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。
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參考資料:
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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.
