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Formación de hierro bandeado

Una roca de 2.100 millones de años de América del Norte que muestra la formación de hierro bandeado, se exhibe en Dresde , Sajonia , Alemania

Las formaciones de hierro bandeado ( BIF , por sus siglas en inglés; también llamadas formaciones de hierro bandeado ) son unidades distintivas de roca sedimentaria que consisten en capas alternas de óxidos de hierro y sílex pobre en hierro . Pueden tener hasta varios cientos de metros de espesor y extenderse lateralmente por varios cientos de kilómetros. Casi todas estas formaciones son de edad precámbrica y se cree que registran la oxigenación de los océanos de la Tierra . Algunas de las formaciones rocosas más antiguas de la Tierra, que se formaron hace unos 3.700 millones de años ( Ma ), están asociadas con formaciones de hierro bandeado.

Se cree que las formaciones de hierro bandeado se formaron en el agua del mar como resultado de la producción de oxígeno por parte de las cianobacterias fotosintéticas . El oxígeno se combinó con el hierro disuelto en los océanos de la Tierra para formar óxidos de hierro insolubles, que se precipitaron y formaron una capa delgada en el fondo del océano. Cada banda es similar a una varva , que resulta de variaciones cíclicas en la producción de oxígeno.

Las formaciones de hierro bandeado se descubrieron por primera vez en el norte de Michigan en 1844. Las formaciones de hierro bandeado representan más del 60 % de las reservas mundiales de hierro y proporcionan la mayor parte del mineral de hierro que se extrae actualmente. La mayoría de las formaciones se pueden encontrar en Australia , Brasil , Canadá , India , Rusia , Sudáfrica , Ucrania y Estados Unidos .

Descripción

Formación de hierro bandeado del cinturón de rocas verdes de Barberton , Sudáfrica

Una formación típica de hierro en bandas consiste en capas delgadas repetidas (de unos pocos milímetros a unos pocos centímetros de espesor) de óxidos de hierro de plata a negro , ya sea magnetita (Fe 3 O 4 ) o hematita (Fe 2 O 3 ), alternando con bandas de sílex pobre en hierro , a menudo de color rojo, de espesor similar. [1] [2] [3] [4] Una sola formación de hierro en bandas puede tener hasta varios cientos de metros de espesor y extenderse lateralmente por varios cientos de kilómetros. [5]

La formación de hierro bandeado se define con mayor precisión como roca sedimentaria precipitada químicamente que contiene más del 15% de hierro . Sin embargo, la mayoría de las BIF tienen un mayor contenido de hierro, típicamente alrededor del 30% en masa, de modo que aproximadamente la mitad de la roca son óxidos de hierro y la otra mitad es sílice. [5] [6] El hierro en las BIF se divide aproximadamente en partes iguales entre la forma férrica más oxidada, Fe(III), y la forma ferrosa más reducida , Fe(II), de modo que la relación Fe(III)/Fe(II+III) varía típicamente de 0,3 a 0,6. Esto indica un predominio de magnetita, en la que la relación es 0,67, sobre hematita, para la que la relación es 1. [4] Además de los óxidos de hierro (hematita y magnetita), el sedimento de hierro puede contener los carbonatos ricos en hierro siderita y ankerita , o los silicatos ricos en hierro minnesotaíta y greenalita . La mayoría de los BIF son químicamente simples y contienen poco más que óxidos de hierro, sílice y carbonato en menor cantidad, [5] aunque algunos contienen cantidades significativas de calcio y magnesio, hasta un 9% y un 6,7% como óxidos respectivamente. [7] [8]

Cuando se utiliza en singular, el término formación de hierro bandeado se refiere a la litología sedimentaria que se acaba de describir. [1] La forma plural, formaciones de hierro bandeado, se utiliza de manera informal para referirse a unidades estratigráficas que consisten principalmente en formación de hierro bandeado. [9]

Una formación de hierro bandeado bien conservada consiste típicamente en macrobandas de varios metros de espesor que están separadas por capas delgadas de esquisto . Las macrobandas a su vez están compuestas de capas alternas características de sílex y óxidos de hierro, llamadas mesobandas , que tienen un espesor de varios milímetros a unos pocos centímetros. Muchas de las mesobandas de sílex contienen microbandas de óxidos de hierro que tienen menos de un milímetro de espesor, mientras que las mesobandas de hierro son relativamente monótonas. Las BIF tienden a ser extremadamente duras, resistentes y densas, lo que las hace altamente resistentes a la erosión, y muestran finos detalles de estratificación a grandes distancias, lo que sugiere que se depositaron en un entorno de muy baja energía; es decir, en aguas relativamente profundas, sin perturbaciones por el movimiento de las olas o las corrientes. [2] Las BIF rara vez se interrelacionan con otros tipos de rocas, y tienden a formar unidades discretas muy delimitadas que nunca se gradúan lateralmente hacia otros tipos de rocas. [5]

