Professur für Angewandte Geologie Seite Erzlagerstätten (Erze)

Transkript

1 Professur für Angewandte Geologie Seite Erzlagerstätten (Erze) Erz besteht aus Erzmineralen mit dem charakteristischen Metallgehalt und aus Begleitmineralen (Gangminerale und Gangarten) Lagerstättenlehre behandelt die gesamte Erzlagerstätte mit den Erzen und Begleitmineralen und -gesteinen hinsichtlich Morphologie, Stoffbestand und Genese Einteilung der Erze und Erzlagerstätten Schwarzmetalle (Eisen- und Stahlveredlungsmetalle: Fe, Mn, Cr, Ni, Co, W, Mo, V) Buntmetalle (Cu, Pb, Zn, Sn) Leichtmetalle (Al, Mg) Edelmetalle (Au, Ag, Pt) Metalle für Sonderzwecke (Hg, Sb, As, Elektronische Metalle (Se, Te, Ga, Ge, In, Cd), Bi, Zr, Hf, Ti, SEE, Nb, Ta, Li, Be) radioaktive Metalle (U, Ra, Th)

2 Professur für Angewandte Geologie Seite Eisen- und Stahlveredlungsmetalle Eisen (Fe) PSE: 8. Gruppe (8. Nebengruppe), 4. Periode, OZ 26 Erzminerale Chemismus/Formel Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten Magnetit (Magneteisenerz) Fe 3O 4 (liquid, kontaktmetasomatisc h) 72% Fe D 4,9-5,2 g/cm 3, magnetisch Hämatit (Eisenglanz, Roteisenerz) Limonit (Brauneisen); Goethit Fe 2O 3 FeOOH mit H 2O; α-feooh Siderit (Eisenspat) Fe[CO 3] Chamosit, Thuringit Ilmenit (Titaneisenerz) Fe-haltige Chlorite (Schichtsilikat) FeTiO 3 (kontaktmetasomatis ch, hydrothermal); sedimentär (marine, oolitische Bildungen, BIF); metamorph (BIF) (hydrothermal); sedimentär (physikalische Verwitterung, chemische Verwitterung (Raseneisenerz, Oxidationszonen), marine Ausscheidung (Oolithe)) (hydrothermal, metasomatisch); sedimentär (chemische Verwitterung und marine Ausscheidung (Oolithe)) sedimentär (chemische Verwitterung und marine Ausscheidung (Oolithe)) (liquid); sedimentär (Seifen) 70% Fe roter Strich bis 62% Fe 48% Fe bis 37% Fe 36% Fe brauner Strich Gediegen Eisen kommt in Meteoriten vor (immer mit Ni-Gehalt, Widmanstättensches Gefüge); sehr selten in basischen, vulkanischen Gesteinen (Bühl bei Kassel, Hessen; Disko, Grönland/Dänemark); D 7,9 g/cm 3 (Fe rein)

3 Professur für Angewandte Geologie Seite 100 Charakteristik Symbol Fe von lat. ferrum; Name vom gotischen Wort isarn = festes Metall, im Gegensatz zur weichen Bronze; Zeichen/Planetensymbol in der Alchimie Mars Fe ist Endglied der energieerzeugenden Nukloesynthese (Kernfusion) massereicher Sterne mit 26 Protonen im Kern (höchstmögliche Stabilität), alle höheren Elemente entstehen aus Fe durch Neutronenaufnahme und Betazerfall Häufigkeit in der Erdkruste: 5%; 4. Stelle nach O, Si, Al Geochemie: Fe ist Übergangsmetall mit Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; unterschiedlicher Oxidationsgrad in der Natur: Fe 0, Ferro-Eisen (Fe 2+ ), Ferri-Eisen (Fe 3+ ), reduziertes Fe ist mobil, oxidiertes Fe ist immobil, Fixierung großer Eisenmengen im exogenen Kreislauf; hydrothermaler Transport des Fe als saure, chloridische Lösungen, Ausfällung bei Mischung mit salzarmen Wässern (meteorischer Herkunft), bei Temperaturabfall, bei Sauerstoffzutritt, bei ph-anstieg (Karbonate) Bauwürdigkeitsgrenze: 32% Fe, heute Abbau von Erzen mit über 60% Fe Eisenerze neben Rohöl an zweiter Stelle im internationalen Massenguthandel entscheidend sind Lage, Größe der Lagerstätte, chem. Zusammensetzung, Körnung bei Abbau und Aufbereitung, Verhalten beim Einsatz im Hochofen Lagerstätten 1. Magmatogene Lagerstätten 1.1. Liquide Lagerstätten mit Titanomagnetit, Magnetit und Ilmenit, hohe TiO2-Gehalte für Verhüttung schlecht geeignet (strengflüssige Schlacke), jedoch Ti-Rohstoff Bushveld/Südafrika (V an Titanomagnetitflöze gebunden, 50% der Weltreserven) 1.2. Überkritische kontaktmetasomatische Eisenerzlagerstätten große wirtschaftliche Bedeutung (7% der Weltproduktion), Kontaktzonen saurer bis intermediärer Intrusivkörper mit Kalksteinen, Bildung von Kalksilikaten (Skarne), Erzminerale: Magnetit (Ti-frei, häufig in Martit umgewandelt) und Hämatit, Nachteil sind Sulfidausscheidungen aus der hydrothermalen Nachphase Schwarzenberg und Pöhla im Erzgebirge, Sachsen (kleine Vorkommen); Banat/Rumänien; Sarbai/Kasachstan; Magnitogorsk, Südural/Russland (Abbau im Tagebau, magnetische Aufbereitung, Vorräte mehrere 100 Mio. t) [5]

4 Professur für Angewandte Geologie Seite Hydrothermale Eisenerze Eisenerzgänge mit Hämatit oder Siderit (Gangarten Quarz, Baryt, Fluorit, Karbonate) relativ häufig, größere Bedeutung in der Vergangenheit Hämatitgänge: Eibenstock, Johanngeorgenstadt und Schellerhau im Erzgebirge, Sachsen; Suhl und Ilmenau-Elgersburg, Thüringen; Ilfeld, Harz, Thüringen Sideritgänge: Siegerland, Hessen; Lobenstein, Thüringen Hydrothermal-metasomatische Eisenerzlagerstätten Sideritlager in Zechsteinkalk und Plattendolomit: Kamsdorf bei Saalfeld und Schmalkalden, Thüringen Siderit-Ankerit-Lagerstätte im Devonkalk mit 1000 m Mächtigkeit, Abbau im Tagebau (70 Etagen) und im Tiefbau, Vorräte mehrere 100 Mio. t: Erzberg bei Leoben, Steiermark/Österreich (auch als metamorphogene Lagerstätte gedeutet) Submarin-hydrothermal-sedimentäre Eisenerzlagerstätten (SEDEX) Erzlinsen und Lager, gebunden an untermeerischen Vulkanismus (Diabase, Keratophyre, Spilite, Schalsteine) mit Ablagerung von Meeressedimenten (Kalksteine, Tonschiefer) Lahn-Dill-Gebiet, Hessen; Elbingerode, Harz, Sachsen-Anhalt; metamorph überprägt in Grundgebirgskomplexen des Baltischen und Nordamerikanischen Schildes: Südafrika, Indien, Brasilien, W-Australien (z.t. auch sedimentär, d.h. chemisch und biogen-marin gedeutet) BIF! 2. Sedimentogene Fe-Lagerstätten 2.1. Mechanische Verwitterungslagerstätten Trümmererzlagerstätten Brandungskonglomerate des Kreidemeeres, Fe stammt aus Toneisensteinen des unterlagernden Juras: Schacht Konrad, Salzgitter, (heute als Endlager für schwach radioaktive Stoffe) und Gifhorner Trog bei Braunschweig, Niedersachsen Seifenbildungen mit Magnetit und Ilmenit: Burgas/Bulgarien; Italien; Indien 2.2. Chemische Verwitterungslagerstätten Lateriteisenerze mit Limonitlagern bis 60 m Mächtigkeit, Bildung im tropisch-humiden bis ariden Klima, mehrere Milliarden t Vorräte Conakry/Guinea; Brasilien; Kuba; Nigeria; Ostindien Rasen- und Sumpfeisenerze Jütland/Dänemark; Oderbruch, Brandenburg; Mecklenburg

