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Supergene Lagerstätten

lat.: super = über oder oberhalb; genesis = entstehen
engl.: supergene deposits (z.B. supergene base and precious metal deposits)

Bisherige allgemeingültige Gliederung sedimentärer Lagerstätten

Noch vor wenigen Jahren wurden Lagerstätten (nach Schneiderhöhn, H., 1962; Erzlagerstätten) einfach nach dem Bildungsraum mit den Oberbegriffen magmatisch, sedimentär und metamorph bezeichnet. Die Lagerstätten der sedimentären Abfolge gliederte Schneiderhöhn faziell-genetisch in

A. Verwitterungsbildungen anstehender Gesteine und Lagerstätten
B. Klastische (mechanische) Absatzsedimente
C. Äolich-atmosphärische Ausscheidungssedimente
D. Festländische Ausscheidungssedimente (Verwitterungsgesteine und Verwitterungslagerstätten)
E. Ausscheidungssedimente in Sümpfen, Binnenseen und Flüssen
F. Organische Sedimente in Sümpfen und Seen
G. Meeresablagerungen (marine Sedimente)

Innerhalb dieser allgemeingültigen Gliederung stellte Schneiderhöhn die Oxidations- und Zementationszone von Erzlagerstätten sowie eluviale Schwermineralseifen zu (A), Laterite, Bauxite, Tone und Kaolin zu den Nahausscheidungen nach (D). Die Begriffe "supergen", "Anreicherungslagerstätte", "SEDEX", "BIF", "Infiltrationslagerstätten", "Porphyry Copper Ore" und "Red Bed Lagerstätten" waren zu dieser Zeit nicht geläufig, wurden selten oder nicht verwendet.

Uneinheitliche Klassifizierung

International verbindliche Definition, Klassifizierung und Einordnung supergener Lagerstätten sind bisher uneinheitlich und weichen von Autor zu Autor, bzw. abhängig von bestimmten Lehrstühlen ab.

Einige Autoren klassifizieren die BIF (Fe-Anreicherungshorizonte; Hämatit-Goethit-Reicherz) und Mn-Karbonatgestein- (MnO2-Reicherz)-, sowie Tonmineral-Lagerstätten (Kaolinit, Vermiculit etc.) ebenfalls als supergene Lagerstätten. Andere Autoren differenzieren nur zaghaft zwischen sedimentären, Verwitterungs- und supergenen Lagerstätten; einige von ihnen beziehen SEDEX-, BIF-, Seifen-, Red Bed- und Infiltrationslagerstätten sowie Laterite, Bauxite, Gold- und Diamantseifen und Oolitherze mit ein. Manch andere wiederum verzichten bei der Klassifizierung auf die Tonmineralien Kaolin und Vermiculit.

Was sind supergene Lagerstätten?

Der in diesem Artikel vertretene Ansatz unterscheidet zwei supergene Lagerstättentypen. Einerseits nach Typ und Ausgangsmaterial, andererseits nach dem wirtschaftlich wohl wichtigsten Aspekt vieler Erzlagerstätten, dass deren Metallgehalte durch supergene Alteration angereichert sind.

Es gibt Einigkeit darüber, dass diese angereicherten Lagerstätten sedimentär (bzw. sekundär) sind. Inwieweit die anderen der oben angeführten Lagerstättentypen als supergen betrachtet bzw. als supergen klassifiziert werden können, steht hier nicht zur Debatte, da die Meinungen dazu auseinander gehen.

Charakteristika supergener Lagerstätten

  • Nach den genetischen Bildungsprozessen sind die supergenen Lagerstätten sedimentogene Lagerstätten der chemischen Verwitterung.
  • Supergene Lagerstätten bilden sich durch Verwitterungsprozesse an oder in der Nähe der Erdoberfläche präexistenter Mineral- oder Gesteinsvorkommen.
  • Wesentliche Verwitterungsprozesse, welche zur Mineralumbildung und Neubildung führen, sind die Einwirkung von Atmosphäre und Hydrosphäre (Grundwasser, Regen, etc.).
  • Supergene Erze unterscheiden sich chemisch und mineralogisch vom primären Ausgangsmaterial.
  • Abhängig von der Art der Verwitterung und der Zusammensetzung des Ausgangsgesteins werden wertvolle Bestandteile in Residuallagerstätten angereichert.

