Erze und Erzlagerstätten

Lagerstätten sind lokale Anreicherungen von Mineralen oder Mineralgemengen in der Erdkruste oder an der Erdoberfläche, die wirtschaftlich gewinnbar sind.

Die in diesen Lagerstätten vorkommenden Wertminerale (die meist eng mit anderen wertlosen Mineralien verwachsen sind) bezeichnet man als Erz, wobei gelegentlich noch unterschieden wird zwischen Erzmineralen, aus denen ein Metall (oder mehrere Metalle) gewonnen wird, und Industriemineralen, die als solche industriell verwertet werden. Die nicht nutzbaren Begleitminerale in den Lagerstätten (z.B. Quarz, Karbonate, Glimmer) werden traditionell als Gangart zusammengefasst.

Beispiele für Erzminerale sind:
Galenit (Bleierz), Sphalerit (Zinkerz), Chalkopyrit (Kupfererz), Hämatit u.v.a.(Eisenerz);
wichtige Industrieminerale sind beispielsweise Diamant, Baryt, Graphit, Quarz, Talk, Tonminerale, Feldspat u.a.

Eine Definition von Erz:
Erz ist ein mehr oder weniger mit Gangart verwachsenes (metallhaltiges) Mineral oder Mineralgemenge, das gewinnbringend abgebaut oder weiterverarbeitet werden kann.

Anreicherungen von Erzmineralen, die als Erzlagerstätten, Vererzungen oder Erzkörper bezeichnet werden, entstehen im Rahmen der magmatischen, der sedimentären und seltener auch der metamorphen Bildungsprozesse sowie durch Absatz aus wässrigen, metallhaltigen Lösungen (hydrothermale Fluide)

Ein Teilbereich der Geowissenschaften, die Lagerstättenkunde (Economic Geology), beschäftigt sich mit der Entstehung (der Genese) und Verbreitung sowie dem Aufsuchen und Bewerten von Lagerstätten. Darüber hinaus und in immer stärkerem Maße stehen die soziokulturellen und ökologischen Auswirkungen der Rohstoffgewinnung im Fokus der wissenschaftlichen Untersuchungen und der universitären Lehre. Durch die wachsende Nachfrage nach Rohstoffen müssen immer größere und damit einhergehend auch geringerhaltige Lagerstätten gesucht und abgebaut werden. Ein umweltverträglicher/-schonender Bergbau ist nicht nur für die gesellschaftliche Akzeptanz der Industrie wichtig, sondern auch für die Zukunft der Menschheit unerlässlich. 

Die Erze der sog. intramagmatischen oder orthomagmatischen Lagerstätten entstehen direkt während oder kurz vor der Kristallisation von silikatischen (seltener karbonatitischen) Magmen und befinden sich meist in den magmatischen Gesteinskörpern selbst.

Man unterscheidet dabei zwei wichtige Bildungsprozesse:

• Die fraktionierte Kristallisation schließt jene Prozesse ein, durch die früh gebildete Kristalle daran gehindert werden, wieder mit der Schmelze zu reagieren, aus der sie auskristallisierten (z.B. Chromiterze in ultrabasischen Gesteinen, Apatit-Magnetit-Erze, SEE-Minerale in Alkaligesteinen).
• Bei der Liquidentmischung, d.h. der Entmischung im flüssigen Zustand, trennen sich dagegen zwei nicht mischbare Schmelzen (Sulfid-, Oxid- oder Karbonatschmelze von einer Silikatschmelze), was zu liquidmagmatischen Cu-Ni-Sulfid-, Fe-Ti-Oxid- bzw. Karbonatitlagerstätten führen kann.

Die Entstehung von Diamanten, die in kimberlitischen und lamproitischen Gesteinen vorkommen, ist komplexer. Es handelt sich exotische Fragmente aus dem Oberen Mantel (also um Xenokristalle), die mit meist kimberlitischen Schmelzen an die Erdoberfläche transportiert werden. Der Transport muss sehr schnell erfolgen, denn anderenfalls werden die Diamanten in der Schmelze wieder angelöst (man erkennt dann Ätzgruben auf der Diamantenoberfläche) oder sogar ganz aufgelöst.

Nach der Kristallisation der Hauptmasse der silikatischen Gesteinsmineralien (Hauptkristallisation) bleibt meist noch eine (Rest-)Schmelze übrig, die außerordentlich reich ist an leichtflüchtigen Komponenten (H₂O, CO₂, H₂S, F, Cl, B, As) und Elementen, die entweder in Verbindungen leichtflüchtig sind (wie W, Mo, Sn) oder durch besonders kleinen/großen Ionenradius nicht oder nur teilweise in den Mineralien der Hauptkristallisation eingebaut werden konnten (wie Be, Li, bzw. Seltenerdelemente (SEE), Nb, Ta, Cs, Rb).

