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Lagerstätten


Chuquicamata
Chuquicamata

Supergene Lagerstätte Chuquicamata, Chile

Reinhard Jahn

Supergene Anreicherungslagerstätten



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. Äolisch-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 (siehe separates Kapitel > Residuallagerstätten)

    • Aus Ophiolithen > supergene Anreicherungen in Lateriten (Ni, Co, Au, PGE, Nb, REE)
    • 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

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. 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.

Supergene Sulfidanreicherung
Supergene Sulfidanreicherung

Schema der supergenen Sulfidanreicherung;
am Beispiel der Lagerstätte Riotinto in Spanien; (Beispiele Pyrit und Chalkosin);
Im Hintergrund Halden der Lagerstätte Rio Tinto in Spanien

Collector
Modell einer sulfidischen supergenen Lagerstätte
Modell einer sulfidischen supergenen Lagerstätte

Supergene Sulfidanreicherung;
nach Bateman (1952)

Collector

Die Oxidationszone (Eiserner Hut)

Kupfererz Malachit und Azurit
Kupfererz Malachit und Azurit

Charakteristisches Kupfererz aus der Oxidationszone . Hier: Erz von der Lagerstätte Burra Burra in Australien

Geomartin
Limonitisches Erz aus der Oxidationszone
Limonitisches Erz aus der Oxidationszone

Charakteristisches limonitisches, poröses Erz;
mit eingesprengten sekundären Cu-Mineralien;
aus der Oxidationszone

Collector

(engl: gossan; franz.: chapeau de fer; span.: sombrero de hierro)

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-Te, Hg, 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)
    • Kobalt (Erythrin, Asbolan, Heterogenit, Stainierit)
    • Mangan (Pyrolusit, Romanechit, Rhodochrosit, Psilomelan)
    • Nickel (Gaspeit, Garnierit)
    • Uran (Uranhydroxide, Bleiuranate, Cu- und Pb-Uranophosphate, Uransilikate)
    • Vanadium (Vanadinit, Mottramit, Descloizit)
    • Wolfram (Tungstit)
    • Zink (Häufig gelöst; Smithsonit, Willemit)

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

Zink-Lagerstätte Skorpion in Namibia

Skorpion Mine, Namibia
Skorpion Mine, Namibia

Ansicht der Grube

Prof. Dr. Gregor Borg

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

Lagerstätte Morenci, Arizona, USA
Die Lagerstätte Morenci ist eine der größten Cu-Mo-Au-Ag-Pb-Zn-U-Re-REE-Tage- und Untertagebaue nahe Clifton in Arizona und einer der größten Kupferproduzenten der USA. Neben gediegenem Kupfer sind hier auch viele Mineralien der Oxidationszone dieser Kupferlagerstätte wie z.B. Azurit, Chrysokoll oder Malachit zu finden. Die mineralisierte zone ist ein ellipsenförmiger Erzkörper in einer PC-Mo-D (porphyry copper-molybdenum deposit). Die Erzone ist 1.341 m lang, 853 m breit, mit einer Teufe von 701 m und einer Mächtigkeit von 259 m. Die Alteration ist hydrothermal mit Kaolinisierung, Serizitisierung, Kalksilikaten oder pelitischem Hornfels und Skarn. Die Erzzone ist ein Chalcoyrit-reicher Kern mit einem Ring aus Pyrit und einer Oxidationszone des sulfidischen Buntmetall-Protors. Ag und Au treten häufiger in weniger verwitterten Zonen auf. Die stärksten Mo-Konzentrationen finden sich in Granitporphyr, weniger im kambrischen Granit. In den Oxidationszonen tritt Türkis auf. Der offene Tagebau besteht seit 1937.

Lagerstätte Burra Burra in Australien
Burra ist eine Stadt im australischen Bundesstaat South Australia. Der Ort liegt etwa 150 km nördlich von Adelaide am Barrier Highway. Burra erlangte Bekanntheit durch den Kupferbergbau und war eines der ersten Bergbauzentren Australiens. Der untertägige Abbau begann im September 1845. Die Erzkörper von Burra befinden sich in neoproterozoischen Sedimenten des sogenannten Adelaidean. Die Untereinheit, welche die Erzkörper beinhaltet, wurde nach der Lagerstätte Burra Group benannt. Es handelt sich vor allem um Quarzite und Dolomite. Der Erzkörper selbst ist von relativ geringer Ausdehnung, enthält aber durch supergene Anreicherung Erzgehalte von bis zu 20 Gew.% Kupfer. Erzminerale in dieser Zone sind vor allem Malachit und Azurit. Die darunter befindliche sulfidische Mineralisation enthält weit geringere Kupfergehalte.

