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第四篇、大氧化事件 上文書說到了太古宙的一些事情，無非就是大陸繼續(xù)生長和大氣的一些變化。到了25億年的時(shí)候，大陸的主體已經(jīng)生長完成了，套用某人的話，以后地球的工作就是對大陸進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)了，已經(jīng)沒有太大的工作可做了。但是，這段話做的論斷很快就被推翻了，兩朵烏云分別是板塊構(gòu)造與超大陸，以及大陸的破壞和減薄。當(dāng)然，這是后話，此處按下不表。 接下來，就是元古宙（25~5.4億年）了，這占了地球歷史的近四分之一。這20億年又被分為三段：古元古代、中元古代和新元古代。 這段時(shí)間發(fā)生了很多的大事。比如，鐵礦，世界上大部分的鐵礦都是這個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物，真核生物以及多細(xì)胞生物、軟體生物和藻類進(jìn)一步發(fā)展，留下了很多化石記錄，大氣開始充氧，板塊構(gòu)造可能就開啟于這個(gè)時(shí)代，以及雪球事件等。咱們一件一件的慢慢說吧。  產(chǎn)于北京房山八角寨剖面中元古界（注1）下馬嶺組的疊層石 大氧化事件 25億年以后，地球進(jìn)入了所謂的“構(gòu)造靜寂期”，也就是說這段時(shí)間地球的構(gòu)造活動強(qiáng)度相對較低，沒有明顯的記錄。但是，這個(gè)時(shí)候的大氣卻發(fā)生了革命性的變化：他開始充氧了！在24億年之前，大氣中的氧含量不足現(xiàn)今水平的0.001%，大氧化事件之后，大氣中的氧氣含量上升至現(xiàn)今水平的約1%以上[1]。 然后找點(diǎn)證據(jù)，比如說：非常容易氧化的礦物，如菱鐵礦（FeCO3）、瀝青鈾礦（UO2）和黃鐵礦（FeS2）等，大量出現(xiàn)在地表環(huán)境下形成的沉積巖中[2]，但在大氧化事件后逐漸消失；沉積物中的硫、碳同位素等組成特征明顯發(fā)生變化，指示氧氣含量增加[3]；條帶狀鐵建造的出現(xiàn)，這個(gè)在下面還會有介紹；古土壤的變化[4]（見2）等。 為什么會有這些變化呢？這就要從那時(shí)候的細(xì)菌活動開始說起了。 其實(shí)，在地學(xué)界一直有一個(gè)爭論，到底是地球環(huán)境控制了生命的發(fā)展，還是生命通過改造環(huán)境來為自己營造更好的生存條件。地球上，生命從無到有，從單一到繁多，基本上每一步都有烙有生命的痕跡。毫無疑問的是，沒有生命，地球不可能有今天的五彩斑斕，生命與環(huán)境的協(xié)同演化才造就了今天的藍(lán)色星球。在25億年之交（應(yīng)該是之前），小小的細(xì)菌正在悄悄而又深刻地改變地球。 言歸正傳。在太古代，根據(jù)化石記錄和地質(zhì)資料，推斷可能就已經(jīng)有了光合作用[5]。比如在第三篇中提到的，在32億年以后，大氣的含氧量有一個(gè)小幅度的提升，可能就是光合細(xì)菌的作用[6]。在25億年以前，光合細(xì)菌可能一直存在，但是產(chǎn)生的氧氣被其他作用抵消掉，并沒有徹底改變大氣成分。到了24億年，光合細(xì)菌的產(chǎn)生的氧氣慢慢地積累，到了18億年的時(shí)候，大氣中氧氣的量可能已經(jīng)達(dá)到了現(xiàn)在水平的1%~2%。  現(xiàn)代海洋中的一些海洋造氧微生物 大氣充氧事件可以說是地球演化史（以及生命史）上的一個(gè)重大事件，它改變了地表的氧化還原環(huán)境，使地球走上了不同于其他類地行星的演化道路。這以后，地球上的生命逐步的發(fā)展，真核生物漸漸繁盛，多細(xì)胞生物出現(xiàn)并發(fā)展，原始的藻類出現(xiàn)并繁盛。生物和地球相互作用，一步步的改變著這個(gè)有生命的世界，形成了這個(gè)五彩斑斕的星球。 雪球事件和成鐵紀(jì) 第三篇中提到，早期的地球需要溫室氣體來為自己“保溫”，并且游離氧含量很低，可以保證大氣（和海洋）的化學(xué)條件呈還原態(tài)?？墒墙?jīng)歷了大氧化事件的地球大氣，溫室氣體（主要是二氧化碳、甲烷）含量已經(jīng)大大降低，并且變成了氧化態(tài)，這直接導(dǎo)致了兩個(gè)后果：雪球事件（Snowball earth）和條帶狀鐵建造（Banded Iron formation，BIF）的沉積。 目前有報(bào)道的最早的一個(gè)冰期是中太古代冰期。上一篇中提到在29億年左右大氣中的氧氣有一個(gè)小幅度的上升，這可能導(dǎo)致了那次冰期事件[7]。