RdE I. Rohstoffe der Erde. Herbstsemester Christoph Heinrich, Rainer Kündig, Werner Leu, Franz Schenker ETH Zürich, V

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1 RdE I Rohstoffe der Erde Herbstsemester 2013 Christoph Heinrich, Rainer Kündig, Werner Leu, Franz Schenker ETH Zürich, V

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3 RdE III Inhalt 1 Ressourcen der Welt und Bedeutung für die Schweiz (R. Kündig) Mineralische Rohstoffe: Definition, Wirtschaftliche Bedeutung, Umwelt Mineralvorräte Reserven Vorräte 2 Grundbegriffe bei der Prospektion und Exploration Schweiz: Bergrechtliche Grundlagen, Rohstoffabbau, Gesetzgebung Abbau- und Rekultivierungsplanung UVB/UVP Die wichtigsten gesetzlichen Grundlagen 6 2 Metallische Erzlagerstätten 7 (Ch. Heinrich) 2.1 Übersicht, Ziele, Vorgehen Wirtschaftlichkeit von Erzen = chemische Anreicherung + Mineralogie Erzmineralien und Gangarten Geologische Begriffe zur Beschreibung von Erzlagerstätten Die genetische Klassifikation von Erzlagerstätten Experimentelle Untersuchungsmethoden 13 Optische Mikroskopie, Stabile Isotope 13 Radiogene Isotope, Flüssigkeitseinschlüsse Orthomagmatische Erzlagerstätten Selektive Partialschmelzung Auskristallisation des Erzminerals aus einer Silikat - schmelze und mechanische Anreicherung der Kristalle in einer Magmakammer Entmischung einer Fe-reichen Sulfidschmelzeund Absinken von Eisensulfid-Tröpfchen zum Boden einer Magmakammer oder eines grossen Lavastroms Extreme fraktionierte Kristallisation Ozean-Dynamik, Atmosphären-Entwicklung und mineralische Rohstoffe Mittelozeanische Hydrothermalsysteme: Hintergrund Entdeckungsgeschichte: Erz und Plattentektonik «Smokers» und «sulfide mounds», mittelozean. Rücken Die globale Bedeutung des MOR-Hydrothermal prozesses Vulkanogen-exhalative Massivsulfid-Lagerstätten (VMS) 21 Bleiarme Cu-Zn-Fe-Massivsulfide: Cypern-Typus und Archaische VMS, Polymetallische VMS-Lagerstätten Manganlagerstätten und rezente Manganknollen in Tiefsee-Sedimenten Moderne Residuallagerstätten Uranlagerstätten Präkambrische Atmosphäre, BIF s und Witwatersrand- Konglomerate Hydrothermale Erzbildung im kontinentalen Bereich: Sedimentbecken, Rifte, Plattenränder Das Prinzip der hydrothermalen Erzanreicherung Tektonik und hydrothermale Erzlagerstätten Ursprung des Wassers in Hydrothermalfluiden Fluidchemie und Metall-Löslichkeit Pb, Zn und Cu-Lagerstätten in (epi-)kontinentalen Sedimentbecken Magmatisch-hydrothermale Lagerstätten Hydrothermale Lagerstätten metamorphen Ursprungs 33 3 Energierohstoffe 35 (W. Leu : R. Kündig, 3.10) 3.1 Definitionen/Klassifizierung Energierohstoffe Energieverbrauch Schweiz Globale Energieressourcen Reichweite (Vorhaltedauer) Kernbrennstoffe (U, Th) Erneuerbare Energiequellen (ohne Sonne, Wind, Biomasse) Wasserkraft Geothermie Fossile Energierohstoffe (Erdöl Erdgas) Geschichte des Erdöls Preis von Erdöl und Erdgas Entstehung von Erdöl und Erdgas Reifegrad Maturität Thermogene Umwandlung von Kerogen Natürliche Bitumina Migration von Öl/Gas Lagerstättentypen, «Fallen» Erdölprovinzen Exploration und Förderung von Öl und Gas Lagerstättenvolumen und Explorationsrisiko Umweltprobleme der Förderung von Öl und Gas Erdöl-Erdgasvorkommen in der Schweiz Kohleflözgas (CBM, Coal Bed Methane) CO 2 Tiefenentsorgung (Sequestration) Kohle Kohle; geologische und petrographische Fakten Der Inkohlungsprozess Vorkommen Abbau Kohlenaufbereitung und -veredelung Kohle aus wirtschaftlicher Sicht Kohle, Kohlenabbau und Umwelt 50 4 Nichtmetallische Rohstoffe;Steine & Erden, Industrieminerale 51 (R. Kündig) 4.1 Festgesteine: Natursteine, Bausteine, Natursteinindustrie Natursteine, Bausteine Gebrochene Festgesteine (Brechsteine) Lockergesteine: Kies, Sand, Alternativmaterialien Kies und Sand Lockergesteine: Alternativ- und Recyclingmaterialien Bindemittel Kalke und Mergel: Rohstoffe für die Zementindustrie Kalk (Branntkalk, hydraulischer Kalk), Kalkindustrie Kalkstein, Kalziumkarbonat Ton und Tonminerale, Ziegelindustrie Rohstoffe Produkte 58 5 Rohstoffgewinnung und Umweltaspekte 59 (F. Schenker) 5.1 Einleitung Aufgaben zur nachhaltigen Nutzung von Rohstoffen 59 Grundwasser/Bergwasser Umweltgesetzgebung 60 6 Aluminium und seine Gewinnung aus Bauxit (F. Schenker) Metallisches Aluminium Produktionsmengen Eigenschaften von metallischem Aluminium Umweltaspekte Historisches Vorkommen von Al Methoden der Untersuchung von Bauxiten Bildung der Bauxite 68

4 RdE IV 7 Phosphor und Phosphate 71 (F. Schenker) 7.1 Allgemeines Lagerstätten Rohstoffeigenschaften Prospektion und Exploration Förderung und Verwendung der Phosphate Nebenprodukte Umweltaspekte Umweltaspekte bei Abbau und Aufbereitung Umweltaspekte beim Einsatz von Phosphaten 73 Literatur S. E. Kesler (1994): Mineral Resources, Economics and the Environment. MacMillan, 346 p. R. Kündig et al. (1997): Die Mineralischen Rohstoffe der Schweiz. Schweizerische Geotechnische Kommission, 522 S. L. F. Trueb (2005): Die chemischen Elemente. Verlag Hirzel Stuttgart. W. Pohl u.a. (2005): Mineralische und Energie-Rohstoffe. Schweizerbart sche Verlagsbuchhandlung. dieses sehr gute Buch ist 2011 in einer stark erweiterten Ausgabe in Englisch unter folgendem Titel neu erschienen: W. L. Pohl (2011): Economic Geology. Principles and Practice. Verlag Wiley-Blackwell, ISBN Seiten. Robert Stevens (2010): Mineral Exploration and Mining Essentials. Pakawau GeoManagement Inc., BC Canada V3C 6B7, ISBN Peter Rothe (2010): Schätze der Erde. Die faszinierende Welt der Rohstoffe. WBG Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt, ISBN Skript & Vorlesungsunterlagen Auf der Web-Seite sind die aktuellen Skript-Teile (PDF) und die wichtigsten Folien zu den Präsentationen zum Download abgelegt. Weitere Literatur zu einzelnen Kapiteln ist im Text erwähnt. Hinweis: Die essentielle Information (Prüfungsstoff) ist in diesem Skript in normaler Schriftgrösse (10 Punkt) gedruckt. In kleinerer Schrift (9 Punkt) sind ergänzende Informationen beigefügt, beispielsweise zur Geologie einiger Beipiele (sollte studiert und verstanden, aber nicht gelernt werden!).

5 RdE 1 IGP/ETHZ Herbstsemester V Christoph Heinrich, Rainer Kündig, Werner Leu, Franz Schenker Rohstoffe der Erde 1 Ressourcen der Welt und Bedeutung für die Schweiz (R. Kündig) 1.1 Mineralische Rohstoffe: Definition, Wirtschaftliche Bedeutung, Umwelt Als mineralische Rohstoffe bezeichnet werden alle festen, flüssigen und gasförmigen Minerale und Mineralgemische, die in bergbaulichen Betrieben, Fördereinrichtungen oder Hüttenwerken gewonnen werden. Es sind Materialien, die sich im Laufe der Erdgeschichte durch geologische Prozesse bildeten (Anreicherung bestimmter Stoffe) und sich in geologischen Zeiträumen (Jahrmillionen) erneuern im weiteren Sinn werden sie oft auch als Bodenschätze bezeichnet. Sowohl mengenmässig wie auch umsatzmässig bilden mineralische Rohstoffe weltweit Milliardenmärkte und beschäftigen direkt oder indirekt Millionen von Arbeitskräften. Die mineralischen Rohstoffe werden dabei unterteilt in Industrieminerale, Energierohstoffe und metallische Rohstoffe. Der Bergriff «Bodenschätze» umfasst folgende Hauptgruppen von mineralischen Rohstoffen. Erze (ore deposits): Rohstoffe zur Metallgewinnung als Elemente und aus Sulfiden, Oxiden, seltener Karbonaten und Silikaten. Energierohstoffe (energy resources): Kohle, Erdöl, Erdgas, Ölschiefer, Teersand. Industriemineralien (industrial minerals): (mono-mineralisch): z.b. Asbest, Glimmer, Graphit, Quarz, Kaolin, Schwefel, Pyrit, Fluorit, Talk, Baryt, Phosphat, Magnesit. Steine und Erden (bulk materials): (meist polymineralisch, Fest- und Lockergesteine): z.b. Basalt, Bauxit, Sandstein, Tone, Mergel, Talk, Farberden. Von der Fördermenge her stehen Industrieminerale sowie Steine und Erden weltweit an der Spitze, wertmässig werden sie von den Energierohstoffen jedoch übertroffen. Viele Rohstoffe sind Massengüter, die aufgrund von Normen und Typisierungen funktionell austauschbar sind. Der «Wert» eines Rohstoffes drückt sich in erster Linie durch den Preis aus, der seinerseits vom Markt abhängig ist (Wettbewerb). Abb. 1.1: Mengenmässige und wertmässige Reihenfolge der Rohstoffe (nach Lawatschek, 1990, mod.)

