Raudkvartsiit

Raudkvartsiit on vöödilise tekstuuriga moondekivim. Raudkvartsiit on tähtsaim rauamaak. Raud ei esine ehedalt, vaid magnetiidi või hematiidikihtidena, mis vahelduvad kvartsiidikihtidega. Ehedat rauda on Maal võimalik saada vaid raudmeteoriitidest. Raudkvartsiit tekkis mitme miljardi aasta jooksul Arhaikumis ja Proterosoikumis. Ürgookeani vesi oli suhteliselt rauarikas. Tõenäoliselt hakkasid raualasundid tekkima siis, kui tekkisid esimesed fotosünteesivad organismid, kes elutegevuse jääkproduktina eraldasid hapnikku, mis oksüdeeris vees olevat rauda. Tekkinud ühend sadestus mere põhja, pannes aluse muuhulgas ka meie tsivilisatsioonile, mida ilma raua olemasoluta ette ei kujuta. Rauakoguse vähenedes ookeanivees hakkas tekkima vaba hapnikku sisaldav atmosfäär. Seega on justnimelt rauamaagi moodustumine selleks põhjuseks, miks Maa atmosfäär püsis nii kaua anoksilise ehk vaba hapnikku mitte sisaldavana. Ka Eesti aluskorras leidub magnetiiti sisaldavat rauamaaki (Jõhvi magnetiline anomaalia). Magnetiidi kogus Eesti maapõues on ligikaudu 500 miljonit tonni. Peamiselt suure lasumussügavuse tõttu Eesti magnetiitkvartsiit maavarana esialgu kasutamist ei leia. Raudkvartsiit on looduses tekkinud Eelkambriumis, ajavahemikel 3,8–1,8 ning 0,8–0,6 miljardit aastat tagasi, millest suuremad kogused on moodustunud umbes 2,5 miljardit aastat tagasi. Seoses raudkvartsiidi kõrge vanuse ja sellest tulenevate potentsiaalsete keemiliste ning mineraloogiliste muutustega on geoloogidel olnud raske välja selgitada selle täpseid tekkemehhanisme ning -keskkonda ja algset koostist. Sajandi jooksul on välja pakutud erinevaid raudkvartsiidi tekkemudeleid, muuhulgas vulkaanilisi, settelisi ja evaporiitseid, nii süvamerelises kui mandrilises keskkonnas. Laialdaselt on aktsepteeritud seisukoht, et raudkvartsiidi settimine on otseselt seotud Maa atmosfääri, biosfääri ja geokeemilise arenguga. Raudkvartsiidi tekke jäämine Eelkambriumisse ning selle tänapäevaste analoogide puudumine viitavad sellele, et raudkvartsiit tekkis tingimustes, mis erinevad tänapäevastest. Seega käsitletakse raudkvartsiiti kui vihjet Maa arengu kohta Eelkambriumis. Raudkvartsiiti on tekkeaegade põhjal jaotatud Arhaikumi-Paleoproterosoikumi raudkvartsiidiks ning Neoproterosoikumi raudkvartsiidiks. On välja pakutud, et esimene, intensiivne ja laiaulatuslik tekkeperiood on seotud vaba hapniku tekkimisega atmosfääri, mis põhjustas kahevalentse raua oksüdeerumise kolmevalentseks ning seeläbi raudhüdroksiidide sadestumise veekeskkondades. Teist, lühemat tekkeperioodi on seostatud Neoproterosoikumi jäävaheaegadega, kus toimus intensiivne materjali transport mandritelt ookeanidesse ning sellega raua kuhjumine settekeskkondadesse, kuhu lisandus veel hüdrotermaalse tekkega raud. Keskseks teemaks raudkvartsiidi tekkimise uurimisel on olnud vaba hapniku tekkimine Maal. On diskuteeritud selle üle, kas vanemate raudkvartsiitide tekke ajal on Maal juba vaba hapnikku olnud ning kas seda on olnud raudkvartsiidi settimiseks piisavas koguses. Vaba hapniku puudumisel on looduses teada ainult kaks mehhanismi kahevalentse raua (Fe2+) oksüdeerumiseks kolmevalentseks rauaks (Fe3+). Üheks võimaluseks on raua fotokeemiline oksüdatsioon ultraviolettkiirguse toimel ning teiseks võimaluseks ensümaatiline valgusest sõltuv oksüdeerumine anoksügeensete fototroofsete bakterite abil. Peamised uurimisprobleemid lisaks vaba hapniku küsimusele on raudkvartsiidile iseloomulike vahelduvate raua- ja ränirikaste tekstuurikihtide teke ning räni ja raua algne päritolu. Haruldaste muldmetallide mustrid positiivsete euroopiumianomaaliatega ning vahevööga sarnased neodüümi isotoopkoostised