Banded iron-formaties

De helft van de wereldwijde productie van ijzer komt van banded iron-formaties. Het ontstaan ervan is mede te danken aan de opkomst van cyanobacteriën. Die bacteriën bestaan nog steeds, terwijl de vorming van BIF’s zo’n miljard jaar terug stopte. Hoe kan dat? 

Paul Overgaag (ONC Parkdreef te Zoetermeer) heeft een vraag over ertsen. Zijn de ijzerertsafzettingen op het Braziliaanse Hoogland banded iron formations (BIF’s)? Er bestond een theorie waarbij cyanobacteriën een belangrijke rol speelden bij het ontstaan ervan, maar is dat nog steeds de gangbare theorie of zijn er modernere inzichten?

De eerste vraag is makkelijk te beantwoorden. De ijzerertsen die in Brazilië gewonnen worden, vooral in de deelstaten Minas Gerais en Pará, zijn inderdaad banded iron-formaties, kortweg BIF’s. Brazilianen gebruiken de term itabiriet, maar het zijn in wezen dezelfde gesteentes als op andere continenten. Zulke BIF’s zijn pakketten die bestaan uit laagjes van afwisselend ijzerhoudende mineralen en zeer fijnkorrelige kwarts (hoornsteen, in het Engels chert). Algemeen wordt aangenomen dat het gaat om gemetamorfoseerde (lees: onder invloed van temperatuur en druk veranderde) sedimentgesteentes die oorspronkelijk in een marien milieu (in zee dus) gevormd zijn. BIF’s komen op alle continenten voor, in Europa bijvoorbeeld in Oekraïne. Wat ze toch zeer interessant maakt, is de timing van de afzetting: de bekende BIF’s zijn voornamelijk gevormd in het late Archaïcum en vroege Proterozoïcum. Ze zijn bijna allemaal 1,85 miljard jaar oud of ouder, al zijn er ook enkele jongere BIF’s gevormd, zo’n 1 miljard jaar geleden. 

Aangezien de BIF’s op allerlei plekken voorkomen, moeten de omstandigheden op aarde ooit erg gunstig zijn geweest voor de vorming van deze gesteentes, zeker als je bedenkt dat er in 2 miljard jaar veel kan gebeuren en veel BIF’s door erosie weer verdwenen zullen zijn. Maar aangezien er helemaal geen jonge varianten bekend zijn en al helemaal geen plekken waar ze nu actief gevormd worden, moet je concluderen dat de omstandigheden nu juist helemaal niet geschikt zijn. Wat is er veranderd? 

Veranderde omstandigheden

Het meest invloedrijke idee daarover kwam in de jaren 1960 van de Amerikaanse geoloog Preston Cloud. Het luidde ongeveer als volgt: op de vroege aarde was er wel een atmosfeer en ook een oceaan, maar in die atmosfeer zat geen moleculaire zuurstof (O2). Er waren immers geen planten of andere organismen die zuurstof aanmaken. Men neemt aan dat die vroege atmosfeer vooral bestond uit stikstof (N2) en kooldioxide (CO2), afkomstig uit vulkanen. Ook zal er ongetwijfeld waterdamp (H2O) in de lucht hebben gezeten. Er waren immers oceanen en er zal dus ook een hydrologische kringloop zijn geweest. 

Stikstof, kooldioxide en water zijn scheikundig niet erg reactief, in tegenstelling tot O2. Als er geen zuurstof is, kan ijzer ook niet gaat roesten. Roest (ijzeroxide) slaat neer, ijzer niet. Het idee was dus: als door verwering ijzer vrijkwam uit het gesteente, bleef het gewoon in het zeewater in oplossing. 

Dat kon doorgaan totdat het leven zich ontwikkelde naar het stadium van de cyanobacteriën. Deze (blauwgroene) bacteriën, die nog steeds bestaan, gebruiken de energie van zonlicht om van water en kooldioxide nieuwe organische materie te maken – net zoals planten in onze tijd dat doen. Fotosynthese dus en daarbij komt zuurstof (O2) vrij. 

Met de opkomst van de cyanobacteriën kwam er dus voor het eerst moleculaire zuurstof in de aardse oceaan. En zodra zo’n zuurstofmolecuul botste op een opgelost ijzeratoom reageerden ze met elkaar tot ijzeroxide. Roest, in feite. Dat is niet oplosbaar in water en sloeg neer op de oceaanbodem. Toen het meeste ijzer op deze manier uit de oceaan verdwenen was, bouwde de concentratie zuurstof zich verder op en kwam deze vanuit de oceaan ook in de atmosfeer terecht. Uiteindelijk veranderde de samenstelling daarvan enorm tot de atmosfeer met ongeveer 20% zuurstof, die wij nu kennen. Deze omslag noemen we de Great Oxygenation Event. Of soms ook: de zuurstofcatastrofe. Het was namelijk een catastrofale ontwikkeling voor de tot dan toe bestaande biosfeer, waarvoor zuurstof giftig was. 

Nieuwe vragen

Klopt dit verhaal uit de jaren 1960 nog steeds? Op hoofdlijnen wel. Dat de meeste BIF’s zijn afgezet voorafgaand aan de toename van zuurstof in de atmosfeer, staat wel vast. Dat cyanobacteriën daar een belangrijke rol in speelden, is ook wel erg aannemelijk. 

De huidige vragen gaan vooral over details. Hoe zit het bijvoorbeeld met de gelaagdheid: de afwisseling van lagen ijzeroxides en kwarts? Had dat te maken met seizoenen, met getijden of met langere schommelingen in de samenstelling van de atmosfeer of is het puur een metamorfe overprint? Wat was de rol van ultraviolette straling, die indertijd (bij gebrek aan O2 was er ook geen ozonlaag van O3) veel dieper in de oceaan kon doordringen? Was het ijzer afkomstig van verweerd gesteente of van mid-oceanische ruggen? En wat was de oorspronkelijke vorm waarin het ijzer op de zeebodem neersloeg? Stopte de BIF-vorming misschien (mede) doordat platen begonnen te schuiven (wat we nu kennen als plaattektoniek), waardoor er wellicht iets veranderde aan de manier waarop ijzer in de oceaan kwam en wel of niet naar de mantel gerecycled werd? En waarom was er ongeveer 1 miljard jaar geleden ineens weer ‘eventjes’ een BIF-vormend milieu op aarde, om daarna definitief te verdwijnen? Dit zijn vooral academische vragen. De mijnbouwsector heeft voorlopig genoeg aan wat er nu bekend is. BIF’s zijn grote formaties, niet moeilijk te vinden of in kaart te brengen. Wereldwijd voorzien ze in 50% van de productie van het cruciale metaal ijzer. Als je bedenkt hoe enorm divers en complex de vorming van veel ertsafzettingen is, zijn de BIF’s eigenlijk wel lekker overzichtelijk.