地球历史上曾经历过两次从两极到赤道都被冰雪覆盖的冰期，即“雪球地球”。2024年4月9日Nature Geoscience期刊发表了最新文章，提出新元古代的“雪球地球”并非完全冰封，部分开放海域的浮游植物产生氧气，而海底热液释放出含铁热液，氧气和含铁热液在特定区域相遇，导致铁的氧化和沉积，从而形成条带状铁建造(BIF)。这项研究结果支持了部分冰封的“雪球地球”假说，并为条带状铁建造(BIF)的形成机制提供了新的视角。
条带状铁建造（Banded Iron Formation，简称 BIF）是一种独特的沉积岩，富含铁和硅，呈现出明显的条带状结构，即铁矿物层和硅质层交替出现。条带状铁建造(BIF)通常形成于低氧的海洋环境。在新元古代，大气氧含量已达到现今水平的1%-10%，BIF的出现与传统认知相悖，成为地球科学界的一大谜团。
图1 Schematic representation of the biogeochemical model.
图2 Results of the snowball simulation with 12° S to 12° N ice-free ocean and mean seawater phosphate concentration ([PO43-]) of 0.1 μM (3% modern).
科学家们对海洋冰盖的范围和条带状铁建造(BIF)在此期间的形成机制一直存在争议。近日，一项发表在《自然-地球科学》杂志上的研究提出，新元古代的“雪球地球”可能并非完全冰封，部分开放的海域或为条带状铁建造(BIF)形成的关键。
图3 Iron deposition rates in the snowball simulation with 12° S to 12° N and 30° S to 30° N ice-free ocean; the mean seawater phosphate concentration ([PO43-]) is 0.1 μM (3% modern).
新元古代的 BIF 与“雪球地球”事件密切相关。“雪球地球”指的是地球表面从两极到赤道都被冰雪覆盖的极端冰期。目前主要有两种假说来解释 BIF 在“雪球地球”时期的形成：
"硬雪球地球"（hard snowball earth）假说：地球海洋完全被冰层覆盖，导致海洋缺氧，有利于 BIF 的形成。BIF 的形成需要低氧环境，因为在有氧环境下，铁会被氧化成不溶于水的形式。但这种极端环境也对生命的生存提出了挑战。
“软雪球地球”（soft snowball earth）假说：海洋并非完全冰封，在热带地区存在着开放水域，允许氧气进入海洋。相比于“硬雪球地球”假说，开放水域为生命的存活提供了更多的可能性。在开放水域，浮游植物进行光合作用产生氧气，而海底热液喷口则释放出富含铁的热液。氧气和富含铁的热液在特定区域相遇，导致铁的氧化和沉积，从而形成 BIF。
为了探究两种假说的可行性，研究人员利用海洋环流模型和新元古代生物地球化学模型进行了模拟实验。模拟了不同程度的海洋冰盖和磷酸盐水平（代表生物生产力）下的海洋环境，并分析了铁的沉积模式。
研究结果显示，在磷酸盐水平低于现今水平且海洋部分被冰覆盖的情况下，模型预测的铁沉积模式与实际观测到的新元古代 BIF 分布位置一致。这些 BIF 主要集中在罗迪尼亚(Rodinia)超大陆分裂后形成的年轻海洋盆地附近。
研究人员指出，在部分冰封的海洋中，氧气和富含铁的水体会分别从开放水域和海底热液喷口进入海洋，并在特定区域相遇，导致铁的氧化和沉积，从而形成 BIF。这种机制并不需要高浓度的铁，而是需要铁的流动性和氧气与富含铁的水体的相互作用。
这项研究结果支持了“软雪球地球”假说，并为 BIF 的形成机制提供了新的视角。研究人员认为，新元古代的地球可能并非完全冰封，部分开放的海域为生命的生存提供了庇护，同时也为 BIF 的形成创造了条件。
随着科学技术的不断发展，科学家们将能够利用更先进的模型和更精确的数据来模拟和研究“雪球地球”事件。未来，我们有望揭开“雪球地球”之谜，并更加深入地了解地球早期气候和环境的演化历史。
论文信息：Gianchandani, K., Halevy, I., Gildor, H. et al. Production of Neoproterozoic banded iron formations in a partially ice-covered ocean. Nat. Geosci. 17, 298–301 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01406-4
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