视觉上引人注目的烧焦橙色、黄色、银色、棕色和略带蓝色的黑色层是带状铁层的特征，沉积岩 可能引发了地球历史上一些最大的火山喷发，据莱斯大学的新研究。

富含铁的岩石开启了对地球行星历史的新见解

这些岩石含有 很久以前沉入海底的氧化铁，形成了致密层，最终变成了石头。 本周发表在《自然地球科学》(Nature Geoscience)上的这项研究 表明，富含铁的地层可能将地球表面的古老变化——如光合生命的出现 ——与火山活动 和板块构造等行星过程联系起来。

除了将通常被认为不相关的行星过程联系起来之外，该研究还可以重新构建科学家对地球早期历史的理解，并提供对可能产生远离太阳系的宜居系外行星的过程的洞察力 。

“这些岩石——毫不夸张地说——讲述了行星环境不断变化的故事，”该研究的主要作者、莱斯大学地球、环境和行星科学系的博士后研究员邓肯凯勒说。“它们体现了大气和海洋化学的变化。”

带状铁地层是直接从富含溶解铁的古代海水中沉淀出来的化学沉积物。微生物的代谢作用，包括光合作用，被认为促进了矿物质的沉淀，随着时间的推移，矿物质与燧石(微晶二氧化硅)一起形成了一层又一层。最大的沉积物形成于 大约 25 亿年前地球大气层中积累的氧气。

“这些岩石形成于古代海洋，我们知道这些海洋后来因板块构造过程而横向闭合，”凯勒解释说。

地幔虽然是固体，但像液体一样以大约指甲生长的速度流动。构造板块——大陆大小的地壳和最上层地幔部分——不断移动，这主要是 地幔中热对流的结果。地球的构造过程控制着海洋的生命周期。

“就像今天太平洋正在关闭一样——它正在俯冲到日本和南美洲之下——古代海洋盆地在构造上遭到破坏，”他说。“这些岩石要么被推上大陆并加以保存——我们确实看到了一些保存完好的，这就是我们今天看到的那些岩石的来源——要么俯冲到地幔中。”

由于含铁量高，带状铁地层比地幔更致密，这让凯勒想知道地层的俯冲块是否一直下沉并定居在地核顶部附近的地幔最低区域。在那里，在巨大的温度和压力下，它们会随着矿物呈现不同的结构而发生深刻的变化。

“在那些条件下，有一些关于氧化铁性质的非常有趣的工作，”凯勒说。“它们可以变得高度导热和导电。其中一些与金属一样容易传热。因此，一旦进入下地幔，这些岩石就有可能变成像热板一样导电性极强的块状物。”

凯勒和他的同事们假设，富含俯冲铁层的区域可能有助于地幔柱的形成，即下地幔热异常上方的热岩石上升通道，可以产生 像形成夏威夷群岛的火山那样的巨大火山。“在夏威夷地下，地震数据向我们展示了一条上升流地幔的热管道，”凯勒说。“想象一下你的炉灶上有一个热点。当锅中的水沸腾时，您会在该区域的一列上升水柱上看到更多气泡。地幔柱是它的一个巨大版本。”

“我们研究了带状铁矿层的沉积年龄和被称为大火成岩省的大型玄武岩喷发事件的年龄，我们发现它们之间存在相关性，”凯勒说。“许多火成岩事件——它们是如此之大，以至于 10 或 15 个最大的事件可能足以使整个地球重新浮出水面——在大约 2.41 亿年的时间间隔内出现带状铁形成沉积，大约 1500 万年。这与一种有意义的机制有着很强的相关性。”

该研究表明，带状铁地层首先被深入下地幔，然后影响热流，将羽流驱向数千公里以上的地球表面，这可能需要一段合理的时间。

在努力追寻带状铁结构的过程中，凯勒跨越了学科界限并获得了意想不到的见解。

“如果早期海洋中发生的事情，在微生物对表面环境进行化学改变后，最终会在 2.5 亿年后在地球其他地方产生大量熔岩流出，这意味着这些过程是相关的并且相互‘交谈’，”凯勒说。“这也意味着相关过程的长度尺度可能远远大于人们的预期。为了能够推断出这一点，我们不得不利用来自矿物学、地球化学、地球物理学和沉积学等许多不同领域的数据。”

凯勒希望这项研究能促进进一步的研究。“我希望这能激励它所涉及的不同领域的人们，”他说。“我认为，如果这能让人们以新的方式就地球系统的不同部分是如何连接的相互交谈，那就太棒了。”

凯勒是 CLEVER Planets 的一部分：岩石行星中生命必需挥发性元素的循环 计划，这是一个跨学科、多机构的科学家小组，由Rajdeep Dasgupta领导，Rajdeep Dasgupta 是莱斯大学地球系地球系统科学的 W. Maurice Ewing 教授，环境与行星科学。

“这是一个非常跨学科的合作，它正在研究对生物学很重要的挥发性元素——碳、氢、氮、氧、磷和硫——在行星中的行为，行星如何获得这些元素以及它们在可能形成行星中所起的作用适合居住，”凯勒说。

“我们以地球作为我们拥有的最好的例子，但我们正试图弄清楚这些元素中的一种或某些元素的存在或不存在对行星更普遍意味着什么，”他补充说。

莱斯大学地质学、地球、环境和行星科学教授Cin-Ty Lee和 Dasgupta 是该研究的合著者。其他共同作者是智利贝尔纳多·奥希金斯大学助理教授圣地亚哥·塔萨拉和加拿大里贾纳大学助理教授莱斯利·罗宾斯，他们均在耶鲁大学从事博士后工作，耶鲁大学地球与科学教授行星科学 Jay Ague，Keller 的博士生导师。

NASA (80NSSC18K0828) 和加拿大自然科学与工程研究委员会 (RGPIN-2021-02523) 支持了这项研究。