那片被遗忘的浅绿色的海
徐洪河
科学大院
2017-07-28
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徐洪河 （中国科学院南京地质古生物研究所）
编者按
海洋与矿石，人们平时很难把它们联想到一起。不过，在地质历史上，它们二者却有着不可分割的联系。下文中提到的铁矿石看上去其貌不扬，却见证了沧海桑田的地球历史，见证了曾经浅绿色的海洋。下面，就让我们跟着作者的脚步，去看看地球曾经的神奇之处。
巨大的露天矿坑常常带给人莫名的震撼感，甚至令人产生些许骄傲。图1 当今世界上最大的人类挖掘矿坑—美国犹他州宾汉姆峡谷铜矿坑（图片由徐洪河提供）
露天矿坑作为一种人造景观，的确是令人印象深刻的旅游景点。硕大的坑洞中层层叠叠的岩石被剖开，一览无余，这的确不失为一种独特的视觉体验。
其实，作为地球表层的地壳，平均厚度有17千米，矿坑再大也无法洞穿地球，而如果想窥探到地球深处的奥秘，仅凭挖掘更是杯水车薪。
不过，通过各种矿石，却能让我们一窥数十亿年前的地球。
我曾经去露天铁矿查看铁矿的开采，从他们废弃的矿山上，我捡了一块铁矿石作为岩石标本来珍藏。铁矿石表面呈黑红相间的条带状，很重，小小的一块拿在手上就让人觉得沉甸甸的。
乍看之下，铁矿石并无可爱之处，我喜欢它，是因为它深褐色的表象下尘封着一段沧海桑田的地球历史，它见证了曾经浅绿色的海洋。
全球分布的条带状铁矿
世界各地都分布有含铁量丰富的铁矿，一些较大型的分布区域有：西伯利亚—蒙古—中国华北一带，北美洲的美国和加拿大，澳大利亚等等。图2 澳大利亚西部的条带状铁矿建造（图片来自Wikipedia）
这些矿区含铁最丰富的铁矿石具有相似的地质背景，它们大多是在距今24亿—19亿年前所形成的。在地质学界，它们被称为条带状铁矿建造（Banded Iron Formation），是全球前寒武纪地层中一种常见的沉积构造。
条带状铁矿由多层厚度为数毫米至数厘米的灰色至黑色铁矿石所构成，这些铁矿石主要成分是赤铁矿（Fe2O3）或磁铁矿（Fe3O4），铁矿石层彼此之间是含铁量较少的页岩层或燧石层，这些夹层通常颜色较浅，厚度与铁矿石层相当，页岩夹层中间也可以发现微细的、亚毫米级的铁矿石层。
条带状铁矿具有重要工业价值，是全球冶炼钢铁的主要来源。
这套全球分布的、大规模铁矿形成时间相似，铁质含量高，它们究竟从哪里来呢？赤铁矿或磁铁矿这些铁氧化物是二价态的铁被均匀、持续氧化的产物，为了保证铁氧化化学反应的稳定性，最好的反应场所就是水溶液。
曾经缺氧的地球
在距今30多亿年前的生命萌动的早期地球，环境非常严苛，我们今天习以为常的氧气，在那个时代是奢侈品，可能对于当时的生物还是有毒气体。当时大气中充满了二氧化碳，甲烷、氮气和硫化氢等气体，氧气的含量极低。
在今天的深海海底，也可以找到类似的极端环境，在海底活跃的火山口附近，地壳深处岩浆和硫化氢、二氧化碳等气体不断从海底火山口喷出，形成“黑烟囱”或海底热泉。阳光无法达到深海海底，那里海水温度极低，可以生活的生物并不多，而炙热的岩浆为深海带来了热量。
就在这些海底热泉附近，生活着很多厌氧生物，它们所赖以生存的就是硫化氢等有毒气体，氧气对于它们是名副其实的毒气。
地质历史时期，氧气的大规模增加并不是一蹴而就的，而是经历了极其漫长的过程。
“地球大气—海洋系统”如何从缺氧逐渐变化为含氧甚至富氧，一直是地球生命起源与演化领域研究的难点之一，许多关键问题至今仍存在一定的争议，缺乏较合理的解释。但毋庸置疑的是，极低的氧含量保证了大量的铁以浅绿色的亚铁状态溶解在原始海洋中。
图3 海水是蓝的吗？（图片来源于网络）
浅绿色的海水
今天我们最熟悉的自然景观莫过于蓝色的天空与大海，但海水的蓝色其实只是光线的假象而已。
海水是富含大量钠，镁，钾等离子的不饱和水溶液，本身既不是蓝色的，也不是白色的，而是无色透明的。海水呈现出蓝色其实是太阳光的物理现象。
当阳光照射到大海上，太阳光中的红色、橙色这些波长较长的光，在穿透海水的过程中，不断被海水和海里的生物所吸收。而蓝色、紫色这些波长较短的光大部分都散射到周围去了，或者干脆被反射掉。
海水所呈现的色彩其实就是这部分被散射或反射的光。
海水越深，被散射和反射的蓝光就越多，所以，大海看上去总是蓝色的。我相信光线反射和散射的物理现象同样也发生在30亿年前的海洋中，如果我们能穿越到30亿年以前，我们所看到的海水由于自身成分和光线散射作用或许呈深绿色，但掬一捧海水，我们所看到的海水一定会是浅绿色的。
