Framboidal pyritt dannet under reduserende forhold kan analyseres for å få informasjon om tidligere tiders oksygenkonsentrasjon. Denne prøven er fra Vest-Sibir. Kilde: Ivanov med flere, 2020
Det er bred enighet i forskningsmiljøene om at menneskelige utslipp av CO2 er den viktigste drivkraften i den globale oppvarmingen vi har i dag, men vi vet at også tidligere i den geologiske historien har vi hatt klimavariasjoner med istider og uttørking av hav og innsjøer (evaporittavsetninger). Vi har imidlertid ingen metode for å studere variasjoner innen et århundre i den geologiske historien.
geoforskning.no: Endring på alle skalaer
Vi har lenge visst at malmdannende prosesser er sterkt knyttet til oksygeninnholdet i havvann og i hydrotermale løsninger. Vi har også blitt mer oppmerksomme på betydningen av salt vann fra evaporitter, som kan inneholde betydelige konsentrasjoner av tungmetaller og gull. På grunn av den høye egenvekten til slikt vann, kan det synke dypt ned i kontinentalskorpen. Russiske forskere har funnet dette vannet på 10 km dyp i borehullet på Kola.
Svovelkis avslører oksygeninnhold
Den som har engasjert seg sterkest i arbeidet med disse prosessene er malmgeologen Ross Large i Australia. Han har samlet over 3 000 pyrittprøver (svovelkis) og spesielt framboidale (sfæriske, av framboise – bringebær) pyritter, som dannes under reduserende forhold i vannkolonnen, som i Svartehavet eller på grensen mellom sediment og havvann. Alle pyrittene har blitt analysert for sporelementer for å se om de kan fortelle oss noe om havvannet da de ble dannet.
Av spesiell interesse er informasjon om oksygeninnholdet i havet. Derfor trengs det et sporelement som har to oksydasjonstrinn og et sporelement med et trinn som inngår i pyritt (FeS2). Large valgte selen som har to oksydasjonstrinn (Se 4+ og Se 6+) som erstatter svovel (S) og løseligheten av Se 6+ øker med oksygen-innholdet og kobolt (Co) som erstatter jern (Fe) i svovelkisen er uavhengig av oksygeninnholdet.
Forholdet mellom Se og Co i pyritt gir derfor et bilde (en proxy) av oksygeninnholdet i havet.
Forskningen til Ross Large viser at det har vært store sykliske variasjoner i oksygeninnholdet i havvannet og atmosfæren.
Det er tre store sykluser i proterozoikum ved 2 000 – 1 800 millioner år siden (Ma), 1 500 – 1 400 Ma og ved 800 – 900 Ma. I fanerozoikum er det fem sykluser.
Det høyeste oksygeninnholdet er indikert til å være 25 prosent ved 520 Ma. Ellers er det topper ved 400 Ma, 320 Ma, 200 Ma og vi har en topp eller nærmer oss en topp i dag (se ellers artikkelen til Ross Large).
Ved overgangen fra ediacara – kambrium (540 millioner år siden (Ma)) var innholdet 3-4 prosent, og økte som nevnt raskt til en topp på 25 prosent midt i undre kambrium (520 Ma).
Erosjon og næringsstoffer
Hva skyldes den kraftige økningen i oksygeninnholdet på 20 millioner år? Én mulighet er sterk tilførsel av næringsstoffer med påfølgende algeoppblomstringer i havet.
For litt mer enn 30 år siden logget jeg borekjerner på Bidjovagge i Kautokeino, og jeg fant dypforvitring (saprolitt) av det subkambriske peneplanet (grunnfjell). Det var en alluvial sandstein som hadde beskyttet saprolitten mot erosjon da havet steg og druknet store landområder (den marine kambriske transgresjonen).
Analyser av leiromvandlingen i saprolitten viste en alder på 541 +/- 6,7 Ma (K-Ar metode). Tykkelsen på forvitringslaget var 10-15 meter.
For 40 år siden kartla jeg Dividalsgruppen i Finnmark for å se på mulighetene for blymalmer i de kambriske sandsteinene, men i de fleste profilene var basalsandsteinen tynn og avsatt på lite forvitret grunnfjell, men de reine kvartsittene (Ringsakerkvartsitt) var sannsynligvis et produkt av forvitringen av feltspat i ediacara.