5 Professur für Angewandte Geologie Seite 102 Marine Fe-Oolithlagerstätten wirtschaftlich bedeutsam - Jura von West- und Mitteleuropa, Minette mit Limoniterzlagern von 3 bis 9 m Mächtigkeit von Lothringen/Frankreich und Luxemburg - Limoniterzlager von Kertsch, Halbinsel Krim/Ukraine; Algerien; Tunesien; Ägypten - Chamosit/Thuringit-Oolitherzlager von Schmiedefeld und Wittmannsgereuth, Thüringen; Prager Mulde/Tschechische Republik; Normandie und Bretane/ Frankreich - Hämatit-Oolitherzlager des Obersilur (Clinton-Distrikt) von Birmigham, Alabama/USA (zweitgrößter Eisenerzdistrikt der USA) 3. Metamorphe Fe-Lagerstätten Itabirite und Jaspilite (Fe-Quarzite) oder Banded Iron Formation (BIF) heute Haupteisenlieferanten! metamorph überprägte Fe-Lagerstätten ursprünglich chemischer oder teilweise biogenmariner Entstehung mit Beteiligung von untermeerischem Vulkanismus (submarinsedimentär-exhalative Lagerstätten); älteste Lagerstätten 3,7 Milliarden Jahre (Westgrönland), Hauptbildungszeit 2,6 bis 1,8 Milliarden Jahre; gebänderte Eisenerze (Itabirite) konnten nur unter weitgehend anaeroben Bedingungen entstehen, da Fe in ionarer Lösung als Bikarbonat in die marinen Ablagerungsräume nur unter einer sauerstofffreien Atmosphäre transportiert werden konnte; im Gegensatz dazu wird Fe heute in kolloider Form transportiert. Jaspilite (Eisenquarzite): feingebändert mit Magnetit, Hämatit, Martit (Hämatit pseudomoph nach Mag-netit), ca. 2 Milliarden Jahre alt, metamorph überprägt: Krivoy Rog/Ukraine (Ukrainischer Schild), Länge 120 km, Breite 7 km; Kursker Magnetanomalie/Russland Taconite (mit Grünsteinen gebänderte Jaspilite mit Hämatit, Magnetit, Siderit und dem Fe- Silikat Greenalith (Eisen- Chrysotil)): Mesabi Range, Minnesota, Lake Superior/USA [5]

6 Professur für Angewandte Geologie Seite 103 Jaspilite und Itabirite: Minas Gerais/Brasilien; Orissa, Goa und Bihar/Indien (50% der Fe- Erzproduktion aus Indien), Transvaal/Südafrika, Hamersley Becken/Western Australia/Australien ( Mio. t, erst Anfang der 1960er Jahre entdeckt) [15] Metamorphe Fe-Erzlager (Skarne): in der archaischen Leptitformation mit Magnetit und Apatit: Kiruna, Gällivare, Grängesberg, Dannemora in Mittel- und Nordschweden

7 Professur für Angewandte Geologie Seite 104 Hauptproduzenten Russland; China; Brasilien; Australien; Indien; USA (zusammen 80% der Welteisenerzproduktion von 950 Mio. t) Vorräte Mio. t, bis 2000 ca. 8% abgebaut Einsatz und Verwendung Fe ist eines der ältesten Nutzmetalle: zuerst wurde Meteoreisen genutzt; älteste Funde von Fe-Gegenständen in ägyptischen Gräbern etwa 4000 v.chr.; älteste Fe-Werkzeuge um 3500 v.chr. in Anatolien; das Schmelzen von Eisen aus Eisenerzen gelang zuerst den Hethitern in Kleinasien ca v.chr., das Verfahren wurde bis ca v.chr. geheimgehalten Fe-Nutzung hat die Entwicklung der Menschheit nachhaltig beeinflusst: Eisenzeit begann ca. 800 v. Chr.: Etrusker stellten Metall aus dem auf Elba abgebauten Erz her Großentwicklung der Eisenindustrie ab 1710 in England, Verwendung von Koks im Hochofenbetrieb Roheisenproduktion im Hochofen: Roheisen Gusseisen, Stahl; Schlacke (wichtiges Nebenprodukt: Schotter, Zuschlagstoff für Asphalt, Beton; Mineralwolle) Gusseisenproduktion (kohlenstoffreiches Eisen) Stahlherstellungsverfahren: Bessemer (1855), Siemens-Martin (1864), Thomas (1879), Elektrostahl Stähle: Eisenlegierungen Damaszenerstahl: Kombination von kohlenstoffreichem Eisen mit kohlenstoffarmen Stahl (Wurmmuster, z.t. geätzt) Verwendung heute: Haupteinsatz von Fe in der Eisen- und Stahlherstellung alle vom Menschen gefertigten Gegenstände enthalten Fe oder es kommen bei deren Produktion Maschinen, Geräte, Werkzeuge aus Stahl zum Einsatz 2500 bis 3000 Stahl- und Gusseisensorten niedriglegierte Stähle mit 1 bis 5% Ni, Cr, Mo, W, Ti, Nb, V niedriglegierter Kohlenstoffstahl (Betonarmierungen) hochlegierte Edelstähle mit 12% Cr und weiteren Metallen wie Ni, Mo, N (korrosionsfest) Stahlblech Stahl ist 100% recyclingfähig Bsp.: 1999 in Deutschland 27,9 Mio. t Roheisen und 42,1 Mio. t Rohstahl aus 38,2 Mio. t Importerzen, 13 Mio. t Reduktionsmittel, 7,1 Mio. t Kalk und 17,5 Mio. t Schrott hergestellt; 7,9 Mio. t Hochofenschlacke und 5,6 Mio. t Stahlwerksschlacke einer Nutzung zugeführt Farbpigmente für Baustoffe, Keramik, Glas, Papier, Kunststoffe, Textilfasern, Anstriche, Kosmetik (Hämatit, Rötel rot, Ocker gelb, braun, rot, Umbra braun,) t/a Poliermittel (Glaspolitur u.a.) Elektronik (Ferrite, Magnetbänder u.a.)

8 Professur für Angewandte Geologie Seite 105 Mangan (Mn) PSE: 7. Gruppe (7. Nebengruppe), 4. Periode, OZ 25 Erzminerale Chemismus/Formel Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten Pyrolusit β-mno 2 (Weichmanganerz) Psilomelan (Hartmanganerz), meist Kryptomelan α-mno 2 + H 2O (K, Ba, Zn, Pb, u.a.) (hydrothermal); sedimentär (Oxidationszone, marine Ausscheidung (Oolithe), Manganknollen) (hydrothermal); sedimentär (Oxidationszone, marine Ausscheidung (Oolithe)) Manganit γ-mnooh (hydrothermal); metamorph (regionalmetamorph) Hausmannit Mn 2+ Mn 2 3+O 4 (hydrothermal); metamorph (metamorphosiert) Rhodochrosit (Manganspat) Mn[CO 3] (hydrothermal); sedimentär (Oxidationszone) bis 63% Mn bis 60% Mn 62% Mn 72% Mn 48% Mn Rhodonit CaMn 4[Si 5O 15] metamorph 42% Mn Braunit Mn 2+ Mn 4+ [O 8/SiO 4] (hydrothermal); metamorph 82% MnO D 4,4-5,0 g/cm 3, schwarze Farbe, schwarzer bis blauschwarzer Strich, färbt ab schwarze Farbe, schwarzer bis brauner Strich schwarze Farbe, rötlichbrauner bis schwarzer Strich, charakteristische XX Charakteristik Name von Magnesia nigra abgeleitet, der antiken Bezeichnung für Braunstein, welcher schon von Plinius (23-79 n. Chr.) beschrieben wurde metallisches Mn erst 1774 durch J. G. GAHN ( ) auf Anregung des schwedischen Chemikers C. W. SCHEELE ( ) dargestellt Häufigkeit in der Erdkruste: 0,1% (50 mal seltener als Fe) Geochemie: geochemisches Verhalten ähnlich Fe, jedoch höhere Mobilität. Basische Magmatite haben höchste Mn-Gehalte endogener Zyklus: Mn 2+ in Mineralen er Gesteine (Silikate und Karbonate) Mn 3+ durch teilweise Reduktion und Oxidation infolge Metamorphose und hydrothermaler Prozesse, als Hausmannit exogener Zyklus: Trennung von Fe und Mn durch differentielle Verwitterung oder durch frühere Ausscheidung von Fe, Mn 4+ in sedimentär gebildeten Manganerzen (Pyrolusit, Psilomelan) Erze mit mehr als 40% Mn für Hüttenprozess geeignet

