第四篇、大氧化事件
上文書說到了太古宙的一些事情，無非就是大陸繼續(xù)生長和大氣的一些變化。到了25億年的時候，大陸的主體已經(jīng)生長完成了，套用某人的話，以后地球的工作就是對大陸進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)了，已經(jīng)沒有太大的工作可做了。但是，這段話做的論斷很快就被推翻了，兩朵烏云分別是板塊構(gòu)造與超大陸，以及大陸的破壞和減薄。當(dāng)然，這是后話，此處按下不表。
PS：好吧，其實這一段是我杜撰的，毫無依據(jù)，只為博看官一笑。
接下來，就是元古宙（25~5.4億年）了，這占了地球歷史的近四分之一。這20億年又被分為三段：古元古代、中元古代和新元古代。
這段時間發(fā)生了很多的大事。比如，鐵礦，世界上大部分的鐵礦都是這個時代的產(chǎn)物，真核生物以及多細(xì)胞生物、軟體生物和藻類進(jìn)一步發(fā)展，留下了很多化石記錄，大氣開始充氧，板塊構(gòu)造可能就開啟于這個時代，以及雪球事件等。咱們一件一件的慢慢說吧。
大氧化事件
25億年以后，地球進(jìn)入了所謂的“構(gòu)造靜寂期”，也就是說這段時間地球的構(gòu)造活動強(qiáng)度相對較低，沒有明顯的記錄。但是，這個時候的大氣卻發(fā)生了革命性的變化：他開始充氧了！在24億年之前，大氣中的氧含量不足現(xiàn)今水平的0.001%，大氧化事件之后，大氣中的氧氣含量上升至現(xiàn)今水平的約1%以上[1]。
然后找點證據(jù)，比如說：非常容易氧化的礦物，如菱鐵礦（FeCO3）、瀝青鈾礦（UO2）和黃鐵礦（FeS2）等，大量出現(xiàn)在地表環(huán)境下形成的沉積巖中[2]，但在大氧化事件后逐漸消失；沉積物中的硫、碳同位素等組成特征明顯發(fā)生變化，指示氧氣含量增加[3]；條帶狀鐵建造的出現(xiàn)，這個在下面還會有介紹；古土壤的變化[4]（見2）等。
為什么會有這些變化呢？這就要從那時候的細(xì)菌活動開始說起了。
其實，在地學(xué)界一直有一個爭論，到底是地球環(huán)境控制了生命的發(fā)展，還是生命通過改造環(huán)境來為自己營造更好的生存條件。地球上，生命從無到有，從單一到繁多，基本上每一步都有烙有生命的痕跡。毫無疑問的是，沒有生命，地球不可能有今天的五彩斑斕，生命與環(huán)境的協(xié)同演化才造就了今天的藍(lán)色星球。在25億年之交（應(yīng)該是之前），小小的細(xì)菌正在悄悄而又深刻地改變地球。
言歸正傳。在太古代，根據(jù)化石記錄和地質(zhì)資料，推斷可能就已經(jīng)有了光合作用[5]。比如在第三篇中提到的，在32億年以后，大氣的含氧量有一個小幅度的提升，可能就是光合細(xì)菌的作用[6]。在25億年以前，光合細(xì)菌可能一直存在，但是產(chǎn)生的氧氣被其他作用抵消掉，并沒有徹底改變大氣成分。到了24億年，光合細(xì)菌的產(chǎn)生的氧氣慢慢地積累，到了18億年的時候，大氣中氧氣的量可能已經(jīng)達(dá)到了現(xiàn)在水平的1%~2%。
大氣充氧事件可以說是地球演化史（以及生命史）上的一個重大事件，它改變了地表的氧化還原環(huán)境，使地球走上了不同于其他類地行星的演化道路。這以后，地球上的生命逐步的發(fā)展，真核生物漸漸繁盛，多細(xì)胞生物出現(xiàn)并發(fā)展，原始的藻類出現(xiàn)并繁盛。生物和地球相互作用，一步步的改變著這個有生命的世界，形成了這個五彩斑斕的星球。
雪球事件和成鐵紀(jì)
第三篇中提到，早期的地球需要溫室氣體來為自己“保溫”，并且游離氧含量很低，可以保證大氣（和海洋）的化學(xué)條件呈還原態(tài)?？墒墙?jīng)歷了大氧化事件的地球大氣，溫室氣體（主要是二氧化碳、甲烷）含量已經(jīng)大大降低，并且變成了氧化態(tài)，這直接導(dǎo)致了兩個后果：雪球事件（Snowball earth）和條帶狀鐵建造（Banded Iron formation，BIF）的沉積。
目前有報道的最早的一個冰期是中太古代冰期。上一篇中提到在29億年左右大氣中的氧氣有一個小幅度的上升，這可能導(dǎo)致了那次冰期事件[7]。但是，這次冰期事件的證據(jù)較少，認(rèn)可度比較低。古元古代的大冰期是地球上第一個有確切地質(zhì)記錄的全球性冰期。如上文所說，大氧化事件以后，大氣的氧氣含量增高，相應(yīng)的溫室氣體（二氧化碳和甲烷）的含量迅速下降，這樣地球就失去了保溫層，導(dǎo)致了地表溫度迅速降低至0℃一下，地球變成了一個冰封的世界。在新元古代（約10~5.4億年）的時候，地球還有一次更大的冰期，我們將會在那里比較詳細(xì)的討論，此處暫且略過。
另一個非常重要的時間就是，這段時間形成了地球上最重要的鐵礦，地質(zhì)學(xué)家給它起了一個名字：條帶狀鐵建造（BandedIron Formation，BIF）。這是一種沉積型的鐵礦床，也就是說BIF是一種沉積巖，主要成分是磁鐵礦（Fe3O4）。
條帶狀鐵建造，顧名思義，就是呈條帶狀，延展很遠(yuǎn)。一般和硅質(zhì)（SiO2）巖石（或碳酸鹽巖石）相間。磁鐵礦在未被氧化的時候，呈黑色或暗灰色；如果暴漏在空氣中而被氧化，則呈極其艷麗的紅色（因為三價鐵離子呈紅色），非常漂亮。
上面提到，在太古宙的時候大氣（以及海洋）是缺氧的。這個時候地球上的鐵離子主要以二價形式存在。二價鐵離子的溶解度較高，海洋中有較大濃度的鐵離子，那時候的海洋可能呈綠色（二價鐵離子的顏色）。隨著造氧細(xì)菌的活動，大氣和海洋逐漸充氧，由還原態(tài)變成了氧化態(tài)，這也導(dǎo)致了海洋中的二價鐵離子氧化成了三價，沉淀了下來，就成為了沉積鐵礦床了。
