纳米比亚达马拉造山带新元古界朝斯组条带状铁建造的特征及成因

曹 晗， 吴昌志， 刘援军， 王伟清， 雷如雄

(1.内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，江苏南京210046； 2.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210046； 3.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210007； 4.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083； 5.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安710054； 6.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054)

纳米比亚达马拉造山带新元古界朝斯组条带状铁建造的特征及成因

曹 晗1,2,3， 吴昌志1,2， 刘援军3， 王伟清4， 雷如雄5,6

(1.内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，江苏南京210046； 2.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210046； 3.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210007； 4.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083； 5.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安710054； 6.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054)

以纳米比亚北部台地区的新元古代成冰期朝斯(Chuos)组沉积变质型条带状铁建造为研究对象，通过研究该区的大地构造背景、矿物学、岩石学、地球化学等特征，针对该区域朝斯组地层特征、构造历史、结构构造、矿物组成、形成环境及成因等方面进行研究，结合“雪球地球”假说，认为研究区含铁建造与成冰期的一定条件下的裂谷作用形成海盆和热液组分有直接成因联系，在雪球期内的氧化还原环境多变的裂谷大洋、海底热液流体、大陆风化作用、海洋生物圈变化、大气与海水的物质组分交换等多重因素的作用下，最终导致了含铁条带建造的沉积层序的形成。

新元古代成冰期；达马拉造山带；朝斯组；条带铁建造；矿床成因；北部台地；纳米比亚

0 引 言

前寒武纪条带状硅铁建造(Banded Iron Formation, BIF)是世界上储量最大、分布最广的铁矿资源(James,1954)，也是世界钢铁产业最为重要的矿石来源，同时也是地球早期特有的化学沉积建造类型，记录了地球早期岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的状态及演化，具有重要的经济和科学研究意义(沈保丰，2012)。

铁建造作为前寒武纪地层记录的重要物质组成， 是一种富铁的硅质岩，主要由SiO2、Fe3O4、Fe2O3及少量碳酸盐组成。在新元古代(约1 000～635 Ma)出现的(Isley,1995; Klein,2005)该期铁建造被称为新元古代铁建造(James,1954; Klein,2005)。新元古代铁建造(Neoproterozoic Iron Formation, NIF)在空间上主要分布在下寒武统克拉通内部盆地或被动大陆边缘，常与沉积碎屑岩-碳酸盐岩关系紧密，其中铁主要为氧化物相，多为原生的赤铁矿相，一般为绿片岩相浅变质，变形弱，混合岩化不明显(Cox et al.,2013)。

近年来，在纳米比亚EPL4533和EPL4432铁矿详查工作中，笔者对位于纳米比亚西北部库内省(Kunene)省会奥普瓦(Opuwo)以南的含铁建造——朝斯(Chuos)组铁矿开展了较为详细的野外地质和地球化学研究，以期通过对西南非洲NIF地质地球化学特征的详细分析，探索含铁建造的形成环境与矿床成因，为该区找矿勘查提供理论依据和找矿方向。

1 区域地质

纳米比亚地处非洲大陆南部，位于卡拉哈里(Kalahari)克拉通和刚果克拉通的拼合部(图1)。中元古代以来，该区经历了罗迪尼亚(Rodinia)超大陆的裂解过程，表现为广泛发育的拉伸、裂谷作用以及陆内盆地和洋盆的形成，其内发育了巨厚的裂谷型沉积。在720～500 Ma期间，裂解的陆块重新聚合形成了冈瓦纳超大陆，新元古代的网状造山带成为并标记了聚合后的古陆块缝合线，环绕并分割了非洲大陆，这被称为泛非造山运动。纳米比亚达马拉造山带即形成于泛非造山期。

图1 朝斯(Chuos)组在罗迪尼亚大陆裂解过程中的空间分布(据Torsvik， 2003； Li et al., 2013)Fig.1 Spatial distribution of the Chuos Formation during the break-up of the Rodinia continent(after Torsvik, 2003 and Li et al., 2013)