6 RdE 2 Im Vergleich zu den Energierohstoffen und zu den Erzen stellen die Industriemineralien eine sehr grosse und heterogene Gruppe von mineralischen Rohstoffen dar. Das Spektrum reicht dabei von den Massenrohstoffen wie Sand, Salz und Tone bis zu den sehr speziellen und selteneren Mineralien wie Spodumen (für Lithiumprodukte) oder Diamant (Schleifmittel). Die Anwendungsbereiche dieser mineralischen Rohstoffe sind ungemein vielseitig, als Beispiel dafür seien Asbest, Talk, Fluorit, Phosphat, Graphit, Magnesit, Schwefel und Zirkon genannt. Der Wert der jährlichen Weltproduktion aller Industriemineralien wird auf weit über 100 Milliarden Dollar geschätzt. Von den Reserven her betrachtet, ist die Situation bei Industriemineralen sowie bei Steinen und Erden mit einigen Ausnahmen (Diamant, Glimmer, Lithium-Mineralien) bedeutend weniger kritisch als bei den Erzen und Energierohstoffen. Es gibt viele mineralische Rohstoffe, die praktisch in unbegrenzter Menge vorhanden sind, wobei allerdings der Abbau mancher Lagerstätten derzeit aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nicht möglich ist. Die Versorgung mit mineralischen Rohstoffen wird also weniger durch die Erschöpfung der geologischen Reserven bestimmt, als durch wirtschaftliche und politische Faktoren. Eine Abhängigkeit vom Arbeitsmarkt, von Umweltfragen, von Ersatzmöglichkeiten und Preis/Markt-Beziehungen kommt selbstredend dazu, insbesondere bei Produktion, Aufbereitung und Transport. Die ganze Rohstoffgruppe ist stark abhängig von weiteren Preisanstiegen bei den kritischen Rohstoffen, ökonomischer Verwendung, Erschliessung neuer Lagerstätten, Verlagerung auf ausreichend vorhandene Mineralrohstoffe, Verwertung mineralischer Nebenprodukte oder Abfallprodukte und Materialrecycling. 1.2 Mineralvorräte Reserven Vorräte Die Gewinnung von Mineralrohstoffen erfolgt überwiegend aus Lagerstätten, die sich auf natürliche Weise in der Erdkruste gebildet haben. Um als potentiell nutzbare Lagerstätten zu gelten und um unter den Mineralvorräten erfasst werden zu können, muss die relative Element- oder Mineralkonzentration einen Mindestwert überschreiten. Dieser ist allerdings keine feste Grösse, sondern kann sich sich im Zeitablauf (meistens zu kleineren Werten hin) verschieben. Für die Bewertung von Lagerstättenvorräten gibt es im allgemeinen drei Hauptkriterien: 1. Sicherheitsgrad des Nachweises (lagerstättenkundliche Bewertung) 2. Gewinnbarkeit (technische Bewertung) 3. Bauwürdigkeit resp. Abbauwürdigkeit (wirtschaftliche Bewertung) > Heute wird vielfach die technische und die wirtschaftliche Machbarkeit zusammengenommen und als dritte Bewertungsachse eine Sozio-ökonomische Realisierbarkeit dazugenommen. Der Sicherheitsgrad des Vorhandenseins der Mineralvorräte wird folgendermassen gegliedert: - sicher vorhanden (nachgewiesen) - wahrscheinlich vorhanden - möglicherweise vorhanden (vermutet) Nach der (technischen) Gewinnbarkeit unterscheidet man: - nach dem gegenwärtigen und absehbaren technischen Stand gewinnbar - nach einem zukünftigen technischen Stand gewinnbar Die Einteilung nach der Abbauwürdigkeit (Bauwürdigkeit) kann folgende Kategorien vorsehen: - voll abbauwürdig (zum gegenwärtigen Zeitpunkt wirtschaftlich gewinn- und verwertbar): Lagerstätte (mineral deposit) - bedingt abbauwürdig (bei verbesserter Preis-Kostenrelation wirtschaftlich gewinn- und verwertbar) - nicht abbauwürdig (auf absehbare Zeit nicht wirtschaftlich gewinn- und verwertbar): Vorkommen (mineral ocurrence) Die gegenwärtige Situation auf dem Gebiet der Vorratsklassifikation ist dadurch gekennzeichnet, dass für die verschiedenen Mineralstoffe unterschiedliche Klassifikationssysteme verwendet werden wobei in den verschiedenen Wirtschaftsgebieten oder Ländern erst noch unterschiedliche Einteilungsverfahren zur Anwendung kommen! Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Reserven und Ressourcen sowohl bei der Bewertung eines einzelnen Vorkommens, als auch bei der Klassifizierung globaler Vorräte. Reservenn (reserves): Diejenigen Mengen, eines Rohstoffes, die mit grosser Genauigkeit erfasst wurden und mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten wirtschaftlich gewonnen werden können. Ressourcen (resources): Diejenigen Mengen, eines Rohstoffes, die entweder nachgewiesen, aber derzeit nicht wirtschaftlich und/oder technisch gewinnbar sind, als auch die Mengen, die auf Basis geologischer Indikatoren geologisch noch erwartet werden und mittels Exploration nachgewiesen werden können. Bei Kohlenwasserstoffen wird dabei, ähnlich wie bei den Reserven, nur der als gewinnbar eingeschätzte Teil berücksichtigt. Bei Kohle und Erzmetallen sind es in-situ Mengen, d.h. die Gesamtmenge unabhängig von ihrer Gewinnbarkeit. Gesamtressourcen: Die Gesamtmenge aus Reserven plus Ressourcen. Gesamtpotenzial (vorwiegend bei Kohlenwassserstoffen gebräuchlich): Es schliesst die bisherige kumulierte Förderung, Reserven und Ressourcen ein. Teilweise wird auch die Bezeichnung «reasonably assured resources» verwendet. RAR = reasonably assured resources (in der niedrigsten Kostenklasse Reserven, sonst Ressourcen). EAR = estimated additional resources (Definition von Vorräten, die nicht Reserven sind). EUR = estimated ultimate recovery (Gesamtpotenzial) Weitere gebräuchliche Synonyme sind: bauwürdig ausbringbare Reserven, sicher (und wahrscheinlich) gewinnbare Vorräte. Strategische Minerale: Eine spezielle Art der Reserven bilden die sogenannten strategischen Minerale. Diese Minerale sind kritisch für einzelne Industriebereiche, sowohl was ihre Verfügbarkeit in der industriellen Fertigung (vor allem Verteidigungsindustrie) anbetrifft wie auch ihre weltweite Verfügbarkeit, respektive ihre Anfälligkeit im Handel bezüglich politischen oder kriegerischen Ereignissen. Nach der Definition sind diese strategischen Minerale weltweit limitiert auf wenige primäre Vorkommen, die nicht erweitert oder durch alternative Materialien ersetzt werden können. Beispiele sind Chrom (für Stahlveredelung), das zu zwei Dritteln von Südafrika und Kasachstan stammt oder Platin (z.b. für Katalysatoren), wo mehr als 90% von Südafrika und Russland geliefert werden. Vielfach werden strategische Minerale deshalb in grosszügig angelegten Pflichtlagern in den einzelnen Ländern gehalten. Geologische Exploration macht Ressourcen zu Reserven. So können beispielsweise globale Metallreserven zunehmen, obwohl ständig abgebaut wird! Die auf der ganzen Welt bezogenen Vorratsstatistiken und Vorratsangaben leiden darunter, dass weitgehend unterschiedliche Kategorien addiert werden und dass die gebildeten Vorratsklas-

7 RdE 3 sen nicht klar definiert sind. Das gleiche gilt auch für die Vorhaltedauer der Vorräte, die man aus der Verhältnis der (Welt-) Vorräte und ihrer Inanspruchnahme errechnet. Man spricht von einer «statischen» Vorhaltedauer, wenn man diese arithmetisch als Quotienten der Vorräte R und der jährlichen (durchschnittlichen) Förderung P bestimmt: n = R/P Diese statische Vorhaltedauer unterstellt eine konstante Förderhöhe bei Vernachlässigung von Bestandsänderungen und einen konstanten Verbrauch. Da aber der Verbrauch von mineralischen Rohstoffen vielfach steigt (durchschnittlich 5% pro Jahr) verwendet man oft auch eine «dynamische» Vorhaltedauer, die eine jährliche Steigerungsrate berücksichtigt. Wendet man die Formel für die dynamische Vorhaltedauer auf die nachgewiesenen Vorräte an, so wird bei weiter steigendem Verbrauch die Vorhaltedauer für zahlreiche mineralische Rohstoffe mit wenigen Jahrzehnten zu bemessen sein. Bei dieser Betrachtungsweise wird aber vernachlässigt, dass ständig aus dem Bereich der weniger hoch qualifizierten Ressourcen durch Lagerstättensuche und Untersuchung, Vorratsmengen in den Bereich der nachgewiesenen Reserven überführt werden. Das Erscheinungsbild einer trotz fortschreitenden Abbaus bei zunehmender Förderhöhe gleichbleibenden (statischen) Vorhaltedauer der jeweils nachgewiesenen Vorräte bietet sich seit Jahrzehnten bei einer Reihe von mineralischen Rohstoffen. Bei vielen Vorräten, etwa den reichlich vorhandenen Eisenerzen, hat sich die Vorhaltedauer gegenüber zurückliegenden Zeiträumen sogar beträchtlich erhöht. Die Menge der neu erschlossenen Vorkommen lag über dem Verbrauchsanstieg. Ein sinkendes R/P-Verhältnis ist dagegen (im Weltmassstab) für kaum einen mineralischen Rohstoff nachzuweisen. Dies macht Wachstumsprognosen oder Aussagen zum Zustand der Welt, wie sie seit Jahrzehnten immer wieder in Auftrag gegeben werden, äusserst schwierig und zum Teil auch widersprüchlich (vgl. dazu D. Meadows: «Die Grenzen des Wachstums» (1972) resp. «Die neuen Grenzen des Wachstums» (1993) und ; alles Studien zur zukünftigen Lage der Menschheit mit Bezug auf Rohstoffe, die vom Club of Rome in Auftrag gegeben wurden). Es ist sicher richtig, dass die weltweite Rezession die Rohstoffindustrie im Kern getroffen hat. Die derzeitige Aufwärtsbewegung der Preise ist aber, nach Meinung vieler Experten, nur Abb. 1.2: Reserven sind nicht eine feste Quantität, sondern reflektieren in erster Linie Ausmass und Intensität geologischer Exploration: d.h. Umwandlung von Resourcen zu Reserven, und von Resource-Basis (heute technisch noch nicht verwertbare Vorräte) zu Ressourcen (Zahlen für Kupfer nach Tilton & Lagos, 2007 und USGS; ähnliche Schätzung nach anderem Ansatz: Wilkinson and Kesler, 2007) Abb. 1.3: Statische Reichweiten aller nicht-erneuerbaren Energieträger, differenziert nach Reserven und Ressourcen sowie nach konventionellem und nicht-konventionellem Erdöl und Erdgas. Quelle: BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Rohstoffwirtschaftliche Länderstudien, Hannover 2003 und 2009 (Internet) bedingt mit einer grundlegenden Veränderung des Nachfrageverhaltens gekoppelt; strukturelle Veränderungen, die sich zum Teil offen, zum Teil latent seit Jahren vollziehen. Darunter verbergen sich eine Vielzahl von Trends, Verhaltensmustern, technischen und wirtschaftlichen Entwicklungen und Einflüssen, die zum Teil nur ungenau untersucht und bis heute nicht wissenschaftlich einwandfrei beschrieben oder quantifiziert wurden. Der Bedarf in Schwellenländern und die damit verbundene Verlagerungen von industriellen Produktionsstandorten spielen dabei eine wichtige Rolle. Betrachtet man die Welt heute, mit der sich immer weiter öffnende Schere zwischen einigen technisch hochbegabten und reichen Nationen des Nordens und einer Vielzahl von weniger gut ausgestatteten Nationen auf der Südhalbkugel, so kann man bezüglich des Anwachsens des

