寒武紀地層中你意想不到的特產！條帶狀鐵礦可以毫不起眼，也可以精彩奪目！

圖 / 陳君榮提供  

條帶狀鐵礦的成礦過程及變化，與早期地球的環境演化息息相關

條帶狀鐵礦（Banded Iron Formation，簡稱BIF）是目前開採鐵礦石最主要的來源，主要分布於包括美國、格陵蘭、非洲、澳大利亞、俄羅斯、中國、印度等地的古老沉積岩層中。在中—微觀尺度上常可見黑色及紅色條帶狀（薄層）交替出現，單個薄層的厚度一般為幾毫米(mm)至幾厘米(cm)，偶爾可達數十厘米(cm)。其中黑色部分主要的礦物是磁鐵礦和赤鐵礦，紅色部分主要的礦物是細晶或隱晶狀石英，因含有豐富細小的赤鐵礦及氫氧化鐵而成紅色，又稱碧玉（jasper）。另外，有時也可見金黃色具纖維結構的薄層，是由纖維狀的鐵鈉閃石(又稱青石綿)與石英交互生長而成，因具有閃爍仿絲質的光澤，而有虎眼石（Tiger’s eye）的稱號。條帶狀鐵礦的成礦過程及變化與早期地球的環境演化息息相關，且仍有許多問題尚未解決。條帶狀鐵礦具有經濟價值、特殊的外觀及地質意涵，因此在自然史博物館中常常可以看到它們的蹤跡。德國森肯堡博物館甚至直接將超過3公尺高的巨大條帶狀鐵礦放在戶外公園展示，雖然原礦外觀顏色黯淡並不特別引人注目，但其一面經切割後即呈現出精彩的條帶狀紋理及變形組構，強烈對比令人驚豔。

地球大氣海洋缺氧的鐵證，與現今地球的富氧情況大不相同

目前普遍認為形成條帶狀鐵礦的環境必須滿足幾個先決條件：(1)水體須含有大量二價鐵，鐵質來源可能是大陸邊緣岩石風化的產物，也可能與海底火山活動有關。(2) 水體須是缺氧的，因為在溶解氧存在的情況下，二價鐵會在數小時或數天內氧化成三價鐵，並產生不溶於水的氧化鐵沉澱物。這會使得二價鐵不易從其來源大量地運輸到沉積盆地。(3) 水體不能富含硫化氫，因為這會導致二價鐵以黃鐵礦的形式沉澱出來。(4) 在沉積盆地中必須存在一種活躍的氧化機制，將儲層的二價鐵穩定地轉化為三價鐵。

條帶狀鐵礦僅在前寒武紀的地層中廣泛分布，形成年代起始於38億年前，集中於28~18億年前，而在18億年前就突然缺失，一直到8~6.8億年前才又再次出現，而寒武紀之後就再也沒有出現過。顯示條帶狀鐵礦形成的這些地質年代，其當時的海洋與大氣環境是有利於二價鐵遷移與富集的缺氧狀態，與現今地球的富氧情況大不相同。澳大利亞西部的Jack Hills 條帶狀鐵礦形成於距今30億年前，即揭示早期地球的大氣和海洋是相當缺氧的。

都是藍綠藻的功勞？科學家們發現除了有氧的光合作用外，仍有其他機制可以造成二價鐵氧化

藍綠菌是最早進行有氧光合作用的生物，藍綠菌行光合作用而釋出氧氣，會使海水中的二價鐵氧化成三價鐵，並進一步形成不溶於水的(氫)氧化鐵而沉澱下來。所以，過去藍綠菌一直被認為是條帶狀鐵礦形成的功臣。當溶於水中的二價鐵全被氧化殆盡，條帶狀鐵礦便無法生成而消失。然而科學家們發現除了有氧的光合作用外，仍有其他機制可以造成二價鐵氧化。在富含鐵的地下水滲漏和淡水溪流中，常見的鐵氧化細菌可透過氧化二價鐵形成氫氧化鐵的過程中獲得能量，而且其氧化的速率比非生物氧化速率快50倍以上。因此條帶狀鐵礦的大量形成，也可能與當時在海洋中廣泛存在的鐵細菌有著密切關係。

除了有氧光合作用外，學者也提出無氧光合作用的鐵氧化機制。無氧光合作用使用二價鐵而不是H₂O做為電子供應者，因此產生的是三價鐵而不是氧分子。細菌可以利用光及豐富的二價鐵，在沒有氧分子存在的情況下形成三價鐵。如此一來，在太古宙海洋，光可以穿透幾百米的水深並有效氧化二價鐵，讓熱液流中的二價鐵還沒上升到海水表面即已氧化並沉澱。另外，也有學者提出非生物的氧化機制，在早期沒有微生物作用的情況下，透過紫外光線輻射來氧化二價鐵或改變海水的pH值，也可能促成條帶狀鐵礦的形成。目前學著們對於條帶狀鐵礦的起源是屬於生物還是非生物成因仍在爭論，但大多認為對早期和中期所沉積的條帶狀鐵礦而言，藍綠菌和氧氣並非扮演最重要的角色。

雖層層疑問，但最近研究發現三價鐵初始沉澱物可能為鐵蛇紋石

條帶狀鐵礦中鐵質層與矽質層交替出現的成因目前也尚無定論。一派說法認為與周期性的季節變化有關，溫度及微生物的活動隨季節的不同，其鐵氧化速率也不同，氧化速率較快時主要沉澱鐵質層，反之則主要沉澱矽質層。另一派說法則認為一開始鐵質與矽質並沒有明顯的分層，層狀分帶是沉積後才逐漸形成，亦即含矽與鐵的混合物質，在成岩過程中因元素遷移能力不同而逐漸分層。另外值得注意的是，現今鐵質層中的赤鐵礦或磁鐵礦並非在沉澱發生時即產生，而是由初始沉澱產物(氫)氧化鐵經脫水或微生物反應之後，以及後期的變質作用轉變而成。相同的，矽質層中的石英或碧玉則可能是由矽酸凝膠轉變而來。最近針對澳洲西部條帶狀鐵礦的研究，發現三價鐵初始沉澱物可能為鐵蛇紋石(greenalite；化學式為(Fe²⁺,Fe³⁺)_2-3Si₂O₅(OH)₄)。富含鐵蛇紋石的泥漿在成岩階段會轉變成富含菱鐵礦的層帶，最後再被相對穩定的磁鐵礦與赤鐵礦所取代。因此條帶狀中礦物相的分布與形成機制可能遠比過去認為的複雜許多。

澳大利亞西部的Marra Mamba條帶狀鐵礦紋理多變、色彩繽紛，其金黃色的纖維狀組構更是有虎眼之王的美譽，此美麗的標本背後同時也意涵著其所遭受的地質歷程極為複雜。在欣賞如此宛如藝術的天然傑作時，不妨也試試解讀其中所蘊含的地球奧秘。