Professur für Angewandte Geologie Seite 37 2. Mineral
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TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 37 2. Mineral- und Lagerstättenbildung 2.1. Einführung • • • • • Lagerstätten stellen im Verhältnis zum normalen Aufbau der Erdkruste seltene und gegenüber der durchschnittlichen chemischen Zusammensetzung ausgesprochen anomale Anreicherungen der jeweiligen Nutzkomponenten dar Anreicherung der Nutzkomponenten (Elemente, Minerale) bis zu ihrer Bauwürdigkeit erfolgt unter dem Einfluss und im Verlauf verschiedenartiger geologischer und geochemischer Prozesse Entstehung von Lagerstätten beruht auf komplexen Prozessen Ursachen von Stoffanreicherungen sind sehr vielfältig: o verantwortlich ist die dynamische Interaktion von Erdkern, -mantel und -kruste sowie der Hydro-, Bio- und Atmosphäre o beteiligt sind Abkühlung und Entgasung des Erdinneren sowie die Entmischung des Gesamtsystems im Verlauf der Erdgeschichte (geologisch-geochemischer Kreislauf) lagerstättenbildende Prozesse: o endogene Prozesse (innenbürtig, aus dem Erdinneren, endogene Dynamik – magmatische, tektonische und metamorphe Vorgänge) o exogene Prozesse (außenbürtig, von außen auf die Erdkruste einwirkend, exogene Dynamik – durch kosmische Kräfte (Sonne, Mond u.a.) und Klima gesteuerte Vorgänge, Kreislauf von Verwitterung, Abtragung und Ablagerung) o extraterrestrische Prozesse (Einschläge von Meteoriten und Asteroiden) Die Bildung der Nickellagerstätte von Sudbury in Kanada ist auf einen Meteoriteneinschlag vor 1,8 Milliarden Jahren zurückzuführen. Der Meteorit schlug bis in 5 bis 6 km Tiefe ein und bildete einen Krater von über 80 km Durchmesser. [11] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 38 Lagerstättenbildung in Raum und Zeit (Metallogenese, Minerogenese) Die Bildung von Lagerstätten ist eng mit der geologischen Entwicklung der Erde in Raum und Zeit verknüpft und an die geotektonischen Epochen gebunden. Früher beruhte das Konzept der Krustenentwicklung auf der fixistischen Vorstellung der weitgehend ortsgebundenen Entwicklung von Geosynklinalen und der nachfolgenden Orogenese (Gebirgsbildung). Dementsprechend wurde die Lagerstättenbildung in dieses Schema aus Geosynklinalentwicklung, Orogenese und Tafelstadium integriert. Die Erkenntnisse der modernen Plattentektonik und der marinen Geologie führten in den letzten Jahrzehnten auch zu einem besseren Verständnis der Entstehung und räumlichen Verteilung von Lagerstätten. TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 39 [6] [6] [6] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 40 [6] Plattentektonik und Lagerstättenbildung (Beispiele) Plattentektonisches Stadium Kontinentale Großgräben (Rifts) Dehnung von kontinentaler Kruste Passive Kontinentalränder Mittelozeanische Rücken und ozeanische Becken Subduktionszonen im Bereich von Inselbögen Subduktionszonen im Bereich von Kontinentalrändern Kontinentkollision Lagerstättenbildender Prozess magmatische Mantelaktivität (hot spots) mit Ausbildung von triple junctions; Intrusion von Karbonatiten und Alkalimagmatiten mit Nb, Ta, SEE, etc. präkambrische Kratone mit Diatremen (Kimberlite mit Diamanten) Schelfsedimente mit sedimentären Manganlagerstätten Seifenlagerstätten mit Diamanten Ophiolithe mit CrLagerstätten hydrothermale Aktivitäten (black smoker) mit Cu-PbZn-Mineralisationen vulkanogene Sulfiderzlagerstätten (PbZn-Cu) porphyrische CuLagerstätten Beispiel ostafrikanisches Grabensystem Sibirien Ukraine, Georgien Küste von Namibia Türkei, Zypern, Oman Pazifik, Atlanik Kupferlagerstätten vom Zypern-Typ Japan (Kuroko-Typ) Chile Bildung von S-Typ Graniten Erzgebirge, Sachsen mit Sn-W-Lagerstätten TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 41 [15] [15] TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 42 Gliederung der Lagerstätten nach der Genese Da keine moderne allgemeingültige Lagerstättenklassifikation existiert, einige Autoren gliedern die Lagerstättentypen auf der Grundlage des geologischen Milieus (EVANS 1992), andere nach einer genetischen Klassifikation in Kombination mit den (Milieu)Typen (POHL 1992), folgt der folgende Teil der Vorlesung zum allgemeinen Verständnis einer Gliederung nach der Genese (BAUMANN et al. 1979). Zu bemerken ist, dass häufig in Lagerstätten Übergänge und Kombinationen von Genesetypen sowie eine spätere Überprägung durch eine andere Genese zu verzeichnen ist. Einige wichtige neuere Lagerstättentypen werden an entsprechender Stelle erwähnt. 1. Magmatogene (endogene) Lagerstätten o Frühkristallisation o Hauptkristallisation (Spätkristallisation) o postmagmatische Prozesse • überkritische Phase • hydrothermale Phase 2. Sedimentogene (exogene) Lagerstätten o mechanische Verwitterung o chemische Verwitterung o Ausscheidungslagerstätten 3. Metamorphe Lagerstätten o metamorphogene Lagerstätten o metamorphosierte Lagerstätten TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 43 2.2. Magmatogene (endogene) Lagerstättenbildung Magma: homogene, komplexe (silikatische) Schmelzen, die in tieferen Teilen der Erdkruste oder unterhalb derselben (im Erdmantel) entstehen und deren Erstarrung zur Bildung von Gesteinen führt. Magma (griech. = geknetete Masse, Teig) Wesentliche Elemente, die am Chemismus von Magmen und den daraus entstehen-den magmatischen Gesteinen beteiligt sind: O, Si (> 10 M-%) Al, Fe, Ca, Na (1 –10 M-%) Mg, K (0,1 – 10 M-%) Ti (0,1 – 1 M-%) + wechselnde Mengen leichtflüchtiger Bestandteile (CO2, HCl, HF, H2S, H20) Der Gehalt an leichtflüchtigen Bestandteilen setzt den Schmelzpunkt der rein vorkommenden Minerale um 200 bis 300 °C herab. Der Schmelzpunkt von Quarz liegt bei 1713 °C. Herkunft der Magmen: sialische Magmen (aus dem Sial – Erdkruste) entstehen durch Aufschmelzung bzw. Wiederaufschmelzung von Gesteinen des Krustenkreislaufs (Sedimentite, Vulkanite, Magmatite, Metamorphite), Palingenese – lokale Einschmelzung zu einem aktiven Magma → sialisch-palingene Magmen simatische Magmen (aus dem Sima – oberer Erdmantel) entstammen dem ursprünglichen Material des oberen Teiles des Erdmantels und sind noch nicht durch äußere Kreislaufprozesse verändert → simatisch-juvenile Magmen TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 44 [5] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 45 Einteilung der Magmen nach dem Kieselsäuregehalt: sauer (60 bis über 70 M-% SiO2) → Granit, Rhyolith basisch (weniger als 50 M-% SiO2) → Gabbro, Basalt Siehe auch Kap. 1.2. (Klassifikation der magmatischen Gesteine) [25] [25] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 46 Ort der Platznahme: Tiefengesteine, intrusive Gesteine, Intrusiva Ergußgesteine, effusive