Entstehung mineralischer Rohstoffe PDF

**3. Wie und wo entstehen mineralische Rohstoffe?** In unserem Alltag spielen mineralische Rohstoffe eine zentrale Rolle. Als Baumaterialien wie Kies, Ton, Quarzsand, Gips oder Zement sind sie Bestandteil von Häusern, als Metalle wie Eisen, Aluminium, Kupfer, Blei, Lithium oder Seltene Erden sind s...

**3. Wie und wo entstehen mineralische Rohstoffe?** In unserem Alltag spielen mineralische Rohstoffe eine zentrale Rolle. Als Baumaterialien wie Kies, Ton, Quarzsand, Gips oder Zement sind sie Bestandteil von Häusern, als Metalle wie Eisen, Aluminium, Kupfer, Blei, Lithium oder Seltene Erden sind sie Teil von Autos, Computern oder Handys und als Erdölderivate stecken sie in Plastikgegenständen wie Petflaschen, aber auch in Farben, Kosmetika und sogar in Medikamenten. Edelmetalle wie Gold, Platin und Silber sowie Edelsteine wie Diamanten oder Rubine erfreuen uns in Form von Schmuck, Steinsalz ist gar Teil unserer Nahrung. Aus Erdöl, Erdgas und Kohle beziehen wir einen grossen Teil der Energie für Industrie, Haushalte und Mobilität. **Lagerstätten** Weltweit häufig vorkommende Rohstoffe wie Kalkstein und Mergel (zur Herstellung von Zement), Ton (Ziegel, Keramik), Gips (Innenausbau), Quarzsand (Glas) oder auch Kies (Beton) entstehen in grossen Mengen durch geologische Prozesse. Diese Ressourcen sind an vielen Orten in genügender Menge oder sogar im Überfluss vorhanden, werden aber vor allem da abgebaut, wo die Transportwege kurz sind und wo in der Nähe weiterverarbeitende Industrie angesiedelt werden kann. Demgegenüber stehen seltene mineralische Rohstoffe wie Erze, also metallhaltige Minerale, deren Abbau sich wirtschaftlich nur lohnt, wo sie sich durch natürliche Prozesse in oder auf der Erdkruste in genügendem Masse angereichert haben. Auch Erdöl und Erdgas müssen sich anreichern, damit sich ihre Förderung lohnt. Zonen angereicherter mineralischer Rohstoffe werden als Lagerstätten bezeichnet. **\ ** **Gruppe A: Erzlagerstätten im Erdinneren (endogene Prozesse)** **Kumulate in Magmenkammern (Layered Intrusions)** Minerale mit einem hohen Schmelzpunkt, die bei der Differentiation von Magmen früh auskristallisieren, sinken auf den Grund der Magmenkammern, sammeln sich dort an und bilden Kumulate (lat. cumulare: ansammeln). Meist wiederholt sich die Differentiation mehrere Male, vermutlich durch wiederholtes Nachstossen von neuem Magma, sodass mehrere Kumulatlagen übereinander liegen. Das wird Layered Intrusion genannt. Haben die Minerale in den Kumulaten einen hohen Anteil an Metallen, wie beispielsweise Magnetit oder Chromit, bilden sich auf diese Weise Erzlagerstätten von meist riesigen Ausmassen. Alleine die erzführenden Bereiche der ca. zvwei Milliarden Jahre alten Bushveld-Lagerstätte in Südafrika dehnen sich über 66000 km² aus (Schweiz: 41285 km^2^). In Layered Intrusions entstehen häufig Minerale, die sehr begehrte und teuer gehandelte Metalle enthalten, wie z. B. jene der Platingruppe (Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Rhodium, Ruthenium), Titan oder Vanadium. **Magmenentmischung (Immiscible Melts)** Wie sich Wasser und Öl nicht mischen können, können sich auch gewisse Magmen nicht mischen. Enthält Magma beispielsweise grössere Mengen sulfidischer Komponenten, also Verbindungen mit Schwefel. So trennen sich diese noch vor der Kristallisation vom restlichen Magma ab, sammeln sich zu Tropfen und sinken, da sie dichter sind, bis zum Boden der Magmenkammer. Dort kristallisieren sie zu kompakten Lagen meist