地質(zhì)歷史中，25~23億年這一段被稱為成鐵紀(jì)，就是因為這段時間BIF礦大量產(chǎn)生。BIF最早出現(xiàn)在38億年，早期的產(chǎn)出量一直比較少。但到了太古宙末期開始增多，并在25億年達(dá)到高峰期，并在18億年結(jié)束[8]。在7億年的時候，BIF再次出現(xiàn)。而到了顯生宙（5.4億年以后），這種類型的鐵礦就再也沒有出現(xiàn)過。7億年的這個BIF產(chǎn)出高峰的原因會在后面的章節(jié)中討論。
BIF中鐵含量一般要大于15%，高的可達(dá)60%~70%。這是世界上最重要的鐵礦床種類之一，世界上的大部分大型鐵礦都屬于此類。如澳大利亞、加拿大、南非等的鐵礦。
中國這種類型的鐵礦床不僅儲量少，而且品位低。據(jù)統(tǒng)計，中國的BIF鐵礦中，品位為24%～36%者占94.82%[10]，而國外的鐵礦品位大多大于50%。也就是說中國的鐵礦放老外那，人家都不愿意開采呀。而且，中國的鐵礦大都形成于這個時代，集中于華北，就是因為華北是中國最古老的地塊，在太古代的早期相對比較穩(wěn)定（和華南、塔里木比起來），所以才形成了一些BIF型的鐵礦。但是，和世界上其他地塊（比如加拿大、澳大利亞、南非等）比起來，這個時候的華北的穩(wěn)定性又相對較差，這個時代的鐵礦又遠(yuǎn)不如其他地區(qū)大。
注1：傳統(tǒng)上把下馬陵組分為新元古界，但是現(xiàn)在在下馬陵組里面發(fā)現(xiàn)了14億年的侵入巖脈，對它的歸屬就要重新討論了。這里暫且歸為中元古界。
注2：可以以鐵離子為例說明。因為二價鐵離子較易溶于水，而三價鐵離子難溶于水。所以，25億年之前大氣缺氧，地表呈還原環(huán)境，土壤中鐵以二價離子的形式存在，因雨水沖刷等大量流失。而大氣充氧以后，地表的鐵離子為三價，不易隨雨水流失，多保留在土壤中。世界上很多大型鐵礦就是發(fā)育在古土壤（故風(fēng)化殼）中。巖石中的很多元素都在不同的氧化還原條件下活動性是可以變化，有時易于流失，有時不易流失?？梢杂貌煌卦诠磐寥乐械谋４鏍顟B(tài)來研究當(dāng)時大氣的氧化還原狀態(tài)，即氧氣的含量。
參考：
[1] PavlovA.A. & Kasting J.F.；2002；Mass-independent fractionation ofsulfur isotopes in Archean sediments: Strong evidence for an anoxic Archeanatmosphere；Astrobiology（2）27–
41
[2]Sverjensky D.A. & Lee N. ；2010；The great oxidation event andmineral diversification ；Elements（6）31-36
[3] Guoet.al.；2009；Reconstructing Earth's surfaceoxidation across the Archean-Proterozoic transition；Geology（37）399-402
[4] RyeR. & Holland H. D.；1998；Paleosolsand the evolution of atmospheric oxygen：acritical review；AmericanJournal of Scienec（298）621-672
[5]Marais D.J. ；2000；When did photosynthesis emerge onEarth?；Science（289）1703--1705
[6] Ono S. et.al.；2006；Early evolutionof atmosphericoxygen from multiple-sulfur and carbon isotope records of the2.9 Ga MozaanGroup of the Pongola Supergroup, Southern Africa；South African Journal of Geology（109）97-108
[7] Young et.al.；1998；Earth's oldest reportedglaciation: physical and chemical evidence from the Archean Mozaan Group (~2.9Ga) of South Africa；TheJournal of geology（106）523-538
[8] 趙振華；2010；條帶狀鐵建造與與地球大氧化事件；地學(xué)前緣（17）1-12
[9] BekkerA. et.al.；2010；Iron formation: the sedimentaryproduct of a complex interplay among mantle, tectonic, oceanic, and biosphericprocesses}；Economic Geology（105）467-508
[10] 汪國棟 等；2001；鐵礦儲量一品位統(tǒng)計分布及其地質(zhì)意義；地質(zhì)找礦論叢（16）99-103
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預(yù)備篇：地球的圈層結(jié)構(gòu)
第一篇鏈接：地球，你從哪里來？
第二篇鏈接：地殼的形成以及早期地殼物質(zhì)
第三篇鏈接：太古宙地殼的生長和早期大氣
第五篇鏈接：天下大勢
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