Fehlgeschlagene Eruptionen als Ursache für Kupfervorkommen

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La mine à ciel ouvert de Chuquicamata (Chili) exploite l’un des plus grand

La mine à ciel ouvert de Chuquicamata (Chili) exploite l’un des plus grands gisements de cuivre porphyrique de la planète: elle mesure 4,3km de long, 3 km de large et par endroits jusqu’à 0,9 km de profondeur. Photo: Massimo Chiaradia

Wissenschaftler der Universität Genf enthüllen einen überraschenden Mechanismus bei der Entstehung von Kupfervorkommen, einem Metall, das für die Energiewende von entscheidender Bedeutung ist.

Als wichtiges Material für die elektrische Leitung ist Kupfer heute eines der am häufigsten verwendeten Metalle der Welt. Die größten natürlichen Ressourcen dieses Metalls sind die sogenannten porphyrischen Vorkommen, die aus Magmen aus den Tiefen der Erde stammen. In einer aktuellen Forschungsarbeit zeigen Wissenschaftler der Universität Genf (UNIGE), dass diese wertvollen Vorkommen größtenteils durch ähnliche Mechanismen entstehen, die große Vulkanausbrüche verursachen. Da die derzeitigen Kupfervorkommen immer knapper werden und dieses Metall eine Schlüsselrolle bei der Energiewende spielt, eröffnet diese Entdeckung neue Wege für die Entwicklung von Werkzeugen, um neue Vorkommen zu erschließen. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature - Communications Earth & Environment zu lesen.

Kupfer ist eine der am meisten ausgebeuteten natürlichen Ressourcen der Welt. Das Metall ist ein ausgezeichneter Leiter und sehr korrosionsbeständig und wird für die Herstellung aller Arten von Drähten und elektrischen Verbindungen verwendet. Außerdem lassen sich aus Kupfer zahlreiche Legierungen wie Bronze und Messing herstellen. Es gilt als wichtiges Material für die Energiewende - es wird massiv für die Ausstattung von Elektroautos verwendet - und seine Nachfrage wird die bekannten verfügbaren Ressourcen in einigen Jahrzehnten übersteigen. Die Entdeckung neuer Vorkommen und die Gewinnung neuer Erkenntnisse über ihre Entstehung ist daher eine entscheidende Herausforderung.

Eine Studie unter der Leitung von Massimo Chiaradia, Lehr- und Forschungsmeister am Departement für Erd- und Umweltwissenschaften der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf, hat in diesem Bereich eine wichtige Entdeckung gemacht. Sie macht deutlich, dass die sogenannten "porphyrischen" Vorkommen - benannt nach einem magmatischen Gestein, das Kupfer enthält - durch Mechanismen entstehen, die denen, die große Vulkanausbrüche verursachen, sehr ähnlich sind. "Wir haben herausgefunden, dass die großen Kupfervorkommen aus fehlgeschlagenen Eruptionen entstehen", erklärt der Forscher.

Alles kommt aus dem Magma

Kupfer stammt nämlich aus heißen Flüssigkeiten, die überwiegend aus Wasser bestehen und von abkühlenden Magmen freigesetzt werden. Diese Magmen, die auch die Grundlage für Eruptionen sind, stammen aus der Zwischenschicht zwischen dem Erdkern und der Erdkruste, dem sogenannten "Mantel", und steigen dann zur Erdoberfläche auf, wo sie eine "Magmakammer" bilden. Diese befindet sich in der Regel in einer Tiefe von 5 km bis 15 km. "Wenn das Volumen und die Geschwindigkeit, mit der das Magma in diese Kammer injiziert wird, sehr groß sind, kann bei einem Vulkanausbruch eine große Menge an Flüssigkeiten katastrophal mit dem Magma in die Atmosphäre freigesetzt werden", erklärt Massimo Chiaradia, Erstautor der Forschungsarbeit. Diese Fluide können sich aber auch geräuschloser unter der Erdoberfläche entwickeln und in einer variablen Tiefe von 1 km bis 6 km eine Lagerstätte entstehen lassen.

Dieses Phänomen tritt jedoch viel seltener auf, was zum Teil die Seltenheit der Lagerstätten erklärt. "Es dauert Zehn- bis Hunderttausende von Jahren, bis sich ein Kupfervorkommen bildet, während Vulkanausbrüche häufiger vorkommen. Ein misslungener Ausbruch hängt von der Kombination mehrerer Parameter ab: der Geschwindigkeit der Magmainjektion, der Geschwindigkeit der Abkühlung und der Steifheit der Erdkruste, die die Magmakammer umgibt. Die Erdkruste muss flexibel sein, um den Druck des neu einströmenden Magmas zu absorbieren, damit es nicht zu einem Ausbruch kommt", erklärt Luca Caricchi, zweiter Autor und außerordentlicher Professor am Departement für Erd- und Umweltwissenschaften.

Erleichterung der Erkundung zukünftiger Lagerstätten

"Durch das Aufzeigen der Ähnlichkeiten zwischen großen Eruptionen und Lagerstätten wird es möglich sein, viele der von Vulkanologen gewonnenen Erkenntnisse zu nutzen, um das Verständnis der Entstehung von Porphyrlagerstätten zu verbessern", freut sich Massimo Chiaradia. Um zu ihren Ergebnissen zu gelangen, stützte sich das Team der Universität Genf einerseits auf Daten und Zahlen, die von den Bergbauunternehmen zur Verfügung gestellt wurden, und andererseits auf Daten, die von zahlreichen Forscherinnen und Forschern vor Ort und im Labor gesammelt wurden - kombiniert mit petrologischen und geochemischen Modellen.

Diese Entdeckungen eröffnen neue Wege für die Entwicklung geologischer, mineralogischer und geochemischer Werkzeuge für eine effizientere Exploration der größten porphyrischen Kupferlagerstätten der Erde. "Der nächste Schritt wird die Arbeit an einem Modell sein, mit dem sich der Gesamtkupfergehalt und damit die Qualität einer potenziell abbauwürdigen Lagerstätte möglichst genau quantifizieren lässt", schließt Massimo Chiaradia.


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