引言

二十世纪五十年代，在毛主席“开发矿业”的号召下，无数热血青年都把“为祖国寻找宝藏”作为人生的理想。一首《勘探队之歌》就这样风靡祖国的大江南北。歌中一句歌词“我们满怀无限的希望，为祖国寻找出富饶的矿藏”，道出了矿产勘探在经济社会发展中不可替代的重要作用。金、银、铜、铁这些矿产的名称，想必大家都耳熟能详。但是它们的“身世”却扑朔迷离，非三言两语可以说清道明。下面，就请大家跟着我走进矿产世界，解开它们的“身世之谜”吧！第一期，让我们聊聊现代工业的骨骼——铁矿。

“祖传”的铁矿——条带状铁建造（BIF）

  铁是地球上含量最丰富的金属元素，约占地球总质量的35%。虽然由于重力作用，大部分的铁都“沉”入了地核，现在地壳中“剩下”的铁元素含量只占地壳总质量的5.1%左右，但这些铁元素仍然在一些地方聚集形成了规模巨大的铁矿。全球已发现铁矿石的含铁总量超过2300亿吨，而这些铁矿资源的70%以上都来自于一种有个怪名字的铁矿石—条带状铁建造(Banded Iron Formation，简称BIF)。话不多说，直接上图，条带状铁建造（BIF）就是这个样子（图1），有点像巧克力威化饼干，黑褐色的“巧克力”层是磁铁矿或者赤铁矿为主的富铁矿层，浅色的“威化”层的主要成分是石英或者方解石，因为掺杂了少量的赤铁矿而发红。

图1. 条带状铁建造（BIF）的野外露头

BIF型铁矿床的规模通常都特别巨大，世界上最大的铁矿之一的巴西的卡拉加斯铁矿（图2）的铁资源量超过72亿吨，最大的铁矿体的长约4.1km，宽约350m，平均深度约300m。BIF型铁矿床的另一个特点就是特别“富”，BIF经地表风化作用形成的赤铁矿矿石的含铁量能达到60%以上，相当于矿石中九成以上都是赤铁矿，几乎就是一块“铁疙瘩”。而我们中国大部分铁矿的矿石 “贫”到都不好意思拿出来对比，铁含量通常只有20% ~30%，连人家的一半都不到。BIF型铁矿的大部分集中在巴西、澳大利亚、俄罗斯和加拿大等几个国家，虽然在我国的辽宁鞍山—本溪和山西五台-吕梁等地区也有一些超大型的BIF铁矿床，但对我国“产量甩其他国家几条街”的钢铁工业而言，国内的铁矿石产量远远不能满足需求。2019年，我国就从刚才提到这几个“家里有矿”的国家进口了超过10亿吨铁矿石，价值1014.62亿美元。

图2. 巴西卡拉加斯铁矿巨大的露天采矿坑

BIF型铁矿之所以如此“厚爱”巴西、澳大利亚、俄罗斯和加拿大等国家，是因为这些国家都分布着大面积的前寒武纪地层，而条带状铁建造（BIF）只产在这些古老的岩石，特别是在新太古界-古元古界（约28 ~18亿年前）地层中大量富集，而在寒武纪（约5.4亿年前）以后BIF就消失的无影无踪。巨量的BIF型铁矿为什么太古代突然出现，又在寒武纪之后完全消失了？这与地球生命的起源和演化有着密切的关系。

“蓝星”的“青葱岁月”

今天的宇航员在外太空回望地球时，看到的是一个美丽的蔚蓝色星球。但如果他“穿越”回到30亿年前，面前却是一颗覆盖着绿色海洋的陌生星球（图3）。那时，地球虽然早已不再是初生时的一片火海，但仍然“火气十足”，海底遍布的火山不断地喷发出大量的玄武质岩浆，并且释放了大量的铁等矿物质到海水里。那时地球的大气成分和现在完全不同，主要是水蒸气、氢气（H2）、氨气（NH3）、甲烷（CH4）、硫化氢（H2S）和二氧化碳（CO2），几乎没有氧气（O2）和氮气（N2）。此时的海洋也是极度缺氧的，大量的铁元素只能以二价铁离子（Fe2+）的形式溶解在这种还原性的海水中，由于二价铁离子（Fe2+）一般呈浅绿色，所以此时的原始海洋呈现出奇异的绿色。

图3. 30亿年前的太古宙地球想象图和现在的地球

第一次大氧化事件与铁矿

大约在距今25亿年前，地球发生了一个“大事件”，地球大气中氧气开始出现了大量的氧气，地质学家将其命名为“第一次大氧化事件”。对于第一次大氧化事件的起因，科学家们虽然仍有争论，但目前最主流的一种假说认为是蓝细菌（蓝藻）的出现导致了大氧化事件的发生。

实际上，在早期的地球上，强烈的紫外线会分解大气中的水蒸气，产生氢气和氧气，氢气不断向外太空逃逸，只把氧气留着原始大气中。但是水蒸气分解制氧的过程实在太缓慢了，产生的可怜巴巴的那一丁点氧气一下子就被岩石和海水中的二价铁离子消耗光了，所以早期地球的缺氧状态一直维持了十多亿年。在距今约30多亿年前，海洋里出现的一种新生命—蓝细菌（蓝藻）彻底打破了这个僵局（图4）。蓝细菌是一种能在无氧环境下生存的原核生物，它获得了一种其他的原始生物都没有的“超能力”，那就是光合作用，它利用太阳能分解水来获得能量，同时释放出氧气。今天，蓝细菌仍然生存在地球上，只是常常用着一个不太光彩的名字“水华”（图5）。

图4. 蓝细菌的显微照片

图4. 蓝细菌的显微照片

在超过6亿年的漫长时间里，蓝细菌在近岸地带和海水表层大量繁殖，并通过光合作用给大气和表层海水逐渐充氧，而海洋的下部水体中仍然缺氧，形成了浅海处海水含有氧气、而下部缺乏氧气的“分层”海洋。这种海水的“分层”并不稳定，在上升洋流的作用下，深部的缺氧海水不断地被洋流送到浅海，它携带的大量二价铁离子（Fe2+）在这里被氧化成了红色的三价铁离子（Fe3+），“绿海”变成了“红海”。三价铁离子（Fe3+）在海水中的溶解度很小，于是大量的三价铁离子（Fe3+）以氢氧化铁Fe(OH)3形式沉淀在浅海海底，由于环境和海水成分的周期性变化，这些血红色的浅海海底的氢氧化铁和白色的二氧化硅交替沉淀，就形成了条带状铁建造。

图6. 条带状铁建造的沉淀机制示意图

随着蓝藻为代表的光合生物越来越繁盛，大气中的氧气快速增加，在大约25亿年前达到现代大气氧气水平的1%，“第一次大氧化事件”发生了，条带状铁建造（BIF）的形成也伴随着大氧化事件的发生达到高峰，并一直持续到18亿年前才基本结束。如果说从进化的角度，蓝细菌算得上是人类的原始祖先，那么条带状铁建造（BIF）应该就是它们留给我们的最古老的“传家宝”了。

参考资料：

1.  安徽省地质博物馆，来自远古的铁，https://zhuanlan.zhihu.com/p/118423130

2.  罗林，2019年中国铁矿石行业市场分析，https://d.qianzhan.com/xnews/detail/541/200330-977312c2.html

3.  李厚民，张招崇，李立兴，康红英，李延河（2016）BIF:25亿年前“绿海”孕育出的神奇物质，地球，3：96-97

4.  沈保丰，（2012）中国BIF型铁矿床地质特征和资源远景，地质学报，86（9）：1376-1395