Apr 18 2014

Was ein Stein aus der Marra Mamba Banded Iron Formation erzählt

Mehr als 2,6 Milliarden Jahre alt ist dieses Stück Bändereisenerz aus Australien, dass ich im Februar 2014 online bei einem australischen Mineralien- und Fossilienhändler erworben habe. Marra Mamba Tiger Iron, so der recht ungewöhnliche Name, kommt in nur zwei kleinen Lagerstätten der Hamersley Range in der Pilbara Region von Westaustralien vor und wird aufgrund seiner hübschen farblichen Bänderung vor allem als polierter Schmuckstein verkauft. Die Bestandteile des Tigereisens sind Mineralien wie roter Jaspis (Quarz), Radiolarit (Tigeraugenquarz), Hämatit (Fe2O3) und Magnetit  (Fe3O4). Bändereisenerze (Banded Iron Formation, BIF) sind neben der Verwendung als Schmuckstein aber auch sonst von großer wirtschaftlicher Bedeutung und werden heutzutage in großen Mengen industriell abgebaut. Die Vorräte der BIFs werden alleine auf ca. 150 Milliarden Tonnen geschätzt, so dass sie rund dreiviertel der weltweiten Eisenerzvorkommen ausmachen! Die Gebirgsregion der Hamersley Range selber ist übrigens das Hauptabbaugebiet des Eisenerzbergbaus in Australien.

Marra Mamba Tiger Iron aus der Hamerlsley Range in Westaustralien

Marra Mamba Tiger Iron aus der Hamerlsley Range in Westaustralien

Neben der wirtschaftlichen Bedeutung der BIFs, ist aber auch der wissenschaftliche Aspekt interessant, verraten sie doch die Zusammensetzung unserer Atmosphäre und die Entwicklung des Lebens vor Milliarden von Jahren. Bändereisenerze sind nämlich nichts anderes es als eine andere Form der Stromatolithe. Diese schichtförmig aufgebauten Gebilde sind Sedimentgesteine, die durch Bindung von Partikeln und Fällung gelöster Stoffe aufgrund des Stoffwechsels von Mikroorganismen entstehen. Im Jahr 1983 wurden in der Dresser-Formation, die zur Warrawoona-Gruppe im östlichen Teil der Pilbara Region gehört, versteinerte Stromatolithen gefunden, die mit einem Alter von 3,46 Milliarden Jahren zu den ältesten Fossilien der Welt zählen. Auch die mit 3,42 Milliarden Jahre nur unwesentlich jüngeren Stromatolithen aus dem Strelley Pool Chert, findet man in der Pilbara Region. Dieses Gebiet in Westaustralien gehört zum so genannten Pilbara-Kraton, einem sehr alten und stabilen Teil der kontinentalen Lithosphäre. Dieser entstand im Archaikum, zusammen mit dem Kaapvaal-Kraton in Südafrika, vor 3,6 bis 2,7 Milliarden Jahren. Beide Kratone waren früher Bestandteil des Superkontinents Vaalbara, der vor 2,7 Milliarden Jahren im Neoarchaikum bis vor 2,5 Milliarden Jahren im unteren Paläoproterozoikum existierte.

Hamersley Range

Hamersley Range, Pilbara Region, Western Australia (Quelle: Wikipedia)

Wie entstehen eigentlich Bändereisenerze?

Bändereisenerze sind eisenhaltiges marine Sedimentgesteine, die vor allem im Präkambrium abgelagert wurden. Die Gesteine sind schichtförmig aufgebaut und enthalten zahlreiche Lagen Eisenmineralien in Form von Hämatit und Magnetit sowie Silikate, die im Querschnitt als Bänderstrukturen erscheinen. BIF’s entstanden in großen Mengen im Archaikum, vor 3,5 bis 3,0 Milliarden Jahre, und vor allem im frühen Proterozoikum, vor 2,7 bis 2,45 Milliarden Jahren. Aufgrund von Vulkanismus an den Mittelozeanischen Rücken und Tiefseegräben sowie durch Verwitterung an Land, waren die Meere im Präkambrium reich an gelösten zweiwertigem Eisen (Fe2+). Da vor der Entstehung der BIFs noch kein freier Sauerstoff im Meer und in der Atmosphäre vorhanden war, wurde das Eisen nicht sofort zu dreiwertigem Eisen oxidiert und ausgefällt. Das zweiwertige Eisen reicherte sich mit der Zeit an und wurde anschließend durch unterschiedliche Vorgänge gebunden und in dünnen Schichten am Meeresboden abgelagert. Vor 3,8 Milliarden Jahren entwickelte sich das erste Leben auf der Erde. Im Laufe der Evolution entstanden auch Mikroorganismen, die oxygene Photosynthese betrieben. Die Vorfahren der heute lebenden Cyanobaktieren bildeten als „Abfallprodukt“ freien Sauerstoff, der nun das gelöste Eisen im Meer zu dreiwertigem Eisen, was schwer löslich ist, oxidieren und dadurch fällen konnte. Dieser Vorgang der Oxidation verbrauchte den Sauerstoff nahezu vollständig im Meer und verlief zyklisch über mehrere 100 Millionen Jahre. Durch Verfestigung und Umwandlung des Sediments im Laufe der Zeit, entstanden schließlich die Bändereisenerze. Erst als das im Meer gelöste zweiwertige Eisen vollständig aufgebraucht war, konnte der Sauerstoff in die Atmosphäre aufsteigen.
Eine weitere Möglichkeit BIFs entstehen zu lassen, ist die Oxidation des Eisens durch anoxygene phototropher eisenoxidierender Bakterien, die Eisen-II-Ionen als Elektronendonator (Reduktionsmittel) verwenden. Eine rezente Art ist z.B. das Bakterium Rhodobacter ferrooxidans, das auch bei nicht optimalen Lichtbedingungen Eisen oxidieren und in großen Mengen ausfällen kann. Dieses Szenario der anoxygenen Photosynthese ist vor allem im Archaikum wahrscheinlicher, da sich die oxygene Photosynthese erst ab etwa 2,8 Milliarden Jahre in Form von Biomarkern nachweisen lässt. Höchstwahrscheinlich tauchten die ersten Cyanobakterien sogar erst vor rund 2,5 Milliarden Jahren auf – kurz vor dem Sauerstoffanstieg in der Erdatmosphäre. Im Gegensatz zur oxygenen Photosynthese, entstand bei der anoxygenen Photosynthese kein freier Sauerstoff im Meer. Im Gegenzug können gebänderte Eisenerze auch rein anorganisch entstehen, wenn starke UV-Strahlung durch die Wasseroberfläche dringt und das Eisen im Meer photochemisch oxidiert.  Aufgrund des Mangels an freien Sauerstoff in der Atmosphäre, gab es zu dieser Zeit noch keine schützende Ozonschicht, die die UV-Strahlen unserer Sonne hätte blockieren können. Durch diesen Vorgang entstanden wahrscheinlich die 3,8 Milliarden Jahre alten BIFs im Isua Greenstone Belt von Grönland.