Supergene Anreicherung (supergene alteration, supergene enrichment)

Bei der supergenen Alteration werden primäre Erze durch Verwitterungslösungen in situ angereichert (Evans,A.M., 1992). Die wichtigsten Anreicherungsprozesse sind

  • In der Oxidationszone (mit Eisernem Hut) und in der Zementationszone

    • supergene Sulfidanreicherungen (Fe, Cu, u.a.), durch die oxidierende Wirkung des Oberflächenwassers, welches die Sulfide im oberen Teil eines Sulfidkörpers zersetzt (Verwitterungszone). Darunter fallen u.a. auch bestimmte porphyrische Cu-Mo-Au-Lagerstätten
    • supergene nicht-sulfidische Anreicherungen (Zn)
  • In Residuallagerstätten

    • Aus Ophiolithen > supergene Anreicherungen in Lateriten (Ni, Co, Au, PGE, Nb)
    • Aus Al-reichen Silikat- und Kalkgesteinen > supergene Anreicherung von Aluminium in Bauxiten
    • Aus Calcreten > supergene Anreicherungen von U in Calcret-Kanälen (Carnotit, K-U-V)

Supergene Sulfidanreicherungen

(engl.: supergene enrichment)

Supergene Sulfidanreicherungen bilden sich oberhalb des Grundwasserspiegels und durch erneute Fällung aus den zirkulierenden Flüssigkeiten. Die oberflächennahen Erzlagerstätten, resp. Anreicherungen, entstehen durch deszendente (absteigende) Oberflächenwässer. Wirtschaftlich bedeutende Metalle, wie Cu, Ag etc., werden freigesetzt, umgelagert, mobilisiert (Laugung und Transport) und in der Tiefe an primärem (hypogenem) Erz unter (sekundärer) Erhöhung des Metallgehaltes abgeschieden.

Supergene Sulfidanreicherung am Beispiel von Pyrit und Chalkosin
Hintergrund: Rio Tinto Supergene Lagerstätte
Zeichnung: Collector

Die sekundäre Anreicherung einer oberflächennahen Minerallagerstätte durch Verwitterung von sulfidischen, oxidischen, karbonatischen und silikatischen Erzen führt zur Dissolution des Metallgehaltes des Erzes. Mit den in Lösung gehenden Sulfidmineralien wird das Wasser sauer, was wiederum zu einem intensiveren Lösungsverhalten beiträgt.

Viele primäre Erze, besonders die Sulfide, sind nur in einem anaeroben und trockenen Milieu stabil. Mit dem Steigen und Fallen des Wasserspiegels sowie einsickerndem, sauerstoffhaltigem Regenwasser bilden sich im Ausgehenden sulfidischer, karbonatischer, oxidischer und silikatischer Erzlagerstätten durch die chemische Verwitterung oberflächennahe Oxidationszonen. Enthalten sie Eisenoxide, so werden sie bergmännisch als "Eiserner Hut", engl.: gossan, bezeichnet. Dabei wird z.B. Siderit oder Pyrit zu Limonit bzw. Goethit und/oder Lepidokrokit und Chalkosin zu Kupfersulfat oxidiert. Aus Cu-Fe-Sulfiden bilden sich neben Limonit noch karbonatische oder silikatische Mineralien wie Azurit, Malachit und Chrysokoll. Im "Eisernen Hut" können teilweise wichtige Zn-, Au-, Ge- und Ga-Vererzungen auftreten.

