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Donnerstag, 30.03.2017
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Wie entstanden Bändererze?

Frühe Bändererze wurden durch Mikroben abgelagert

Mit bloßem Auge lassen sich in den mehrere hundert Meter mächtigen Erzlagerstätten in Westaustralien und Südafrika wechselnde Schichten von Eisenoxid und Siliziumoxid erkennen. Doch wie kommt es zu solch massiven Eisenerzlagerstätten? Neueste Erkenntnisse aus Tübingen deuten auf ungewöhnliche Verdächtige.
Bändererze

Bändererze

„Bändererze entstehen, wenn wasserlösliches zweiwertiges Eisen zu wasserunlöslichem dreiwertigen Eisen oxidiert und sich als Folge davon am Meeresboden ablagert“, erklärt Andreas Kappler vom Zentrum für Angewandte Geowissenschaften in Tübingen. „Es gibt verschiedene Mechanismen: Entweder ist wie heute freier Sauerstoff vorhanden, der das Eisen chemisch oxidiert oder durch Photooxidation, also durch eine chemische
Reaktion mit ultraviolettem Licht oder es sind anoxische Bakterien im Spiel.“

Sauerstoff scheidet als Verursacher aus


Letzteres vermuten Kappler und seine Mitstreiter für die ältesten Bändererze, die schon vor 3,8 bis 2,2 Milliarden Jahren gebildet wurden. „Auch wenn es große Diskussionen darum gibt, seit wann genau es Sauerstoff auf der Erde gibt, alle sind sich einig, dass es vor 3,8 Milliarden Jahren, zur Zeit der ersten Bildung von Bändererzen noch keinen freien Sauerstoff auf der Erde gab.“ Daher scheidet der von Cyanobakterien produzierte Sauerstoff, der für spätere Lagerstätten als Verursacher gilt, aus.

Bakterien in Vergrößerung

Bakterien in Vergrößerung

Die frühen Bändererze müssen also durch Photooxidation oder durch Mikroben abgelagert worden sein. Photooxidation findet zwar in Frischwasser statt, aber nicht in Salzwasser und kommt so ebenfalls nicht in Frage. Bleiben Mikroben: Anoxygene phototrope Eisenbakterien um genau zu sein. Sie sind die ältesten Organismen, die ihre Energie aus dem Sonnenlicht beziehen. Und sie wandeln dabei zweiwertiges in dreiwertiges Eisen um – benötigen hierzu aber keinen Sauerstoff. Doch die winzigen Bakterien sind bis jetzt noch nicht als Fossilien gefunden worden.


Urozean im Labor


Andreas Kappler und seine Mitstreiter haben jetzt in Experimenten nachgewiesen, dass eine von Bakterien besiedelte Wasserschicht von nur knapp 17 Metern für all das Eisen der frühen Bändererze verantwortlich sein könnte. Sie stellten im Labor die Bedingungen des Urozeans zu dieser Zeit nach – mitsamt Lichtverhältnissen und der vermuteten Konzentration von ca. 25 Milligramm pro Liter an zweiwertigem Eisen im Wasser. Das Eisen stammte übrigens aus Hydrothermalquellen, die damals noch viel reduziertes Eisen aus der Kruste in den Ozean spülten.

Rote Schlieren: von Bakterien umgewandeltes Eisen

Rote Schlieren: von Bakterien umgewandeltes Eisen

Die Bakterien lebten laut der These von Andreas Keppler in einer Schicht zwischen etwa 30 und 110 Metern Wassertiefe, in der genügend Licht und Kohlendioxid von der Wasseroberfläche und genügend Eisen von den Hydrothermalquellen am Meereboden ankamen, um die Bakterien zu versorgen. Die Bakterien dienen in dieser Schicht als Katalysatoren für die Oxidation von zweiwertigem zu dreiwertigem Eisen. Der Nutzen für sie ist, dass sie so Lichtenergie bekommen, um anorganisches Kohlendioxid in organische Kohlenstoffverbindungen zu überführen, aus denen ihre Körper bestehen. Die vorsichtig gerechneten Zahlen belegen, dass eine besiedelte Wasserschicht von etwa 17 Metern Mächtigkeit ausreichen würde, um alles Eisen auszufällen, das aus den Hydrothermalquellen austrat.

Aus dreiwertig mach zweiwertig


Umgewandelt sinkt das unlösliche dreiwertige Eisen zu Boden und reißt dabei in 70 bis 90 Prozent der Fälle die Bakterien mit in die Tiefe. Zerfällt die organische Substanz später am Boden wieder dreht sich der Prozess um: Dabei wird genau so viel dreiwertiges Eisen in zweiwertiges Eisen umgewandelt, wie beim Aufbau der abgesunkenen organischen Substanz ausgefällt wurde. Dies erklärt einerseits den geringen Anteil an organischer Substanz in den Ablagerungen und auch das Vorkommen von Magnetit und Siderit, die zweiwertiges Eisen enthalten und bei diesen Rückwandlungsprozessen entstehen. Es erklärt auch die riesigen Mengen an Eisen die sich am Boden ablagern konnten. Denn die 10 bis 30% dreiwertiges Eisen, die ohne Bakterienbegleitung abgesunken sind, waren es wohl, die zusammen mit einem Teil des wieder gebildeten zweiwertigen Eisens die unglaublich mächtigen Eisenerzvorkommen der frühen Bändererze aufgebaut haben – über unzählige Jahrmillionen.

„Allerdings sind wir davon überzeugt, dass es zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Mechanismen der Bildung gab. Zu späteren Zeiten wird der von den dann vorhandenen Cyanobakterien produzierte Sauerstoff eine Rolle gespielt haben. Wir haben aber jetzt gezeigt, dass kein freier Sauerstoff vorhanden gewesen sein muss, um die frühen Lagerstätten zu erklären“, schließt Andreas Kappler.
(Kirsten Achenbach, DFG-Forschungszentrum Ozeanränder, 02.11.2006 - AHE)
 
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