Primer plano de un espécimen de formación de hierro bandeado del Alto Michigan

Las formaciones de hierro bandeado de la región de los Grandes Lagos y la Formación Frere del oeste de Australia son algo diferentes en carácter y a veces se describen como formaciones de hierro granular o GIF . [7] [5] Sus sedimentos de hierro son de carácter granular a oolítico , formando granos discretos de aproximadamente un milímetro de diámetro, y carecen de microbandas en sus mesobandas de sílex. También muestran mesobandas más irregulares, con indicaciones de ondulaciones y otras estructuras sedimentarias , y sus mesobandas no se pueden rastrear a gran distancia. Aunque forman unidades discretas bien definidas, estas suelen estar intercaladas con sedimentos epiclásticos de grano grueso a medio (sedimentos formados por la meteorización de la roca). Estas características sugieren un entorno deposicional de mayor energía , en aguas menos profundas perturbadas por los movimientos de las olas. Sin embargo, por lo demás se parecen a otras formaciones de hierro bandeado. [7]

Sección delgada de una formación de hierro bandeado del Neoproterozoico de Australia

La gran mayoría de las formaciones de hierro bandeado son de edad Arcaica o Paleoproterozoica . Sin embargo, una pequeña cantidad de BIF son de edad Neoproterozoica y con frecuencia [8] [10] [11], si no universalmente [12] , se asocian con depósitos glaciares, que a menudo contienen dropstones glaciares . [8] También tienden a mostrar un mayor nivel de oxidación, con hematita prevaleciendo sobre magnetita, [10] y típicamente contienen una pequeña cantidad de fosfato, alrededor del 1% en masa. [10] La mesobanda es a menudo pobre o inexistente [13] y las estructuras de deformación de sedimentos blandos son comunes. Esto sugiere una deposición muy rápida. [14] Sin embargo, al igual que las formaciones de hierro granular de los Grandes Lagos, las ocurrencias Neoproterozoicas se describen ampliamente como formaciones de hierro bandeado. [8] [10] [14] [4] [15] [16]

Las formaciones de hierro bandeado son distintas de la mayoría de las formaciones de hierro fanerozoico . Las formaciones de hierro bandeado son relativamente raras y se cree que se depositaron en eventos anóxicos marinos , en los que la cuenca deposicional se quedó sin oxígeno libre . Están compuestas de silicatos y óxidos de hierro sin sílex apreciable pero con un contenido significativo de fósforo , que falta en los BIF. [11]

Ningún esquema de clasificación para las formaciones de hierro bandeado ha ganado una aceptación completa. [5] En 1954, Harold Lloyd James abogó por una clasificación basada en cuatro facies litológicas (óxido, carbonato, silicato y sulfuro) que se suponía que representaban diferentes profundidades de deposición, [1] pero este modelo especulativo no se sostuvo. [5] En 1980, Gordon A. Gross abogó por una doble división de las BIF en un tipo Algoma y un tipo Lago Superior, basado en el carácter de la cuenca deposicional. Las BIF de Algoma se encuentran en cuencas relativamente pequeñas en asociación con grauvacas y otras rocas volcánicas y se supone que están asociadas con centros volcánicos. Las BIF del Lago Superior se encuentran en cuencas más grandes en asociación con esquistos negros, cuarcitas y dolomías , con tobas relativamente menores u otras rocas volcánicas, y se supone que se formaron en una plataforma continental . [17] Esta clasificación ha sido más ampliamente aceptada, pero el hecho de no apreciar que se basa estrictamente en las características de la cuenca deposicional y no en la litología del BIF en sí ha llevado a confusión, y algunos geólogos han abogado por su abandono. [2] [18] Sin embargo, la clasificación en tipos Algoma versus Lago Superior continúa utilizándose. [19] [20]

Aparición

Abundancia de formaciones de hierro bandeado en el registro geológico. El color indica el tipo dominante. Rojo = formaciones arcaicas más antiguas; verde = formaciones de Gondwana Mayor; azul = formaciones de hierro granular; negro = formaciones de Tierra Bola de Nieve . Adaptado de Trendall 2002.
La formación de hierro bandeado se encuentra en la Tierra.
Formación de hierro bandeado
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Formación de hierro bandeado
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Ubicación de las apariciones. El color indica el tipo dominante. Amarillo claro = formaciones arcaicas más antiguas; amarillo oscuro = formaciones del Gran Gondwana; marrón = formaciones de hierro granular; rojo = formaciones de Tierra Bola de Nieve.