Banded Iron Formation

Banded Iron Formation im Karijini-Nationalpark der Hamersley Range, Pilbara, Westaustralien (Quelle: Wikipedia, Flickr, Graeme Churchard from Bristol, UK)

Die „Große Sauerstoffkatastrophe“

Das Auftreten des ersten freien Sauerstoffs im Meer und vor allem in der Atmosphäre wird als die Große Sauerstoffkatastrophe (Great Oxygenation Event, GOE) bezeichnet und fand vor ungefähr 2,4 Milliarden Jahren statt. 100 Millionen Jahre früher kam es zu einer massiven Gebirgsbildung, wobei die Landmasse Laurentia entstand. Schon vorher breiteten sich zunehmend flache Meere aus, die für Mikroorganismen, die Photosynthese betrieben, ideal waren. Der Sauerstoffgehalt des Meeres stieg, selbst im tieferen Ozean, so dass auch ein Großteil der Bändereisenerze in dieser Zeit abgelagert wurde. Gleichzeitig wird vermutet, dass es vor 2,5 Milliarden Jahren zu einer Besiedlung der Gezeitenregion des Meeres sowie das Festlandes durch Cyanobakterien kam,  die den Sauerstoff nun direkt in die Atmosphäre abgaben und gleichzeitig Kohlendioxid aus der Atmosphäre entnahmen. Für die anaeoroben Mikroorganismen war dieser Sauerstoff giftig. So wurden während des GOE zahlreiche Lebensräume der anaeroben Bakterien ausgelöscht. Die Folge war ein Massensterben. Zeitgleich reagierte der Sauerstoff mit dem Methan in der Erdatmosphäre, so dass der Anteil dieses Treibhausgases in der Atmosphäre beständig abnahm. Methan ist aber  ein deutlich stärkeres Treibhausgas als CO2. Weil auch unsere Sonne in dieser Zeit schwächer als heute leuchtete, gingen die Temperatur auf der Erde stark zurück, so dass  selbst die Äquatorregionen nach und nach vereisten. Diese älteste bekannte und längste globale Vereisung der Erde wird Huronische Eiszeit genannt und dauerte mehr als 300 Millionen Jahre! Weitere globale Vereisungen der Erde gab noch in der Periode des Cryogeniums vor 850 bis 630 Millionen Jahren (Schneeball-Erde-Hypothese).
Nach dem Ende der globalen Eiszeit, vor 2,1 Milliarden Jahren, stieg der Sauerstoffgehalt abermals an, wobei der Sauerstoff nun das zweiwertige Eisen auf dem Festland oxidieren konnte. Dadurch entstanden vor allem in der Periode des Orosiriums, vor 2,05 bis 1,8 Milliarden Jahren, zahlreiche Rotsedimente. In jener Zeit ging auch die Bildung der Bändereisenerze stark zurück. Es wird vermutet, dass der Asteroideneinschlag vor 1,85 Milliarden Jahren, der das Sudbury-Becken in Kanada schuf, eine bessere Durchmischung des Ozeans mit Sauerstoff bewirkte und dadurch die Bildung der BIFs unterband. Kleinere Vorkommen an BIFs entstanden dann noch vor 1,0 bis 0,9 Milliarden Jahren in Kanada, Brasilien und Namibia. Seit 900 Millionen Jahren sind keinerlei Bändereisenerze mehr sedimentiert worden.

Info

Marra Mamba Tiger Iron

Typ: Bändereisenerz, Banded Iron Formation (BIF)
Größe: 12,5 cm
Fundort: Pilbara-Region, Hamersley Range, Mt. Brockman, Westaustralien
Alter: Neoarchaikum 2597 ± 5 Millionen  Jahre (SHRIMP)

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