Was uns alter Sauerstoff über die Entstehung von Eisenerzlagerstätten erzählt.

Magnetit-Apatit-Eisenerzlagerstätten zählen zu den bedeutendsten Eisenerzlagerstätten. Oft werden sie auch nach ihrem bekanntesten Vertreter, den Lagerstätten rund um das nordschwedische Kiruna, als „Kiruna-Typ“ bezeichnet.

Ihr Erz ist besonders hochwertig. So enthält das Erz bei Kiirunavaara beispielsweise durchschnittlich 60 Prozent Eisen. Obwohl sie von großer Bedeutung sind, ist ihre Entstehung immer noch nicht endgültig geklärt. Grundsätzlich gibt es zwei Theorien über ihre Bildung: magmatische oder hydrothermale Bildung.

Sie könnten aus einem phosphorhaltigen Eisenoxidmagma entstanden sein. Dabei wird davon ausgegangen, dass die bei der Bildung eines Diorit-Plutons übrig gebliebene Restschmelze entmischt wurde und eine phosphorhaltige Eisenoxidschmelze absonderte.

Bei der Fraktionierung tholeiitischer Basaltmagmen wird Eisen im Magma angereichert und die Kristallisation von Magnetit findet erst spät statt. Enthält dieses Magma auch noch erhöhte Mengen an Phosphor, wird die Schmelztemperatur von Eisen zusätzlich herabgesetzt und die Entmischung gefördert. Die verbliebene eisenreiche Restschmelze kann dann bis an die Oberfläche gelangen und auch als Lavastrom effusiv austreten.

Andererseits zeigen die Magnetit-Apatit-Lagerstätten aber auch eine deutliche Ähnlichkeit mit IOCG-Lagerstätten (Iron-Oxide Associated Copper-Gold). Diese enthalten lediglich erhöhte Gehalte an Kupfer und Gold sowie Uran und Seltene-Erde-Elemente und etwas weniger Eisen. Diese zählen zu den hydrothermalen Lagerstätten ​[1] .

Einfluss von Evaporiten

Zudem scheinen viele der Magnetit-Apatit-Lagerstätten in engem Zusammenhang mit Ablagerungen von Evaporiten zu stehen [2]. Welche Rolle diese Evaporite bei der Bildung der Lagerstätten genau spielen, ist bislang aber noch unklar. Diese Lücke will eine neue Studie jetzt schließen. Dabei wurde untersucht, ob sich der Sauerstoff in den Magnetiten auf die Aufnahme von Evaporiten in das Magma zurückführen lässt [3].

Evaporite sind Gesteine, die durch die Ausfällung von in Wasser gelösten Mineralen entstehen. Dazu zählen unter anderem die Salze Halit (Steinsalz) und die Sulfate Gips (das Mineral des Jahres 2026) und Anhydrit. Der Sauerstoff der Evaporite stammt aus der Erdatmosphäre und hat damit auch die für die Atmosphäre typische isotopische Zusammensetzung [4] [5].

Dabei ist der Δ´¹⁷O von Sauerstoff aus der Atmosphäre geringer als der von Sauerstoff aus den meisten Gesteinen und magmatischen Fluiden [6] [7]. Allerdings haben sich die Werte für den Luftsauerstoff im Laufe der Entwicklungsgeschichte der Atmosphäre auch verändert [7][8].

Das bedeutet, dass Evaporite aus dem Proterozoikum und Kambrium einen Δ´¹⁷O-Wert von −1000 ppm aufweisen, während Evaporite aus den folgenden Zeitaltern deutlich moderatere Δ´¹⁷O-Werte aufweisen [5]. Daher verändert sich die Empfindlichkeit des Δ´¹⁷O-Wertes als Tracer für den Einfluss von Evaporiten in magmatischen Gesteinen im Laufe der Erdgeschichte.

Evaporite als Sauerstoffquelle

Es wurden verschiedene Vorkommen von Magnetit-Apatit-Lagerstätten untersucht. In mehreren davon konnten hohe Gehalte an atmosphärischem Sauerstoff nachgewiesen werden. Für das Vorkommen von Kiruna lag der Wert bei rund 50 %, vergleichbare Werte wurden jedoch auch für die Vorkommen von Missouri (Pea Ridge und Iron Mountain) sowie Vergenoeg in Südafrika im Bushveld-Komplex ermittelt.

