蓝星编年史：大氧化时代的降临

第四篇、大氧化事件

上文书说到了太古宙的一些事情，无非就是大陆继续生长和大气的一些变化。到了25亿年的时候，大陆的主体已经生长完成了，套用某人的话，以后地球的工作就是对大陆进行修修补补了，已经没有太大的工作可做了。但是，这段话做的论断很快就被推翻了，两朵乌云分别是板块构造与超大陆，以及大陆的破坏和减薄。当然，这是后话，此处按下不表。
PS：好吧，其实这一段是我杜撰的，毫无依据，只为博看官一笑。

接下来，就是元古宙（25~5.4亿年）了，这占了地球历史的近四分之一。这20亿年又被分为三段：古元古代、中元古代和新元古代。

这段时间发生了很多的大事。比如，铁矿，世界上大部分的铁矿都是这个时代的产物，真核生物以及多细胞生物、软体生物和藻类进一步发展，留下了很多化石记录，大气开始充氧，板块构造可能就开启于这个时代，以及雪球事件等。咱们一件一件的慢慢说吧。

产于北京房山八角寨剖面中元古界（注1）下马岭组的叠层石

大氧化事件

25亿年以后，地球进入了所谓的“构造静寂期”，也就是说这段时间地球的构造活动强度相对较低，没有明显的记录。但是，这个时候的大气却发生了革命性的变化：他开始充氧了！在24亿年之前，大气中的氧含量不足现今水平的0.001%，大氧化事件之后，大气中的氧气含量上升至现今水平的约1%以上[1]。

然后找点证据，比如说：非常容易氧化的矿物，如菱铁矿（FeCO3）、沥青铀矿（UO2）和黄铁矿（FeS2）等，大量出现在地表环境下形成的沉积岩中[2]，但在大氧化事件后逐渐消失；沉积物中的硫、碳同位素等组成特征明显发生变化，指示氧气含量增加[3]；条带状铁建造的出现，这个在下面还会有介绍；古土壤的变化[4]（见2）等。

为什么会有这些变化呢？这就要从那时候的细菌活动开始说起了。

其实，在地学界一直有一个争论，到底是地球环境控制了生命的发展，还是生命通过改造环境来为自己营造更好的生存条件。地球上，生命从无到有，从单一到繁多，基本上每一步都有烙有生命的痕迹。毫无疑问的是，没有生命，地球不可能有今天的五彩斑斓，生命与环境的协同演化才造就了今天的蓝色星球。在25亿年之交（应该是之前），小小的细菌正在悄悄而又深刻地改变地球。

言归正传。在太古代，根据化石记录和地质资料，推断可能就已经有了光合作用[5]。比如在第三篇中提到的，在32亿年以后，大气的含氧量有一个小幅度的提升，可能就是光合细菌的作用[6]。在25亿年以前，光合细菌可能一直存在，但是产生的氧气被其他作用抵消掉，并没有彻底改变大气成分。到了24亿年，光合细菌的产生的氧气慢慢地积累，到了18亿年的时候，大气中氧气的量可能已经达到了现在水平的1%~2%。

现代海洋中的一些海洋造氧微生物

大气充氧事件可以说是地球演化史（以及生命史）上的一个重大事件，它改变了地表的氧化还原环境，使地球走上了不同于其他类地行星的演化道路。这以后，地球上的生命逐步的发展，真核生物渐渐繁盛，多细胞生物出现并发展，原始的藻类出现并繁盛。生物和地球相互作用，一步步的改变着这个有生命的世界，形成了这个五彩斑斓的星球。

雪球事件和成铁纪

第三篇中提到，早期的地球需要温室气体来为自己“保温”，并且游离氧含量很低，可以保证大气（和海洋）的化学条件呈还原态。可是经历了大氧化事件的地球大气，温室气体（主要是二氧化碳、甲烷）含量已经大大降低，并且变成了氧化态，这直接导致了两个后果：雪球事件（Snowball earth）和条带状铁建造（Banded Iron formation，BIF）的沉积。

目前有报道的最早的一个冰期是中太古代冰期。上一篇中提到在29亿年左右大气中的氧气有一个小幅度的上升，这可能导致了那次冰期事件[7]。但是，这次冰期事件的证据较少，认可度比较低。古元古代的大冰期是地球上第一个有确切地质记录的全球性冰期。如上文所说，大氧化事件以后，大气的氧气含量增高，相应的温室气体（二氧化碳和甲烷）的含量迅速下降，这样地球就失去了保温层，导致了地表温度迅速降低至0℃一下，地球变成了一个冰封的世界。在新元古代（约10~5.4亿年）的时候，地球还有一次更大的冰期，我们将会在那里比较详细的讨论，此处暂且略过。

另一个非常重要的时间就是，这段时间形成了地球上最重要的铁矿，地质学家给它起了一个名字：条带状铁建造（BandedIron Formation，BIF）。这是一种沉积型的铁矿床，也就是说BIF是一种沉积岩，主要成分是磁铁矿（Fe3O4）。

条带状铁建造，顾名思义，就是呈条带状，延展很远。一般和硅质（SiO2）岩石（或碳酸盐岩石）相间。磁铁矿在未被氧化的时候，呈黑色或暗灰色；如果暴漏在空气中而被氧化，则呈极其艳丽的红色（因为三价铁离子呈红色），非常漂亮。