raudkvartsiidis vihjavad, et raud võib olla peamiselt hüdrotermaalse päritoluga. Ränikivi vahekihid võisid tekkida räni otsesel väljasadenemisel amorfse ränigeelina tolleaegsest ränist küllastunud mereveest või koos rauaga räni imendumisel raua oksühüdroksiidi koosseisu. Räni päritoluks tolleaegses merevees pakutakse hüdrotermaalseid allikaid ning kontinentaalset murenemist. Austraalia geoloog Desmond Lascelles tuli 2007. aastal välja teooriaga, mis pakub välja uued võimalused raudkvartsiidi tekke uurimiseks. Selle teooria kohaselt transporditi Arhaikumis ja Paleoproterosoikumis enne vaba hapniku tekkimist atmosfääri anoksilise murenemise tulemusena ookeanidesse suurtes kogustes kahevalentset rauda (Fe2+), millest osa sadestus silikaatide, karbonaatide ja sulfiididena ning osa akumuleerus lahusesse. Ookeani põhjas olevate hüdrotermide kaudu lisandunud raua- ja ränirikkad fluidid tekitasid üleküllastunud lahuse, mis põhjustas raua ja räni väljasadenemise diageneetiliselt ebastabiilsete alumiiniumivaeste hüdraaditud raudsilikaatide ja raudhüdroksiidide kujul. Sellise koostisega kolloidsed rohke veesisaldusega mudakogumid hakkasid ajapikku põhjustama gravitatsioonilisi voole, mis võisid kanda segu kaugete vahemaade taha. Kolloidsüsteemi lagunemisel diageneesi käigus raudoksiidideks, ränikolloidiks ja veeks tekkisid lisaks raudoksiidide kihtidele ränikivi kihid. Selline stsenaarium ei ole tänapäeva tingimustes enam tõenäoline, kuna rohke vaba hapniku esinemine atmosfääris ja ookeanivees sadestab kahevalentse raua kiiresti raudoksiididena ja raudhüdroksiididena lahusest välja. Tänapäeval moodustuvad hüdrotermide toimel raudhüdroksiidide ja hüdraaditud silikaatide kuhjatised, kust levivad kolloidosakesed sadestuvad transporditud setetena, kuid millesse pole piisavalt sügavale puuritud, et rääkida nende diageneetilistest muutustest. Kuigi looduses on võimalik nii kahevalentse raua fotokeemiline oksüdeerumine ultraviolettkiirguse toimel kui ka kahevalentse raua ensümaatiline oksüdeerumine anoksügeensete fototroofsete bakterite abil, pole esimest täheldatud keerulisemates keskkondades nagu merevesi. Seevastu teist stsenaariumit on jälgitud nii mage- kui merevees. Sellises olukorras käitub kahevalentne raud bakterite jaoks elektronide doonorina, mis muudab süsihappegaasi valgusenergia abil biomassiks: 4Fe2+ + CO2 + 11H2O + hυ → [CH2O] + 4Fe(OH)3 + 8H+ Kanada geoloog Kurt Konhauser on koostöös teiste geoloogidega uurinud stsenaariumi võimalikkust raudkvartsiidi tekkel Eelkambriumis eelkõige puuduva või vähese vaba hapniku korral Maal. Eelnevad stratigraafilised uuringud olid näidanud, et Eelkambriumi vöödilise tekstuuriga rauarikkad ränikivid olid tekkinud meres vähemalt 200 m sügavusel, allpool tormilainete baasi, kusjuures rannalähedastel madalamatel aladel, kus tormid ja lained segasid merevett rohkem, tekkis süsinikurikas mustvalge vöödiline ränikivi. Sellised vaatlused viisid järeldusele, et mikrobiaalsete mattide tegevuse tagajärjel tekkinud süsihappegaasirikas tsoon oli oluliselt väiksema rauasisalduse põhjus madalaveelistes keskkondades. Selle teooria kohaselt ei lasknud sügavamale levinud süsihappegaas kahevalentsel raual tõusta madalamatesse veekihtidesse, sadestades raua karbonaatidena välja. Konhauser tegi koostöös teiste geoloogidega hulk katseid, et näidata, et Eelkambriumi kihistunud ookeanide madalamates osades võisid rauavaesuse põhjustada hoopis anoksügeensed kahevalentset rauda oksüdeerivad fototroofid, kes elasid allpool segatud, tsüanobakteritega asustatud veekihte. Tänapäeval asustavad anoksügeensed fototroofid kihistunud veekeskkondi allpool tsüanobakterite tsooni, sest hapnik pärsib nende