缓慢的铁氧化过程
二价态的亚铁可以溶解在水中，其水溶液呈浅绿色，但是非常不稳定，与氧气接触的瞬间就会被氧化，产生红色的三价铁沉淀。而三价的铁是稳定的，常见的铁锈其实主要的成分就是三价铁的氧化物。
条带状铁矿的形成过程其实就是海水中所溶解的铁逐渐被氧化而沉淀的过程，浅绿色的二价铁迅速与水体中的氧相结合，形成不溶于水的氢氧化铁，后又进一步形成铁的氧化物，沉淀在由页岩和燧石构成的海床之上，新的一层覆盖在此前的沉积层上，每层都非常细，一般是毫米或亚毫米级。
铁缓慢氧化的这个过程持续了数十亿年，在经过地质上的沉积作用，才形成了我们今天所看到的条带状铁矿建造。这个过程非常漫长，原因有多个方面。
一方面是因为页岩泥岩发生沉积的速率并不高，铁氧化物沉淀到海底，再逐层被海洋中的泥质或其他沉积物所覆盖，这个沉积过程可能与今天发生在较深海洋中的沉积作用相当。
地质学界根据观察与计算得到的估算结果是，一般来说，理想情况下（不受扰动），海底的硅质软泥层每一千年形成1-10毫米厚，而在靠近大陆边缘，不断接受陆地沉积的浅海区域，砂岩泥岩每千年可以形成50厘米甚至更厚。
第二方面原因是，在寒武纪之前的地质时代中，地球多次经历各种各样的极端环境，比如全球被冰封，大陆拼合与裂解，因此，铁氧化的过程也并不是一帆风顺，而是多次被打断，又多次重新开始。
最后一方面的原因是，当时的氧气实在太稀少了，产生氧气的过程也很缓慢，这极大地限制了铁氧化物的形成速度。当时唯一的氧气来源是能够进行光合作用的原核生物——蓝菌（Cyanobacteria）。
图4 现代海洋环境中的蓝菌（图片来源于网络）
让地球含氧量脱贫的功臣—蓝菌
蓝菌，也曾被称为蓝绿藻或蓝藻，属于细菌类原核生物，是唯一一种可以通过光合作用制造氧气的原核生物。
我们知道，绿色植物可以利用其叶绿体进行光合作用。但是对于原核生物来说，它们的细胞内部没有细胞核，也没有被细胞膜所包裹的细胞器（叶绿体就是一种细胞器），因此它们进行光合作用的机理与绿色植物完全不同。
蓝菌利用其细胞外膜独特的折叠方式而进行光合作用，氧气是它们进行光合作用是释放出的“废物”。蓝菌个体微小，化石记录极为罕见，但它们生命活动的痕迹却保存有化石，成为了地球增氧过程的见证者，即，叠层石（Stromatolite）。
图5 南京古生物博物馆收藏的叠层石，向上凸起的穹拱形态是蓝菌在生长过程中分泌粘液所胶结的矿物沉积。整体图和局部放大图。（图片由徐洪河提供）
叠层石主要是蓝菌类微生物通过生长和新陈代谢作用捕获、粘结和沉淀沉积物，形成的一种生物沉积构造。
图6 暴露在纽约李斯特公园附近的寒武纪时期霍伊特石灰石的叠层石（图片来自Wikipedia）
叠层石本身并不是实体化石，它的特殊形态是由蓝菌等原核生物在生命活动中所引起的矿物沉积和胶结。
叠层石代表了地球上最古老、最原始的微生物生态系统，最老的叠层石可以追溯到距今35亿年前的早太古代。在全球范围内，几乎所有的元古宙碳酸盐沉积中都发现有丰富多样的叠层石。
图7 现代蓝菌的一个属（图片来源自wikipedia）
微不足道的蓝菌在自30多亿年前的地质历史时期就在逐渐改变地球的环境，蓝菌通过光合作用不断释放氧气，新释放的氧气迅速被海水中的亚铁离子所消耗，二价铁被氧化，形成锈迹斑斑的沉淀物被固定在了海床之上。
蓝菌把地球的氧含量彻底脱贫了！
直到氧气含量足够高了，海水中的亚铁离子被消耗尽了，至此，不贫氧的地球再也无法拥有浅绿色的海洋。
接下来发生的事件同样影响至深——由于氧含量增加，各种多细胞生物开始逐渐繁荣，一个生机勃勃的世界开启了。
参考文献：
Hoffman PF, et al., 1998. A Neoproterozoic Snowball Earth. Science. 281: 1342–1346.
Lyons TW, Reinhard CT. 2009. Early Earth: Oxygen for heavy-metal fans. Nature. 461: 179–181.
Nutman AP, et al., 2016. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures. Nature. 537: 535–538.
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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