纳米比亚构造单元由地盾区、裂谷活动带和地台区3种构造单元组成。受泛非造山作用影响，纳米比亚构造线方向主要为北西向和北东向，由一系列冲断层和褶皱构造组成。它们不仅控制了晚元古代以来纳米比亚火成岩体的分布，而且也控制了后期沉积盆地的形成和沉积岩的展布。

研究区构造格局主要形成于达马拉造山幕成岩事件，开始于大约9亿年前的陆内裂谷作用和沉积作用，并持续了约4.5亿年(Miller et al.,2008)。该造山带的构造线主要呈北东向，由北向南分为北部台地区(NP)、北部带(NZ)、中央带(CZ)、南部带(SZ)、南部边缘带(SMZ)和南方山前地带(SF)(图2)。

图2 研究区区域大地构造图 (据Miller et al., 2008)1-达马拉期后盖层；2-卡奥科带;3-南部带；4-纳马群；5-北方台地；6-南部边缘带；7-马切利斯角闪岩；8-北部带；9-南方山前地带；10-达马拉系；11-中央带；12-矿权区;13-前达马拉基底；14-奥卡汉贾线性构造带Fig.2 Regional geotectonic map in the study area(after Miller et al., 2008)

2 矿床地质

研究区位于纳米比亚西北部，大地构造位置处于刚果克拉通西南部的新元古代达马拉造山带卡奥(Kaoko)带与达马拉(Damara)带交接部位。泛非运动期间所形成的新元古界达马拉岩系是矿区主要地层单元，为1套陆间裂谷型沉积，其早期主要为河流相、湖泊相碎屑岩沉积和裂谷火山岩沉积，中晚期为海相碎屑岩、碳酸盐岩沉积(Miller et al.,2008)。

含矿的NIF发育在纳米比亚中北部的北方台地(NP)中部和西部地区的Otavi群Abenab亚群底部的朝斯组之中(表1)，在南部和东部缺失(图3)。

注：据Miller et al., 2008

朝斯组主要是由成层性较差的块状混积岩和棱角状碎屑岩构成。碎屑成分为白云岩、燧石、砂岩，来自该组下覆的Nosib群地层和前达马拉基底的石英岩、变质火山岩和花岗岩碎屑 (Miller et al., 2008)，颗粒大小多变，从几毫米到十几厘米不等(图4a)。基质是黑色含铁长石泥质砂岩。该组局部地区发育黄色-红色长石粗砂岩和长石砂岩透镜体、淡绿色-淡红色、黄色的纹层页岩、纹层状硅质铁建造(图4b)。

根据野外地质观察和对EPL4432、EPL4533、EPL4377探矿权区内贯穿朝斯组地层的钻孔岩芯编录结果，将朝斯组划分为以下4个层位。

(1) 底部混积岩层：以灰白色、灰黑色的混积岩为主，角砾结构，块状构造。碎屑成分主要为石英岩，少量片麻岩，片岩，花岗岩，火山岩和风化面呈褐色的白云岩，碎屑颗粒通常呈棱角状，少量圆状，基质为粉砂质至泥质。角砾在30%左右，局部角砾较大，向上粒度逐渐变细。铁质含量低。

(2) 下部铁硅质岩层：以红褐色和灰绿色的铁硅质岩为主。铁硅质为化学沉积的产物，具隐晶质结构，水平层理构造和条带状构造，铁质条带与硅质条带交替出现。

(3) 中部砂质页岩层：颜色以灰绿色为主，岩性主要为页岩、中细粒砂岩、含砾砂岩和砾岩，胶结物主要为泥质，抗风化能力较弱，含铁量一般低于10%，磁化率也较低，不含铁矿体。

图3 纳米比亚西北部朝斯组分布示意图Fig.3 Sketch showing distribution of Chuos Formation in northwest Namibia

图4 朝斯组地层的主要特征(a) 混积岩(普遍含有砾石，分选性差)；(b) EPL4432岩芯(纹层状含铁建造为淡绿色和红色互层)Fig.4 Photos showing main features of the Chuos Formation(a) mixosedimentite, commonly with conglomerate, poorly sorted; (b) core EPL4432, the layered iron formations are interbedded light green and red layers

