是地球上早期生命导致前寒武纪硅铁建造的形成吗？
一般认为，地球上的生命可能在38亿年前海洋刚形成之后就开始了[1]，随后，微生物生命进化出了可以分解水的光合作用而将氧气作为废气释放到海洋中[2]， 这些 氧气与海水中溶解的铁反应而导致铁的氧化物的沉积。
图1 叠层石是最古老的生物化石记录，表明在35亿年前地球上已经有生命的存在
在地球上形成这种大规模的建造始于35亿年前 (图1)，在18亿年前由于大气氧的增加和海洋的趋于氧化而急剧减少。硅铁建造在全球都有分布。在南非和津巴布韦有最老的硅铁建造；在澳大利亚则有最大规模的硅铁建造，在中国的华北地区也有大规模的硅铁建造分布。 硅铁建造的形成是已知沉积地质学和地球演化理论中最具争议的 ，但现在越来越多的地质学家和生物学家认为该过程记录了地球上刚形成的微生物生命所形成的生物圈与其所处地质圈层之间的相互作用。条带状铁建造给我们现在全球的钢铁工业提供了95%的铁矿资源。关于这些条带状硅铁建造仍有许多难解之谜，比如：① 它的沉积从什么时候开始的？② 是什么地质过程为它的沉积提供了巨大的铁源，并通过什么样的机制将铁输运到海洋之中？③ 海洋中溶解的铁通过什么样的机制沉积下来的？也许最重要的问题是：④ 在它沉积的过程中对海洋的化学产生了什么样的改变？在这个漫长的过程中已经充满海洋的微生物世界又发生了什么？这些都是自从发现条带状铁建造以来地质学家们一直思索的问题[3]。
图2 前寒武纪硅铁建造的硅质和铁质条带记录了当时大气、海洋和生物的信息
条带状硅铁建造的特征是以富铁的和富硅的薄厚不等的互层建造 (图2)[4]。这种成分迥异的组成在任何露头上均可看到，细的条带只有近毫米而厚的条带则达到米以上尺度[5]。这些铁的沉积被称为前寒武纪硅铁建造。其含铁量一般在15%以上，一般会在25%~35%。沉积的赤铁矿或磁铁矿一般会与燧石或铁硅酸盐-铁碳酸盐互层。即使在显微尺度上，富铁条带与富硅条带的边界仍是很清晰的。在35亿年前的海洋和大气中几乎没有氧气，由于Fe2+相比较于Fe3+在水中有较高的溶解度，海洋中积累了巨量的Fe2+。虽然多数人认为厌氧光合细菌对太古宙海洋中铁的氧化起很大作用，但争议仍然存在[6, 7]。 如果不考虑反应效率的问题，有三种可能的反应机制可以氧化海洋中的Fe2+ （图3）：① 被大气中的氧气所氧化；② 被紫外线照射引起的无机光化学过程氧化；③ 氧化 Fe3+作为生命光合作用的副产品。其中第一种可能性可以排除，因为即使很低的大气氧浓度也足以抑制在较长的地质时间尺度上Fe2+的供应和积累。比如现代海洋的全球均一化时间大约在千年尺度，如果大气中有游离的氧的话，会很快被Fe2+消耗完。但 事实上在元古代有大量的铁建造沉积说明那时大气中游离氧浓度是很低的。
图3 硅铁建造的三种成因模式
（a）蓝细菌经光合作用产生氧气释放到水体中氧化海底热液释放的二价铁离子；(b) 紫外线照射促使表层海水二价铁氧化；(c) 二价铁作为电子供体直接参与光合作用过程，其结果是是产生三价铁而不产生氧气[12]（新增配图）
现在已有足够的证据证明元古代早期的叠层石中的微生物是可以还原大气中的CO2的，并且其还原CO2过程需要一定的光能但不是必须有氧参与的二步光合作用机制。虽然仍旧没有确凿的证据表明光合作用是什么时候开始的，但在世界各地的古老地层，如太古代地层中普遍观察到 叠层石 是公认的蓝-绿细菌存在的证据[8]，这种细菌在厌氧的条件下进行光合作用，其副作用是产生氧气。在大约27亿年前晚太古代的海洋逐渐形成紫菌繁盛的局面[9]，它与早期大气氧的积累有联系。在随后的近10亿年中，紫菌的进一步繁盛把大气氧的浓度提高到现在大气氧浓度的1/4左右（图4）。紫菌在这段漫长时期的繁盛一方面是由于其光合作用的能量过程具有优势，另一方面它所产生的氧气对大部分的厌氧微生物是有毒的。真核细胞在距今18亿年的时候产生，又经过了6亿~8亿年的时间光合作用的功能终于出现在真核细胞之中。之后蓝藻的出现和繁盛进一步把大气氧的浓度进一步提高现在的水平[10]。而蓝藻的后代-植物则在5亿年前后出现，将地球表面装点成我们现在所熟悉的景观。地壳中的铁溶解到海洋中，再经复杂的地球化学和生物学过程而沉积。 正是这种过程在地球早期的海洋中至少持续了17亿年，并给地球表层的矿物学、地球化学特征，水圈和生物圈的演化带来了深刻的变化。
图4 大气圈氧含量、沉积物与海洋生物演化示意图[13]（新增配图）
由于那时大陆仍处于形成和增长阶段，全球的表面更多地被海洋所覆盖，因此铁的沉积也基本上是全球性质的。在澳大利亚哈莫斯利省的一个叫布罗克曼铁建造是一个大约10万km2的盆地，其中现在仍有铁的沉积就超过50万亿t，而全球表面的沉积则至少有500万亿t的铁[11]。到大约距今17亿~18亿年的时候，氧气越聚越多，在将海洋中溶解的Fe2+消耗殆尽之后聚集在大气中。在海洋和大气中存在的氧气也引起了地球上最早的生物大灾难。大量的在地球海洋中已经繁衍和演化了将近20亿年的厌氧生物因氧气破坏了其呼吸作用所必需的电子转移过程而灭绝。但另一方面，由于生物开始适应有氧呼吸而逐渐拥有一个更有效地使用能量的生化机制，从而大大地加快了生物的演化。 多细胞生命、藻类和原生动物生命随后接踵而至，最终导致了寒武纪的“生命大爆发”，揭开生命演化最绚丽多彩的一页。
撰稿人：李一良，香港大学地球科学系和生命科学学院, yiliang@hku.hk
本文摘录自《10000个科学难题·地学科学卷》，科学出版社，2010.
