College van de maand: Het “Great Oxidation Event”

Geleidelijk komt het eind van het collegejaar in zicht. Dat betekent voor mij dat ik me bezig moet gaan houden met mijn Master project; een project waar ik vijf maanden mee bezig ga zijn. Samen met nog drie medestudenten ga ik onderzoek doen naar de eerste zuurstof in de atmosfeer en hoe dit te zien is in de samenstelling van verschillende mineralen en sedimenten. Het leek mij leuk om jullie hierover iets meer te vertellen in dit ‘College van de maand’.

Het Archaean: De Aarde 4 miljard jaar geleden
Tijdens het Archaean (4-2,5 miljard jaar geleden) zag onze Aarde er heel anders uit. Continentale korst was nog maar kort geleden gevormd en de plaattektoniek was heel anders. Subductie van de korst gebeurde snel en continenten waren daarom nog niet stabiel. Gedurende het Archaean veranderde dit echter langzaam. Subductie gebeurde steeds minder snel naarmate de Aarde afkoelde en langzamerhand vormde er stabiele continenten. De atmosfeer bestond voornamelijk uit CO₂, N₂, H₂ en CH₄ (methaangas). Zuurstof was niet in vrije vorm aanwezig. Dit houdt in dat er geen O₂ moleculen in de atmosfeer zaten. Enkele O-deeltjes in de vorm van SO₂ /SO₄ ^2-/CO waren echter wel (in zeer kleine concentraties) aanwezig. Deze waren afkomstig van vulkanen, die tijdens een eruptie deze gassen uit de mantel in de atmosfeer konden brengen. De oceanen hadden een hoger pH dan de oceanen die wij nu kennen, en de temperatuur aan het oppervlak was naar schatting tussen de 0 en 70 graden. Dit klinkt in eerste instantie niet gunstig voor leven, maar verrassend genoeg konden primitieve bacteriën, goed in deze extreme omstandigheden leven. Zij konden door middel van fotosynthese zonder zuurstof voornamelijk CO₂, S^2- (zwavel) en Fe²⁺ (ijzer) omzetten tot organisch materiaal.

The Great Oxidation Event: de eerste zuurstof
2,4 miljard jaar gebeurde er iets bijzonders: zuurstof kwam voor het eerst voor in de atmosfeer en gedurende 100 miljoen jaar steeg de concentratie snel. Deze gebeurtenis wordt ook wel het Great Oxidation Event (GOE) of, het Grote Oxidatie Evenement genoemd. Een specifiek soort bacteriën, de Cyanobacteriën, waren namelijk in staat om door middel van fotosynthese zuurstof te produceren. Deze toename in het zuurstofgehalte in de atmosfeer had drastische gevolgen voor de geologie, biologie en belangrijke chemische kringlopen op Aarde.

De GOE en de geologie

Wanneer, hoe en waarom de GOE precies plaats vond, is nog een groot raadsel. Geologen proberen een verklaring te vinden en bestuderen ’s werelds oudste gesteenten, die zich voornamelijk bevinden in Australië (het Pilbara kraton) en Zuid-Afrika (het Kaapvaal kraton) (afb. 1). De overgang van een zuurstofloze atmosfeer naar een atmosfeer met vrij zuurstof is namelijk te zien in oude sedimenten. Voor er zuurstof aanwezig was, konden er geen reacties plaatsvinden die zuurstof vereisten. Voornamelijk pyriet en bariet (afb 3 & 4) mineralen werden gevormd door de grote hoeveelheid zwavel en ijzer die er aanwezig was. Ook bouwden mineralen het element zwavel op een andere manier in het kristalrooster in. Zwavel komt namelijk als meerdere isotopen¹ voor, met allen een andere massa (bijvoorbeeld ³⁴S, ³⁵S en ³⁶S).

In een atmosfeer waar zuurstof aanwezig is, worden isotopen ingebouwd aan de hand van hun massa. Zo hebben organismen voornamelijk voorkeur voor de lichtere isotoop ³⁴S, en blijft de zwaardere isotoop, bijvoorbeeld 36S achter in het zeewater.

