Rohstoffe: Entstehung von Lagerstätten

Rohstoffe: Entstehung von Lagerstätten

 

So weiß man heute, dass Lagerstätten, also Konzentrationen von Elementen oder ihren Verbindungen, an bestimmte Gesteine in der Erdkruste gebunden sind. Erdöl etwa bildete sich bevorzugt in bestimmten Epochen der Erdgeschichte, zumeist vor 100 Millionen Jahren. Dabei war stets nötig, dass der kostbare Rohstoff von Sedimenten wie Tonen und Sanden so schnell zugedeckt wurde, dass er nicht wieder entweichen und sich verteilen konnte. Solche Erdölfallen finden sich heute bevorzugt, zu 77 Prozent, im Mittleren Osten, in den Staaten der OPEC.

 

Ähnliches gilt für Diamanten, die in größeren Mengen hauptsächlich in Südafrika oder Brasilien vorkommen, weil ihre Entstehung an sehr alte, geologische Systeme geknüpft ist. In Ländern wie Deutschland, in denen solche Strukturen nicht existieren, gibt es deshalb auch keine Diamanten. Auch die gebänderten Eisenerze, die etwa 75 Prozent der Eisenerzlagerstätten ausmachen, sind an alte Gesteine gebunden. Die Erze mit dem besonders hohen Eisengehalt entstanden, als die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre noch weitaus geringer war. Heute würde das Eisen rasch oxidieren. Um jedoch künftig noch Lagerstätten zu finden, muss man verstehen, wie sich Rohstoffe in der Erdkruste verteilen und welche Prozesse für ihr Entstehen im Lauf der Erdgeschichte verantwortlich waren. Nur dann kann die gezielte Suche beginnen, die heute immer aufwendiger ist und mitunter mehrere Millionen Euro kostet.

 

 Die Entwicklung der Erde

 

Nach heutigem Kenntnisstand hat sich die Erde vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren gebildet. Wie sich das Innere der Erde zur Zeit ihrer Entstehung zusammensetzte und wie sehr es sich vom heutigen Zustand unterschied, ist nicht geklärt. Sicher ist, dass sich der einst glühende Erdball in seiner Geschichte abgekühlt hat und sich dabei auch die Verhältnisse im Erdinneren verändert haben.

 

Heute unterscheiden Wissenschaftler grob einen Erdkern und einen Erdmantel, die beide zusammen etwa 99 Prozent des Volumens der Erde ausmachen. Der Erdkern besteht aus einer Metalllegierung, wobei der innere Bereich des Kerns nahezu fest und der äußere Bereich plastisch ist. Geophysiker haben mit den modernen Methoden der Seismik herausgefunden, dass in diesem äußeren Kernbereich das Material in Konvektionsströmen mit einer Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Jahr relativ schnell fließt. Diese Ströme erzeugen das Magnetfeld der Erde. Der Erdkern selbst nimmt mehr als die Hälfte des Durchmessers der Erde ein.

 

Den Kern umschließt der etwa 2900 Kilometer mächtige Erdmantel. Er besteht aus zähplastischem Gesteinsmaterial. Auch hier gibt es Konvektionsströme, deren Umlauf allerdings mehrere Hundert Millionen Jahre dauert. Dennoch sind die Strömungen fähig, die dünne Haut über dem Erdmantel, die Erdkruste, zu bewegen. Sie zerteilen so die Kruste in Platten, verschieben Kontinente, reißen Meeresbecken auf und verschließen sie wieder.

 

Schon wenige Millionen Jahre nach seiner Entstehung aus unzähligen kosmischen Bruchstücken muss der heiße Planet mit einer Haut aus festen Gesteinen versehen gewesen sein. Sehr wahrscheinlich wurden jedoch Teile dieser ersten dünnen Haut mehrfach durch den damals noch recht intensiven Meteoritenbeschuss zerstört. Die Konvektionsströme des Erdmantels, angetrieben durch die enorme Hitze im Erdinnern, zogen die jungen Krustensplitter und Gesteinsschollen zurück ins heiße Innere, wo sie wieder aufschmolzen. Da die Erde damals noch weitaus heißer war als heute, rechnen die Geophysiker damit, dass die Geschwindigkeit der Erdmantel-Konvektion damals noch größer war als heute. Die Spuren der ersten Gesteine sind nur schwer zu entdecken, da diese zumeist abgetragen wurden. Im Norden Kanadas entdeckten Geologen jedoch eine Gesteinsformation mit dem Namen Acasta-Gneis, die ein Alter von etwa 4 Milliarden Jahren hat — sie ist damit das älteste Gestein, das derzeit bekannt ist. Weil sich die leichteren Bestandteile aus dem Erdmantel absonderten, trieben im Laufe der Erdgeschichte immer mehr Krustenstücke auf den heißen Konvektionsströmen an der Erdoberfläche. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren hatte sich die Erde schließlich so weit abgekühlt, dass genügend leichtes Material kompaktere Krustenstücke bilden konnte, die rasch an Größe zunahmen — die ersten, weitgehend stabilen kontinentalen Platten waren geschaffen. Von nun an sollte die Plattentektonik ihre entscheidende Rolle bis in die jüngere Erdgeschichte hinein spielen.