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答：区内早前寒武纪变质岩系中普遍分布着条带状含铁建造(BIF),这些条带状含铁建造具有一定的层位,分布也...新太古代硅铁建造及其中的变质沉积型铁矿床是泰山岩群的一个组成部分,其与泰山岩群的形成演化过程是一致...据曹国权等研究(1996),泰山岩群是发育在早期陆壳固结以后的稳定陆块上滨海-浅海环境的火山-碎屑沉积...
答：在大地构造上,本区处于华北克拉通北缘的隆起区(内蒙古地轴东部),因此广泛发育早前寒武纪变质地层,特别是太古宙变质地层在本区发育齐全,包括古太古代、中太古代和新太古代各时代的地层,也有古元古代的地层。有意义的是,在上述不同时代的早前寒武纪地层中,均产有不同规模的条带状硅铁建造(铁矿床),如迁西岩群(水厂...
答：特别是在是早前寒武纪的硅铁建造、含磁黄铁矿的多金属矿体和其他含磁性矿物的矿化体体引起的异常,可以为矿产预测提供信息。 3.化探资料在变质岩区编图中的应用 化探成果圈定出的多种元素的地球化学异常,配合物探提供的深部构造信息及地面地质调查资料,进行综合信息找矿取得了可喜的成果。区域化探成果是地球化学场的...
答：50亿年前，没有太阳，有一原始星云，内有氢原子氦原子，还有少许别的死亡恒星留下的重原子如硅铁碳等。在某一天，远处某超新星爆炸，冲击波带来更多的重原子和引起星云躁动旋转收缩，星云大部分成了太阳，小部分成了八大行星及各小行星、卫星、彗星。地球及各类地行星、卫星就主要由重原子组成，氢氦就...
答：金牛岭群下亚群主要为千枚岩、板岩，地层Pb-Pb等时线年龄为1329Ma，上亚群主要为石英绢云母片岩、黄色粉砂岩。金牛岭群之上为石碌群，其下部为粗粒石英岩，上部为片岩、板岩、条带状硅质岩，有铁矿层，顶部为砂岩和粉砂岩。海南岛前寒武纪基底变质岩时代与云开地区相当，硅铁建造层位可以对比（808Ma，...
答：一、我国鞍山式铁矿基本特征 1.主要控矿构造 我国的沉积变质型铁矿集中分布于早前寒武纪古陆核边缘部位，成矿构造环境为若干规模不等的裂陷盆地。其早期多处于张性环境，有一定规模的基性火山喷发；晚期趋于稳定，有一定规模的海相沉积，并伴有相应的成矿作用。成矿作用受古陆核或古陆块之间古火山－沉积...
答：建平地区的早前寒武纪地层建造较复杂,时代从古太古代到古元古代都有分布,划分方案多,本书主要采用《华北陆块主要成矿区带成矿规律和找矿方向》(李俊建等,2006)和《辽宁省区域地质志》(辽宁省地质矿产局,1989)的划分方案,早前寒武纪地层主要有迁西群和建平群。 建平群:属于新太古界,为变质火山-沉积建造,由变...
答：二、地球的少年时期 从距今30亿年左右到5.7亿年这段时间,地球进入了少年时期,也就是前古生代时期。虽然这个时期延续时间十分漫长,大气、水、生物圈也都有很大发展,可是生物界的进化却很缓慢,直到前古生代末期,地球上也还只是有菌类、藻类和一些低等原生动物、腕足类动物等。这跟寒武纪以后生物界突飞猛进的发展情况...
答：这类矿床受变质前的原矿石建造是沉积铁矿床,且大多为火山沉积铁矿床,经受区域变质作用和混合岩化作用变质后,形成了磁铁石英岩型矿床和与之相伴的富铁矿床。 这类矿床绝大多数产于前寒武纪变质岩系中,在全球古老陆台变质基底中几乎都有出露,以其分布面积广,储量巨大而著称。含矿带长达数十公里至数百公里,面积...
答：见少量含黄铁矿星点的石英岩及大理岩,在北纬34°“Abbottabad”附近,有低变质板岩及弱变形泥岩、板岩(白沙瓦附近)K-Ar年龄(534±14)Ma(Kempe,1978),Abbottabad北部,板岩中有大的斑状堇青石花岗岩侵入,其中重要的Mansehra花岗岩Rb-Sr年龄(516±16)Ma(Le Fort等,1980),属沿喜马拉雅山南坡延伸的一个寒武纪花岗岩带。