Nach heutiger Meinung bilden sich bei der Abkühlung aus dieser Restschmelze zwei oder mehr Schmelzen bzw. Fluide. Aus den fluidreichen Silikatschmelzen entstehen Pegmatite, die insbesondere durch das Riesenwachstum ihrer Mineralien gekennzeichnet sind.

Schmelze-arme, H₂O-reiche Fluide (oder residuale Fluide, die nach der Pegmatitkristallisation übrig blieben) bilden oberhalb des kritischen Punktes von Wasser (T > 400 °C, je nach Druck) sog. pneumatolytische Mineral- und Erzvorkommen.

Kühlen diese überkritischen Fluide weiter ab, so dass sie kondensieren, entstehen schließlich wässrige Lösungen, die für die Vielfalt hydrothermaler Lagerstätten verantwortlich sind.

Zu den hydrothermalen Bildungen zählt man jene mineralischen Ausscheidungen, die aus Fluiden (heißen wässrigen Lösungen) in einem Temperaturbereich von ca. 500 bis 50°C bei maximalen Drücken von ca. 2 kbar kristallisieren. Erfolgt die Mineralbildung aus diesen Lösungen innerhalb der Erdkruste, so entstehen hydrothermale Gang-, Imprägnations- und Verdrängungslagerstätten.

Früher war man der Meinung, dass alle hydrothermalen Fluide magmatischen Ursprungs sind (sog. juvenile Fluide). Heute weiss man jedoch, dass die hydrothermalen Lösungen auf vielfältige Weise entstehen können. Ursprünglich kann es sich um Grundwasser, Meerwasser, Formationswasser und/oder metamorphes Wasser gehandelt haben, die infolge mannigfaltiger geologischer Prozesse in der Erdkruste in Bewegung gesetzt wurden und sich oft bei der Lagerstättenbildung auch noch vermischen können.

Diese Lösungen enthalten, ungeachtet ihrer Entstehung, bis zu 50 Gew.-% gelöste Stoffe (hauptsächlich Na-, Ca- und K-Chloride), was sie als stark konzentrierte Fluide bzw. Salzlaugen (Solen, engl. brines) kennzeichnet. Diese hohen Chloridkonzentrationen erhöhen die Löslichkeit und Mobilität von Metallionen in den hydrothermalen Fluiden um Größenordnungen (in Form der Metallchloridkomplexe) und sind Voraussetzung für Erzanreicherungen.

Erreichen die hydrothermalen Fluide schließlich die Erdoberfläche (meist am Meeresboden; heutzutage eindrucksvoll an "Black Smokern" im Pazifik oder Atlantik zu beobachten), so kommt es zur Bildung von submarinen Vererzungen in Sedimenten und Tuffen.

Die seltenen gas- oder dampfförmigen Aushauchungen (Fumarolen, Solfataren) können in Vulkankratern oder auf Kraterflanken Exhalationslagerstätten bilden. Schwefel als Exhalationsabsatz ist in Gebieten von tätigen und erloschenen Vulkanen weitverbreitet.

Lagerstätten in Sedimenten bzw. deren verfestigten Äquivalenten lassen sich genetisch oft nur schwer interpretieren und klassifizieren. Zudem erweist sich ein einmal aufgestelltes Genesemodell nach eingehenderen Untersuchungen oder neuen geowissenschaftlichen Erkenntnissen häufig als unzutreffend. Man geht deshalb im zunehmenden Maße von der rein genetischen Einteilung über zu einer Klassifikation von Lagerstättengruppen nach ihrer (räumlichen) Verbindung mit dem Wirtsgestein (dem "Environment"). Das lithologische Milieu dieser Vererzungen können sowohl Lockersedimente als auch diagenetisch mehr oder weniger verfestigte Sedimentgesteine, Tuffe oder gar Metamorphite sein. Zur Klassifikation einer Lagerstätte wird deshalb ein "geometrisches" Einteilungsprinzip, die räumliche Anordnung der Erzanreicherungen im Wirtsgestein betreffend, verwendet.

Schichtgebundene (strata-bound) Lagerstätten

Diese Erze sind an einen bestimmten, lithologisch bzw. stratigraphisch definierbaren Schichtkomplex gebunden, doch zeigen sie keine unmittelbare texturelle oder strukturelle Korrelation mit dem Wirtsgestein. Dazu gehören u.a. die Buntmetalllagerstätten in Karbonatgesteinen (z.B. vom Mississippi-Valley-Typ "MVT"), Uran-, Vanadium- und Buntmetalllagerstätten in Sandsteinen (z.B. Red-Bed-Lagerstätten oder Galenitimprägnationen) und Kupferverzungen in Melaphyren.

Schichtige (stratiforme) Lagerstätten

Diese Erze sind nicht nur schichtgebunden, sondern weisen darüber hinaus auch eine texturelle Korrelation (eine "Konkordanz") zum Gefüge des Wirtsgesteins auf. Zu den schichtigen Lagerstätten zählen z.T. die Pb-Zn-Fluorit-Erze in Karbonatgesteinen, präkambrische Bändereisenerze (BIF) und Manganerze (Gondite), sedimentär-exhalative Lagerstätten (SEDEX) bzw. vulkanogene Massifsulfidlagerstätten (VMS), Kupferschiefer, sowie Evaporite, Kohlen und Ölschiefer.