8 RdE 4 Rohstoffbedarfs in den Ländern der dritten Welt nur ein grosses Fragezeichen machen. Folgt man dem Bericht «Global 2000», so entwickelte sich der Metallverbrauch pro Kopf in den Entwicklungsländern zwischen 1975 und 2000 sogar negativ. In diesem Umfeld unsicherer politischer und wirtschaftlicher Parameter bewegt sich die internationale Rohstoffwirtschaft insgesamt. Die Gesamtvorräte der verschiedenen mineralischen Rohstoffe sind zwar hoch, aber unter Zugrundelegung der Definition nutzbarer Lagerstätten in jedem Falle begrenzt. Die heutige Situation auf dem Gebiet der Vorhaltedauer von Mineralvorräten ist weitgehend dadurch geprägt, dass es eine Frage der Aktivität im Such-, Explorations- und Erschliessungsbereich und der dafür aufzuwendenden Investitionen ist, wie hoch das «Polster» der nachgewiesenen Vorräte im Vergleich zur Förderhöhe gehalten wird. Heute technisch noch nicht gewinnbare Vorräte werden durch den technischen Fortschritt in gewinnbare Vorräte überführt werden. Im Gewinnungsbereich wird es dabei um die Förderung sehr tief und auf oder unter dem Meeresboden liegender Mineralvorräte gehen. Im Aufbereitungs- und Veredelungsbereich wird die technische Entwicklung die Lösung von Problemen z.b. Aufschluss von Komplexen und Armerzen, Aufbereitung von Tiefseemineralien, Extraktion von Öl aus Ölschiefern und Teersanden und Umwandlung von Kohle zu synthetischen Brenn- und Treibstoffen bringen. Die Abbauwürdigkeit (Bauwürdigkeit) von Minerallagerstätten hängt vom Verhältnis der für mineralische Produkte erzielbaren Preise zu den für Gewinnung, Veredelung und Transport aufzuwendenden Kosten ab. Prinzipiell ist eine Überführung von derzeit nicht bauwürdigen in die Klasse der bauwürdigen Vorräte durch Erhöhung der Preise und durch Senkung der Kosten möglich. Steigt der Preis stärker als die Kosten, so wachsen bisher unbauwürdige Vorräte in den Bereich der Bauwürdigkeit hinein. Ein Beispiel sind die starken Preissteigerungen beim Erdöl. So haben insbesondere in den USA die «Entölung» bisher unwirtschaftlicher Lagerstätten wieder wirtschaftlich werden lassen und die ausgedehnten Ölschieferlagerstätten in den Bereich der Abbauwürdigkeit gerückt. Besondere Wirkungen ergeben sich auch bei substitutiven Gütern: Eine Preissteigerung des einen Gutes setzt eine Nachfrageverlagerung zum anderen in Gang. Im Beispiel des Öls haben die gewaltigen Preissteigerungen eine Nachfrageverlagerung nach der reichlich vorhandenen, bis daher im Wettbewerb unterlegenen Kohle bewirkt. Der Nachfragedruck trieb auch die Kohlepreise in die Höhe mit der Folge, dass sich die Ertragslage der Kohleindustrie besserte und Lagerstätten oder Lagerstättenteile (wieder) in den Bereich der Abbauwürdigkeit hineingezogen wurden. Grundbegriffe der Exploration und Bewertung von mineralischen Rohstoffen Prospektion: (Erkundung) Aufsuchen von Rohstoff-Anreicherungen in der Erdkruste bzw. Suche nach mineralhöffigen Gebieten bis zur Kalkulation von angedeuteten Vorräten. Dabei werden direkte und indirekte Nachweismethoden der Geologie, Geochemie und Geophysik eingesetzt. Exploration: (Erschliessung) Untersuchung von mineralhöffigen Gebieten und Abgrenzung einer Lagerstätte mit Kalkulation von sicheren Vorräten. Dabei werden insbesondere direkte Nachweismethoden (z.b. Probenuntersuchungen, Schürfungen, Bohrungen) eingesetzt. Vorkommen (mineral ocurrence): Anreicherung mineralischer Rohstoffe in der Erdkruste bzw. räumlich begrenzte geologische Körper, in denen bestimmte Minerale, durch natürliche Vorgänge angereichert sind und technisch gewinnbar wären. Lagerstätten (mineral deposit): bauwürdige Vorkommen mineralischer Rohstoffe bzw. natürliche Anreicherungen nutzbarer Minerale, die nach Grösse und Inhalt für eine wirtschaftliche Gewinnung in Betracht kommen. Bauwürdigkeit (Abbauwürdigkeit): Durch Wirtschaftlichkeitsanalysen festgestellte Möglichkeit einer rentablen Gewinnung mineralischer Rohstoffe. Bauwürdigkeitsgrenze (break-even grade): Mittlerer Gehalt an nutzbaren Mineralen einer Lagerstätte, der während einer bestimmten Periode eine kostendeckende Gewinnung ermöglicht. Grenzgehalt (cut-off grade): Geringster Gehalt an nutzbaren Mineralen einer Lagerstätte, der ihre Förderung aus technischer und wirtschaftlicher Sicht rechtfertigt (auch «geologischer Schwellengehalt» oder «bergmännischer Grenzgehalt» genannt). Vorratskategorien: Einteilung der Vorräte nach Untersuchungsgrad und Bauwürdigkeit: Reserven (reserves): Mengen, eines Rohstoffes, die mit grosser Genauigkeit erfasst wurden und mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten wirtschaftlich gewonnen werden können. Ressourcen (resources): Mengen, eines Rohstoffes, die entweder nachgewiesen, aber derzeit nicht wirtschaftlich und/oder technisch gewinnbar sind, als auch die Mengen, die auf Basis geologischer Indikatoren geologisch noch erwartet werden und mittels Exploration nachgewiesen werden können. Resource basis: Grundsätzlich nutzbare Vorräte, die aber mit heutiger Technik nicht wirtschaftlich sind. Prefeasibility-Studie: Abschätzung der Wirtschaftlichkeit eines Vorkommens auf der Basis von Explorationsergebnissen unter der Verwendung von Kostendaten aus vergleichbaren Projekten. Feasibility-Studie: Analyse der Durchführbarkeit, der Rentabilität und der Finanzierungsmöglichkeiten eines Rohstoffprojektes auf der Basis umfassender Explorationsdaten, konzipierter Gewinnungstechnologie (Engineering) und detaillierter Marktstudien. Konzession: vom Staat verliehenes, meist exklusives Recht zur Aufsuchung (Prospektionskonzession, Explorationskonzession) oder zur Gewinnung (Abbaukonzession, Förderkonzession) mineralischer Rohstoffe in einem definierten Gebiet. (nach: W. Gocht (1983): Wirtschaftsgeologie und Rohstoffpolitik. Springer Verlag)

9 RdE Erze und Energierohstoffe in der Schweiz? Bergrechtliche Grundlagen, Rohstoffabbau, Gesetzgebung Die Faktoren, welche sowohl örtlich wie auch zeitlich der Frage hinsichtlich der wirtschaftlich machbaren Gewinnung immer wieder eine andere Gewichtung geben können, sind vielfältig. Einerseits spielt die Geologie eine wichtige Rolle, indem sie primär die Lagerung und Ausdehnung der Rohstoffvorkommen prägt und gerade in den Alpen vielfach zu komplex aufgebauten Lagerstätten geführt hat. Andererseits können politische Veränderungen (z.b. Kriege, Ölkrisen) sehr rasch den Stellenwert der Bodenschätze ändern und damit auch Rohstoffvorkommen, die unter normalen Umständen nicht abgebaut würden, wieder attraktiv machen. Neue technische Verfahren in der rohstoffverarbeitenden Industrie stellen stets wechselnde Anforderungen an die Qualität der Erze und Energierohstoffe, auf die marktgerecht eingegangen werden muss. Und nicht zuletzt erschwert oder verhindert oft die Gesetzgebung (z.b. Umweltschutzgesetze, Landschaftsschutz) einen Abbau oder eine Verarbeitung einheimischer Erze und Energierohstoffe. In den letzten Jahrzehnten wurde eine grosse Menge neuer Daten über Erze und Energierohstoffe in der Schweiz zusammengetragen und in verschiedenen Werken der Öffentlichkeit zugänglich gemacht (vgl. «Die Mineralischen Rohstoffe der Schweiz», Schweizerische Geotechnische Kommission, 1997). Von den Hochschulen wurden mehrere Vorkommen wissenschaftlich neu bearbeitet oder im Rahmen von Nationalfondsprogrammen auf ihre Wirtschaftlichkeit hin untersucht. Tatsache ist, dass die Schweiz in bezug auf Erze und Energierohstoffe in den Verbraucherstatistiken einen hohen Pro-Kopf-Verbrauch aufweist, in den Produktionsstatistiken jedoch wenig bis gar keine Erwähnung findet. Dies liegt einerseits in der wirtschaftlichen Entwicklung der letzten sechzig Jahre, andererseits spielt auch die besondere geologische Situation, insbesondere die kleinräumige Tektonik, die einen heute rentablen Abbau erschwert, eine wesentliche Rolle. Eine wirtschaftliche Bewertung der Vorkommen ist schwierig, da Daten über Ausdehnung und Gehalt der Vorkommen ungenügend oder uneinheitlich vorliegen und Geld-mittel für flächendeckende Vorabklärungen fehlen. Bis auf wenige Ausnahmen kann gesagt werden, dass die Vorkommen, soweit bekannt, meist als «Prospekte» (engl.: prospect; Hinweise, Indikationen) zu betrachten sind, in Zukunft aber als Ausgangsmaterial für umfassendere und gezieltere Untersuchungen oder Prospektionskampagnen dienen könnten. Auf jeden Fall sind sie von wissenschaftlichem Interesse. Verschiedene grosse Industriegruppen regeln den Abbau mineralischer Rohstoffe in der Schweiz. Gesamtschweizerisch werden Zahlen über Abbau und Verwendung nicht einheitlich gesammelt. Jede Rohstoffgruppe für sich ist aber in Verbänden und Fachorganisationen vertreten, die entsprechendes Zahlenmaterial besitzen. Die Schweizerische Geotechnische Kommission ( stellt periodisch die Rohstoffsituation in Form von Publikationen und Kartenwerken zusammen. Obwohl in der Schweiz der eigentliche Erzbergbau heute fast keine Bedeutung mehr hat soll kurz auf das Grundkonzept des Bergrechts eingegangen werden, sind doch in einem umfassenden Berggesetz die wesentlichen rechtlichen Bereiche für die Nutzung von Rohstoffen (Exploration, Schürfen, Gewinnung, Verarbeitung) enthalten. Diese können auch auf verwandte Gebiete (beispielsweise Kiesgewinnung) angewandt werden, wo das Bergrecht nicht gilt, sich aber ähnliche Probleme stellen. Dass auch in der heutigen Zeit, in welcher in der Schweiz fast kein Bergwerk mehr in Betrieb steht und die mehr als 30-jährige Erdölexploration aufgegeben wurde, die Berggesetze noch immer ihre Bedeutung haben, zeigt sich am Beispiel des Kantons Nidwalden, wo nicht nur die Gewinnung von Bodenschätzen in Bergwerken, sondern auch das Einlagern in Untertagebauten (z.b. von radioaktiven Abfällen) der Berggesetzgebung unterstehen. Im besonderen werden durch das Bergrecht die Interessen dreier Gruppen behandelt: Die Rechte des Grundeigentümers: Der Grundeigentümer kann die Ansicht vertreten, dass sein Eigentum sich auch auf den Erdkörper unter der Erdoberfläche erstreckt (vergleiche z.b. Artikel 667 ZGB, Schweizerisches Zivilgesetzbuch; Kapitel ). Diese Art des Eigentums an den Bodenschätzen, die sich schon im römischen Recht findet, wird meist als Grundeigentümerbergbau bezeichnet. Die Rechte des Staates: Der Staat (als Vertreter der Interessen der Gesamtheit) vertritt den Standpunkt, dass ihm als Inhaber der Gebietshoheit auch die Verfügung über die Bodenschätze zusteht (Bergregal). Dabei spielt es keine Rolle, ob er die Gewinnung selbst betreibt oder aufgrund einer Konzession von Dritten durchführen lässt. Das Bergregal leitet sich aus den dem König zustehenden Rechten (=Regalia) ab, wobei dieses den regalia minora (Vermögensrechten) zugeschlagen wurde. Die Rechte des Nutzungsinteressierten: Der Unternehmer als Nutzungsinteressierter kann aufzeigen, dass nur er selbst, nicht aber die beiden andern Parteien, überhaupt in der Lage ist und die finanziellen Verpflichtungen übernehmen kann, um eine rationelle Gewinnung und Verarbeitung der Rohstoffe zu garantieren. Da alle drei genannten Gruppen ein Interesse an den Rohstoffen geltend machen können, muss es zu Interessenkonflikten kommen; diese sind deshalb gesetzlich zu regeln. Heute wird im allgemeinen durch das Bergrecht das Grundeigentum eingeschränkt. Entweder beansprucht der Staat das Bergregal und regelt Art und Weise, wie der Unternehmer für den Abbau eine Konzession bekommen kann, oder aber es wird für den Unternehmer die Bergfreiheit erklärt, wobei jedoch staatswirtschaftliche Vorbehalte eingeführt werden (beispielsweise sicherheits- und arbeitsrechtliche Vorschriften) und dem Staat die hoheitlichen Aufgaben übertragen werden. Die Bodenschätze, das heisst alle natürlichen mineralischen Rohstoffe in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand werden meistens bezüglich ihrer Verfügbarkeit eingeteilt: Regale oder bergfreie Bodenschätze sind vom Eigentum an einem Grundstück ausgeschlossen. Sie werden im Gesetz oft abschliessend aufgezählt. Jeder Interessent kann die Bewilligung (Konzession) für Exploration und/oder Gewinnung (eventuell Bergwerkseigentum) bekommen, sofern er die gesetzlich geforderten Bedingungen erfüllt. Grundeigene Bodenschätze stehen im Eigentum des Grundeigentümers. Er bestimmt über ihre Verwendung innerhalb der bergrechtlichen und anderen Vorschriften. Wenn im Gesetz die bergfreien oder regalen Bodenschätze abschliessend aufgeführt sind, fallen alle andern Rohstoffe (ausser das Wasser) unter diese Kategorie. Mit dieser Einteilung der Bodenschätze ist die Art des Abbaus nicht direkt verbunden. Diese kann also für beide Gruppen von Bodenschätzen sowohl unterirdisch (bergmännisch) als auch im Tagbau erfolgen. Es ist aber zu beachten, dass je nach Abbauart verschiedene, nicht im Bergrecht geregelte Vorschriften beachtet werden müssen (Planungsrecht, Baurecht, Umweltverträglichkeitsprüfung UVP, Sicherheitsvorschriften usw.).