Las formaciones de hierro bandeado son casi exclusivamente precámbricas , y la mayoría de los depósitos datan del Arcaico tardío (2800-2500 Ma) con un pico secundario de deposición en el período Orosiriano del Paleoproterozoico (1850 Ma). Se depositaron cantidades menores en el Arcaico temprano y en el Neoproterozoico (750 Ma). [5] [4] La formación de hierro bandeado más joven conocida es una formación del Cámbrico temprano en el oeste de China. [16] Debido a que los procesos por los cuales se forman los BIF parecen estar restringidos a un tiempo geológico temprano y pueden reflejar condiciones únicas del mundo Precámbrico, han sido estudiados intensivamente por los geólogos. [5] [4]

Las formaciones de hierro bandeado se encuentran en todo el mundo, en cada escudo continental de cada continente. Los BIF más antiguos están asociados con cinturones de piedra verde e incluyen los BIF del Cinturón de Piedra Verde de Isua , el más antiguo conocido, que tienen una edad estimada de 3700 a 3800 Ma. [5] [21] Los depósitos de hierro bandeado de Temagami [22] se formaron durante un período de 50 millones de años, de 2736 a 2687 Ma, y alcanzaron un espesor de 60 metros (200 pies). [23] Otros ejemplos de BIF arcaicos tempranos se encuentran en los cinturones de piedra verde de Abitibi , los cinturones de piedra verde de los cratones de Yilgarn y Pilbara , el escudo báltico y los cratones del Amazonas , el norte de China y el sur y oeste de África. [5]

Las formaciones de hierro bandeado más extensas pertenecen a lo que AF Trendall llama los Grandes BIF de Gondwana . Estos son del Arcaico tardío y no están asociados con cinturones de piedra verde. Están relativamente poco deformados y forman extensas mesetas topográficas, [2] como la Cordillera Hamersley . [24] [25] [26] Las formaciones de hierro bandeado aquí se depositaron entre 2470 y 2450 Ma y son las más gruesas y extensas del mundo, [4] [27] con un espesor máximo de más de 900 metros (3000 pies). [7] Se encuentran BIF similares en la Formación Carajás del cratón del Amazonas, la Itabirita Cauê del cratón de São Francisco , la Formación de Hierro Kuruman y la Formación de Hierro Penge de Sudáfrica, y la Formación Mulaingiri de la India . [5]

Las formaciones de hierro bandeado del Paleoproterozoico se encuentran en la Cordillera de Hierro y otras partes del Escudo Canadiense . [5] La Cordillera de Hierro es un grupo de cuatro depósitos principales: la Cordillera Mesabi , la Cordillera Vermilion , la Cordillera Gunflint y la Cordillera Cuyuna . Todos son parte del Grupo Animikie y se depositaron entre 2500 y 1800 Ma. [28] Estas formaciones de hierro bandeado son predominantemente formaciones de hierro granular. [5]

Las formaciones de hierro bandeado del Neoproterozoico incluyen el Urucum en Brasil, el Rapitan en el Yukón y el Cinturón de Damara en el sur de África. [5] Son relativamente limitadas en tamaño, con extensiones horizontales de no más de unas pocas decenas de kilómetros y espesores de no más de unos 10 metros (33 pies). [10] Se cree ampliamente que se depositaron bajo condiciones oceánicas anóxicas inusuales asociadas con la " Tierra Bola de Nieve ". [2]

Orígenes

Un cenicero tallado en una forma blanda de mineral de hierro bandeado del supergrupo Barbeton en Sudáfrica. Las capas rojas se formaron cuando las cianobacterias fotosintéticas de las arqueas produjeron oxígeno que reaccionó con compuestos de hierro disueltos en el agua, para formar óxido de hierro insoluble (óxido). Las capas blancas son sedimentos que se asentaron cuando no había oxígeno en el agua o cuando el Fe2 + disuelto se agotó temporalmente. [29]

La formación de hierro bandeado proporcionó algunas de las primeras evidencias de la cronología del Gran Evento de Oxidación , hace 2400 Ma. [30] [31] Con su artículo de 1968 sobre la atmósfera y los océanos primitivos de la Tierra, [32] Preston Cloud estableció el marco general que ha sido ampliamente, si no universalmente, [33] [34] aceptado para comprender la deposición de BIF. [5] [4]