9 Professur für Angewandte Geologie Seite 106 Lagerstätten 1. Magmatogene Mn-Lagerstätten hydrothermale Mn-Lagerstätten oxidische Manganerzgänge (Harz, Thüringen heute keine Bedeutung mehr) Submarin-hydrothermal-sedimentäre Lagerstätten Typ Lahn-Dill, in Verbindung mit Radiolariensedimentation Bildung von Mn- Radiolariten Gonzen/Schweiz; Bulgarien, Türkei 2. Sedimentogene Mn-Lagerstätten 2.1. Chemische Verwitterung (Oxidationszone) auf metamorphen Mn-haltigen Gesteinen (z.b. Mn-Granat-Schiefer) entstehen Pyrolusitdecken Nsuta/Ghana (100 Mio. t Vorräte), Moanda/Gabun, Südafrika, Orissa/Indien, Minas Gerais/Brasilien [15] 2.2. Marin-sedimentäre (oolithische) Mn-Erzlagerstätten oligozäne Mn-Erzlager mit oxidischen und karbonatischen Mn-Oolithen: Chiatura/Georgien, Nikopol/Ukraine (Vorräte mehrere 100 Mio. t) kretazische Mn-Erzlager (z.t. lateritisch verwittert): Groote Eylandt/Nordaustralien (300 Mio. t Vorräte) 2.3. Manganknollen Tiefseebereich: Bildung von knollenförmigen Konkretionen mit einer Wechsellagerung aus entgegengesetzt geladenen Mn- und Fe-Hydroxiden, negativ geladene Mn-Schichten bewirken noch Adsoption weiterer Wertstoffe (Ni, Cu, Co, Zn u.a.) Vorkommen in Tiefseebereichen des Pazifischen und Atlantischen Ozeans, Vorräte mehrere Billionen t (mit bis 50% Mn, bis 32% Fe, bis 2,5% Ni, bis 1,9% Cu, bis 2,5% Co)

10 Professur für Angewandte Geologie Seite Metamorphe Mn-Lagerstätten präkambrische, metamorph überprägte, gebänderte Mn-Silikatlager: Kalahari-Erzfeld, Griqualand-West/Südafrika (15 Mrd. t, Hälfte des Weltvorrates an Mn) Mn-Schiefer und gebänderte Mn-Silikate (Gondite, benannt nach dem Vorkommen in Indien): Ghana; Orissa/Indien metamorphosierte Mn-Skarnerzlagerstätten: Langban/Mittelschweden (Braunit, Hausmannit, Mn-Silikate) polymetamorphe Zn-Mn-Lagerstätten: Franklin, New Jersey/USA Hauptproduzenten Südafrika (Kalahari); Georgien; Ukraine; Gabun; Ghana; Australien; Brasilien 23 Mio. t pro Jahr Einsatz und Verwendung metallurgische Verwendbarkeit in der Stahlindustrie in der Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt (1882 erstmalige Herstellung von Ferromangan) Verwendung heute: 90% des Mangans wird in der Stahlindustrie verbraucht, vorwiegend zur Entsprödung (Entschwefelung) des Eisens und als Legierungsbestandteil Mn ist wichtigstes Stahlveredlungsmetall, erhöht Härte, Festigkeit und Abriebwiderstand (Eisenbahnschienenstahl bis 13% Mn, Stahl für Bergbaumaschinen und Steinbrecheranalgen, Ferromangan bis 80% Mn, Baustähle bis 20% Mn) austenitische rostfreie Stähle enthalten auch Mn, neben Cr und Ni Batterieerz (Trockenzellenbatterien, Oxidationsmittel in Batterien des Zink-Kohlebzw. Alkali-Mangan- und Lithiumtyps) chemische Industrie (Herstellung von KMnO4 zur Wasserreinigung) elektronische Industrie (Herstellung von Ferriten, welche Bauelemente in elektronischen Geräten sind)

11 Professur für Angewandte Geologie Seite 108 Chrom (Cr) PSE: 6. Gruppe (6. Nebengruppe), 4. Periode, OZ 24 Erzminerale Chemismus/Formel Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten Chromit (Chromeisenerz, Chromseisenstein) (Fe,Mg)Cr 2O 4 (liquid, intra); sedimentär (Seifen) bis 78% D 4,5 4,8 g/cm 3, Cr 2O 3 schwarze bis braunschwarze Farbe, brauner Strich, typische Ausbildung als Leopardenerz Charakteristik Name nach dem griechischen Wort chroma für Farbe Cr 1797 vom französischen Chemiker N.-L. VAUQUELIN ( ) im Bleierz Krokoit (Pb[CrO4]) aus Beresowsk in Sibirien entdeckt, 1798 als Metall dargestellt Cr ist ein färbendes Element (rot Rubin, Krokoit; grün Smaragd, Cr-Diopsid) Häufigkeit in der Erdkruste 0,02% (200 ppm) Geochemie: Cr an basische Differentiationsprodukte gebunden (Peridotite, Norite) Mobilisierung von Chrom bei Metamorphose und Serpentinitisierung, Neubildung von Kämmererit (Cr-haltiger Klinochlor, dunkelrosa), Uwarovit (Cr-Granat, grün) oder Fuchsit (Cr-haltiger Muskovit, grün) Chromit verwittert langsamer als die Silikate und reichert sich in eluvialen Seifen an Bauwürdigkeitsgrenze: 25-55% Cr2O3, Erz für metallurgische Zwecke mind. 42% Cr Lagerstätten 1. Magmatogene Cr-Lagerstätten Liquide (intrae) Chromitanreicherungen Erzflöze und Lager in basischen Gesteinen: Bushveld-Massiv/Südafrika ( 300 km, 13 bis 14 Chromitschichten in der Rustenberg layered suite, Reserven Mio. t Chromit, größte Reserven der Welt), Great Dyke/Zimbabwe, Stillwater Complex, Montana/USA linsenförmige oder podiforme Chromiterzkörper (oft als Leopardenerz ausgebildet) in Ophiolithen (ultrabasische bis basische Gesteine der ozeanischen Kruste): Südural/Russland (Nishnij Tagil mit Pt); Jugoslawien; Bulgarien; Albanien; Griechenland; Guleman/Türkei; Schorscha/Armenien; Kuba; Philippinen 2. Sedimentogene Cr-Lagerstätten eluviale Seifen besitzen keine große wirtschaftliche Bedeutung

12 Professur für Angewandte Geologie Seite 109 Hauptproduzenten Südafrika; Russland; Albanien; Finnland; Türkei; Indien; Zimbabwe 11,5 Mio. t pro Jahr Reserven groß, ungünstig verteilt (strategisch kritisches Metall) Einsatz und Verwendung Legierungsmetall in der Stahlindustrie: trag- und korrosionsfeste Baustähle und verschleißfeste (hochfeste und hitzebeständige) Werkzeugstähle mit bis zu 15% Cr; korrosionsfeste (rostfreie) Stähle; Zwischenprodukt Ferrochrom Speziallegierungen: Superlegierungen für Gasturbinenschaufeln; Speziallegierungen (korrosions- und hitzebeständig) in der Luft- und Raumfahrtindustrie feuerfester Baustoff in der Hüttenindustrie (Chromit und Magnesit als Auskleidung für Hoch- und Siemens-Martin-Öfen, Schmelzpunkt von Chromeisenstein ca C) Gießereisand (Ersatz für teuren Zirkon) Rohstoff für die chemische Industrie: Cr-Farben (Kaliumdichromat zum Färben von Wolle und Seide, Malerfarbe Chromgelb besteht aus Bleichromat und Bleisulfat, Chromgrün Mischung von Bleichromat und Berliner Blau, Bariumchromat ist gelbes Pigment, Chromtrioxid färbt Flaschenglas grün); verchromen (plattieren) von Metallteilen; Cr-Säure; Holzschutz- und Gerbereisalze (dreiwertige Chromsalze) elektronische Industrie (ferromagnetisches Chromdioxid zur Produktion von Tonband- und Videokassetten)

