Simulation: Wie riesige Kupferlagerstätten entstehen

Zürich (Schweiz) - Kupfer gehört zu den wichtigsten Metallen für die Weltwirtschaft. Mehr als 16 Millionen Tonnen werden jährlich gefördert und die wichtigsten Vorkommen liegen derzeit im Norden Chiles, mit einer Abbaurate von knapp 5,5 Millionen Tonnen. Um langfristig die Suche nach neuen Lagerstätten zu erleichtern, simulierten nun Schweizer Geologen die Entstehungsprozesse für die ergiebigsten Vorkommen, die sogenannten porphyrischen Kupferlagerstätten. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, mussten aufsteigende magmatische Gase über Jahrtausende durch Grundwasser gekühlt werden, damit sich Kupfererze in wirtschaftlich bedeutenden Konzentrationen von ein bis drei Prozent anreichern konnten. Sogar bis heute könnten sich neue Lagerstätten bilden, beispielsweise rund um den Vulkan Pinatubo auf der Phillipinen-Insel Luzon.

„Diese Lagerstätten entstanden in einigen Kilometer Tiefe unter einem Vulkan und wurden später durch Erosion der oberen Erdkruste quasi frei zugänglich", sagt Philipp Weis vom Institut für Geochemie und Petrologie an der Technischen Hochschule Zürich (ETHZ). Verantwortlich dafür sind gigantische Magmakammern, die sich in der oberen Kruste festgesetzt hatten. Bei den großen Lagerstätten in den Anden fand dies im Tertiär, dem Erdzeitalter vor 2,6 bis 65 Millionen Jahren, statt. Weis simulierte zusammen mit seinen Kollegen in einem Computermodell die physikalischen und chemischen Prozesse in diesen Magmakammern. Demnach stiegen Metall-führende magmatische Gase von der kristallisierenden Magmenkammern auf und wurden mehrere Kilometer weiter oben in der Erdkruste an einer scharfen Grenzschicht durch Grundwasser auf etwa 400 Grad Celsius abgekühlt. Dabei konnten Kupfererze in hoher Konzentration kristallisieren und zahlreiche Kanäle - aufgerissen durch den Überdruck der aufsteigenden, komprimierten Gase - über einen Zeitraum von 50.000 bis 100.000 Jahren füllen.

Solche Netzwerke von Erzadern begründen heute den Kupferreichtum vieler Lagerstätten in Chile, Peru, aber auch in Indonesien und den USA. Heute erfolgt die wirtschaftlich lukrative Förderung oft im Tagebau, da die darüber liegenden Erdschichten im Laufe von Jahrtausenden durch Erosionsprozesse abgetragen wurden. Es ist auch kein Zufall, dass die reichsten Vorkommen in Südamerika entlang einer geologischen Plattengrenze entstanden sind. Denn Subduktionszonen, bei denen sich eine schwerere ozeanische Erdplatte unter eine leichtere kontinentale schiebt und abtaucht, bieten die besten Bedingungen für die Entstehung von Magmakammern und schließlich reichen Kupfervorkommen.

„Solche Lagerstätten könnte es noch viel häufiger geben“, sagt Weis. Denn die geologischen Bedingungen für den nun simulierten Entstehungsprozess sind an vielen anderen Orten entlang der Plattengrenzen der Erde gegeben. So sei es laut Weis nicht ausgeschlossen, in größerer Tiefe noch bisher unbekannte Kupfervorkommen entdecken zu können. In Fachkreise wird sogar heiß diskutiert, wo heute gerade neue Kupfervorkommen entstehen könnten. Zu den viel versprechenden Kandidaten zählt die Magmakammer, die den aktiven Vulkan Pinatubo speist, der zuletzt am 15. Juni 1991 nach einer 611-jährigen Ruhezeit ausbrach.

Für ihre erste Simulation wählten Weis und Kollegen noch relativ einfache Bedingungen. „In weiteren Modellierungen werden wir zusätzliche geologische Faktoren einbauen“, sagt der ETHZ-Wissenschaftler. Damit ist es nicht unwahrscheinlich, dass die Suche nach neuen Kupfervorkommen in Zukunft leichter wird. Allerdings könnte es dann für einen Abbau nötig sein, tiefer in die Erdkruste vorzustoßen. Ob der Schritt vom relativ günstigen Tagebau zum Bergbau mit Stollen und Förderschächten lohnen wird, hängt nicht zuletzt von der Entwicklung des Marktpreises für Kupfer ab, der derzeit bei etwa 6.000 Euro pro Tonnen rangiert.