桃園親子教育博物館二

 關於條狀鐵層Banded Iron Formation（BIF）

A0801 Banded ironstone Ord Ranges, Pilbara region, Western Australia（2.45~2.47 billion year old）
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A2601 Banded Iron Formation Cleaverville Formation,Gorge Creek Group , De Grey Supergroup , Western Australia.（3.02 billion year old）

前言：條狀鐵石Banded ironstone 是取自條狀鐵層Banded Iron Formation簡稱BIF 的樣品，主要成分為依次為磁鐵礦Fe3O4、赤鐵礦Fe2O3、石英SiO2與菱鐵礦FeCO3，此標本也被稱為碧玉石Jaspillite，但與一般碧玉Jasper不同，因為碧玉主要成分為石英且比例甚高，多者超過90%；至於Jaspillite其所含鐵礦則可達50%以上。

（一）Banded Iron Formation 在地質學上的意義：

1.Banded Iron Formation是地球上已知最古老的生痕化石之一，年代最早可追朔至37~38億年（位於格陵蘭）。A0801標本則是24.5~24.7億年前（根據 Western Australian Museum說明）。

2.Banded Iron Formation是地球自生物誕生後，演化誕生藍綠菌Cyanobacteria而可以行光合作用的直接證據。起因於光合作用產生氧氣與亞鐵離子Fe2+作用得到鐵離子Fe3+之鐵礦沉積。

3.Banded Iron Formation是地球上最大鐵礦來源，蘊藏量超過地表的60%。

4.Banded Iron Formation形成之結束，與寒武紀大爆發的關係，也是讓人值得深思。

＃本文通識以維基百科為主要參考，由於筆者已將地表各地礦物礦石差不多蒐集齊全，以及個人所學與研究，因此有些增加的其他想法，使用紅色標示。維基網址https://en.wikipedia.org/wiki/Banded_iron_formation

（二）形成過程：

1.據信地球生物誕生於40億年前，現已發現有多處的化石顯示與此相差不遠的年代；且不超過數億年之後便誕生可以行光合作用的藍綠菌，如此之後生物開始自己能製造必須的有機物，讓生物能夠世代繁衍不絕。

2.最早的生物生活在無氧環境，包含藍綠菌都無法抵抗氧氣的腐蝕，因此都是厭氧的；按此藍綠菌行光合作用產生的氧氣，會對藍綠菌造成破壞，所以此時藍綠菌仍無法大量緊密群聚繁殖。

3.太古宙（28億~38億年前）雖然地殼已經形成，但是仍不夠厚，且地核具放射能的核種甚多，產生的熱巨大，因此熔岩熱對流強盛衝擊湧出地殼（或說是『地核暴動』），致地殼多處裂縫，海水滲入接觸高溫的地函物質（以橄欖石(Mg,Fe)₂SiO4為主）產生熱流噴泉，其中溶解了大量的Fe2+離子。

4.此時地球陸地很少，更不用說有高山了，此也說明海洋的深度多半不大，熱流噴泉的物質很容易接近海洋表面，與行光合作用的藍綠菌會合，一方面提供藍綠菌成長與繁殖所需的大量養料如磷、鉀、鎂...，更重要的是熱泉中的Fe2+可以去除藍綠菌光合作用所產生的氧氣，免除氧氣對藍綠菌的毒害；如此藍綠菌便可大量繁殖，而Fe2+被氧化成鐵礦的反應則是快速進行，持續超過20億年，在地球各地形成厚度達數百公尺，面積廣大（數百～數萬K㎡）的許多礦床。

 5.最初地質學家以為Fe2+氧化後的產物為Fe(OH)3，其反應式為

4 Fe ²⁺ + O ₂ + 10 H ₂ O → 4 Fe(OH) ₃ + 8 H ⁺

之後發現產物應該是FeO(OH)，也就是褐鐵礦FeO(OH)‧nH2O的型態。因此筆者將反應式改寫如下

4Fe2+ ┼ O2 ┼ 8OH－ → 4FeO(OH) ┼ 2H2O

海水與地函物質反應產生的熱液為鹼性，所以才會沉澱出鐵礦，若是在酸性環境Fe3+不會沉澱。

6.因為季節與晝夜會影響光合作用的進行，潮汐等水的流動也會改變沉積物成分與沉積速度，此為Banded Iron Formation產生條紋的原因。在稍後的年代『地核暴動』減弱，地殼裂縫減少，此後裂縫與現在之中洋脊相似，而板塊運動形成，許多原本處於海底的鐵礦層，因板塊推擠而抬升成為陸地，成為後來人類所見到的Banded Iron Formation。其過程也發生若干變質作用，首先是褐鐵礦脫水產生赤鐵礦：

