Ökonomische Geologie

Die Lagerstättenkunde gehört zu den Geowissenschaften und befasst sich mit den natürlichen Anreicherungen von festen, flüssigen oder gasförmigen Rohstoffen (Ressourcen) innerhalb der Erdkruste, die für wirtschaftliche und/oder industrielle Zwecke genutzt werden können. Ihre Aufgabe besteht in der Versorgung der Industriegesellschaft mit diesen Rohstoffen. Aus diesem Grund wird der Begriff Lagerstättenkunde oft wie ein Synonym für Wirtschaftsgeologie (englisch: economic geology) verwandt. Als Teilgebiet der angewandten Geologie ist die Lagerstättenkunde auch für vielfältige Dienstleistungen während der bergbaulichen Gewinnung von Rohstoffen zuständig.

Aufsuchung und Beurteilung von Lagerstätten

Siehe Hauptartikel: Lagerstätte.

Ein wesentliches Aufgabengebiet der Lagerstättenlehre besteht in der Erkundung (Prospektion) von Höffigkeitsgebieten und der Erschließung (Exploration) der aufgefundenen Vorkommen. Dies erfordert eine sorgfältige Probennahme im Gelände, wie z. B. durch Schürfgräben, Bohrungen, Versuchsstollen, usw. Das Ziel dieser Arbeiten ist die Bestimmung der genauen Position der Lagerstätte, so wie die Vorratsberechnung. In diesem Zusammenhang wird die Lagerstättenkunde oft als Montangeologie bezeichnet.

Klassifizierung von Lagerstätten

Andererseits gehen die Methoden der Lagerstättenkunde weit über die unmittelbaren praktischen Bedürfnisse der Rohstoffwirtschaft hinaus und überschneiden sich mit den wissenschaftlichen Disziplinen der Strukturgeologie, Geochemie, Geophysik, Mineralogie, Petrographie, Petrologie, sowie, im Falle biogener Lagerstätten, der Paläontologie. Ziel dieser Untersuchungen ist eine Systematik von Lagerstätten, die nicht nur ökonomisch, sondern auch wissenschaftlich begründet ist.

Nach der äußeren Gestalt (Morphologie)

Ein erstes Unterscheidungsmerkmal von Lagerstätten ist ihr Lagerungsverhältnis zum Nebengestein: der Rohstoffkörper kann (ähnlich wie eine magmatische Intrusion) die Gesteinspakete diskordant durchschlagen, oder konkordant ihrer internen Schichtung folgen. Zweitens unterscheidet man die verschiedenen Arten der räumlichen Ausdehnung:

• Schlauchförmige Lagerstätten, wie erzhaltige, vulkanische Schlote, oder die Durchschlagsröhren (englisch: pipes) explosiver Eruptionen, die mit mineralführenden Trümmergesteinen (Brekzien) gefüllt sind, erstrecken sich meist vertikal, oder nahezu vertikal, aus der Tiefe bis zur Oberfläche.

Dort wo mineralisierende Lösungen an Klüften aufwärts steigen, und auf besonders reaktionsfreudige Gesteine treffen, bilden sich zuweilen langgezogene Vererzungen, die oft mehr oder weniger waagerecht verlaufen: die so genannten „Mantos“.

• Sehr häufig und wichtig sind plattenförmige Rohstoffkörper, die eine große Ausdehnung in Breite und Länge aufweisen, aber nur eine geringe Dicke (Mächtigkeit). Hierzu gehören nicht nur Gänge, sondern auch Kohle-Flöze und verschiedene schichtige (stratiforme) Lagerstätten.
• Isometrische Lagerstätten bestehen aus gleichmäßig verteilten Erzmineralen (so genannte Imprägnationen). Auch die in Poren oder Hohlräumen des Wirtsgesteins verteilten Ansammlungen von Erdöl und Erdgas gehören hierher. Wenn die Vererzungen jedoch an kleine, unregelmäßige Gänge und Gangnetze, oder vielfach sich kreuzenden Äderchen gebunden sind, werden sie als Stöcke, Stockwerk, oder Nester bezeichnet.

Auch an den Kontaktflächen von magmatischen Intrusionen mit ihrem Wirtsgestein bilden sich oft unregelmäßige Zonen von Mineralneubildungen, die so genannten Skarne und Greisen.

Nach der Entstehung (Genese)

Sehr viel bedeutender ist die Klassifizierung von Lagerstätten nach ihrer Genese. Dieses Vorgehen ist allerdings mit prinzipiellen Problemen behaftet, denn die Vorstellungen über die Prozesse, die zur Anreicherung bestimmter Rohstoffe in der Erdkruste führen, sind auch heute noch im Fluss, und nicht immer endgültig geklärt. Außerdem ist an der Bildung einer Lagerstätte oft mehr als ein Prozess beteiligt. Bei einer strikten Klassifizierung nach der Genese würde dann ein und dieselbe Lagerstätte mehreren verschiedenen Lagerstättentypen angehören. Aus diesem Grund bevorzugen manche Lagerstättenkundler eine Nomenklatur, die sich einfach auf das bekannteste Beispiel für einen bestimmten Lagerstättentyp bezieht, wie Olympic Dam-Typ, Broken Hill-Typ, oder Savage River-Typ, etc. Dieses Verfahren ist jedoch nicht weniger willkürlich, dafür aber weit unanschaulicher.