Andere Metalle in der Oxidationszone (sulfidische und nicht-sulfidische Lagerstätten) sind

  • Eisen (Goethit (Limonit), Hämatit)
  • Silber (Gediegen Silber, Akanthit, Chlorargyrit)
  • Blei (Meist immobil; Anglesit, Cerussit)
  • Mangan (Pyrolusit, Romanechit, Rhodochrosit)
  • Nickel (Gaspeit, Garnierit)
  • Zink (Häufig gelöst; Smithsonit, Willemit)

Modell einer sulfidischen supergenen Lagerstätte
Zeichnung: Collector adaptiert nach Bateman (1952)

Die Zementationszone bzw. Supergene Zone

Mit fortschreitendem Eindringen der Lösungen in ein tieferes Niveau werden die gelösten Mineralien unterhalb der oberen Zonen des Grundwasserspiegels reduziert und an vorhandenen Sulfiden (primären) Erzen unter Erhöhung des Metallgehaltes ausgefällt (präzipitiert). Die sekundäre Anreicherung in dem als Zementationszone (bzw. Supergene Zone oder Reduktionszone) bezeichneten Bereich trägt u.a. in Kupferlagerstätten zur Entstehung der supergenen disseminated copper ores (Cu-Imprägnationserze) bei. Die Zementationszone ist meist der reichste Teil einer Erzlagerstätte. Die weiteren häufigsten Mineralien der Zementationszone sind gediegen Kupfer, Chalkosin, Bornit, Covellin, supergener Galenit, Violarit, Akanthit, supergener Sphalerit und Wurtzit.


Die Bedeutung supergener sulfidischer Lagerstätten

Der wichtigste Aspekt supergener Lagerstätten ist, dass deren Primärerze angereichert sind und einen höheren Metallgehalt als ebendiese ursprünglichen Primärerze haben. Supergene Mineralisation stellt eine Anreicherung von oben nach unten dar. Die hypogenen Erzmineralien (z.B. Chalcopyrit mit 30% Cu) werden an der Oberfläche (Oxidationszone) gelaugt und in größerer Tiefe bei reduzierendem Milieu in Form von Erzmineralien mit höherem Cu-gehalt abgeschieden (z.B. Chalkosin mit 80% Cu). Der supergene Anreicherungsprozess kann im Laufe größerer Zeiträume zu reichen Erzkörpern führen.

Supergene Lagerstätten gehören zu den wichtigsten Metall-Lagerstätten der Erde. Der Abbau erfolgt in der Regel im Tagebau, der weit wirtschaftlicher als der Untertagebau ist. Eiserne Hüte sind infolge ihrer Oberflächennähe leichter erschließbar.

Ein nicht unerhebliches Charakteristikum von supergenen Lagerstätten ist deren bessere Umweltverträglichkeit. Da die angereicherten Primärerze metallreiche Sulfide, Oxide und Silikate sind, wird bei der Aufbereitung weniger SO2 frei und andere sonst verwendete Chemikalien sind nicht erforderlich. Negativ wirkt sich jedoch aus, dass die oft sehr großen Tagebaue viel Land verbrauchen und große Mengen Abraum verursachen.

Supergene nicht-sulfidische Lagerstätten

Neben den oben beschriebenen supergenen sulfidischen (gewöhnlich der häufigste Typ) gibt es auch supergene nicht-sulfidische Lagerstätten. Ein typisches Beispiel ist die Metallogenese der Lagerstätte Skorpion in der südlichen Namib-Wüste in Namibia, in deren Liegendem des nicht-sulfidischen Erzkörpers primäre Buntmetallsulfide austreten. Durch die Oxidation des sulfidischen Protors entstand der supergene nicht-sulfidische zinkhaltige Erzkörper mit den Mineralien Saukonit (Zn-Smektit), Hemimorphit, Smithsonit, Hydrozinkit, Tarbuttit und Chalkophanit.

