20多亿年前的生命史诗，写就世界上最重要的铁矿类型

马氏体

09-29 19:05

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这块红黑色条纹相间的岩石是一种特殊的沉积岩——条带状铁建造（Banded Iron Formations，BIF），采集于美国密歇根州，形成于21亿年前（展出于法国里昂汇流博物馆）。它不仅仅具有观赏价值，还是世界上最重要的一类铁矿的前体，更记录着生物改造地球环境的史诗。

二三十亿年来，蓝细菌（蓝藻）通过光合作用孜孜不倦地产生氧气，但早期的地球大气仍是缺氧的，因为绝大多数氧气被富含还原性二价铁的海洋所吸收。

早期的地壳较为薄弱，海底火山活动剧烈。海水沿着海底的裂隙下渗，被炽热的岩浆加热，成为以水为主、包含多种挥发份（CO2、H2S、HCl等）和矿物质的具有强烈化学活性的高温溶液——热液（温度可达400℃，但在高压下仍然保持液态）。大洋地壳主要由玄武质岩石构成（矿物组成为辉石和斜长石，是铁镁和钾钠的硅酸盐），热液从中溶解出大量Fe²⁺，随着热液的喷出而释放到海水中。从陆地岩石中风化出的Fe²⁺亦被河流冲入海洋。

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“蛟龙号”载人潜水器拍摄的印度洋海底高温热液喷口。在大洋中脊处，热液喷出，其中的金属硫化物迅速析出，把喷流染成黑色，部分矿物质沉积在喷口周围，形成耸立于海底的“烟囱”，因此这类热液喷口被形象地成为“黑烟囱”。

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在浮游生物和地球之力的拉锯下，海洋的化学性质呈现出分层的状态——表层因光合作用而呈氧化性，深层则因富含Fe²⁺而呈还原性。随深层海水上升到海洋表层的Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，又以Fe(OH)3的形式沉入海底，形成铁质沉积层。Fe²⁺的氧化机制可能还有浮游生物的不产氧光合作用（不是从H2O中夺取电子产氧，而是从Fe²⁺夺取电子）、对Fe²⁺的代谢性氧化和紫外线对Fe²⁺的辐射氧化（当时没有能够吸收紫外线的臭氧层）。由于海底火山活动和海流上涌的间歇性，或海洋生物繁衍的间歇性（早期生物会被自身产生的氧气毒害），一段时间后Fe(OH)3的沉积中断；在铁质沉积层形成之前或间歇期，来自海底火山热液或大陆岩石风化的硅酸（H4SiO4）在海水中达到过饱和而大量沉积下来，形成硅质沉积层，如此交替往复。

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松散的沉积物逐渐压实成岩，Fe(OH)3和H4SiO4脱水结晶，分别转变成赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）或菱铁矿（FeCO3）及石英（SiO2）。在岩石的横断面上可以看到交替的铁质和硅质层（铁质层在自然状态下为红褐色，抛光后呈金属般的银黑色；硅质层颜色较浅，抛光后呈鲜亮的铁锈色，因为其中也含有少量赤铁矿），每层厚度在毫米到厘米级，被称为韵律层，又称条带状构造，条带状铁建造由此得名。

最早的条带状铁建造形成于距今38亿年前，在距今25亿年前达到高峰，却在18亿年前几乎戛然而止（从太古宙到古元古代）。这涉及到地球历史上的一次重要事件——大氧化事件。

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在约24亿年前，随着海洋中的Fe²⁺、大气中的甲烷等还原性物质被大量地氧化消耗，氧气终于能够游离出来，将大气氧含量从几乎为零提升到现代水平的1％～10％以上。海洋的氧化还原状态与化学组成也发生了明显变化，在含氧的海水中，Fe²⁺被迅速氧化为Fe³⁺而沉淀，铁元素溶解度的降低抑制了铁的迁移聚集（也有假说认为减弱的火山活动减少了Fe²⁺的供应），不再有大规模的条带状铁建造形成。在距今六七亿年前（新元古代），地球陷入多次大冰期中，海洋表面几乎都被冰层覆盖（“雪球地球”假说），海水重新变成缺氧状态，又形成了一批条带状铁建造。但随着8亿到5.4亿年前大气氧含量提升到接近现代的水平（新元古代氧化事件），距今6亿年以来就几乎不再形成条带状铁建造了（除了某些局部缺氧的特殊海洋环境）。氧含量的提升也被认为是寒武纪生命大爆发（始于距今5.4亿年前）的重要诱因之一，地球开始变成我们今天所熟悉的模样。

蓝细菌个体的力量是非常渺小的，但无数蓝细菌在漫长的时光里聚沙成塔，改变了地球的大气组成，在20多亿年前的地层中留下厚度达数百米、延伸范围达几十上百千米的条带状铁建造。事实上，即便在今日地球上，蓝细菌和其他各类海洋浮游生物仍然贡献着约50%的氧气产量。

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对于我们人类来说，这些遗迹也是最为重要的铁矿资源来源。不过条带状铁建造中氧化铁大约只占一半，铁元素含量约30％左右，只能算贫铁矿，还要经过变质作用才能转变成富矿。这主要归功于地下的热液活动（由地下的岩浆活动引发），把硅质成分溶解去除，或把铁质成分溶解后重新迁移富集，形成几乎完全由氧化铁构成的富铁矿，品位可达60％以上。

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这种铁矿被称为“沉积变质型铁矿”，占全球铁矿总资源量的85％以上，尤其是澳大利亚和巴西拥有占全球近一半的铁矿石储量。

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我国的沉积变质型铁矿以辽冀地区（辽宁鞍山-本溪、河北冀东）为代表，如鞍山齐大山铁矿、辽阳弓长岭铁矿等，鞍钢就是依托辽宁丰富的铁矿资源建立的，在山西吕梁、河南舞阳、海南石碌等地也有此类铁矿资源。

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辽冀地区位于华北克拉通（North China Craton，涵盖华北、东北东南部、鄂尔多斯和阿拉善地区以及朝鲜半岛）东北部。克拉通是大陆的古老而稳定的核心，岩石圈（地壳和上地幔顶部的坚硬部分）厚度可达200千米，开始形成于30多亿年前，在20多亿年前进入稳定状态，几乎不受最近5亿年的大陆会聚和分裂过程的影响。克拉通上往往沉积有条带状铁建造，蕴含丰富的铁矿，典型如澳大利亚、巴西、俄罗斯、美国、加拿大等。然而我国在地质历史上地质运动活跃，不利于条带状铁建造大量形成和保存，因此缺少大型、优质的沉积变质型铁矿。

另外，我国的铁矿平均品位只有35%左右，低于45%的全球平均水平，开发利用成本较高。尽管我国铁矿石总量不少，但与我国10亿吨级的钢产量相比，仍然是缺铁矿的国家，铁矿石进口依存度近80%。

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塞翁失马，活跃的岩浆活动也造就了一大批铁矿（矽卡岩型、火山岩型、岩浆型），如长江中下游和华北中、东部的矽卡岩型富铁矿（岩浆侵入碳酸盐岩形成），稀土储量世界第一、还伴生有大量铌资源的内蒙古白云鄂博铁矿，钛储量世界第一、钒储量世界第三的四川攀枝花钒钛磁铁矿，钒钛储量居中国第二位的河北承德钒钛磁铁矿等，具有极高的经济和战略价值。

从铁矿石到钢材的全过程，请看合集：