新的研究表明，远古微生物帮助引发了大规模的火山活动。美国莱斯大学（Rice University）的最新研究表明，带状铁质地层是一种沉积岩，具有令人惊叹的焦橙色、黄色、银色、棕色和蓝黑色地层，可能是地球历史上一些最大规模火山爆发的催化剂。

这些岩石由氧化铁组成，很久以前沉入海底，随着时间的推移凝固成致密的岩层。新近发表在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）上的研究提出，这些富铁层可能是连接古代地表变化（如光合生命的崛起）与火山活动和板块构造等行星过程的桥梁。

除了将通常被认为没有联系的行星过程联系起来之外，这项研究还可以重塑科学家对地球早期历史的理解，并让人们深入了解可能产生远离太阳系的宜居系外行星的过程。

这项研究的第一作者、莱斯大学地球、环境和行星科学系博士后研究员邓肯-凯勒（Duncan Keller）说："这些岩石讲述了一个行星环境变化的故事--非常真实。它们体现了大气和海洋化学的变化。"

邓肯-凯勒（Duncan Keller）是莱斯大学地球、环境和行星科学系的博士后研究员，也是发表在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）上的这项研究的第一作者。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

带状铁层是从富含溶解铁的古海水中直接沉淀下来的化学沉积物。微生物的新陈代谢作用，包括光合作用，被认为促进了这些矿物的沉淀，随着时间的推移，这些矿物与微晶二氧化硅一起形成了一层又一层。最大的矿床形成于大约 25 亿年前地球大气中氧气的积累。

凯勒解释说："这些岩石形成于远古海洋中，我们知道这些海洋后来被板块构造过程从侧面封闭起来。"

地幔虽然是固体，但其流动速度与指甲生长速度差不多。构造板块--大陆大小的地壳和最上层地幔--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。他说："就像今天的太平洋正在闭合一样--它正在向日本和南美洲的海底俯冲--古代的海洋盆地在构造上遭到了破坏。这些岩石要么被推上大陆并保存下来--我们确实看到一些保存下来的岩石，这就是我们今天看到的岩石的来源--要么被俯冲到地幔中。"

西澳大利亚哈默斯利组的变质带状铁岩层。该岩石距今约 25 亿年。深色条带为铁氧化物（赤铁矿、磁铁矿），红色条带为含有铁氧化物包裹体的白垩岩（碧玉），金色条带为闪石和石英。标本由 Cin-Ty Lee 采集。资料来源：Linda Welzenbach-Fries/Rice University

由于含铁量高，带状铁地层的密度比地幔大，这让凯勒产生了这样的疑问：是否俯冲下来的大块铁地层一直向下沉降，并在地幔靠近地核顶部的最低区域沉淀下来。在那里，在巨大的温度和压力下，它们的矿物会发生深刻的变化，形成不同的结构。

凯勒说："关于铁氧化物在这些条件下的特性，有一些非常有趣的研究。它们可以变得高度导热和导电。它们中的一些可以像金属一样轻易地传递热量。因此，一旦进入下地幔，这些岩石就有可能变成像热板一样极易导电的块状物。"

凯勒和他的合作者认为，富含俯冲铁构造的区域可能有助于地幔羽流的形成，地幔羽流是热岩石在下地幔热异常上方的上升通道，可以产生巨大的火山，比如形成夏威夷群岛的火山。地震学数据显示，在夏威夷地下有一个地幔上涌的热通道。想象一下炉灶上的热点。当锅中的水沸腾时可以会看到该区域上升的水柱上冒出更多气泡，地幔羽流就是这种情况的一个巨大版本。

怀俄明州南部的变质带状铁质岩层，显示出变形和褶皱。该岩石距今约 27 亿年。深色条带为铁氧化物（磁铁矿、赤铁矿），黄橙色条带为含有铁氧化物包裹体的燧石。

凯勒说："我们研究了带状铁质地层的沉积年龄和被称为大型火成岩带的大型玄武岩喷发事件的年龄，发现两者之间存在关联。许多火成岩事件--规模巨大，最大的10次或15次可能足以让整个地球重现--都是在带状铁质地层沉积之前发生的，间隔时间大约为2.41亿年，或多或少为1500万年。这是一种强烈的相关性，其机制是合理的"。

该研究表明，带状铁质地层首先被卷入下地幔深处，然后影响热流，推动羽流向数千公里以上的地球表面移动，这中间有一段合理的时间长度。在追溯带状铁形成过程的努力中，凯勒跨越了学科界限，并获得了意想不到的见解。

凯勒说："如果在微生物化学改变地表环境之后，早期海洋中发生的一切最终在2.5亿年后在地球其他地方造成了巨大的熔岩喷涌，这意味着这些过程是相互关联和'对话'的。这也意味着，相关过程的长度尺度有可能远远超过人们的预期。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够推动进一步的研究。他说："我希望这能激励它所涉及的不同领域的人们。"我认为，如果这能让人们以新的方式互相讨论地球系统的不同部分是如何联系在一起的，那将是一件非常酷的事情"。

凯勒是 CLEVER Planets 的成员之一： CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets"计划的一部分，这是一个跨学科、跨机构的科学家小组，由莱斯大学地球、环境和行星科学系地球系统科学 W. Maurice Ewing 教授 Rajdeep Dasgupta 领导。

这是一次跨学科的合作，我们正在研究对生物学非常重要的挥发性元素--碳、氢、氮、氧、磷和硫--在行星中的表现，研究行星是如何获得这些元素的，以及它们在使行星适宜居住的潜在过程中发挥的作用。

他补充说："我们把地球作为最好的例子，但我们正试图找出其中一种或某些元素的存在或不存在对更普遍的行星意味着什么。"