20多億年前的生命史詩，寫就世界上最重要的鐵礦類型_風聞
马氏体-2小时前
這塊紅黑色條紋相間的岩石是一種特殊的沉積岩——條帶狀鐵建造（Banded Iron Formations，BIF），採集於美國密歇根州，形成於21億年前（展出於法國里昂匯流博物館）。它不僅僅具有觀賞價值，還是世界上最重要的一類鐵礦的前體，更記錄着生物改造地球環境的史詩。
二三十億年來，藍細菌（藍藻）通過光合作用孜孜不倦地產生氧氣，但早期的地球大氣仍是缺氧的，因為絕大多數氧氣被富含還原性二價鐵的海洋所吸收。
早期的地殼較為薄弱，海底火山活動劇烈。海水沿着海底的裂隙下滲，被熾熱的岩漿加熱，成為以水為主、包含多種揮發份（CO2、H2S、HCl等）和礦物質的具有強烈化學活性的高温溶液——熱液（温度可達400℃，但在高壓下仍然保持液態）。大洋地殼主要由玄武質岩石構成（礦物組成為輝石和斜長石，是鐵鎂和鉀鈉的硅酸鹽），熱液從中溶解出大量Fe2+，隨着熱液的噴出而釋放到海水中。從陸地岩石中風化出的Fe2+亦被河流衝入海洋。
“蛟龍號”載人潛水器拍攝的印度洋海底高温熱液噴口。在大洋中脊處，熱液噴出，其中的金屬硫化物迅速析出，把噴流染成黑色，部分礦物質沉積在噴口周圍，形成聳立於海底的“煙囱”，因此這類熱液噴口被形象地成為“黑煙囱”。
在浮游生物和地球之力的拉鋸下，海洋的化學性質呈現出分層的狀態——表層因光合作用而呈氧化性，深層則因富含Fe2+而呈還原性。隨深層海水上升到海洋表層的Fe2+被氧化成Fe3+，又以Fe(OH)3的形式沉入海底，形成鐵質沉積層。Fe2+的氧化機制可能還有浮游生物的不產氧光合作用（不是從H2O中奪取電子產氧，而是從Fe2+奪取電子）、對Fe2+的代謝性氧化和紫外線對Fe2+的輻射氧化（當時沒有能夠吸收紫外線的臭氧層）。由於海底火山活動和海流上湧的間歇性，或海洋生物繁衍的間歇性（早期生物會被自身產生的氧氣毒害），一段時間後Fe(OH)3的沉積中斷；在鐵質沉積層形成之前或間歇期，來自海底火山熱液或大陸岩石風化的硅酸（H4SiO4）在海水中達到過飽和而大量沉積下來，形成硅質沉積層，如此交替往復。
鬆散的沉積物逐漸壓實成巖，Fe(OH)3和H4SiO4脱水結晶，分別轉變成赤鐵礦（Fe2O3）、磁鐵礦（Fe3O4）或菱鐵礦（FeCO3）及石英（SiO2）。在岩石的橫斷面上可以看到交替的鐵質和硅質層（鐵質層在自然狀態下為紅褐色，拋光後呈金屬般的銀黑色；硅質層顏色較淺，拋光後呈鮮亮的鐵鏽色，因為其中也含有少量赤鐵礦），每層厚度在毫米到釐米級，被稱為韻律層，又稱條帶狀構造，條帶狀鐵建造由此得名。
最早的條帶狀鐵建造形成於距今38億年前，在距今25億年前達到高峯，卻在18億年前幾乎戛然而止（從太古宙到古元古代）。這涉及到地球歷史上的一次重要事件——大氧化事件。
在約24億年前，隨着海洋中的Fe2+、大氣中的甲烷等還原性物質被大量地氧化消耗，氧氣終於能夠遊離出來，將大氣氧含量從幾乎為零提升到現代水平的1％～10％以上。海洋的氧化還原狀態與化學組成也發生了明顯變化，在含氧的海水中，Fe2+被迅速氧化為Fe3+而沉澱，鐵元素溶解度的降低抑制了鐵的遷移聚集（也有假説認為減弱的火山活動減少了Fe2+的供應），不再有大規模的條帶狀鐵建造形成。在距今六七億年前（新元古代），地球陷入多次大冰期中，海洋表面幾乎都被冰層覆蓋（“雪球地球”假説），海水重新變成缺氧狀態，又形成了一批條帶狀鐵建造。但隨着8億到5.4億年前大氣氧含量提升到接近現代的水平（新元古代氧化事件），距今6億年以來就幾乎不再形成條帶狀鐵建造了（除了某些局部缺氧的特殊海洋環境）。氧含量的提升也被認為是寒武紀生命大爆發（始於距今5.4億年前）的重要誘因之一，地球開始變成我們今天所熟悉的模樣。