Cloud postuló que las formaciones de hierro bandeado eran consecuencia de aguas anóxicas ricas en hierro provenientes de las profundidades del océano que afloraban a una zona fótica habitada por cianobacterias que habían desarrollado la capacidad de realizar la fotosíntesis productora de oxígeno, pero que aún no habían desarrollado enzimas (como la superóxido dismutasa ) para vivir en un entorno oxigenado. Dichos organismos habrían estado protegidos de sus propios desechos de oxígeno mediante su rápida eliminación a través del depósito de hierro ferroso reducido, Fe(II), en el océano primitivo. El oxígeno liberado por la fotosíntesis oxidó el Fe(II) a hierro férrico, Fe(III), que precipitó fuera del agua del mar como óxidos de hierro insolubles que se depositaron en el fondo del océano. [32] [30]

Cloud sugirió que la formación de bandas se debía a fluctuaciones en la población de cianobacterias debido al daño de los radicales libres por el oxígeno. Esto también explicaba la extensión relativamente limitada de los depósitos del Arcaico temprano. Se pensaba que el gran pico en la deposición de BIF al final del Arcaico era el resultado de la evolución de mecanismos para vivir con oxígeno. Esto puso fin al envenenamiento autoinducido y produjo una explosión demográfica en las cianobacterias que agotó rápidamente el suministro restante de hierro reducido y terminó con la mayor parte de la deposición de BIF. Entonces el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera. [32] [30]

Algunos detalles del modelo original de Cloud fueron abandonados. Por ejemplo, la datación mejorada de los estratos precámbricos ha demostrado que el pico arcaico tardío de la deposición de BIF se extendió a lo largo de decenas de millones de años, en lugar de tener lugar en un intervalo de tiempo muy corto siguiendo la evolución de los mecanismos de adaptación al oxígeno. Sin embargo, sus conceptos generales siguen dando forma al pensamiento sobre los orígenes de las formaciones de hierro bandeado. [2] En particular, el concepto de la afloración de agua oceánica profunda, rica en hierro reducido, en una capa superficial oxigenada pobre en hierro sigue siendo un elemento clave de la mayoría de las teorías de la deposición. [5] [35]

Las pocas formaciones depositadas después de 1.800  Ma [36] pueden indicar niveles bajos intermitentes de oxígeno atmosférico libre, [37] mientras que el pequeño pico de hace 750 millones de años puede estar asociado con la hipotética Tierra Bola de Nieve. [38]

Procesos de formación

Las microbandas dentro de las capas de sílex son probablemente varvas producidas por variaciones anuales en la producción de oxígeno. La microbanda diurna requeriría una tasa de deposición muy alta de 2 metros por año o 5 km/Ma. Las estimaciones de la tasa de deposición basadas en varios modelos de deposición y estimaciones de microsonda iónica de alta resolución (SHRIMP) sensibles de la edad de los estratos de toba asociados sugieren una tasa de deposición en BIF típicos de 19 a 270 m/Ma, que son consistentes con varvas anuales o ritmitas producidas por ciclos de marea. [5]

Preston Cloud propuso que las mesobandas eran el resultado del envenenamiento por parte de las primeras cianobacterias, ya que el suministro de hierro reducido se agotaba periódicamente. [30] Las mesobandas también se han interpretado como una estructura secundaria, no presente en los sedimentos tal como se depositaron originalmente, sino que se produjo durante la compactación de los sedimentos. [5] Otra teoría es que las mesobandas son estructuras primarias que resultan de pulsos de actividad a lo largo de las dorsales oceánicas que cambian la disponibilidad de hierro reducido en escalas de tiempo de décadas. [39] En el caso de las formaciones de hierro granular, las mesobandas se atribuyen al aventado de sedimentos en aguas poco profundas, en las que la acción de las olas tendía a segregar partículas de diferente tamaño y composición. [5]

Para que se depositen formaciones de hierro bandeado se deben cumplir varias condiciones previas. [13]

  1. La cuenca de deposición debe contener aguas ferruginosas (ricas en hierro ).
  2. Esto implica que también son anóxicos, ya que el hierro ferroso se oxida a hierro férrico en cuestión de horas o días en presencia de oxígeno disuelto, lo que impediría el transporte de grandes cantidades de hierro desde sus fuentes hasta la cuenca de deposición.
  3. Las aguas no deben ser euxínicas (ricas en sulfuro de hidrógeno ), ya que esto provocaría que el hierro ferroso precipitara en forma de pirita .
  4. Debe haber un mecanismo de oxidación activo dentro de la cuenca deposicional que convierta constantemente el reservorio de hierro ferroso en hierro férrico.

Fuente de hierro reducido

Los respiraderos hidrotermales fueron una fuente importante de hierro reducido que luego se oxidó para formar formaciones de hierro en bandas.