Beispiele supergener Sulfiderz- bzw. Oxidationslagerstätten und typische Erze

Typisches limonitisches Erz aus einem Eisernen Hut
Foto: Collector

Rio Tinto, Huelva, Spanien
Eine der Oxidationszonen in der Faja Pirítica Ibérica", einem der weltgrößten Pyrit- u.a. Sulfidgürtel der Erde
Foto:Collector

Chuquicamata, Nordchile
Eine der weltgrößten copper porphyry (disseminierte Cu-Imprägnationslagerstätten)
Die supergene Alteration hat einen bedeutenden Anteil an der Gesamtmineralisation, die supergene Anreicherungszone kann bis in eine Teufe von 1000 m nachgewiesen werden. Charakteristische Mineralien der supergenen Mineralisation sind Chalkosin und Covellin.
Foto: Collector

Cu-Imprägnationserz (disseminated copper ore) aus einer Zementationszone einer supergenen Lagerstätte in Chile
Foto: Collector

Rössing Mine, Namibia
Supergene Uran-angereicherte Lagerstätte mit Uran aus uranreichen Pegmatiten
Foto: Roger Lang


Residuallagerstätten (Rückstandslagerstätten)

(lat.: residual = zurückbleiben, Rückstand)
(engl.: residual deposits)

Unter Residuallagerstätten versteht man Ophiolithe (Laterite), Calcrete und Al-reiche Silikat- und Kalkgesteine (Bauxit). Sie bilden sich durch chemische Verwitterung, wobei sich gesteinsbildende Mineralien in Phasen umwandeln, welche an der Erdoberfläche stabil sind. Je nach Löslichkeit (Eh- und pH-Bedingungen) werden Elemente aus der Verwitterungszone entfernt, während andere dadurch angereichert werden.

Überwiegend entstehen Residuallagerstätten in tropischen Klimazonen, wo während der Regen- und Monsunperioden (wechselfeuchte Jahreszeit) eine intensive Laugung der Gesteine stattfindet. In den folgenden trockenen Jahreszeiten werden die Lösungen mit den gelaugten Ionen durch Kapillaraktionen an die Oberfläche transportiert. Dort verdunsten sie und hinterlassen eine Salzschicht, welche in der nächsten Feuchtperiode fortgewaschen wird. Nicht selten werden Na-, K- Ca-, und Mg-Ionen der gesamten Zone bis hinunter zum Grundwasserspiegel gelaugt. Findet die Laugung unter den richtigen Eh- und pH-Bedingungen statt, wird auch Silizium (Kieselsäure) gelöst und vom System entfernt. Das verbleibende Material besteht dann nur noch aus Eisen- und Al-Oxiden, welche durch die Laugung stark angereichert (konzentriert) sind.

Die weltberühmten Tempel von Angkor Wat, wurden zwischen 9. bis 15. Jh. aus Lateritblöcken gebaut.
Foto: Archiv Collector

Lateritböden im Regenwald von Guyana
Foto: Archiv Collector

Laterite

(lat.: later = Ziegelstein)

Laterite sind ein häufiges, oberflächennahes, supergen gebildetes Produkt in tropischen Klimazonen, welches durch intensive, lang anhaltende allitische Verwitterung von Gesteinen entsteht. Die ältere Lehrmeinung, dass Laterite aus basischen und ultrabasischen Gesteinen und Bauxite aus granitischen Gesteinen entstehen, wird hier vernachlässigt. In diesen Gebieten bilden die verwitternden Gesteine meist Böden, aus denen alle löslichen Bestandteile ausgewaschen sind. Laterite bestehen neben dem aus dem Ausgangsgestein stammenden, schwer löslichen Quarz vor allem aus den bei der Verwitterung neu gebildeten Mineralien Gibbsit, Kaolinit, Goethit und Hämatit. Man unterscheidet rote Al- und Fe-reiche Laterite (Ferralsole).