Gesteine, Effusiva Ganggesteine Unterscheidung der Magmen nach dem Chemismus (Verhältnis Ca : K+Na-Gehalt): Kalkalkaligesteine (größter Teil der magmatischen Gesteine) Alkaligesteine (häufig SiO2-arm, charakteristisch für den Intraplattenmagmatismus) Zuordnung von Magmatiten zu bestimmten plattentektonischen Positionen: Basalte Mittelozeanische Rückenbasalte (MidOcean-Ridge-Basalte) [MORB] in ozeanischen Spreizungszonen (Tholeiite) Intraplattenbasalte (Within-Plate-Basalte) [WPB] mit Ozeaninselbasalte (Ocean-Island-Basalte) [OIB] Inselvulkane ozeanischer Lithosphärenplatten (Alkalibasalte und Tholeiite) und Plateaubasalte (Continental-FloodBasalte) [CFB] Flächenergüsse auf kontinentaler Erdkruste (Alkalibasalte und Tholeiite) entstehen durch Mantel-Plumes, hot spots und Rifting Inselbogenbasalte (Island-Arc-Basalte) [IAB] Inselbögen und aktive Plattenränder, meist Tholeiite Granitoide M- (Mantel) Granitoide Edukte stammen aus dem Erdmantel, an ozeanische Inselbögen gebunden A- (anomale Alkali-) Granitoide an kontinentale Rifts gebunden I- (intermediäre) Granitoide entstehen durch Anatexis, an aktive Plattenränder gebunden S- (sedimentäre Edukt) Granitoide entstehen durch Anatexis, an kontinentale Kollision gebunden Veränderung des Chemismus von Schmelzen durch: Phasentrennung (Fraktionierung) Stoffsonderung (Differentiation) Magmenmischung (Hybridisation) Aufnahme von Fremdmaterial (Assimilation, Kontamination) TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 47 Beim Aufsteigen eines Magmas in höhere Zonen der Erdkruste tritt während der Auskristallisation ein Stoffsonderung oder Differentiation ein. Der Differentiation kommt besondere Bedeutung zu: führt zu verschiedenen Gesteinsbildungen und zur Bildung von bestimmten Lagerstätten hängt im wesentlichen von der Art und dem Anteil der leichtflüchtigen Komponenten (Fluida, Volatile) ab: H2O, CO2, CO32-, F-, Cl-, S2-, SO42-, PO43-, N, Edelgase Differentiation beginnt mit Kristallisation von festen mineralischen Phasen, die einen hohen Schmelzpunkt besitzen, Platinmetalle und Schwermetalloxide (Chromit, Ilmenit, Magnetit) sinken entsprechend ihrer höheren Dichte im flüssigen Magma ab (gravitative Differentiation) damit verändert sich auch der Chemismus der Schmelze Ausscheidung nach der Löslichkeit (Bowensches Prinzip) [16] Prozess der Magmenveränderung durch Auskristallisation bestimmter Paragenesen mit unterschiedlichem Chemismus verläuft kontinuierlich Bildung von differenzierten Intrusivkomplexen leichtflüchtige Komponenten sind in der Lage durch Bildung komplexer Verbindungen Metallionen zu binden (Säurebildner), in Lösung zu halten und dadurch im Magma, im Poren- und Kluftraum der Nebengesteine sowie auf Spalten zu transportieren und abzusetzen postmagmatischer Differentiationsprozess ist entscheidender Faktor der magmatogenen Lagerstättenbildung intrusive Magmen Anreicherung der Fluida und Auskristallisation lagerstättenreich effusive Magmen Entweichen der Fluida lagerstättenarm bis lagerstättenfrei TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 48 [25] Lagerstättenbildung simatische Magmen (juvenil) ultrabasische und basische Gesteine Peridotit, Dunit, Norit, Gabbro, Anorthosit ↓ Lagerstätten der gravitativen Differentiation, liquidmagmatische Lagerstätten sialische Magmen (palingen) → intermediäre Gesteine