Andererseits besteht eine kaum zu überbrückende Kluft zwischen dem Bedürfnis der Lagerstättenkundler nach einer möglichst einfachen und klaren Klassifikation, und dem gleichzeitigen Bedürfnis nach einer möglichst vollständigen Erfassung aller beobachteten Fakten. Ein gutes Beispiel liefern hier einige der so genannten schichtgebundenen Lagerstätten (englisch: strata-bound deposits). So, wie die oben erwähnten schichtigen Lagerstätten sind sie an bestimmte stratigraphische Horizonte gebunden: wie z. B. die Uran-Lagerstätten des Colorado-Plateaus in Wyoming an Sandsteine, und die Blei-Zink-Lagerstätten vom Mississippi-Valley-Typ an Karbonatgesteine, wie Riffkalke und Karbonatschlammbänke. Jedoch müssen die Vererzungen selbst nicht schichtförmig sein, sonder können auch gangartige oder unregelmäßige Formen aufweisen. Bei den meisten dieser Vererzungen geht man davon aus, dass sie sich nach der Ablagerung der Sedimente (epigenetisch) gebildet haben. Trotzdem gibt es bei anderen Hinweise auf eine gleichzeitige (syngenetische) Bildung, und in manchen Lagerstätten findet man beides. Untersuchungen der Isotopen-Verhältnisse in den verschiedenen Lagerstätten deuten meist auf eine Herkunft der Metalle aus tieferen Erdschichten hin, manchmal aber auch auf Konzentrationen in eingeengten Meeresbecken. So verwundert es nicht, dass manche Lagerstättenkundler alle diese Lagerstätten unter einen einzigen Oberbegriff subsumieren möchten, während andere praktisch für jede einzelne bekannte Lagerstätte einen eigenen Lagerstättentyp vorschlagen.

Erzgenese

Eine gängige Klassifizierung ordnet die Lagerstätten den drei grundlegenden Gesteinstypen zu: den Magmatiten, Sedimenten und Metamorphiten.

Magmatische Bildungen

Frühkristallisation

Satellitenbild des Meteoritenkraters von Greater Sudbury/Ontario (langgezogenes hellgrünes Oval in der Bildmitte), dessen Impakt wahrscheinlich die Magmenentmischung ausgelöst hat.

Schon früh können sich in glutflüssigen Gesteinsschmelzen (Magmen) bestimmte Minerale mit sehr hohen Schmelzpunkten ausscheiden, wie z. B. Chromit. Wenn diese Minerale spezifisch schwerer sind, als die Restschmelze, sinken sie auf den Boden der Magmakammer, wo sie sich anreichern. Magmenströmungen und andere Differenziationsprozesse können dann zur Schlierenbildung oder Schichtung der Minerale innerhalb der magmatischen Intrusion führen, wie z. B. in den Chrom-Lagerstätten des Bushveld-Komplexes in Südafrika.

In anderen Fällen kann es zur Trennung bestimmter unmischbarer Komponenten in der Schmelze kommen, so wie sich Wasser von Öl trennt (Liquidentmischung). In Sulfid-Silikat-Schmelzen scheiden sich z. B. Sulfidtröpfchen ab. In diesen Tröpfchen konzentrieren sich besonders Kupfer und Nickel, ebenso Metalle der Platin-Gruppe. Wenn sich die einzelnen Tröpfchen mit einander vereinen, können so umfangreiche Sulfid-Lagerstätten entstehen, wie z. B. in Greater Sudbury (Kanada).

Siehe auch: orthomagmatische Lagerstätten.

Haupt- und Spätkristallisation

Nach der Kristallisation der Tiefengesteine und Ganggesteine (Plutonite) im Untergrund, und der Ergussgesteine (Vulkanite) an der Oberfläche, bleiben meist Restschmelzen zurück, in denen sich bestimmte Elemente angereichert haben, die sich, aus chemischen und physikalischen Gründen, nur schwer in die häufigsten gesteinsbildenden Minerale einbauen lassen. Als Produkte der Spätkristallisation aus diesen Restschmelzen gelten Phosphor- und Aluminium-reiche Apatit- und Nephelin-Lagerstätten sowie anorganisch gebildete Kalke. Zu diesen Karbonatit-Alkaligestein-Komplexen gehören wichtige Lagerstätten der Seltenen Erden-Metalle und anorganische Phosphat-Lagerstätten.

Ein Kennzeichen der nun verbliebenen Restschmelzen ist, dass sie zunehmend immer mehr Wasser enthalten. Wegen des enormen Gesteinsdruckes können die stark überhitzten Wässer jedoch nicht sieden. Die Ausscheidungen in dieser überkritischen Phase sind z. B. die Lagerstätten von Seltene Erden-Metallen in Pegmatit-Gängen.

Kimberlite und Lamproite

Schematisches Profil eines Kimberlit-Schlotes

Einen extremen Fall von magmatischer Bildung stellen die gewalttätigen Eruptionen dar, die die vulkanischen Durchschlagsröhren, oder pipes, von Kimberliten und Lamproiten erzeugt haben. Glücklicher Weise gehören die meisten dieser katastrophalen Ereignisse einer lange zurückliegenden Vergangenheit an. Jedoch existieren in Westaustralien auch Vorkommen mit einem radiometrischen Alter von nur 20 Millionen Jahren. Das wirtschaftlich wichtigste Mineral in dieser Art von Lagerstätten ist der Diamant, der sich als exotischer Bestandteil in den vulkanischen Brekzien findet.

