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Formación de bandas de hierro

Roca de 2.100 millones de años de América del Norte que muestra una formación de bandas de hierro, exhibida en Dresde , Sajonia , Alemania

Las formaciones de hierro en bandas ( BIF ; también llamadas formaciones de piedra de hierro en bandas ) son unidades distintivas de roca sedimentaria que consisten en capas alternas de óxidos de hierro y pedernal 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 bandas de hierro.

Se cree que las formaciones de bandas de hierro se formaron en el agua de 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 precipitaron formando una fina capa en el fondo del océano. Cada banda es similar a una varva , resultante de variaciones cíclicas en la producción de oxígeno.

Las formaciones de hierro en bandas se descubrieron por primera vez en el norte de Michigan en 1844. Las formaciones de hierro en bandas 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 bandas de hierro del cinturón de piedras verdes de Barberton , Sudáfrica

Una formación típica de bandas de hierro consiste en capas delgadas y 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 ), alternadas con bandas de pedernal pobre en hierro , a menudo de color rojo, de espesor similar. [1] [2] [3] [4] Una única formación de bandas de hierro puede tener hasta varios cientos de metros de espesor y extenderse lateralmente por varios cientos de kilómetros. [5]

La formación de bandas de hierro se define con mayor precisión como roca sedimentaria precipitada químicamente que contiene más del 15% de hierro . Sin embargo, la mayoría de los BIF tienen un mayor contenido de hierro, normalmente 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 los 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) normalmente varía de 0,3 a 0,6. Esto indica un predominio de magnetita, cuya proporción es 0,67, sobre hematita, cuya proporción es 1. [4] Además de los óxidos de hierro (hematita y magnetita), el sedimento de hierro puede contener carbonatos ricos en hierro, siderita. y ankerita , o los silicatos ricos en hierro minnesotaita y greenalita . La mayoría de los BIF son químicamente simples y contienen poco más que óxidos de hierro, sílice y carbonatos menores, [5] aunque algunos contienen cantidades significativas de calcio y magnesio, hasta un 9% y un 6,7% como óxidos, respectivamente. [7] [8]

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

Una formación de bandas de hierro bien conservada normalmente consta de macrobandas de varios metros de espesor que están separadas por delgados lechos de esquisto . Las macrobandas, a su vez, están compuestas por capas alternas características de pedernal y óxidos de hierro, llamadas mesobandas , que tienen un espesor de varios milímetros a unos pocos centímetros. Muchas de las mesobandas de pedernal contienen microbandas de óxidos de hierro que tienen menos de un milímetro de espesor, mientras que las mesobandas de hierro son relativamente monótonas. Los BIF tienden a ser extremadamente duros, tenaces y densos, lo que los hace muy resistentes a la erosión, y muestran finos detalles de estratificación a grandes distancias, lo que sugiere que fueron depositados en un ambiente de muy baja energía; es decir, en aguas relativamente profundas, no perturbadas por el movimiento de las olas o las corrientes. [2] Los BIF rara vez se entrelazan con otros tipos de rocas, tendiendo a formar unidades discretas claramente delimitadas que nunca se clasifican lateralmente en otros tipos de rocas. [5]

Primer plano de un espécimen de formación de hierro en bandas del Alto Michigan

Las formaciones de hierro en bandas de la región de los Grandes Lagos y la Formación Frere de Australia occidental tienen un carácter algo diferente y a veces se describen como formaciones de hierro granular o GIF . [7] [5] Sus sedimentos de hierro son de carácter granular a oolítico , forman granos discretos de aproximadamente un milímetro de diámetro y carecen de microbandas en sus mesobandas de pedernal. También muestran mesobandas más irregulares, con indicios de ondulaciones y otras estructuras sedimentarias , y sus mesobandas no se pueden rastrear a gran distancia. Aunque forman unidades discretas y bien definidas, comúnmente están intercaladas con sedimentos epiclásticos de grano grueso a medio (sedimentos formados por la erosión de la roca). Estas características sugieren un entorno de depósito 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 en bandas. [7]

Sección delgada de la formación de bandas de hierro neoproterozoicas de Australia