Diorit, Syenit → saure Gesteine → Postmagmatische Gesteine (Lagerstätten) Granit ↓ Lagerstätten der Restlösungsdifferentiate (Pegmatite, Pneumatolyte, Hydrothermalite) saure Gesteine → Postmagmatische Gesteine (Lagerstätten) ↓ Lagerstätten der Restlösungsdifferentiate (Pegmatite, Pneumatolyte, Hydrothermalite) Gesetzmäßigkeit der Lagerstättenbildung nach den physikochemischen Bedingungen in Abhängigkeit von: Temperatur Druck Elementangebot (Bindung elementreicher Lösungen an die leichtflüchtigen Bestandteile) TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 49 [25] [19] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 50 Gliederung der magmatogenen Lagerstätten (auf der Grundlage ihrer physikochemischen Bildungsbedingungen): Lagerstätten der Frühkristallisation – liquidmagmatische Lagerstätten Kristallisationsdifferentiate Chromit-Lagerstätten (Cr) Chromit-Platin-Lagerstätten (Cr, Pt, Os, Ir) Magnetit-Ilmenit-Lagerstätten (Ti, Fe) Liquationsdifferentiate Pentlandit-Pyrrhotin-Chalkopyrit-Lagerstätten (Ni, Fe, Cu) Lagerstätten der Hauptkristallisation Tiefengesteine und Ganggesteine Ergußgesteine Nephelin-Lagerstätten (Al) Lagerstätten postmagmatischer Prozesse Überkritische Bildungen – überkritische Lagerstätten Pegmatite Strukturtypen Gänge im Nebengestein Metasomatite Randpegmatite (pegmatitische Schlieren) (Stockscheider) Glimmer, Feldspäte, Quarz, Edelsteine (Beryll, Turmalin, Topas); Li, Be, B, Rb, Cs; Th, Zr, Seltene Erden u.a. Pneumatolyte Strukturtypen Ganglagerstätten Verdrängungslagerstätten Silikatgesteinsverdrängungen Karbonatgesteinsverdrängungen, (Greisen, Zwitter) Kontaktmetasomatite (Skarne) Sn, W, Mo, Fe, Bi u.a. Hydrothermale Bildungen – hydrothermale Lagerstätten Strukturtypen Ganglagerstätten ImprägnationsVerdrängungshydrothermallagerstätten lagerstätten sedimentäre und (Porphyry-Typ, (Metasomatite) sedimentärDisseminated-Typ) exhalative Lagerstätten (SEDEX) Au, Ag, Cu, U, Zn, Cu, Mo, Au Cu, Zn, Pb, Hg Cu, Zn, Pb, Fe Pb, Hg u.a. TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 51 [25] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 52 Lagerstätten der Frühkristallisation – liquidmagmatische Lagerstätten Übergang vom Magma zu einem magmatischen Gestein erfolgt über die Auskristallisation von Mineralen. Temperaturbereich: Auskristallisation beginnt bei 1100 bis 1000°C mit Mineralen mit hohem Schmelzpunkt • Kristallisationsdifferentiation Minerale mit hoher Dichte: Platinmetalle und Schwermetalloxide (Platin (19g/cm3), Chromit (5 g/cm3), Ilmenit (4,7 g/cm3), Magnetit (5 g/cm3) u.a.) sinken aufgrund der hohen Dichte im Magmenkörper ab in den großen lakkolithförmigen Intrusivkörpern kommt es zu schlie-renförmigen, schichtartigen Anreicherungen ChromitLagerstätten: Cr an Ultrabasite (Peridotite) gebunden Chromit-Platin-Lagerstätten: Cr, Pt, Os, Ir an Ultrabasite (Peridotite) gebunden Titanomagnetit- und Magnetit-Ilmenit-Lagerstätten: Fe mit Ti an Basite (Gabbro, Anorthosit) gebunden Lagerstätten: Chromlagerstätte Bushveld/Südafrika; Platinlagerstätte Niznij Tagil, Ural/Russland Bushveld/Südafrika: ca. 2 Milliarden Jahre alter magmatischer Gesteins-komplex mit ellipsoidförmiger Kontur (450 km E-W- und 240 km N-S-Erstreckung, 9000 m mächtig) und deutlicher magmatischer Schichtung (Liegendes zwei Chromithorizonte („Reefs“), darüber ein sulfidischer