eisen-, kupfer-, nickel- und platinhaltiger Sulfide aus, wie z. B. Pentlandit. Eine sehr spezielle und gleichzeitig die bedeutendste Lagerstätte, die auf diese Weise entstand, ist die 1,85 Mrd. Jahre alte Sudbury-Lagerstätte in Kanada, bei welcher vermutet wird, dass das Magma durch die enorme Hitzeentwicklung während eines Meteoriteneinschlags entstanden ist. Insbesondere die hohe Konzentration an Nickel, einem Element, das in Eisenmeteoriten in besonders hoher Konzentration vorhanden ist (vergleichbar mit dem Erdkern) stützt diese Hypothese. Auch die [Bushveld-Lagerstätte in Südafrika] enthält neben den Kumulaten Erze, die vermutlich durch Magmenentmischung entstanden sind. **Hydrothermale Erzbildung** In der Erdkruste zirkulieren heisse, wässrige Lösungen mit Temperaturen zwischen ca. 100 und 500°C, aus welchen beim Abkühlen verschiedenste Minerale aus kristallisieren. Dies können Quarzkristalle sein, wie sie in den Alpen häufig anzutreffen sind, oder auch Erze. Solche hydrothermalen Lösungen entstehen auf vielfältige Weise: Es kann sich um Restwasser aus Magmenkammern handeln, um in die Erdkruste eingedrungenes Grund- und Meerwasser oder sogar um Wasser, das bei der Gesteinsmetamorphose durch chemische Reaktionen zwischen Mineralen freigesetzt wird. Dieses heisse Wasser ist in der Lage, verschiedenste Stoffe aus dem Gestein zu lösen und zu transportieren. Dazu gehören fast alle begehrten Metalle und viele Nichtmetalle. Die hydrothermalen Lösungen stehen unter hohem Druck und können dadurch in Schwächezonen des Gesteins eindringen, die sie zu Gängen ausweiten. Sie können auch die Poren von klastischen Sedimenten wie Sandstein oder tektonisch entstandene Klüfte auffüllen. Kühlen die Lösungen im Lauf von Jahrtausenden ab, bildet sich in Abhängigkeit ihrer chemischen Zusammensetzung eine grosse Vielfalt verschiedener Minerale. Eine spezielle Form hydrothermaler Erzbildung sind die Black Smoker (Schwarze Raucher) an den mittelozeanischen Rücken. Meerwasser dringt durch Spalten in den Randbereich von Magmenkammern ein und erhitzt sich auf bis zu 460 °C, gleichzeitig dringt auch Wasser aus Magmenkammern nach oben. Das gesamte heisse Wasser steigt nun an die Oberfläche und löst dabei Metalle aus dem Gestein. Im Kontakt mit bloss 2 °C kalten Meerwasser fallen die Metalle in Form von massiven Sulfiden aus, lagern sich um die Austrittsstelle herum ab und bilden einen allmählich in die Höhe wachsenden Kamin oder Smoker. Da am Meeresboden in Tiefen von einigen Tausend Metern hoher Druck herrscht, bleibt das Wasser auch über 100 °C flüssig. Strömt es aus dem Kamin, werden zusätzlich mineralische Partikel in Form von schwarzem «Rauch» ausgeschieden, die auf den Meeresboden absinken, Solche Lagerstätten von massiven Sulfiden (Massive Sulfide Deposits) kommen in den Überresten vieler ehemaliger Meeresböden weltweit vor, beispielsweise in [Kanada und Australien]. Sie bilden dort wichtige Kupfer, Zink- und Bleilagerstätten. **Gruppe B: Erzlagerstätten auf der Erdoberfläche (exogene Prozesse)** Auf der Erdoberfläche bilden sich Lagerstätten entweder durch die Anreicherung rohstoffhaltiger Materie im Rahmen von Sedimentationsprozessen oder durch den Verwitterungsbedingten Abtransport rohstoffarmer Materie, wodurch sich unter bestimmten Bedingungen als Rückstand (Residuum) Minerale mit einem hohen Gehalt an Metallen anreichern, sogenannte Residuallagerstätten. **Ozeanische sedimentäre Erzlagerstätten** Einige der grössten Lagerstätten von Eisenerz bestehen aus Bändererzen oder Banded lron Formations. Diese