Da sich Diamanten nur unter großen Drücken und Temperaturen bilden, müssen sie aus Regionen von über 120 Kilometern stammen, die von mindestens 60 Kilometer dicker kontinentaler Kruste überlagert werden. An der Erdoberfläche weisen die Durchschlagsröhren meist einen Durchmesser von weniger als einen Quadratkilometer auf. Zur Tiefe hin verengen sie sich immer weiter und enden schließlich an gangartigen Strukturen, die mit unbreckziiertem Kimberlit gefüllt sind. Von diesen „Wurzelzonen“ nimmt man an, dass sie an regionale Schwächezonen mit Dehnungsrissen und Grabenbildungen gebunden sind, die bis in den Oberen Mantel hinab reichen. Nach der explosiven Eruption sehr gashaltiger Magmen kann es gelegentlich zur stillen Intrusion kleinerer magmatischer Körper in den Pipes kommen.

Hydrothermale Phase

Schließlich bleiben nach der Ausscheidung aller gesteinsbildenden Minerale aus den Restschmelzen nur noch heiße, mineralgesättigte Lösungen zurück, die so genannten hydrothermalen Solen, oder Fluide. Wegen der extremen Bedingungen und der äußerst variablen Zusammensetzung dieser Fluide sind ihre Eigenschaften im Labor nur schwer nachzuahmen. Man nimmt aber an, dass sie in der Lage sind, die verschiedensten Stoffe zu lösen, zu transportieren, und an anderer Stelle wieder auszuscheiden. Sie tragen damit wesentlich zur Bildung der meisten Ganglagerstätten und Erzstöcke bei.

Ganglagerstätten

Schematische Darstellung eines Gold-Quarz-Ganges

Bis weit in das 20. Jahrhundert hinein lieferten Ganglagerstätten auf der ganzen Welt viele der ergiebigsten Lagerstätten von Gold, Silber, Kupfer, Zinn, Blei und anderen Metallen. Dem entsprechend wichtig waren sie für die Theoriebildung in der Lagerstättenkunde. Bei hohen Erzgehalten sind sie auch heute noch von wirtschaftlicher Bedeutung. Wegen ihrer geringen Ausdehnung sind sie mit heutiger Bergbau-Technologie aber oft nur noch schwer abzubauen.

In den höheren Teilen der Erdkruste vermischen sich die Fluide mit Oberflächenwässern, die durch die Wärme der magmatischen Intrusionen in Zirkulation versetzt werden. So bilden sich in offenen Klüften und Spalten Geothermal-Systeme, die bis an die Erdoberfläche reichen können. Ein anderer Mechanismus, der die mineralisierenden Lösungen an die Oberfläche transportieren könnte, ist das so genannte „seismische Pumpen“, d. h., das stoßartige Öffnen und Schließen von tektonischen Störungen im Laufe eines Erdbebens.

Mit abnehmendem Druck und Temperatur unterteilt man die hydrothermale Mineralisation in katathermal, mesothermal, und schließlich epithermal (z. B. heiße Quellen und Abscheidungen aus Dämpfen).

Imprägnations- und Stockwerklagerstätten

In Gesteinen, die tektonisch stark beansprucht und zerschert wurden, erweitern sich die Störungen und Scherzonen oft zu ausgedehnten Ruschelzonen, in denen die Fluide viele kleine Gänge und Äderchen erzeugen können. Das Nebengestein ist dann meist durch die mineralisierenden Lösungen ebenfalls stark angegriffen und weist charakteristische Veränderungen auf (Alteration).

Oft entwickeln sich diese Stöcke oder „Stockwerke“ (nach englisch: stockwork, nicht als Bezeichnung für eine Etage, oder ähnliches) an den Schnittstellen zwischen Störungen und bestimmten Schichtgrenzen. Wenn es sich hierbei um besonders reaktive Gesteine handelt, wie Karbonate, kohlenstoffhaltige Sedimente, vulkanische Tuffe, oder besonders blasenreiche Laven, kann sich die fein verteilte Mineralisation (Imprägnation) nach den Seiten hin weit in diese Schichtpakete hinein ausdehnen. Hierhin gehören z. B. die volumenreichen Lagerstätten vom Carlin-Typ in den USA (Nevada, Utah, Idaho, Kalifornien), die wegen ihrer sehr feinkörnigen Vererzung als „unsichtbare“ Gold-Lagerstätten bezeichnet werden.

Erst seit dem Ende der 1960er Jahre wurden Uran-Imprägnationslagerstätten in Saskatchewan/Kanada und in Australien bekannt, die an die Erosionsflächen (Diskordanzen) zwischen dem kristallinen Grundgebirge und überlagernden metamorphen Sedimenten gebunden sind.

Die Kupferlagerstätte Chuquicamata stellt z. Z. den größten Tagebau der Welt dar.