Die ältesten bekannten Laterite sind kambrisch, die jüngsten stammen aus dem Pleistozän. Wirtschaftlich bedeutende Al-Laterit (> Bauxit)-lagerstätten wurden in der Kreide, dem Tertiär und dem Quartär gebildet. Aufgrund vieler bekannter fossiler Laterite kann man nachvollziehen, dass die Bildungsprozesse in früheren tropischen Milieus stattfanden.

Anreicherungen von Ni, Co, PGE, Au und Nb in Lateriten (und Bauxiten)

  • Ni-Anreicherungen: Meist bilden sich Lagerstätten dieser wertvollen Metalle dann, wenn das Ausgangsgestein an diesen Eelementen vorangereichert ist. In manchen tropischen Zonen, wo sich Laterite aus ultrabasischen Gesteinen (Ophiolithe oder layered intrusions, z.B. Serpentinite, Dunite und Peridotite mit 0,2 - 0,3% Ni) entwickelten, bilden diese Laterite wichtige Nickellagerstätten, gewöhnlich an der Basis der Laterit-Zone (z.B. in Neu-Kaledonien, wo diese Ni-Laterite in großem Umfang abgebaut werden. Dort sind die Ni-haltigen Phasen amorphe Ni-Hydrosilikate, z.B. Garnierit). Andere Gebiete mit sehr großer Laterit-Ni-Mineralisation sind der Norseman-Wiluna-Grünsteingürtel in West Australien und Vorkommen in Zentralafrika. Manche dieser Laterite enthalten auch größere Mengen an PGE (Platin-Gruppen-Elemente), welche wirtschaftlich interessante Nebenprodukte sind. Ni-Laterite tragen zu etwa 35% zur Welt-Nickelproduktion bei.
  • Co-Anreicherungen: Ähnlich wie Nickel kann auch Kobalt bis zu 0,15% konzentriert werden, meist wird es jedoch adsorptiv an Mn-Hydroxide fixiert. In Neu-Kaledonien ist Kobalt in mit Manganhydroxid gefüllten Taschen oberhalb der Ni-reichen Zone angereichert.
  • Gold-Anreicherungen: Dies sind meist kleine Lagerstätten (< 1,5 Mt mit 1,5 bis 5,0 g/t Au) in 2-10 m mächtigen Lateritdecken, welche sich gewöhnlich über primär unwirtschaftlichen Goldvorkommen bilden. Bekannte Lagerstätten findet man in West-Australien (Coolgardie, Mt. Gibson, Mt. McClure, Plutonic), Mali (Syama, Sudan (Um Nabardi), Brasilien (Mato Grosso). Auch Au-führende Bauxite sind anzutreffen, z.B. in Boddington, West-Australien.
  • PGE-Anreicherungen: Meist Verwitterungsprodukte archaischer Intrusivkomplexe mit basisch-ultrabasischen Gesteinen, welche primäre Sulfide enthalten. Beispielsweise sei Yarawindah Brook (Australien) mit 2,9 Mt mit 0,79 g/t Pt + Pd in saprolithischen und limonitischen Erzen (Gehalte von 10,2 g/t Pt, 9,25 g/t Pd und 1,89 g Au) genannt. (Quelle: Cornelius, 2003). Weitere Vorkommen treten im Jimberlana-Dyke (Kalgoorlie, West-Australien), im Bushveld-Komplex (Südafrika), im Great Dyke-Gebiet (Simbabwe) und in der Serra Pelada (Brasilien) auf.
  • Niob-Anreicherungen in Lateriten (Pyrochlor)

