那片被遺忘的淺綠色的海

徐洪河 （中國科學院南京地質古生物研究所）

編者按

海洋與礦石，人們平時很難把它們聯想到一起。不過，在地質歷史上，它們二者卻有著不可分割的聯繫。下文中提到的鐵礦石看上去其貌不揚，卻見證了滄海桑田的地球歷史，見證了曾經淺綠色的海洋。下面，就讓我們跟著作者的腳步，去看看地球曾經的神奇之處。

巨大的露天礦坑常常帶給人莫名的震撼感，甚至令人產生些許驕傲。

圖1 當今世界上最大的人類挖掘礦坑—美國猶他州賓漢姆峽谷銅礦坑（圖片由徐洪河提供）

露天礦坑作為一種人造景觀，的確是令人印象深刻的旅遊景點。碩大的坑洞中層層疊疊的岩石被剖開，一覽無餘，這的確不失為一種獨特的視覺體驗。

其實，作為地球表層的地殼，平均厚度有17千米，礦坑再大也無法洞穿地球，而如果想窺探到地球深處的奧秘，僅憑挖掘更是杯水車薪。

不過，通過各種礦石，卻能讓我們一窺數十億年前的地球。

我曾經去露天鐵礦查看鐵礦的開採，從他們廢棄的礦山上，我撿了一塊鐵礦石作為岩石標本來珍藏。鐵礦石表面呈黑紅相間的條帶狀，很重，小小的一塊拿在手上就讓人覺得沉甸甸的。

乍看之下，鐵礦石並無可愛之處，我喜歡它，是因為它深褐色的表象下塵封著一段滄海桑田的地球歷史，它見證了曾經淺綠色的海洋。

全球分布的條帶狀鐵礦

世界各地都分布有含鐵量豐富的鐵礦，一些較大型的分布區域有：西伯利亞—蒙古—中國華北一帶，北美洲的美國和加拿大，澳大利亞等等。

圖2 澳大利亞西部的條帶狀鐵礦建造（圖片來自Wikipedia）

這些礦區含鐵最豐富的鐵礦石具有相似的地質背景，它們大多是在距今24億—19億年前所形成的。在地質學界，它們被稱為條帶狀鐵礦建造（Banded Iron Formation），是全球前寒武紀地層中一種常見的沉積構造。

條帶狀鐵礦由多層厚度為數毫米至數厘米的灰色至黑色鐵礦石所構成，這些鐵礦石主要成分是赤鐵礦（Fe2O3）或磁鐵礦（Fe3O4），鐵礦石層彼此之間是含鐵量較少的頁岩層或燧石層，這些夾層通常顏色較淺，厚度與鐵礦石層相當，頁岩夾層中間也可以發現微細的、亞毫米級的鐵礦石層。

條帶狀鐵礦具有重要工業價值，是全球冶鍊鋼鐵的主要來源。

這套全球分布的、大規模鐵礦形成時間相似，鐵質含量高，它們究竟從哪裡來呢？赤鐵礦或磁鐵礦這些鐵氧化物是二價態的鐵被均勻、持續氧化的產物，為了保證鐵氧化化學反應的穩定性，最好的反應場所就是水溶液。

曾經缺氧的地球

在距今30多億年前的生命萌動的早期地球，環境非常嚴苛，我們今天習以為常的氧氣，在那個時代是奢侈品，可能對於當時的生物還是有毒氣體。當時大氣中充滿了二氧化碳，甲烷、氮氣和硫化氫等氣體，氧氣的含量極低。

在今天的深海海底，也可以找到類似的極端環境，在海底活躍的火山口附近，地殼深處岩漿和硫化氫、二氧化碳等氣體不斷從海底火山口噴出，形成「黑煙囪」或海底熱泉。陽光無法達到深海海底，那裡海水溫度極低，可以生活的生物並不多，而炙熱的岩漿為深海帶來了熱量。

就在這些海底熱泉附近，生活著很多厭氧生物，它們所賴以生存的就是硫化氫等有毒氣體，氧氣對於它們是名副其實的毒氣。

地質歷史時期，氧氣的大規模增加並不是一蹴而就的，而是經歷了極其漫長的過程。

「地球大氣—海洋系統」如何從缺氧逐漸變化為含氧甚至富氧，一直是地球生命起源與演化領域研究的難點之一，許多關鍵問題至今仍存在一定的爭議，缺乏較合理的解釋。但毋庸置疑的是，極低的氧含量保證了大量的鐵以淺綠色的亞鐵狀態溶解在原始海洋中。

圖3 海水是藍的嗎？（圖片來源於網路）

淺綠色的海水

今天我們最熟悉的自然景觀莫過於藍色的天空與大海，但海水的藍色其實只是光線的假象而已。

海水是富含大量鈉，鎂，鉀等離子的不飽和水溶液，本身既不是藍色的，也不是白色的，而是無色透明的。海水呈現出藍色其實是太陽光的物理現象。

當陽光照射到大海上，太陽光中的紅色、橙色這些波長較長的光，在穿透海水的過程中，不斷被海水和海里的生物所吸收。而藍色、紫色這些波長較短的光大部分都散射到周圍去了，或者乾脆被反射掉。海水所呈現的色彩其實就是這部分被散射或反射的光。

