Походження утворень з залізної руди

Жорстке Залізо та Бідний в Кислогені Архейський Океан

До приблизно 2,4 мільярда років тому атмосфера Землі та океани кардинально відрізнялися від сучасних, насичених киснем. Вільний молекулярний кисень був практично відсутнім, вироблявся лише в незначних, тимчасових кількостях і швидко споживався реакціями з урахованими вулканічними газами, розчиненими металами та відкритими поверхнями порід. У цьому малокисневому середовищі залізо поводилося зовсім не так, як зараз. Залізо, що надходило з гідротермальних джерел на морському дні та зльоту континентальної ерозії, потрапляло в океан у своїй феросі (Fe2+), а феросіє залізо дуже розчинне у воді, особливо за помірно кислих, безкисневих умов, характерних для глибоких вод Архейського океану. Оскільки ніщо не окислювало його, феросіє залізо не випадало з розчину або опускалося на морське дно так, як це відбувається в сучасних морях. Замість цього воно накопичувалось до надзвичайно високих концентрацій, непомітно розчиняючись у всій водній товщі, особливо у глибоких водних масах, які мало контактували з будь-яким незначним киснем, що існував біля поверхні. Геохіміки оцінюють, що Архейський океан міг містити розчинене залізо в багато порядків величини більше, ніж те, що сьогодні знайдено в океані, по суті перетворюючи глибокі води на величезний, повільно поповнюваний резервуар заліза. Цей резервуар постійно поповнювався двома основними джерелами. Підводна гідротермальна циркуляція в середньо-місячних пагорбах і вулканічних центрах безпосередньо подавала залізомістку флюїд у глибокі води, оскільки надзвичайно гаряча вода, реагуючи з базальтової кори, легко витягувала залізо та інші метали з порід. Континентальна та вулканічна ерозія під низькокислим середовищем також вивільняла залізо з відкритих порід у річки і, зрештою, в море, знову ж таки без окислення, що видаляло його по дорозі. У результаті була встановлена стабільна, довготривала геохімічна умова: океан хімічно підготовлений до випадання величезних кількостей заліза, коли доступний окислювач у достатній, постійній кількості. Цей тригер прийшов у вигляді нової форми життя.

Цианобактерії та початок кисневого фотосинтезу

Переломним моментом у історії BIF є біологічний. Близько 3 мільярдів років тому, можливо навіть раніше, еволюціонували ціанобактерії, які використовують кисневий фотосинтез – метаболічний шлях, що використовує сонячне світло для розкладання молекул води, фіксації вуглекислого газу в органічні речовини та вивільнення вільного кисню як побічного продукту. Це був кардинальний відхід від попередніх форм фотосинтезу, які базувалися на сірчистій кислоті або інших зведених сполуках замість води і не виробляли кисень. Ціанобактерії процвітали у сонячних поверхневих водах мілководних морів, континентальних шельфів та мікробіальних матів, що утворювали строматоліти, а зі зростанням їхніх популяцій вони почали виділяти значні кількості кисню в навколишнє середовище. Ключовим було те, що цей кисень не потребував накопичення в атмосфері для негайного геохімічного впливу локально. У залізомістких поверхневих та ближніх до поверхні водах свіжовидобутий кисень майже миттєво реагував з розчиненим залізом(II) іоні, окислюючи його до заліза(III), яке представлено формулою Fe3+, що є практично нерозчинним у воді. Цей залізо(III) негайно об'єднувався з водою та киснем для формування твердих частинок оксиду та гідроксиду заліза, мікроскопічних кристалів, подібних до іржі, які не могли залишатися розчиненими. Ця реакція функціонувала як надзвичайно ефективний кисневий поглинач, тобто протягом дуже тривалого геологічного періоду величезна кількість розчиненого заліза в океані діючий як хімічний буфер, майже так само швидко поглинав новоутворений біологічний кисень, як тільки ціанобактерії могли його генерувати. Це ключова причина, чому атмосферний кисень не зростав різко протягом сотень мільйонів років, навіть після еволюції кисневого фотосинтезу: залізовий резервуар спочатку потрібно було значно вичерпати. Фактично, розчинене в океані залізо надавало час решті біосфери поглинати та перетворювати найранніші імпульси виробництва біологічного кисню на щось міцне і видиме – твердий мінеральний осад, який осідав на морському дні.

Від підвішених частинок іржі до шаруватої осадової породи дна морського длану

Після окислення залізистого заліза поблизу поверхні або на межі між киснезбагаченою та залізомісткою водною масою, утворені оксиди та гідроксиди заліза (феррит та гематит) діяли як дрібні осадкові зерна. Будучи щільнішими за воду та ефективно нерозчинними, вони повільно опускалися крізь водну колонку, накопичуючись на морському дні у вигляді м’якого, залізобагатного оозу. З плином часу підсипання, стиснення та діагенез ці залізомісткі шари перетворилися на гематитові та магнетитові смуги, що сьогодні спостерігаються у БІФ, іноді з утворенням проміжних залізних карбонатів або залізних силікатів, залежно від місцевої хімії водного середовища. Почергові бліді смуги розповідають доповнюючу історію. Ці шари переважно складаються з чёртіту – дрібнозернистої, кремнієвмісної породи, утвореної кристалізацією діоксиду кремнію. Архейський та ранньопротерозойський океан був надзвичайно багатий на розчинений кремнезем, оскільки організми, що виділяли кремнезем (наприклад, діатомові водорості), ще не розвинулися для зниження концентрації кремнезему в океані до сучасних рівнів. Кременєва кристалізація, здається, відбувалася відносно незалежно від циклу заліза, керована її власною розчинністю та, можливо, температурою або біологічними факторами, що означало, що океан міг відкладати кремнезем-доміновані осади під час інтервалів, коли окислення заліза локально приглушувалося або зменшувалося. Неабияка регулярність banding БІФ, з урахуванням того, що окремі смуги іноді мають лише міліметри товщини та повторюються на метри чи навіть кілометри стратиграфічної товщини, свідчить про те, що ця депоновальна система була циклічною, а не безперервною. Кожна смуга представляє собою дискретний імпульс, коли один процес – осадження заліза або осадження кремнезему – тимчасово домінував у процесі відкладання, перш ніж умови змінювалися і другий процес взяв верх. Помножене на всю утворення, це створило ритмічне, вражаюче регулярне шарування, яке надає смугастим залізним формаціям їх назву та невід’ємний смугастий вигляд у відкладеннях та кернах бурі.”]}*Note: I've used the standard Ukrainian terms for these geological processes and materials.* *I have also aimed for a natural, fluent style appropriate for an educational context.* *The translation has preserved all original information.*

