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Hydrothermale Erzlagerstätten sind Lagerstätten, bei denen die Erze aus
wäßrigen metallhaltigen Lösungen ausfallen. Der Übergang vom pneumatolytischen
Stadium ist fließend. Unterschiede sind ausschließlich von den
Zustandsbedingungen Temperatur, Druck und Konzentration abhängig,
denen das System unterliegt. Zum hydrothermalen Stadium wird das
Ausscheidungsgebiet unterhalb der kritischen Temperatur des Wassers
(400°) bis zu seinem Siedepunkt (100°) gerechnet. Erze sind metallhaltige
Minerale.
Die Daten von Wässern in Bergwerken, Tunneln, Bohrlöchern, heißen
Quellen, Fluideinschlüssen, Mineralen und Gesteinen deuten auf fünf
verschiedene Quellen hin:
Bei hydrothermalen Lagerstätten, die sich in der Nähe von magmatischen
Gesteinen (Plutonen) befinden, kann man davon ausgehen, daß die erstarrenden
Magmen die Lieferanten der hydrothermalen Lösungen sind. Es handelt sich
hierbei um niedrigtemperierte, residuale Fluide, die nach der Pegmatitkristallisation
übrigbleiben. Sie enthalten Buntmetalle und Elemente, die nicht in das
Kristallgitter der aus der abkühlender Schmelze ausgeschiedenen Silikate
eingebaut werden können. Demnach sind es inkompatible Elemente.
Bei hydrothermalen Lagerstätten, die entfernt von magmatischen Gesteinen
liegen, geht man davon aus, daß die Mineralfällung aus fossilen Wässern
stammt. Da fossile Wässer bei der Versenkung ausgetrieben werden und
Versenkungen oft in sedimentären Becken erfolgen, werden sie als
Beckenbrines bezeichnet. Nimmt man einen geothermischen Gradienten von
1° auf 30m an würde in 9km Tiefe eine Temperatur von rund 300° herrschen.
Diese heißen Wässer lösen beim Aufsteigen Metalle aus dem Nebengestein.
Hauptbestandteile der Lösungen sind neben H2O lösliche
Alkali- und Erdalkalisalze, Hauptsächlich NaCl. Weiterhin ist CO2
häufig; CO, CH4, HCl, HF, H2S, SO2 und
SO3 treten untergeordnet auf.
Der Metalltransport erfolgt über Komplexionen, wie z.Bsp. Bisulfidkomplexe
(hohe H2S und HS- Konzentration) und Chloridkomplexe (AgCl2, PbCl3).
Die Löslichkeit der Sulfide ist zu gering für den Transport und für eine
Lagerstättenbildung nicht ausreichend. Ändern sich die Randbedingungen,
wie p, T, pH kommt es zur Ausfällung der Erze.
Meteorisches Wasser dringt in Tiefen von mehreren Kilometern ein. Dort
befindet sich eine Zone erhöhten Wärmeflusses. Das Wasser absorbiert
die Wärme und kann dadurch in eine oder mehrere durchlässige Zonen
aufsteigen. Nun kann es einerseits zu einem beachtlichen Ausfließen
entlang einer entsprechenden Richtung oder aber zu einem sehr langsamen
Ausfließen kommen, wenn die Deckschicht durchdrungen werden muß
(Tonstein, Tuff). Der Abfluss hängt von der Durchlässigkeit des Gesteins
und dem Druck im oberen Bereich der Abdeckung ab. Wenn die Abflussrate
die Rate des Zustroms nicht übersteigt, herrscht überall ein flüssiges
System. Bei höheren Abflussraten wird eine Dampfphase entstehen, und der
Dampfdruck wird solange abnehmen, bis die Abflußmenge auf das Maß des
Zustroms reduziert ist --> vorhandenes Gleichgewicht.
Geothemalsystem: Veranschaulichung der Struktur in vulkanischen Gebieten. Die heißen Wässer zirkulieren durch die magmatische Inrusion und das Nebengestein --> Aufnahme des Inhaltes.
Für die hydrothermalen Ganglagerstätten ist ein Vorhandensein von offenen
oder sich öffnenden tektonischen Spalten und Rissen im Zusammenhang mit
einem Pluton Vorrausetzung. In diese intrudieren die Lösungen und
kristallisieren aus. Man unterscheidet bei den Erzgängen Gangart und
Erzmineral. Die Erzminerale sind die Träger der gewinnbaren Metalle.
Gangarten sind Begleitminerale; im Wesentlichen: Quarz, Calcit,
Dolomitspat und weitere Karbonate, Fluorit, Baryt. Bei der Ausfällung
der Minerale erfolgt oft gleichzeitig ein erneutes Öffnen der Spalte.
Auf diese Art und Weise entstehen bilateral-symmetrische Anordnungen
der Minerale. Die älteren, bei höherer Temperatur gebildeten Paragenesen
befinden sich am Rand und die jüngeren, bei niedrigerer Temperatur
gebildeten Paragenesen in der Mitte. Eine solche Anordnung wird als
temporärer Fazieswechsel bezeichnet.
