Die Welt giert nach Gold, Kupfer und anderen wertvollen Stoffen. Deshalb suchen Wissenschaftler nach Methoden, sie besser finden zu können.

Hamburg. Ein großes Vorkommen wertvoller Metalle zu finden hat noch immer viel mit Glück zu tun. Nur etwa eine von 1000 Untersuchungen geologischer Formationen führt am Ende zur Einrichtung einer Fördermine. Deshalb beschäftigen sich Geologen zunehmend mit den Mechanismen, die riesige Lagerstätten von Kupfer, Gold, Silber, Platin und anderen Metallen, aber auch von Diamanten hervorbringen. Im Fachmagazin „Nature Geoscience“ befassen sich drei Artikel mit diesem Thema.

Hauptsächlich zwei Kriterien entscheiden darüber, ob eine Erzlagerstätte gewinnbringend abgebaut werden kann: zum einen der Metallgehalt im Erz, zum anderen die Größe des Erzvorkommens. Als riesige Lagerstätte gilt nach Jeremy P. Richards von der University of Alberta in Kanada eine Reserve von mehr als 100 Tonnen Gold oder mehr als zwei Millionen Tonnen Kupfer. Je nach Definition würden jedoch auch bis zu dreifach höhere Zahlen genannt, betont Richards.

„Riesige Erzlagerstätten enthalten ungewöhnlich große Mengen an Metall und sind die bevorzugten Ziele rohstofferschließender Firmen“, schreibt der Geologe. Denn der Abbau großer Vorkommen sei profitabler als der von kleinen Vorkommen. Bei riesigen Erzvorkommen könnten größere Maschinen verwendet werden. Auch Landzerstörung und Umweltbelastung pro geförderter Tonne fielen geringer aus.

Eine wichtige Rolle bei der Suche nach riesigen Erzlagerstätten spielen sogenannte Subduktionszonen. Das sind Gebiete, in denen eine Erdplatte unter eine andere taucht und im heißen Erdmantel allmählich eingeschmolzen wird. In diesen Gebieten gibt es sehr häufig aktive Vulkane und auch große Vorkommen von vulkanischem Gestein.

Aus neueren Erkenntnissen über diese Gebiete hat Jamie J. Wilkinson vom Imperial College London vier wichtige Mechanismen herausgefiltert, die zur Bildung von riesigen Erzlagerstätten führen können. „Vulkanische Erzlagerstätten sind die Quelle großer Mengen von Kupfer, Molybdän, Gold und Silber, die von Menschen verwendet werden“, schreibt Wilkinson.

Der erste Mechanismus betrifft unterirdische Kammern mit Magma, also flüssigem Gestein aus dem Erdmantel, das auch bei Vulkanausbrüchen zutage tritt. Wenn hier erneut Magma eindringt, führt dies, so Wilkinson, zu einer Zirkulation des alten Magmas, wobei Teile aus der angrenzenden Erdkruste und metallische Bestandteile des neuen Magmas vermischt werden. Bei mehreren Durchgängen reichert sich in der Magmakammer immer mehr Metall an.

Der zweite Mechanismus basiert Wilkinson zufolge auf dem Schwefelanteil im geschmolzenen Gestein. Wieder ist es nachfließendes Magma, das die Metallanreicherung in Gang setzt: Flüchtige Bestandteile wie Wasser, Kohlendioxid und Schwefeldioxid entweichen aus dem frischen Magma und lösen in der Magmakammer vorhandene Schwefelablagerungen auf. Nun ist der Schwefel wieder in der Lage, sich an Metalle zu binden und sie in einem begrenzten Gebiet anzureichern.

Beide Mechanismen sind im Bereich der Subduktionszonen besonders wirksam, weil die abtauchende Erdkruste viel Wasser enthält. Das Wasser verzieht sich in Richtung Erdoberfläche, wenn mit größerer Tiefe Druck und Temperatur zunehmen. Dies verursacht besonders umfangreiche Flüssigkeitsströme aus tiefen Erdregionen, in denen auch die gesuchten Metalle gelöst sind.

