变质的温压条件为750–800°C、0.6–1.0 GPa。

　　岩相学研究表明，该高温变质过程显著改变了原始蒸发岩的矿物组成。原本低温、含水且易溶解的硼酸盐矿物，在高温脱水作用下，被转化为稳定的无水硼酸盐矿物，如遂安石和硼镁铁矿；同时，碳酸盐和硅酸盐矿物发生脱碳和脱水反应，形成橄榄石、斜硅镁石及金云母等高温矿物组合（图4）。这种麻粒岩相变质过程中的“无水化”作用，显著降低了B在后期流体中的迁移能力，是古老B矿能够长期保存至今的关键。

　　尽管矿体后期经历了一定程度的退变质流体活动，但大部分B依然被保存在硼酸盐矿物中，后期流体活动造成的B的迁出十分有限。因此，本研究认为，高级变质作用在辽吉B矿演化过程中并非单纯的破坏过程，而是在特定条件下促进了易溶硼酸盐向稳定无水硼酸盐矿物的转化，从而实现了矿床的长期保存。

图4 辽吉造山带变质硼酸盐矿床的富集成矿和保存机制示意图

4. 研究意义

　　研究揭示了全球最古老大型硼矿床——翁泉沟硼矿的形成与保存机制。该矿床形成于古元古代大陆边缘裂谷或弧后伸展环境中的蒸发沉积体系，海水蒸发浓缩与陆源-火山物质输入共同促进了B、Mg等元素的富集。进一步提出古老硼矿“变质保存”机制，指出高级变质作用促使含水硼酸盐矿物转变为稳定的无水硼酸盐矿物，从而显著降低硼的迁移能力，实现矿床长期保存。研究建立了古老蒸发岩型硼矿“蒸发富集-变质保存”模式，为认识前寒武纪硼循环及早期地球表生环境演化提供了重要约束。

　　本研究由国家自然科学基金（42572243、42172104）、院基本科研业务费（J2302、JB2304、J2009）、深地探测与矿产勘查全国重点实验室开放课题（KFDM2025201）、中国地质调查项目（DD20242923）联合资助，相关成果发表于国际矿物学与岩石学期刊《Contributions to Mineralogy and Petrology》上。

论文信息：

Dan Wang（王丹）*, Rolf L. Romer, Fulai Liu（刘福来）, Zhonghua Tian（田忠华）, Zongsheng Jiang（蒋宗胜）, Zhiyong Zhu（朱志勇）, Yuwei She（佘余伟）, Yahan Wang（王雅涵）, Na Wang（王娜）, Guocheng Lv（吕国诚）. (2026). Formation and Preservation of Paleoproterozoic Boron-rich Evaporites, Contributions to Mineralogy and Petrology, 181: 50.

　　论文链接：https://doi.org/10.1007/s00410-026-02329-6.