10 RdE Abbau- und Rekultivierungsplanung UVB/UVP Untrennbar mit dem Abbau und der Gewinnung mineralischer Rohstoffe sind heute weit reichende gesetzliche Auflagen verbunden, insbesondere in bezug auf den Umweltschutz, auf die Umweltverträglichkeit und auf die Einbettung der Abbaustellen in eine optimale Landschafts- und Abbauplanung. Für alle Seiten Behörden, Unternehmer, Planer und Öffentlichkeit ist es eine grosse Herausforderung, einen gesetzeskonformen Weg zu finden, der die sinnvolle Rohstoffnutzung (weiterhin) ermöglicht. Ökologische und landschaftliche Konflikte sind oft nur schwierig und kontrovers beurteilbar, da im Gegensatz zu Gewässer, Luft, Lärm klare Grenzwerte fehlen. Kunst der Planer ist es, Synergien zwischen Rohstoffgewinnung und Folgenutzungen (inklusive Deponiebedarf) und Kongruenzen zwischen privaten Rechtsansprüchen und öffentlichem Interesse zu schaffen. Die Bewilligungsverfahren für Abbauvorhaben, hauptsächlich der Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) und deren Integration in die Planerlassungsverfahren sind stark an den Moment gebunden. Es kann sein, dass gewisse Teile, wie beispielsweise die Verfahrenskoordination oder die Kompetenzverteilung zwischen Bund und Kantonen in Kürze überholt sein werden. Aspekte der Landschafts- und Abbauplanung, insbesondere in bezug auf die Erstellung von Rohstoffversorgungskonzepten und auf die planerische Darstellung von langfristigen Abbauprojekten sind ebenfalls von grosser Wichtigkeit. Nutzungen und Nutzungsansprüche werden dem Naturpotential und den natürlichen Ressourcen gegenübergestellt. Wie heute bereits viele Beispiele zeigen, besteht auch eine Chance, dass sich zuvor sehrintensiv genutzte Gebiete nach dem Abbau in ökologischwertvolle Sekundärlandschaften oder in neue Lebens- und Industriegebiete überführen lassen können. Der Bund kennt eine Reihe von Grundprinzipien, welche bei der Planung von Abbauvorhaben zu berücksichtigen sind. Diese Prinzipien basieren auf verschiedenen gesetzlichen Grundlagen. Abbauvorhaben erreichen meist jene Grösse, welche eine Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) notwendig macht. - Vorsorgeprinzip: Aus dem Zweckartikel des Bundesgesetzes über den Umweltschutz (USG) vom 7. Oktober 1983 ist das Vorsorgeprinzip direkt ableitbar: Eine Anlage (z.b. ein Abbauvorhaben) soll im Sinne der Vorsorge vor Inbetriebnahme auf ihre Umweltauswirkungen geprüft werden. So kann sie durch allfällige Massnahmen und Projektanpassungen präventiv verbessert werden. - Verursacherprinzip: Gemäss Verursacherprinzip muss die Abbauindustrie dafür sorgen, dass ihre Werke keine übermässigen Umweltbelastungen verursachen. Der Aufwand, welcher durch die Untersuchungen zur UVP entsteht, ist ebenfalls vom Besitzer der zu prüfenden Anlage zu tragen. - Prinzip der ganzheitlichen Betrachtungsweise: Gemäss Art. 8 USG sind Umwelteinwirkungen einer Anlage sowohl einzelnals auch gesamthaft und in ihrem Zusammenwirken zu beurteilen. - Koordinationsprinzip: Ein Abbauvorhaben braucht heute diverse Bewilligungen (z.b. Bau-, Rodungs-, Gewässerschutzbewilligung). Zudem sind die raumplanerischen Voraussetzungen zu schaffen. Der Bund (bei Vorhaben in Bundeskompetenz) und jeder Kanton betreiben eine Stelle, welche die verschiedenen Bewilligungsverfahren zu koordinieren hat. Dies hat den grossen Vorteil, dass der Antragsteller auf sein Gesuch eine Antwort erhält, welche vereinfacht gesagt alle benötigten Bewilligungen und Auflagen enthält. 1.5 Die wichtigsten gesetzlichen Grundlagen Gemäss Art. 24, Abs. 1 des Bundesgesetzes über die Raumplanung (RPG) vom 22. Juni 1979 können Rohstoffabbaugesuche, die ein Gebiet ausserhalb der Bauzonen betreffen, nur bewilligt werden, wenn der Zweck der Bauten oder Anlage diesen Standort erfordert (Standortgebundenheit) und dem Bauprojekt keine überwiegenden Interessen entgegenstehen.in der Regel werden heute kleinen Abbauvorhaben für den lokalen Gebrauch nur noch Ausnahmebewilligungen gemäss Art. 24 erteilt. Für grosse Abbauvorhaben werden je nachkantonalem Instrumentarium entweder im Rahmen des Zonenplanverfahrens Abbauzonen ausgeschieden, oder es wird über das Abbaugebiet ein Sondernutzungsplan festgesetzt. Finanzielle Interessen wie die möglichst einträgliche Nutzung des Bodens gelten nicht als wichtige Gründe. Bundesgesetz über den Umweltschutz (USG) Verordnung über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPV) Bundesgesetz über den Schutz der Gewässer (GSchG) Bundesgesetz über die Fischerei (FG) Bundesgesetz über die Förderung der Landwirtschaft und die Erhaltung des Bauernstandes (LG) Bundesgesetzes über den Wald (WaG) Bundesgesetz über den Natur- und Heimatschutz (NHG) alle Gesetze können über die Internetseite des Bundes bezogen werden: ->

11 RdE 7 2 Metallische Erzlagerstätten (Ch. Heinrich) 2.1 Übersicht, Ziele, Vorgehen Lehrziel dieses Veranstaltungsteils (Kapitel 2): Kenntnis der wichtigsten Typen metallischer Erzlagerstätten auf der Basis eines Verständnisses der geologischen, geochemischen und geotektonischen Prozesse, welche zusammen zur Anreicherung seltener Elemente in wirtschaftlich abbaubaren Mengen und Konzentrationen führen. Ziel der Übungen ist das Erkennen und die genetische Interpretation von Erzproben und ihrer Mineralogie Material für Übungen (bitte jeweils mitbringen): Verteilte Tabellen zu Lagerstättentypen und Mineralbestimmung (evtl. zusätzlich Dietrich und Oberholzer s Tabellen zum Mineral- und Gesteinsbestimmen (vdf) oder Buch von Matthes) sowie Lupe, Kratzer und Magnet. Zur Rekapitulation der wichtigsten Erzmineralien und Gangarten sowie ihrer Erkennungsmerkmale stehen Übungssammlungen und Ausstellungen von focusterra (ETH Zürich, NO Gebäude) zur Verfügung. 2.2 Wirtschaftlichkeit von Erzen = chemische Anreicherung + Mineralogie Die Elemente der metallischen Rohstoffe sind mit Ausnahme von Fe, Al und Ti in der Erdkruste als Spurenelemente in Konzentrationen von normalerweise unter 0.1% in gesteinsbildenden Mineralien (Silikate, Karbonate, Phosphate) vorhanden. Sie können nicht wirtschaftlich gewonnen werden, weil die dazu erforderliche Energiemenge und der benötigte Landbedarf zur Zeit unakzeptabel hoch sind. Nutzbare Spurenelemente können aus Erzlagerstätten gewonnen werden, weil sie durch geologische Prozesse in hohen Konzentrationen angereichert sind und meist in eigenen Mineralphasen auftreten. Die Definition einer Erzlagerstätte beruht auf der Beurteilung heutiger Wirtschaftlichkeit, wobei «wirtschaftlich» nicht nur Investitionen bis zur Umwelt-Rehabilitation, sondern oft auch soziale Kosten (z.b. Erhaltung von Arbeitsplätzen) oder politischvolkswirtschaftliche Überlegungen einschliesst (z.b. Export von Erzen oder Metallen ist eine wichtige Devisenquelle). Beispiel: Kupfer für die Schweiz Quiz Frage 1: Schweizer Jahresverbrauch an Cu (100 % importiert)? Antwort:... t Frage 2: Falls Cu aus normalen Oberflächengesteinen gewonnen werden müsste: Jährlicher Abtrag einer Schicht vom Stadtgebiet Zürichs (92 km 2 )? Antwort:... m Schichtdicke. Frage 3: Gewinnung aus typischem Erz: Tonnage; typischer Metallgehalt? Antwort:... t;... % Jährlicher Abtrag einer Schicht vom Stadtgebiet Zürichs (92 km 2 ) Meter? Antwort:... m Schichtdicke. Zum Vergleich: Schweizerische Verbrauch von Zement ca. 4.5 Mio. Tonnen pro Jahr, davon 90% in der Schweiz produziert. Tabelle 2A: Landverbrauch für Gewinnung mineralischer Rohstoffe Welt, pro Jahr, km Braunkohle Sand und Kies Steine, Zement Ton Phosphat Kupfererz Eisenerz Uran Rest Welt, kumulativ % der Landfläche USA Landverbrauch, Vergleich km 2 Rohstoffgewinnung 3700 (= 0.2 % der Landfläche) Flugplätze 2500 Autobahnen Nationalparks Wertschöpfung im Vergleich 1 km 2 x 10J. Cu-Mine ~ 1 Mrd US$ 1 km 2 x 10J. Getreideanbau ~ 1 Mio US$ Erzlagerstätte = heute mit wirtschaftlichem Gewinn nutzbares, natürliches Vorkommen von einem oder mehreren Metallen Abb. 2.1: Energieverbrauch der Kupfergewinnung, als Funktion von Mineralogie und Metallgehalt von Gesteinen (Saager, Bank Vontobel, 1984, nach B. J. Skinner).