Lagerstätte Chuquicamata in Chile
Im porphyrischen Kupfersystem Chuquicamata (eine der weltgrößten Cu-Lagerstätten) tritt eine ungewöhnlich tief greifende supergene Anreicherungszone auf. Sie kann bis in eine Tiefe von 1000 m nachgewiesen werden. Charakteristische Minerale der supergenen Anreicherung sind Chalkosin, Covellin und Digenit.

Offener Tagebau
Offener Tagebau

Morenci Mine, Greenlee Co., Arizona, USA

Public Domain
Supergene Kupfer-Lagerstätte Burra
Supergene Kupfer-Lagerstätte Burra

Lagerstätte Burra in Australien

Fairv8
Kupferlagerstätte Chuquicamata
Kupferlagerstätte Chuquicamata

Die Lagerstätte und der offene Tagebau
Chuquicamata bei Calama in Chile;
mit einer bis 1.000 m tief reichenden Oxidationszone.

Archiv: Peter Seroka (Collector)

Mn-reiche Hutlagerstätten

Manganreiche Hutlagerstätten sind relativ mächtige alte und neugebildete Verwitterungskrusten mit sekundärer Mangan-Konzentration, welche zur Oxidationszone gehören; tw. sind sie auch etwas gewandert Die Erze sind gewöhnlich bröcklig und azidisch und bestehen aus den Mineralen Pyrolusit, Psilomelan und anderen Mn- und Fe-Hydroxiden. Lagerstätten mit reichen Manganerzen in der Verwitterungszone manganhaltiger kristalliner Schiefer werden als Manganhüte bzw. als Manganhut-Lagerstätte bezeichnet. Bedeutende manganreiche Hutlagerstätten befinden sich in Indien, Ghana, Brasilien und anderen Orten.

Mangan-Lagerstätte in Ghana
Mangan-Lagerstätte in Ghana

Postkarte 1924

Archiv: Peter Seroka (Collector)
Mangan-Lagerstätte in Ghana
Mangan-Lagerstätte in Ghana

Postkarte 1924

Archiv: Peter Seroka (Collector)

Nagpur in Indien

Indien ist eines der manganreichsten Länder der Erde. Die primären Lagerstätten sind sämtlich regionalmetamorpher Natur, die zum großen Teil allerdings erst in ihren tiefliegenden und hochhaltigen Oxidationszonen mit Pyrolusit und Psilomelan bauwürdig sind.

In der Umgebung von Nagpur, einer Stadt im indischen Bundesstaat Maharashtra wurden in der Vergangenheit 600.000 bis 700.000 to Erz mit 48-55% Mangan abgebaut. Die abbauwürdigen Erze treten als Streifen von Oxiden mit Braunit und Hausmannit auf und liegen in der Oxidationszone. Die Manganoxid-Erzkörper sind stratiform mit Gondit, einem Mn-Silikatgestein verbunden (archaische kata- mesometamorphe gefaltete Sedimente mit Quarz und Mangangranat, untergeordnet Manganepidot (Piemontit) und Mangangdiopsid) und bilden einen wichtigen stratigraphischen Horizont in der Mansar-Formation der präkambrischen Sausar-Gruppe. Die Mn-Silikatgesteine der Lagerstätte Gowari Wadhona in der Jabalpur-Division bilden die westliche Flanke des Mangangürtels der Sausar-Gruppe.

Conselheiro Lafaeite in Brasilien

Die wichtigsten Lagerstätten liegen in der Serra do Navio Amapá/Brasilien, nördlich der Amazonasmündung und in Conselheiro Lafaiete im Staat Minas Gerais. Manganführende Serien in der Nähe von Conselheiro Lafaiete östlich von Belo Horizonte entstanden in komplizierten Syneklisen auf dem archaischen Untergrund. Zwischen Amphiboliten und Metamorphiten sind immer wieder Mangan-Karbonate und Manganoxide zwischengeschaltet. Ursprüngliche Mangansilikate und -karbonate wurden nach Abtragung und Verwitterung zu oxidischen Reicherzkörpern der seltenen Erze mit Kryptomelan und Pyrolusit umgeformt.

