Geochemische Prospektion I (Text) - KIT

6./7. Stunde
Geochemische Prospektion I
Prinzip der Methode
Gesucht werden Bereiche oder Lokalitäten, die einen erhöhten Gehalt an bestimmten
Elementen, die mit einer Vererzung zusammenhängen könnten, im Festgestein oder in daraus
entstandenen (Böden) und in durch die Verwitterung dieser Gesteine beeinflussten Medien
aufweisen.
Jedes verwitternde Gestein hinterlässt eine geochemische Signatur als Abbild seiner
chemischen Zusammensetzung in modifizierter Form, z.B. im daraus gebildeten Boden. Die
dort auftretenden Elementkonzentrationen haben eine gewisse Schwankungsbreite (Abb. 8),
lassen sich aber mit statistischen Methoden als Medianwert und Standardabweichung
bestimmen (in der Regel als Gauss´sche Glockenkurve bei log-normaler Darstellung),
bezeichnet als Untergrundwert (background) einer lithologischen Einheit. Vererzte
Bereiche haben deutlich höhere Konzentrationen, die sich bei der Verwitterung im Boden als
anomale hohe Werte von Elementen der Vererzung (Pb, Cu, Zn, As, Sb etc., Abb.4)
bemerkbar machen (Anomalie), die deutlich über den selben Elementen liegen, die als
Spurenelemente im nicht vererzten Gestein vorhanden sind. Sie sind in der Häufigkeitskurve
als separate Population oder Populationen erkennbar (Abb. 7, 8). Die Grenze zwischen
Untergrund und Anomalie bezeichnet man als Schwellenwert (threshold), sie kann ebenfalls
mit statistischen Methoden bestimmt werden. Häufig wird als Faustregel für erste
Abschätzungen ein Wert von Untergrund + 2s oder +3s angenommen.
Damit ist es möglich, Lokalitäten mit möglichen verborgenen Vererzungen als geochemische
Anomalie-Bereiche für weitere Untersuchungen einzugrenzen.
Benutzt wird diese Methode in praktisch jedem Explorationsprogramm auf metallische
Rohstoffe (kaum anwendbar bei Industriemineralen, brauchbar bei z. B. Suche nach
Schwerspat- (Ba-Bestimmung) und Flussspatgängen (Fluor-Bestimmung), auch mit
sulfidischen Mineralen als Anomalie-Indikator), bei regionalen Untersuchungen (mehrere 100
km2) wie im kleinräumigeren Bereich (z.B. über einer geophysikalisch identifizierten
Anomalie) (Abb. 6).
Die Methode ist anwendbar auf:
• Böden
• Bachsedimente
• Wasser (Fließgewässer, Grundwasser, Seen )
• Vegetation
sowie auf Bodenluft (Gase bei der Verwitterung von Sulfiden) und Festgestein (Abb. 3).
Programmablauf einer geochemischen Exploration (Abb. 9):
• Planung
• Probenahme
• Chemische Analyse
• Interpretation
• Follow-up
Planung
Was wird gesucht? Welcher Vererzungstyp? Welche Elemente sind wichtig oder zu erwarten?
Und brauchbar (Mobilität, geochemisches Verhalten)? Größe der zu erwartenden Anomalie?
Primärer Halo (Hof) durch primäre Dispersion um eine Mineralisation bei der Platznahme;
Durchpausung an die Oberfläche (abhängig von Topographie, Mächtigkeit des Overburden,
residual oder transportiert) als sekundäre Dispersion: Verhalten der Elemente bei der
Verwitterung (Abb. 5) unter den gegebenen von Eh und pH, z.B. Zn leicht löslich bei der
Oxidation von ZnS, mobiler als Cu und sehr viel mobiler als Pb (sehr wenig löslich), ergibt
unterschiedlich weite Anomalien. Welches Medium der Beprobung ist erfolgversprechend
unter den gegebenen Bedingungen?
Systematisches Probenahme-Programm, kosteneffektiv und effizient!