13 Professur für Angewandte Geologie Seite 110 Nickel (Ni) PSE: 10. Gruppe (8. Nebengruppe), 4. Periode, OZ 28 Erzminerale Pentlandit (Nickelmagnetkies) Chloanthit (Nickelskutterudit, Weißnickelkies) Nickelin (Rotnickelkies) Chemismus/ Formel (Ni, Fe) 9S 8 NiAs 3 NiAs Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten (liquid, intra) (hydrothermal) (liquid, intra; hydrothermal) Rammelsbergit NiAs 2 (hydrothermal) Ni-Hydrosilikate Ni, Mg-Hydrosilikate sedimentär (lateritische (Garnierit (Ni- Verwitterung) Chrysotil), Schuchardtit (Ni- Klinochlor), Pimelit (Ni-Saponit)) Annabergit (Nickelblüte) Ni 3[AsO 4] 2 8H 2O sedimentär (Verwitterung, Oxidationszone) bis 34% Ni bis 20% Ni bronzegelbe Farbe bildet Mischkristalle mit Skutterudit (CoAs 3), Anflüge von Annabergit (Nickelblüte) 44% Ni lichtkupferrote Farbe 28% Ni bis 36% Ni hell- bis dunkelgrüne Farbe 37% NiO typische apfeloder nickelgrüne Farbe, Indikator für Ni-Erze, erdige Anflüge Charakteristik Name nach Niggel oder Kupferniggel (Teufel), aufgrund der Ähnlichkeit des rötlichen Ni-Erzes (Nickelin, Rotnickelkies) mit Cu-Erzen, aus dem jedoch kein Cu geschmolzen werden konnte, Bezeichnung der sächsischen Bergleute für dieses Erz, welches in der Gegend um Annaberg gefunden wurde Feststellung eines unbekannten Metalls im Rotnickelkies durch den schwedischen Mineralogen ALEXANDER FREDERIK CRONSTEDT ( ) im Jahre 1751; Darstellung des metallischen Ni etwas später durch den Chemiker TORBERN BERGMANN ( ) Häufigkeit in der Erdkruste: 80 ppm (0,008%) Geochemie: Ni an basische Differentiationsprodukte gebunden; Ni 2+ ist für Mg 2+ im Olivin eingebaut Bauwürdigkeitsgrenze: ab 1% Ni Eisenmeteoriten besitzen Ni-Gehalte von 7 bis 15%

14 Professur für Angewandte Geologie Seite 111 Lagerstätten 1. Magmatogene Ni-Lagerstätten 1.1. Liquide Anreicherungen in basischen Gesteinen (Peridotit, Norit) mit Pentlandit (Nickelmagnetkies) in Verwachsung mit Pyrrhotin (Magnetkies): Sohland, Lausitz; Swerdlowsk und Chalilowo, Ural/Russland; Pecenga, Halbinsel Kola/Russland, Norilsk, Sibirien/Russland (kontinentales rifting, t Ni/Jahr, 20% der Weltproduktion, Archipel Gulag nördlich Polarkreis); Sudbury, Ontario/Kanada (Impakttyp: Impakt vor 1,85 Mrd. Jahren, Anreicherung von Ni, Cu, Pt-Metallen, größter Nickelerzbezirk der Welt, 1883 beim Eisenbahnbau entdeckt, 930 Mio. t Reserven, t Ni und Cu/Jahr, 9 t Pt- Metalle/Jahr); Bushveld/Südafrika (Merensky-Reef), Stillwater, Montana/USA; Kambalda/Westaustralien (Grünsteingürtel) [5] [5]

15 Professur für Angewandte Geologie Seite Hydrothermale Lagerstätten (von historischer Bedeutung) Gänge der Bi-Co-Ni-Ag-U-Formation (Ni-Co-Arsenide mit Ag-Mineralen, Bi und Pechblende (Uranpecherz)), Abbau der oberen Bereiche auf Ag, der tieferen auf Co- und Ni-Erze: Schneeberg, Johanngeorgenstadt, Annaberg und Marienberg, Erzgebirge, Sachsen; Jachymov, Erzgebirge, Böhmen/Tschechische Republik Co-Ni-Ag-Formation: Cobalt City, Ontario/Kanada 2. Sedimentogene Ni-Lagerstätten Verwitterungslagerstätten Ni-Hydrosilikatlagerstätten (Nickellaterite), lateritische Verwitterung von Serpentiniten (Ni primär an Olivin gebunden) Idealprofil: Rotes Gebirge : eisenreiche Verwitterungszone (Hangendes) Grünes Gebirge : Ni-hydrosilikathaltige Zone mit Garnierit (Ni-Chrysotil), Schuchardtit (Ni-Chlorit), Willemsit (Ni-Talk) und Pimelit (Ni-Saponit) Graues Gebirge : unverwitterter Serpentinit (Liegendes) St. Egidien, Granulitgebirge (S-Rand), Sachsen; Schlesien/Polen, Orsk-Chalilowo, Südural/Russland; Neukaledonien (1863 vom Geologen JULES GARNIER ( ) entdeckt, 1/3 der Insel von serpentinisierten Peridotiten eingenommen, auf denen die Ni-Erze in Hunderten von Tagebauen gewonnen werden, t Ni/Jahr); Kuba; Philippinen, Australien 35% der Weltproduktion aus Nickellateriten [9]

16 Professur für Angewandte Geologie Seite 113 Hauptproduzenten Kanada; Russland; Australien; Indonesien; Neukaledonien; Kuba; Südafrika [9] Weltreserven 50 Mio. t Metall, Jahresproduktion t, zukünftige Reserven: Manganknollen des zentralen Pazifik (800 Mio. t Ni) Einsatz und Verwendung von den Chinesen wurde bereits 2000 Jahre v. Chr. eine dem Neusilber entsprechende Ni-Cu-Legierung (Pakfeng) als Gebrauchsmetall verwendet; in der Antike diente Ni den Griechen u.a. als Münzmetall; 1823 Erfindung der Legierung Neusilber oder Argentan (Cu-Ni-Zn-Legierung) durch den Arzt und Unternehmer ERNST AUGUST GEITNER ( ) in Schneebergfrüher Ni- Minerale zum Grünfärben von Glas Verwendung heute: Legierungsmetall: >60% zur Herstellung von austenitischen rostfreien Stahlsorten, Ni erhöht die Zähigkeit von Stahl, Nickellegierungen besitzen hohe Korrosions- und Hitzebeständigkeit (Panzerplatten, Cr-Ni-Stähle (korrosionsfest), Superlegierungen mit Einsatz in der Gasturbinentechnik und Triebwerkstechnik für Raketen und Flugzeuge), ca Legierungen mit Ni Cu-Ni-Legierung (weißes Münzmetall: USA: 5-Cent-Münze wird Nickel genannt; EU: 1 und 2 Euro-Münzen mit Ni, sogenannte Automatenmünzen [1 : Ring Ni- Messing, Mittelteil dreischichtig Cu-Ni; Ni; Cu-Ni; 2 : Ring Cu-Ni, Mittelteil dreischichtig Ni-Messing; Ni; Ni-Messing], 1 bis 5 Cent: Stahl mit Kupferauflage, 10 bis 50 Cent: Nordisches Gold [Cu-Al-Zn-Sn-Legierung]); Cu-Ni-Zn-Legierungen: Neusilber (Besteckindustrie, Modeschmuck, Uhrenindustrie, ärztliche Instrumente), Alpaka (oberflächlich versilbertes Neusilber) Weißgold (Au-Ni-Legierung, Ni weißfärbend), auch eine Au-Pd-Legierung wird als Weißgold bezeichnet! Elektroindustrie (Ni-Cd-Batterien) chemische Industrie (Chemikalien, Katalysatoren)

17 Professur für Angewandte Geologie Seite 114 Kobalt (Co) PSE: 9. Gruppe (8. Nebengruppe), 4. Periode, OZ 27 Erzminerale Skutterudit (Smaltin, Speiskobalt) Chemismus/ Formel CoAs 3 Linneit Co 3S 4 z.t. Gehalte an Cu, Ni, Fe Safflorit CoAs 2 z.t. Gehalte an Fe Cobaltin CoAsS (Kobaltglanz) z.t. Gehalte an Fe, Ni Asbolan (Erdkobalt, Kobaltschwärze) Co-haltiger Psilomelan Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten (hydrothermal); sedimentär (Kupferschiefer mit hydrothermaler Mobilisierung, Co- Rücken) (hydrothermal); sedimentär (Red bed Typ, hydrothremal mobilisiert) (hydrothermal) (hydrothermal, metasomatischhydrothermal) sedimentär (Verwitterung, Oxidationszone) Heterogenit CoOOH sedimentär (Verwitterung, Oxidationszone) Erythrin (Kobaltblüte) Co 3[AsO 4] 2. 8H 2O sedimentär (Verwitterung, Oxidationszone) bis 20% Co bis 58% Co bis 28% Co bis 35% Co bis 32% Co 63% Co bildet Mischlristalle mit Chloanthit (NiAs 3), Anflüge von Erythrin (Kobaltblüte) färbt schwarzbraun ab 37% CoO typische dunkelrosa Farbe (pfirsischblütenrot), Indikator für Co- Erze, XX oder erdige Anflüge Charakteristik Name nach den Kobolden, dem sächsischer Bergmannsausdruck für die Polter- und Berggeister, da sich in füherer Zeit kein nutzbares Metall (Silber) daraus schmelzen ließ und sich beim Abrösten ein übler knoblauchähnlicher Geruch entwickelte (As- Gehalt) wobei sich zudem noch das giftige Arsenik bildete 1735 Entdeckung des noch oxidisch verunreinigten Metalls durch den schwedischen Chemiker GEORG BRANDT ( ), seinem Landsmann J. J. BERZELIUS ( ) gelang später erstmals die Darstellung des technisch reinen Metalls Häufigkeit in der Erdkruste: 20 ppm (0,002%), Co ist seltener als Ni Geochemie: Verhalten ähnlich wie Ni (chalcophile Elemente), für ultrabasische und basische Magmatite charakteristisch; aufgrund der Ionenradien geht Ni (0,69 Å) eher mit Mg (0,66 Å), Co (0,72 Å) mit Fe 2+ (0,74 Å) Bauwürdigkeitsgrenze: ab 3% Co