La gran mayoría de las formaciones de hierro en bandas son de edad Arcaica o Paleoproterozoica . Sin embargo, un pequeño número de BIF son de edad neoproterozoica y frecuentemente, [8] [10] [11] si no universalmente, [12] se asocian con depósitos glaciales, que a menudo contienen piedras glaciales . [8] También tienden a mostrar un mayor nivel de oxidación, prevaleciendo la hematita sobre la magnetita, [10] y normalmente contienen una pequeña cantidad de fosfato, aproximadamente el 1% en masa. [10] Las mesobandas suelen ser escasas o inexistentes [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 en bandas. [8] [10] [14] [4] [15] [16]

Las formaciones de hierro en bandas son distintas de la mayoría de las piedras de hierro fanerozoicas . Las piedras de hierro son relativamente raras y se cree que se depositaron en eventos anóxicos marinos , en los que la cuenca de depósito se quedó sin oxígeno libre . Están compuestos por silicatos y óxidos de hierro sin pedernal apreciable pero con un contenido importante de fósforo , del que carecen los BIF. [11]

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

Ocurrencia

Abundancia de formaciones de hierro en bandas en el registro geológico. El color indica el tipo dominante. Rojo = formaciones Arcaicas más antiguas; verde = formaciones del Gran Gondwana; azul = formaciones granulares de hierro; negro = Formaciones de Tierra Bola de Nieve . Adaptado de Trendall 2002.
La formación de bandas de hierro se encuentra en la Tierra.
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Ubicación de los sucesos. El color indica el tipo dominante. Amarillo claro = formaciones Arcaicas más antiguas; amarillo oscuro = formaciones del Gran Gondwana; marrón = formaciones granulares de hierro; rojo = Formaciones de Tierra Bola de Nieve.

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

Las formaciones de bandas de hierro se encuentran en todo el mundo, en todos los escudos continentales de todos los continentes. Los BIF más antiguos están asociados con cinturones de piedras verdes e incluyen los BIF del cinturón de piedras verdes de Isua , los más antiguos conocidos, que tienen una edad estimada de 3700 a 3800 Ma. [5] [21] Los depósitos de hierro en bandas 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 bandas de hierro más extensas pertenecen a lo que AF Trendall llama los Grandes BIF de Gondwana . Estos son de edad Arcaica tardía y no están asociados con cinturones de piedras verdes. Están relativamente sin deformar y forman extensas mesetas topográficas, [2] como la Cordillera Hamersley . [24] [25] [26] Las formaciones de bandas de hierro 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 Cauê Itabirita 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 en bandas paleoproterozoicas se encuentran en Iron Range 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 forman parte del Grupo Animikie y fueron depositados entre 2500 y 1800 Ma. [28] Estos BIF son formaciones predominantemente granulares de hierro. [5]

Las formaciones de hierro en bandas neoproterozoicas incluyen Urucum en Brasil, Rapitan en el Yukón y el cinturón de Damara en el sur de África. [5] Tienen un tamaño relativamente limitado, 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 estos fueron depositados bajo condiciones oceánicas anóxicas inusuales asociadas con la " Tierra bola de nieve ". [2]

Orígenes

Un cenicero tallado en una forma suave de piedra de hierro con bandas del Barbeton Supergroup en Sudáfrica. Las capas rojas se depositaron cuando las cianobacterias fotosintetizadoras arcaicas 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 sedimentaron cuando no había oxígeno en el agua o cuando el Fe 2+ disuelto se agotó temporalmente. [29]

La formación de bandas de hierro proporcionó algunas de las primeras pruebas del momento del Gran Evento de Oxidación , hace 2.400 Ma. [30] [31] Con su artículo de 1968 sobre la atmósfera primitiva y los océanos 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 bandas de hierro eran consecuencia de aguas anóxicas y ricas en hierro de las profundidades del océano que brotaron en 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 ambiente oxigenado. Estos organismos habrían estado protegidos de su propio desperdicio 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 del agua de mar en forma de óxidos de hierro insolubles que se depositaron en el fondo del océano. [32] [30]

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

Se abandonaron algunos detalles del modelo original de Cloud. Por ejemplo, la datación mejorada de los estratos precámbricos ha demostrado que el pico tardío de deposición de BIF en el Arcaico 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 supervivencia del oxígeno. Sin embargo, sus conceptos generales continúan dando forma al pensamiento sobre los orígenes de las formaciones de hierro en bandas. [2] En particular, el concepto de afloramiento de aguas profundas del océano, ricas en hierro reducido, hacia una capa superficial oxigenada y pobre en hierro sigue siendo un elemento clave de la mayoría de las teorías sobre 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 ocurrido 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 pedernal probablemente sean varvas producidas por variaciones anuales en la producción de oxígeno. La microbanda diurna requeriría una tasa muy alta de deposición de 2 metros por año o 5 km/Ma. Las estimaciones de la tasa de deposición basadas en varios modelos de deposición y las estimaciones de microsonda de iones sensibles de alta resolución (SHRIMP) de la edad de los lechos de toba asociados sugieren una tasa de deposición en BIF típicos de 19 a 270 m/Ma, que son consistentes con las varvas anuales o ritmitas producidas por ciclos de marea. [5]