Orientierungs Survey zur Optimierung des geochemischen Explorationsprogramms:
Untersuchungen in einem Test-Gebiet mit Vererzung und ähnlicher Geologie und Lage
(Topographie, Klima etc.), mit verschiedenen Methoden bearbeiten zur Bestimmung des
besten Verfahren. Zu beachten:
• Lagerstättentyp
• Bodenprofil, Gewässernetz, Vegetation,
• Art der primären und sekundären Dispersion
• Art der Proben
• Probenahmedurchführung
• Probengröße
• Probenintervall, Orientierung, Dichte
• Wichtige Feldbeobachtungen
• Probenaufbereitung
• Korngrößenfraktion(en)
• Zu bestimmende Elemente
• Datenformat.
Falls kein Orientation-Survey möglich: Literaturinformationen/Fallstudien!
Festgesteinsgeochemie
Regionale Gesteinsgeochemie
Brauchbar
• zur Unterscheidung steriler und „fertiler“ Gesteine, z.B. Elementkonzentrationen und
Element-Verhältnisse in Granitoiden zur Unterscheidung von barren und potentiell
mineralisierten Gesteinen/Gebiete und
• als geochemische Anomalie-Bereiche um Vererzungen (primär/syngenetisch und
sekundär/epigenetisch durch Verwitterungsprozesse).
Beispiel Porphyre (Abb.14)
Keine klare Indikationen, aber mineralisierte Granitoide in Batholithen mit erhöhten CuGehalten. Generell ansteigende Rb, K und Rb:Sr-Werte von nicht-mineralisierten zu
mineralisierten Gesteinen, aber Werte unterschiedlich in jeweiligen Regionen. Fazit: falls
Mineralisationen vorhanden, dann in den Gesteinen mit erhöhtem Cu, Rb, K, Rb/Sr.
Beispiel Sn, U, W (Abb. 14)
diese Mineralisationen in Si-reichen, Al-übersättigten (peraluminous) Graniten mit höheren
Gehalten Sn, U, Th, Rb, F, Li, W, Ta, Be etc. zu erwarten; nicht notwendigerweise
ökonomische Mineralisationen anzeigend!
Lokale Gesteinsgeochemie:
Für detaillierte Exploration individueller Erzkörper.
Bei einigen Mineralisationstypen können (syngenetische und epigenetische) Halos im kmBereich um eine Mineralisation erwartet werden:
- Cu-Porphyre (Abb. 18, 19) : erhöhte Gehalte von Cu, S, K, Rb; Abnahme von Ca, Sr;
dazu Zonierung mit Cu (Mo) im Zentrum, nach außen K, Rb, As, Sn, W, Bi, am
entferntesten: Pb, Zn
- Vulkanogene Massive Sulfide (Abb. 20): gute Halos über mehrere km lateral und
einige 10 m vertikal mit Anreicherungen von Pb, Zn, Fe, Mn, Mg
- Gangvererzungen (Abb. 21): gute Ergebnisse mit Proben aus „plumbing systems“
(fracture fillings, veinlets): Elemente der Erzminerale plus As, Sb, Bi, Hg, Te.
Deutliche regionale Anomalien beobachtet.
- Gold-Vererzungen (Archaikum bis Tertiär, Abb. 22-23)): geochemische Halos von
Au, As, Sb, Hg, B, Bi, Se, Te, Ag plus pervasive alteration mit erhöhten Si- und KGehalten, erniedrigtem Na-Gehalt.
Probenahme in Aufschlüssen, Bergwerken, Bohrungen. Oberfläche waschen und von
Krusten befreien, chip sampling; 500g in feinkörnigen Gesteinen, mehrere kg in
grobkörnigen. Auf Kontaminationsmöglichkeiten (z.B. Hammer, Probenbehälter!) achten.
Mineralisation, Alterations-Hof, nicht beeinflusstes Gestein: jeweils mehrere Proben für
Bestimmung von Element-Gehalten und Verhältnissen.
Notizen zu Alteration, Gesteinstyp, Texturen, Tektonik gleichzeitig wie bei Kartierung.
Im allg. Orientierungs-Survey notwendig/empfehlenswert.