2FeO(OH) → Fe2O3 ┼ H2O

藍綠菌等單細胞生物死亡後軀殼一起沉積於鐵礦中，其中的碳又將赤鐵礦等還原成磁鐵礦與菱鐵礦：

6Fe2O3  ┼ C →  4Fe3O4 ┼ CO2

2Fe2O3 ┼ C ┼ 3CO2 → 4FeCO3

如果沉積鐵礦層生物的有機殘骸很少，那麼鐵礦中磁鐵礦比例就會低，又如果產生磁鐵礦的反應所得的CO2立即散失，結果是最後的Banded Iron Formation中所含菱鐵礦就會更少。

（三）Banded Iron Formation不再形成的原因：

　　為此中國南京大學礦床學團隊做過深入的研究，下為該研究的報導其網址與重要結論

https://lamd.nju.edu.cn/76/fe/c4035a489214/page.htm

「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）。」

研究的過程很仔細，推論也不差，唯結論顯然是錯的：

1.按此Banded Iron Formation結束其上應該要有另一層黃鐵礦(FeS2二硫化亞鐵，是硫化亞鐵的穩定態礦物)，但是我們看到許多地質公園圖片，所呈現的Banded Iron Formation剖面，並沒出現這一層。

2.若說產生的黃鐵礦沉積層與Banded Iron Formation不在同處，因為從主要Banded Iron Formation的結束(18億年前)距今的時間與產生Banded Iron Formation的時間相差無幾，是否也應該有厚度達數百公尺，面積達數萬K㎡的黃鐵礦床?當然這也是否定的，黃鐵礦雖然常見，但沒有如此驚人蘊藏的礦床。

筆者不知道中國的學者在推論中發生了怎樣的問題，但是Banded Iron Formation時代確實是結束了，因此筆者試著想其他出路。

a.地球內部是個發熱體，熱量的來源包含重物質向地心聚集釋出的動能，但最重要的仍是放射性元素所釋放的輻射能，現知其中最重要的二種放射性核種U-238(半衰期4.468(3)×10⁹)與U-235(半衰期7.04(1)×10⁸)，與地球的年齡46億年相較，U-238至今剛好經過一個半衰期多一些，也就是說今天地球內部U-238釋放的能量為地球誕生時的1/2少一些，至於U-235則是過了7.5個半衰期，釋放的能量則只剩原來的約1/180，因此可見U-235對『地核暴動』的影響十分明顯，使得至今中洋脊類型的火山並不多也不甚強烈。也就是說地殼裂縫減少，海底的熱流噴泉也跟著減少，Fe2+的供應者自然不如往昔眾多。

b.地殼漸變厚，海水直接與高熱的橄欖石作用機會減少，使得熱流噴泉Fe2+濃度也下降。

c.板塊移動形成後，高山深海遍佈整個地球，而熱流噴泉多在深海，影響不到海洋表面。

因此形成Banded Iron Formation條件日漸不再具備，最後中止。（前二條件只說明BIF會減少，第三條件，才是主因。但Fe2+仍在更廣大面積下的慢速進行反應產生Fe3+，只是微濃度的Fe3+在海水中與Cl-形成錯離子不再沉澱）

PS：歐美主流以為是因為鐵礦在深海就沉積，筆者以為也不正確，因為BIF形成必須在淺海，才能快速反應，所產生的Fe3+在過飽和的狀態，得到FeO(OH)沉澱；如果熱液噴泉轉入深海，不問是否在深海產生沉澱，都不會再誕生BIF。

(四)Banded Iron Formation時代結束之後：

1.藍綠菌等光合作用產生的氧，一部分被釋放至大氣中。

2.藍綠菌等生物開始往適應氧氣方向演化，而原始動物往消耗氧氣方向進化，為寒武紀大爆發做準備。

3.海洋持續被供應一些Fe2+，仍消耗掉植物光合作用產生的氧，唯前者供應日漸減少，而後者因生物日漸適應在氧氣中生存而開始繁榮，最終Fe2+耗盡可以忽略，植物所產生的氧氣幾乎全釋放至大氣。

4.直至大氣的氧濃度達到某一質時，寒武紀大爆發於是揭幕。(氧濃度已夠支持多細胞動物生存)