Які Фактори Забезпечували Ритмічне Утворення Смуг

Пояснення точного механізму утворення смуг в BIF залишається активною областю досліджень, і залучаються декілька супутніх гіпотез, а не єдиної остаточної відповіді. Одна з давніх ідей пов’язує це із сезонними циклами, коли тепліші місяці могли сприяти збільшенню біологічної продуктивності та, відповідно, сильнішому осадженню заліза під дією кисню, а холодніші – тихішим умовам, домінантою хімічного осадження кремнезему, створюючи річний ритм, подібний до відкладень у ва Vars, але більшість дослідників зараз вважає, що суворий щорічний сигнал навряд чи пояснює весь діапазон товщини смуг. Друга гіпотеза підкреслює епізодичні цикли цвітіння та зів’янення цианобактерій, коли наявність поживних речовин, таких як імпульси фосфору або мікроелементів, викликали швидке зростання популяцій цианобактерій, які виробляли інтенсивні, але тимчасові спалахи окислення киснем та заліза, після чого відбувалися колапси популяції, коли тихе осадження кремнезему відновлювалося до тих пір, поки умови знову не сприяли цвітінню. Третя механізм зосереджується на фізичному океанічному циркуляції, зокрема на періодичному підійманні з глибини залізобагатого води в більш світліші шари, де були присутні цианобактерії та невеликі кількості кисню. Згідно з цією точкою зору, утворення смуг відображає коливання океанічної стратифікації та змішування, а не лише біологічні цикли, коли імпульси піднятої залізобагатої води періодично поповнювали запас феросі, доступного для окислення поблизу поверхні, чергуючись з тихими інтервалами зменшеного підіймання. У практиці більшість сучасних інтерпретацій розглядають ці механізми як сумісні, а не конкуруючі, оскільки океанічна циркуляція контролює постачання заліза до окислювальних умов, тоді як біологічна продуктивність контролює швидкість і місце, де відбувається фактичне окислення. Різні BIF-утворення, а також різні інтервали в межах одного утворення, можуть відображати різні комбінації цих факторів, що є однією з причин, чому утворення смуг в BIF продовжують інтенсивно вивчати як промінь ранньої океанічної та атмосферної хімії.

Завершення Ери БІФ та їх спадок як залізних руд

БІФ не існували вічно; їх відкладення різко зменшилося після приблизно 1,8 мільярда років тому, і цей спад сам по собі є потужною геологічною епізодою, що свідчить про фундаментальні та постійні зміни в океані та атмосфері. Цей період співпадає з кінцем Великої Окисненої Ери, періоду, який розпочався близько 2,4 мільярда років тому, коли концентрація кисню в атмосфері зросла з незначних домішок до значень, які залишили помітний геохімічний слід у геологічному записі, включаючи зникнення певних мінералів, чутливих до кисню, та появу окислених, червоно-коричневих надр, відомих як червоні шари. З подальшим виробництвом кисню бактеріями блакитним водоростям (ціанобактеріями) протягом сотень мільйонів років, воно поступово пересилило здатність океану пом’якшувати цей кисень шляхом окисного розкладання заліза. Коли розчинене залізо в глибинах океану було значно окислене та вичерпане, і коли кисень почав постійно існувати як в атмосфері, так і у водній товщі, а не відразу споживатися, зникло фундаментальне передумова для формування БІФ. Без великого та поповненого резервуару розчиненого заліза, більше не було масового джерела ферозу, яке б випадало у величезних кількостях, і будь-яке залізо, що потрапляло в океан після цього, швидко окислювалося та опускалося на дно поблизу свого джерела, а не накопичувалося у великих басейнах. Пізніше відбулася менша регенерація відкладень, подібних до БІФ, пов’язана з екстремальними океанами, покритими льодом, в епоху неопротерозових «снігових землі», коли морське крижане покриття тимчасово відокремлювало глибоку воду від атмосферного кисню та дозволяло локальним резервуарам заліза відновлюватися, але ці пізні утворення значно менші за об’ємом, ніж великі археанські та палеопротерозоїдні БІФ. Сьогодні саме ці давні утворення є головною причиною того, чому БІФ мають значення далеко за межами академічної геології: їх товсті, поздовжні шари, багаті на оксид заліза, роблять їх домінуючим глобальним джерелом видобутого залізної руди, тобто практично будь-яка сталь в сучасній інфраструктурі може бути відстежена, зрештою, до того, як залізо невидимо плавало в древньому, кисень-обмеженому морі, перш ніж ціанобактерії витягували його з розчину та закріплювали у камені.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Banded Iron Formation Genesis: Reading Earth's Rusted Diary і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.