Spezielle Probenahme, z.B.:
- eiserne Hüte, ironstones für geochemische Signatur;
- limonitische Füllungen und Überzüge aus fractures (leakage anomalies!), mit z.B.
Oxalsäure ausgelaugt, um Fe- und Mn-Oxide zu extrahieren und die adsorbierten
Elemente zu bestimmen. (s. analytische Methoden).
- Beprobung von allen massiven, feinkörnigen Verquarzungen (Quarz-Sinter), Jasperoid
(erhöhte Gehalte von Fe, Ag, Bi, Cu, Hg, Mo, Pb, Te, Zn im Vergleich mit sterilen
silifizierten Zonen) auf Au-Vererzung (hydrothermale Mineralisationen).
Vorteile:
- Bestimmung primärer und sekundärer Halos mit detaillierter Beprobung (individuelle
Vererzungen) und für geochemische Provinzen auf regionaler Ebene in der
Übersichtsprospektion(Reconnaissance).
- Keine oder geringe Kontamination im Unterschied zu Boden- oder BachsedimentProben.
Nachteil:
- nicht überall Aufschlüsse, wo gebraucht;
- geochemische Variationen sind allgemein schwach ausgeprägt,
- starker Effekt des Gesteinschemismus,
- gibt nur Information über beprobte Lokalität (im Unterschied zu Bachsedimenten).
Stream sediment Survey
Am häufigsten verwendet in der regionalen Prospektion und für follow-up, in Gebieten mit
aktiver Verwitterung. Rasch, kostengünstig, weiträumig.
Vorteil: eine bis wenige Proben für großes Einzugsgebiet (des jeweiligen Baches), oft über
mehrere 100 km2, im Detail-Survey meist nur wenige km2.
Probenmaterial: üblicherweise klastische Sedimente; in glazigener Überdeckung (wenig
klastische Sedimente, schlecht drainierte Gebiete): organisches Material in Bächen als bestes
Material (Adsorption aus hydromorphen Anomalien).
Träger der der anomalen Elementkonzentrationen:
• Primäre Minerale in feiner Korngröße
• Verwitterungsprodukte von Mineralisationen (sekundäre Minerale) wie Malachit,
Anglesit, Fe-Hydroxide aus Eisernem Hut, Tonminerale aus Boden etc.
• Ausfällungen aus Bachwasser und Adsorption an geeignete Träger (Überzüge an
klastischen Mineralen, kolloide Partikel)
• Ionen-Austausch an Tonminerale, Fe- und Mn-Oxide, organisches Material
• Organisches Material mit Metall-Gehalten (Pflanzendetritus)
Herkunft:
Überwiegend durch Erosion von Gesteinen, aus anomalen residualen Böden über
Mineralisationen, aus primärem und sekundärem Halo-Material, auch aus zufließendem
Grundwasser aus mineralisiertem Gebiet.
Untergrund-Werte variabel durch unterschiedliche Geologie im Einzugsgebiet.
Threshold festlegen zur Bestimmung Untergrund/Anomalie
Anomalie: Überlagert von „normalem“ Gehalt (background) aus Silikaten etc. des
umgebenden Gesteins/Bodens etc. im Einzugsbereich (daher selektive Analyse, z.B. coldextracted metal (adsorbiertes Material, keine Elemente aus Bindung im Kristallgitter)).
Anomalie-Verstärkung: selektive Extraktion aus Fe-und Mn-Oxiden (z.B. durch
Hydroxylamin), organischem Anteil, Ultraschall-Extraktion der Überzüge über klastischen
Komponenten.
Korngrößeneinfluss (Abb. 27-29)
Anomale Werte mit bestem Kontrast Anomalie/Untergrund (background) üblicherweise in
feiner Fraktion, häufig am besten zwischen 80 und 200 mesh (177-74 µm).
Falls Suche nach primären Minerale (verwitterungsresistent wie Zinnstein etc.): grobe
Fraktion besser. Unterscheidung: Herkunft nur aus Erzkörper oder auch aus Gestein der
Umgebung (Beispiel Be: in grober Fraktion aus Beryll als Mineral, in feiner Fraktion als
Spurenelement in Glimmern, Tonmineralen; Cr in Bachsedimenten: nicht brauchbar zur
Prospektion auf Chromitite, da Chromit ein üblicher Nebengemengteil in diesen Gesteinen
ist).