Einen wirtschaftlich besonders wichtigen Typ der Imprägnations- und Stockwerklagerstätten stellen die so genannten porphyrischen Kupferlagerstätten dar. Hierbei handelt es sich um Lagerstätten mit verhältnismäßigen geringen Erzgehalten, aber oftmals riesigen Volumen. Heute geht über die Hälfte der weltweiten Kupferproduktion auf „Kupferporphyries“ zurück, aber auch die größten jemals von Menschen erzeugten Löcher in der Erdkruste.

Im Gegensatz zu den oben angeführten Stockwerklagerstätten bilden sich Kupferporphyries typischerweise in den oberen Teilen von sauren und intermediären Intrusionen, wie Granit und Diorit. Während die Minerale am Rand dieser Intrusionen meist gleiche Korngroßen aufweisen, treten im Inneren größere Kristalle in einer gleichkörnigen Matrix hervor (porphyrisches Gefüge, daher der Name). Dieses Gefüge gilt als ein Hinweis auf eine verhältnismäßig schnelle Abkühlung und Auskristallisation der Intrusion. Man vermutet, dass der Dampfdruck der mineralisierenden Lösungen im oberen Bereich der Magmakammer irgendwann den Gesteinsdruck überstiegen hat, und dass das umgebende Gestein durch retrogrades Sieden zerrüttet wurde. Die mineralisierenden Lösungen kristallisierten so an Ort und Stelle aus, bevor sie in weiter entfernte Gänge oder Gesteine abwandern konnten.

Daneben existieren noch porphyrische Lagerstätten von Molybdän, Zinn und Wolfram.

Vulkanisch-exhalative Lagerstätten

Heiße, mineralgesättigte Lösungen treten aus dem Schlot eines „Black smokers“ aus.

Im Übergangsbereich von magmatisch-hydrothermalen zu sedimentären Prozessen entwickeln sich die vulkanisch-exhalativen Lagerstätten (z. B. im Lahn-Dill-Gebiet). Besonders wichtig sind hier die vulkanogenen Massivsulfid-Lagerstätten (VMS) von Eisen und von Buntmetallen. Bis in die 1950er Jahre hinein hatte man diese den epigenetischen hydrothermalen Verdrängungslagerstätten zugeordnet. Erst danach wurden sie als syngenetische Ausdünstungen (Exhalationen) von untermeerischen Vulkanen erkannt, den so genannten Black Smokers. Dort, wo hydrothermalen Lösungen zur Oberfläche aufsteigen, werden diese Lagerstätten von epigenetischen Stockwerkvererzungen unterlagert. Beim Kontakt mit dem Meerwasser scheiden sich die gelösten Sulfide ab, größtenteils als Pyrit. Diese konkordanten, oftmals gebänderten Erze verzahnen sich an Mittelozeanischen Rücken mit basaltischen Laven, in der Nähe von Inselbögen jedoch mit verschiedenartigeren Vulkaniten und dem Abtragungsschutt vom Festland und den Inselbögen (Grauwacke).

Daneben existieren auch vulkanogene Oxidlagerstätten, wie die enorme Eisenlagerstätte von Kiruna in Schweden, dem weltweit größten Untertagebergwerk. Die vorherrschenden Erzminerale sind hier Magnetit, Hämatit und Apatit. Neben einer exhalativen Entstehung wird hier aber auch die Möglichkeit von Lavaströmen aus oxidischen Magmen, oder eine liquidmagmatische Entmischung diskutiert. Bei der Wolfram-Lagerstätte von Mittersill (Felbertal, Österreich) handelt es sich wahrscheinlich ebenfalls um eine exhalative Bildung.

Das Denkmal eines roten Hundes auf dem geschichteten Erz der SEDEX-Lagerstätte „Red Dog“ in Westaustralien.

In größerer Entfernung von untermeerischen vulkanischen Zentren können sich überwiegend sedimentäre Sulfid-Lagerstätten bilden, wie Sullivan in British Columbia, der in weiten Teilen Mitteleuropas ausgebildete Kupferschiefer und die Lagerstätten des sambischen Kupfergürtels. Auch die historische Lagerstätte vom Rammelsberg im Harz wird heute diesem Typ zugerechnet. Da man davon ausgeht, dass die Sulfide aus vulkanischen Exhalationen stammen, werden sie als sedimentär-exhalative Lagerstätten (SEDEX) bezeichnet. Typischerweise finden sich diese Vorkommen jedoch nicht in Tiefseesedimenten, sondern in den Ablagerungen von Flachmeeren, die sich über kontinentale Kruste ausgedehnt haben (Transgression). Zuweilen, aber durchaus nicht immer, sind noch die Aufstiegswege der Fluide erhalten. Hierbei handelt es sich meist um Störungszonen in intrakontinentalen Becken oder Gräben. Die Einzelheiten der Entstehung dieser Lagerstätten sind jedoch umstritten, besonders die Frage, ob die metallischen Komponenten bereits in den ursprünglichen Sedimenten enthalten waren oder ob sie erst später aus hindurchfließenden hydrothermalen Fluiden abgeschieden wurden.