12 RdE 8 Tabelle 2B: Erzgehalte heute wirtschaftlicher Lagerstätten und Anreicherungsfaktoren verglichen mit Durchschnittskonzentrationen in der Kruste Element Erzgehalt Kruste Faktor Beispiele weltgrösste Lagerstätten Anreicherung als * Formel Name/Lokalität (Land; Erztyp/Entstehung) Oxide und Silikate (vorwiegend lithophile Elemente) Sulfide (vorwiegend chalcophile Elemente) Elemente (gediegen; siderophil ) typisch (Gew.%, ppm) Durchschnitts- Konzentration (ppm) Anreicherung Gesamt-menge Erz (t abgebaut + Reserven) Grade (Erzgehalt) Fe 64% 52' Mount Whaleback (Australia; angereicherter BIF) >1800 Mt 65.0% Al 24% 84'200 3 Weipa (Austarlia; lateritischer Bauxit) 149 Mt 28% Ti 8% Lac Tio (Canada; mafische Intrusion, Ilmenit) >125 Mt 25% P 10% Meade Peak Member (USA; marin-sedimentär) > 1011 Mt 10% V 0.2% Bushveld Complex (RSA, Layered Mafic Intrusion) 50 Mt 0.8% Cr 16% 135 1'200 Bushveld Complex (RSA, Layered Mafic Intrusion) 2700 Mt 19% Rb 0.5% Tanco (Canada; Pegmatit) 0.5 Mt 1.0% Nb 0.19% Seis Lagos (Brazil; Alkali-Magmatite & Karbonatit) 2898 t 2% Eu 0.13% 1.1 1'200 Bayan Obo (China; Karbonatit (?)) 750 Mt 4.1%* W 0.33% 1 3'300 Shizhuayan (Skarn, China) 270 Mt 0.22% Ta 0.18% 0.7 2'600 Tanco (Canada; Pegmatit) 2.07 Mt 0.18% Zn 8.7% 72 1'200 Broken Hill (Aus; sedimentär-exhalativ, metam.) 284 Mt 11% Ni (s) 1.3% Sudbury (Ontario, Canada; Jinchuan, Baijiazuizi (China) 515 Mt 1.1% Cu 0.5% El Teniente (Chile; Kupfer-(Mo)-Porphyr) 2850 Mt 1.3% Cu 2.3% Lubin (Poland; sedimentär-diagenetisch) Mt 2.0% Pb 4.7% 11 4'300 Broken Hill (Aus; sedimentär-exhalativ, metam.) 160 Mt 10.0% Mo (s) 0.2% 0.8 2'500 Climax (USA:mag-hydrotherm. Molybdänporphyr) 769 Mt 0.22% Ag 160 g/t '900 Cerro Rico de Potosi (Bolivia; subvulkan. Adern) 985 Mt 116g/t In 24 g/t Kidd Creek (Canada; VMS) 134 Mt 50g/t Hg 10% '000 Almaden (Spain; epithermale Adern) 40 Mt > 1% Pt 3 g/t '000 Bushveld Complex (RSA, Layered Mafic Intrusion) 9815 Mt 2.3g/t Au 1.5 g/t '200 Muruntau (Uzbekistan; Aderschwarm, Tagebau) 2200 Mt 2.4g/t Au 5 g/t '000 Witwatersrand Basin (RSA; sed. Seifenlagestätte) >104 Mt 5g/t *Summe REE-Oxide Erzkonzentrationen, Anreicherungsfaktoren und Daten zu einzelnen Lagerstätten aus verschiedenen Quellen, Werte ändern sich zeitlich und sind oft nur grob bekannt, z. B. London Metal Exchange. Grenzen wirtschaftlicher Abbauwürdigkeit abhängig von Abbauverfahren, z. B. Witwatersrand Goldminen untertage bis 3.5km tief, Muruntau Tagebau und bulk mining. *Geochemisches Verhalten nach V. M. Goldschmidt: Lithophile Elemente lieben silikatische Gesteine (v. a. in Kruste und Mantel angereichert); chalcophil = liebt Schwefel bzw. Sulfide; siderophil = eisenliebend (v.a. im Erdkern angereichert). Die mit «s» gekennzeichneten Elemente werden in der Geochemie als siderophil bezeichnet, weil sie global im metallischen Erdkern angereichert sind, der aber für die Anreicherung nutzbarer Erzlagerstätten in der Kruste faktisch abgekoppelt ist. Tabelle 2C: Minenproduktion von Erzen und Metallen. Weltproduktion - zeitliche Zunahme seit 1970 Jahr Fe-Erz Mn Al-Erz Cu Zn Pb (Mt Erz) (Mt Mn) (Mt Bauxit) (Mt Cu) (Mt Zn) (Mt Pb) Wichtigste Produzentenländer 2008 Fe-Erz Bauxit Cu Zn Pb Australien China Russland Brasilien Indien USA Chile Peru Andere Quelle: US Geological Survey, 2009, Mengen in Mio Tonnen / Jahr, Erzmengen für Fe, Al; Metallmengen für Cu, Zn, Pb) Vergleiche dazu auch die Figuren 1.5 bis 1.7 aus A.M.Evans: Ore Geology and Industrial Minerals, an Introduction, Blackwell Scientific Publications. Neuere Zahlen aus Metals & Minerals, Annual Review.

13 RdE 9 Tabelle 2D: Verbrauch von Industriemetallen (Mt Metall/Jahr) Fe Al Cu Zn Pb Weltverbrauch 2008/ Regionen 1993: Europa Schweiz USA + Kanada Amerika (Rest) Asien (Japan ca. 30%) Australien/Ozeanien Afrika (RSA ca. 50%) Geografische Verteilung ist nicht eindeutig: Schätzungen variieren je nach Definition, wie Export von Halbprodukten (z. B. Cu zur Drahtherstellung) vs. Endverbrauch (z. B. im Bau verwendete Kabel) Regionale Anteile für Fe und Al sind ähnlich wie für Basismetalle Cu, Zn, Pb. Zunahme in allen Ländern, aber überproportional in Asien wegen Wachstum in China, Indien, Korea. Schätzungen nach verschiedenen, laufend angepassten Quellen z.b und anderen. Tabelle 2E: Gold als Münz-, Schmuck- und Spekulationsmetall (t/jahr) Au Angebot Minenproduktion Minenproduktion (2008)Total Offizielle Nettoverkäufe 246 China 295 Altgold 1215 Südafrika 250 USA 230 Au Nachfrage (2008) 3805 Australien 225 Schmuck 2186 Peru 175 Elektronik 293 Russland 165 Übrige Industrie 87 Kanada 100 Zahnmedizin 56 Indonesien 90 Barren 392 Usbekistan 85 Münzen 192 Ghana 84 Medallien und ähnliche 70 Papua Neuguinea 65 Weitere Privatkäufe 210 Chile 42 Exchange Traded Fonds Mexiko 41 Brasilien 40 Differenz Uebrige Nach 2009 World Gold Council und GFMS Ltd, Zahlen für US Geological Survey, 2009, Mineral Commodity Summary 3 Goldkonten und Fonds bei Banken ohne physisches Gold im Tresor 4 Weitere Quellen, die bei WGC nicht aufgeführt sind, entsprechen etwa der Differenz zur geschätzten Minenproduktion nach USGS (? Abbau durch informelle «Firmen»/Graumarkt?) Faktoren zur Wirtschaftlichkeit von Erzvorkommen Geologische Faktoren (s. Abb. 2.2): - Metallgehalt (ore grade) - Grösse des Vorkommens (reserves) - Form des Erzkörpers ( > Abbaumethode, open cut oder underground) - Lage des Erzes ( > Abbaumethode, stripping ratio = waste /ore) - Mineralogie und Gefüge ( >Aufbereitung: mechanische und chemische Eigenschaften) Geographische Faktoren - Erschliessungsgrad (Verkehr, Energie) - Transportdistanzen - Lage und Klima Politische Faktoren - Bergbau- und Steuergesetze - Umweltauflagen für Betrieb und Rehabilitation - Innenpolitische Stabilität: Risiken für Firma (Expropriation) und Belegschaft Rohstoff- Markt - Metallpreise - Grösse des Markts (Gesamtverbrauch) - Produktionskosten im Vergleich zu denen von konkurrierender Produzenten Diese Faktoren sind bereits bei beginnender Exploration von grosser Bedeutung (Investitionsrisiko < > Chance für Rehabilitation von Altlasten, cf. «Mining for Closure») Kosten im Verlauf der Nutzung einer neuen Lagerstätte umfassen: - Explorationskosten - Kosten von Pilotstudien (Erzaufbereitung, Metallextraktion) - Investionskosten (Schächte, Tagebau-Oeffnung, Aufbereitungsanlagen, Verzinsung) - Betriebskosten einschliesslich Energie - Schliessungskosten Grade & Tonnage sind die zwei wichtigsten geologischen Faktoren, welche die Wirtschaftlichkeit bestimmen. Zum Vergleich werden häufig Tonnage (Erzreserve) gegen Metallgehalt (Grade) logarithmisch aufgetragen: 45 -Linien zeigen den Gesamt- Metallvorrat. Bestimmte Erzlagerstättentypen zeigen charakteristische wirtschaftliche Parameter (Abb. 2.2). 2.3 Erzmineralien und Gangarten Erze sind Gesteine, welche meist zusammengesetzt sind aus Erzmineralien (ore minerals) Gangarten (gangue minerals) Nebengestein (wall rock) Primäre Erzmineralien umfassen Elemente in gediegener Form, z.b. Au, (Ag), Pt, (Hg, Bi) Legierungen z.b. Elektrum AuAg Sulfide: z.b. Pyrit, FeS 2, Magnetkies FeS, Pentlandit (Fe,Ni) S, Zinkblende ZnS, Bleiglanz PbS, Kupferkies CuFeS 2, Molybdänglanz MoS 2, u.v.a. Arsenide, Telluride, Selenide sind in der Regel wertlose oder gar unerwünschte (As!) Begleiter von Sulfiden Oxide: z.b. Hämatit Fe 2 O 3, Magnetit Fe 3 O 4, Chromit (Fe,Mg)(Fe,Al,Cr) 2 O 4, Ilmenit FeTiO 3, Rutil TiO 2, Zinnstein SnO 2, Hausmannit Mn O, Uraninit U O, Nb- und Ta-Oxide in Pegmatiten Silikate: Li in Pegmatiten, Zr in Zirkonseifen Wolframate und Phosphate: Wolframit (Fe,Mn)WO 4, Scheelit CaWO 4, REE-Phosphate Spurenmetalle wie In, Ga, Ge, Cd bilden nur ausnahmsweise eigene Sulfide. Sie treten als Spurenkomponenten z.b. in Zinkblende auf und werden als Nebenprodukte gewonnen. Silber wird vorwiegend aus Bleiglanz (Solid Solution ca ppm Ag in PbS) gewonnen.

