Exogene Prozesse / Verwitterungslagerstätten - KIT
Werbung
Berner/Eiche - Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe - Exogene Anreicherung Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Bauxit http://de.wikipedia.org/wiki/Bauxit Exogene Prozesse Verwitterungslagerst ätten Verwitterungslagerstätten Berner/Eiche Verwitterungslagerstätten Eiserner Hut und Laugungszone - Verwitterungslagerstätten Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Anreicherung aufgrund von unterschiedlicher Löslichkeit und Transportfähigkeit von Verbindungen während Verwitterung/ Alteration Infiltrationslagerstätten Supergene Lagerstätten Exogene Prozesse Residuallagerstätten Tailings aus Bauxit Abbau, Australien Berner/Eiche Infiltrationslagerstätten Infiltrationslagerstätten Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe • Transport (v.a. lateral) der Metalle in Lösungen über größere Entfernungen • Ausfällung in Gesteinen eines verschiedenen geologischen Milieus als am Ort der Verwitterung • Deszendente Lösungen meteorischer Herkunft laugen Gesteine mit normalen Metallgehalten oder solche, die bereits leicht angereichert waren (sekundär) • Fällung/ Aufkonzentrierung an geochemischen Barrieren („Fronten“) Eh, pH Änderungen - • Anreicherung von U, Cu, V, Ag, Exogene Prozesse (Pb, Zn, Ba, F) Berner/Eiche Infiltrationslagerstätten Sedimentäre Uranlagerstätten: Entstehung - Quelle: Verwitterung von Granit, Gneis, sauren Tuffen, Aschen Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Transport: als Uranyl (UO22-) bildet gut lösliche Komplexe mit Carbonat (UO2(CO3)22–; pH>6), Hydroxyl-Ionen ( UO2(OH)2; pH < 4), Sulphat, Humaten Transport über große Strecken durch (oft salzige) meteorische Wässer (Oberflächen-/ Grundwasser) unter oxischen Bedingungen Exogene Prozesse Fällung: unter reduzierenden Bedingungen als Uran (IV) Minerale (z.B. Uranit/Pechblende: UO2) oder als Phosphate („Uran-Glimmer“), Vanadate (Carnotit), Silikate (Coffinit), Carbonate (Zellerit) oft zusammen mit Cu, Ag, Se pH- und Konzentrationsänderung (z.B. Fluidmischung) Mischung: U-reiche Alterationslösung mit stagnierendem salzigem Wasser Sorption an Fe-Oxide, org. Substanzen (Robb, 2005) Eh-pH Stabilitätsfeld von Uran Berner/Eiche Infiltrationslagerstätten Sedimentäre Uranlagerstätten: allgemeine Merkmale Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Exogene Prozesse Klima: warm, arid, jahreszeitlich humid epigenetisch, meist schichtkonkordant, z.T. mehrere Lagen übereinander, oft auch in Taschen, Linsen In Poren (Zement) des Wirtsgesteins: Sandsteine, Konglomerate, von impermeablen Sedimenten umgeben U-Gehalte: 0.1 - 0.2%, oft auch viel V (≤ 1.5%) weitere Metalle: Cu, Co, As, Se, Mo weltweit verbreitet, aber meist nur geringe Ausdehnung, v.a. in Europa Beispiele: Colorado Plateau/USA Agadez Becken/Niger Lodève/Frankreich Königstein/Sachsen Pechblende, Erzgebirge Coffinit, Utah, USA Berner/Eiche Infiltrationslagerstätten - „roll front“-Typ Uranlagerstätten Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Aus metallbeladenen oxischen, meteorischen Wässern (Uranyl-Carbonat Komplex) Änderung des Eh entlang des Fließwegs (oxidierend zu reduzierend) führt zur Ausfällung von unterschiedlichen U-Mineralen Verlagerung der Redoxfront