„Ein Erzvorkommen ist zunächst einmal eine geologische Anomalie“, erklärt Clifford Patten, Assistenzprofessor am Institut für Mineralogie und Petrographie der Universität Innsbruck. „Sie entstehen nur dort, wo viele außergewöhnliche Prozesse ideal zusammentreffen.“ Die Forschung seines Teams konzentriert sich auf die Entstehung der Erze, genauer gesagt auf den Weg der Metalle vom Erdinneren bis in oberflächennahe Lagerstätten. Dabei ist ein Perspektivwechsel entscheidend, wie Patten erklärt. Weg vom reinen Blick auf das Vorkommen selbst, hin zu den Prozessen, die überhaupt erst zur Anreicherung von Metallen führen: „Wenn man die Wirtschaft verstehen will, schaut man nicht nur in die Bank, sondern darauf, woher das Geld kommt. Genauso ist es mit Lagerstätten, sie sind das Ergebnis eines komplexen geochemischen Systems.“ Ein konkretes Beispiel findet sich am Meeresboden: So genannte „Black Smoker“ transportieren durch hydrothermale Zirkulation gelöste Metalle aus der Erdkruste nach oben. Ähnliche metalltransportierende Prozesse vermuten die Forschenden auch im vulkanisch aktiven Gebiet rund um Santorin. Da dort geologische Bedingungen herrschen, wie sie für die Bildung solcher Erzvorkommen typisch sind, haben sie das Gebiet gezielt untersucht und Proben aus jungen Lavaströmen entnommen.
Mikroskopische Heißluftballone
In einer kürzlich im renommierten Fachmagazin Nature Communications veröffentlichten Studie analysierte Clifford Patten mikroskopisch kleine Tropfen in den Vulkan-Proben - sogenannte „compound drops“, die sich aus Schwefelverbindungen und Gas zusammensetzen. „Man kann sie sich wie kleine Heißluftballons vorstellen“, erklärt Patten. „Der Sulfidanteil ist der Korb, das Gas ist der Ballon.“ Diese Tropfen entstehen an der Grenzfläche zweier Magmen unterschiedlicher Zusammensetzung. Während man früher annahm, dass Sulfide aufgrund ihrer Dichte im Magma absinken, zeigen die aktuellen Ergebnisse das Gegenteil: Mithilfe des Gasanteils steigen sie auf. „Die Metalle sind in der Sulfidphase gebunden. Wenn diese oxidiert, gehen die Metalle in die Gasphase über und gelangen so noch weiter nach oben“, sagt Patten. Damit entsteht ein zweistufiger Aufstiegspfad, bei dem die Metalle schrittweise aus dem Erdinneren in oberflächennahe Bereiche transportiert werden. Dort können sie durch spätere Prozesse angereichert und potenziell abbauwürdig werden können.
Erze aus Magma
Um diesen Vorgang besser verstehen zu können, analysierten die Forscherinnen und Forscher Proben aus dem jungen Vulkangestein der kleinen griechischen Insel Nea Kameni, die im Zentrum der berühmten Caldera von Santorin liegt. „Wir haben die Gesteinsproben mikroskopisch untersucht und konnten darin die charakteristischen Texturen der compound drops nachweisen“, sagt Patten. Besonders auffällig war, dass sich Metalle gerade dort sammelten, wo das ursprüngliche Erzmineral durch Sauerstoff in ein neues, eisenhaltiges Mineral umgewandelt wurde. Diese Veränderung deutet Patten als zentrales Indiz dafür, dass die Metalle sich aus dem festen Material lösten und in die aufsteigenden vulkanischen Gase übergingen. Mit modernsten Analysegeräten, darunter Elektronenmikrosonde und Lasermassenspektroskopie, bestimmte Clifford Patten die chemische Zusammensetzung der Mineralphasen. „Anhand dieser Unterschiede lässt sich nachvollziehen, wie die Metalle im Laufe der geologischen Entwicklung gewandert sind.“ Die Studie liefert somit ein wichtiges Puzzlestück im Verständnis der Entstehung von magmen-basierten Erzvorkommen.
Gesellschaftliche Dimension
Die Ergebnisse sind auch deshalb relevant, weil die Erforschung von Lagerstätten zunehmend an Bedeutung für Fragen der Energieversorgung und Ressourcenpolitik gewinnt. „Es gibt keine nachhaltige Energiezukunft ohne Metalle – aber es gibt keinen metallischen Rohstoffabbau, der völlig nachhaltig ist“, stellt Patten klar. Windkraftanlagen enthalten tonnenweise Kupfer und seltene Erden, Solarmodule benötigen große Mengen Silizium, elektrische Fahrzeuge kommen ohne Lithium, Kobalt oder Mangan nicht aus. Der Bedarf an diesen Metallen wird in den kommenden Jahrzehnten drastisch steigen. „Wir brauchen nicht nur mehr Rohstoffe, wir brauchen zudem auch andere als bisher“, sagt Patten. Lithium etwa war vor 20 Jahren kaum relevant, heute ist es entscheidend. Dabei ist der Zugang zu diesen Ressourcen nicht gleich verteilt. Der Großteil der europäischen Metalle stammt aus außereuropäischen Ländern – sehr häufig abgebaut unter sehr problematischen Bedingungen. „Wir wollen grüne Technologien, aber keine Minen vor unserer Haustür. Das ist ein Widerspruch, den wir offen diskutieren müssen. Der Ausbau nachhaltiger Energie darf nicht auf Kosten anderer Regionen gehen.“ Zugleich bleibt die Suche nach neuen Vorkommen aufwendig, teuer und zunehmend schwieriger. „Die Volumina, in denen sich Metalle anreichern, sind geologisch extrem klein. Man kann leicht daran vorbeisuchen“, so Patten. Gerade deshalb sind genaue geowissenschaftliche Modelle wie jenes des Geologen von Bedeutung. Clifford Patten sieht die größten Hebel aber dennoch an anderer Stelle: „Das Entscheidende ist: Wir müssen nicht mehr produzieren, wir müssen weniger verbrauchen. Wenn wir die Energiewende schaffen wollen, müssen wir zuerst unseren Energieverbrauch senken – das ist der wichtigste Schritt.“
Zur Person:
Clifford Patten ist seit 2022 Assistenzprofessor am Institut für Mineralogie und Petrographie der Universität Innsbruck. Zuvor forschte er am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zu magmatischen Prozessen, Spurenelementverhalten und Sulfidbildung. Patten beschäftigt sich mit geologischen Vorgängen im Erdinneren, insbesondere mit dem Transport von Metallen durch Vulkansysteme. Ziel seiner Forschung ist ein besseres Verständnis der Bedingungen, unter denen metallische Lagerstätten entstehen.
Dieser Beitrag ist in der aktuellen Ausgabe von ZUKUNFT FORSCHUNG erschienen.