(4) 上部含砾铁质砂岩层：主要为红褐色含砾铁质砂岩。岩层中含铁量一般在20%以上。贫赤铁矿层主要产于这个部位。含铁矿物主要为赤铁矿，少量磁铁矿。赤铁矿以化学沉积的胶结物形式存在于含砾铁砂岩中，岩石中化学沉积的赤铁矿胶结物与机械沉积的碎屑物呈负消长关系。

朝斯组NIF矿矿石平均铁质量分数为35%。铁矿体一般呈层状或透镜状产于混积岩中，为低品位含硅磁铁矿-赤铁矿建造，赋存状态稳定，矿石呈次块状、块状和浸染状构造，矿石原生层理清晰可见。矿石矿物以磁铁矿、赤铁矿为主，部分矿石为赤铁矿化磁铁矿。根据沉积成因，初步将朝斯组的铁建造铁矿划分为2种类型：(1) 纯化学沉积成因的富赤铁矿层，位于朝斯组的下部，铁矿石呈铁黑色，细晶质结构，具明显的水平层理构造和条带构造，条带由赤铁矿层和硅质相间构成,矿石富含铁且含锰，基本无磁性(图4b)；(2) 混合沉积成因的赤铁矿层位于朝斯组的顶部，为机械沉积和化学沉积的混合类型，矿石呈红色或铁黑色，一般为砂状结构，层理常不明显，赤铁矿主要以碎屑物的胶结物形式存在，含铁较贫，基本不含锰，具磁性(图5)。

由于受多期构造的作用，矿体形态被复杂化，在褶皱的转折端矿体有变厚、变富的现象。矿石经历了低绿片岩相的区域变质作用，矿物成分受到一定的影响。地表氧化带的矿石都存在着明显的地表富集现象，推测可能是因为氧化作用、去硅作用和淋滤作用等而富集(图5)。

3 NIF的地球化学特征

地球化学样品主要采自于EPL4432矿区ZKE0-3钻孔中的朝斯组砂岩层和其中的含铁石英建造层位。主量元素分析采用X射线荧光光谱仪(Axios Minerals)，精度0.1%～1% (RSD)，准确度优于1%。微量稀土元素分析采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)，多数元素分析精度优于5%，整个分析流程实验本底对多数元素小于100 ng。

图5 地表出露的朝斯组铁矿石类型(a) 砂砾岩型赤-磁铁矿石；(b) 花卷状赤-磁铁矿石；(c) 因构造影响而发生交代作用的赤铁矿；(d) 化学沉积砂质富铁矿石Fig.5 Photos showing types of the outcropped Chuos Formation iron ores(a) glutenite type hematite-magnetite ore; (b) roll-typed hematite-magnetite ore;(c) metasomatic hematite caused by tectonic process; (d) sandy iron-rich ore of chemical deposition

3.1 矿石主量元素特征

条带状铁矿石的主要化学成分SiO2和TFeO的含量对判断铁矿的沉积作用类型有一定的指示意义(沈其韩等，2011)。本次研究的矿石SiO2和TFeO的质量分数变化较大，为56.11%～94.19%，平均值76.11%，表明该矿石原岩可能是有较多碎屑物质加入的化学沉积岩，并且碎屑物质的参与很不均匀。

一般认为沉积变质铁矿的SiO2/Al2O3比值应小于10，火山沉积变质铁矿的SiO2/Al2O3比值应大于10(沈其韩等，2009，2011)。研究区铁矿石的SiO2/Al2O3比值变化为5.70～172.41，平均值34.65，显示极不均匀的特征，表明研究区铁矿可能总体上还是以火山沉积为主，但有大量的碎屑物质参与。从主量元素分析结果来看，矿石样品总体Al2O3、CaO和K2O含量较高，沉积过程中有大量碎屑物质或泥质的参与，表明该区铁矿较浅的近岸沉积环境。

3.2 矿石微量元素特征

一般认为火山岩和海相沉积物的Sr/Ba比值大于1，陆源沉积岩的Sr/Ba比值小于1(沈其韩等，2009，2011)。研究区铁矿石样品的Sr/Ba比值为0.15～2.16，变化非常大，表明陆相和海相沉积可能都参与了铁矿的形成(图6)。