Debe haber una fuente abundante de hierro reducido que pueda circular libremente en la cuenca de deposición. [5] Las fuentes plausibles de hierro incluyen respiraderos hidrotermales a lo largo de las dorsales oceánicas, polvo arrastrado por el viento, ríos, hielo glacial y filtraciones de los márgenes continentales. [13]

La importancia de las diversas fuentes de hierro reducido probablemente haya cambiado drásticamente a lo largo del tiempo geológico. Esto se refleja en la división de los BIF en depósitos de tipo Algoma y de tipo Lago Superior. [40] [41] [42] Los BIF de tipo Algoma se formaron principalmente en el Arcaico. Estos BIF más antiguos tienden a mostrar una anomalía positiva de europio consistente con una fuente hidrotermal de hierro. [4] Por el contrario, las formaciones de hierro bandeado de tipo Lago Superior se formaron principalmente durante la era Paleoproterozoica y carecen de las anomalías de europio de los BIF de tipo Algoma más antiguos, lo que sugiere un aporte mucho mayor de hierro meteorizado de los continentes. [8] [43] [4]

Ausencia de oxígeno o sulfuro de hidrógeno

La ausencia de sulfuro de hidrógeno en el agua oceánica anóxica puede explicarse por un flujo reducido de azufre hacia las profundidades oceánicas o por una falta de reducción disimilatoria del sulfato (DSR), el proceso por el cual los microorganismos utilizan el sulfato en lugar del oxígeno para la respiración. El producto de la DSR es sulfuro de hidrógeno, que precipita fácilmente el hierro de la solución en forma de pirita. [31]

El requisito de un océano profundo anóxico, pero no euxínico, para la deposición de la formación de hierro bandeado sugiere dos modelos para explicar el final de la deposición de BIF hace 1.800 millones de años. El modelo del "océano Holland" propone que el océano profundo se oxigenó lo suficiente en ese momento para terminar el transporte de hierro reducido. Heinrich Holland sostiene que la ausencia de depósitos de manganeso durante la pausa entre los BIF del Paleoproterozoico y el Neoproterozoico es evidencia de que el océano profundo se había oxigenado al menos ligeramente. El modelo del "océano Canfield" propone que, por el contrario, el océano profundo se volvió euxínico y el transporte de hierro reducido fue bloqueado por la precipitación en forma de pirita. [31]

Las formaciones de hierro bandeado en el norte de Minnesota están cubiertas por una gruesa capa de material eyectado del impacto de la cuenca de Sudbury . Un asteroide (de unos 10 km de diámetro) impactó en aguas de unos 1.000 m de profundidad hace 1.849 millones de años, coincidiendo con la pausa en la deposición de BIF. Los modelos informáticos sugieren que el impacto habría generado un tsunami de al menos 1.000 m de altura en el punto de impacto y de 100 m a unos 3.000 km de distancia. Se ha sugerido que las inmensas olas y los grandes deslizamientos submarinos provocados por el impacto provocaron la mezcla de un océano previamente estratificado, oxigenaron el océano profundo y pusieron fin a la deposición de BIF poco después del impacto. [36]

Oxidación

Aunque Cloud argumentó que la actividad microbiana era un proceso clave en la deposición de la formación de hierro en bandas, el papel de la fotosíntesis oxigénica versus anoxigénica continúa siendo debatido, y también se han propuesto procesos no biogénicos.

Fotosíntesis oxigenada
Especies de cianobacterias Cylindrospermum sp. bajo lupa

La hipótesis original de Cloud era que el hierro ferroso se oxidaba de manera directa por el oxígeno molecular presente en el agua: [30] [13]

4 Fe2 + + O2 + 10 H2O → 4 Fe(OH) 3 + 8 H +

El oxígeno proviene de las actividades fotosintéticas de las cianobacterias. [13] La oxidación del hierro ferroso puede haber sido acelerada por bacterias aeróbicas oxidantes de hierro, que pueden aumentar las tasas de oxidación en un factor de 50 en condiciones de bajo oxígeno. [13]

Fotosíntesis anoxigénica
Una quemadura en Escocia con bacterias oxidantes del hierro.

La fotosíntesis oxigenada no es el único mecanismo biogénico para la deposición de formaciones de hierro bandeado. Algunos geoquímicos han sugerido que las formaciones de hierro bandeado podrían formarse por oxidación directa del hierro por fotótrofos anoxigénicos microbianos . [44] Las concentraciones de fósforo y metales traza en las formaciones de hierro bandeado son consistentes con la precipitación a través de las actividades de las bacterias oxidantes del hierro. [45]

Las proporciones de isótopos de hierro en las formaciones de hierro bandeado más antiguas (3700-3800 Ma), en Isua, Groenlandia, se explican mejor asumiendo niveles de oxígeno extremadamente bajos (<0,001% de los niveles modernos de O 2 en la zona fótica) y oxidación fotosintética anoxigénica de Fe(II): [21] [13]