条带状铁建造的野外露头。一般，铁矿层和硅质层（或碳酸盐层）相间分布，横截面上呈条带状。图片来自rochester.edu

 

红色部分就是表面被氧化的BIF 来自lsu.edu

 

条带状铁建造的野外露头。这种铁矿的规模可以很大，厚度可达几百米，延展范围可达几十公里。 图片来自falw.vu

上面提到，在太古宙的时候大气（以及海洋）是缺氧的。这个时候地球上的铁离子主要以二价形式存在。二价铁离子的溶解度较高，海洋中有较大浓度的铁离子，那时候的海洋可能呈绿色（二价铁离子的颜色）。随着造氧细菌的活动，大气和海洋逐渐充氧，由还原态变成了氧化态，这也导致了海洋中的二价铁离子氧化成了三价，沉淀了下来，就成为了沉积铁矿床了。

地质历史中，25~23亿年这一段被称为成铁纪，就是因为这段时间BIF矿大量产生。BIF最早出现在38亿年，早期的产出量一直比较少。但到了太古宙末期开始增多，并在25亿年达到高峰期，并在18亿年结束[8]。在7亿年的时候，BIF再次出现。而到了显生宙（5.4亿年以后），这种类型的铁矿就再也没有出现过。7亿年的这个BIF产出高峰的原因会在后面的章节中讨论。

BIF中铁含量一般要大于15%，高的可达60%~70%。这是世界上最重要的铁矿床种类之一，世界上的大部分大型铁矿都属于此类。如澳大利亚、加拿大、南非等的铁矿。

世界上主要的BIF型铁矿的产地级储量。圆圈大小代表储量，越大表示储量越大；颜色代表年代。红色是新元古代（10~5.4亿年），绿色是中元古代（16~10亿年），蓝色是古元古代中、晚阶段（约23~25亿年），黄色是古元古代早期以及新太古代（约28~25亿年）。[9]

中国这种类型的铁矿床不仅储量少，而且品位低。据统计，中国的BIF铁矿中，品位为24%～36%者占94.82%[10]，而国外的铁矿品位大多大于50%。也就是说中国的铁矿放老外那，人家都不愿意开采呀。而且，中国的铁矿大都形成于这个时代，集中于华北，就是因为华北是中国最古老的地块，在太古代的早期相对比较稳定（和华南、塔里木比起来），所以才形成了一些BIF型的铁矿。但是，和世界上其他地块（比如加拿大、澳大利亚、南非等）比起来，这个时候的华北的稳定性又相对较差，这个时代的铁矿又远不如其他地区大。

 

注1：传统上把下马陵组分为新元古界，但是现在在下马陵组里面发现了14亿年的侵入岩脉，对它的归属就要重新讨论了。这里暂且归为中元古界。
注2：可以以铁离子为例说明。因为二价铁离子较易溶于水，而三价铁离子难溶于水。所以，25亿年之前大气缺氧，地表呈还原环境，土壤中铁以二价离子的形式存在，因雨水冲刷等大量流失。而大气充氧以后，地表的铁离子为三价，不易随雨水流失，多保留在土壤中。世界上很多大型铁矿就是发育在古土壤（故风化壳）中。岩石中的很多元素都在不同的氧化还原条件下活动性是可以变化，有时易于流失，有时不易流失。可以用不同元素在古土壤中的保存状态来研究当时大气的氧化还原状态，即氧气的含量。

参考：

[1] PavlovA.A. & Kasting J.F.；2002；Mass-independent fractionation ofsulfur isotopes in Archean sediments: Strong evidence for an anoxic Archeanatmosphere；Astrobiology（2）27–
41
[2]Sverjensky D.A. & Lee N. ；2010；The great oxidation event andmineral diversification ；Elements（6）31-36
[3] Guoet.al.；2009；Reconstructing Earth's surfaceoxidation across the Archean-Proterozoic transition；Geology（37）399-402
[4] RyeR. & Holland H. D.；1998；Paleosolsand the evolution of atmospheric oxygen：acritical review；AmericanJournal of Scienec（298）621-672
[5]Marais D.J. ；2000；When did photosynthesis emerge onEarth?；Science（289）1703--1705
[6] Ono S. et.al.；2006；Early evolutionof atmosphericoxygen from multiple-sulfur and carbon isotope records of the2.9 Ga MozaanGroup of the Pongola Supergroup, Southern Africa；South African Journal of Geology（109）97-108
[7] Young et.al.；1998；Earth's oldest reportedglaciation: physical and chemical evidence from the Archean Mozaan Group (~2.9Ga) of South Africa；TheJournal of geology（106）523-538
[8] 赵振华；2010；条带状铁建造与与地球大氧化事件；地学前缘（17）1-12
[9] BekkerA. et.al.；2010；Iron formation: the sedimentaryproduct of a complex interplay among mantle, tectonic, oceanic, and biosphericprocesses}；Economic Geology（105）467-508
[10] 汪国栋 等；2001；铁矿储量一品位统计分布及其地质意义；地质找矿论丛（16）99-103

未完待续。。。求拍砖

预备篇：地球的圈层结构
第一篇链接：地球，你从哪里来？
第二篇链接：地壳的形成以及早期地壳物质
第三篇链接：太古宙地壳的生长和早期大气
第五篇链接：天下大势