18 Professur für Angewandte Geologie Seite 115 Lagerstätten 1. Magmatogene Co-Lagerstätten 1.1. Liquide Lagerstätten Sudbury, Ontario/Kanada 1.2. Hydrothermale Lagerstätten (weitgehend historische Bedeutung) Gänge der Bi-Co-Ni-Ag-U-Formation (Ni-Co-Arsenide mit Ag-Mineralen, Bi und Pechblende (Uranpecherz)), Abbau der oberen Bereiche auf Ag, der tieferen auf Co- und Ni-Erze: Schneeberg, Johanngeorgenstadt, Annaberg und Marienberg, Erzgebirge, Sachsen; Jachymov, Erzgebirge, Böhmen/Tschechische Republik Co-Ag-Formation: Kongsberg/Norwegen Co-Ni-Ag-Formation: Cobalt City, Ontario/Kanada (Silberproduktion wirtschaftlich wichtiger mit t Ag) Co-(Ni-Ag-Au)-Formation: Bou Azzer/Marokko (Gänge und Lager an Ophiolithe gebunden, metamorph mobilisierte Hydrothermen, bisherige Produktion t Co) 2. Sedimentogene Co-Lagerstätten 2.1. Verwitterungslagerstätten Ni-Hydrosilikatlagerstätten (Nickellaterite), Nebenprodukt Co-Gewinnung: Neukaledonien, Kuba, Australien 2.2. Terrestrische Ausscheidungslagerstätten (Red Bed Typ, Schwefelkreislauf) Kupfergürtel (Copperbelt) von Katanga (Shaba)/Zaire (Demokratische Republik Kongo) und Sambia (hauptsächlich Cu, aber auch Co als Linneit, Hutzonen (Verwitterungszonen) mit Co-Oxiderzen); 2/3 der Weltproduktion an Co aus diesem Lagerstättendistrikt! Hauptproduzenten Demokratische Republik Kongo (Zaire); Sambia (ca t pro Jahr); Kanada; Finnland (Lagerstätte Outokumpu) Co-Vorräte in den Manganknollen! Einsatz und Verwendung Co-Verbindungen wurden bereits im Altertum durch die Ägypter, Griechen Römer und Babylonier zum Blaufärben von Gläsern genutzt; Blaufarbenindustrie in Sachsen: schon im 16. Jahrhundert Bergbau in Schneeberg auf arsenhaltige Co-Erze, um 1520 Herstellung der Farbe Kobaltblau (Safflor) aus Schneeberger Erzen durch PETER WEIDENHAMMER, nach 1540 verbessert CHRISTOPH SCHÜRER die Produktion von Kobaltblau (Smalte) in Schneeberg, 1568 Gründung des ersten Blaufarbenwerkes bei Schneeberg; SCHÜRER bringt das Verfahren der Blaufarbenherstellung nach Holland;

19 Professur für Angewandte Geologie Seite 116 Blaufarbenwerk Niederpfannenstiel bei Aue: Herstellung von Kobaltblau (Co-Oxid, Safflor) und Smalte (Co-haltiges Glas, sächsisches Ultramarin (Mischung von Co-Oxid und Quarz), Handelsprodukte Eschel und Couleur, Nutzung zur Porzellanmalerei), Belieferung der Porzellanwerke in Meißen und Delft; 1905 Nutzung von Co in der Stahlveredlung durch den Amerikaner ELWOOD HAYNES WALTER (2001)

20 Professur für Angewandte Geologie Seite 117 Verwendung heute: Legierungsmetall (Co-legierte Stähle besitzen große Härte, Verschleißfestigkeit und Schneidhaltigkeit Edel- und Schnelldrehstähle, Herstellung von Superlegierungen für Düsentriebwerke) Magnetwerkstoffe: Al-Ni-Co-Magnetwerkstoffe, Seltenerdmetall-Cobaltmagnete (erst in den 1970er Jahren entwickelt, Schrittmotoren von Quarzuhren), Magnetbänder Farbenindustrie: Kobaltblau (Co-Oxid, ab 1804 synthetisch), Blaufarbenherstellung [Blautöne von violett über indigo bis schwarz durch Beifügung von Oxiden des Cu, Ni und Mn, Co-Al-Oxid (Thenards Blau), Zn-Co-Oxid (Kobaltgrün)], Einsatz in der Glas-, Keramik- und Textilindustrie (Leinwandbleichen!) Bemerkung: im textilen Blaudruck wurde Färberwaid und später Indigo eingesetzt! weitere blaue Farbstoffe: natürliches Ultramarin: Lapis lazuli Na8[S/(AlSiO4]6, das kostbarstes aller Pigmente synthetisches Ultramarin: ab 1828 Pariser-, Berliner- oder Preussischblau: giftige Fe-cyano-Verbindung, ab 1710 heute: kobalthaltige Azofarbstoff zum Färben von Kunststoffen und Naturfasern chemische Industrie: Chemikalien zur Haftvermittlung in Autoreifen zwischen Gummi und Stahlgürtel, zum Plattieren, Katalysator in Erdölraffinerien, in der Treibstoffsynthese nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren Kernindustrie: Herstellung des radioaktiven Isotops 60 Co (γ-strahler, Halbwertszeit 5,3 Jahre): Einsatz in der Strahlentherapie (Krebsbehandlung), Sterilisierung medizinischer Präparate und Instrumente, Sterilisierung von Klärschlamm, Qualitätskontrolle in der Werkstoffindustrie

21 Professur für Angewandte Geologie Seite 118 Wolfram (W) PSE: 6. Gruppe (6. Nebengruppe), 6. Periode, OZ 74 Erzminerale Wolframit (Ferberit Fe, Hübnerit Mn) Chemismus/ Formel (Fe, Mn)[WO 4] Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten (pegmatitisch, pneumatolytisch; hochhydrothermal) Scheelit Ca[WO 4] (kontaktmetasomatisch, submarin-hydrothermal) 76% WO 3 Strichfarbe: schwarz bis schwärzlichbraun 80% WO 3 typische blauweiße Fluoreszenz im kurzwelligen UV- Licht (KW: ca. 250 nm, LW ca. 350 nm) Charakteristik Name geht auf sächsische Bergleute zurück, die beobachteten, dass W-Erze die Reduktion des Kassiterits (Zinnsteins) stören und die Verschlackung begünstigen, beim Zinnschmelzen blieb also ein Fremdkörper (Wolf) zurück, der scheinbar das Zinnerz (Rahm) zu verschlingen schien Wolfram im Jahr 1758 beschrieb der schwedische Mineraloge ALEXANDER FREDERIK CRONSTEDT ( ) ein schweres Mineral, dem er den schwedischen Namen Tungsten (= Schwerstein, später Scheelit) gab; dem schwedischen Chemiker CARL WILHELM SCHEELE ( ) gelang es 1781 daraus ein Wolframoxid zu isolieren; fast zur gleichen Zeit (1783) reduzierten die spanischen Brüder und Chemiker ELHÚYAR DE SUVISA, die bei TORBERN BERGMANN tätig waren, aus dem Mineral Wolframit metallisches W; BERZELIUS gab dem neuen Metall den Namen Wolframium; im engl. Sprachraum ist die Cronstedtsche Bezeichnung Tungsten gebräuchlich Häufigkeit in der Erdkruste: 1 ppm Geochemie: W z.t. siderophil, vor allem lithophil; Anreicherung in der Restschmelze Bauwürdigkeitsgrenze: 0,3-0,7% WO3 Lagerstätten 1. Magmatogene W-Lagerstätten 1.1. Pegmatitisch-pneumatolytische bis katathermale Quarzgänge im Gefolge saurer Granite mit Mo und/oder Sn: Pechtelsgrün,Vogtland (Ganglagerstätte im Kirchberger Granit), Tirpersdorf, Vogtland, Zschorlau, Erzgebirge und Zinnwald, Erzgebirge, Sachsen; Cinovec, Erzgebirge, Böhmen/Tschechische Republik (Gang- Greisenlagerstätten) Karaoba/Kasachstan (Gang-Greisenlagerstätte), Sibirien (Ferner Nordosten)/Russland, Panasqueira/Portugal (2500 t Wolframitkonzentrat/Jahr), Cornwall/ Großbritannien, China, Korea