Als lateralen Fazieswechsel bezeichnet man die zonale Folge im Streichen
eines Ganges. Liegt der Magmenkörper im subvulkanischem Milieu (0,3- 1km)
werden die Paragenesegruppen "zusammengeschoben" (Telescoping). Es
befinden sich Erzminerale der verschiedenen Gruppen, auch komplex
zusammengesetzte Minerale (Fahlerz, "edle Silbererze"), auf engem Raum.
Gänge sind in allen Tiefen und Temperaturbereichen (katathermal bis
telethermal) aufzufinden.
Imprägnation bedeutet das Durchtränken des Gesteines mit metallhaltigen
Lösungen und Abscheiden von Erzmineralen in Spalten und Klüften. Sie
bilden sich überwiegend:
Zu den Imprägnationslagerstätten gehören wirtschaftlich sehr bedeutende
Lagerstätten, besonders solche mit Cu- oder Cu+Mo±Au-Paragenesen. Die
Erze liegen fein verteilt (disseminiert) im Gestein. Dies führt zur Bezeichnung
als "disseminated-ore-Typ" oder wegen seiner Erzeinsprenglinge auch als
"Porphyrtyp".
Hydrothermale Verdrängungslagerstätten entstehen in leicht reaktionsfähigen Gesteinen wie Kalkstein, Marmor und Dolomitgestein. Es kommt zum Stoffaustausch zwischen Fluiden und dem Gestein im festen Zustand. Hydrothermale Mineralparagenesen treten an die Stelle der karbonatischen Gesteine. Dieser Prozess wird als Metasomatose bezeichnet. Die Verdrängung kann große Ausmaße erreichen oder ungleichmäßig verteilt sein. Angereichert werden Fe, Mn, Pb, Zn, Hg und Mg. Ein Beispiel für solch eine Lagerstätte ist der Mississipp-Valley-Typ. Er ist niedrigtemperiert, schichtgebunden, epigenetisch (Vererzung nach Entstehung des Wirtsgesteins) und weitgehend von vorgegebenen Strukturen geprägt. Sie verdanken ihre Entstehung wahrscheinlich dem Fluß von meteorischen Wässern in artesischen Systemen in der Nähe von Gebirgszügen. Regenwasser dringt von den Bergländern her in permeable Gesteine ein und sammelt sich über impermeablen tonigen Sedimenten an. Dabei erwärmt es sich allmählich in 3-4km Tiefe auf Temperaturen von 80- ca. 150°C. Wenn es durch Abfolgen von Evaporiten strömt, wird es hochsalinar und dadurch fähig, Pb und Zn, bei höheren Temperaturen auch noch Cu aus den durchströmenden Gestein herauszulösen. Durch den Druck des nachfließenden meteorischen Wassers wird es gezwungen, in den permeablen Sedimenten zum Beckenrand hin artesisch aufzusteigen. Dort können sich Bleiglanz und Zinkblende absetzten durch die Reaktion mit H2S, welches entstanden ist durch die Reduktion von Sulfaten im Grundwasserbereich unter Mitwirkung von Kohlenwasserstoffen.
Hauptminerale in der Reihenfolge ihrer Häufigkeit: Pyrit, Pyrrothin,
Sphalerit, Galenit, Chalkopyrit, untergeordnet Arsenopyrit, Magnetit,
Fahlerz. Als Gangart tritt hauptsächlich Quarz auf, gelegentlich sind
auch Karbonate vorhanden; Chlorit und Serizit können lokal bedeutsam
sein. Es handelt sich um schichtgebundene Erze, die mit der
Extensionstektonik verbunden sind, wie z.B. MOR's, spreading im back arc
oder intrakontinentales Rifting. Das Meerwasser dringt in den Meeresboden
ein und heizt sich auf. Es kommt zur Lösung der Metalle durch die
Alteration im Meeresboden. Anschließend steigen die Wässer auf und
treten exhalativ aus. Die durchschnittlichen Gehälter liegen bei 15-20%,
bei Tonnagen von 0,2-0,5t.
Es gibt 3 Typen von VHMS-Lagerstätten. Mit Typ ist eine Typenabfolge
gemeint und zwar von Gesteinen, Erzen, aber auch Metallen. Es handelt
sich um den Zypern-, den Besshi- und den Kuroko-Typ:
| Der Zypern-Typ: | VHMS vom Zypern-Typ entstehen im Allgemeinen am MOR, können aber auch am Spreadingrücken eines back-arc-Beckens auftreten. Ihr Ablagerungsmilieu ist also ein Tiefseebereich mit Vulkanismus (Vulkanite, meist Ophiolite). Es handelt sich um kupferhaltige Pyritvererzungen. Im Toodos Massiv auf Zypern finden sich oberhalb einer alterierten Harzburgitschicht Chromit, Pyrrothin und Pentlandit an der Basis des sog. "Troodos plutonic complex", welcher eine komplette Abfolge eines obduzierten Ozeanbodens mit den verschiedenen ocean-layers repräsentiert. Neben Kupfer treten untergeordnet Zn- und Pb-Minerale auf. |
Für die folgenden beiden Typen ist Japan das Typusgebiet. Sie entstehen beide im Gegensatz zum Zypern-Typ (divergierende Plattengrenzen) an konvergenten Plattengrenzen. Die Hauptrolle spielen hier hydrothermale Restlösungen und die Subduktion und Aufschmelzung ozeanischer Kruste.