4 Fe2 + + 11 H2O + CO2 + hv → CH2O + 4 Fe(OH) 3 + 8 H +

Esto requiere que la reducción disimilatoria de hierro, el proceso biológico en el que los microorganismos sustituyen el Fe(III) por oxígeno en la respiración, aún no estuviera muy extendida. [21] Por el contrario, las formaciones de hierro bandeado de tipo Lago Superior muestran proporciones de isótopos de hierro que sugieren que la reducción disimilatoria de hierro se expandió enormemente durante este período. [46]

Una vía alternativa es la oxidación por bacterias desnitrificantes anaeróbicas , para lo cual es necesario que la fijación de nitrógeno por parte de los microorganismos también sea activa. [13]

10 Fe2 + + 2 NO−3+ 24 H2O → 10 Fe(OH) 3 + N2 + 18 H +
Mecanismos abiogénicos

La falta de carbono orgánico en la formación de hierro bandeado es un argumento en contra del control microbiano de la deposición de BIF. [47] Por otro lado, hay evidencia fósil de abundantes cianobacterias fotosintetizadoras al comienzo de la deposición de BIF [5] y de marcadores de hidrocarburos en lutitas dentro de la formación de hierro bandeado del cratón de Pilbara. [48] El carbono que está presente en las formaciones de hierro bandeado está enriquecido con el isótopo ligero, 12 C, un indicador de un origen biológico. Si una parte sustancial de los óxidos de hierro originales estaba en forma de hematita, entonces cualquier carbono en los sedimentos podría haber sido oxidado por la reacción de descarbonización: [2]

6 Fe 2 O 3 + C ⇌ 4 Fe 3 O 4 + CO 2

Trendall y JG Blockley propusieron, pero luego rechazaron, la hipótesis de que la formación de hierro en bandas podría ser un tipo peculiar de evaporita precámbrica . [5] Otros procesos abiogénicos propuestos incluyen la radiólisis por el isótopo radiactivo del potasio , 40 K, [49] o la renovación anual del agua de la cuenca combinada con el afloramiento de agua rica en hierro en un océano estratificado. [47]

Otro mecanismo abiogénico es la fotooxidación del hierro por la luz solar. Los experimentos de laboratorio sugieren que esto podría producir una tasa de deposición suficientemente alta en las condiciones de pH y luz solar adecuadas. [50] [51] Sin embargo, si el hierro provenía de una fuente hidrotermal poco profunda, otros experimentos de laboratorio sugieren que la precipitación de hierro ferroso en forma de carbonatos o silicatos podría competir seriamente con la fotooxidación. [52]

Diagénesis

Independientemente del mecanismo preciso de oxidación, la oxidación del hierro ferroso a férrico probablemente provocó que el hierro precipitara como un gel de hidróxido férrico . De manera similar, el componente de sílice de las formaciones de hierro bandeado probablemente precipitó como un gel de sílice hidratado. [5] La conversión de hidróxido de hierro y geles de sílice en formaciones de hierro bandeado es un ejemplo de diagénesis , la conversión de sedimentos en roca sólida.

Hay evidencia de que las formaciones de hierro bandeado se formaron a partir de sedimentos con una composición química casi idéntica a la que se encuentra en las formaciones de hierro bandeado actuales. Las formaciones de hierro bandeado de la cordillera Hamersley muestran una gran homogeneidad química y uniformidad lateral, sin ninguna indicación de ninguna roca precursora que pudiera haber sido alterada hasta alcanzar la composición actual. Esto sugiere que, aparte de la deshidratación y descarbonización del hidróxido férrico y los geles de sílice originales, la diagénesis probablemente dejó la composición inalterada y consistió en la cristalización de los geles originales. [5] La descarbonización puede explicar la falta de carbono y la preponderancia de la magnetita en las formaciones de hierro bandeado más antiguas. [2] El contenido relativamente alto de hematita en las formaciones de hierro bandeado del Neoproterozoico sugiere que se depositaron muy rápidamente y mediante un proceso que no produjo grandes cantidades de biomasa, por lo que había poco carbono presente para reducir la hematita a magnetita. [13]

Sin embargo, es posible que el BIF se haya alterado a partir de roca carbonatada [53] o de lodo hidrotermal [54] durante las últimas etapas de la diagénesis. Un estudio de 2018 no encontró evidencia de que la magnetita en el BIF se formara por descarbonización, y sugiere que se formó a partir de la descomposición térmica de la siderita a través de la reacción

3 FeCO3 + H2O → Fe3O4 + 3 CO2 + H2​

El hierro puede haberse precipitado originalmente como greenalita y otros silicatos de hierro. La formación de macrobandas se interpreta entonces como un producto de la compactación del lodo de silicato de hierro original. Esto produjo bandas ricas en siderita que sirvieron como vías para el flujo de fluidos y la formación de magnetita. [55]

El gran evento de oxidación

Acumulación de oxígeno (O 2 ) en la atmósfera terrestre . Las líneas rojas y verdes representan el rango de las estimaciones, mientras que el tiempo se mide en miles de millones de años atrás (Ga). [31]
La deposición de hierro en formación de bandas alcanza su punto máximo al comienzo de la Etapa 2 y se detiene al comienzo de la Etapa 3.

