新的研究表明，遠古微生物幫助引發了大規模的火山活動。美國萊斯大學（Rice University）的最新研究表明，帶狀鐵質地層是一種沉積岩，具有令人驚嘆的焦橙色、黃色、銀色、棕色和藍黑色地層，可能是地球歷史上一些最大規模火山爆發的催化劑。

這些岩石由氧化鐵組成，很久以前沉入海底，隨著時間的推移凝固成緻密的岩層。新近發表在《自然-地球科學》（Nature Geoscience）上的研究提出，這些富鐵層可能是連接古代地表變化（如光合生命的崛起）與火山活動和板塊構造等行星過程的橋樑。

除了將通常被認為沒有聯繫的行星過程聯繫起來之外，這項研究還可以重塑科學家對地球早期歷史的理解，並讓人們深入了解可能產生遠離太陽系的宜居系外行星的過程。

這項研究的第一作者、萊斯大學地球、環境和行星科學系博士後研究員鄧肯-凱勒（Duncan Keller）說：”這些岩石講述了一個行星環境變化的故事–非常真實。它們體現了大氣和海洋化學的變化。”

鄧肯-凱勒（Duncan Keller）是萊斯大學地球、環境和行星科學系的博士後研究員，也是發表在《自然-地球科學》（Nature Geoscience）上的這項研究的第一作者。圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學

帶狀鐵層是從富含溶解鐵的古海水中直接沉澱下來的化學沉積物。微生物的新陳代謝作用，包括光合作用，被認為促進了這些礦物的沉澱，隨著時間的推移，這些礦物與微晶二氧化矽一起形成了一層又一層。最大的礦床形成於大約25 億年前地球大氣中氧氣的積累。

凱勒解釋說：”這些岩石形成於遠古海洋中，我們知道這些海洋後來被板塊構造過程從側面封閉起來。”

地幔雖然是固體，但其流動速度與指甲生長速度差不多。構造板塊–大陸大小的地殼和最上層地幔–不斷移動，這主要是地幔中熱對流的結果。地球的構造過程控制著海洋的生命週期。他說：”就像今天的太平洋正在閉合一樣–它正在向日本和南美洲的海底俯衝–古代的海洋盆地在構造上遭到了破壞。這些岩石要么被推上大陸並保存下來–我們確實看到一些保存下來的岩石，這就是我們今天看到的岩石的來源–要么被俯衝到地幔中。”

西澳大利亞哈默斯利組的變質帶狀鐵岩層。該岩石距今約25 億年。深色條帶為鐵氧化物（赤鐵礦、磁鐵礦），紅色條帶為含有鐵氧化物包裹體的白堊岩（碧玉），金色條帶為閃石和石英。標本由Cin-Ty Lee 採集。資料來源：Linda Welzenbach-Fries/Rice University

由於含鐵量高，帶狀鐵地層的密度比地幔大，這讓凱勒產生了這樣的疑問：是否俯衝下來的大塊鐵地層一直向下沉降，並在地幔靠近地核頂部的最低區域沉澱下來。在那裡，在巨大的溫度和壓力下，它們的礦物會發生深刻的變化，形成不同的結構。

凱勒說：”關於鐵氧化物在這些條件下的特性，有一些非常有趣的研究。它們可以變得高度導熱和導電。它們中的一些可以像金屬一樣輕易地傳遞熱量。因此，一旦進入下地幔，這些岩石就有可能變成像熱板一樣極易導電的塊狀物。”

凱勒和他的合作者認為，富含俯衝鐵構造的區域可能有助於地幔羽流的形成，地幔羽流是熱岩石在下地幔熱異常上方的上升通道，可以產生巨大的火山，比如形成夏威夷群島的火山。地震學數據顯示，在夏威夷地下有一個地幔上湧的熱通道。想像一下爐灶上的熱點。當鍋中的水沸騰時可以會看到該區域上升的水柱上冒出更多氣泡，地幔羽流就是這種情況的一個巨大版本。

懷俄明州南部的變質帶狀鐵質岩層，顯示出變形和褶皺。該岩石距今約27 億年。深色條帶為鐵氧化物（磁鐵礦、赤鐵礦），黃橙色條帶為含有鐵氧化物包裹體的燧石。

凱勒說：”我們研究了帶狀鐵質地層的沉積年齡和被稱為大型火成岩帶的大型玄武岩噴發事件的年齡，發現兩者之間存在關聯。許多火成岩事件–規模巨大，最大的10次或15次可能足以讓整個地球重現–都是在帶狀鐵質地層沉積之前發生的，間隔時間大約為2.41億年，或多或少為1500萬年。這是一種強烈的相關性，其機制是合理的”。

該研究表明，帶狀鐵質地層首先被捲入下地幔深處，然後影響熱流，推動羽流向數千公里以上的地球表面移動，這中間有一段合理的時間長度。在追溯帶狀鐵形成過程的努力中，凱勒跨越了學科界限，並獲得了意想不到的見解。

凱勒說：”如果在微生物化學改變地表環境之後，早期海洋中發生的一切最終在2.5億年後在地球其他地方造成了巨大的熔岩噴湧，這意味著這些過程是相互關聯和’對話’的。這也意味著，相關過程的長度尺度有可能遠遠超過人們的預期。為了能夠推斷出這一點，我們不得不利用來自礦物學、地球化學、地球物理學和沈積學等許多不同領域的數據。”

凱勒希望這項研究能夠推動進一步的研究。他說：”我希望這能激勵它所涉及的不同領域的人們。”我認為，如果這能讓人們以新的方式互相討論地球系統的不同部分是如何联系在一起的，那將是一件非常酷的事情”。

凱勒是CLEVER Planets 的成員之一： CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets”計劃的一部分，這是一個跨學科、跨機構的科學家小組，由萊斯大學地球、環境和行星科學系地球系統科學W. Maurice Ewing 教授Rajdeep Dasgupta 領導。

這是一次跨學科的合作，我們正在研究對生物學非常重要的揮發性元素–碳、氫、氮、氧、磷和硫–在行星中的表現，研究行星是如何獲得這些元素的，以及它們在使行星適宜居住的潛在過程中發揮的作用。

他補充說：”我們把地球作為最好的例子，但我們正試圖找出其中一種或某些元素的存在或不存在對更普遍的行星意味著什麼。”