破解前寒武纪条带状铁建造消失之谜

条带状铁建造（banded iron formation，英文简称BIF）是一种特殊的海相富铁沉积岩，几乎只产出于前寒武纪，具有特征性的富硅-富铁交错条带（图1）。条带状铁建造是人类社会最重要的铁资源，同时是学者研究前寒武纪海洋大气环境的重要地质载体。条带状铁建造从38亿年前就在古代地球海洋中开始沉积，在距今25亿年前达到沉积高峰，大规模的条带状铁建造沉积在18亿年前消结束。大约十亿年之后，全球性的条带状铁建造沉积事件在距今6.5亿年左右的“雪球地球”事件中又重新出现，这被认为与海洋被全球性的冰层覆盖，海水转为还原状态从而富集二价铁有关。在“雪球地球”事件之后，全球性的条带状铁建造沉积骤然终止，成为寒武纪生命大爆发的前奏曲。

1： 一些条带状铁建造的照片（图片来自于网络）。三价铁氧化物（如赤铁矿Fe2O3）使条带状铁建造呈现美丽且神秘的红色

学者对条带状铁建造的地质地球化学特征、物质来源、和产生机理已经有了相当广泛的研究，但是对于条带状铁建造如何在地质历史中消失，研究并不深入。一种普遍的观点认为，雪球地球事件以后，地球发生了第二次全球性氧化事件，大气和海水的氧含量增加，海水中的二价铁无法在海洋中运移和积累，导致条带状铁建造无法沉积，就如现代海洋的情况一样。这种模型虽然能够解释为什么现代和显生宙以来海洋中没有条带状铁建造沉积，但并不一定能准确描述雪球地球事件结束时，条带状铁建造终结的具体机理。

南京大学矿床学团队（李伟强、吴昌志、杨涛）针对前寒武纪条带状铁建造消亡的问题，选择江西新余铁矿为研究突破口，综合地质与多种同位素地球化学证据，揭示出海水的硫化、而非海水的氧化，是前寒武纪海洋中条带状铁建造消亡的原因。吴昌志教授在2013年就开始进行新余铁矿的研究，2016年，吴昌志、李伟强、杨涛三人在新余铁矿进行考察的过程中，通过与矿区地质人员的交流了解到，矿区勘探队在钻探过程中，一旦钻孔揭露含黄铁矿的片岩，则可停止钻孔，因为既有经验表明此地层一定没有条带状铁矿。李伟强等猜想黄铁矿可能代表了海水的硫化事件，并与条带状铁建造的消失有成因联系。为了验证这一猜想，他们选择了一个完整的钻孔岩心，对整个新余条带状铁矿层，以及之上和之下的岩层进行了高密度采样。他们将这些样品带回南京大学，并对其中的含铁氧化物、硫化物、和碳酸盐进行了系统的Fe-S-C同位素分析。同位素分析揭示了惊人的结果，在铁矿层内，铁氧化物（磁铁矿）的Fe同位素由轻变重，而碳酸盐（铁百云石）的C同位素由重变轻。在铁矿层之上，黄铁矿在片岩中开始出现，而其S同位素从极其轻的组成逐渐变回地幔值（图2）。

2： 新余铁矿地层柱以及Fe-S-C同位素数据

李伟强等通过仔细研究发现，这些同位素信号的变化反映了新元古代海洋里，条带状铁建造沉积时，海水的氧化还原分层逐渐加强，使得新余铁矿层中的Fe同位素从下至上逐渐变重。氧化还原分层的加强，是由于海洋表层生物繁盛造成的，死亡的生物在向海底掉落的过程中，被异养微生物利用从而消耗了中层海水的氧气。剩余的生物有机质随即有更大的机会输入至洋底，并产生了沉积物中更低的C同位素信号。而海洋表层生物的繁盛，则是由于“雪球地球”事件终结以后，大陆冰川融化向海洋输入了大量营养物质导致。大陆冰川的融化，同时向海洋输入了大量硫酸盐，而硫酸盐在富有机质的还原性海水中，启动了“硫酸盐还原”微生物新陈代谢机制，产生了H2S。而H2S可与海水中的二价铁结合形成硫化亚铁的沉淀，从而取代了铁氧化物的沉淀，并导致条带状铁建造的终结（图3）。

3：新元古代条带状铁建造消亡模型

基于新余铁矿的研究揭示了新元古代条带状铁建造是如何消亡的。由于新元古代之后，全球的条带状铁建造几乎完全消失，因此，此研究也就破解了地球上条带状铁建造的消失之谜。此研究表明，条带状铁建造的消失，不代表海洋的完全氧化，相反，条带状铁建造的消失指示了全球硫循环在“雪球地球”事件之后的重新启动。同时，新余铁矿的Fe-S-C同位素数据记录了当时海洋中，光合作用细菌、异养微生物、铁还原细菌和硫还原细菌，通过Fe-S-C-O的循环耦合，构成了一个相当复杂的微生物生态系统。因此，新余铁矿的产生和消亡，也具有重要的环境和生物演化意义。

此研究是南京大学矿床学团队各施所长、精诚合作的成果。吴昌志领导了野外工作，李伟强和杨涛分别指导完成了Fe和原位S同位素分析；研究生高丙飞、叶辉和卞萧鹏参与研究。英国伦敦大学学院的Graham Shields教授在论文修改上有贡献；论文在写作过程中同时得到了朱茂炎和储雪蕾研究员的指导。此研究成果以”Termination of Cryogenian ironstone deposition by deep ocean euxinia”为题发表于Geochemical Perspectives Letters，http://www.geochemicalperspectivesletters.org/article2025