Erzlagerstätten im System Erde

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1 Erzlagerstätten im System Erde Picture: M. Knopfe (LASA 29156) Meta-Monzogranit Sn-Greisen ( Schnittmustergranit ), Altenberg deposit, Erzgebirge

2 Lagerstätte vs. Vorkommen Lagerstätte - Bereiche der oberen Erdkruste (± 5 km unter der Oberfläche), in denen sich natürliche Konzentrationen von festen, flüssigen oder gasförmigen Rohstoffen befinden, deren Abbau sich wirtschaftlich lohnt (bauwürdige Lagerstätte), oder in der Zukunft lohnen könnte (nutzbare Lagerstätte). Lagerstätten mineralischer Rohstoffe: Begriff beschränkt auf feste natürliche Rohstoffe. marktwirtschaftliche Definition! Vorkommen: Natürliche Anhäufung von nutzbaren Erzen, Mineralien und Gesteinen, deren Abbau unwirtschaftlich ist. 2

3 Lagerstätten Konvention vs. Alternative? Konvention: Enthaltener Wert / t > (Abbau, Aufbereitung, Verluste, etc.)/t Alternative Definition: Lagerstätten sind natürliche Konzentrationen von festen, flüssigen oder gasförmigen Rohstoffen, deren Abbau in einem gegebenen sozio-ökonomischen Rahmen gerechtfertigt ist. Historische Frage: Was war VVA? Volkswirtschaftlich vertretbarer Aufwand 3

4 Durchschnittliche Elementgehalte in der Erdkruste vs. Bauwürdigkeitsgrenze Element Erdkruste Bauwürdigkeitsgrenze Anreicherungsfaktor [%] Open pit Underground Open pit Underground Al Fe Mn Cu Ni Zn Sn Cr Pb Au PGE

5 Grundbegriffe Erz: Erze sind natürlich vorkommende Mineralaggregate von wirtschaftlichem Interesse, aus denen durch Bearbeitung ein oder mehrere Wertbestandteile extrahiert werden können. Meistens sind dies Minerale, die mehr oder weniger metallische Bestandteile enthalten. Erzmineral: Wertbringendes Mineral im Erz aus denen ein Metall gewonnen wird. Der Begriff Erz wird häufig, und fälschlicherweise als Synonym verwandt. Vergleiche: Mineral vs. Gestein. Beispiele:? Industriemineral: Mineral, welches als solches als Rohstoff dient, also nicht der Gewinnung eines Metalls zugeführt wird. Beispiele:? 5

6 Metallrohstoffe (Elementrohstoffe) Werden metallurgisch veredelt, typischerweise in metallische/ oxidische Produkte umgesetzt, welche dann industrielle Verwendung finden. Eisen- und Stahlveredler : Fe, Mn, Cr, Ti, Ni, Co, W, Mo, V Buntmetalle: Cu, Pb, Zn, Sn Leichtmetalle: Al, Mg, Li, Be Radioaktive Metalle: U, Th Edelmetalle: Au, Ag, PGE (Pt, Pd, Os, Ir, Rh, Ru) Sondermetalle (seltene Metalle): Bi, Sb, Hg, In, Ga, Ge, Li, Be, Zr. Hf, SEE Metalle der letzten beiden Gruppen werden heute auch gerne als Hochtechnologie oder Zukunftstechnologie Rohstoffe bezeichnet. 6

7 Industrieminerale Metallurgische Zuschlagsstoffe: Kalkstein, Dolomit, Fluorit Mineralische Chemierohstoffe: Fluorit, Kalkstein, Borminerale, Barit Agrochemische Mineralrohstoffe: Kalisalze, Phosphatgesteine Baumaterial-Rohstoffe: Fest (Granit, etc.), Locker (Sande, etc.) Glasrohstoffe: Glassande, Feldspat, Kalkstein Keramikrohstoffe: Kaolin, Feldspat Feuerfestrohstoffe: Chromit, Magnesit, Sillimanit, Asbest Zier- und Edelsteine: Diamant, Rubin, Smaragd, etc. 7