Preston Cloud propuso que el mesobanding era el resultado de un autoenvenenamiento por parte de las primeras cianobacterias, ya que el suministro de hierro reducido se agotaba periódicamente. [30] El mesobanding también se ha interpretado como una estructura secundaria, no presente en los sedimentos tal como se depositaron originalmente, pero producida durante la compactación de los sedimentos. [5] Otra teoría es que las mesobandas son estructuras primarias resultantes 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 granulares de hierro, las mesobandas se atribuyen al aventamiento 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 en bandas, se deben cumplir varias condiciones previas. [13]

  1. La cuenca de deposición debe contener aguas que sean 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. Esto 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 de depósito que convierta constantemente el depósito 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 amplia de hierro reducido que pueda circular libremente hacia el depósito 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]

Es probable que la importancia de diversas fuentes de hierro reducido haya cambiado drásticamente a lo largo del tiempo geológico. Esto se refleja en la división de los BIF en depósitos tipo Algoma y Lake 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 en bandas 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 una entrada mucho mayor de hierro erosionado desde los continentes. [8] [43] [4]

Ausencia de oxígeno o sulfuro de hidrógeno.

La ausencia de sulfuro de hidrógeno en el agua anóxica del océano puede explicarse por la reducción del flujo de azufre hacia las profundidades del océano o por la falta de reducción disimilatoria de sulfato (DSR), el proceso mediante el cual los microorganismos utilizan sulfato en lugar de 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 bandas de hierro sugiere dos modelos para explicar el final de la deposición de BIF hace 1.800 millones de años. El modelo del "océano holandés" propone que las profundidades del océano se oxigenaron lo suficiente en ese momento como para detener el transporte de hierro reducido. Heinrich Holland sostiene que la ausencia de depósitos de manganeso durante la pausa entre los BIF Paleoproterozoicos y Neoproterozoicos es evidencia de que las profundidades del océano se habían oxigenado al menos ligeramente. El modelo del "océano de Canfield" propone que, por el contrario, las profundidades del océano se volvieron euxínicas y el transporte de hierro reducido fue bloqueado por la precipitación en forma de pirita. [31]

Las formaciones de bandas de hierro en el norte de Minnesota están cubiertas por una gruesa capa de material eyectado del impacto de la cuenca de Sudbury . Un asteroide (estimado en 10 km (6,2 millas) de ancho) impactó en aguas a unos 1.000 m (3.300 pies) 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 (3.300 pies) de altura en el punto de impacto y 100 m (330 pies) de altura a unos 3.000 km (1.900 millas) de distancia. Se ha sugerido que las inmensas olas y los grandes deslizamientos de tierra submarinos provocados por el impacto provocaron la mezcla de un océano previamente estratificado, oxigenaron las profundidades del océano 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 bandas de hierro, el papel de la fotosíntesis oxigénica versus anoxigénica continúa siendo debatido, y también se han propuesto procesos no biogénicos.

Fotosíntesis oxigénica
Especies de cianobacterias Cylindrospermum sp. bajo aumento

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

4 Fe 2+ + O 2 + 10 H 2 O → 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 del hierro, que pueden aumentar las tasas de oxidación en un factor de 50 en condiciones de bajo nivel de oxígeno. [13]

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

La fotosíntesis oxigénica no es el único mecanismo biogénico para la deposición de formaciones de hierro en bandas. Algunos geoquímicos han sugerido que las formaciones de hierro en bandas podrían formarse por oxidación directa del hierro por fotótrofos anoxigénicos microbianos . [44] Las concentraciones de fósforo y metales traza en los BIF 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 en bandas más antiguas (3700-3800 Ma), en Isua, Groenlandia, se explican mejor suponiendo 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 Fe 2+ + 11 H 2 O + CO 2 + hv → CH 2 O + 4 Fe(OH) 3 + 8 H +