entstanden vor 3,5 bis 1,8 Mrd. Jahren durch die Sedimentation von wasserunlöslichen Eisenhydroxiden, welche sich durch Reaktionen von im Wasser gelöstem Eisen aus vulkanischen Quellen mit Sauerstoff bildeten. Der Sauerstoff wurde von Photosynthese betreibenden Cyanobakterien ins Meerwasser freigesetzt. Durch Diagenese wurden die Eisenhydroxide in der Folge entwässert und in Eisenoxide wie Hämatit und Magnetit umgewandelt. Die weltweit grösste bekannte Eisenerzlagerstätte Serra dos Carajas in Brasilien mit einem Vorrat von 18 Mrd. Tonnen besteht zur Hauptsache aus Bändererz. In vielen Regionen ist die Tiefsee zwischen etwa 4000 und 6000 m Tiefe mit knolligen Gebilden von einigen Zentimetern bis etwa 25 cm Durchmesser übersät, den sogenannten Manganknollen, welche neben ca. 25 % Mangan auch Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer und Zink in Form von Oxiden enthalten. Schätzungen gehen von einem weltweiten Vorrat von ca. zehn Milliarden Tonnen aus. Die Knollen sind in konzentrischen Schichten aufgebaut, was dafür spricht, dass die Anlagerung der Metalloxide durch sogenannte Biomineralisation erfolgte, ein Prozess, bei dem Mikroorganismen wie Bakterien und Algen aus im Wasser gelösten Stoffen Feststoffe aufbauen. Das ist im Prinzip vergleichbar mit der Fähigkeit höherer Meereslebewesen, Schalen aus Kalziumkarbonat aufzubauen. **Kontinentale sedimentäre Erzlagerstätten (Seifen)** Werden erzreiche Gesteine erodiert, kann es zu einer sekundären Anreicherung von Erzkörnern in Sedimenten kommen, sogenannten Seifenlagerstätten (der Ursprung dieses merkwürdigen Begriffs könnte im indogermanischen Wortstamm «seip» für «rinnen», «tröpfeln» liegen). Der Transport klastischer Sedimente wie Sand oder Kies in einem Fliessgewässer führt zur Trennung zwischen Mineralen, die leicht verwittern und dadurch zerstört werden, und verwitterungsresistenten Mineralen. Die meisten Erzminerale sind verwitterungsresistent, reichern sich also in Fliessgewässern an. Besonders häufig sind deshalb Gold-Seifenlagerstätten. Elementares Gold reagiert chemisch kaum mit seiner Umwelt und ist mit einer Dichte von 19,3 g/cm^3^ so schwer, dass es in Fliessgewässern nicht sehr weit transportiert wird und am Grund der Gewässer liegen bleibt, während andere Minerale wie Feldspat, Quarz oder Glimmer weiter weggespült oder gar zerstört werden. Auf diese Weise haben sich in den ca. 2,9 Mrd. Jahre alten Konglomeraten der Region Witwatersrand in Südafrika enorme Mengen an Gold angesammelt. Vermutlich wurde ein Gebirge mit reichen Goldvorkommen vollständig erodiert, wobei sich an dessen Fuss mehrere grosse Flussdeltas bildeten, die mit der Zeit durch ihr Gewicht in die Erdkruste einsanken. Bis heute wurden in der [Witwatersrand-Lagerstätte] ca. 47000 t Gold und als Nebenprodukt rund 130000t Uranerz, gewonnen. **Kohle, Salz und Erdöl** Auch Kohle, Steinsalz und Erdöl sind Sedimente. Kohle ist ein Überbleibsel grosser Mengen pflanzlichen Materials, das sich in Mooren und Sümpfen ablagerte. Der Prozess der Kohlebildung heisst Inkohlung. Dabei reichert sich aus pflanzlichen Überresten reiner mineralischer Kohlenstoff an, währenddem die anderen Bestandteile wie Wasserstoff und Sauerstoff in Form von Wasser, CH, (Methangas) und CO, freigesetzt wurden. Der Inkohlungsprozess läuft in mehreren Stufen ab. Zuerst entsteht durch die Aktivität von Mikroorganismen unter weitgehendem Ausschluss von Sauerstoff Torf. Dieser Prozess kann auch heute in Mooren beobachtet werden. Durch die Überlast immer neuer, darüber abgelagerte