Bei brüchigem Mineral (Wolframit z.B.): nahe Mineralisation in grober Fraktion, weiter
entfernt zunehmende Anreicherung in feiner Fraktion.
Primäre Erzminerale als Anomalie-Träger:
• mechanisch und chemisch resistente Minerale im Schwermineral-Konzentrat:
resistente Minerale (grobe Fraktion, optisch nachweisbar oder chem. Analyse)
• mechanisch instabile Minerale: in feiner Fraktion u.U. chemisch nachweisbar über
weite Entfernung vom Ursprungsort ( z.B. Niob: als Niobit stabil
(Schwermineralkonzentrat), als Pyrochlor (X2-1Y2O6(OH,F, O)1-2 mit Y=Ta, Nb, Sb,
Ti) mechanisch instabil (Analyse des feinen Materials).
Höherer Kontrast cxMe/total Me (response) nahe der Mineralisation
Zunehmende Verdünnung der anomalen Werte und Kontrastverminderung mit
Entfernung von Mineralisation (Abb. 30-32):
• Zufuhr von „sterilem Material“ (barren material) aus Seitenbächen, Ufermaterial
• Austausch von adsorbierten Ionen mit Wasser
• Verlust von feinem Material mit anomalen Metallkonzentrationen durch starke
Strömung
Die Nachweisdistanz (train) kann kurz sein (einige 100 m), aber auch über 20 km lang.
Abb. 33: Markierung von Einzugsgebieten der jeweiligen Probenlokalitäten
Abb. 34: Untergrund-korrigierte Daten mit Probeneinzugsgebieten
Probleme:
• Kontamination durch Industrie (Staubemissionen, Abwässer)
• Landwirtschaft (Düngung, Beispiel Fluor), Straßen- und Wegebau (Haldenmaterial,
Beispiel Schwerspatabbau)
• alte Halden (bei Suche nach noch unentdeckten Mineralisationen in altem
Bergbaugebiet), Aufbereitungsrückstände; Indizien bei Kartierung aufnehmen
Abb. 35: Einfluss von pH:
Bei der Oxidation von Sulfiden entstehen Wässer mit niedrigem pH, Metalle gehen dabei als
Ionen in Lösung, mit Einschwemmung in das Bachsystem. Zunehmender pH-Wert mit
zunehmender Distanz zur Mineralisation durch Verdünnung mit zufließendem Wasser von
höherem pH führt zu Präzipitation der Metalle als Spurenmineral oder (häufiger) zur
Adsorption an Fe-, Mn-Oxide im Bachsediment, mit entsprechender Abnahme der
Konzentration im Wasser. Die Mischung von Wässern mit verschiedenem pH (aus
verschiedenen Gesteinen) hat daher Einfluss auf adsorbierte Metallgehalte. (Verschwinden
einer Anomalie im Bachsediment (bei pH-Wechsel von hoch zu niedrig, z.B. durch fehlende
Pufferwirkung des umgebenden Gesteins, Erscheinen einer Anomalie bei raschem pHAnstieg).
Falsche Anomalien: nicht durch Mineralisation hervorgerufen; z.B. starker Zustrom von
Grund-Wasser mit hohem Fe-Gehalt aus reduzierendem Milieu in Bachsystem: starke
Adsorption von Metall-Ionen aus nicht mineralisiertem, verwittertem Gestein, aber meist nur
lokal (Ausnahme: schlecht drainierte Gegenden mit sumpfigem Gebiet: kühles Klima, hoher
Regenfall, oft in glazigenen Gebieten (schlechte Drainage)).
Lokale Variationen (lateral und vertikal):
• Korngrößen-abhängig
• Mineralogie des Sediments
• Art des Auftretens des anomalen Elementes
Abweichungen bei multipler Probenahme: etwa 20 %, daher kombinierte Probe aus mehreren
Einzelproben wenn möglich.