Einen weiteren Mechanismus sieht Wilkinson darin, dass die Bildung von Magnetiten, einer Eisen-Sauerstoff-Verbindung, den Sauerstoffanteil im Magma verringert. Notwendig ist dafür Umgebungsgestein, das reich an Kohle oder nicht oxidiertem Eisen ist und das ins Magma eingeschmolzen wird. Weil weniger Sauerstoff als Bindungspartner des Schwefels zur Verfügung steht, können Kupfer, Gold und andere Metalle, die Schwefelverbindungen eingehen, in den erzbildenden Flüssigkeiten stark angereichert werden.

Der schnelle Aufstieg von Flüssigkeiten mit gelösten Schwefel-Metall- Verbindungen bildet den vierten Mechanismus. Beim Aufsteigen durch einen schmalen Schlot kühlt die Flüssigkeit schnell ab, der enorme Druck, der in der Tiefe herrscht, lässt rasch nach. Die Flüssigkeit dehnt sich aus und es kommt zu hoch konzentrierten Ablagerungen von Schwefel-Metall-Verbindungen im umgebenden Gestein.

Der Kanadier Jeremy P. Richards hat die Eigenschaften und Rahmenbedingungen von riesigen Lagerstätten mit denen gewöhnlicher verglichen. Bei Kupfer-, Molybdän- und Goldvorkommen in vulkanischem Gestein bestehe der größte Unterschied in der Dauer des geologischen Prozesses, der zur Bildung des Erzes geführt hat: Gewöhnliche Lagerstätten sind durchschnittlich innerhalb von 100.000 Jahren entstanden, riesige Lagerstätten im Zeitraum von 700.000 Jahren. Zudem konzentriere sich der Aufstieg der Flüssigkeit aus der Tiefe auf einen eng eingegrenzten Bereich, gibt Richards an.

Er untersuchte auch riesige Gold- und Silber-Vorkommen, die nicht unbedingt auf vulkanische Aktivität zurückzuführen sind. Bei diesen Mineralabscheidungen aus Flüssigkeiten bei Temperaturen zwischen 200 und 100 Grad spielen Erdbeben eine wichtige Rolle für hohe Metallkonzentrationen. Die bei Beben entstehenden Gesteinslücken füllen sich schnell mit Wasser, das verdampft und weiteres Wasser aus dem Gestein zieht. So reichern sich die im Wasser gelösten Metalle an.

In einem weiteren Beitrag in „Nature Geoscience“ plädieren William L. Griffin, G. C. Begg und Suzanne Y. Oi’ Reilly von der Macquarie-Universität in Australien dafür, bei Modellen zur Entstehung von Erzen nicht nur vulkanisches Gestein zu betrachten. Vielmehr müsse die gesamte Lithosphäre (Erdkruste und oberster Teil des Erdmantels) einbezogen werden, denn sie „spielt eine bedeutende Rolle in der Entstehung von Erz aus Magma“.

Als Beispiele nennen sie die Zuführung von Kohlenstoff in den obersten Teil des Erdmantels, die Voraussetzung für die Bildung von Diamanten sei. Der Aufbau der Lithosphäre kanalisiere das aufsteigende Magma und versorge es mit Schwefel. Vor allem in Subduktionszonen werde in der tiefen Lithosphäre älteres Gestein immer wieder durch flüssiges, metallhaltiges Gestein aus großer Tiefe angereichert.

William L. Griffin und seine Kollegen schlagen vor, jenen Teil des Erdmantels, der zur Lithosphäre unter Kontinenten gehört, im Hinblick auf Struktur, Alter und Zusammensetzung zu erkunden und in Karten zu verzeichnen. Die geologischen Muster könnten dann Hinweise auf geeignete Orte für die Erkundung großer, metallreicher Erzlagerstätten geben.