Rautavyöhykkeet (BIF): Prekambrin rautaoksidikerrostumat
Tutustu Rautavyöhykkeet (BIF):n prekambrisiin rautaoksidikerrostumiin, niiden geologiaan, ikään ja merkitykseen maapallon varhaisessa historiassa.
Rautavyöhykemuodostumat (Banded Iron Formations, BIF) ovat omaleimainen ja helposti tunnistettava kivilaji, jota esiintyy usein prekambrisissa sedimenttikivissä. Ne rakentuvat toistuvista ohuista rautaoksidikerroksista, joissa yleisimmät rautaoksidit ovat magnetiitti (Fe3O4) ja hematiitti (Fe2O3), jotka vuorottelevat rautapitoisten liuske- ja piikivikaistojen (chert, jasper) kanssa. Rautakerrostumat ovat yleinen piirre sedimenteissä suuressa osassa maapallon varhaishistoriaa, ja jotkin vanhimmista tunnetuista kerrostumista ovat muodostuneet yli 3,7 miljardia vuotta sitten.
Muodostumisprosessi
Rautavyöhykkeet syntyivät pääosin merellisissä ympäristöissä, joissa vedessä liuenneena ollut raudan (Fe2+) hapettuminen ja saostuminen muodosti rautaoksideja. Keskeisiä tekijöitä olivat:
- Kemiallinen saostuminen: hydrotermisistä lähteistä peräisin oleva liuennut rauta reagoi ja saostui veden olosuhteiden muuttuessa.
- Biologinen hapetus: fotosynteettiset mikro-organismit (esim. syanobakteerit) ja mahdollisesti rautaoksidoivia bakteereja osallistuivat raudan hapettumiseen ja saostumiseen.
- Toistuvat ympäristömuutokset: kausiluonteiset, mikroilmiöihin liittyvät tai tektoniset vaihtelut aiheuttivat vuorottelua rauta- ja piikerrosten välillä, mikä näkyy BIFien tyypillisenä poikkileikkauskuviona.
Ikä ja geologinen merkitys
Suurin osa rautavyöhykkeistä on varhaisproterozooiselta ja arkeeiselta ajalta (noin 3,8–1,8 Ga). Ne ovat keskeinen todiste maapallon varhaisen ilmakehän ja kuoressa tapahtuneista muutoksista, erityisesti hapen määrän kasvusta (ns. Great Oxidation Event noin 2,4–2,3 Ga). BIFien synty ja myöhempi harvinaistuminen liittyvät ilmasto- ja kemiallisiin muutoksiin, muun muassa siihen, että vapaata happea alettiin kertyä ilmakehään ja meriin, minkä seurauksena rautaa ei enää liukene samoissa määrin pitkiä aikoja.
Rakenteet ja mineraalikoostumus
Rautavyöhykkeet esiintyvät eri mittakaavoissa: ohuina kerroksina millimetreistä senttimetreihin tai paksuina kilometrejäkin käsittävinä yksiköinä. Tyypillisiä komponentteja ovat:
- Rautaoksidit: magnetiitti (Fe3O4), hematiitti (Fe2O3) ja joskus goetiitti.
- Piidioksidi: chert/jasper, joka antaa BIFeille usein punertavan tai monivärisen ulkonäön.
- Vähemmässä määrin kerrostuneita hienojakoisia savi- ja hiukkaskemiaa.
Tulkinnat ja hyötykäyttö
Rautavyöhykkeet ovat paitsi geologisesti merkittäviä myös taloudellisesti tärkeitä: monet suuret rautamalmit ovat peräisin BIFeistä. Tunnettuja malmialueita ja kaivoksia on esimerkiksi Australian Pilbarassa ja Hamersleyssa, Etelä-Afrikan Transvaalissa, Pohjois-Amerikan Lake Superiorin alueella sekä Brasilian ja Venäjän vanhoissa kuoressa. BIFeistä saatava raudantuotanto on ollut perusta suurelle osalle teollista rautatuotantoa.
Geokemialliset ja paleobiologiset merkkiaineet
Rautavyöhykkeiden kemiallinen koostumus, isotooppisuhteet ja kerrostusrakenne tarjoavat tiedonlähteen varhaisen Maan ilmakehän, merien ja biosfäärin kehityksestä. Esimerkiksi rauta- ja deoksi-isotoopit sekä harvinaisten maametallien profiilit auttavat erottamaan biologisia ja abioottisia muodostumismekanismeja.