14 RdE 10 Sekundäre Erzmineralien entstehen bei der Verwitterung (Oxidation, Hydrolyse) und umfassen neben Elementen in gediegener Form (z.b. Kupfer) und sekundären Sulfiden (z.b. Chalcosin) eine grosse Zahl von Karbonaten (z.b. Malachit), Sulfaten etc. Gangarten sind meist wertlose, zusammen mit Erzmineralien in Adern ausgefällte Mineralien: Quartz, Silikate: Alkalifeldspäte, Chlorit, Turmalin Karbonate: Calcit, Ankerit, Dolomit, Siderit, Rhodrochrosit Sulfate: Anhydrit, Baryt BaSO 4 Fluoride: Fluorit CaF 2. Fluorit und Baryt werden je nach Vorkommen als wirtschaftliches Erzmineral oder als Gangart abgebaut, Siderit als historisch wichtiges Fe-Erz (z.b. Steirischer Erzberg). Abb. 2.2: Die Goldlagestätten Südafrikas (Archaisches Witwatersrand Becken; vermutlich Paleo- Seifen) sind einmalig hoch in Erzgehalt wie auch an Vorräten (D. Singer, USGS). Kupferporphyre gehören zu den nächstgrössten Goldlagerstätten, doch ist das Gold nur in grossen Tagebauen als Nebenprodukt gewinnbar. Aderlagerstätten (epithermal und sediment-hosted) können gleich viel Gold enthalten, sind aber meist reicher und können darum auch unter Tage abgebaut werden. Bestimmung von Erzmineralien Die wichtigsten Erzmineralien lassen sich nach Glanz (metallisch/halbmetallisch) Farbe Strichfarbe und Härte sowie Spaltbarkeit wie folgt bestimmen: Metallisch glänzend, Farbe bleigrau Molybdänit und Bleiglanz (Galenit): Molybdänit blättrig und weich (Strich auf Papier), grauer Strich auf Porzellanplatte wird bei Verreiben mit zweiter Platte schmutzig-olivgrün; Bleiglanz mit würfeliger Spaltbarkeit, schwer, rein bleigrauer Strich. Metallisch glänzend, Farbe weiss bis gelblich Strich: Diese haben alle einen +/- schwarzen Strich; er ist also nicht diagnostisch (Hinweis: elementares Gold hat einen gelbmetallischen Strich). Härte: Arsenopyrit und Pyrit hart (~5½ - 6), Chalkopyrit und Pyrrhotin weich (3-4), Pyrit und Arsenopyrit unterscheiden sich meist deutlich in der Farbe (Pyrit messinggelb, Arsenopyrit zinweiss/gelblichweiss) oder wenn vorhanden in der Kristallform. Magnetismus: hilft die Minerale mit Härte 3 bis 4 zu unterscheiden, Pyrrhotin (Magnetkies) ist meist schwach magnetisch und hat eine deutlich bräunliche Farbe, während Kupferkies (Chalkopyrit) intensiv messinggelb und nicht magnetisch ist. Schwarz, dunkelgrau, dunkelbraun; metallisch bis halbmetallisch glänzend Härte: eine Gruppe von Mineralien (Magnetit, Hämatit, Ilmenit, Chromit, evtl. Rutil) ist hart (~5-6), und alle können sehr ähnlich aussehen -> weiter mit Strich und Magnetismus; Pyrolusit ist meist weich und deutlich strahlig ausgebildet, weich und russig an den Fingern; Cassiterit (Zinnstein) ist meist eher bräunlich, mit +/- deutlichen Innenreflexen, sehr hart (~7) und sehr schwer; Zinkblende durchsichtig braungelb bis undurchsichtig braunschwarz, -> Härte 3 bis 4 ist dia gnostisch, siehe auch Strich, Spaltbarkeit. Strich: Magnetit reinschwarz, Ilmenit meist auch, manchmal ins bräunliche (-> Unterscheidung über Magnetismus), Hämatit deutlich rotbraun, Chromit schmutzigbraun, Rutil sehr blass, Zinkblende meist blassbraun. Magnetismus: Magnetit stark, Ilmenit und Hämatit manchmal schwach magnetisch. Spaltbarkeit: sehr gut bei Zinkblende, Ilmenit zeigt manchmal einen charakteristisch unebenen Bruch. 2.4 Geologische Begriffe zur Beschreibung von Erzlagerstätten Form von Erzlagerstätten - Schichtförmig (stratiform): die Lagerstätten sind schichtkonkordant zur sedimentären Schichtung, oder zur Stoffbänderung magmatischer Gesteine bedingt durch fraktionierte Kristallisation und Kumulatbildung - Schichtgebunden (stratabound): die Lagerstätten treten als Körper innerhalb einer Schicht oder eines Schichtpaketes auf, wurden aber nach der Schichtablagerung gebildet - Aderförmig (vein-type): Adern sind mehr oder weniger ausgefüllte Spalten (of diskordant zum Nebengestein) deren Mine-

15 RdE 11 ralinhalt von durchfliessenden wässrigen Lösungen ausgefällt worden ist - Stockwerkartig (stockwork): Die Mineralisation bildet im Gestein ein Netzwerk von Adern. - Schlauchförmig (pipes), z.b. Brekzienkörper, oder schlauchförmige Erzkörper an zwei sich schneidenden Störungszonen - Mantos (± horizontal gelagerte Schläuche) - Unregelmässige Erzkörper (Skarnerzkörper, Verdrängungserze) - Scherzonen-gebunden (shear-hosted), z.b. mesothermale Au- Lagerstätten an Scher- und Störungszonen - Disseminiert: bezieht sich auf die Textur eines Erzes, d.h. mehr oder weniger fein verteilte Erzmineralien oder Erzäderchen in einem Gestein. Syngenese - Epigenese. Syngenetische Lagerstätten sind solche, in denen die Metallanreicherung gleichzeitig mit der Bildung des Nebengesteins erfolgt: z.b. Magmatische Lagerstätten, die während der Kristallisation eines Magmas entstehen, oder sedimentäre Lagerstätten, in welchen Metallsulfide durch chemische Ausfällung am Meeresboden abgelagert werden. Epigenetische Lagerstätten sind jünger als das Nebengestein. Aus Lösungen, welche in Störungszonen, Kluftsystemen oder in porösen Gesteinen zirkulieren, werden Metalle ausgfällt und zu Lagerstätten konzentriert. Paragenetische Abfolge (= engl. paragenesis; im Gegensatz zu dt. Paragenese = mineral assemblage). Unter paragenesis versteht man die zeitliche Abfolge von Mineralausscheidungen, z.b. Überwachsung in Adern, Verdrängung bei der Bildung von Pseudomorphosen Ore control (Erz-Kontrolle). Unter diesem Begriff versteht man das bevorzugte Auftreten von Lagerstätten, Erzkörpern oder auch Reicherzzonen, in Funktion eines geologischen Parameters, wie z.b. Fazies-Grenzen, zwei sich kreuzenden Störungszonen, Faltenscheiteln, lithologischen Grenzen, Intrusionskuppeln etc. Von grosser Bedeutung für die Exploration. Halo. Unter einem primären Halo wird das chemisch/mineralogisch veränderte Umfeld einer Lagerstätte bezeichnet, z.b. hydrothermale Nebengesteinsveränderung bei porphyrischen Lagerstätten, oder laterale chemische Anomalien um syngenetisch-sedimentäre Vererzungen. Von diesen primären Halos unterscheidet man sekundäre Halos, als Folge der Dispersion von Komponenten aufgeschlossener Erzkörper im Oberflächenbereich (Erosion, mechanischer oder chemischer Transport durch Grund- und Oberflächenwässer). Beide sind in der Explorationspraxis wichtig, weil sie das Prospektionsziel vergrössern helfen. Hangend (hanging wall) bedeuted über dem Erz, liegend (=footwall) bedeutet unter dem Erz anstehend. Eiserner Hut (gossan). Bei langdauernder Verwitterung Fereicher Sulfiderze entstandener, meist verhärteter Körper aus Fe-Hydroxiden, -Oxiden und anderen Sekundärmineralien. Aehnliche Fe-Hydroxidkörper und -krusten können aber auch durch Verwitterung normaler Fe-reicher Magmatite entstehen. Texturen und Spurenelement-Geochemie erlauben meist, solche Pseudo-Gossans von Verwitterungsprodukten echter Sulfidvererzungen zu unterscheiden. Früher wichtigster Prospektionsindikator, heute erfolgen die meisten grossen Entdeckungen unter Überdeckung (blind orebodies), meist mit Unterstützung durch geophysikalische Methoden. 2.5 Genetische Klassifikation von Erzlagerstätten Rohstoff-Lagerstätten sind nicht zufällige «Anomalien», sondern bilden sich als integrale Teile der dynamischen Erde. Erzlagerstätten sind wiederkehrende Produkte ähnlicher Zusammensetzung an verschiedenen Orten der Erde, meist geknüpft an bestimmte plattentektonische Milieus. Sie reflektieren aber auch die langfristige globale Entwicklung der Erde, namentlich von Klima und Atmosphärenzusammensetzung. Daher benützt man die Gemeinsamkeiten der Bildungsprozesse als Grundlage zu einer genetischen Klassifikation gemäss den folgenden drei Prozess-Faktoren: Geotektonischer Rahmen der Lagerstättenbildung - Ozeanischer Bereich (Ophiolitkomplexe): z. B. Chromit in (ultra)mafischen Magmatiten; Cu und Zn in hydrothermalen Lagerstätten; Mn in Sedimenten und als Knollen und Krusten - Inselbögen: Sn-Erze (kontinentalseitig); porphyrische Cu-Mo und epithermale Au-Erze (kalkalkalische Vulkane); polymetallische vulkanogene Massivsulfide (Back-arc Becken) - Schelfbereich: Pb-Zn-Lagerstätten in Karbonaten ; Banded Iron Formations (BIF); Strandseifen (Zr, Ti, REE); auch Erdöl/Erdgas; - Stabile Kratone und intrakratonische Rifte: Karbonatite, Kimberlite; grosse layered mafic intrusions mit Ni, PGE, Cr, V; Bauxit und andere Residuallagerstätten langzeitlicher kontinentaler Verwitterung; Cu, U in Sedimenten von Riftbecken. Typische Element- und Mineral-Vergesellschaftungen - z.b. Au oft mit Te, As; oder Pb + Zn meist zusammen angereichert (warum?) - Gleiche Erztypen zeigen wiederkehrende typische grades vs tonnage. Z.B. sind Gangvererzungen meist klein aber oft sehr reich, porphyrische Lagerstätten dagegen gross mit etwas geringerem Anreicherungsgrad (s. Abb. 2.2). Prozess und Transportmedium der Metallanreicherung Erzbildung ist immer eine Kombination von chemischer Aulösung und Wiederausfällung von Mineralen, verknüpft mit grossräumigem Materialtransport durch Oberflächenwasser, hydrothermale Fluide und/oder magmatische Schmelzen. Demnach sind diagnostisch: - Art und Zusammensetzung des für selektive Anreicherung nötigen Tranportmediums? - Wie werden Metalle in Lösung gebracht, transportiert und ausgefällt? - Herkunft der Metalle, des S, des Wassers? - Bildungsbedingungen von Lagerstätten (Druck, Temperatur, Redoxbedingungen)? - Alter der Lagerstättenbildung? ([ Laboruntersuchungen) Die genetische Klassifikation in drei grosse Gruppen (Tab. 3, Abb. 2.3): Magmatische Lagerstätten, Hydrothermale Lagerstätten und Lagerstätten der Erdoberfläche ist nicht scharf oder eindeutig, und ein Verständnis der Grundprozesse ist wichtiger als die Klassifizierung an sich. Chemische Reaktions- und Transportprozesse im Oberflächenbereich der Erde gehen kontinuierlich in die hydrothermalen Prozesse über, auch sind Prozesse wie die Bildung von Banded Iron Formations im Detail umstritten.