 

 Aufbau der Erdkruste

 

Betrachtet man die durchschnittliche Konzentration der einzelnen Elemente in der Erdkruste, so zeigt sich, dass knapp neun Elemente zu 99 Prozent am Aufbau der festen Erdkruste beteiligt sind. Erstmals hat der amerikanische Geochemiker Frank Wigglesworth Clarke (1924) die Durchschnittsgehalte der Elemente in der Erdkruste berechnet. Sie heißen deshalb Clarke-Werte.

 

Die Elemente gehen Verbindungen ein und bilden die Minerale. Das Mineral Quarz besteht zu einem Teil aus Silicium und zu zwei Teilen aus Sauerstoff (SiO₂). Ein Mineral wie Feldspat, aus Tetraedern aufgebaut, hat die weitaus kompliziertere Zusammensetzung KAlSi₃O₈. Noch komplizierter sind schichtförmig aufgebaute Minerale wie Muskowit KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂. Auf einen Blick erkennt man aus der chemischen Formel, dass die genannten Minerale — und es gibt Hunderte mehr — aus den häufigsten Elementen aufgebaut sind.

 

Die übrigen natürlich vorkommenden Elemente teilen sich das verbleibende eine Prozent am Aufbau der Erdkruste. Lagerstätten solcher Elemente oder ihrer Verbindungen, wie zum Beispiel an Schwefel gebundene Metalle wie Kupfer, Blei oder Zink, kommen deshalb nur selten in der Erdkruste vor. Die Elemente des einen Prozents müssen also schon durch geologische Prozesse konzentriert worden sein, sollen sie als abbauwürdige Lagerstätte gelten.

 

 Rohstoffe aus der Tiefe

 

Rohstoffe sind zumeist an bestimmte Gesteine gebunden. Geologen unterteilen Gesteine grob in magmatische Gesteine, in metamorphe Gesteine und in Sedimentgesteine. Magmatische Gesteine sind Erstarrungsprodukte aus heißem, geschmolzenem Gesteinsmaterial. Erreichen die Schmelzen die Erdoberfläche und erstarren, werden sie Vulkanite genannt. Basalt zum Beispiel ist ein Vulkanit. Zu den magmatischen Gesteinen zählen auch die Tiefengesteine oder Plutonite. Das sind Gesteine, die in großen Tiefen der Erdkruste aufgeschmolzen wurden, nach oben in andere Gesteine eindrangen und dort erstarrten. Granit ist das wohl bekannteste Tiefengestein.

 

Die zweite Gruppe, die metamorphen Gesteine, sind Umwandlungsprodukte aus ehemals anderen Gesteinen: Gesteine, die unter hohem Druck und hoher Temperatur standen, weil sie beispielsweise bei Gebirgsbildungen in große Tiefen versenkt wurden und unter Tausenden Metern anderem Gestein zu liegen kamen. Ursprünglich kann dieses Material ein magmatisches Gestein, schon vorher metamorph verändertes Gestein oder ein Sediment gewesen sein.

 

Die Sedimente sind die dritte große Gruppe von Gesteinen. Auch hier werden zwei Untergruppen unterschieden. Die eine besteht aus dem Erosionsmaterial der Gebirge, das Wasser und Wind mithilfe der Schwerkraft transportiert haben und das letztendlich in Senken, Seen und Ozeanen wieder abgelagert wurde. Die andere setzt sich aus biologisch und chemisch ausgefällten Sedimenten wie Kalksteine und Salzgesteine, die Evaporite, zusammen.