海水越深，被散射和反射的藍光就越多，所以，大海看上去總是藍色的。我相信光線反射和散射的物理現象同樣也發生在30億年前的海洋中，如果我們能穿越到30億年以前，我們所看到的海水由於自身成分和光線散射作用或許呈深綠色，但掬一捧海水，我們所看到的海水一定會是淺綠色的。

緩慢的鐵氧化過程

二價態的亞鐵可以溶解在水中，其水溶液呈淺綠色，但是非常不穩定，與氧氣接觸的瞬間就會被氧化，產生紅色的三價鐵沉澱。而三價的鐵是穩定的，常見的鐵鏽其實主要的成分就是三價鐵的氧化物。

條帶狀鐵礦的形成過程其實就是海水中所溶解的鐵逐漸被氧化而沉澱的過程，淺綠色的二價鐵迅速與水體中的氧相結合，形成不溶於水的氫氧化鐵，後又進一步形成鐵的氧化物，沉澱在由頁岩和燧石構成的海床之上，新的一層覆蓋在此前的沉積層上，每層都非常細，一般是毫米或亞毫米級。

鐵緩慢氧化的這個過程持續了數十億年，在經過地質上的沉積作用，才形成了我們今天所看到的條帶狀鐵礦建造。

這個過程非常漫長，原因有多個方面。

一方面是因為頁岩泥岩發生沉積的速率並不高，鐵氧化物沉澱到海底，再逐層被海洋中的泥質或其他沉積物所覆蓋，這個沉積過程可能與今天發生在較深海洋中的沉積作用相當。

地質學界根據觀察與計算得到的估算結果是，一般來說，理想情況下（不受擾動），海底的硅質軟泥層每一千年形成1-10毫米厚，而在靠近大陸邊緣，不斷接受陸地沉積的淺海區域，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，在寒武紀之前的地質時代中，地球多次經歷各種各樣的極端環境，比如全球被冰封，大陸拼合與裂解，因此，鐵氧化的過程也並不是一帆風順，而是多次被打斷，又多次重新開始。

最後一方面的原因是，當時的氧氣實在太稀少了，產生氧氣的過程也很緩慢，這極大地限制了鐵氧化物的形成速度。當時唯一的氧氣來源是能夠進行光合作用的原核生物——藍菌（Cyanobacteria）。

圖4 現代海洋環境中的藍菌（圖片來源於網路）

讓地球含氧量脫貧的功臣—藍菌

藍菌，也曾被稱為藍綠藻或藍藻，屬於細菌類原核生物，是唯一一種可以通過光合作用製造氧氣的原核生物。

我們知道，綠色植物可以利用其葉綠體進行光合作用。但是對於原核生物來說，它們的細胞內部沒有細胞核，也沒有被細胞膜所包裹的細胞器（葉綠體就是一種細胞器），因此它們進行光合作用的機理與綠色植物完全不同。

藍菌利用其細胞外膜獨特的摺疊方式而進行光合作用，氧氣是它們進行光合作用是釋放出的「廢物」。藍菌個體微小，化石記錄極為罕見，但它們生命活動的痕迹卻保存有化石，成為了地球增氧過程的見證者，即，疊層石（Stromatolite）。

圖5 南京古生物博物館收藏的疊層石，向上凸起的穹拱形態是藍菌在生長過程中分泌粘液所膠結的礦物沉積。整體圖和局部放大圖。（圖片由徐洪河提供）

疊層石主要是藍菌類微生物通過生長和新陳代謝作用捕獲、粘結和沉澱沉積物，形成的一種生物沉積構造。

圖6 暴露在紐約李斯特公園附近的寒武紀時期霍伊特石灰石的疊層石（圖片來自Wikipedia）

疊層石本身並不是實體化石，它的特殊形態是由藍菌等原核生物在生命活動中所引起的礦物沉積和膠結。疊層石代表了地球上最古老、最原始的微生物生態系統，最老的疊層石可以追溯到距今35億年前的早太古代。在全球範圍內，幾乎所有的元古宙碳酸鹽沉積中都發現有豐富多樣的疊層石。

圖7 現代藍菌的一個屬（圖片來源自wikipedia）

微不足道的藍菌在自30多億年前的地質歷史時期就在逐漸改變地球的環境，藍菌通過光合作用不斷釋放氧氣，新釋放的氧氣迅速被海水中的亞鐵離子所消耗，二價鐵被氧化，形成銹跡斑斑的沉澱物被固定在了海床之上。

藍菌把地球的氧含量徹底脫貧了！

直到氧氣含量足夠高了，海水中的亞鐵離子被消耗盡了，至此，不貧氧的地球再也無法擁有淺綠色的海洋。接下來發生的事件同樣影響至深——由於氧含量增加，各種多細胞生物開始逐漸繁榮，一個生機勃勃的世界開啟了。

參考文獻：

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.

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