Die extremen Werte, insbesondere für die Lagerstätte bei Kiruna, lassen sich nach Meinung der Autoren am einfachsten durch die Aufnahme von Evaporiten in das ursprüngliche Magma erklären. Dabei assimilierten die ursprünglich silikatischen Magmen große Mengen an Evaporiten. Dabei wurde das ursprünglich zweiwertige Eisen im Magma durch den Sauerstoff im Sulfat oxidiert. Dadurch wurde eine Entmischung der eisenreichen Bestandteile der Schmelze gefördert. Diese eisenreichen Schmelzen bildeten schließlich die bekannten Lagerstätten.

Ein vergleichbarer Prozess dürfte sich an vielen Magnetit-Apatit-Lagerstätten abgespielt haben. Dabei zeigen die älteren proterozoischen Vorkommen deutlich niedrigere Δ´¹⁷O-Werte als Vorkommen, die sich erst nach dem Kambrium gebildet haben. Dies spiegelt gleichzeitig auch die Entwicklungsgeschichte der Erdatmosphäre wider.

Das Leben und das Erz

Ich finde es besonders interessant, dass sich hier eine direkte Verbindung zwischen dem Leben auf der Erde und der Geologie aufzeigt. Wenn man unsere Erde mit den anderen Planeten unseres Sonnensystems vergleicht, stellt man fest, dass sie eine ziemlich einzigartige Erscheinung ist. Viele ihrer geologischen Eigenschaften verschaffen ihr eine Sonderstellung. Und immer wieder zeigt sich, wie sehr das Leben auf der Erde auch die geologische Dynamik beeinflusst. Vielleicht sollten wir, wenn wir das nächste Mal einen unserer vielen eisernen Gegenstände benutzen, den frühen photosynthesetreibenden Zellen einen kurzen Dank abstatten. Denn ohne ihre Hilfe gäbe es die für unser heutiges Leben so wichtigen Lagerstätten vermutlich nicht.

References

• [1] Neukirchen, F. and Ries, G., 2016. Die Welt der Rohstoffe: Lagerstätten, Förderung und wirtschaftliche Aspekte. Springer-Verlag, .
• [2] Bain, W. M.; Steele-MacInnis, M.; Li, K.; Li, L.; Mazdab, F. K. and Marsh, E. E. (2020). A fundamental role of carbonate-sulfate melts in the formation of iron oxide-apatite deposits, Nature Geoscience 13 : 751-757.
• [3] Peters, S. T. M.; Feng, D.; Troll, V. R.; Pack, A.; Tornos, F.; Andersson, U. B.; Lehmann, B. and Di Rocco, T. (2026). Formation of iron oxide-apatite deposits triggered by magmatic assimilation of evaporitic sulfate, Nature Communications 17 : 5930.
• [4] Bao, H. (2015). Sulfate: A time capsule for Earth’s O2, O3, and H2O, Chemical Geology 395 : 108-118.
• [5] Crockford, P. W.; Kunzmann, M.; Bekker, A.; Hayles, J.; Bao, H.; Halverson, G. P.; Peng, Y.; Bui, T. H.; Cox, G. M.; Gibson, T. M.; Wörndle, S.; Rainbird, R.; Lepland, A.; Swanson-Hysell, N. L.; Master, S.; Sreenivas, B.; Kuznetsov, A.; Krupenik, V. and Wing, B. A. (2019). Claypool continued: Extending the isotopic record of sedimentary sulfate, Chemical Geology 513 : 200-225.
• [6] Heidenreich III, J. E. and Thiemens, M. H. (1983). A non‐mass‐dependent isotope effect in the production of ozone from molecular oxygen, The Journal of Chemical Physics 78 : 892-895.
• [7] Young, E. D.; Yeung, L. Y. and Kohl, I. E. (2014). On the Δ17O budget of atmospheric O2, Geochimica et Cosmochimica Acta 135 : 102-125.
• [8] Luz, B.; Barkan, E.; Bender, M. L.; Thiemens, M. H. and Boering, K. A. (1999). Triple-isotope composition of atmospheric oxygen as a tracer of biosphere productivity, Nature 400 : 547-550.