Einen Sonderfall stellen hier die proterozoischen Gebänderten Eisenformationen (BIFs) dar. Wegen gewisser Ähnlichkeiten in den Ablagerungsbedingungen (Verzahnung mit Vulkaniten und Grauwacken beim „Algoma-Typ“, sowie Ablagerung am Schelfrand oder in intrakontinentalen Becken beim „Superior-Typ“) vermutet man hier ebenfalls vulkanisch-exhalative oder sedimentär-exhalative Bildungen, jedoch in Gewässern unter einer praktisch sauerstofffreien Atmosphäre. Einzelheiten der Entstehung, besonders die Herkunft der enormen Eisenmengen und die genauen Prozesse der Erzausscheidung, sind aber noch umstritten. Manche Bearbeiter bevorzugen eine weitgehend sedimentäre Bildung auf Grund von chemischen und/oder biochemischen Prozessen.

Auch die sogenannten „Manganknollen“, das sind metallhaltige Konkretionen in den landfernsten Sedimenten der Tiefsee, bilden sich letztendlich vielleicht aus vulkanischen Ausdünstungen.

Sedimentäre Bildungen

Prinzipiell lassen sich Sedimentgesteine, und damit auch sedimentäre Lagerstätten, in zwei Gruppen unterteilen.

• Erstens: Sedimente, die autochthon (am Ort ihrer Entstehung) abgelagert wurden, wie die meisten chemischen, biochemischen und biogenen Abscheidungen aus dem Wasser, sowie einige Verwitterungsablagerungen auf dem Festland. Es ist somit Geschmackssache, ob man die oben erwähnten stratiformen SEDEX-Lagerstätten, oder die BIFs, wegen des hydrothermalen Ursprungs ihrer metallischen Komponenten, noch zu den hydrothermalen Lagerstätten rechnen will, oder wegen ihrer Ablagerungsform, zu den sedimentären Lagerstätten.
• Zweitens: Sedimente, die allochthon (von anderswo her) an ihren Ablagerungsort transportiert wurden, wie Tone, Sande, Konglomerate, oder vulkanisches Auswurfmaterial (Pyroklastika).

Marine Sedimentation

Bei den lothringischen Minette-Eisenerzen handelt es sich um marine Sedimente, nämlich um kleine, schalige Kügelchen (Ooide) von Quarz, Kalk und Hämatit, die ständig in der Brandung eines tropischen Meeres bewegt und abgerollt wurden, bis sie schließlich in tieferes Wasser gelangten und sich dort ablagerten. Solche Lagerstätten waren in den Zeiten der Industriellen Revolution nicht nur in Lothringen, sondern auch in den englischen Midlands um Manchester, und in Salzgitter von einiger Bedeutung, da sie zu den häufigsten phanorozoischen Eisenlagerstätten gehören. Heute lassen sie sich, wegen des geringen Erzgehalte und ihrer silikatischen Komponente, nur noch selten wirtschaftlich abbauen.

Auch bei vielen Massenrohstoffen, die für das Baugewerbe und die Industrie von Bedeutung sind, wie Kalk, Dolomit, Phosphat und Sulfat, handelt es sich um biochemische Ausscheidungen im marinen Milieu.

Verdunstung

Salzabbau im Salar de Uyuni, Bolivien.

Salzlagerstätten bilden sich in abgeschnürten Meeresbecken oder in Binnenseen, wenn die Zufuhr von frischem Wasser über lange Zeit hinweg geringer ist, als die Verdunstung (Evaporation). Hierbei werden nicht nur die im Wasser gelösten Salze ausgefällt, sondern auch die Minerale in den Verwitterungslösungen vom Festland, und zwar in einer gesetzmäßigen Reihenfolge, entsprechend ihrer Löslichkeit. Zuerst fallen die am schwersten löslichen Salze aus, wie Karbonate und Sulfate (Gips), dann Steinsalz, und schließlich sogar die leicht löslichen Kalium- und Magnesium-Salze. Gerade die Kalisalze stellen oft den ökonomisch interessantesten Teil der Salzlagerstätten dar, wegen ihrer Bedeutung für die Kunstdünger-Herstellung.

Ein anderes wichtiges Beispiel sind die Salpeter und Borax-Lagerstätten in abgeschlossenen Eindamfungswannen in Wüstengebieten. Hierbei ist die Herkunft des Nitrats für den Natronsalpeter, und des Bors für die Borate strittig. Meist wird eine vulkanische Herkunft vermutet.

Verwitterung

Die mechanische Verwitterung (Erosion) von Gesteinen an der Erdoberfläche durch Wasser und Wind trennt die einzelnen Minerale von einander, und führt zur Anreicherung von Schwermineralen, wie Gold, Zinnstein (Cassiterit), Rutil (ein wichtiges Titan-Erz), usw., in so genannten Seifenlagerstätten. Von jeher gehörten Seifen zu den wichtigsten Lagerstätten überhaupt. Da sie aber sehr leicht entdeckt und abgebaut werden können, sind sie heute, bis auf wenige Ausnahmen, fast auf der ganzen Welt ausgebeutet.

Die wichtigste Seifenlagerstätte der Welt, die Quarz-Konglomerate vom Witwatersrand in Südafrika stellen in mehrfacher Hinsicht eine Ausnahmeerscheinung dar: Erstens liegen sie als fossile, verfestigte Seifen vor. Zweitens sind sie außergewöhnlich alt (Proterozoikum). Drittens weisen sie, neben freiem Gold, auch detritischen Pyrit (ein Eisensulfid) und das Uranmineral Uraninit auf. Heute wären solche Ablagerungen so gut wie unmöglich, das sich diese Minerale in Gewässern, die sich im Gleichgewicht mit einer sauerstoffreichen Atmosphäre befinden, schnell zersetzen.