über die Zeit Exogene Prozesse führt zu Zonierung, je nach Löslichkeit und Stabilität (Eh) der einzelnen Minerale Beispiele: Wyoming, South Dakota, S Texas Turkey Creek, Colorado, USA Berner/Eiche Infiltrationslagerstätten Schichtförmige Sandsteingebundene Uranlagerstätten - Beispiel: Colorado Plateau (U-V-Typ) Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Mischung Wässer unterschiedlicher Herkunft/ Zusammensetzung führte zur pH Senkung Destabilisierung der Uranil-Dikarbonat-Komplexe (UO2(CO3)22-) Fällung u.a von Dolomit (zusammen mit V(OH)3) Exogene Prozesse Ambrosia Lake Field, USA (Evans, 1992) Berner/Eiche Supergene Lagerstätten Supergene (sekundäre) Anreicherungen Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Anreicherungsprozess, ausgehend von primären Erzen („protore“) mit niedrigen Konzentrationen (z.B. bei Porphyry-Cu) Freisetzung der Metalle durch Verwitterung (Lösung, Mineralum-/-neubildung) Transport durch deszendente Sickerlösungen erneute Ausfällung im Tiefenprofil typisch für Cu, Zn, Ag, Au lange Zeitdauer, geringe Oberflächenerosion, hohe Niederschläge tiefer und jahreszeitlich schwankender GW-Spiegel v.a. Ende Oligozön, Miozän Exogene Prozesse - Supergene sulfidische Lagerstätten - Supergene nicht-sulfidische Lagerstätten Berner/Eiche Morphologie von Rohstoffkörpern: 2D Erzlagerstättenbildung durch Eiserner Hut (Gossan) Oxidationszone Laugungszone oxidierte Erze - reduzierend Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe oxisch - sekundäre Anreicherungen Grundwasserspiegel Anreicherungszone (Zementationszone) Primärmineralisation Exogene Prozesse Schematischer Schnitt durch einen sulfidhaltigen Gang mit sekundärer Anreicherung (aus Evans, 1992) Berner/Eiche Supergene Lagerstätten Supergene Sulfidanreicherung Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe 10´ - 100´ m Exogene Prozesse Pohl, 2005 1) Oxidationszone: Oxidation der primären Sulfiderze, z.B.: 2CuFeS2 + 17O + 8H2O + CO2 2Fe(OH)3 + 2CuSO4 + H2CO3 2FeS2 + 15O + 8H2O + CO2 2Fe(OH)3 + 4H2SO4 + H2CO3 Eiserner Hut (Gossan) Lösung der Metalle, Transport als Sulfatkomplex Schwankungsbereich des GW-Spiegels Sekundäre Kupfer-Karbonate, Oxyde 2) Zementationszone: reduzierende Bedingungen Verdrängung der Sulfide unedlerer Metalle (Fe) durch edlere (wie Cu), z.B. 5FeS2 + 14CuSO4aq+ 12H2O 7Cu2S + 5FeSO4aq + 12H2SO4 CuFeS2+ CuSO4 2CuS+FeSO4aq Erhöhung des Metallgehalts Berner/Eiche Supergene Lagerstätten Supergene Kupferlagerstätte Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Beispiel: Inspiration-Erzkörper Arizona/USA Primäranreicherung entlang des Granit-Schiefer-Kontakts (~ 1%Cu) Erhöhung auf 5% durch supergene Anreicherung Anreicherung entlang des Grundwasserspiegels, Abnahme mit der Tiefe Exogene Prozesse (Evans, 1992) Berner/Eiche Supergene Lagerstätten Supergene Sulfidanreicherung Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Cu-ImrägnationsErz aus Chile Exogene Prozesse Oxidationszone (Eiserner Hut), Huelva, Spanien Berner/Eiche Supergene Lagerstätten Sekundäre Eisenanreicherung Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe • Sekundäre Anreicherung aus nicht sulfidischen Protoerzen, z.B. BIF • Abfuhr von SiO2, Anreicherung von Fe Querschnitt durch die Eisenerzkörper von Cerro Bolivar/Venezuela