 

Die meisten leicht zugänglichen Lagerstätten sind heute bekannt. Wer jedoch auch künftig noch Lagerstätten finden will, muss exakt Bescheid wissen, wo sich Metalle und ihre Verbindungen so angereichert haben, dass sich ein Abbau auch lohnt.

 

Die großen Lagerstätten auf der Erde sind hauptsächlich an die alten Krustenteile gebunden. Vor 3,8 bis 2,5 Milliarden Jahren, die Geologen nennen diesen Zeitraum Archaikum, entstanden die wirtschaftlich bedeutendsten Lagerstätten an Gold, Eisen, Mangan, Chrom, Nickel, Zink. Die Vererzungen sind hauptsächlich an die Greenstone Belts gebunden, alte Erdkrustenteile aus basischen Vulkangesteinen. Ein Beispiel ist der Abitibi-Greenstone Belt im Osten Kanadas. Hier findet man riesige Sulfiderzlagerstätten. Die Metalle liegen als Schwefelverbindungen mit sehr hoher Konzentration vor. Drangen in die damals untermeerisch entstandenen Vulkanite Granitschmelzen ein, bildeten sich zusätzlich Gold führende Vererzungen wie in Ostkanada oder Südafrika.

 

 Kostbarkeiten aus Vulkanschloten

 

Ebenfalls in alten Krustenteilen, so im Gestein Südafrikas, finden sich Kimberlite und Lamproite. Diese alten magmatischen Gesteine enthalten Diamanten. Die Edelsteine bildeten sich im oberen Erdmantel in einer Tiefe von etwa 150 Kilometern unter enormem Druck und hohen Temperaturen. In diesen Tiefen entstanden auch Gesteinsschmelzen, die sich damals in engen, röhrenförmigen Vulkanschloten, den Pipes, durch die alte Kruste brannten, schnell aufstiegen und dabei die Diamanten nach oben transportierten.

 

Neben den Gesteinen aus dieser sehr frühen Phase der Lagerstättenbildung sind für die Prospektoren des 21. Jahrhunderts auch jene Lagerstätten interessant, die sich vor 2,5 bis 1,7 Milliarden Jahren, im frühen Proterozoikum, bildeten. Damals reicherten sich Rohstoffe an, als das alte Gestein durch die Erosion zerbrochen und später in Flüssen zerkleinert und transportiert wurde. Ein Beispiel sind die Konglomeratlagerstätten, die reich an Gold und Uran sind. Die Metalle bildeten sich ursprünglich in den alten Greenstone Belts, die abgetragen und von Flüssen bis in die Deltabereiche transportiert wurden. Dort backten die durch den Transport abgerundeten Gesteinsbruchstücke als Konglomerate zusammen. Solche Lagerstätten findet man heute etwa im Witwatersrand-Basin in Südafrika sowie am Elliot Lake und Blind-River in Kanada.

 

Dass sich damals so reiche Lagerstätten bildeten, war zum Teil nur deshalb möglich, weil die Atmosphäre arm an Sauerstoff war — das Leben war noch nicht weit genug entwickelt, um über die Photosynthese den hohen Anteil an Sauerstoff zu produzieren, der heute existiert. Deshalb konnten riesige Bändereisenerz-Lagerstätten entstehen. Fehlt nämlich der Sauerstoff, kann Eisen über weite Strecken in ionarer Form transportiert werden und bildet keine Sauerstoffverbindungen. Bakterien, die sich in dem ruhigen Wasser von flachen Meeresbecken aufhielten, oxidierten das zweiwertige Eisen zu dreiwertigem, das nicht löslich ist und ausfällt. Die Eisenlagen finden sich im Wechsel mit kieseligen Lagen, Hornstein, wodurch sie den Namen Bändereisenerz, banded iron formation, erhielten, die in Brasilien auch Itabirite genannt werden. Etwa 75 Prozent der Welteisenerzproduktion stammen aus diesem Lagerstättentyp.

 

Eisen, Kupfer, Blei und Zink können durch Bakterientätigkeit in reduzierendem Milieu am Meeresboden als Sulfide ausgefällt werden. Viele abbauwürdige Lagerstätten dieser Metalle entstanden durch biochemische Fällung.

 

Sucht man in geologischen Strukturen, die etwa 0,7 Milliarden Jahre und jünger sind, sinken die Chancen, ein große Lagerstätte zu finden, möglicherweise deshalb, weil damals die meisten verfügbaren Metalle bereits in der Kruste gebunden waren. Bei jüngeren Gebirgsbildungen können bereits vorhandene Metalle wieder mobilisiert und an anderen Orten erneut ausgeschieden werden.