22 Professur für Angewandte Geologie Seite 119 [15] Kontaktmetasomatische Scheelitlagerstätten (Taktite) erst in jüngerer Zeit nachgewiesen, Scheelit in Kalksteinen (Prospektion mit Hilfe von UV-Lumineszenz): Idaho, Nevada, Kalifornien/USA, Brasilien, Tyrny-Auz, Kaukasus/Russland, Shizhuyuan, Süd-Hunan/China (größte Scheelitlagerstätte der Welt, über 1 Mio. t W), Salau, Pyrenäen/Frankreich (1961 entdeckt, Vorrat t WO3) 1.2. Hydrothermale W-Lagerstätten mit Quarz, Ferberit und Sulfiden oder mit Scheelit, Antimonit und Cinnabarit: Ferner Osten/Russland, La Paz, Oruro/Bolivien, Felbertal bei Mittersill, Salzburg/ Österreich (submarin-hydrothermal-sedimentäre Scheelitlagerstätte, Entdeckung 1967, Produktion 1600 t W/Jahr) [15]

23 Professur für Angewandte Geologie Seite Sedimentogene W-Lagerstätten Seifenlagerstätten (keine große wirtschaftliche Bedeutung): China, Myanmar (Birma), Thailand, Indonesien Hauptproduzenten China (kontrolliert W-Markt, 50% der Produktion); Russland; Korea; Australien; Bolivien; Portugal; Österreich; Kanada W- und Sn-Ressourcen: Ostasien mit Kamtschatka/Russland; Korea; Japan; Ost-China (Jiangxi, Hunan); Malaysia; Sumatra/Indonesien (alle Lagerstättentypen); Kanada; USA; Australien und Bolivien W gilt als strategisches Metall Einsatz und Verwendung Bedeutung erlangte Wolfram Ende des 19. Jahrhunderts als Stahlveredlungsmetall Verwendung heute: Stahlveredler (75% in Stahlindustrie), Erhöhung der Härte und Schlagfestigkeit (warm- und verschleißfeste Schnelldrehstähle) Werkzeugindustrie: Wolframkarbide (WC, W2C) mit Härten fast wie Diamant (Bohrkronen, Sägeblätter) Elektroindustrie: Glühlampen (Wolframdraht, K-dotierte Glühlampenwendeln (2600 C)), Röntgenröhren, Bildröhren, W-Cu- und W-Ag-Legierungen in Hochspannungsschaltern Elektronik: Bedampfung von Si-Chips Chemische Industrie: metallisch-glänzende Pigmente (Wolframbronzen), Katalysatoren

24 Professur für Angewandte Geologie Seite 121 Molybdän (Mo) PSE: 6. Gruppe (6. Nebengruppe), 5. Periode, OZ 42 Erzminerale Molybdänit (Molybdänglanz) Chemismus/ Formel MoS 2 Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten (pegmatitischpneumatolytisch, kontaktmetasomatisch, Disseminated Porphyry Copper Ore) 60% Mo; bis 0,1% Re bleigraue Farbe, färbt auf Papier ab, gute Translation; dünne Blättchen biegsam Molybdänit wichtigstes Erzmineral, auch einzige Quelle für Rhenium Weitere Mo-Minerale sind: Wulfenit (Gelbbleierz) Pb[MoO4] und Powellit Ca[MoO4], Powellit nach Major JOHN WESLEY POWELL ( ) benannt, seit 1881 Direktor des U.S. Geological Survey Charakteristik Name vom griechischen Wort mólybdos für Blei abgeleitet 1778 schied der schwedische Chemiker CARL WILHELM SCHEELE ( ) aus Molybdänit ( Wasserblei ), im Gegensatz zu dem oft damit verwechselten Graphit, ein weißes Molybdänoxid ab, 1781 stellte P. J. HJELM ( ) daraus erstmals metallisches Mo her Häufigkeit in der Erdkruste: 1 ppm Geochemie: chalcophil-siderophil, Anreicherung im hydrothermalen Gefolge saurer Magmatite Bauwürdigkeitsgrenze: bei 0,3% Mo Lagerstätten 1. Magmatogene Mo-Lagerstätten 1.1. Kontaktmetasomatische Lagerstätten Skarne mit Scheelit, Molybdänit, Powellit: Tyrny-Auz, Kaukasus/Russland; Azegour/Marokko 1.2. Hydrothermale Lagerstätten Imprägnationstyp (porphyrische Molybdänlagerstätte) molybdänitführende kleine Erzgänge: Climax, Colorado/USA (größte Mo-Lagerstätte der Erde, ursprüngliche Reserven 500 Mio. t Erz; nicht mehr im Abbau); Mestersvig/Ostgrönland; Balkan; China

25 Professur für Angewandte Geologie Seite 122 [15] Disseminated Porphyry Copper Ore Typ Kupferlagerstätten mit z.t. erheblichem Mo-Gehalt (Nebenprodukt der Kupfergewinnung): Kounrad/Kasachstan; Chuquicamata/Chile; Bingham, Utah/USA; Butte, Montana/USA 2. Sedimentogene Mo-Lagerstätten Anreicherung im sedimentären Kreislauf: Kupferschiefer von Mansfeld (früher begrenzte Mo-Produktion aus den Ofensauen Mo-, Cu-, Ni- und Co-haltiges Eisen, das bei der Verhüttung des Mansfelder Kupferschiefers anfiel) Hauptproduzenten USA; China; Chile; Kanada; Kasachstan; Russland Produktion t pro Jahr

26 Professur für Angewandte Geologie Seite 123 Einsatz und Verwendung die nützlichen Eigenschaften des Metalls sind erst Ende des 19. Jahrhunderts erkannt worden Verwendung heute: Stahlveredler (3/4 der Produktion): Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung und Korrosion, z.b. Kugellager; Hitzefestigkeit (mit Ni Gasturbinen, Jet-Triebwerke); Säureresistenz Elektroindustrie (hoher Schmelzpunkt von Mo 2600 C, Kontaktspitzen, Heizelemente, duktile Kontaktdrähte) chemische Industrie: Katalysatoren für die Petrochemie, Festschmierstoffe (natürliches! MoS2, Lamellenstruktur), Pigmente, Glasuren, Flammschutzstoffe Korrosions- und verschleissfeste Molybdänbeschichtungen (Kolbenringe in Automotoren) Düngemittel (Pflanzen benötigen Molybdän zur Nitrat-Assimilation und Dissimilation), Vitaminpräparate, Tierfutter (Mo ist lebenswichtiges Spurenelement) Reaktormetall, Raketentechnik Rhenium: Katalysator bei der Herstellung von bleifreiem Benzin

27 Professur für Angewandte Geologie Seite Buntmetalle Kupfer (Cu) PSE: 11. Gruppe (1. Nebengruppe), 4. Periode, OZ 29 Erzminerale Gediegen Kupfer Chalkosin (Kupferglanz) Chalkopyrit (Kupferkies) Bornit (Buntkupferkies) Chemismus/ Formel Cu mit Spuren von Ag, Au, Hg, As, Bi, Ge Cu 2S CuFeS 2 Cu 5FeS 4 Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten (hydrothermal); sedimentär (Grenze Oxidations- zu Zementationszone) (hydrothermal); sedimentär (Zementationszone; Schwefelkreislauf Kupferschiefer) (intra, liquid; hydrothermal); metamorph (Kieslager) (intra, liquid; hydrothermal); sedimentär (Schwefelkreislauf Kupferschiefer) Enargit Cu 3AsS 4 (hydrothermal) Cuprit Cu 2O sedimentär (Rotkupfererz) (Oxidationszone) Malachit Cu 2[(OH) 2/CO 3] sedimentär (Oxidationszone) Azurit (Kupferlasur) Cu 3[OH/CO 3] 2 sedimentär (Oxidationszone) bis 100% Cu lichtkupferrote Farbe, braun angelaufen; hämmerbar, schneidbar 80% Cu schwärzlichbleigraue Farbe 35% Cu messinggelbe Farbe, grünlich-schwarzer bis schwarzer Strich 64% Cu silbergraue Farbe, stets bunt angelaufen 48% Cu 89% Cu rote Farbe 58% Cu (72% CuO) 55% Cu (70% CuO) smaragdgrüne Farbe, hellgrüner Strich; Indikator für primäre Kupfererze tiefblaue Farbe, blauer Strich Fahlerze: Tetraedrit (Antimonfahlerz) Cu3SbS3,25 und Tennantit (Arsenfahlerz) Cu3AsS3,25