但是，這次冰期事件的證據(jù)較少，認(rèn)可度比較低。古元古代的大冰期是地球上第一個(gè)有確切地質(zhì)記錄的全球性冰期。如上文所說，大氧化事件以后，大氣的氧氣含量增高，相應(yīng)的溫室氣體（二氧化碳和甲烷）的含量迅速下降，這樣地球就失去了保溫層，導(dǎo)致了地表溫度迅速降低至0℃一下，地球變成了一個(gè)冰封的世界。在新元古代（約10~5.4億年）的時(shí)候，地球還有一次更大的冰期，我們將會在那里比較詳細(xì)的討論，此處暫且略過。 另一個(gè)非常重要的時(shí)間就是，這段時(shí)間形成了地球上最重要的鐵礦，地質(zhì)學(xué)家給它起了一個(gè)名字：條帶狀鐵建造（BandedIron Formation，BIF）。這是一種沉積型的鐵礦床，也就是說BIF是一種沉積巖，主要成分是磁鐵礦（Fe3O4）。 條帶狀鐵建造，顧名思義，就是呈條帶狀，延展很遠(yuǎn)。一般和硅質(zhì)（SiO2）巖石（或碳酸鹽巖石）相間。磁鐵礦在未被氧化的時(shí)候，呈黑色或暗灰色；如果暴漏在空氣中而被氧化，則呈極其艷麗的紅色（因?yàn)槿齼r(jià)鐵離子呈紅色），非常漂亮。  條帶狀鐵建造的野外露頭。一般，鐵礦層和硅質(zhì)層（或碳酸鹽層）相間分布，橫截面上呈條帶狀。圖片來自rochester.edu
 紅色部分就是表面被氧化的BIF 來自lsu.edu
 條帶狀鐵建造的野外露頭。這種鐵礦的規(guī)?？梢院艽?，厚度可達(dá)幾百米，延展范圍可達(dá)幾十公里。 圖片來自falw.vu 上面提到，在太古宙的時(shí)候大氣（以及海洋）是缺氧的。這個(gè)時(shí)候地球上的鐵離子主要以二價(jià)形式存在。二價(jià)鐵離子的溶解度較高，海洋中有較大濃度的鐵離子，那時(shí)候的海洋可能呈綠色（二價(jià)鐵離子的顏色）。隨著造氧細(xì)菌的活動，大氣和海洋逐漸充氧，由還原態(tài)變成了氧化態(tài)，這也導(dǎo)致了海洋中的二價(jià)鐵離子氧化成了三價(jià)，沉淀了下來，就成為了沉積鐵礦床了。 地質(zhì)歷史中，25~23億年這一段被稱為成鐵紀(jì)，就是因?yàn)檫@段時(shí)間BIF礦大量產(chǎn)生。BIF最早出現(xiàn)在38億年，早期的產(chǎn)出量一直比較少。但到了太古宙末期開始增多，并在25億年達(dá)到高峰期，并在18億年結(jié)束[8]。在7億年的時(shí)候，BIF再次出現(xiàn)。而到了顯生宙（5.4億年以后），這種類型的鐵礦就再也沒有出現(xiàn)過。7億年的這個(gè)BIF產(chǎn)出高峰的原因會在后面的章節(jié)中討論。 BIF中鐵含量一般要大于15%，高的可達(dá)60%~70%。這是世界上最重要的鐵礦床種類之一，世界上的大部分大型鐵礦都屬于此類。如澳大利亞、加拿大、南非等的鐵礦。  世界上主要的BIF型鐵礦的產(chǎn)地級儲量。圓圈大小代表儲量，越大表示儲量越大；顏色代表年代。紅色是新元古代（10~5.4億年），綠色是中元古代（16~10億年），藍(lán)色是古元古代中、晚階段（約23~25億年），黃色是古元古代早期以及新太古代（約28~25億年）。[9] 中國這種類型的鐵礦床不僅儲量少，而且品位低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國的BIF鐵礦中，品位為24%～36%者占94.82%[10]，而國外的鐵礦品位大多大于50%。也就是說中國的鐵礦放老外那，人家都不愿意開采呀。而且，中國的鐵礦大都形成于這個(gè)時(shí)代，集中于華北，就是因?yàn)槿A北是中國最古老的地塊，在太古代的早期相對比較穩(wěn)定（和華南、塔里木比起來），所以才形成了一些BIF型的鐵礦。但是，和世界上其他地塊（比如加拿大、澳大利亞、南非等）比起來，這個(gè)時(shí)候的華北的穩(wěn)定性又相對較差，這個(gè)時(shí)代的鐵礦又遠(yuǎn)不如其他地區(qū)大。
注1：傳統(tǒng)上把下馬陵組分為新元古界，但是現(xiàn)在在下馬陵組里面發(fā)現(xiàn)了14億年的侵入巖脈，對它的歸屬就要重新討論了。這里暫且歸為中元古界。
[1] PavlovA.A. & Kasting J.F.；2002；Mass-independent fractionation ofsulfur isotopes in Archean sediments: Strong evidence for an anoxic Archeanatmosphere；Astrobiology（2）27–
預(yù)備篇：地球的圈層結(jié)構(gòu) |
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