8 Warum müssen wir verstehen, wie sich Lagerstätten bilden? Orebody Altered rock Earth s Crust Lagerstätten sind geochemische Anomalien in der Erdkruste. 8

9 Warum müssen wir verstehen, wie sich Lagerstätten bilden? kleine Lagerstätten sind geochemische Anomalien in der Erdkruste. 9

10 Fundamentale Faktoren bei der Lagerstättenbildung Das System Erde Geosphäre Lithosphäre Pedosphäre Erdoberfläche (Relief) Hydrosphäre (inkl. Kryosphäre) Biosphäre Atmosphäre Lagerstätten sind integraler wenn auch seltene Bestandteile der Lithosphäre/Pedosphäre Quelle: wikicommons 10

11 FUNdamentale FAKToren Entwicklungsschritte im System Erde Exogene Prozesse Klima sensu lato Biologische Prozesse Verwitterung-Erosion-Transport-Sedimentation Endogene Prozesse Magmatismus Metamorphose Hydrothermale Prozesse Plattentektonik 11

12 FUNdamentale FAKToren 1. Energiequelle und großräumiger Prozess 2. Metallquelle und -extraktion 3. Metall Transport und Medium 4. Schwefelquelle (Sulfid-, Sulfat-lagerstätten) 5. Metallkonzentration und -anreicherung 6. Geochemische Falle/ Grund für lokale Anreicherung 7. Erhaltung 12

13 Plattentektonik Quelle: wikicommons 13

14 Plattentektonik - Plattenbewegungen Quelle: wikicommons 14

15 Plattentektonik Begründet im Schalenbau der Erde Elemente der Erdkruste Element Anteil in Prozent Sauerstoff 47 Silizium 28 Aluminium 8 Eisen 5 Kalzium 3,6 Natrium 3 Kalium (K) 2,6 Magnesium 2 Titan 0,5 Summe 99,7 15

16 Plattentektonik Quelle: wikicommons Plattengrenzen - Konstruktiv (divergent) - Destruktiv (konvergent) - Konservativ (transform) - Komplexe Grenzzonen 16

17 Plattentektonik Quelle: wikicommons 17

18 I.Initialstadium Aufdomung der Lithosphäre (ozeanisch oder kontinental) Source: Condie and Sloan (1998) 18

19 Mantel-Plumes Source: Press and Siever (1994) 19

20 Lagerstättentypen 1. Mafische Intrusivkomplexe 2. Ti-Fe Lst. assoziiert mit Anorthositen 3. Sn und W Lst. assoziiert mit A-Typ Graniten 4. Carbonatite und alkaline Intrusivkomplexe 5. Kimberlite 20

21 Gestalt eines mafischen Intrusionskomplexes Quelle: Irvine and Smith (1967) Muskox Intrusion, NW Terr., Canada 21

22 Geschichtete basische Intrusivkomplexe Quelle: Sawkins (1980) 22

23 Der Bushveld Komplex, Südafrika Fakten: - 300x400x9 km - Age: Ga - Wichtige Lagerstätten: - PGE - Cr - V - Cu, Ni - Fe - F - Sn Quelle: Knoper (2008) 23

24 Der Bushveld Komplex, Südafrika Quelle: Knoper (2008) 24

25 Schichtförmige Chromitlagerstätten Quelle: Gutzmer (2008) 25

26 Entstehung von Chromitlagen In der Magmenkammer: Gravitative Kristallisations-Differentiation 26

27 Source: Guilbert and Park (1986) Kimberlite Diamanten Big Hole, Kimberley

28 Kimberlite Source: Robb (2004)

29 Letšeng Le Terai Mine, Lesotho Oldoinyo Lengai, Tanzania Carbonatites

30 Letšeng Le Terai Mine, Lesotho Letseng Legacy, 493 ct. (18), 4 September 7, 2007, 10.4 Mio US$ Oldoinyo Lengai, Tanzania Lesotho Brown, 601 ct (16), 1967 Lesotho Promise, 603 ct (15), 4 Oktober 2006, 12.4 Mio US$ Leseli la Letseng (Licht von Letseng), 478 ct. (20), 8 September 2008, 18.4 Mio US$ 1 Karat = 0.2g 30