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

Una ruta alternativa es la oxidación por bacterias desnitrificantes anaeróbicas . Esto requiere que la fijación de nitrógeno por parte de los microorganismos también sea activa. [13]

10 Fe 2+ + 2NO−3+ 24 H 2 O → 10 Fe (OH) 3 + N 2 + 18 H +
Mecanismos abiogénicos

La falta de carbono orgánico en la formación de bandas de hierro va en contra del control microbiano de la deposición de BIF. [47] Por otro lado, existe evidencia fósil de abundantes cianobacterias fotosintetizadoras al inicio de la deposición de BIF [5] y de marcadores de hidrocarburos en lutitas dentro de la formación de bandas de hierro del cratón de Pilbara. [48] ​​El carbono presente en las formaciones de hierro en bandas está enriquecido en el isótopo ligero 12 C, un indicador de 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 bandas de hierro 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 condiciones probables de pH y luz solar. [50] [51] Sin embargo, si el hierro proviene de una fuente hidrotermal poco profunda, otros experimentos de laboratorio sugieren que la precipitación de hierro ferroso como 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 en bandas probablemente precipitó como un gel de sílice hidratado. [5] La conversión de hidróxido de hierro y geles de sílice en formación de bandas de hierro es un ejemplo de diagénesis , la conversión de sedimentos en roca sólida.

Existe evidencia de que las formaciones de hierro en bandas se formaron a partir de sedimentos con casi la misma composición química que la que se encuentra hoy en los BIF. Los BIF de Hamersley Range muestran una gran homogeneidad química y uniformidad lateral, sin indicación de ninguna roca precursora que pueda haber sido alterada a la composición actual. Esto sugiere que, además 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 magnetita en formaciones de hierro en bandas más antiguas. [2] El contenido relativamente alto de hematita en los BIF neoproterozoicos 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 haya sido 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 BIF se formara por descarbonización y sugiere que se formó a partir de la descomposición térmica de la siderita mediante la reacción.

3 FeCO 3 + H 2 O → Fe 3 O 4 + 3 CO 2 + H 2

Es posible que el hierro haya precipitado originalmente como greenalita y otros silicatos de hierro. El macrobanding 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

El oxígeno (O 2 ) se acumula en la atmósfera terrestre . Las líneas rojas y verdes representan el rango de las estimaciones, mientras que el tiempo se mide hace miles de millones de años (Ga). [31]
La deposición de hierro en la 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 en bandas a finales del Arcaico y el final de la deposición en Orosirian se han interpretado como marcadores del Gran Evento de Oxigenación. Antes de hace 2.450 millones de años, el alto grado de fraccionamiento del azufre independiente de la masa (MIF-S) indica una atmósfera extremadamente pobre en oxígeno. El pico de deposición de la formación de bandas de hierro coincide con la desaparición de la señal MIF-S, que se interpreta como la aparición permanente de oxígeno en la atmósfera hace entre 2,41 y 2,35 mil millones de años. Esto fue acompañado por el desarrollo de un océano estratificado con una capa anóxica profunda y una capa oxidada poco profunda. El fin de la deposición de BIF hace 1.850 millones de años se atribuye a la oxidación de las profundidades del océano. [31]

Hipótesis de la Tierra Bola de Nieve

Formación de hierro en bandas neoarqueana del noreste de Minnesota

Hasta 1992 [56] se suponía que los raros depósitos de hierro en bandas posteriores (más jóvenes) representaban condiciones inusuales en las que el oxígeno se agotaba localmente. Se formarían entonces aguas ricas en hierro 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 de bola de nieve, los continentes, y posiblemente los mares en latitudes bajas, estuvieron sujetos a una severa edad de hielo alrededor de 750 a 580 Ma que agotó casi o totalmente el oxígeno libre. Luego, el hierro disuelto se acumuló en los océanos pobres en oxígeno (posiblemente a partir de respiraderos hidrotermales del fondo marino). [57] Tras el deshielo de la Tierra, los mares se oxigenaron una vez más provocando la precipitación del hierro. [5] [4] Las formaciones de hierro en bandas de este período están predominantemente asociadas con la glaciación Sturtian . [58] [13]

Un mecanismo alternativo para las formaciones de bandas de hierro 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 provocado por los glaciares. [60] [58] La extensión limitada de estos BIF en comparación con los depósitos glaciales asociados, su asociación con formaciones volcánicas y la variación en espesor y facies favorecen esta hipótesis. Este modo de formación no requiere un océano anóxico global, pero es consistente con el modelo Snowball Earth o Slushball Earth . [60] [13]