16 RdE 12 Tabelle 3: Genetische Klassifikation der global wichtigsten Erzlagerstätten-Typen Tabelle 3: Genetische Klassifikation der global wichtigsten Erzlagerstätten-Typen (Modifiziert nach Heinrich & Candela, (Modifiziert Treatise in Geochemistry, nach Heinrich ed. & 2, Candela, 2013; vgl. Treatise Abb. 2.3) in Geochemistry, ed. 2, 2013; vgl. Abb. 2.3) Prozess / Transportmedium Lagerstättentyp Haupt- / wichtige Hauptproduzenten Quelle für * A. MAGMATISCHE ERZLAGERSTÄTTEN ('orthomagmatic ore deposits'): Elementanreicherung in einer silikatischen (oder karbonatischen) Schmelze bei hoher Temperatur, meist ohne essentielle Beteiligung wässriger Fluide Kristallisation aus Magma Chromit in (ultra-)mafischen Itrusionen Cr RSA, Indien, Kasachstan (Bushveld = mafisch, Ural = Peridotite ) V-Magnetit in mafischen Intrusionen V, Ti (Fe) Can, RSA, GUS Sulfidschmelze entmischt Ni-Sulfidlagerstätten in mafischen In/Extrusiva Ni PGE (Cu) Canada, GUS, Aus aus Silikatschmelze (Kambalda; Sudbury, Canada) PGE-Sulfidlagerstätten in mafischen Intrusionen Pt, Pd, Rh.. (Au) RSA, GUS (Merensky Reef Bushveld, RSA ) Spezielle Mantel-Partialschmelzen Karbonatite (Bayan Obo; Palabora) REE = Seltene Erden China, RSA, USA Nb, Ta Th, Zr, P Kimberlite, Lamproite Diamant RSA, Aus, GUS Magmatische Fraktionierung: Pegmatit-Lagerstätten granitische Restschmelzen Li, Be, Nb, Ta Bras, Can., GUS B. HYDROTHERMALE LAGERSTÄTTEN im weitesten Sinn: Elementanreicherung durch selektive Auflösung, Transport und Ausfällung in wasserreichen Fluiden; Unterteilung nach Herkunft des Wassers als Transportmedium) Fluid-Sättigung eines Porphyrische Lagerstätten ('Cu, Mo porphyries') Cu; Mo Au Chile, USA H 2 O-haltigen Magmas: Sn-W-Adern und Greisen-Lagerstätten Sn, W (Cu, Pb, Ag) GUS, China, Bolivien Magmatisch-hydrothermale L. Skarn-Lagerstätten = Karbonatverdrängung W, Cu, Au China (W als Scheelit) Kont. Geothermalsysteme Epithermale Gänge und Hydrothermalbrekzien, Au, Hg (Ag, Pb, Zn) USA, E-Pazifik ± magmatisches Fluid besonders in Inselbogen-Vulkaniten GUS, Span., Chin. Metamorphe Fluide Mesothermale Gold-Quarz-Gänge Archaische Au Can, Aus, GUS ( orogenic deposits') Greenstone Belts (Kalgoorlie ) bis junge Orogene Brasilien, Usbekistan Meerwasser: Ozeanische Erze Vulkanogen-Exhalative Massivsulfide = 'VMS' Cu, Zn (Pb, Au, Sn) Canada (Archaisch), Mittelozeanische Rücken = 'black smokers' Spanien/Portugal (Pz) Back-Arc-Becken: polymetallische Erze Kuroko W-Pazifik (jung/aktiv) Präkambr. Banded Iron Formations (Itabirite) Fe Aus, Bras, GUS, RSA Sedimentäre Mn-Erze Mn RSA, GUS, Aus Manganknollen und -krusten in Tiefsee-Sedimenten (Potentiell Ni, Co, Cu, Mn...) 'Basin Brines' Oberflächenwasser Sedimentär-diagenetische Cu±Co Erze Cu, Co Zambia, Zaire, Polen + evaporitisches Salz (± Oel/Gas) (z. B. 'Kuperschiefer' und 'red bed Cu deposits') in sedimentären Becken Stratiforme Pb-Zn-Ag-Lagerstätten Pb, Zn, Ag Can, Aus (Irland) ('sedex' = sedimentär-exhalativ bis diagenetisch)...mit allen Uebergängen zu... Mississippi-Valley-Typ Pb-Zn = epigenetische Pb, Zn, Cd (F) USA (Bleib'g A) Verdrängung in Karbonaten ± Sandsteinen Oxidierte Oberflächenwässer Uran in Sandsteinen ('roll-front U deposits') U, V USA Ader- und 'unconformity-related U deposits' U (Au, Pd, Pt) Can, Aus, F C. LAGERSTÄTTENBILDUNG AN DER ERDOBERFLÄCHE, IM KONTAKT MIT HYDRO- UND ATMOSPHÄRE Mn-Knollen und Banded Iron Formations, evtl. Uran in Sandsteinen, können auch zu dieser Klasse gerechnet werden (Abb. 2.3) Sekundäre Anreicherung durch Supergene Reicherz-Zonen über primären Cu Arizona, Chile u.a. (partielle) Sulfid-Oxidation Sulfidlagerstätten (Porph. Cu, VMS, Au...) auch BIF > Fe-Erz Aus, Bras, GUS, RSA Chemischer Wegtransport anderer Residuallagertätten: - Bauxit Al, Ga Aus, Guinea, Jamaica mobiler Elemente - Ni-Laterite; Bohnerz Fe Ni (Fe historisch) Neukaledonien Mechanische Anreicherung: Seifen-Lagerstätten ('placers') Fluss-Seifen Sn, Ta, Au Malay., Thail'd, Indon. Fliessgewässer ± Wind Strandseifen: Schwermineral-Sande Ti, Zr, REE Aus, Indien Fossile Seifen: Witwatersrand-Konglomerate Au, U RSA, Brasilien * Fett = wichtigster Lagerstättentyp; Normalschrift = wesentlicher Beitrag zu Weltproduktion; (..) = assoziierte Elemente / Nebenprodukte

17 RdE 13 Intra-Platten Magmatismus und Riftsedimentation MOR - Vulkanismus Orogene Metamorphose Subduktionszonenmagmatismus Ablagerungsbecken Kontinentale Verwitterung und Erosion C2 B6 B2 B1 A5 A1 - A4 C4 B4 A1 B2 B3 B6 B5 C1 Continental Crust C2 C3 Lithosphere Oceanic Crust Asthenosphere Kontinentales Rifting Kontinent - Ozean Kollision aktiver Kontinentalrand Sea floor spreading passive Plattengrenze Kontinent - Kontinent Kollision Kontinent Passiver Kontinentalrand A: Magmatische Erzlagerstätten A1. Chromit in (ultra-) mafischen Kumulaten in layered intrusions und Ophioliten A2. V-Magnetit in mafischen Intrusionen (V, Ti) A3. Pegmatite (Li, Cs, Be, Nb, Ta) A4. Ni- und PGE-Sulfidlagerstätten in mafischen Intrusionen und Flutbasalten A5. Karbonatite (REE) und Kimberlite (Diamant) B: Hydrothermale Erzlagerstätten C: Lagerstättenbildung an der Oberfläche B1. Porphyrische (Cu, Mo) und C1. Residuallagerstätten: epithermale (Au, Ag, Hg) Lagerstätten Bauxit (Al), Ni-Laterite B2. Sn-W-Adern und Greisen in Graniten C2. Seifen-Lagerstätten (Sn, Ta, Au, U) und sekundäre Anreicherung (Cu, Fe) B3. Orogene ( metamorphogene ) Gold-Quarz-Gänge C3. Schwermineral-Sande (Ti, Zr, REE) B4. Vulkanogen-exhalative Massivsulfide (Cu, Zn) - C4: ozeanische Manganknollen (Mn, Co, Ni...) B5. Mississippi-Valley- und Sedex-Typ (Pb, Zn, Cd, Cu, Co) Lagerstätten B6. Rollfront and Diskordanz-gebundene U(V, F, Mo, Au, PGE) Lagerstätten Abb. 2.3: Globale Typen von Erzlagerstätten, klassifiziert nach drei grundlegenden geologischen Prozessen selektiver Element-Anreicherung, welche durch Geodynamik und plattentektonisches Umfeld sowie Klima und Atmosphärenentwicklung bestimmt werden (vgl. Tabelle 3; nach Heinrich & Candela, TOG-2, 2013, und Groves et al., Econ. Geol. 2005). 2.6 Experimentelle Untersuchungsmethoden Hier folgt eine Zusamenfassung der wichtigsten Beobachtungsund Analysenmethoden, welche zum heutigen Verständnis erzbildender Prozesse beitragen. Optische Mikroskopie Auflicht (Reflexion) und Durchlicht (Transmission; Dünnschliffe) Identifikation der Mineralphasen, Reaktionsgefüge, Gleichgewichtsgefüge, Ausscheidungsfolgen. Mikroskopische Erfassung der paragenetischen Ausscheidungsfolge (s. oben) ist nicht nur für die Genese, sondern auch für die Praxis von Bedeutung (Mineralogische Zusammensetzung, Erkennung von unerwünschten Begleitmineralien, Verwachsungen, Korngrösse beeinflusst technische Mineraltrennung). Stabile Isotope Schwefelisotope geben Auskunft über die Herkunft des S (z.b. magmatisch, Meerwasser); Fraktionierung zwischen koexistierenden Sulfiden ist temperaturabhängig, Fraktionierung bei Oxidation/Reduktion des S. D/H und 18 O/ 16 O charakterisieren die Herkunft des Wassers in Hydrothermal-Lösungen (s. 9.3). Die Fraktionierung zwischen koexistierenden O-haltigen Mineralphasen und Fluiden ist temperaturabhängig, daher ist Ergänzung mit Untersuchungen an Flüssigkeitseinschlüssen besonders aufschlussreich. Isotopen-Halos verwendbar als Prospektionshilfsmittel. Radiogene Isotope Pb-Isotopen geben Auskunft über die Herkunft des Pb (Mantel, Unterkruste, Oberkruste; z T. spezifische Herkunfts-Gesteine). Als Prospektionshilfsmittel zur Evaluation von Erzprospekten, z.b. Bestimmung des Lagerstättentyps aus Verwitterungsresten (gossan). Sr-Isotopen, vor allem in Gangarten und Flüssigkeitseinschlüssen, Vergleich mit Nebengestein, Herkunft der Stoffe. Rb-Sr-Altersbestimmungen von Flüssigkeitseinschlüssen. Altersbestimmungen: U-Pb (Uranmineralien, Akzessorien mit U als Neben- resp. Spurenelement) Pb/Pb-Isochronen, K-Ar an Glimmermineralien, Re-Os an Molybdänit, Paläomagnetik: Zeitbestimmung wichtiger Aspekt zur Abklärung der Erzgenese. Flüssigkeitseinschlüsse Petrographische Beobachtung im Dünnschliff (Abb 2.4) erlaubt Einblick in hydrothermale Prozesse und Bildungsbedingungen, namentlich Dichte des Fluids (Volumenanteil Flüssigkeit:Gasblase) Zusammensetzung (Salzkristalle falls Fluid-Salinität >25%; Doppelblase mit zwei Flüssigkeiten in CO2-reichen Fluiden; Koexistenz von Fluid und Erdöl). Erkennen diagnostischer Prozesse für bestimmte Lagerstättentypen, z. B. zwei koexistierende Einschlusstypen hoher und niedriger Dichte zeigen Fluid-Sieden in epithermalen Adern an. Abb. 2.4: Primäre Einschlüsse (P: während des Kristallwachstums eingeschlossen), pseudosekundäre (PS: Rissbildung, ausheilung und Überwachsung) und sekundäre Einschlüsse (S: nach Ende der Kristallisation entstandene und ausgeheilte Risse) erlauben eine Rekonstruktion von Fluidprozessen während der hydrothermalen Erzbildung.