Undre kambrium er preget av en rekke transgresjoner og regresjoner, som sannsynligvis er knyttet til globale variasjoner i havvannsstanden. Dette viser at betydelige mengder forvitret grunnfjell hadde blitt erodert under de marine transgresjonene.
Thorolf Vogt publiserte en interessant artikkel fra Mjøsområdet i 1924, og han var fascinert av den grå-blå fargen til Ringsakerkvartsitten. Han benyttet en gassbrenner på kvartsitten som ble hvit etter brenning og han konkluderte med at fargen skyldtes grafitt på overflatene av kvartskornene.
Grafitten stammet sannsynligvis fra algeoppblomstringer. Algeveksten var avhengig av sollys, fosfor, toverdig jern og kobber. På Det baltiske skjoldet (Baltika) langt unna dyphavet var vindblåst sand den viktigste fosforkilden, mens vulkansk aktivitet var viktig for tilførselen av toverdig jern.
Oppbrytningen av Rodinia i prekambrium og økt spredningshastighet førte til oppvarming av havet og marine transgresjoner inn på Det baltiske skjold. Høyt CO2-innhold i atmosfæren i ediacara hadde skapt leiromvandling og dypforvitring. Den marine transgresjonen i undre kambrium eroderte forvitringsmaterialet og førte en rekke næringsstoffer ut i det grunne havet på Det baltiske Skjold.
Ved 540 Ma var oksygeninnholdet i atmosfæren bare 4 prosent, men CO2-innholdet var høyt og vi fikk dannet leirmineralet kaolin i Bidjovagge (Bjørlykke et al. 2022) og rene kvartsitter ble avsatt. Over kvartsittene er det røde og grønne skifre. De røde skifrene reflekterer det høye oksygeninnholdet ved 520 Ma. Forvitringen av grunnfjellet omvandlet det meste av feltspater til leirmineraler. Nedbrytningen av plagioklas frigjorde store mengder kalsium. Spesielt på det amerikanske kontinentet (Laurentia) førte økt tilførsel av kalsium til store karbonatavsetninger.
Hvis vi ser på forvitringens betydning for malmdannelsen, så vil høyt oksygeninnhold gjøre om Fe2+ til Fe 3+ på land og derved bryte ned mineraler med Fe 2+ som biotitt. Kobber er anriket i jernrike mineraler og frigjøres under forvitringen (Red bed copper deposits).
Under kaolinforvitring vil kalifeltspat brytes ned og bly og barium blir frigjort. Blyet kan senere avsettes under reduserende forhold skapt av algeoppblomstringer (Bjørlykke et al 2021).
Se-innholdet i marin pyritt indikerer at oksygeninnholdet i atmosfæren og havet varierer i sykluser. Perioder med lav tilførsel av næringsstoffer fører til lite algeoppblomstring og dermed økt CO2-innhold, som under istider, mens et økende CO2-innhold fører til økte temperaturer og sur nedbør (dypforvitring), som igjen fører til økt tilførsel av næringsstoffer til havet. Fotosyntesen fører til en reduksjon av CO2-innholdet og det blir kaldere igjen.
Menneskeskapte utslipp av CO2 til atmosfæren er klart den viktigste årsaken til klimaforandringer, men har dagens demninger, vannkraftanlegg og reguleringer mot flom resultert i at verdenshavene får mindre næringsstoffer til algeoppblomstringer som ellers ville bidratt til å redusere CO2-innholdet i atmosfæren, og er tilførselen av kalsium (fra land) for lav for korallrevene?
ARNE BJØRLYKKE
Forslag til mer lesing
Bjørlykke, A., Lepland, A., & Skår, Ø. 2021: Origin of the mineralized Hawke conglomerate and its importance in the formation of the Vassbo lead-zinc deposit Norwegian Journal of Geology 101, 202109. https//dx.doi.org/10.17850/njg101-2-4.
Arne Bjørlykke, Håkon Rueslåtten, Roelant van der Lelij, and Jasmin Schönenberger 2022:
Ediacaran to early Cambrian weathering of the Kautokeino Greenstone Belt in Finnmark, northern Norway. Norwegian Journal of Geology 102, 202209
Large, R., R., Mukherjee, I., Gregory D., D., Steadman, J., A., Corkrey, R., Danyushevsky, L. 2019: Atmosphere oxygen cycling through the Proterozoic and Phanerozoic. Mineralium Deposita 54:485-506.
Vogt, T. 1924. The relation between the Sparagmitian and the marine Lower Cambrian at Lake Mjøsa. NGT 27, 281- 384.
