Rätsel der Bändererze gelöst?

Wie entstanden die Bändererze, die eisenhaltigen, geschichtete Gesteinsformationen aus der Frühzeit unseres Planeten? Bisher gab es viele Theorien, aber wenig Klarheit. Jetzt stellen amerikanische Forscher in „Nature Geoscience“ ein neues Modell vor, dass eine Interaktion von heißer ozeanischer Kruste mit Meerwasser als treibende Kraft sieht.

Heute sind die so genannten Bändererze (BIF) eine der Hauptquellen für die Eisengewinnung. Doch für Geologen sind diese auffallend geschichteten Gesteinsformationen auch wichtige Fenster in die Vergangenheit der Erde. Denn sie entstanden vor 3,8 bis 1,7 Milliarden Jahren auf dem Grund des Ozeans, zu einer Zeit, als der Sauerstoffgehalt in Atmosphäre und Meerwasser sehr niedrig war. Sie bestehen aus alternierenden Schichten von siliziumreichem Hornstein und eisenhaltigen Mineralien wie Hämatit oder Magnetit.

Seit Jahrzehnten ist jedoch der Prozess, der damals zur wechselnden Ablagerung dieser Schichten führte, jedoch umstritten. Die Theorien umfassten saisonale Fluktuationen, Temperaturwechsel oder aber periodische Blüten von Mikroorganismen. Sie alle konnte aber nicht erklären, warum die Bildung der Bändererze vor 1,7 Milliarden Jahren so abrupt stoppte.

Neues Modell der Bändererz-Bildung

Huifang Xu, Professor für Geologie an der Universität von Wisconsin-Madison hat nun gemeinsam mit Yifeng Wang von den Sandia National Laboratories und Enrique Merino von der Indiana Universität ein Modell der Bändererzbildung entwickelt, dass erstmals ein vollständigeres Bild der Umwelt und der Wechselwirkungen von Luft, Wasser und Gestein im Präkambrium liefert. „Sie sind alle verbunden”, erklärt Xu. „Die Lithosphäre beeinflusst die Hydrosphäre, die Hydrosphäre beeinflusst die Atmosphäre und alle zusammen schließlich beeinflussen die Biosphäre der frühen Erde.“

Wechselwirkungen von Gestein und Ozean entscheidend

Das Modell zeigt, das sich die Bändererze bildeten, wenn hydrothermale Flüssigkeiten, entstanden aus Interaktionen zwischen dem Meerwasser und heißer ozeanischer Kruste tief im Mantel der Erde, sich mit dem Meerwasser an der Oberfläche mischten. Diese Vermischung löste die wechselnde Produktion von Eisen- und Silizium-haltigen Mineralen aus, die aus der Lösung ausfielen und sich auf dem Meeresboden ablagerten.

Mit Hilfe einer Reihe von thermodynamischen Kalkulationen ermittelten die Forscher zudem, dass das ozeanische Gestein im Unterschied zur den heutigen ozeaniahen Basalten einen sehr geringen Aluminiumgehalt gehabt haben musste. „Der moderne Meeresgrund besteht aus normalem schwarzem Basalt, wie beispielsweise auf Hawaii. Aber während der damaligen Zeit existierte auch eine seltsame Gesteinsart, Komalit genannt“, erklärt Xu. „Wenn Meerwasser mit dieser Gesteinsart reagierte, erzeugte es gleichen Mengen von Eisen und Silizium – eine Zusammensetzung, die für die Bildung von Bändererz ideal war.“

Die deutlich voneinander abgesetzten Schichten, die in Dicken von zehn Mikrometern bis zu einem Zentimeter variieren, verdanken ihre Entstehung Verschiebungen im Reaktionsgleichgewicht, das mal in Richtung der eisenhaltigen, mal zugunsten des Siliziums ausschlägt. Die Forscher bezeichnen diese Schwankungen auch als Pendeln zwischen zwei Extremen.

Geochemische Änderungen brachten Ende der Bändererz-Ära

Das plötzliche Verschwinden der Bändererze vor rund 1,7 Milliarden Jahren erklären die Wissenschaftler mit einer abrupten Veränderung der geochemischen Bedingungen. Diese Veränderung hatte wahrscheinlich weitreichende Auswirkungen für die physikalische und biologische Umwelt der Erde. So führte das Ende der Bändererzablagerung vermutlich dazu, dass Eisen abbauende Bakterien verschwanden und dafür Schwefel abbauende Mikroben sich ausbreiten konnten. Gleichzeitig könnte die Zunahme von Sauerstoff in der Atmosphäre und im Meerwasser, verbunden mit einer pH-Wert-Änderung dazu beigetragen haben, dass sich allmählich die Lebenswelt etablierte, die letztlich die Basis für die heutige Organismenvielfalt bildete.

(University of Wisconsin, 13.10.2009 – NPO)