Erzhorizont („MerenskyReef“) mit Ni, Cu, Au und Pt, Hangendes zwei Ilmenit-Magnetit-Horizonte) [5] TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie • Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 53 Liquationsdifferentiate magmatische Schmelzen mit hohen Gehalten an S-Ionen, Ausscheidung von Sulfidtröpfchen mit niedrigem Schmelzpunkt→ Anreicherung als mit dem Magma nicht mehr mischbare Sulfidschmelze Pentlandit-Pyrrhotin-Chalkopyrit-Lagerstätten (Ni, Fe, Cu) an Basite (Norite) gebunden Lagerstätten: Bushveld/Südafrika; Norilsk, Sibirien/Russland, Sudbury, Ontario/Kanada: Bildung ist auf einen Einschlag eines extraterrestrischen Körpers zurückzuführen, 1,85 Milliarden Jahre alt, Bildung so hoher Drucke und Temperaturen, daß der oberste Mantel aufgeschmolzen ist – Impaktmagmen mit ungewöhnlicher chemischer Zusammensetzung durch das Aufschmelzen ganzer Krustenteile und das Einbringen von geochemischen Anomalien infolge des Meteoriten- oder Asteroideneinschlags (z.B. Pt, Ir, Co, Ni – siderophile Elemente) – größter Ni-Produzent (und Cu sowie Platinmetalle), große elliptische Intrusion (Liegendes: archaische Gneise, altproterozoische Vulkanite und Sedimente – Intrusion mit Lagerstätten an den Liegendkontakten – Hangendes: Brekzien, Tonschiefer, Turbidite (Whitewater Group) [15] • Ophiolithe mit Chromitlinsen TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 54 ozeanische Kruste und Teile des oberen Erdmantels, die durch Obduktion auf kontinentale Kruste aufgeschoben wurde und an welche neben Cr auch submarinhydrothermale Lagerstätten mit Fe, Cu, Zn, Ba gebunden sind (→ hydrothermale Lagerstätten); größte zusammenhängende Ophiolithkomplex ist die Semail-Decke in Oman Lagerstätten: Nischni Tagil, Südural/Russland (Cr mit Pt); Jugoslawien; Bulgarien; Albanien; Griechenland; Guleman/Türkei; Kuba; Philippinen; NeuKaledonien (Cr) • Kimberlite Diamantgenese ist an Peridotite, Eklogite sowie Lamproite in Tiefen > 140 km im Erdmantel bei hohen Drucken und Temperaturen gebunden (→ Diamantlagerstätten) Lagerstätten der Hauptkristallisation Kristallisation der Hauptmasse der gesteinsbildenden Minerale, kaum Anreicherung von Erzkomponenten Tiefengesteine→ Nutzung als Eigenschaftsrohstoffe (Schotter, Splitt, Werksteine, Zuschlagstoffe u.a.) Ergußgesteine→ Nutzung als Eigenschaftsrohstoffe (Schotter, Splitt, Werksteine, Zuschlagstoffe u.a.) Nephelin-Lagerstätten (Al) → Nephelinsyenit als Al-Erz Steine- und Erdenförderung im Weltmaßstab 60 % der Bergbauförderung (wert-mäßig nur etwa 25 %) TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 55 Lagerstätten postmagmatischer Prozesse Überkritische Bildungen (Pegmatite, Pneumatolyte) Unterschied zwischen Pegmatit und Pneumatolyt liegt nicht im physikalischen Bereich (Druckverhältnisse sind gleich) sondern im Chemismus. Fluida wandern auf Intergranularen, Mineralausscheidung durch geringste Druckentlastung, z. B. in Spaltenhohlräumen. Pegmatite: Nach der Ausscheidung der Hauptmasse der silikatischen Gesteinsminerale (Hauptkristallisation) führt die spätmagmatische Differentiation im Temperaturbereich zwischen 700 und 400 °C zu einer fluidareichen Restschmelze (H2O, CO2, CO32-, F-, Cl-, S2-, SO42-, PO43-, N, Edelgase), in der sowohl gesteinsbildende Minerale als auch viele Verbindungen von Schwermetallen und Seltenen Elementen (Li, Be, B, Rb, Cs; Nb, Ta, Zr, Hf, Seltene Erden, U, Th) gelöst sind. Hochmobile fluidareiche Lösungen migrieren auf Intergranularen, dringen in Gangspalten und Hohlräume zwischen Intrusivkörper und Dachgestein ein und bilden dort die Pegmatite (feldspatbildend). Strukturtypen: Gänge im Nebengestein Metasomatite (pegmatitische Schlieren im Granit) Randpegmatite (Stockscheider, Granit − Nebengestein) Industrieminerale: Glimmer, Feldspäte, Quarz, Apatit Elemente: Seltene Erden, Li, Rb, Cs, Nb, Ta, Zr, Hf, U, Th Edelsteine: Beryll, Topas, Turmalin, Bergkristall u.a. Lagerstätten: Varuträsk/Schweden (Li), Langesund/Norwegen (U, Th) Ivigtut/Grönland (Alkaligesteine mit Kryolith (Na3[AlF6]), Kryolith wird als Flußmittel in der Bauxitverhüttung verwendet) Pneumatolyte: Im Anschluß an die pegmatitischen Abscheidungen kann es noch zu pneumatolytischen Bildungen kommen. Absätze aus überkritischen Lösungen saurer bis ultrasaurer Magmen mit einer hohen Konzentration an Halogenen (vorwiegend H2O sowie HF, HCl, H3BO3 u.a.), die sich durch eine besondere Aggressivität gegenüber Silikaten auszeichnen. Transport im überkritischen (fluiden) Zustand, Verdrängungsreaktionen (Metasomatose) Elemente: Sn, W, Mo, daneben Cu, Fe, Bi u.a. aus hydrothermaler Nachphase charakteristische chemische Reaktionen: − Greisen-Bildung: Umwandlung von Feldspäten! in Glimmer (K-Li-Fe-Al-Glimmer, Zinnwaldit), Quarz und Topas (Al2[F2/SiO4]), Ausscheidung schwerer löslicher Stoffe, wie Kassiterit (SnO2) TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 56 Sn wird als Komplexverbindung transportiert (Natriumhydrostannat) Na2[Sn(OH,F)6] (Hydrolyse)→ Sn(OH)4 + NaF + 2HF↑, Sn(OH)4 → SnO2 + 2 H2O – Skarn-Bildung: Umwandlung von Karbonaten in Ca-Silikate charakteristische Minerale: Fluorit, Topas (F), Apatit (F, Cl), Turmalin (B) und Glimmer (OH-Gruppen) Strukturtypen: − Ganglagerstätten: Trümer mit Quarz (SiO2), Kassiterit (SnO2), Molybdänit (MoS2), Wolframit ((Mn,Fe)[WO4]), Pyrit (FeS2), ged. Wismut (Bi) Lagerstätten: Ehrenfriedersdorf, Sachsen (Sn), Pechtelsgrün, Vogtland (W) – Verdrängungslagerstätten: 1. Silikatgesteinsverdrängungen (Greisen, Zwitter): Stöcke, Schlieren und unregelmäßige Körper in sauren Graniten mit Glimmern, Quarz und den nutzbaren Mineralen Kassiterit, Wolframit, Molybdänit Lagerstätten: Altenberg, Sachsen; Geyer, Sachsen; Sadisdorf, Sachsen; Horni Slavkov, Böhmen/Tschechien (Sn) 2. Karbonatgesteinsverdrängungen (Skarne, Taktite): kontaktmetasomatische Verdrängungen mit W- (Scheelit, Ca-Wolframat), Mo-, Sn- als auch FeAnreicherungen (Magnetit, Ti-frei) im Kontaktbereich von Granitoiden mit Karbonatgesteinen (Kalksteine, Dolomite, Marmore u.a.) Lagerstätten: Azegour/Marokko; Tyrny-Auz, Kaukasus/Russland (Mo, W); Perak/Malaysia (Sn); Magnitnaja Gora, Ural/Russland (Fe); Ocna de Fier und Dognacea, Banat/Rumänien (Fe) [1] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 57 Hydrothermale Lagerstätten: Ausscheidung aus wässrigen Lösungen in den Temperatur- und Druckbereichen unter der kritischen Temperatur des Wassers (375 °C). Transport der lagerstättenbildenden Substanzen in ionarer oder komplexer Form (Metallhydrokomplexe) in den Hydrothermen. Absatz auf Klüften und Spalten (entscheidende Bedeutung der Tektonik). Hydrothermen enthalten: − Na+, Cl-, F-, Ca2+, K+, SO42-, HCO3- (Ionen) − CO2, H2S, SO2 