title: Reconstruction of a 3.5-billion-year-old marine environment
Creators: name: Kienle, Sandra
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Die Tomka Formation im Daitari Grünsteingürtel (Singhbhum Kraton, Indien) enthält eine etwa 3,5 Milliarden Jahre alte gebänderte Eisenformation (BIF), welche sich als exzellentes geochemisches Archiv für die Zusammensetzung von präkambrischem Meerwasser erweist. Die Spurenelementzusammensetzung wurde mittels Quadrupol-Massenspektrometer ermittelt und bei der Interpretation der Ergebnisse lag ein besonderer Fokus auf den Metallen der Seltenen Erden. Die individuellen Chert-, Fe- und gemischte Lagen der Tomka BIF weisen eine sehr hohe Reinheit auf, d.h. sehr geringe Konzentrationen an inkompatiblen Elementen wie Al, Hf, Th und Zr auf, welche typischerweise mit detritalen Aluminosilikaten assoziiert sind. Des Weiteren zeigen die Proben auch das typische Muster der Seltenerdelemente und Yttrium (REY, rare earth elements and yttrium) von archaischem Meerwasser und Tonstein-normierten (Index SN) REY-Muster, die modernem Meerwasser bis auf redox-sensitive Elemente wie Ce und Eu sehr ähnlich sind. Es zeigt sich eine Anreicherung von schweren zu leichten REYSN (YbSN/PrSN: 2,67–20,4), positive LaSN (LaSN/La*SN: 1,43–3,43) und GdSN (GdSN/Gd*SN: 1,12–1,64) Anomalien und super-chondritische Y/Ho-Verhältnisse (41,2–66,7). Das Vorhandensein positiver EuSN-Anomalien (EuSN/Eu*SN: 1,37–3,17) weist auf den Einfluss von hydrothermalen hochtemperierten Fluiden im Meerwasser des Ablagerungsumfeldes der Tomka BIF hin. Das Fehlen negativer CeSN-Anomalien (CeSN/Ce*SN: 0,67–1,37) deutet auf anoxische Bedingungen während der BIF-Ablagerung hin. Eine Zusammenstellung von Chondrit-normierten (Index CN) EuCN/Eu*CN-Verhältnissen reiner präkambrischer BIFs zeigt eine globale Entwicklungskurve von Meerwasser, welche im Eoarchäikum stark positive EuCN-Anomalien aufweisen, gefolgt von abnehmenden EuCN/Eu*CN-Verhältnissen bis ins Neoarchäikum. Allerdings fehlten bisher EuCN-Daten in der Zeitspanne um 3,5 Ga. Die EuCN/Eu*CN-Verhältnisse der Tomka Formation, welche in dieses Zeitfenster fallen, folgen nicht der globalen Meerwasser-EuCN-Kurve, sondern zeigen deutlich niedrigere EuCN/Eu*CN-Werte. Diese Werte deuten möglicherweise auf einen weniger ausgeprägten Eintrag von hydrothermalem hochtemperierten REY in den Archäischen Ozean oder zumindest in das Tomka Ablagerungsmilieu vor etwa 3,5 Ga hin. Die EuCN-Systematik könnte auch mit der Geotektonik der frühen Erde in Zusammenhang stehen, wobei die „stagnant lid“ Tektonik ein möglicher vorherrschender Zustand gewesen sein könnte.
description: Iron- and chert-rich layers of the ~3.5 Ga old Banded Iron Formation (BIF) preserved within the Tomka Formation in the Daitari Greenstone Belt (Singhbhum Craton, India) serve as excellent geochemical archives for the composition of Paleoarchean seawater and provide a unique potential to reconstruct ancient marine environments. Trace element compositions of high pressure-high temperature digestions of individual chert-, Fe- and mixed Fe- and chert-microbands were determined via quadrupole ICP-MS. The samples show very low concentrations of incompatible elements such as Al, Hf, Th, and Zr that are typically associated with detrital aluminosilicates. The Tomka BIF samples also show typical shale-normalized (subscript SN) rare earth element and yttrium REYSN patterns of Archean seawater and with the exception of redox-sensitive Ce and Eu also to modern seawater, i.e., enrichment of heavy to light REYSN (YbSN/PrSN: 2.67-20.4), positive LaSN (LaSN/La*SN: 1.43-3.43) and GdSN (GdSN/Gd*SN: 1.12-1.64) anomalies as well as super-chondritic Y/Ho ratios (41.2-66.7). The presence of positive EuSN (EuSN/Eu*SN: 1.37-3.17) anomalies indicate REY contributions from high-temperature hydrothermal fluids in seawater of the Tomka depositional environment. The lack of negative CeSN (CeSN/Ce*SN: 0.67-1.37) anomalies suggests anoxic atmospheric-hydrospheric conditions during BIF deposition. Compiled chondrite-normalized (subscript CN) EuCN data of pure Archean BIFs show that EuCN/Eu*CN ratios of Precambrian seawater follow a general global evolution curve with BIFs displaying strong positive EuCN anomalies in the Eoarchean, followed by decreasing EuCN/Eu*CN ratios until the Neoarchean. EuCN data from seawater archives in the time frame around 3.5 Ga, however, are lacking to date. EuCN/Eu*CN ratios of the Tomka BIF that fall into this time window do not follow the estimated global seawater EuCN curve but show significantly lower EuCN/Eu*CN values. These values may indicate a less pronounced flux of high-temperature hydrothermal REY to the Archean Ocean or at least into the Tomka depositional environment ca. 3.5 Ga ago. The EuCN systematics might be also linked to upper mantle temperatures and the geodynamic evolution of early Earth with stagnant lid tectonics as a possible prevailing tectonic regime.