| Der Besshi-Typ: | Der Besshi-Typ ist an die frühe Phase der Hauptphase des kalkalkalischen
Vulkanismus gebunden und repräsentiert wahrscheinlich den Ablagerungsbereich
eines Backarsbeckens. Die Kieslager liegen innerhalb der Abfolgen von
basischen submarinen Vulkaniten. Sie sind gekennzeichnet durch mächtige
Grauwacken- und Turbiditserien. Ophiolitsequenzen, wie auf Zypern fehlen.
Die massigen Pyriterzkörper führen Cu und Zn. Das Fehlen von Blei weist
darauf hin, daß Sedimente an der Bildung nicht wesentlich beteiligt waren. |
| Der Kuroko-Typ: | Der Kuroko-Typ entsteht, genau wie der Besshi-Typ in der Hauptphase des kalkalkalischen Vulkanismus, jedoch später. Die Kruste ist hier inzwischen dicker, so daß die Schmelze aufgehalten wird und eine Magmenkammer bildet. In dieser kommt es zur Differenzierung der Schmelze; sie wird felsischer. Über Brüche und Klüfte wird der Kontakt zum Meerwasser hergestellt. Die Kurokoerze liegen im Nordwesten von Japan. Die sedimentäre Schichtung belegt die exhaltive Natur der Entstehung; auch hydrothermale Kamine sind vorhanden. Die Vererzungen finden sich oftmals in kollabierten submarinen Calderas (Strukturen von dacitischem Gestein). Der Vulkanismus ist bimodal mit tholeiitischen Ergüssen und mit dacitischen bis rhyolitischen Schlotfüllungen und Tuffen. Das verbreitete Vorkommen SiO2-reicher Vulkanite zeigt an, daß das Rifting kein fortgeschrittenes Stadium erreicht hatte und wohl schließlich aufgegeben wurde. Der Erzkörper besteht aus einer Linse von Pyrit mir basalem Lager aus Kupferkies (yellow ore). Darüber folgt ein schwarzes Gemenge von Zinkblende und Bleiglanz (Kurokoerz im engeren Sinn). Das Kurokoerz wird von einer Linse aus Baryt überlagert und dieser schließlich von einem Fe-reichen Kieselschiefer. Die bis zu 500m langen und 50m mächtigen Erzkörper liegen über einem Rhyolitdom, dessen Dach kaolinisiert ist. Eine Lagerstätte besteht in der Regel aus einer Ansammlung solcher Erzkörper. Über und seitlich neben diesem liegt eine hydrothermale Verwitterungszone mit Chlorid und Illit. Die größte Kurokovererzung liegt über dem Tonschiefer mit mittleren Zn-Gehalten von 80ppm, Cu 27ppm und Pb 17ppm. Im Erzkörper liegt das Verhältnis circa 3:2:1. Wo die Vererzungen Granite überlagern, sind die Gehalte geringer. |
Die SHMS entsprechen vom Prinzip den VHMS-Lagerstätten. Sie sind
allerdings an Sedimente gebunden, brauchen keinen Vulkanismus. Sie
entstehen im fortgeschrittenen Stadium des Auseinanderbrechens von
Kontinenten, also in kontinentalen Becken, aber auch an passiven
Kontinentalrändern.
Die Becken füllen sich mit klastischen Sedimenten, Karbonaten, Tonen
und Evaporiten. Die Auflast der Sedimente bewirkt die Beckenentwässerung.
Die Wässer sind Cl- (aus Evaporiten) und SO4-haltig (aus Gips/
Anhydrit), sprich sie sind sauer/aggressiv.
Bedingt durch den Wärmefluß kommen die Fluide in Bewegung. Sie
migrieren durch Aquifere und Schwächezonen (Störungen) beckenaufwärts,
wobei sie die Durchflußgesteine auslaugen und immer metallhaltiger
werden. Kommt es zum Kontakt mit dem Meerwasser fallen die Erze aus.
Treffen die Fluide Karbonatgesteine, wie Riffe, neutralisiert das
Karbonat die wäßrige Lösung. Die Metalle können nicht mehr in Lösung
gehalten werden und scheiden ebenfalls aus. Als Beispiele seien die
devonischen Lagerstätten des Rammelsberg im Harz und von Meggen im
Sauerland erwähnt.
SHMS besitzen hohe Gehälter an Pb, Zn, Cu, Ba und S:
Zn-Gehalte bei 10% (Meggen) bzw. 19% (Rammelberg), die Pb-Gehalte bei
1.3 bzw.9% und die Cu-Gehalte bei 1,0 bzw. 0,2%, bei Tonnagen von
Meggen 50t und Rammelsberg >28t.
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