The evolution of free oxygen in the early Earth atmos- and hydrosphere; a paleoredox study of 3.46 - 2.48 Ga old euxinic sediments from Pibara, Australia
Final Report Abstract
Die Frage ab wann und in welchen Umfang freier Sauerstoff in der Atmos- und Hydrosphäre der Erde zur Verfügung stand war Gegenstand dieser Arbeit und wird immer noch wissenschaftlich kontrovers diskutiert. Unsere Untersuchungen redox-sensitiver Isotopensysteme an Paläoarchaischen bis Neoproterozoischen Sedimenten hat in dieser fortlaufenden wissenschaftlichen Diskussion folgende wichtigen Erkenntnisse gebracht. Untersuchungen der Cr und Mo Isotopenverhältnissen in 3.37 bis 2.76 Ga Schwarzschiefern haben keine Anzeichen für eine aquatische Mobilisierung von Mo und Cr ergeben was wiederum für eine geringe Mobilisierung dieser Elemente spricht und von uns als Anzeichen für eine grossenteils anoxische globale Umweltbedingungen interpretiert wurde. Aufgrund der, je nach Liefergebiet, hohen lithogenen Cr Konzentrationen stellt sich ausserdem die Frage ob Cr Signaturen in archaischen Schwarzschiefern ein sensitiver Proxy für dessen Mobilisierung und damit für redox- Rekonstruktionen darstellt. Dagegen zeigen Neoarchaische Sedimente aus den Hamersley Beckens, Australien (2.6 bis 2.5 Milliarden Jahre) eine kontinuierliche Zunahme von nahe krustalen δ98/95Mo Werten in den ältesten Proben in Richtung schwerer Verhältnisse für die jüngsten Proben. Ein ähnliches Mo-Isotopenmuster wurde zuvor in zeitgleichen Schwarzschiefern und Karbonaten des Griqualand West Beckens in Südafrika gefunden. Der konsistente und gleichzeitige Anstieg von δ98/95Mo nach 2.54 Milliarden Jahren deutet auf eine homogenere Verteilung von Meerwasser Molybdat mit einheitlicher Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Ablagerungsbereichen hin. Im Einklang mit früheren Studien weisen diese neuen Ergebnisse auf eine leichte Sauerstoffanreicherung und Sulfid Verwitterung der Kontinente bereits vor dem Great Oxidation Event GOE (2.45 - 2.32 Ga) hin. Das Existenz freien Sauerstoffes vor dem GOE wird gestützt durch Mo und Fe Isotopenuntersuchungen an Eisen-reichen marinen Ablagerungen kurz vor der GOE in der Koegas Subgroup (~ 2.479 Ga), Süd Afrika. Die negative Korrelation zwischen Mn Konzentration diesen Proben mit δ98/95Mo und δ56/54Fe Verhältnissen zeigt das die in der Wassersäule gebildeten Mangan-oxyhydroxide eine substanzielle Rolle für den Mo und Fe Zyklus in den paläoproterozoischen Ozeanen gehabt haben müssen. Diese geochemischen Signale zeugen daher auf die Existenz von redox stratifizierten Wassermassen zur Zeit der Ablagerung, wahrscheinlich als Folge niedriger atmosphärischer Sauerstoffkonzentrationen. Eine dritte von uns publizierte Untersuchung gekoppelter δ98/95Mo, δ56/54Fe und δ34/32S Verhältnisse in Schwarzschiefern aus dem Tephla-Barrandum, Böhmischen Massivs weisen darum das eine redox Stratifizierung der Ozeane mit anoxischen Bedingungen im den Tiefenwässern bis ins Ediacarium besehen blieben. Wichtige biologische Innovationen zu dieser Zeit sind somit nicht mit einer Sauerstoffanreicherung in den tiefen Ozeanen gekoppelt.
Publications
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(2013), The Mo-isotopic composition of late Archean Iron Formations, Goldschmidt Conference 2013
Kurzweil, F., Wille, M., Schoenberg, R., Van Kranendonk, M.
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(2014), Delayed deep ocean oxygenation, AGU Fall Meeting
Kurzweil, F., Drost, K., Pasava, J., Wille, M., Taubald, H., Schoenberg, R.
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(2014), Molybdenum Isotopic Compositions of Subducting Sediments and Associated Arc Lavas, Banda Arc, Eastern Indonesia, Goldschmidt Conference 2014
Wille, M., Nebel, O., Vroon, P.Z., Schoenberg, R
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(2015), Continuously increasing δ98Mo values in Neoarchean black shales and iron formations from the Hamersley Basin, Geochimica et Cosmochimica Acta 164, 523–542
Kurzweil, F., Wille, M., Schoenberg, R., Taubald, H., van Kranendonk, M.J.
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Coupled sulfur, iron and molybdenum isotope data from black shales of the Tepla-Barrandian unit argue against deep ocean oxygenation during the Ediacaran, Geochimica et Cosmochimica Acta 171, 121–142
Kurzweil, F., Drost, K., Pasava, J., Wille, M., Taubald, H., Schoeckel, D., Schoenberg, R.
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(2016), Manganese oxide shuttling in pre-GOE oceans – evidence from molybdenum and iron isotopes, Earth and Planetary Science Letters 452, 69–78
Kurzweil, F., Wille, M., Gantert, N., Beukes, N.J., Schoenberg, R.
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(2016), Molybdenum isotope systematics in subduction zones, Earth and Planetary Science Letters447, 95–102
König,S., Wille, M., Voegelin, A., Schoenberg, R.
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(2018), Molybdenum isotope variations in calc-alkaline lavas from the Banda arc, Indonesia: Assessing the effect of crystal fractionation in creating isotopically heavy continental crust. Chemical Geology 485, 1-13
Wille,M., Nebel, O., Pettke, T., Vroon, P.Z., König, S., Schoenberg, R.