Bauxit

Silikatbauxit
von Busot, Alicante, Spanien
Foto: Collector

Bauxite (benannt nach dem Erstfundort Les-Baux-de-Provence, Frankreich) sind heterogene, wesentlich aus einem oder mehreren Al-Oxiden und Al-Hydroxiden sowie wechselnden Mischungen von Kieselsäure, Eisenoxid, Titanoxid, Aluminosilikat und anderen Verunreinigungen in kleinen Mengen oder Spuren bestehende Materialien (im Prinzip aluminiumreiche Laterite), welche sich, abhängig von der Intensität der Drainage, aus den unterschiedlichsten Gesteinen bilden können. Bei starker Drainage wird Silizium entfernt und Aluminium in Form von Gibbsit (geologisch junge Bauxite), Böhmit oder Diaspor (miz zunehmendem Alter) angereichert. Bauxite können sich auf jedem aluminiumhaltigen Gestein bilden, welches primär einen niedrigen Fe-Gehalt aufweist oder dessen Eisen während der Verwitterung abgeführt wurde. Bildungsvoraussetzungen sind warme und feuchte Klimaten mit Trockenzeiten sowie flache Reliefs mit hohen Grundwasserschwankungen.

Man unterscheidet die Bauxite und deren Lagerstätten nach den unterlagernden Gesteinen in

  • Silikat- oder Lateritbauxite, welche durch Verwitterung unterschiedlicher Gesteine entstehen. Vorkommen sind in zahlreichen tropischen Länden zu finden und haben eine große wirtschaftliche Bedeutung, da die Erze sehr aluminiumreich sind.
  • Kalk- oder Karstbauxite, welche in verkarsteten Kalken bzw. in Karstdepressionen eingelagert sind. Vorkommen findet man meist in Europa. Ihre wirtschaftliche Bedeutiung ist gegenüber den Silikatbauxiten eher gering.

95% der Welt-Bauxitproduktion wird zur Erzeugung von Aluminium mittels des Bayer-Verfahrens verwendet. Aus dem Resultat dieses nass-chemischen Laugungsprozesses wird mittels Schmelzflusselektrolyse im Hall-Héroult-Verfahren Aluminium-Metall hergestellt.

Die wichtigsten Bauxit-Lagerstätten trifft man in Australien, Brasilien, Guinea, Jamaika, Indien, Russland, Nordchina, Sierra Leone, Venezuela, Surinam und den USA an. In Europa sind es Griechenland, Ungarn, Frankreich, Serbien, Montenegro und Spanien, wobei allerdings die Produktion in Gesamteuropa geringer ist als die in Jamaika. Die Weltförderung im Jahr 2001 betrug 137 Mio. Tonnen, die Vorräte werden auf 200 - 300 Jahre geschätzt.

Uran-Akkumulation in Calcret-Bildungen (Carnotit, K-U-V)

(calcrete ist ein englischsprachiger geologischer Begriff aus calc und concrete (Zement); Syn.: hardpan)

Eine auf oder im Boden liegende Schicht oder Kruste (duricrust), bzw. ein Konglomerat aus Kies und Sand oder kalkigem Material, welches durch Calciumkarbonat (Calcit und Dolomit) zementiert ist. Diese Kruste bildet sich als Resultat von Klimafluktuationen in ariden und semiariden Regionen (Wüsten, Halbwüsten, Steppen), wobei Calcit im Grundwasser, bzw. durch kohlensäurehaltiges Regenwasser gelöst wird und, sobald das Wasser auf der Erdoberfläche verdunstet, unter trockenen Bedingungen präzipitiert.

Calcrete können teilweise reiche Uran- oder Gold-Lagerstätten sein.

Hartkrusten (duricrusts) Al-reicher Böden in tropischen Regionen, deren Ausgangsmaterial wegen starker Regenfälle und hoher Temperaturen schnell verwittert ist, werden als Alcret oder Aluminocret bezeichnet. Alcret-Lagerstätten mit extrem hoher Al-Konzentration sind Bauxite.


Links


Literatur

  • Australian Museum, 2004; Geological Ore Deposits
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  • Dalvi, A.D., Bacon, W.G., Osborne, R.C., 2004; The Past and the Future of Nickel Laterites (INCO/PDAC 2004 Internatl. Convention)
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Quellenangaben


Einordnung