28 Professur für Angewandte Geologie Seite 125 Charakteristik Name nach lat. cuprum, durch Abwandlung von lat. aes Cyprium = zyprisches Erz; Zeichen/Planetensymbol in der Alchimie Venus Cu gehört neben Au und Ag zu den ältesten Nutzmetallen der Menschheit: ältester Cu-Bergbau durch die Ägypter auf der Halbinsel Sinai (Timna/Negev) im 4. Jahrtausend v. Chr.; später während der Römerzeit auf Zypern; Bedeutung durch Herstellung von Bronze (Legierung von Cu und Sn) Häufigkeit in der Erdkruste: 45 ppm (0,0045%) Geochemie: Cu hat hohe Affinität zu Schwefel (chalcophil); Cu in sauren Wässern gut löslich, Fällung durch reduzierten Schwefel (S 2- ) unter Sulfidbildung oder durch Karbonate (Bildung von Malachit und Azurit), Bindung an organische Komplexe (Schwarzschiefer, Kohlen, Erdölaschen), Adsorption an Tonen oder Mn-Fe- Hydroxiden (Manganknollen) Bauwürdigkeitsgrenze: 0,5% (porphyries) bis 3-5% (Gänge) Kupfergewinnung durch metallurgische und elektrochemische Methoden aus einem Erzkonzentrat zum Kathodenkupfer, im Anodenschlamm Anreicherung weiterer nutzbarer Elemente: Mo, Au, Ag, Se, Te; Aufbereitung von Altbergbauhalden durch chloritische und sulfatische Laugung, Gewinnung des Cu durch Zementation (Kationenaustausch) an Alteisen oder durch Elektrolyse (im Elektrolysebad Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie und Abscheidung des anodisch in Lösung gehenden Cu an der Kathode) Lagerstätten 1. Magmatogene Cu-Lagerstätten 1.1. Liquide Nickelsulfidlagerstätten mit Chalkopyrit (bedeutende Cu-Gehalte): Norilsk/Russland; Sudbury, Ontario/Kanada; Bushveld/Südafrika (Merensky-Reef) 1.2. Hydrothermale Lagerstätten Ganglagerstätten: Butte, Montana/USA (30 m mächtige Gangspalten mit Chalkosin und Enargit; gehört zu den berühmtesten Ganglagerstätten der Erde) Imprägnationen (Disseminated Porphyry Copper Ore Typ) Porphyre mit feinverteiltem Pyrit, Chalkopyrit, Molybdänit: Kounrad/Kasachstan; Bingham, Utah/USA (seit 1863 Abbau, heute Tagebau von 800 m Breite und 4 km Länge, 800 m Tiefe, 11 Mio. t Cu gewonnen, 5000 Mio. t Gestein bewegt; heute t Cu/Jahr, 11 t Au, 81 t Ag, t Mo und t Schwefelsäure); Chuquicamata, Antofagasta/Chile (mit 3 x 1,5 km eine der größten bekannten Cu-Lagerstätten), Escondida Mine in der Cordillera Domeyko, Antofagasta/Chile (größte Cu-, Au- und Ag-Mine der Welt, täglich t Erz); El Teniente (S von Santiago)/Chile; Bor/Serbien; Halbinsel Keweenaw, Michigan/USA (präkambrische basische Vulkanite (Mandelsteine) mit Massen an gediegenem Kupfer, hydrothermal mobilisiert; Indianer haben schon vor 5000 Jahren dieses Kupfer gewonnen)

29 Professur für Angewandte Geologie Seite 126 Metasomatische Cu-Lagerstätten Granite in Kontakt mit Kalksteinen, Mineralisation mit Chalkopyrit, Bornit, Pyrit, Magnetit und Hämatit: Clifton Morenci und Bisbee, Arizona/USA; Santa Eulalia/Mexiko; Tsumeb/Namibia Submarin-hydrothermal-sedimentäre Lagerstätten (SEDEX) mit Pyrit-Chalkopyrit: Rio Tinto/Spanien (Gewinnung im Tage- und Tiefbau, Cu- Gehalte 2 bis 3%, Vorräte 500 Mio. t Erz); Kuroko-Typ (Cu-Zn-Pb-Erze)/Japan; Rammelsberg, Harz (SEDEX Typ, metamorph überprägt, Band- und Melierterze, 1989 nach mehr als 1000 Jahren Bergbau eingestellt); Zypern-Typ (an Ophiolithe gebunden (Pillow-Laven mit black smokers )/Zypern, Bergbau seit dem 4. Jahrtausend v. Chr.) 2. Sedimentogene Cu-Lagerstätten 2.1. Red Bed Typ (sedimentär-infiltrative Cu-Konzentrationslagerstätten, Cu Transport über Cl - -Lösungen) Sandsteinhorizonte mit Pyrit, Chalkopyrit, Bornit, Chalkosin und Malachit mineralisiert; neben Cu auch Gehalte an Pb, Zn, Ag, Co, V, U: Ural/Russland, Dzeskasgan/Kasachstan; Utah, Colorado (mit U), Arizona, New Mexiko/USA 2.2. Terrestrisch-marine Ausscheidungslagerstätten (bakterieller Schwefelkreislauf) Copperbelt von Katanga (Shaba)/Demokratische Republik Kongo (Zaire) und Sambia (älteste Anteile Molasse des 1,2 Mrd. Jahre alten Kibara-Orogens; Erstreckung bis 350 km, einer der größten Cu-Distrikte der Welt!, neben Cu auch Co und U, früher als syngenetischer Typ gedeutet, heute epigenetische Entstehung, z.t. e Lösungszuführung, z.t. Mobilisation aus dem Sediment durch Diagenese und Metamorphose) [15]

30 Professur für Angewandte Geologie Seite 127 Marine Ausscheidungslagerstätten (bakterieller Schwefelkreislauf, euxinisches Milieu) Kupferschiefer der Mansfelder und Sangerhäuser Mulde, Sachsen-Anhalt, Richelsdorf, Hessen, Lubin und Legnica, Dolny Slask (Niederschlesien)/Polen (größte Kupferlagerstätten Europas) KLETTE (2003)

31 Professur für Angewandte Geologie Seite Metamorphe Cu-Lagerstätten in alten präkambrischen Schilden, stark überprägt sulfidische Skarnlagerstätten (Pyrit, Chalkopyrit, Pyrrhotin, Sphalerit, Galenit) Skandinaviens (primär submarin-hydrothermal-sedimentär): Falun, Sala/ Mittelschweden, Boliden/Nordschweden; Röros/Norwegen; Outokumpu/Finnland (bedeutende Cu-Lagerstätte Europas, auch Co; Erzkörper 4000 m lang und bis 400 m breit, Mächtigkeit 10 m, Vorräte 20 Mio. t) Hauptproduzenten Chile; USA; Sambia; Demokratische Republik Kongo (Zaire); Mexiko; Peru; Kanada Jahresproduktion 9 Mio. t Metall Weltreserven 570 Mio. t (Chile; USA; Kanada; Russland porphyries 50%, sedimentäre Lagerstätten 30%) Einsatz und Verwendung Cu technisch und wirtschaftlich wichtigstes NE-Metall (hohe Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität) Elektroindustrie (über 50% des Verbrauchs); Fernmeldetechnik (zunehmende Konkurrenz durch Lichtfaserkabel und leitende Kunststoffe) Fahrzeugbau; Maschinenbau Legierungen mit günstigen mechanischen Eigenschaften und Verwitterungsbeständigkeit: Messing: Cu + Zn Bronze: Cu + Sn (Glockenbronze: Cu-Sn-Legierung mit 22% Sn) Bauindustrie: Kupferdächer mit grüner Patina (hellgraugrüne Schicht, Gemenge aus Cu-Karbonat und Cu-Sulfat; Bemerkung: Grünspan = Cu-Acetat, Salz der Essigsäure) Landwirtschaft: Fungizid