图6 铁矿石样品微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.6 Primitive mantle normalized spider diagram of REE in iron ore samples

火山沉积铁矿石中，Cr、Ni、Co含量一般高于陆源碎屑，作为亲铁元素的Cr、Ni、Co在化学沉积过程中对金属来源具有很好的示踪意义(Raju,2009)。从分析结果可以看出，研究区铁矿石富集Cr、Co、Ni和Zn等元素，该特征可能与沉积盆地同时期的火山活动有关(Kerrich et al.,2000；Raju,2009)，暗示火山物质可能确实参与了铁矿的沉淀(Raju, 2009)。

3.3 矿石稀土元素特征

研究区铁矿的稀土元素总量较低，为14.67～109.73 g/t，平均值59.72 g/t。在稀土元素配分标准化图解中，样品具有相对较为一致的配分模式(图7)，即轻稀土元素相对重稀土元素亏损(La/Yb比值为0.09～0.60，平均值0.29)和轻微的Eu正异常(Eu/Eu*为1.01～1.59,平均值为1.14)。轻稀土元素相对重稀土元素亏损是现代海水的特征(Zhang et al.,1996)，研究区铁矿的稀土配分模式暗示海水可能参与了铁矿的形成。而Eu的正异常则是高温海底热液的特征(Danielson et al.,1992；Bau,1993)，表明研究区NIF是海洋化学沉积的产物，并且有海底热液的参与。

图7 铁矿样品稀土元素配分曲线(北美页岩标准)Fig.7 REE distribution patterns of iron ore samples(North American shale standards)

研究区样品同时具有轻微的Ce负异常(Ce/Ce*比值为0.50～1.06,平均值为0.79)，可能与当时的海水相对缺氧有关。在氧化的海水中，Ce3+氧化成Ce4+，Ce4+相对不溶而被Fe-Mn的氢氧化物吸附发生沉淀(Masuzawa et al.,1989;Byrne et al.,1996)，从而造成海水中的Ce亏损。如果铁矿沉积时的海水氧化能力较弱, Ce3+未被氧化为Ce4+，则海水中Ce负异常很可能不出现或者出现Ce正异常(German et al.,1991)，这表明铁矿Ce的总体负异常显示当时的海水中确实存在一个缺氧的环境。

研究区样品Y/Ho比值的平均值为28.01(变化范围为23.94～37.60)，与球粒陨石、上地壳岩石和陆源沉积物的平均值相等。因此，研究区NIF是在特殊地质背景条件下和火山作用下有海底热液参与的海水化学沉积岩，成矿物质主要来源于海底火山物质和热液及少量的陆源碎屑沉积物。

4 新元古代冰期与“雪球”假说

地质学家认为在新元古代晚期地球上曾存在广泛而强烈的冰川作用，甚至赤道地区也被冰雪所覆盖, 致使地球变成了一个冰冻雪封的“雪球”(Snowball)，因而一些学者提出了关于新元古代冰川的“雪球”假说(Reading,1978)。笔者对研究区内有朝斯组出露的地段开展了大量的野外地质工作，发现实际野外地质现象验证了新元古代“雪球”假说，主要证据有如下4个方面。

(1) 广泛存在的冰水沉积物表明了冰川作用的存在。混积岩(图8a)呈灰红色，新鲜面灰绿色，含砾砂状结构，厚层状构造，角砾质量分数约为10%，磨圆度不好，角砾成分为白云岩和石英岩，最大可达15 cm，砂质主要为石英，铁质、泥质胶结。

(2) 朝斯组上覆地层Rasthof组帽碳酸盐岩(图8b)，有毫米级的纹层状构造，青灰色，新鲜面灰黑色，微晶结构，纹层状构造。纹层褶皱弯曲，厚1～2 mm，风化淋滤沟发育，含燧石团块。