elutegevust. Tsüanobakterite tsoon ulatub seejuures segatud pindmistest kihtidest kuni tugeva püknokliinini, mis pärsib vee segunemist. Konhauser uuris, kuidas mõjutab valguse vähenemine sügavamates kihtides anoksügeensete fototroofide tegevust kahevalentse raua oksüdeerimisel. Laboris tehtud katsed kahe vastava bakteriliigiga näitasid, et valguse kvantiteedi ja kvaliteedi vähenemine sügavamates veekihtides vähendab lineaarselt nende elutegevust, kuid raud oksüdeerub ka märkimisväärsetel sügavustel, mis looduslikes veekeskkondades võivad jääda allapoole tsüanobakterite tegevuspiirkonda. Kui sarnased organismid juba Eelkambriumis tegutsesid, siis pidi tolleaegne veekeskkond raudkvartsiidi settimiseks olema samuti kihistunud ning püknokliin pidi olema väiksemal sügavusel kui eufootse vööndi ulatus. Konhauser tugines eelnevatele hüpoteesidele ja eeldas, et Eelkambriumi ookeanide kahevalentse raua allikaks on hüdrotermid. Seega vajas järgmisena vastust küsimus, kas tsüanobakterite tsooni all paiknev rauda oksüdeerivate fototroofide kiht võis olla piisav kogu hüdrotermaalse raua oksüdeerimiseks. Selle uurimiseks tehti laboratoorsed katsed, kus mõõdeti bakterite oksüdeerimisvõimet kvantitatiivselt. Jõuti järeldusele, et ka tänapäeva looduslikest tasemetest olulisemalt väiksemate anoksügeensete fototroofsete bakterikolooniate tiheduste puhul on sellised organismid võimelised piisavalt kahevalentset rauda oksüdeerima, et olla Eelkambriumi raudkvartsiitide settimise põhjustajateks. Kokkuvõtvalt viitavad tehtud katsed sellele, et kihistunud Eelkambriumi ookeanides allpool lainebaasi elanud anoksügeensed fototroofid reageerisid muutuvatele tingimustele, eelkõige raua hüdrotermaalse lisandumise kõikumistele, olles puhvertsooniks sügavamal asuva lahustunud kahevalentse raua ja pindmise võimaliku vaba hapniku vahel. Ränikivi vahekihte võib seletada raua lisandumise või selle settimiskohta transportimise perioodiliste seisakutega. C. Klein. Some Precambrian banded iron-formations (BIFs) from around the world: Their age, geologic setting, mineralogy, metamorphism, geochemistry, and origins. American Mineralogist, Volume 90, 2005, pages 1473–1499. D. Lascelles. Black smokers and density currents: A uniformitarian model for the genesis of banded iron-formations. Ore Geology Reviews, Volume 32, Issues 1–2, September 2007, pages 381–411. X. Zhu, H. Tang, X. Sun. Genesis of banded iron formations: A series of experimental simulations. Ore Geology Reviews, Volume 63, December 2014, pages 465–469. F. Basta, A. Maurice, L. Fontboté, P. Favarger. Petrology and geochemistry of the banded iron formation (BIF) of Wadi Karim and Um Anab, Eastern Desert, Egypt: Implications for the origin of Neoproterozoic BIF. Precambrian Research, Volume 187, Issues 3–4, June 2011, pages 277–292. A. Ilyin. Neoproterozoic banded iron formations. Lithology and Mineral Resources, Volume 44, Issue 1, January 2009, pages 78–86. A. Kappler, C. Pasquero, K. Konhauser, D. Newman. Deposition of banded iron formations by anoxygenic phototrophic Fe(II)-oxidizing bacteria. Geology, Volume 33, November 2005, pages 865–868. G. Steinhoefel, F. Blanckenburg, I. Horn, K. Konhauser, N. Beukes, J. Gutzmer. Deciphering formation processes of banded iron formations from the Transvaal and the Hamersley successions by combined Si and Fe isotope analysis using UV femtosecond laser ablation. Geochimica et Cosmochimica Acta, Volume 74, Issue 9, May 2010, pages 2677–2696. K. Konhauser, T. Hamade, R. Raiswell, R. Morris, F. Ferris, G. Southam, D. Canfield. Could bacteria have formed the Precambrian banded iron formations? Geology, Volume 30, Issue 12, December 2002, pages 1079–1082.