32 Professur für Angewandte Geologie Seite 129 Blei (Pb) PSE: 14. Gruppe (4. Hauptgruppe), 6. Periode, OZ 82 und Zink (Zn) PSE: 12. Gruppe (2. Nebengruppe), 4. Periode, OZ 30 Erzminerale Chemismus/ Genese/Vorkommen Gehalt Besonderheiten Formel Galenit (Bleiglanz) PbS (hydrothermal, metasomatisch, SEDEX); metamorph (Sulfidlagerstätten) 86% Pb bleigraue Farbe, grau angelaufen; kubische XX, typische würfelige Spaltbarkeit Cerussit (Weißbleierz) Pb[CO 3] sedimentär (Oxidationszone) 77% Pb weiße Farbe, auch farblos Anglesit Pb[SO 4] sedimentär (Oxidationszone) 68% Pb weiße Farbe, auch farblos Sphalerit (Zinkblende) α-zns bis 67% Zn Smithsonit (Zinkspat) Hemimorphit (Kieselzinkerz) Zn[CO 3] Zn 4[(OH) 2/Si 2O 7] H 2O (kontaktmetasomatisch; hydrothermal, metasomatisch); sedimentär (Schwefelkreislauf); metamorph (Sulfidlagerstätten) sedimentär (Oxidationszone) sedimentär (Oxidationszone) hellbraune bis schwarze Farbe, halbmetallischer Diamantglanz 52% Zn weiße, rosa oder grüne Farbe 54% Zn graue bis bräunliche Farbe Galmeierz = Smithsonit + Hemimorphit Charakteristik Pb nach lat. plumbum; Blei von indogerm. bhlei = schimmern, leuchten, glänzen; Zeichen/Planetensymbol in der Alchimie Saturn Zink erstmals von PARACELSUS ( ) benannt als Zinken (bastardisierte Form des Kupfers) Pb ist eines der ältesten Gebrauchsmetalle; Zn war als Metall in der Antike unbekannt, erst seit 1743 in England industriell gewonnen, seit Anfang 19. Jahrhundert Zn als Blech für die Dachbedeckung und Fassadenverkleidung (typisch in Paris/Frankreich, Belgien, Rheinland) Häufigkeit in der Erdkruste: Pb 15 ppm (0,0015%); Zn 65 ppm (0,0065%) Geochemie: Pb und Zn sind chalkophil, haben hohe Affinität zu S, gemeinsame Lagerstätten; Pb in sauren Gesteinen angereichert [Pb 2+ (Farbzentren) ersetzt K + im Mikroklin (Kalifeldspat) = Amazonit (grün)]; Transport in hydrothermalen Lösungen als Chlorkomplexe, Ausfällung durch ph- Umschlag, Abkühlung, Verdünnung oder reduzierten Schwefel (S 2- ); Verwitterung: Galenit ist stabiler als Sphalerit, Oxidationserze des Pb Cerussit und Anglesit verbleiben im Hut, weißer Galmei in der Tiefe abgeschieden Bauwürdigkeitsgrenze: 2% Pb, 4% Zn

33 Professur für Angewandte Geologie Seite 130 Galenit enthält oft Ag! (0,01 bis über 1%); Sphalerit enthält oft Fe, Mn, Cd, Ga, Tl, In, Ge; In wurde in Freiberger Zinkblende von FERDINAND REICH ( ) und HIERONYMUS THEODOR RICHTER ( ) im Jahr 1863 entdeckt und nach der indigoblauen Flammenfärbung benannt fortgesetzte Aufnahme kleiner Mengen Pb führt zur Bleikrankheit: Müdigkeit, Appetitlosigkeit, Kopfschmerzen, Blässe und Muskelschwäche (Diskussion des Unterganges des Römischen Reiches durch chronische Bleivergiftungen (Küchengeräte, Wasserleitungen)) Lagerstätten 1. Magmatogene Pb-Zn-Lagerstätten Hydrothermale Lagerstätten Ganglagerstätten Erzgebirge, Sachsen: zwei verschieden alte Mineralisationszyklen: 1. variszischer mit Quarz-Polymetall-Assoziation (kb-formation: Pyrit, Sphalerit, Galenit), Uran-Quarz-Carbonat-Assoziation [uqk-formation: Uraninit (Pechlende)], Carbonat-Ag-Assoziation (eb-formation: Ag-Sulfide, Ag-sulfantimonide); 2. postvariszischer mit Baryt-Fe-Assoziation (eba-formation), Fluorit-Baryt-Assoziation (fba-formation: Galenit, Sphalerit), BiCoNiAsAg(U)-Assoziation (BiCoNiAgU- Formation: Co-Ni-Arsenide, Sulfide, Ag-sulfarsenide, Uraninit) Pb-Zn-Ag-Gänge des Freiberger Reviers (über 1000 Gänge von 1168 bis 1968 erschlossen, zwei Gangsysteme: N-S, W-E); Pb-Zn-Bergbau auf kb-gänge; Pribram, Böhmen/Tschechische Republik; Madan/Bulgarien; Mexiko; Bolivien Metasomatische Verdrängungslagerstätten in Kalken (wirtschaftlich wichtig, größtenteils epigenetisch-hydrothermal) Iglesias, Sardinien/Italien; Trepca, Montenegro/Jugoslawien (kontaktmetasomatisch); Aouli, Mibladen, Atlasgebirge/Marokko; Algerien; Tunesien; Broken Hill/ Sambia; Leadville, Colorado/USA Bytom, Olkusz, Gorny Slask (Oberschlesien)/Polen (in Triaskalken, mit Umlagerungsund Rekristallisationsprozessen); Mississippi-Missouri-Distrikt (Tri-state-district)/USA (epigenetisch-hydrothermal aus diagenetischen Lösungen, MVT = Mississippi-Valley- Typ); Bleiberg-Kreuth, Kärnten/Österreich (mesozoische Kalke vor allem der Trias mit Galenit und Sphalerit mineralisiert, epigenetisch-hydrothermal, Besonderheit eine bis 600 m tiefe Oxidationszone mit Wulfenit Pb[MoO4]); Mezica/Slowenien; Cave de Predil (Raibl)/Italien; Silvermines/Irland Submarin-hydrothermal-sedimentär Lagerstätten (SEDEX) Meggen, Sauerland, Nordrhein-Westfalen 2. Sedimentogene Pb-Zn-Lagerstätten 2.1. Terrestrische Ausscheidungslagerstätten (bakterieller Schwefelkreislauf, exogensyngenetische bis epigenetisch-hydrothermale Genese) Mechernich, Eifel, Nordrhein-Westfalen (Buntsandstein, Knottenerze mit Galenit, weniger Sphalerit, Pyrit und Chalkopyrit)

34 Professur für Angewandte Geologie Seite Mariner Kupferschiefer Mansfeld, Sachsen-Anhalt; Dolny Slask (Niederschlesien)/Polen 3. Metamorphe Pb-Zn-Lagerstätten Broken Hill/Australien (eine der größten Pb-Zn-Lagerstätten, primär vulkanogensedimentär) [15] Hauptproduzenten Produktion von Zn (ca. 6 Mio. t pro Jahr) steigt rasch an, während Pb (4 Mio. t pro Jahr) nur gering wächst Reserven und Ressourcen bei Pb sind groß (Australien; USA; Kanada); 40% des Weltverbrauchs über Recycling abgedeckt Reserven und Ressourcen von Zn ebenfalls groß (Kanada; USA; Australien; Südafrika; Russland) Einsatz und Verwendung nach Cu sind Pb und Zn die technisch wichtigsten Nichteisenmetalle Pb: Elektroindustrie (Kabel, Akkus); Strahlenschutzverkleidung (Röntgen- und radioaktive Strahlen); Farbenherstellung [Bleiweiß (2 PbCO3. Pb(OH)2, gesundheitsschädlich); Mennige (Pb3O4, rot, giftig, Rostschutz!)]; Antiklopfmittel (Benzin) Zn: Messing (1/3 des Zn zum Herstellen von Legierungen); Verzinken (Draht, Bleche Autoindustrie); Zinkbleche (Dach- und Fassadenverkleidung: Bsp. Wallraff-Richartz- Museum in Köln), Farbenindustrie (Lithophone), Chemikalien, Ni-Zn-Batterien