 

 Plattentektonik und Lagerstätten

 

Heute wissen die Geologen, dass sie zumeist dort Rohstoffe finden, wo Krustenteile auseinander gebrochen oder aufeinander geprallt sind. Der Erste, der dieses Phänomen der Plattentektonik entdeckte, war Alfred Wegener. Die Erkenntnis hatte er 1910, als er eine Weltkarte betrachtete und sah, dass sich die Grenzen Afrikas und Südamerikas wie Puzzlestücke verhalten. Bis sich jedoch aus Wegeners Theorie der Kontinentalverschiebung die moderne Theorie der Plattentektonik entwickelte, die Phänomene der Lagerstättenbildung erklären konnte, sollten noch mehr als 50 Jahre vergehen.

 

Den Durchbruch brachten Tiefseebohrungen und die Geophysik. Demnach werden durch die gewaltigen Konvektionsströme Kontinentalplatten auseinander gerissen. Bei diesem »Rifting« entstehen zwischen den auseinander driftenden Platten neue Ozeane. Magma dringt an der Nahtstelle nach oben und erstarrt zu neuer ozeanischer Kruste. Dieses »sea floor spreading« zeigt sich unter anderem im Atlantik. Die Nahtstelle heißt dort Mittelatlantischer Rücken, die neu entstehende Kruste wird Mid Ocean Basalts (MOB) genannt.

 

In der Nähe dieser Spreadingzentren finden Wissenschaftler heiße Quellen. Das Wasser, das hier nach oben dringt, enthält einen hohen Anteil an gelösten Mineralen. Kommt das heiße Wasser mit kaltem Meerwasser in Berührung, kühlt es ab, und Minerale mit Eisen-, Kupfer-, Zink- und Manganverbindungen fallen aus. Solche Erzlagerstätten werden möglicherweise schon im nächsten Jahrhundert abgebaut, wenn der Preis für die Erze hoch genug ist und neue Technologien entwickelt werden, die das Schürfen am Meeresgrund erlauben.

 

Weitere Lagerstätten entstehen nach der Theorie der Plattentektonik dort, wo dichtere, schwere ozeanische Kruste auf leichtere kontinentale trifft. Die ozeanische Kruste gleitet dann, angetrieben durch die Konvektionsströme, unter den Kontinent. Erreichen die wasserreichen, subduzierten Gesteine unter dem Kontinent eine bestimmte Tiefe im Erdmantel, beginnen sie aufzuschmelzen. Die Metalle werden dabei quasi ausgekocht. Zusammen mit dem Magma steigen sie nach oben und dringen in die kontinentale Kruste ein. Bedeutende Kupferlagerstätten in den Anden Chiles (porphyry copper ores), Molybdän- und Wolframlagerstätten sind auf diese Weise entstanden.

 

Anders liegen die Verhältnisse in Gebirgen wie den Alpen, wo zwei Kontinente die dazwischen liegenden Meeressedimente zusammengeschoben haben. Hier finden sich zwar viele, aber sehr kleine Lagerstätten. Bei den enormen Drücken und Temperaturen während der Gebirgsbildung lösten heiße Lösungen, Fluide, die Metalle der alten Lagerstätten und Gesteine und stiegen mit ihnen in höhere Krustenstockwerke auf. Dort kühlten sie ab und entluden die Metallfracht meist in Klüften und Spalten.

 

Ein weiterer Fundort für mögliche Lagerstätten sind Gebiete über »heißen Flecken« oder »Hot Spots«. Bislang hat die Plattentektonik Probleme, zu erklären, warum hier Vulkane nicht an einem Plattenrand, sondern innerhalb einer Platte ausbrechen. Die Geologen vermuten, dass dort im Erdmantel ein Bereich aus heißerem Material, ein »Mantle Plume« steckt. Mantle Plumes reichen tief in den Erdmantel und sind weitgehend stationär. Wandern Platten darüber hinweg, entstehen Vulkanreihen wie die Hawaiianischen oder die Kanarischen Inseln. Auch im Umfeld dieser heißen Flecken findet man umfangreiche Erzlagerstätten, die ebenfalls beim Abkühlen metallreicher Lösungen entstanden.