藍細菌個體的力量是非常渺小的，但無數藍細菌在漫長的時光裏聚沙成塔，改變了地球的大氣組成，在20多億年前的地層中留下厚度達數百米、延伸範圍達幾十上百千米的條帶狀鐵建造。事實上，即便在今日地球上，藍細菌和其他各類海洋浮游生物仍然貢獻着約50%的氧氣產量。
對於我們人類來説，這些遺蹟也是最為重要的鐵礦資源來源。不過條帶狀鐵建造中氧化鐵大約只佔一半，鐵元素含量約30％左右，只能算貧鐵礦，還要經過變質作用才能轉變成富礦。這主要歸功於地下的熱液活動（由地下的岩漿活動引發），把硅質成分溶解去除，或把鐵質成分溶解後重新遷移富集，形成幾乎完全由氧化鐵構成的富鐵礦，品位可達60％以上。
這種鐵礦被稱為“沉積變質型鐵礦”，佔全球鐵礦總資源量的85％以上，尤其是澳大利亞和巴西擁有佔全球近一半的鐵礦石儲量。
我國的沉積變質型鐵礦以遼冀地區（遼寧鞍山-本溪、河北冀東）為代表，如鞍山齊大山鐵礦、遼陽弓長嶺鐵礦等，鞍鋼就是依託遼寧豐富的鐵礦資源建立的，在山西呂梁、河南舞陽、海南石碌等地也有此類鐵礦資源。
遼冀地區位於華北克拉通（North China Craton，涵蓋華北、東北東南部、鄂爾多斯和阿拉善地區以及朝鮮半島）東北部。克拉通是大陸的古老而穩定的核心，岩石圈（地殼和上地幔頂部的堅硬部分）厚度可達200千米，開始形成於30多億年前，在20多億年前進入穩定狀態，幾乎不受最近5億年的大陸會聚和分裂過程的影響。克拉通上往往沉積有條帶狀鐵建造，藴含豐富的鐵礦，典型如澳大利亞、巴西、俄羅斯、美國、加拿大等。然而我國在地質歷史上地質運動活躍，不利於條帶狀鐵建造大量形成和保存，因此缺少大型、優質的沉積變質型鐵礦。
另外，我國的鐵礦平均品位只有35%左右，低於45%的全球平均水平，開發利用成本較高。儘管我國鐵礦石總量不少，但與我國10億噸級的鋼產量相比，仍然是缺鐵礦的國家，鐵礦石進口依存度近80%。
塞翁失馬，活躍的岩漿活動也造就了一大批鐵礦（矽卡巖型、火山岩型、岩漿型），如長江中下游和華北中、東部的矽卡巖型富鐵礦（岩漿侵入碳酸鹽巖形成），稀土儲量世界第一、還伴生有大量鈮資源的內蒙古白雲鄂博鐵礦，鈦儲量世界第一、釩儲量世界第三的四川攀枝花釩鈦磁鐵礦，釩鈦儲量居中國第二位的河北承德釩鈦磁鐵礦等，具有極高的經濟和戰略價值。
從鐵礦石到鋼材的全過程，請看合集：
雖無球差校正眼，但懷掃描透射心
從一閃而過的熒屏畫面中解析工業生產流程
破解材料密碼，見證中國科技進步
做一個比鐵還硬、比鋼還強的工業黨
歡迎關注個人微信公眾號“材聞窗外事”
參考資料：
李厚民,李延河,李立興,等. 沉積變質型鐵礦成礦條件及富鐵礦形成機制. 地質學報,2022,96(9):3211-3233.
李旭平,陳妍蓉. 淺談前寒武紀條帶狀鐵建造的沉積-變質成礦過程. 岩石學報,2021,37(1):253-268.
楊秀清,毛景文,張作衡,等. 條帶狀鐵建造:特徵、成因及其對地球環境的制約. 礦牀地質,2020,39(4):697-727.
張招崇,李厚民,李建威,等. 我國鐵礦成礦背景與富鐵礦成礦機制. 中國科學（地球科學）,2021,51(6):827-852.
美國地質調查局. Mineral Commodity Summaries 2024.