Typisch rostroter, zusammengebackener Laterit.

Durch chemische Verwitterung (z. B. unter tropischem Klima, in einer möglichst flachen Landschaft) kann es zur Bildung von Residuallagerstätten kommen. Hierbei handelt es sich um Anreicherungen von schwer löslichen Mineralen in der Oxidations- und Zementationszone des Bodens, wie Bauxit und Laterit, aber auch um den „Eisernen Hut“, der sich über sulfidischen oder karbonatischen Eisenlagerstätten bildet, oder residuale Seifen (z. B. Nuggets über dem Ausbiss von goldführenden Gängen).

Im trockenen (ariden) Klima sammeln sich in Senken und Geländevertiefungen große Mengen von Gesteinsschutt. Eventuell enthaltene Metalle können dort durch salzhaltige Grundwässer ausgelaugt werden, um dann in Zonen mit einem hohen Anteil an organischen Substanzen (z. B. Pflanzenreste) als Sulfide ausgefällt werden. Der Name der Provinz Katanga im Südosten der Demokratischen Republik Kongo, bedeutet „Kupfererz“, und geht auf diese Art der Red-Bed-Lagerstätten zurück.

Im feuchten (humiden) Klima können besonders in moorigen Böden gelöste Eisenverbindungen ausfallen. Solches Rasenerz war in vielen Teilen Nordeuropas bis weit in das Mittelalter hinein, die einzige Quelle von Schmiedeeisen.

Lagerstätten der Kohlenwasserstoffe

Im Grenzgebiet von sedimentären zu metamorphen Lagerstätten befinden sich die Lagerstätten der Kohle und der Kohlenwasserstoffe, da sie zu ihrer Entstehung unter dem Druck von mächtigen Sedimentschichten in die Tiefe versenkt werden müssen. Die Bildung von Kohlelagerstätten beruht auf einem erhöhten örtlichen Pflanzenwachstum und auf günstigen Einbettungsbedingungen der Pflanzenreste, z. B. unter dem Abtragungsschutt eines sich heraushebenden Gebirges. Durch die Erhöhung des Drucks und der Temperatur unter Sauerstoffabschluss durchlaufen die organischen Substanzen den Prozess der Inkohlung, von Torf, über Braun- und Steinkohle, bis zu Anthrazit.

Trotz ihrer überragenden Bedeutung für die Weltwirtschaft sind die Prozesse der Bildung von Erdöl und Erdgas-Lagerstätten durchaus noch nicht völlig verstanden. Gewöhnlich geht man von der Entstehung aus Zersetzungsprodukten von Faulschlamm (Sapropel) unter Luftabschluss aus. Das Problem liegt jedoch in der Natur der Energiequelle, die die ursprünglichen, weitgehend oxidierten, organischen Substanzen in weitgehend sauerstofffreie Kohlenwasserstoffe umwandelt. Direkte Hitzeeinwirkung kann dabei ausgeschlossen werden, da sich im Erdöl immer noch Verbindungen finden, die bei Temperaturen über 200 °C instabil werden. Eine Mitwirkung von natürlicher Radioaktivität konnte bisher nicht bestätigt werden. Stattdessen wird eine Reduktion durch anaerobe Bakterien diskutiert, oder durch mineralische und chemische Katalysatoren. Auch über die Zeiträume und Versenkungstiefen, die zur Erdölbildung nötig sind, bestehen große Meinungsverschiedenheiten unter Lagerstättenkundlern. Auf jeden Fall benötigen die entstandenen Flüssigkeiten die Existenz eines benachbarten, porösen Speichergesteins, wie Sandstein oder Korallenkalk, in die sie wandern können. Man vermutet, dass erst die Reaktionen in den Porenwässern die Bildung der Erdöl-Kohlenwasserstoffe bewirken.

Im verbliebenen Erdölmuttergestein (Bitumen) bilden sich anscheinend die kurzkettigen Kohlenwasserstoffe des Erdgases. Das Erdgas wandert dann ebenfalls in das Speichergestein. Daneben gibt es jedoch noch weitere Theorien über die Entstehung von Erdgas. Selbst eine anorganische Bildung aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Schwefeldioxid und anderen Gasen aus dem Oberen Mantel wird noch diskutiert.

Metamorphe Bildungen

Oft handelt es sich hierbei einfach um magmatische oder sedimentäre Lagerstätten, die im Verlauf einer Gebirgsbildung (Orogenese) in die Tiefe verfrachtet wurden, wo sie unter große Drücke und Temperaturen kamen. Solche metamorphisierten Lagerstätten weisen charakteristische Veränderungen im Mineralbestand auf, wie Rekristallisation und Mineralneubildungen. Durch eine Regionalmetamorphose werden bestimmte Metalle, wie Zink, Blei oder Mangan, in den Gesteinen mobilisiert. Wenn sie dann auf hydrothermale Lösungen treffen, die ebenfalls durch die Metamorphose ausgetrieben werden, kann es in geeigneten Strukturen, wie Störungen oder Scherzonen, zu einer Erzkonzentration kommen. Auch bei vielen Quarz- oder Quarz-Kalzit-Gängen (z. B. in den Metabasiten im Yellowknife-Goldfeld in den Nordwest-Territorien Kanada) vermutet man, dass die für die Bildung des Quarzes benötigte Kieselsäure (zusammen mit den metallischen Bestandteilen) aus dem umgebenden Gestein in die sich öffnenden Gänge gewandert ist. Diesen Vorgang bezeichnet man als Lateralsekretion.