Nykyiset analogit ja tutkimus
Suuria uusia BIFeja ei merkittävästi synny nykymaapallolla, koska happipitoisuus estää laajoja liuenneen raudan kertymisiä. Tutkijat etsivät kuitenkin elintärkeitä analogioita nykyaikaisista rauta-saostumista esimerkiksi syvällä meressä, kuumavesilähteiden ympärillä ja järvissä, ja käyttävät BIFejä ymmärtääkseen sekä alkukantaisen elämän että maapallon suuria ympäristömuutoksia.
2,1 miljardia vuotta vanha rautamuodostuma
Rautamuodostelma, Karijinin kansallispuisto, Länsi-Australia
Suhde ilmakehän happipitoisuuteen
Muodostumat ovat runsaita suuren hapettumisen tapahtuman aikaan, 2 400 mya. Ne vähenevät 1 800 mya:n jälkeen.
Rautapitoisiin kerrostumiin lukittuneen hapen kokonaismäärän arvioidaan olevan ehkä kaksikymmenkertainen maapallon nykyilmakehässä olevaan happimäärään verrattuna. Rautavaltaiset kerrostumat ovat tärkeä kaupallinen rautamalmin lähde, kuten Länsi-Australian Pilbaran alue, Animikie-ryhmä Minnesotassa ja Carajás Mineral Province Brasiliassa.
Lähikuvassa raudan muodostumisnäyte Upper Michiganista. Mittakaavapalkki on 5,0 mm.
Origins
Perinteisen käsityksen mukaan rautaisten kaistaleiden kerrostumat muodostuivat merivedessä fotosynteettisten syanobakteerien vapauttaman hapen seurauksena. Tämä yhdistyi maapallon valtameriin liuenneen raudan kanssa muodostaen liukenemattomia rautaoksideja. Nämä saostuivat ja muodostivat ohuen kerroksen alustalle, joka saattoi olla hapetonta mutaa (muodostaen liuskekiveä ja piikiveä). Kukin kaistale on samanlainen kuin varve: kaistaleiden oletetaan johtuvan käytettävissä olevan hapen syklisistä vaihteluista.
Oletetaan, että maapallon happamiin meriin liuennut rauta on alun perin ollut valtavia määriä maapallolla. Rauta on paljon liukoisempaa kuin sen oksidit.
Kun fotosynteettiset eliöt tuottivat happea, maapallon valtamerissä oleva rauta saostui lopulta rautaoksideiksi.
Käännekohdassa, jossa valtameristä tuli pysyvästi hapekkaita, pienet vaihtelut hapentuotannossa aiheuttivat pintavesissä vapaan hapen pulsseja, jotka vuorottelivat rautaoksidilaskeuman pulssien kanssa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä ovat kaistamaiset rautamuodostumat?
V: Kaistamaiset rautamuodostumat (Banded Iron Formations, BIF) ovat kivilaji, jota esiintyy prekambrisissa sedimenttikivissä. Ne koostuvat vuorottelevista ohuista rautaoksidikerroksista, kuten magnetiitista ja hematiitista, ja liuske- ja chert-kaistaleista.
Kysymys: Kuinka vanhoja ovat rautakaistamuodostumat?
V: Jotkin vanhimmista tunnetuista rautamuodostumista muodostuivat yli 3700 miljoonaa vuotta sitten (mya).
K: Mistä alkuaineista vyöhykkeiset rautamuodostumat koostuvat?
V: Rautavyöhykemuodostumat koostuvat vuorottelevista ohuista rautaoksidikerroksista, kuten magnetiitista ja hematiitista, sekä liuske- ja piikivikaistaleista.
Kysymys: Ovatko rautasäiemuodostumat yleisiä maapallon varhaishistoriassa?
V: Kyllä, ne ovat yleinen piirre sedimenteissä suuressa osassa maapallon varhaishistoriaa.
K: Mikä on magnetiitin kemiallinen kaava?
V: Magnetiitin kemiallinen kaava on Fe3O4.
K: Mikä on hematiitin kemiallinen kaava?
V: Hematiitin kemiallinen kaava on Fe2O3.
Kysymys: Missä esiintyy rautakaistamaisia muodostumia? V: Banded Iron -muodostumia voi esiintyä prekambrisissa sedimenttikivissä.
Etsiä