(3) 发育良好的NIF条带铁建造。EPL4533中采集的富铁矿标本(图8c)新鲜面呈铁褐色、钢灰色，细粒结构，薄层状构造，主要由赤铁矿组成，成因为化学沉积。

(4) 下伏地层Ombombo亚群广泛出现藻类和大量的石灰岩(图8d)。 Ombombo亚群顶部发育叠层石构造，指示冰期前海洋藻类生物大量存在，表明了冰川期之前的有氧环境和活跃的生物作用。

5 矿床成因分析

纳米比亚北部出现的含铁建造矿床与前寒武纪新元古代的冰期直接相关，该类型的矿床是成冰期独特的全球性早期构造(地幔柱和早期板块构造)演化、水圈及大气圈组成与变化、地球早期生物活动综合影响的结果。根据前人的研究结果，结合对研究区朝斯组及其中的条带含铁建造的研究，认为该区沉积型铁矿的形成阶段如下(图9)。

图8 研究区内验证“雪球”假说的野外地质现象(a) 混积岩；(b)碳酸盐岩；(c)富铁矿标本；(d)藻类和石灰岩Fig.8 Field geological phenomena verifying "snowball" hypothesis in the study area(a) mixosedimentite; (b) carbonate rock; (c) iron-rich ore sample; (d) algae and limestone

图9 NIF成因设想图Fig.9 NIF genetic assumption

(1) 在840～745 Ma期间，由于罗迪尼亚超级大陆的裂解，纳米比亚西北部正处于卡拉哈里克拉通和刚果克拉通的边缘，发生了扩张作用，产生陆内盆地裂谷，在大陆边缘或者大陆内部裂谷火山活动增强，形成大量的由石英岩、长石砂岩、砾岩、局部的碱性熔结凝灰岩，伴有共生的次火山岩侵入体的Nosib群。在生物作用方面，新元古代开始出现形态多样的大型多细胞动物(Ediacaran)，裂解大大提高了生物初级产率，光合作用使大气中保持了较高的氧气含量。同时随着达马拉台地的抬升和剥蚀，硅酸盐岩开始沉积，新生的地层开始接受风化作用。

(2) 在745～740 Ma期间，由于低纬度超大陆的裂解，陆内裂谷盆地进行拉张，拉开盆地逐渐发育成边缘海，大陆内部与海水的距离缩短，雨水量也随之上升，化学风化作用增强。Nosib群铁镁质的基底由于风化作用及雨水作用的增强，导致铁和硅质向海洋迁移，同时洋中脊火山活动也在不断带来铁质，导致此时的海洋富含铁质。但由于此时大洋仍然处于富氧环境，使低价铁被氧化而沉淀，同时开始捕集空气中的CO2形成海相地层碳酸盐岩沉积，此地层即为北部台地(NP)和山前盆地中大量沉积的Otavi群。由于大气中大量的CO2被捕捉到海体进行封存，同时由于超大陆集中在赤道附近风化作用强烈，大陆活动边缘不断增加，超级地幔柱的活动带来的玄武岩省需要大量风化，导致大气中的CO2急剧减少，温室效应迅速减弱。

(3) 在740～730 Ma期间，温室效应减弱至可以使全球气候由“温室”转变为“冰室”的临界值，全球迅速转化成为一个冰封的地球，海平面下降，两极和赤道温差不大，没有了蒸发作用和风雨，也停止发生岩石化学风化作用。冰川作用期间，由于海洋完全被冰封，大洋和大气中的交换作用被阻隔，海水变化停滞而缺氧，生物大批量死亡，同时下沉的海中裂谷内断层处仍伴随着基性、碱性和MORB海底火山作用。由于缺少氧化环境的沉积和半封闭停滞海洋环境下Fe/S比值大于2 (Holland,1984)，在大洋中大量存在的低价铁在还原性的海水中不断积累，形成类似于“血瀑布”那样的富含铁质的陆内盆地海。同时大陆冰川对Nosib群石英质基底的刨蚀作用仍然会带来陆源硅铁质的元素迁移，使此时的海洋环境成为富含铁质的停滞海洋。