 

 Sande, Tone und Kalksteine

 

Zu den sedimentären Lagerstätten gehören alle Rohstoffe, die durch Transport abgelagert oder chemisch und biogen ausgefällt wurden. Solche Lagerstätten entstehen sowohl auf den Kontinenten als auch in den Ozeanen.

 

Bilder, auf denen Abenteurer mit flachen Pfannen ausgerüstet Sand waschen, sind aus Western und Abenteuerfilmen allgemein bekannt. Tatsächlich fanden einige Glückliche zur Zeit des Goldrausches Goldflitter oder Nuggets in Flusssedimenten. Das Gold wurde aus dem Ursprungsgestein herausgespült und lagerte sich im Fluss ab. Zumeist handelt es sich dabei um kleine Senken oder flache Becken, wo die Strömung zu schwach war, um die schweren Goldpartikel aufzuwirbeln, aber leichtere Minerale wie Glimmer oder Quarz hinweggeschwemmt wurden. In solchen Seifenlagerstätten, in denen man schwere Bestandteile konzentriert findet, sammeln sich häufig auch andere Minerale wie Magnetit, Chromit, Titanminerale und Zinnstein.

 

Zu den eher trivialen, aber für die Industrie äußerst wichtigen Rohstoffvorkommen gehören Sedimente wie Sand- und Kiesablagerungen von Flüssen oder Sandern und Endmoränen der Eiszeiten. Da sie in dicht besiedelten Regionen wie Deutschland nur noch an wenigen Orten abgebaut werden können — unter anderem weil durch den Abbau Gefahr für das Grundwasser besteht —, werden diese Rohstoffe allmählich knapp und um den Preis langer Transportwege immer teurer. Ähnliches gilt für Baumaterial wie Sandstein und Kalkstein. Auch hier stoßen immer mehr Steinbrüche an Siedlungsgrenzen, die einen wirtschaftlichen Betrieb nicht mehr erlauben. Die Entstehungsgeschichte von Kalk beginnt im Meer. Korallen, Muscheln, Algen, Schwämme und viele Mikroorganismen nutzen das im Wasser gelöste Calciumcarbonat und bauen damit ihre kalkigen Behausungen und Skelette. Die Reste der Lebewesen türmen sich in Millionen von Jahren übereinander und verbacken schließlich zu Kalkstein. Mehrere Hundert Meter mächtige Kalksteinlagen findet man etwa in den Alpen. Kalk nutzt man für die Zementherstellung, als Baustein oder auch für die Düngung in der Land- und Forstwirtschaft.

 

Keine Probleme dürfte es in naher Zukunft bei der Versorgung mit Gips, Steinsalz und Kalisalz geben. Steinsalz- und Kalisalzvorräte gibt es noch zur Genüge. Solche Rohstoffe entstehen in großen Mengen dort, wo einmal ein heißes Klima geherrscht hat und in Meeresbecken das Wasser nicht mehr richtig zirkulieren konnte. Die starke Verdunstung führte zur chemischen Ausfällung von Gips, Steinsalz und schließlich Kalisalz. Ein berühmtes Beispiel hierfür ist das Norddeutsche Zechsteinmeer. Norddeutschland lag vor etwa 250 Millionen Jahren, als die Salzlagerstätten entstanden, aufgrund der Kontinentalverschiebungen bei etwa 20 Grad nördlicher Breite. Das entspricht der Breite des heutigen Roten Meeres, wo zurzeit ebenfalls Salzlagerstätten entstehen. Gips entsteht derzeit außerdem als Abfallprodukt bei der Entschwefelung in großen Kraftwerken.

 

Dipl.-Geol. Dr. Thomas Schledding

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

fossile Rohstoffe und Uran

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Rohstoffe: Bedarf und Verbrauch

 

Literatur:

 

Angewandte Geowissenschaften, herausgegeben von Friedrich Bender. 4 Bände. Stuttgart 1981—86.

 Barsch, Heiner/Bürger, Klaus: Naturressourcen der Erde und ihre Nutzung. Gotha ²1996.

 

Geodynamik und Plattentektonik. Beiträge aus Spektrum der Wissenschaft, Einführung von Peter Giese. Heidelberg u. a. 1995.

 Press, Frank/Siever, Raymond: Allgemeine Geologie. Eine Einführung. Aus dem Englischen. Heidelberg u. a. 1995.

 Richter, Dieter: Allgemeine Geologie. Berlin u. a. ⁴1992.