Exogene Prozesse Evans, 1992 Berner/Eiche Residuallagerstätten Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Residuallagerstätten (Rückstandslagerstätten) Exogene Prozesse Bauxit-Mine, Nhulunbuy, Northern Territory, Australia Berner/Eiche Verwitterungslagerstätten Chemische Verwitterung / Alteration - Effekte: Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe • Abfuhr von löslichen Verbindungen/ Elementen in wässerigen Lösungen • Residuale Anreicherung von schwerlöslichen Komponenten (z.B. SiO2, Al2O3, Au…) • Authigene Bildung von neuen Mineralen (z.B. Tonminerale, Oxide, Hydroxide… ) Wichtige Prozesse: • Lösung und Hydratation Hydratation: Destabilisierung des Gitters • Hydrolyse/ Hydratisierung Reaktion mit Wasser unter Aufbrechen der O-H Bindung Hängt von Ionenpotenzial und pH ab, z.B. - pH 5-9: Si ist löslicher als Al, Fe(III) Si wird abgeführt, Bildung von Hydrolisaten, Fällung von Fe-, Al-Hydroxiden: Goethit, Gibbsit (Bauxit), Ni-Erz - pH<5: Al ist löslicher als Si keine Lateritbildung, Podsole Alteration von Feldspäten • Redox Reaktionen - z.B. Löslichkeit Fe 2+ - Fe 3+ Destabilisierung von Silikaten durch Exogene Prozesse Oxidation von Fe2+ (z.B. Biotit) • Ionenaustausch aus Robb, 2005 - Tonminerale haben negative Oberflächenladung (Austausch des Si4+ gegen Al3+) Adsorption von Kationen, die leicht austauschbar sind Berner/Eiche Residuallagerstätten Laterit Bildung einer residualen Lagerstätte - Anreicherung von Al und Fe durch Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Verwitterung für Fe meist nicht abbauwürdig, wohl aber für Ni, Co, PGE, Au Alternativ (<pH) Bodenbildung (Podsol) Bauxit Anreicherung von Al durch Verwitterung wichtigste Al-Ressource (Pohl, 2005) Exogene Prozesse intensive chemische Verwitterung Infiltration von Regenwasser Verdunstung (Kapilarität) Rückstand nach Auswaschung löslicher Bestandteile Al2O3 - Kein Bauxit Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Laterit SiO2 Löslichkeit von Al und Si Podsole Berner/Eiche Residuallagerstätten Bauxit (>pH) (<pH, <Eh) Exogene Prozesse (<pH, >Eh) (nach Norton, 1973) Eh-pH relations with respect to bauxite and laterite formation. (1) = environment of laterite oxide-hydroxide formation; (2) = bauxite field; (3) = podzol soil field; (4) = high-iron laterites Berner/Eiche Residuallagerstätten Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Geologische/ klimatische Voraussetzungen für die Laterit-/ Bauxitbildung Geeignete morphologische, hydrogeologische und geochemische Bedingungen für Lösung, Transport und Ausfällung: geeignete Ausgangsgesteine (lösliche Minerale, Porosität) in tropischen/subtropischen Klimaten Laterit: gleichmäßiger Niederschlag Bauxit: T >20°C, Wechsel Regen-/Trockenzeit Regen: Lösung von SiO2; trocken: Fällung von Al2O3, Fe2O3 - üppige Vegetation fördert Verwitterung (Huminsäure) und Permeabilität von Böden Exogene Prozesse stabile Landmassen (Zeitfaktor) lang andauernde Verwitterung Lateritabbau in Indien Berner/Eiche Residuallagerstätten – Ni-Laterite Ni-Laterite Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Entstehung: Lateritbildung auf ultramafischen Gesteinen (Peridotite, Dunit, Serpentinit) mit hohem Anteil an Olivin (0.3% Ni), Orthopyroxen (0.06 % Ni) Ni in Olivin