Porphyrische Erzlagerstätten gehören zu den weltweit wichtigsten Quellen von Kupfer, Molybdän und Gold. Solche Erzvorkommen decken rund 75 Prozent des heutigen weltweiten Kupferbedarfs und haben daher enorme wirtschaftliche Bedeutung. Neue Erzlager in der Erdkruste zu finden, steht und fällt mit der Frage, unter welchen Bedingungen solche gigantischen Metallanreicherungen entstehen, die sich mit vertretbarem Aufwand wirtschaftlich nutzen lassen.

Bis anhin haben Geologen dies vor allem anhand von Feldbeobachtungen und geochemischen Analysen untersucht, aber nur bedingt nachvollziehen können, welche physikalischen Vorgänge zur Bildung grosser Lagerstätten führen. Mit einem Modell, das diese Vorgänge simuliert, haben nun ETH-Forscher aus der Gruppe von Thomas Driesner und Christoph Heinrich vom Institut für Geochemie und Petrologie eine klare Antwort auf diese Frage erhalten. Die Studie ist soeben in «Science» erschienen.

Vulkan und Magmakammer gebraucht

Die Lagerstätten bilden sich über dem Dach einer Magmakammer, die unterhalb eines aktiven Vulkans liegt. Während das Magma im Untergrund zu einem granitischen Gestein kristallisiert, werden metall- und salzreiche wässrige Lösungen, sogenannte Fluide, ausgestossen. Diese Fluide bahnen sich ihren Weg nach oben, durch den bereits zu einem porphyrischen Gestein ausgehärteten Vulkanschlot. Auf einer bestimmten Höhe werden die Metalle ausgefällt und angereichert. Das Erzlager hat eine typische, recht scharf umrissene Form, die dem Hut eines Pilzes ähnelt. Dessen «Stamm» ist der zum Porphyr erstarrte Vulkanschlot, der mit vielen Adern durchzogen ist, durch welche das Fluid nach oben dringt.

Mit ihren Simulationen können nun die Forscher aufzeigen, welche Prozesse für eine Metallanreicherung zusammenspielen müssen. «Das Schöne an diesem Modell ist, dass das Vulkansystem sich spontan derart organisiert, dass die Metalle lokal bis zum in natura beobachteten Erzgehalt angereichert werden und sich nicht etwa über die gesamte Krustentiefe von der Magmakammer bis zur Oberfläche verteilen. Das würde nie zu einer nutzbaren Lagerstätte führen», sagt der Erstautor der Science-Studie, Philipp Weis. Mit dem Modell können die ETH-Forscher damit alle wesentlichen, aus geologischen Feldstudien und chemischen Messungen zusammengetragenen Erkenntnisse erklären.

Auf Temperatur und Druck kommt's an

Die wichtigsten Faktoren, welche die Erzabscheidung bestimmen, sind Temperatur und Druck des Fluids. Fallen beide ab, sinkt die Löslichkeit der Metalle. Beide Faktoren beeinflussen aber auch, wie brüchig das Gestein ist, was wiederum die Bildung von Adern und seine Durchlässigkeit bestimmt. Starker Überdruck des Fluids in der Magmakammer ist notwendig, damit sich im Gestein darüber Adern bilden und um die mineral- und salzhaltige Lösung wie durch ein Sieb hindurch nach oben zu pressen. Weil aber das heisse Fluid die überlagernden Gesteine aufheizt, werden diese duktil, das heisst, dass sie sich plastisch verformen, ehe sie auseinander klaffen. Dadurch schliessen sich aber die Maschen des Siebs.

Gleichzeitig kühlt in der Erdkruste zirkulierendes kälteres Grundwasser das System ab. So entsteht über der Magmakammer eine von magmatischen Fluiden dominierte, zylindrische Aufsteigezone. Entlang einer scharfen Grenzschicht geht diese in einen kühleren Bereich über, in dem Oberflächenwasser zirkuliert. Dort ist das Gestein spröde und bricht daher leichter als tiefer unten.

Dieser Übergang ist entscheidend: Hier ändern sich Druck und Temperatur schlagartig und fallen innerhalb von 200 Metern stark ab. So wird das mechanische Sieb zu einem chemischen Sieb, in welchem das durchströmende Fluid seine gesamte Ladung an Metallen absetzt.

Wechselwirkung von Gestein und Fluid

Rund 50'000 Jahre dauert es, bis die Magmakammer sein Fluid ausgestossen hat. Während dieser Zeit verschiebt sich die Ausfällungszone kaum, so dass sich etwa zwei Kilometer unter der Erdoberfläche eine beträchtliche Menge an Kupfer anreichert.

«Diese Wechselwirkung zwischen Gesteinsverhalten und Fluid-Dynamik ist der Knackpunkt unseres Modells, weil die Durchlässigkeit des Gesteins den Fluss des Fluids stark beeinflusst und damit bestimmt, ob es zu einer chemischen Anreicherung von Erz an einer bestimmten Stelle kommt», betont Weis.

Tiefengeothermie besser verstehen

Die Bedeutung des Modells geht aber über die Bildung von Erzlagerstätten hinaus. Ähnlichen Gesetzmässigkeiten unterliegt auch das Wasser, das zur Nutzung von geothermischer Energie in die Tiefe gepresst wird — wenn auch mit umgekehrten Vorzeichen.

Im kristallinen Untergrund übt eingepresstes Wasser hohen Druck auf das umgebende Gestein aus und verändert dessen Durchlässigkeit, in ähnlicher Weise wie das metallreiche Fluid in der Simulation die Erzbildung ermöglicht. Erst wenn das Gestein Adern hat, kann das Wasser durch den Fels strömen und sich dabei erhitzen, um an anderer Stelle gefasst und zur Erdoberfläche zurückgeführt zu werden. «Dieses Zusammenspiel von Fluid und Gestein ist mit dem Erz-System vergleichbar, wenn auch die unterschiedlichen Temperatur- und Druckbedingungen andere Materialbeschreibungen erfordern», erläutert Mitautor Thomas Driesner. Er und seine Doktoranden befassen sich nun vertieft damit, das Simulationsprogramm für die Erschliessung der tiefen Geothermie anzuwenden.

Entscheidungsgrundlage schaffen

Dieses Programm lässt sich gerade deshalb auch bei der geothermischen Energie anwenden, weil die Balance zwischen mechanischen und chemischen Gesteinsveränderungen und der Fluss von Wasser entscheidend sind. Die Kunst bei der praktischen Gewinnung dieser Energie aus der Tiefe ist, dass der Fels durch hohen Wasserdruck nicht allzu durchlässig wird. Kann das Wasser ungehindert durchfliessen, erwärmt es sich zu wenig stark. Zu kleine Risse und Poren würden hingegen den Durchfluss behindern.

«Es ist noch viel Forschung nötig, bis dieses System kontrolliert werden kann», betont Philipp Weis. Da es schwierig und aufwendig ist, die Vorgänge im tiefen Gestein durch direkte Beobachtungen zu erfassen, sind numerische Modelle unerlässliche Hilfsmittel, um neue Erkenntnisse zu gewinnen und dereinst Entscheidungsgrundlagen für Energieproduzenten bereitzustellen.

Literaturhinweis

Weis P, Driesner T, Heinrich CA. Porphyry-copper ore shells form at stable pressure-temperature fronts within dynamic fluid plumes. Science 2012. Online-Vorabpublikation. DOI: 10.1126/science.1225009