u.a. (gelöste Gase) − Fe, Co, Ni, Mn, Au, Ag, Cu, Pb, Zn, Sb, Hg (Metalle) Auskristallisation in Abhängigkeit von: • Elementkonzentration • Änderung Wasserstoffionenkonzentration (pH) und Redoxpotential (Eh) • Temperaturabfall. Temperatur ist entscheidender physikochemischer Parameter: katathermal 375-300 °C Arsenopyrit (FeAsS), Pyrrhotin (FeS) mesothermal 300-200 °C Sphalerit (ZnS), Galenit (PbS) epithermal 200–100 °C Skutterudit ((Co,Ni)As3), Nickelin (NiAs) telethermal <100 °C Cinnabarit (HgS), Antimonit (Sb2S3) [5] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 58 Strukturtypen: [1] Intrakrustal (in der Erdkruste entstanden): 1. Ganglagerstätten (Au, Ag, Cu, U, Zn, Pb, Hg u.a.) – an mehr oder weniger steilstehende Störungen und Spalten gebunden – Mineralabsatz zeitgleich mit Öffnungsbewegungen der Spalte, bilateralsymmetrische Anordnung der Paragenesen (ältere, höherthermale am Saalband; jüngere, tieferthermale in Gangmitte) – temporaler Fazieswechsel – Zonalität um den Magmenkörper (pegmatitisch-pneumatolytisch → telethermal) – lateraler Fazieswechsel – Telescoping – Gangkreuzbildungen mit Anreicherung edler Metalle Lagerstätten: Freiberger Pb-Zn-Ag-Lagerstättenbezirk, Bergbau von 1168 – 1968, über 1000 Erzgänge aufgeschlossen Zwei Gangsysteme: N-S (variszische Mineralisation: Oberkarbon − Perm [300 − 240 Millionen Jahre]): 1. Quarz-Polymetall-Assoziation (kb-Formation) mit FeS2, ZnS, PbS (katathermal), 2. Uran-Quarz-Carbonat-Assoziation (uqk-Formation) mit U (Westerzgebirge), 3. Carbonat-Ag-Assoziation (eb-Formation) mit Ag-Sb-Fahlerz (mesothermal) E-W (postvariszische Mineralisation: Trias – Kreide [240 – 100 Millionen Jahre]): 5. BarytFe-Assoziation (eba-Formation) mit Fe, Mn, Ba, 6. Fluorit-Baryt-Assoziation (fbaFormation) mit F, Ba, 7. BiCoNiAsAg(U)-Assoziation (BiCoNiAgU-Formation) (Westerzgebirge) TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 59 [5] [4] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie Seite 60 BAYER (1999) Pribram, Böhmen/Tschechien (Pb, Ag, U) Clausthal-Zellerfeld, Harz (Pb, Zn) Kalifornien/USA (Mother Lode, Gold-Quarz-Gang, 120 km lang) Bauwürdigkeit: − Mächtigkeit des Ganges Au – Millimeter bis Zentimeter; Cu-Pb-Zn – Dezimeter; BaF-Fe – Meter – Bauwürdigkeitskoeffizient 0,25 – 0,3 (viertel bis drittel der Gangfläche muss bauwürdig sein) TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 61 [5] [19] [19] TU Dresden / Institut für Geotechnik Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Professur für Angewandte Geologie 2. Imprägnationslagerstätten (Porphyry-Typ, Disseminated-Typ: Cu, Cu-Mo, Cu-Ag-Au) Füllung von Kluft- und Porenräumen in magmatischen Gesteinen mit Erzmineralen, gesamter Gesteinsverband durch tektonische Prozesse gelockert, Imprägnation des älteren Gesteins (Granodiorite, Monzonite, Granite) große räumliche Ausdehnung der Lagerstätten, geringe Nutzkomponentengehalte (0,3 – 0,5 %), Abbau riesiger Gesteinsmengen meist in Tagebauen Lagerstätten: Kounrad/Kasachstan (Cu, Mo); Chuquicamata, Chile (größter Cu-Erztagebau); Bingham, Utah/USA (durchschnittlich 500 m tief – künstliche Bewetterung) (Cu(Mo)) 3. Verdrängungslagerstätten (Metasomatite: Fe, Mn, Mg, Cu, Zn, Pb, Hg) entstehen in leicht reaktionsfähigen Gesteinen (Kalksteine, Marmore, Dolomite u.a.) Lagerstättenbildung erfolgt bei: – Klüftigkeit, Porosität, Permeabilität – Abdichtung durch Stauhorizonte (Tonlagen, Harnische u.a.) Ausbildung unregelmäßiger Verdrängungskörper mit beträchtlichem Ausmaß und komplexen Paragenesen Lagerstätten: Schmalkalden, Thüringen (Fe (Siderit)); Erzberg, Steiermark/Österreich (Fe (Siderit)); Leadville, Colorado/USA (Pb, Zn); Monta Amiata, Toskana/Italien (Hg) Seite 62 Geologischer Grundriss der Kupferlager-stätte Chuquicamata/Chile (Tagebausituation) (nach PERRY, aus PARK und MacDIARMID) [5] TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 63 [5] TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 64 Epikrustal (auf der Erdkruste entstanden): submarin-hydrothermale Lagerstätten (Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Ba, F) und SEDEXLagerstätten (sedimentär-exhalative Lagerstätten): Charakteristik der submarin-hydrothermal-sedimentären Lagerstätten: - an submarine Bereiche gebunden (Geosynklinalgebieten und Riftzonen) - an Ophiolithe gebundene hydrothermale Schlote („black smoker“) → Zypern-Typ mit Cu; - an rhyolitische Vulkanite gebundene submarine Lagerstätten der Inselbögen → Kuroko-Typ (japanischer Bergmannsausdruck) mit Pb, Zn, Cu, Fe, Au - Bildung während der Meeressedimentation, Wechsellagerung von Vulkaniten, Sedimentiten und Erzen, unregelmäßige Erzzonen; - Überprägung durch Diagenese, submarine Rutschungen (Olisthostrome), orogene Faltung und Metamorphose (metamorph überprägte Lagerstätten) vulkanisch (submarin-hydrothermal): an untermeerische Effusiva gebunden mit hydrothermaler Zufuhr der Erzsubstanz; Ausflockung der hydrothermalen Lösungen im Meerwasser; Sedimentation der kolloidalen Teilchen an den Flanken der Vulkane entscheidender Einfluss der Redoxbedingungen (Redoxpotential) Lagerstätten: positiver Eh-Wert (oxidierendes Milieu, Abscheidung im sauerstoffreichen Flachmeer): Lahn-Dill-Gebiet, Hessen (hämatitisch-sideritische Erze im Wissenbacher Schiefer, Mitteldevon); Elbingeröder Komplex, Harz (Fe-Mn) Eh-Wert um 0: Prager Mulde (Nucice, Kysice) mit silikatischen (chamositischthuringitische) Erzen im Ordovizium (Fe) negativer Eh-Wert (reduzierndes Milieu): Rio Tinto, Huelva-Distrikt/Spanien, Ergani Maden/Türkei, Elbingerode, Harz mit sulfidischen Paragenesen (Pyrit, Markasit und Chalkopyrit) Eisenerze der Banded-Iron-Formation (BIF) des Präkambrium (Algoma-Typ) an archaische Grünsteingürtel gebunden, mit Vulkaniten vergesellschaftet, können erhöhte Goldgehalte besitzen; Lgst.: Kanadischer Schild; Westaustralien; Guyana-Schild; Liberia-Schild tiefenmagmatisch (submarin-hydrothermal-sedimentär, SEDEX-Lagerstätten): aus submarinen Lösungen von tieferliegenden intrakrustalen Herden; vorwiegend in sauerstofffreien tieferen Bereichen des Meeresbeckens; neben Fe auch Buntmetallionen Lagerstätten: Rammelsberg, Harz (Cu, Pb, Zn, Ag), Erztypen: Banderze, Meliererze; Meggen, Sauerland/Rheinisches Schiefergebirge (Fe, Zn, Ba im Lenneschiefer, unt. Mitteldevon); Bleiberg, Kärnten/Österreich; Mezica/Slowenien (Pb, Zn); Bytom und Olkusz, Gorny Slask/Polen (Pb, Zn); Mississippi-Missouri-Distrikt/USA (Pb-Zn, Fluorit, Baryt) Mississippi-Valley-Typ (MVT); Almaden/Spanien (Hg) TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 65 [5] [16] TU Dresden / Institut für Geotechnik Professur für Angewandte Geologie Vorlesungsmaterial – Mineralische Rohstoffe Seite 66 LIEßMANN (1997)