oder Pyroxen als Substituent von Mg Verwitterung (Serpentinisierung) unter schwach sauren Bedingungen (pH 6) Freisetzung und Versickerung von Ni und SiO2, Ausfällung von Ni als Hydrosilikat aus neutralen bis schwach alkalischen Lösungen (pH 7-8.5) Bildung von Garnierit (Sammelbegriff für Ni-führende Phylosilikate), Népouit, Willemsit/ Pimelit, Kerolit Bis zu 10-fache Ni-Anreicherung (1.5 - 3% Ni), oft auch Co (Ni:Co=10:1) Ausfällung v.a. in Klüften, Gängen und als Taschen, weil hier Wasserfluss am höchsten, oder als massige Aggregate Garnierit Exogene Prozesse Berner/Eiche Residuallagerstätten – Ni-Laterite Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Vertikale Zonalität: nicht immer vollständig, da leicht erodierbar (allochthoner Laterit) Limonit-Zone: Struktur des Ausgangsgesteins vollständig zerstört, Fe- Hydroxide dominieren, Laterit sensu strictu (a) Eisenkruste, (b) Roter Laterit: Mischung aus Goethit u.a. Fe-Hydroxiden, (c) gelber Laterit: meist feinkörniger Goethit (leicht an Ni angereichert <1%) Saprolit-Zone: von SiO2 und Mg dominiert, Ausgangsgestein noch erkennbar (a) erdiger, weicher Saprolit, (b) “Steiniger Saprolit“, enthält mehr oder weniger verwitterte Bruchstücke des Wirtsgesteins Exogene Prozesse Guilbert & Park, 1986, verändert Berner/Eiche Residuallagerstätten – Ni- Laterite Ni-Laterit Lagerstätten - 40% der Ni-Weltproduktion, 73% der Ressourcen Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe leichter Abbau, da oberflächennah wirtschaftlich wenn Ni > ~1% eigentlicher Laterit meist nicht abbaubar meist rezente Bildungen (Miozän bis heute), aber auch fossil (Ural, Albanien) Beispiele: Thio, Kouaoua und Poro, Neukaledonien Ramu River, Papua-Neuguinea (3.5 mt Ni/1.4%) Baiankouma-Toubaa, Elfenbeinküste (4.3 mt Ni/1.5%; 300 kt Co/0.11%)) Greenvale, Australien Exogene Prozesse Murrin Murrin, West-Australien (2.9 mt Ni/1.04%; 223 kt Co/0.08%) Willemsit auf Chalcedon Berner/Eiche Residuallagerstätten - Laterite Ni-Laterite in Neukaledonien Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe ultrabasische, intensiv serpentinisierte Gesteine Bildung seit dem Miozän 50 - 80 mt Ni, 2.5 mt Ni früher 10% Ni, heute nur noch bis zu 3%, Co 0.08% heute v.a. Abbau des gelben Limonit, hier Ni an Fe-Hydroxide adsorbiert Abbau seit 1876 Exogene Prozesse Pohl, 2005 Berner/Eiche Residuallagerstätten - Bauxite Bauxite – Charakteristika Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Aluminium wird zu 90 - 98% aus Bauxit gewonnen Linsenförmige Erzkörper aus erdigen oder kompakten Massen, oft mit Ooiden, Pisolithen Mineralogisch: Gibbsit (g-Al(OH)3), Boehmit (g-AlO(OH)), Diaspor (AlO(OH)) (je nach Alter und Klima); Nebengemenge: Kaolinit, Quarz, Hämatit, Goethit, Rutil Meist autochthon, z.T. auch umgelagert oolitisch massig Exogene Prozesse pisolitisch Berner/Eiche Residuallagerstätten - Bauxite Bauxite: Entstehung Feldspat (Verlust Si) Kaolinit (Verlust Si) Gibbsit (Al(OH)3) Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Entstehung: aus Al-reichem Gestein durch Verwitterung, dabei Trennung von Si und Al (Feld 2: pH 5-8) Für hohe Qualität auch Trennung von Al und Fe (Entfernung von Fe-Mineralen) gemeinsame Laugung in Regenzeit; Ausfällung von Al-Hydroxiden in Trockenzeit (Verdunstung