Von den zahlreichen brasilianischen Mn-Lagerstätten gehört eine Anzahl wichtiger Vorkommen in Minas Gerais sicher zu dieser Gruppe. Sie werden als "Typus Burnier" zusammengefasst und liegen konkordant in einer metamorphen Serie von Glimmerschiefern, kristallinen dolomitischen Kalken und Quarz-Itabiriten, an die sie grenzen. Die Mn-Erze bestehen aus Psilomelan und Pyrolusit mit ca. 55% Mn und sind wahrscheinlich nur die tiefgründig verwitterte oberste Zone (Manganhut) eines metamorphisierten Fe-Mn-Karbonats. Andere Lagerstättentypen werden als "Typus" Queluz" bezeichnet und sind anscheinend polymorp, indem neben der Regionalmetamorphose auch noch Kontaktmetamorphose wirksam gewesen ist. Die ursprünglichen Gesteine sind wahrscheinlich Mn-haltige Dolomite gewesen. Die Lagerstätten des "Typus Queluz" sind noch wichtger als die o.a. Burnier-Erze. Die bedeutendste Lagerstätte ist Morro da Minas, eine Mangangrube im offenen Tagebau, welche seit 1894 in Betrieb ist und aus welcher zwischen 1902-1995 ca. 9 mio to Mn-Oxiderz und 3,6 mio to Mn-Silikat-Karbonat-Protor gefördert wurden. (Abs.3 und 4: Quelle: SCHNEIDERHÖHN, H., 1955)

Nsuta in Ghana

In Ghana sind in einem Gebiet mit hochmetamorphen kristallinen Schiefern meist sedimentärer Herkunft zahlreiche Mn-haltige Gesteine mit Spessartin (ein Mn-Granat), Rhodonit und tw. Braunit bekannt. Diese Gesteine enthalten zwischen 15-25% Mangan. Sie werden jedoch erst an der Oberfläche im tropisch-humiden bereich bauwürdig, wo sehr hochhaltige Massen oxidischer Mn-Erze mit einem Gehalt von 50-60% angereichert sind. Über diesen Mn-Erzen liegt eine an Mn ärmere Bauxitdecke.

Im Jahre 1914 wurden bei Nsuta nahe der Eisenbahnlinie Sekondi-Tarkwa umfangreiche Manganvorkommen in Form von Braunstein (Mn-Oxide, Manganit bis Pyrolusit) entdeckt. Die günstige Lage dieser Lagerstätte und der Ausbruch des Ersten Weltkrieges begünstigten eine rasche Entwicklung des Exportes, da Mangan vor allem bei der Desoxidation von Eisen und Stahl sowie bei der Akkumulatorherstellung Anwendung fand, so dass Mangan damals kriegswichtige Bedeutung besaß.

Die Manganerz-Lagerstätte Nsuta liegt in der Western Region von Ghana, ca. 5 km von den Tarkwa Goldfields entfernt. Das Vorkommen ist eine bedeutende Manganquelle, deren Förderung bereits 1916 begonnen wurde. Die Mn-Erze treten in einem 45 m mächtigen Karbonatbett in einer mächtigen Turbidit-Grünstein-Sequenz auf, welche Teil der ca. 2,2 Ga alten Birimian Supergruppe ist. Kalk-alkaline Vulkanite, Vulkonoklastite, Turbidite, Argillite und Phyllite wurden in einem Backarc-Becken (engl. Back-arc basin) (Becken oder Seebecken, die bei der Subduktion einer ozeanischen Platte unter eine andere ozeanische Platte oder kontinentale Platte entstehen können) abgelagert. Die gesamte sedimentäre Folge, inklusive des Mn-Erzkörpers, ist eine mächtige Turbiditmasse innerhalb einer oberen und unteren Grünstein-Einheit, welche wesentlich aus vulkanoklastischem Material besteht.

Nach der Erlangung der Unabhängigkeit betrieb zunächst bis in die 1970er hinein die African Manganese Company die Ausbeutung der Nsuta-Mine mit jährlichen Ausfuhrraten, die zwischen 400.000 und 600.000 t schwankten. In den 1970ern ging die Gesellschaft in die staatseigene Ghana Manganese Corporation über. Veraltete Technik und begrenzte Transport und Umschlagskapazitäten zum und im Hafen von Takoradi hielten jedoch die Produktions- und Ausfuhrmengen von Manganerzen bis in die 1990er hinein niedrig, steigerten sich aber dramatisch seit 1995. Dies war das Jahr, in welchem Ghana die bislang staatliche Ghana Manganese Corporation privatisiert hat. Ghana rangiert inzwischen auf Platz 8 in der Liste der größten Manganproduzenten der Welt. Die Manganerz-Lagerstätte Nsuta liegt in der Western Region von Ghana, ca. 5 km von den Tarkwa Goldfields entfernt. Das Vorkommen ist eine bedeutende Manganquelle, deren Förderung bereits 1916 begonnen wurde.

Die Nsuta-Mine ist die drittgrößte Mangan-Lagerstätte der Welt.


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