18 RdE 14 Messungen auf Heiz- und Kühltisch-Mikroskop (Mikrothermometrie) geben quantitative Auskunft über P-T-Bedingungen (Isochore = Linie konstanter Gesamt-Dichte des Fluids) sowie chemische Zusammensetzung (Salzgehalt entsprechend NaCl gew.%), durch Vergleich mit experimentellen Phasendiagrammen (Abb. 2.5). Laser-Ablations ICPMS zur Analyse von Elementverhältnissen bestimmt die Konzentrationen von Erz- und anderen Haupt- und Spurenelementen in individuellen Fluideinschlüssen (z. B. Au bis 0.1 ppm). 2.7 Orthomagmatische Erzlagerstätten Unter orthomagmatischen (oft auch einfach «magmatisch» genannten) Erzen versteht man Metallanreicherungen durch direkte Ausscheidung aus einem Magma. Die Definition impliziert keine wesentliche Beteiligung wasserreicher Fluide bei der Metallanreicherung, obwohl Fluide oft gleichzeitig oder später anwesend waren und neueste Untersuchungen eine vielleicht wichtigere Rolle von Hydrothermalprozessen andeuten. Folgende vier magmatischen Prozesse führen zu bedeutenden Rohstofflagerstätten: Selektive Partialschmelzung Sehr geringer Grad (<3%) von Partialschmelzung im Mantel ist verantwortlich für eine primäre Anreicherung seltener lithophiler Elemente in Karbonatiten und Kimberliten (Diamant!). Karbonatite sind P-F-CO 3 -reiche Intrusivgesteine (seltener Extrusiva), die Calcit und/oder Dolomit als primäre magmatische Hauptbestandteile enhalten. Kleine schlot- und gangförmige Intrusionen an beginnenden intrakontinentalen Riftzonen, z.b. Rheingraben, Ostafrika. Wichtige Quelle von schweren Seltenen Erden (Rare Earth Elements = REE), auch Ta, Nb, Hf, u.a. Beispiele Palabora (RSA, siehe 2.7.5); Howards Pass Auskristallisation des Erzminerals aus einer Silikatschmelze und mechanische Anreicherung der Kristalle in einer Magmakammer Abb. 2.5: Prinzip der Mikrothermometrie: Auflösungstemperatur eines Halit-Kristalls (oder des letzten Eises nach Einfrieren) definiert Gesamt-Salinität des Fluids (oben); Verschwinden der Gasblase antlang der Flüssig/Gas-Phasengrenze bestimmt Druck-Temperatur- Bedingungen (entlang steiler Isochore oberhalb 430 C). Labor-Messung von Fluid/Mineral-Gleichgewichten (vgl. Geochemie BSc-Kurs) Experimentelle Messungen von Reaktionsgleichgewichten sind die Basis aller Anwendungen der chemischen Thermodynamik als wichtiges Werkzeug zur Interpretation natürlicher Erzbildungs-Prozesse: Phasendiagramme, Aktivitätsdiagramme, numerische Modellierung komplexer Fluid/Gesteinsreaktionen. Ziel ist ein besseres quantitatives Verständnis der chemischen und physikalischen Bedingungen, welche zur Rohstoffanreicherung erforderlich sind durch Kombination mit Laboruntersuchungen an natürlichen Proben. Mineralgleichgewichte zur Bestimmung von Bildungsbedingungen, z.b. Mikrosondenanalysen des As/S-Verhältnis in Arsenkies (FeAsS) im Gleichgewicht mit FeS 2 + FeS als Geothermometer. Gewisse Paragenesen werden oberhalb einer bestimmten Temperatur instabil, z.b. Pyrit und Arsenkies im Kontakt sind oberhalb 490 C nicht stabil und reagieren zu Magnetkies + Arsenkies + Schmelze. Aktivitätsdiagramme, z.b. ph-eh (oder ph-log fo 2 ) Diagramme zeigen die chemische Stabilität von Mineralien, Ionen und gasförmigen Komponenten im Gleichgewicht mit wässrigen Lösungen, als Funktion von ph und Oxydationspotential. Minerallöslichkeit in hydrothermalen Fluiden: Direkte Bestimmung in Autoklaven oder Berechnung aus thermodynamischen Daten basierend auf potentiometrischen oder spektroskopischen Messungen (siehe Abschnitte und zu Metallöslichkeit und Erzausfällung). Einzige wirtschaftlich bedeutende Quelle für Chrom ist die Anreicherung von Chromit als Kumulat-Lagen in grossen mafischen Intrusionen (intrakratonische «layered mafic intrusions», z.b. Bushveld Complex) und in Peridotiten an der Basis mafischer Intrusionen unter mittelozeanischen Rücken (z.b. Zypern, siehe auch Kapitel 2.8). Ähnlicher Prozess zur Anreicherung von vanadium-haltigem Magnetit (Hauptquelle von V; z.b. Bushveld) und Ilmenit (Ti; Kanada) Entmischung einer Fe-reichen Sulfidschmelze und Absinken von Eisensulfid-Tröpfchen zum Boden einer Magmakammer oder eines grossen Lavastroms (Löslichkeit von S in Silikatschmelzen nur maximal ~0.5 %) Wichtigster Prozess zur Anreicherung von Nickel sowie von Platinmetallen Pt, Pd, Rh, Os, Rh, Ir (PGE = «platinum group elements»), welche bei chemischem Gleichgewicht koexistierender Silikat- und Fe-Sulfidschmelzen bevorzugt in die sulfidische Phase fraktionieren: - PGE und Ni in Layered Intrusions z.b. Bushveld RSA (PGE); Sudbury, Kanada (Ni) - Ni ± PGE in (Ultra-)basischen Lavaströmen, z.b. Kambalda, Noril sk 7.2 und 7.3 erfordern beide ein mechanisches Absinken einzelner Kristalle oder Tröpfchen durch eine weniger dichte Silikatschmelze, was nur bei dünnflüssigen, d.h. heissen, basischen bis ultrabasischen Magmen möglich ist. Diese Mantel-Magmen sind primär Schwefel- wie auch Cr-, Ni- und PGE-reicher als durchschnittliche kontinentale Kruste. Aus Fe- und P-reichen Silikatmagmen können sich auch Fe-Oxidschmelzen entmischen (z.b. Laven von El Laco Sur, Chile). Dieser

19 RdE 15 Prozess wurde als mögliche Erklärung gewisser Fe-Lagerstätten vorgeschlagen (z.b. Kiruna, Schweden), doch bestehen alternative Theorien vulkanisch-exhalativer oder skarn-artiger Bildung Extreme fraktionierte Kristallisation Pegmatite sind gang- oder linsenförmige Ansammlungen von Restschmelzen der fraktionierten Kristallisation granitoider Magmen. Manche Pegmatite bilden sich auch als Produkte beginnender Krusten-Aufschmelzung analog Grobkörnige Quartz-Feldspat-Gesteine, angereichert an inkompatiblen Krustenkomponenten (Li, Be, Nb, Ta, auch Sn...) und relativ volatilen «Flussmittel»-Komponenten (H 2 O, B, F), welche den Solidus komplexer Schmelzen bis auf ~500 C herabsetzen können. Pegmatite sind die Hauptquelle für Be, Li (Nb, Ta, Sn) sowie verschiedene Edelsteine (Beryll, Turmalin, Topas usw.) Beispiele Hochgradige Chromitit-Lagen in mafischen Intrusionen Cr ist in ultramafischen Gesteinen «vorangereichert» (ca ppm), in mafischen 200 ppm, in Graniten 4 ppm, Tonschiefer 100 ppm. Der einzige wirtschaftliche Cr-Träger ist Chromit, ein Spinell: (Fe,Mg) (Fe,Al,Cr) 2 O 4. Zwei Typen von Chromit-Lagerstätten werden unterschieden: - Alpinotype oder podiforme Chromitlagerstätten in ultramafischen Gesteinen von Ophiolitkomplexen (ozeanische Kruste), aufgeschlossen in jungen Orogenzonen z.b. Albanien - Griechenland - Türkei, Kuba, Philippinen, Ural. Unregelmässig geformte Erzkörper, meist klein, selten mehr als 1 Mt (Ausnahme: Ural), z.t. stark deformiert. Sie treten nahe der Moho auf, Grenze von tektonisierten Harzburgiten (oz. Mantel) und ultramafischen Kumulaten (Basis der ozeanischen Kruste). - Stratiforme Chromitlagen in anorogenen, basisch-ultrabasischen Intrusiv-Komplexen. Bushveld (Südafrika), Great Dyke (Zimbabwe), Stillwater (USA) u.a.m. Die wirtschaftliche Bedeutung beider Typen ist vergleichbar; die alpinotypen liefern zurzeit ~60% der Weltproduktion, doch enthalten die grossen Intrusionen den Grossteil der bekannten Weltvorräte. Drastischer Altersunterschied: Fast alle stratiformen Lagerstätten sind 2000 Ma alt oder älter, während fast 100% der alpinotypen Lagerstätten 500 Ma oder jünger sind. Bildungsprozess: Chromit (auch Magnetit oder Ilmenit) kristallisieren häufig aus mafischen Magmen aus, doch sind nur hochkonzentrierte, fast monomineralische Lagen heute wirtschaftlich. Dies erfordert die Kristallisation von Chromit allein, und zwar ohne gleichzeitige Ausscheidung von Silikaten weil sonst die Chromitkristalle durch einen Kristallbrei (Olivin, Pyroxen, Plagioklas) hindurchsinken müssten, was schwerlich zu reinen Chromititlagen mit ihren typischen scharfen Unter- und Obergrenzen und abrupt wechselndem Chemismus der Silikatphasen am Kontakt zum Chromitband führen würde. Bushveld-Komplex, Südafrika: Die Weltreserve von Platin und Chrom Grösste «layered mafic intrusion» der Welt, schüsselförmig mit 250 auf 350 km Ausdehnung, mindestens 9 km mächtig. Alter 2050 bis 2000 Ma. Enhält >80% der Weltreserven an Pt. 60% der Vorräte an Cr. Intrudiert unterliegende Sedimente und Vulkanite des Transvaal Beckens im Kapvaal-Kraton, im Dach anatektische Granite mit Sn-Erzen sowie saure Vulkanite. Bushveld-Intrusion hat komplexe (zahlreiche Magmapulse), aber über hunderte von Kilometern verfolgbare magmatische Stratigraphie: - Lower Zone: wenig bis kein Plagioklas, ultramafisch, Harzburgite, Bronzitite, Chromit. Abb. 2.6: Um Chromit allein auszuscheiden, muss die Magmazusammensetzung so verändert werden, dass sie sich vom normalen Pfad fraktionierter Kristallisation (ausgezogene Linie A-B-E-G-D) weg ins Innere des Chromit-Stabilitätsfeldes bewegt. Eine Möglichkeit ist das Mischen zweier Magmen gleicher Abstammung, aber unterschiedlich fortgeschrittener Magmakristallisation, z.b. durch Injektion eines frischen Magmapulses E in ein bereits weiter entwickeltes Magma mit der momentanen Schmelz-Zusammensetzung D: Chromit-übersättigte Mischung entlang... z.b. bei F. (Diagram: Robb, 2005). Neben diesem Mechanismus wurden auch Druckentlastung, Oxidation und Fluidprozesse vorgeschlagen. - Critical zone: = Zone (getrennter) Pt und Cr-Erze. Als Basismarke der kritischen Zone gilt das erste Auftreten von postkumulativem Plagioklas in Bronzitit. - In der Lower Subzone Chromit in Pyroxeniten und Harzburgiten. Basis der Upper Subzone der kritischen Zone ist gekennzeichnet durch das Auftreten von kumulativem Plagioklas mit Chromit, und Pt-reichen Ni-Fe-sulfiden = Merensky Reef - In der Upper Subzone die wirtschftlich wichtigsten Chromitlagen in Noriten und Anorthositen: Mächtigkeit im Westen 900 bis 1750 Meter mit 13 Chromitbändern, im Osten 1220 bis 1370 Meter mit 5 bis 28 Chromitbändern, welche z.t. bis über 60 km verfolgbar sind (z.b. Steelport Main Chromite Seam, Mächtigkeit konstant 110 cm +/-8 cm). Chromitlagen zeigen Merkmale der Sedimentation: Contorted bedding, slumping. Genese der monomineralischen Chromitlagen siehe nachfolgender Text. - Main zone: (kein Olivin) Norite, Gabbros, Anorthosite, Pyroxenite (keine Lagerstätten). - Upper zone: Fe, V-haltiger Magnetit als Kumulatlagen in mafischbis dioritischen Gesteinen und Anorthositen. Das Merensky Reef Das Merensky Reef ist ein pegmatoider Pyroxenit mit Feldspat und Olivin (typisch 1-3cm Korngrösse), ca 2% Fe-Ni-Cu-Sulfid mit Pt, Pd, Pb, Sn, Hg u.a.m. Lokal wasserhaltige Silikate (Biotit, Hornblende) und akzessorisch Quarz mit salinen Flüssigkeitseinschlüssen. PGE-Gehalte korrelieren nur z.t. mit Schwefelgehalten. Nur ca. 2% Sulfid aber mit aussergewöhnlich hohem Gehalt von ppm Pt im Sulfid (siehe Tabelle oben). Erstaunlich konstante Pt-Menge pro Flächeneinheit über eine Ausdehnung von >250 km, wogegen Mächtigkeit cm des Reefs und damit der Pt-Grade variabler sind. Zwei cm-dicken Chromitlagen im Liegenden und Hangenden. Undulierende Unterlage mit sogenannten «potholes» = schüsselartige Vertiefungen in die darunter liegenden magmatischen Lagen mit anomal hoher Anreicherung von Ni, Cu, Pt-Elementen sowie Graphit.

20 RdE 16 Abb. 2.7: Übersichtskarte des Bushveld-Komplexes (aus Evans,1992). Abb. 2.8: Querschnitt durch den Bushveld-Komplex (aus Evans, 1992).