31 II. Intrakontentales Rift Quelle: Press and Siever (1994) 31

32 Lagerstättentypen 1. SEDEX Zn-Pb-Ag Lagerstätten 2. Stratiforme Cu-Ag Lagerstätten (Kupferschiefer) 32

33 Source: Condie and Sloan (1998) SEDEX Lagerstätten im Roten Meer 33

34 SEDEX Lagerstätten im Roten Meer Source: Sawkins (1984) 34

35 SEDEX Lagerstätten im Roten Meer Dynamik der Erde (1988) 35

36 SEDEX Lagerstätten im Roten Meer 60 o C, 26wt% NaCl Dynamik der Erde (1988) 36

37 Metallreiche Schlämme des Atlantis II Tief Metallreiche Schlämme treten als bis zu 20m mächtige Bedeckung über eine Fläche von 14x5 km auf Feingeschichtet Sehr feinkörnige, häufig amorphe Präzipitate Sedimentationsraten von ca. 1m pro 1000 Jahren Mineralogische Zusammensetzung variiert zwischen oxidisch (Fe, Mn oxidhydrate), silikatisch, sulfidisch, sulfatoder karbonatreich Zwei sulfid-reiche Schichten, ein bis wenige Meter mächtig, beinhalten die große Menge der Buntmetalle von wirtschaftlichem Interesse 227 Mt von Schlämmen, davon % Zn, 0.45% Cu, 38.4g/t Ag (trocken, salzfrei) Source: Sawkins (1984)

38 SEDEX Lagerstätten in Deutschland Rammelsberg: % Zn, 5.9% Pb, 1.1% Cu, 100 g/t Ag, 22% BaSO 4 Meggen: 59.2 Mt sulfide 8% Zn, 1% Pb, 9.5 Mt barite Cu-rich,Melierterz (1) and Zn-Pb-Curich Banderz (2-5), Lagerstätte Rammelsberg, Deutschland Quelle: Large et al. (1999)

39 Kupferschiefer-Typ Lagerstätten 39

40 Quelle: Kopp (2009, modifiziert nach Patzelt, 1993 und Glennie 2003) Permisches Becken in Mitteleuropa (ca. 258 Ma marine Transgr.) 40

41 Quelle: Kopp (2009, verändert, nach Paul, 2006 und Pöhlig, 1986) Cu-Ag Lagerstätten des Permbecken 41

42 Stratigraphie des Permbeckens Source: Oszczepalski et al. (1999)

43 Kupferschiefer Mansfeld-Sangerhausen Quelle: Stedingk (2009) 43

44 Kupferschiefer Cu-Ag Lagerstätten Entstehung Quelle: Borg (1991) Quelle: Kopp (2009) Lagerstätte Cu [%] Ag [g/t] Mächtigkeit Polen Spremberg-Graustein Sangerhausen (Cu- Schiefer) 1,3-2,0 (ø) g/t 1,5 (ø) 34 g/t m (ø: 3,4 m) 0,8 bis 8,2 m (ø: 2,4 m) 1,7 (ø) 106 g/t ø: 0,35 m 44

45 III. Ozeanische Riftzonen Source: Press and Siever (1994) 45

46 Lagerstättentypen 1. Vulkanogene Cu-Zn-Pb Massivsulfidlagerstätten (VMS) 2. Chromitlagerstätten 46

47 2003 tectonic setting Mid Ocean Ridge back-arc basin arc volcano lithology basalt basalt + evaporites sediments felsic rocks ultramafics T/E-MORB Map of high-temperature seafloor hydrothermal systems in different tectonic settings. Different host rocks have been discriminated.