Schichten war der Torf zunehmend erhöhten Drücken und Temperaturen ausgesetzt, wodurch bisher nicht komplexe, vollständig verstandene geochemische Prozesse einsetzten. Dadurch entstanden in einer nächsten Stufe Braunkohle, danach Steinkohle und schliesslich Anthrazit, der aus über 90% Kohlenstoff besteht. Die Steinkohle- und Anthrazitlagerstätten stammen hauptsächlich aus dem Erdzeitalter des Karbons (359- 299 Mio. Jahre), als weite Teile der Landmassen bei feucht-warmem Klima von üppiger Vegetation bedeckt waren. Die Braunkohle stammt aus der Zeit des Paläogens und Neogens (66-2,6 Mio. Jahre) mit ähnlich feuchtwarmem Klima. **Steinsalz** ist ein chemisches Sediment, das durch die Verdunstung salzhaltigen Wassers entsteht. Mächtige Schichten von Steinsalz entstanden in Europa bei trocken-heissen Klima in der Triaszeit (252 - 201 Mio. Jahre). Da die Dichte von Steinsalz mit ca. 2.2 g/cm unter jener der meisten Sedimentgesteine liegt, können sich aus mächtigen Steinsalzschichten Salzdome bilden, die von selbst an die Erdoberfläche steigen und andere Gesteine dabei verdrängen. In Wüsten bilden sich A rezente Steinsalzlagerstätten durch die Verdunstung salzhaltigen Wassers in abflusslosen Becken, wobei das Salz durch Verwitterung in angrenzenden Gebirgen entsteht und bei seltenen Regenereignissen abgeschwemmt wird. Teilweise enthalten solche Salzlagerstätten weitere begehrte Rohstoffe, wie beispielsweise Lithium (für Batterien von E-Autos) in Form von Lithiumchlorid (LiCI). Der [Salar de Atacama in Chile] weist mit 0,16% die höchste bekannte Lithiumkonzentration auf, der Salar de Uyuni in Bolivien mit geschätzten 5,4 Mio. t Lithium die vermutlich weltweit grössten Reserven. **Erdöl und Erdgas** entstanden aus organischer Materie wie Algen und Plankton, die vor ca. 400 bis 100 Mio. Jahren am sauerstoffarmen Grund nährstoffreicher Meere - meist im Bereich der Kontinentalschelfe zusammen mit Ton und Sand abgelagert wurde. Da die Biomasse nicht vollständig abgebaut wurde, entstanden daraus über die Jahrmillionen mächtige Schichten grauschwarzen Faulschlamms, der durch Überdeckung mit weiteren Sedimenten kontinuierlich immer höheren Drücken und Temperaturen ausgesetzt war und in grössere Tiefen versank. Dadurch entstand Erdölmuttergestein. Bei Temperaturen bis ca. 60°C wandelten sich die energiereichen Kohlehydrate, Proteine und Fette in langkettige Kohlenwasserstoffe um, sogenannte Kerogene. Zwischen ca. 60 und 200 °C, in Tiefen von ca. 2 000 bis 6000 m, spalteten sich die Kerogene in kurzkettige, gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe auf, also in Erdgas (Methan) und Erdöl. Durch den auflastenden Druck und weil Erdöl und Erdgas eine geringere Dichte als das umgebende Gestein haben, stiegen diese allmählich durch die Gesteinsschichten auf. Damit sich eine Lagerstätte bilden konnte, mussten sich Erdöl und Erdgas in einem porösen und/oder sehr kluftreichen Gestein sammeln, dem sogenannten Speichergestein, das zusätzlich gegen oben und seitlich durch eine undurchlässige Schicht begrenzt sein musste, wodurch eine Erdölfalle entstand. Gelangen Speichergesteine z. B. durch Erosion an die Erdoberfläche, verflüchtigen sich das Methan wie auch alle leichtflüchtigen Bestandteile des Erdöls. Was übrig bleibt, oxidiert im Kontakt mit der Luft und wandelt sich in eine zähe Masse um, sogenanntes Naturbitumen. Dieses findet sich in grossen Mengen in den Poren von Sanden, den sogenannten Ölsanden, z.B. in [Kanada], die heute ca. ein Viertel der weltweiten Erdölreserven ausmachen.