Bei der Platznahme eines Magmakörpers kommt es oft zur Kontaktmetamorphose, d. h. zu Mineralreaktionen und Stoffaustausch zwischen Intrusion und Wirtsgestein. Typische kontaktmetamorphe, oder pyrometasomatische Lagerstätten sind Skarne und Greisen.

Skarne

Ursprünglich handelte es sich bei Skarn nicht um die Bezeichnung für einen Lagerstättentyp, sondern, ganz im Gegenteil, um einen schwedischen Bergmannsbegriff für silikatische Gangart (taubes Gestein). Auch heute sind die allermeisten Skarnbildungen nicht abbauwürdig. Meist handelt es sich dabei um nahezu reine Kalksteine oder Dolomite, die durch die Zufuhr von großen Mengen Silicium, Aluminium, Magnesium und Eisen in oft sehr unregelmäßige Gesteinskörper umgewandelt wurden (Metasomatose oder Verdrängung). Skarne können mit Kalksilikatfelsen verwechselt werden, die jedoch nicht durch Verdrängung, sondern durch eine Umwandlung aus tonig-sandigen (unreinen) Kalken oder kieseligen Dolomiten entstanden sind, die dieselbe chemische Zusammensetzung hatten wie die Endprodukte (isochemische Umwandlung). Wie so oft in der Lagerstättenkunde ist die Herkunft der metallischen Komponenten in abbauwürdigen Skarnen umstritten. Manche Bearbeiter vermuten die Quelle in den intrudierenden Magmen selbst. Andere glauben an eine Herkunft aus zirkulierenden hydrothermalen Lösungen.

Manche Skarne sind wichtige Eisenlagerstätten, wie in Magnitogorsk und Sarbai (Kasachstan), in Marmoraton (Ontario/Kanada), oder in der Cornwall-Mine (Pennsylvania), dem ältesten kontinuierlich betriebenen Bergwerk der USA. Daneben existieren auch Kupfer- und Wolframskarnlagerstätten.

Greisen

Ähnlich wie Kupferporphyries bilden sich Greisenlagerstätten meist in der Dachregion von Granitintrusionen und werden zuweilen von einer Stockwerkvererzung begleitet. Jedoch handelt es sich bei den Greisen nicht um Imprägnationen, sondern um unregelmäßige, aber massive Gesteinskörper. Meist bestehen sie aus gleichmäßig-körnigen (granoblastischen) Aggregaten von Quarz und Muskovit mit untergeordnetem Topas, Turmalinen und Fluorit. In der Regel werden sie wegen ihres Zinngehaltes abgebaut, wie die Lagerstätten im Erzgebirge, gelegentlich auf Wolfram.

Lagerstättenbildung im Laufe der Erdgeschichte

Die Erde, und besonder die Erdkruste, hat im Laufe ihrer etwa 4,5 Milliarden Jahre langen Geschichte viele tiefgreifende Veränderungen durchgemacht. Aus diesem Grund gibt es verschiedene Lagerstättentypen, die auf eine ganz bestimmte Epoche der Erdgeschichte begrenzt sind. In den voran gegangenen oder folgenden Zeitabschnitten waren die Bedingungen für ihre Bildung nicht mehr gegeben.

Archaikum

Das Archaikum umfasst etwa den Zeitraum von vor 3,8 bis vor 2,5 Milliarden Jahren. Die tektonische Situation dieser frühen Epoche wird durch zwei Grundelemente geprägt: die hochmetamorphen „Migmatit-Gneis-Granulit-Bereiche“, die die ersten festen Kerne der sich bildenden Lithosphäre darstellen, sowie die sie umgebenden mobilen „Grünsteingürtel“. Während in ersteren Bereichen nur einige wenige geschichtete Chromit-Lagerstätten von Bedeutung sind, finden sich viele bedeutende Lagerstätten in den Grünsteingürteln, z. B.:

• Orthomagmatische Lagerstätten von Nickel- und Kupfersulfiden, die an basische und ultrabasische Laven gebunden sind (Kalgoorlie-Gürtel im südwestlichen Australien, Abitibi-Gürtel in Kanada, im Baltischen Schild, und in Simbabwe). Da diese metallogenetischen Provinzen klar begrenzt sind, stammen die Metalle und ihre Muttergesteine wahrscheinlich aus lokalen Anomalien im Oberen Mantel.
• In den Randzonen der Grünsteingürtel, nahe bei den angrenzenden Granitintrusionen, finden sich viele goldführende Ganglagerstätten. Tatsächlich war die Suche nach Gold früher der Hauptgrund für die Untersuchung und Kartierung der Grünsteingürtel.
• Vulkanogene Massivsulfidlagerstätten von Kupfer und Zink, besonders im Abitibi-Orogen.