führt zum Aufsteigen der Lsg und zu schwach alkalischem pH) höherer Niederschlag und geringere Temperaturen (22°C statt 28°C) im Vergleich zur Lateritbildung - Bauxitbildung um Ausgangsgestein Exogene Prozesse Bauxit mit Reliktstruktur des Muttergesteins (Fria, Guinea) Berner/Eiche Residuallagerstätten - Bauxite Bauxite - Klassifizierung - Karstbauxite: überlagern unregelmäßig verkarstete Dolomit- oder Kalksteinoberflächen; Karstdepressionen, meist Boehmit und Diaspor. Material wahrscheinlich allochthon (Aschen, Tone etc.), dann Bauxitbildung (Bsp.: Jamaika, Haiti, Frankreich, Montenegro) Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Silikatbauxite: entstehen durch Verwitterung unterschiedlichster Gesteine; sehr Al-reich; oft Konkretionszone (knollenförmig), sehr Al-reich, Kaolinitbildung (Bsp.: Deccan-Basalte, Indien; Surinam, Indonesien, Australien) Karst-Bauxit-Lagerstätte Uston (Longuedoc) (aus Pohl, 2005) - Tieflandbauxite: an tropischen Küsten; <9 m, meist boehmitisch; pisolitische Strukturen; durch Kaolinit vom Ausgangsgestein getrennt (Bsp.: Australien, Malaysia) Exogene Prozesse Plateau(Hochland-)bauxite: auf vulkanischen oder plutonischen Gesteinen; ≤30m mächtige Decken auf Plateaus; v.a. gibbsitisch; direkt über Ausgangsgestein, kein Kaolinit; (Bsp.: Indien, Australien, Ghana, Guinea) Schwemmbauxite: Erosion und Umlagerung von Bauxiten Berner/Eiche Residuallagerstätten - Bauxite Zusammensetzung von Bauxiterzen in Hinblick auf ihre Verwendung (nach EDWARDS & ATKINSON, 1986). Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Metallurgie Anforderungen: hoch Al2O3 niedrig SiO2 Fe-Gehalt niedrig Ti-Gehalt Sonstiges niedrig - - Typische Analysen: Exogene Prozesse Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 50-55% 0-15% 5-30% 0- 6% Chemische Industrie Zementherstellung Feuerfest- Schleifmittel Stützmittel (calziniert) sektor (calziniert) hoch niedrig, aber nicht kritisch sehr niedrig relativ hoch niedrig hoch niedrig hoch niedrig hoch niedrig kann hoch sein möglichst Diaspor niedrig relativ niedrig niedrig - nicht kritisch niedrige Tongehalte 45-55% < 6% 20-30% 3% > 84,5% < 7,5% < 2,5% < 4% 80-88% 4- 8% 2- 5% 2- 5% keine Daten zugänglich muß gibbsitisch sein > 55% 5-18% < 2% 0 - 6% sehr niedriger Alkaligehalt Berner/Eiche Residuallagerstätten - Bauxite Bauxite: Lagerstätten, Beispiele Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe auf alten, stabilen Landmassen, da Bildung Zeit braucht meist mesozoisch und jünger, da leicht erodierbar (Karstbauxite auch älter) Beispiele (große Lagerstätten weltweit): - Weipa, Australien (875 mt/29.2%) - Central Highlands, Vietnam (678 mt/21.1%) - Boké-Goual, Guinea (622 mt/ 25%) - Adamaoua, Kamerun (427 mt/23.4%) Bauxitabbau in Weipa, Australien Exogene Prozesse Berner/Eiche Residuallagerstätten - Bauxite - Übersicht über verschiedene Bauxit-Minen in Indien Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Schema von LateritBauxitlagerstätten im indischen Dekkanplateau Exogene Prozesse Berner/Eiche Residuallagerstätten - Bauxite Bauxite in Jamaica Entstehungsprozesse mineralischer Rohstoffe Entwicklung aus vulkanischen Aschen (verwittern sehr leicht) unterlagert von Karst, gute Durchlässigkeit v.a. Gibbsit 45% Al, 1.5% Si Exogene Prozesse