Wanneer er geen zuurstof aanwezig is, zo weinig als 10-5 keer minder dan vandaag de dag, worden alle zwavel isotopen op dezelfde manier ingebouwd. (Ter vergelijking tegenwoordig is het percentage 2_O is ongeveer 21%.) Er is dan geen verschil tussen de concentraties zwavel in biologische structuren (waaronder bijvoorbeeld Stromatolieten), de concentraties in zeewater of in gesteente. Deze structuren worden S-MIF (Sulphur Mass Independent Fractionation, of Zwavel Massa Onafhankelijke Fractionatie) genoemd.

Vóór de GOE kwamen deze S-MIF structuren voor in sedimentaire afzettingen en mineralen zoals pyriet en bariet en zijn terug gevonden in onder andere Zuid-Afrika en Australië. Rond 2.46 miljoen jaar geleden, verdwijnen deze S-MIF structuren echter. Pyriet en bariet mineralen waren niet meer stabiel aan de oppervlakte en werden chemisch verweerd. Pyriet dat vandaag gevonden wordt, is dan ook afkomstig uit zuurstofloze tijden of uit afzettingen die na de GOE zijn gevormd. S-MIF structuren zijn hier niet meer in waar te nemen. Geologen interpreteren het moment van verdwijnen van S-MIF structureren als het begin van de toename van vrije zuurstof in de atmosfeer.

Daarnaast zorgde de aanwezigheid van zuurstof voor nieuwe chemische verwering van gesteente op het land. Restanten van verweerde mineralen en elementen (bijv. goud, zink, koper) werden vervolgens getransporteerd en belandden in de zee. Deze restanten van mineralen en elementen zijn vervolgens in zekere zin bewaard gebleven in de sedimentaire geschiedenis van de zee. Geologen kunnen de restanten dateren en de samenstellingen analyseren om zo meer te weten te komen over de timing en andere details omtrent de zuurstoftoename op aarde. (Catling David C, 2020; Genming Luo et al., 2016).

Ondanks de vele onzekerheden waar geologen tegenaan lopen, is er al veel onderzoek gedaan. Dit onderzoek vond voornamelijk plaats in Zuid-Afrika en Australië. Botswana (afb. 2.1), het buurland van Zuid-Afrika, is echter nog maar amper onderzocht. De afzettingen die in Zuid-Afrika worden gevonden, kunnen mogelijk ook gevonden worden in Botswana. Het analyseren en karteren van deze sedimenten kan daarom potentieel nieuwe informatie over de GOE bieden. Vandaar dat ik in mijn Master project focus op Botswana. Oorspronkelijk stond er een veldwerg gepland, maar aangezien de Corona omstandigheden heeft dit helaas (nog) niet plaats kunnen vinden. Voor mij is het daarom nu nog voornamelijk literatuur onderzoek en analyses in het lab. Dit neemt echter niet mijn enthousiasme voor het onderzoek weg, en ik zou jullie dan ook graag over een aantal maanden wat meer willen vertellen over Botswana, de eerste zuurstof en hoe dit in de geologie geïnterpreteerd kan worden.

1. Isotopen zijn atomen van het hetzelfde element, maar met een verschillend aantal neutronen in de kern.

Bronnenlijst en interessante papers voor meer informatie:

• Catling David C, Z. K. J. (2020). The Archean atmosphere. Sience Advance, 6.
• Genming Luo, Shuhei Ono, Nicolas J. Beukes, David T. Wang, Shucheng Xie, & Summons, R. E. (2016). Rapid oxygenation of Earth’s atmosphere 2.33 bilion years ago. American Association of Science Advance 2.
• Kesler, S. E., & Ohmoto, H. (2006). Evolution of Early Earth's Atmosphere, Hydrosphere, and Biosphere- constraints from ore deposits (Vol. 196): Geological society of America
• Lenhardt, N., Eriksson, P., Octavian, C., & Bumby, A. (2012). Nature of and controls on volcanism in the c. 2.35 – 2.05 Ga Pretoria Group, Kaapvaal Craton, South Africa. Precambrian Research, 214-215, 106-123. doi:10.1016/j.precamres.2011.09.012
• Wie meer wil weten over de invloed van de zuurstof toename op het mineralenrijk kan daarvoor terecht bij het artikel "Mineralen evolutie”.