Was ein Stein aus der Marra Mamba Banded Iron Formation erzählt

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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)

Andreas

Andreas Schnabel war bis zum Ende der Astronomie-Zeitschrift "Abenteuer Astronomie" im Jahr 2018 als Kolumnist tätig und schrieb dort über die aktuell sichtbaren Kometen. Neben Astronomie, betreibt der Autor des Blogs auch Fotografie und zeige diese Bilder u.a. auf Flickr.

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