大洋在成冰期呈缺氧贫硫状态，海底热液和陆源输入的铁以Fe2+形式在海水中富集，冰期结束后Fe2+经过部分氧化(生物或者非生物氧化)而沉淀，形成NIF。

(4) 在730 ～720 Ma期间，处于司图特(Sturtian)冰期，冰川作用达到鼎盛，以朝斯这套地层序列底部的冰碛岩为证。由于火山喷发作用带来的CO2无法参与风化作用或者化学沉积作用，逐渐使大气中的CO2不断富集，温室效应增强。当温室效应超过冰室效应占据主导地位时，地球变暖，冰雪融化，在北部台地(NP)的南部及Outjo陆内海洋的前缘地带开始了冰川沉积，形成大量的冰川成因混积岩，角砾成分为下伏地层的花岗岩、石英砂岩、片麻岩和碳酸盐岩等，同时大气和海洋的交换作用重新出现，经上升流的推动，海水中富含的Fe2+被氧化为Fe3+而化学沉淀。铁矿主要由以下2种过程形成：一是海洋中二价铁溶液被氧化为三价铁溶液；二是三价铁溶液沉淀为三价铁的氧化物或氢氧化物。

6 结 论

朝斯组是纳米比亚中北部Otavi单元冰川沉积地层是全球新元古代铁建造的典型含矿层位，通过对朝斯组地层及其中含铁建造的地球化学研究，得到下列2个方面的主要认识。

(1) 通过对在纳米比亚北部出现的朝斯组的野外踏勘和钻孔岩性的研究，认为该区NIF有化学沉积成因和混合沉积成因2种类型，该区NIF更可能形成于半封闭停滞海洋盆地环境，是大洋热液和碎屑成分混合形成的，海水广泛地参与了反应。

(2) 通过总结前人关于“雪球地球”假想的相关证据，对研究区的朝斯组进行了特征研究，认为多重地质现象和地球化学数据有力地支撑了“雪球事件”的假想，认为NIF与冰川期一定条件下的裂谷作用形成海盆和热液组分有直接成因联系，该模式包含在雪球期的氧化还原环境多变的裂谷大洋、海底热液流体、大陆风化作用、海洋生物圈的变化、大气和海水的物质组分交换，最终导致氢氧化铁的沉积和含铁条带建造的沉积层序的形成。

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Characteristics and genesis of banded iron formation in the Neoproterozoic Chuos Formation in Damara belt of Namibia

CAO Han1,2,3, WU Changzhi1,2, LIU Yuanjun3, WANG Weiqing4, LEI Ruxiong5,6

(1. National Key Laboratory of Mineralization Mechanism Research on Endogenous Metal deposits, Nanjing 210046, Jiangsu, China； 2. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210046, Jiangsu, China； 3. East China Mineral Exploration and Development Bureau, Nanjing 210007, Jiangsu, China； 4. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China； 5. Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering Ministry of Education, Xi′an 710054, Shaanxi, China； 6. School of Earth Science and Resources, Chang′an University, Xi′an 710054, Shaanxi, China)

This work analyzed the stratigraphic features, tectonic history, textures and structures, mineral composition, formation environment and mineral genesis of the Chuos Formation sedimentary metamorphic type Banded Iron Formation (BIF) formed during glacial period of Neoproterozoic in the northern platform of Namibi, by studying the geotectonic setting, mineralogical, lithological and geochemical characteristics. Integrated with the evidence of ″snowball″ hypothesis, it is suggested the NIF in this region was closely related to the formation of sea basin caused by rifting during the glacial period and the composition of hydrothermal fluids. The combination of the changeable oxidation-reduction environment of ocean, seabed hydrothermal fluids, weathering of continent, changes of marine biosphere, material-exchanges between atmosphere and ocean, and other factors accounted for the formation of NIF.

Neoproterozoic ice period; Damara orogenic belt; Chuos Formation; banded iron formation; genesis of deposit; northern platform; Namibia

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.589

2016-04-25；

2016-06-10；编辑：陆李萍

国家自然科学基金项目(41302069),国土资源部国外矿产资源风险专项资金项目(201130B01000119)

曹晗(1985— ),男,工程师,硕士研究生，矿床学专业，主要从事矿产地质勘查工作,E-mail: maxh.chao@gmail.com

P611.2+2； P618.31

A

1674-3636(2016)04-0589-10