El pico de deposición de formaciones de hierro bandeado a finales del Arcaico y el final de la deposición en el Orosiriano se han interpretado como marcadores del Gran Evento de Oxigenación. Antes de hace 2.450 millones de años, el alto grado de fraccionamiento independiente de la masa del azufre (MIF-S) indica una atmósfera extremadamente pobre en oxígeno. El pico de deposición de la formación de hierro bandeado coincide con la desaparición de la señal MIF-S, que se interpreta como la aparición permanente de oxígeno en la atmósfera entre 2.410 y 2.350 millones de años atrás. Esto estuvo acompañado por el desarrollo de un océano estratificado con una capa anóxica profunda y una capa oxidada poco profunda. El final de la deposición de BIF hace 1.850 millones de años se atribuye a la oxidación del océano profundo. [31]

Hipótesis de la Tierra Bola de Nieve

Formación de hierro bandeado neoarqueano del noreste de Minnesota

Hasta 1992 [56] se suponía que los raros depósitos de hierro bandeado posteriores (más jóvenes) representaban condiciones inusuales en las que el oxígeno se agotaba localmente. Las aguas ricas en hierro se formarían entonces de forma aislada y posteriormente entrarían en contacto con agua oxigenada. La hipótesis de la Tierra Bola de Nieve proporcionó una explicación alternativa para estos depósitos más jóvenes. En un estado de Tierra Bola de Nieve, los continentes, y posiblemente los mares en latitudes bajas, estuvieron sujetos a una severa edad de hielo hace alrededor de 750 a 580 Ma que agotó casi o totalmente el oxígeno libre. El hierro disuelto luego se acumuló en los océanos pobres en oxígeno (posiblemente de los respiraderos hidrotermales del fondo marino). [57] Después del deshielo de la Tierra, los mares se oxigenaron una vez más, lo que provocó la precipitación del hierro. [5] [4] Las formaciones de hierro bandeado de este período están asociadas predominantemente con la glaciación de Sturtiana . [58] [13]

Un mecanismo alternativo para las formaciones de hierro bandeado en la era de la Tierra Bola de Nieve sugiere que el hierro se depositó a partir de salmueras ricas en metales en las proximidades de zonas de rift hidrotermalmente activas [59] debido a un vuelco térmico impulsado por los glaciares. [60] [58] La extensión limitada de estos BIF en comparación con los depósitos glaciares asociados, su asociación con formaciones volcánicas y la variación en el espesor y las facies favorecen esta hipótesis. Tal modo de formación no requiere un océano anóxico global, pero es consistente con un modelo de Tierra Bola de Nieve o Tierra Bola de Nieve . [60] [13]

Geología económica

Mina de hierro a cielo abierto Hull-Rust-Mahoning en Iron Range

Las formaciones de hierro bandeado proporcionan la mayor parte del mineral de hierro que se extrae actualmente. [6] Más del 60% de las reservas mundiales de hierro se encuentran en forma de formación de hierro bandeado, la mayoría de las cuales se pueden encontrar en Australia, Brasil, Canadá, India, Rusia, Sudáfrica, Ucrania y los Estados Unidos. [40] [41]

Los distintos distritos mineros acuñaron sus propios nombres para las formaciones de hierro bandeado. El término "formación de hierro bandeado" se acuñó en los distritos de hierro del Lago Superior , donde los depósitos de mineral de las cordilleras de hierro de Mesabi, Marquette , Cuyuna, Gogebic y Menominee también se conocían como "jaspe", "jaspilita", "formación portadora de hierro" o taconita . Las formaciones de hierro bandeado se describían como "itabarita" en Brasil, como "ironstone" en Sudáfrica y como "BHQ" (cuarcita de hematita bandeada) en la India. [6]