Der erste Abbau mariner Massivsulfidlagerstätten soll auf Erze in der Bismarck-See westlich von Papua-Neuguinea erfolgen. Unter anderem wegen nicht genau abzusehender Umweltbeeinträchtigungen wird der Startpunkt des Abbaus von Jahr zu Jahr verschoben - Ausgang ungewiss.

Sedimentäre Lagerstätten (sensu stricto)

Diese an sich genetische Bezeichnung muss in diesem Zusammenhang auf streng geometrische Kriterien ("Gefügen") beruhen, die den Einfluss der Schwerkraft erkennen lassen. Die Erzkörper bilden als solche oder enthalten in Teilen "echte" sedimentäre Gefüge, wie z.B. mechanisch gefüllte Hohlformen (so die Eisenerze vom Salzgitter-Typ, die Schwerminalanreicherungen = Seifenlagerstätten), gradierte Schichtung und weitere Sedimentmarken (geopetales Gefüge).

Hierzu können auch die untermeerisch gebildeten Manganknollen und -krusten gezählt werden, die wegen ihrer hohen Co-, Ni- und V-Gehalte momentan wieder zu großer Explorationstätigkeit (auch von der deutschen BGR) führen, deren Förderung aber aufgrund weitreichender ökologischer Auswirkungen sehr problematisch sein dürfte.

Residuallagerstätten sind in-situ-Anreicherungen von Wertelementen und -mineralien an der Erdoberfläche infolge chemischer und physikalischer Verwitterungsprozesse und der damit verknüpften Mobilisation sowie dem Abtransport von gelösten bzw. leichteren Gesteinskomponenten.
Beispiele sind: Laterite (Cr, Ni, Co, Fe, PGE, Au), Bauxite (Al), Residual-Seifenlagerstätten (Nb, Sn, Au; Beryll, Zirkon, Apatit).

Sekundäre bzw. supergene Sulfidanreicherungen entstehen hingegen durch die oxidierende Wirkung des Oberflächenwassers, welches die Metallsulfide im oberen Teil eines Sulfidkörpers zersetzt (Verwitterungszone). In Vererzungen, in den die edlen Metalle Kupfer und Silber auftreten, sickern diese mit der Lösung in die Tiefe, wo sie knapp unterhalb des Grundwasserspiegels am primären, ärmeren Sulfiderz unter Erhöhung des Metallgehaltes abgeschieden werden.

Es kommt also einerseits zur Bildung einer oberflächennahen Oxidationszone (mit Eisenoxiden = "Eiserner Hut", der z.T. wichtige Zn-, Au-, Ge- und Ga-Vererzungen aufweisen kann) und anderseits zur Anreicherung von sekundären Erzen in der "Zementationszone" (z.B. von gediegenem Kupfer, Kupferglanz und Silbersulfiden).

Alle magmatischen, pegmatitischen, hydrothermalen und an Sedimente gebundene Lagerstätten können nachträglich ein- oder mehrfach metamorph überprägt werden.
Diese metamorphosierte Lagerstätten sind also bereits vor der Metamorphose entstanden und gleichzeitig mit dem Nebengestein durch erhebliche Änderungen der p/T-Bedingungen metamorphosiert worden (z.B. viele Sulfidlagerstätten und BIFs). Gefüge, Mineralführung und Metallgehalt des Erzes, sowie Gestalt und Ausmaß der Erzanreicherung können dabei in unterschiedlichem Maße modifiziert werden.

Metamorphe Lagerstätten (i.e.S.) sind dagegen Vererzungen, die durch größtenteils isochemische metamorphe Reaktionen und Rekristallisationen eines schon vorhandenen, aber nicht wirtschaftlichen Materials gebildet werden (z.B. Graphit-, Smirgel- und Aluminiumsilikat-Lagerstätten). Der Mineralbestand und das Gefüge sind also vollständig neu gebildet worden.

Metamorphogene Lagerstätten entstehen im Rahmen regionalmetamorpher Prozesse. Metalle werden dabei zusammen mit dem metamorphen Wasser aus den Metamorphiten ausgetrieben und in Bereiche niedrigeren Drucks transportiert (z.B. in Scherzonen), wo es unter günstigen Umständen zur Ausfällung und Konzentration kommen kann (z.B. Goldlagerstätten in Grünsteingürteln).

Pyrometasomatische Lagerstätten (Skarnlagerstätten) entstehen hauptsächlich durch Einwirkung von Hitze (pyro-) sowie unter Zu- und Abfuhr (-metasomatisch) von flüchtigen Bestandteilen und/oder bestimmten Elementen (z.B. Kupfer- und Eisenskarnlagerstätten (Elba)).