Proterozoikum

Im frühen und mittleren Proterozoikum (etwa 2,5 bis 1,6 Milliarden Jahre vor heute) entwickelten sich die ersten stabilen, wenn auch nur kleinen, Lithosphärenplatten. Hiermit wurde die Grundvoraussetzung für Krustenbewegungen im Sinne der Plattentektonik geschaffen. Jetzt kam es zum ersten Mal zur Bildung von sedimentären Becken, Ablagerungen von Plattformsedimenten und zur Bildung von Geosynklinalen an den Kontinentalrändern. Charakteristisch für diese Epoche sind sedimentäre und sedimentär-exhalative Lagerstätten, die sich nur unter reduzierenden Bedingungen, bei fehlendem Sauerstoff in der Atmosphäre, bilden konnten:

• Die einzigartigen Gold-Uran-Konglomerate vom Witwatersrand in Südafrika.
• Die ersten Gebänderten Eisenformationen stammen bereits aus dem Archaikum, aber ihre weiteste Verbreitung fanden sie in der Zeit von 2,6 bis 1,8 Milliarden Jahren. Man vermutet, dass eisenfällende Bakterien eine wichtige Rolle bei ihrer Ablagerung in intrakontinentalen Becken und in den Schelfgebietn der jungen Kontinente hatten.
• Verschiedene sedimentäre, oder sedimentär-exhalative Lagerstätten von Mangan, Blei und Zink (z. B. Mount Isa in Australien).
• Diamantführende Kimberlite und Lamproite treten zum ersten Mal auf. Zuvor war die Krustendicke nicht ausreichend, um die enormen Drücke zu erzeugen, die für die Bildung von Diamanten nötig sind.
• Das Vorhandensein von Lithosphärenplatten ermöglichte ebenfalls die Bildung regionaler Bruchsysteme, an denen riesige gangartige Körper und magmatische Komplexe aufsteigen konnten. Die Bildung der großen geschichteten Chromit-Lagerstätten im südlichen Afrika geht wahrscheinlich auf Chromanomalien im Oberen Mantel zurück. Auch die Intrusionen vieler Anorthosit-Plutone mit Ilmenit-Vererzungen in Norwegen und Kanada stellen ein magmatisches Ereignis dar, dass sich so nie mehr wiederholt hat.
• Das weitgehende Fehlen von orthomagmatischen Sulfidlagerstätten in späteren Zeiten wird auf eine Verarmung des Oberen Mantels an Schwefel im Laufe von plattentektonischen Prozessen zurückgeführt.

Für das mittlere und späte Proterozoikum vermuten viele Forscher bereits die Existenz eines Superkontinents. Diese Zeit ist gekennzeichnet durch eine ungewöhnlich hohe Kupferkonzentration in Sedimentgesteinen, wie den „Red-Bed“-Lagerstätten von Katanga. In Afrika bildeten sich außerdem drei ausgeprägte Gürtel von Zinnlagerstätten, ein weiterer in Brasilien. Die Bildung von BIFs ging immer weiter zurück, was man auf die Entstehung einer sauerstoffreichen Atmosphäre durch pflanzliche Photosynthese zurück führt.

Phanerozoikum

Gegen Ende des Proterozoikums hatte sich in etwa die plattentektonische Situation eingestellt, wie sie noch heute besteht. Durch die Verschiebung der Kontinente kam es zur Subduktion von ozeanischer Kruste und zur Bildung von Faltengebirgen. Hier kommt es besonders in den kontinentalen Faltengürteln und den vorgelagerten Inselbögen zur Bildung der „Kupferporphyre“, die zu den größten Metallanreicherungen des Phanerozoikums gehören (0,57 Milliarden Jahre bis heute). Ein Beispiel ist Chuquicamata in Chile, der größte Tagebau der Welt. Salzlagerstätten zeigen weltweit eine auffällige Häufung in bestimmten geologischen Epochen, wie in der Zeit vom Perm bis zur Trias, oder im Tertiär. D.h. sie folgen bevorzugt auf die großen Gebirgsbildungsphasen, wenn genügend Teilbecken existieren, die Reliefunterschiede jedoch nicht mehr so groß sind, dass die Senken einfach mit Abtragungsschutt aus den Bergen aufgefüllt werden. Kohlelagerstätten gehen hingegen auf Zeiten mit gesteigerter Produktion von Biomasse zurück, wie das namengebende Karbon-Zeitalter.

Literatur

• Anthony M. Evans: Erzlagerstättenkunde, Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1992. ISBN 3-432-99801-5
• Walter Pohl: Mineralische und Energie-Rohstoffe. Eine Einführung zur Entstehung und nachhaltigen Nutzung von Lagerstätten. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung 2005. ISBN 3-510-65212-6
• J. K. Warren: Evaporites. Sedimentology, Ressources and Hydrocarbon Springer, Berlin, 2005. ISBN 3-540-26011-0
• Gerhard H. Eisbacher, Jonas Kley: Grundlagen der Umwelt und Rohstoffgeologie Spektrum Akademischer Verlag, 2001. ISBN 3-827-41231-5
• F.W. Prokop, W. Streck, M. Sagher, R.W. Tschoepke, H.W. Walther, H. Pietzner, G. Stadler, H. Vogler, H. Werner: Untersuchung und Bewertung von Lagerstätten der Erze, nutzbarer Minerale und Gesteine (Vademecum 1). 2. Aufl., Geologisches Landesamt Nordrhein-Westfalen, Krefeld, 1981.

Weblinks

• Exploration Geology, Scirus topic overview