Las formaciones de hierro bandeado se descubrieron por primera vez en el norte de Michigan en 1844, y la minería de estos depósitos impulsó los primeros estudios de las formaciones de hierro bandeado, como los de Charles R. Van Hise y Charles Kenneth Leith . [5] Las operaciones de extracción de hierro en las cordilleras Mesabi y Cuyuna evolucionaron hasta convertirse en enormes minas a cielo abierto , donde las palas mecánicas y otras máquinas industriales podían extraer cantidades masivas de mineral. Inicialmente, las minas explotaban grandes capas de hematita y goethita erosionadas de las formaciones de hierro bandeado, y en 1980 se habían extraído unas 2.500.000.000 t (2,5 × 10 9 toneladas largas; 2,8 × 10 9 toneladas cortas) de este "mineral natural". [61] En 1956, comenzó la producción comercial a gran escala de la propia formación de hierro bandeado en la mina Peter Mitchell cerca de Babbitt, Minnesota . [62] La producción en Minnesota fue de 40.000.000 t (39.000.000 toneladas largas; 44.000.000 toneladas cortas) de concentrado de mineral por año en 2016, lo que representa aproximadamente el 75% de la producción total de EE. UU. [61] La formación de hierro bandeado rica en magnetita, conocida localmente como taconita, se muele hasta convertirla en polvo, y la magnetita se separa con imanes potentes y se granula para su envío y fundición. [63]

Mina Tom Price, cordillera Hamersley , Australia

El mineral de hierro se convirtió en un producto básico global después de la Segunda Guerra Mundial , y con el fin del embargo contra la exportación de mineral de hierro de Australia en 1960, la cordillera Hamersley se convirtió en un importante distrito minero. [5] [24] [25] [26] Las formaciones de hierro en bandas aquí son las más gruesas y extensas del mundo, [4] [27] cubriendo originalmente un área de 150.000 kilómetros cuadrados (58.000 millas cuadradas) y conteniendo alrededor de 300.000.000.000 t (3,0 × 10 11 toneladas largas; 3,3 × 10 11 toneladas cortas) de hierro. [27] La ​​cordillera contiene el 80 por ciento de todas las reservas de mineral de hierro identificadas en Australia. [64] Cada año se extraen de la zona más de 100.000.000 t (98.000.000 de toneladas largas; 110.000.000 de toneladas cortas) de mineral de hierro. [65]

Las formaciones de hierro bandeado de Itabarita de Brasil cubren al menos 80.000 kilómetros cuadrados (31.000 millas cuadradas) y tienen hasta 600 metros (2.000 pies) de espesor. [7] Estas forman el Quadrilatero Ferrifero o Cuadrángulo de Hierro , que se asemeja a las minas Iron Range de Estados Unidos en que el mineral favorecido es hematita erosionada de los BIF. [66] La producción del Cuadrángulo de Hierro ayuda a convertir a Brasil en el segundo mayor productor de mineral de hierro después de Australia, con exportaciones mensuales promedio de 139.299 t (137.099 toneladas largas; 153.551 toneladas cortas) desde diciembre de 2007 hasta mayo de 2018. [67]

Mina de hierro a cielo abierto de Qidashan, una de las tres grandes minas que rodean la ciudad de Anshan

La extracción de mineral de las formaciones de hierro bandeado en Anshan , en el norte de China, comenzó en 1918. Cuando Japón ocupó el noreste de China en 1931, estas plantas se convirtieron en un monopolio de propiedad japonesa y la ciudad se convirtió en un importante centro industrial estratégico durante la Segunda Guerra Mundial. La producción total de hierro procesado en Manchuria alcanzó 1.000.000 t (980.000 toneladas largas; 1.100.000 toneladas cortas) en 1931-1932. En 1942, la capacidad de producción total de la acería Shōwa de Anshan alcanzó las 3.600.000 t (3.500.000 toneladas largas; 4.000.000 toneladas cortas) por año, lo que la convirtió en uno de los principales centros de hierro y acero del mundo. [68] La producción se vio gravemente interrumpida durante la ocupación soviética de Manchuria en 1945 y la posterior guerra civil china . Sin embargo, desde 1948 hasta 2001, la acería produjo 290.000.000 t (290.000.000 de toneladas largas; 320.000.000 de toneladas cortas)290 millones de toneladas de acero, 284.000.000 t (280.000.000 de toneladas largas; 313.000.000 de toneladas cortas) de arrabio y 192.000.000 t (189.000.000 de toneladas largas; 212.000.000 de toneladas cortas) de acero laminado . La capacidad de producción anual en 2006 es de 10.000.000 t (9.800.000 toneladas largas; 11.000.000 toneladas cortas) de arrabio, 10.000.000 t (9.800.000 toneladas largas; 11.000.000 toneladas cortas) de acero y 9.500.000 t (9.300.000 toneladas largas; 10.500.000 toneladas cortas) de acero laminado. Una cuarta parte de las reservas totales de mineral de hierro de China, alrededor de 10.000.000.000 t (9,8 × 10 9 toneladas largas; 1,1 × 10 10 toneladas cortas), se encuentran en Anshan. [69]

Véase también

Referencias

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