48 VMS Lagerstättenbildung Quelle: Press and Siever (1994) 48

49 Black Smoker Impressionen

50 Größe und Metallinhalt von VMS Lagerstätten Name Land Res.(Mt) Cu (wt%) Zn (wt%) Pb (wt%) Au (g/t) Ag (g/t) Kidd Creek Canada Rio Tinto Spain Aznacollar Spain Neves-Corvo Portugal TAG Atlantic Solwara 1 (PNG) Indicated Inferred source: Evans

51 IV. Passive Kontinentalränder Quelle: wikicommons 51

52 uelle: Passive Kontinentalränder

53 Lagerstättentypen 1. Chemisch-sedimentäre Lagerstätten Marine Salzlagerstätten Marine Phosphatlagerstätten Flachmarin-sedimentäre Mn und Fe Lagerstätten 2. Klastisch-sedimentäre Lagerstätten Seifenlagerstätten 3. Verwitterungslagerstätten (Residuallagerstätten) Lateritische Lagerstätten Bauxite Hochwertige Fe Erze Sekundäre Oxidations- und Zementationserze 53

54 Marine Salzlagerstätten Verdunstung durch Sonnenwärme Barre Salzhaltiges Meer Binnenmeer Steinsalzablagerung Kaliablagerung Ochsenius Barrentheorie Indikator arider Paleoklimate 54

55 Marine Salzlagerstätten 55

56 Marine Salzlagerstätten in Deutschland Source: K + S Gruppe (2009) 56

57 Konvergente Plattenränder Economic Geology 57

58 Magmen und Lagerstätten S-Typ Granit: Aufschmelzen kontinentaler Kruste. I-type Granit: Aufschmelzen ozeanischer Kruste. Source: Sawkins (1984) 58

59 Lagerstättentypen 1. I-Typ Granite Cu-Mo-(Au) Porphyry Lagerstätten Polymetallische (Cu-Pb-Zn) Ganglagerstätten & Skarne Epithermale Au-Ag Lagerstätten 2. S-Typ Granite Sn-W Lagerstätten in S-Typ Graniten Lagerstätten in genetisch assoziierter back arc Riftzone (VMS) Lagerstätten, welche durch Aufschiebung ozeanischer Kruste erhalten bleiben (Cr, VMS) 59

60 Pazifischer Feuerring und Lagerstätten Quelle: wikicommons Cu-(Mo-Au) Porphyry Lagerstätten 60

61 Quelle: Evans (1993) Cu-(Mo, Au) Porphyry Lagerstätten 61

62 Quelle: Robb (2003) Wasser und Kristallisation - Das Burnham Model 62

63 Quelle: Robb (2003) Fragmentierung Wechselwirkung Fluid-Gestein 63

64 Riesige Systeme niedrige Gehalte Name Land Ressource (Mt) Cu (wt%) Mo (wt%) Au (g/t) Ag (g/t) Chuquicamata Chile El Teniente Chile < 0.02 El Salvador Chile Cerro Colorado Panama Cananea Mexiko Bingham USA Morenci USA Valley Copper Canada Ok Tedi PNG Bor Serbien

65 Chuquicamata, Chile 2 cm Quelle: 65

66 Assoziierte Lagerstätten Quelle: Eckstrand et al., 1995 (GSC) 66

67 Plattentektonik und Lagerstätten nicht immer einfach Spätvariszische Sn-W-Mo-Li, Ag und U Lst des Erzgebirge Arbeitsmodell (Th. Seifert, TUBA Freiberg) Th. Seifert (2007) 67

68 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 68

69 Lagerstätten und Erdgeschichte - Faktoren Wachstum kontinentaler Kruste durch die Erdgeschichte Erhaltungspotential von Lagerstätten verschiedenen Typs Entwicklungsschritte im System Erde Einsetzen von Plattentektonik Superkontinentzyklen Sauerstoffanreicherung in Atmosphäre und Hydrosphäre Schneeball-Erde Biologische Evolution 69

70 Lagerstätten und Erdgeschichte Source: Goldfarb et al. (2010) 70