Geología económica

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

Las formaciones de hierro en bandas 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 bandas de hierro, la mayoría de las cuales se pueden encontrar en Australia, Brasil, Canadá, India, Rusia, Sudáfrica, Ucrania y Estados Unidos. [40] [41]

Diferentes distritos mineros acuñaron sus propios nombres para los BIF. El término "formación de hierro en bandas" se acuñó en los distritos siderúrgicos del Lago Superior , donde los depósitos de mineral de las cordilleras de hierro Mesabi, Marquette , Cuyuna, Gogebic y Menominee también se conocían como "jaspe", "jaspilita", "hierro". -formación de cojinetes", o taconita . Las formaciones de hierro en bandas se describieron como "itabarita" en Brasil, como "piedra de hierro" en Sudáfrica y como "BHQ" (cuarcita de hematita en bandas) en la India. [6]

La formación de bandas de hierro se descubrió por primera vez en el norte de Michigan en 1844, y la extracción de estos depósitos impulsó los primeros estudios de BIF, como los de Charles R. Van Hise y Charles Kenneth Leith . [5] Las operaciones mineras de hierro en las cordilleras Mesabi y Cuyuna evolucionaron hasta convertirse en enormes minas a cielo abierto , donde las palas de vapor y otras máquinas industriales podían extraer cantidades masivas de mineral. Inicialmente, las minas explotaron grandes lechos de hematita y goethita erosionados de las formaciones de bandas de hierro, 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, la producción comercial a gran escala del propio BIF comenzó en la mina Peter Mitchell cerca de Babbitt, Minnesota . [62] La producción en Minnesota fue de 40.000.000 t (39.000.000 de toneladas largas; 44.000.000 de toneladas cortas) de concentrado de mineral por año en 2016, lo que representa aproximadamente el 75% de la producción total de Estados Unidos. [61] La formación de bandas de hierro rica en magnetita, conocida localmente como taconita, se muele hasta convertirla en polvo, y la magnetita se separa con potentes imanes 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 mundial después de la Segunda Guerra Mundial , y con el fin del embargo contra la exportación de mineral de hierro de Australia en 1960, Hamersley Range se convirtió en un importante distrito minero. [5] [24] [25] [26] Las formaciones de bandas de hierro aquí son las más gruesas y extensas del mundo, [4] [27] originalmente cubrían un área de 150.000 kilómetros cuadrados (58.000 millas cuadradas) y contenían alrededor de 300.000.000.000 t (3,0 × 10 11 toneladas largas; 3,3 × 10 11 toneladas cortas) de hierro. [27] La ​​gama contiene el 80 por ciento de todas las reservas de mineral de hierro identificadas en Australia. [64] Cada año se retiran del surtido más de 100.000.000 t (98.000.000 de toneladas largas; 110.000.000 de toneladas cortas) de mineral de hierro. [sesenta y cinco]

Las formaciones de hierro en bandas 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] Estos forman el Quadrilatero Ferrifero o Cuadrilátero de Hierro , que se asemeja a las minas Iron Range de Estados Unidos en que el mineral preferido es la hematita erosionada de los BIF. [66] La producción del Cuadrángulo del Hierro ayuda a que Brasil sea 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 mineral de hierro fundido a cielo abierto de Qidashan, uno de los tres grandes pozos que rodean la ciudad de Anshan

La extracción de mineral de formaciones de hierro en bandas en Anshan, en el norte de China, comenzó en 1918. Cuando Japón ocupó el noreste de China en 1931, estos molinos 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 Shōwa Steel Works de Anshan alcanzó las 3.600.000 t (3.500.000 toneladas largas; 4.000.000 toneladas cortas) por año, lo que la convierte en uno de los principales centros siderúrgicos del mundo. [68] La producción se vio gravemente perturbada durante la ocupación soviética de Manchuria en 1945 y la posterior Guerra Civil China . Sin embargo, de 1948 a 2001, la acería produjo 290.000.000 t (290.000.000 toneladas largas; 320.000.000 toneladas cortas), 290 millones de toneladas de acero, 284.000.000 t (280.000.000 toneladas largas; 313.000.000 toneladas cortas) de arrabio y 192.000 toneladas. 0.000 t (189.000.000 de toneladas largas; 212.000.000 toneladas cortas) de acero laminado . La capacidad de producción anual a partir de 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]

Ver también

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