Zeitliche Variationen: untergeordnet im Vergleich zu Wasserproben, durch
•
•
Auswaschung von feinem Material bei starker Strömung (hohe Niederschläge)
Änderungen im organischen Gehalt der Bachsedimente
Flood plains:
Anomale Werte reflektieren die Gehalte im ehemaligen aktiven Bachbett. Meist hoher
Feinanteil, dadurch höhere Konzentrationen. Veränderungen durch Auslaugung über
Regenwasser möglich. Probenahme als Traverse quer zum derzeit aktiven Bachbett.
Abb. 13: Probenahme-Prozedur:
•
•
•
•
Möglichst aus aktivem Bach, aber auch aus temporär Wasser-führenden Rinnen
Keine Materialeinschwemmung vom Ufer
Kombinierte Probe aus mehreren (3-5) Einzelproben im engen Bereich (10-20 m), aus
einigen cm Tiefe
50 bis 100 g für Absiebung von feinem Material (benötigt: < 10g) aus fließendem
Gewässer, aus pools, hinter großen Geröllen. Organisches Material vermeiden bzw.
solches als separate Probe zu nehmen.
:
Probenahme-Orte:
• jeweils vor Einmündung in nächst-größeren Baches (Einzelprobe bei kleineren
Bächen),
• 2-3 Proben pro km an etwas größerem Bach und etwas oberhalb eines Zuflusses,
• jeden Zufluss beproben,
• größere Bäche auch zwischen kleineren Zuflüssen beproben
• Detaillierte Prospektion: alle 50 bis 100 m (follow-up).
• Bereiche mit Akkumulation von Feinmaterial bevorzugen
Probenbehandlung:
• Trocknung (Sonne oder Ofen bei T 60 °C), nicht kochen!
• Trocken absieben auf gewünschte Fraktionen
• Rest aufheben
Analysen z.B.:
• cold-extraction mit Zitronensäure etc. für adsorbierte Ionen (Fe-, Mn-Hydroxide),
• Gesamtgehalt in feiner Fraktion (Tonminerale) und eventuell gröberer Fraktion
(EDXRF).
Auswertung:
• Einzugsbereiche der Bäche festlegen
• Probenahmepunkte einzeichnen
• Zahlenmäßige Konzentrationen für die bestimmten Elemente angeben (multipel in
Kreissegmenten oder in festgelegter Reihenfolge)
• Anomale Proben kennzeichnen (Symbol, Farbe, Konzentration)
• Verschiedene Untergrundwerte berücksichtigen bei inhomogener Geologie
• Interpretation der Ergebnisse
Anschließend kleinräumigere Probenentnahme zur näheren Eingrenzung, falls Hinweise auf
Mineralisation gefunden wurden, gefolgt von Bodenproben-Survey.
Beispiele aus Prospektionskurs im mittleren Schwarzwald: Gebiet mit Schwerspat-KupferBlei-Silber-Gangvererzungen
Probenahmeorte im Bachsystem (Abb. 38)
Blei-Konzentrationen in Bachsediment-Proben (Abb. 39)
Barium-Konzentrationen in Bachsediment-Proben (Abb. 40)
Zirkonium-Konzentrationen in Bachsediment-Proben (geben Hinweis auf unterschiedliche
Lithologie im Arbeitsgebiet) (Abb. 41)
Beispiel für eine großräumige (mehrere 1000 km2) regionale Bachsediment-Prospektion auf
Gold in Zambia (unterschiedliche Farben: unterschiedliche stratigraphische Einheiten) (Abb.
42)
Beispiel für kleinräumigere Prospektion auf Gold mit Bachsedimenten: Analyse auf Gold und
Silber an Bachsediment-Proben von jeweils mehreren kg; Extraktion der Elemente aus
Gesamtprobe (alle Korngrößen!) mit Cyanid (bulk leach extracted gold) (Abb. 43); im
Unterschied zur Goldbestimmung aus Schwermineralkonzentrat werden auch die feinsten
Goldflitter erfasst, die beim Waschen mit der Waschpfanne verloren gehen; (eigentlich ein
Beispiel, das in die Rubrik „Schwermineral-Survey“ gehört).