Apr19

Gravitationsdifferentiation nennt sich der Prozess, der dem Bushveld-Komplex, dem Great Dyke und anderen Layered Intrusions zu Anreicherung von Edelmetallen (Platin/PGE, Gold, Silber, Chrom, Nickel, Zinn) verhalf. Er beruht auf Akkumulierung von Mineralen, die während einer fraktionierten Kristallisation aus einem Magma/Schmelze entstehen. In der Grafik sehen wir schematisch eine solche Kristallisationsabfolge.

Das Prinzip der Fraktionierung, © 1999 John Wiley & Sons. Inc.

Das Prinzip der Fraktionierung, © 1999 John Wiley & Sons. Inc.

Je nach Mineral, welches entsteht, spricht man von diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Kristallisation. Wenn im Laufe der Kristallisation eine Abfolge verschiedener Minerale entstehen, wie links in obiger Grafik, spricht man von diskontinuierlicher Kristallisation. Anders bei der kontinuierlichen Kristallisation, obige Grafik rechts, und typisch für die Ca-Na Feldspatreihe. Hier reagiert das Mineral kontinuierlich mit der Schmelze und weist – weil die Prozesse nicht vollständig ablaufen – eine chemische Zonierung auf.

Zonierter Plagioklas aus der Ca-Na Feldspatmischreihe

Zonierter Plagioklas aus der Ca-Na Feldspatmischreihe

Die Gravitationsdifferentiation

Bereits im schmelzflüssigen Zustand trennen sich häufig schon die unmischbaren sulfidischen und oxidischen Komponenten von der Schmelze, wie bei einer Salatsauce Öl und Essig. Häufiger ist jedoch die Trennung von frühzeitig auskristallisierten Mineralen. Da die Kristalle üblicherweise schwerer sind als die koexistierende Schmelze, können sie unter dem eigenen spezifischen Gewicht auf den Boden der Magmakammer sinken und bewirken dadurch eine Änderung der chemischen Zusammensetzung der Restschmelze.

Das Prinzip der Gravitationskristallisation, © Woudloper, Creative Commons

Das Prinzip der Gravitationskristallisation: die fraktionierte Kristallisation beginnt mit Abkühlung eines Magmas und akkumuliert das Kristallisat auf dem Magmakammerboden. Kristallisationsabfolge: 1: Olivin –> 2: Olivin und Pyroxen –> 3: Pyroxen und Plagioklas –> 4: Plagioklas. © Woudloper, Creative Commons

Die fraktionierte Kristallisation

Die magmatische Differentiation durch fraktionierte Kristallisation ist eine Folge davon, dass Magmen Mehrstoffsysteme sind, deren einzelne Komponenten verschiedene Schmelzpunkte besitzen. Die Grafik zeigt das Prinzip der fraktionierten Kristallisation eines Zweistoffsystems.

Schmelzdiagramm eines Zweistoffsystems

Ein Beispiel des Schmelzdiagramms eines binären Systems: 1. Schmelze I –> 2. Kristallart A und Schmelze II; 3. Kristallart B und Schmelze III; 4. Einsprenglinge A und 5. Einsprenglinge B.

Beim Abkühlen eines Magmas kristallisiert zuerst die Komponente mit dem höchsten Schmelzpunkt aus und sinkt wegen der höheren Dichte nach unten. Aus der restlichen Teilschmelze kristallisiert unter fortschreitender Abkühlen immer jene Komponente mit dem nächst höheren Schmelzpunkt aus und sinkt ihrerseits nach unten. So ändert sich der Chemismus der Schmelze von basisch (Mg-reich) nach sauer (SiO2-reich).

Natürlich ist die Natur kein Zweistoffsystem, lässt sich aber streckenweise auf wenige Komponenten reduzieren und erlaubt so eine Vereinfachung eines recht komplexen Systems.

Das Prinzip der fraktionierten Kristallisation lässt sich auf alle magmatischen Gesteine anwenden auch auf die Vulkanologie, wo noch eine Gasphase dazu kommt :-)!

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Apr12

Platin leitet sich vom spanischen Wort platina, der Verkleinerungsform von plata “Silber”, ab. Die erste europäische Erwähnung stammt von Julius Caesar Scaliger. Er beschrieb ein mysteriöses weisses Metall, das sich allen Schmelzversuchen entzog.

Platinum Nugget Kondyor-Mine, Khabarovsk Krai, Russland, © Alchemist-hp, own work, Wikimedia Commons

Platinum Nugget Kondyor-Mine, Khabarovsk Krai, Russland, © Alchemist-hp, Lizenz: http://artlibre.org/licence/lal/de/, Wikimedia Commons

Platin wurde schon um 3000 v. Chr. im alten Ägypten und auch von den Indianern Südamerikas verwendet. Beim Gewinnen von Goldstaub im Waschgold fand man es als Begleitung und liess sich nicht abtrennen. So wurde die Tatsache genutzt, dass sich native Platinkörnchen mit Goldstaub in der Glut verschweissen. Dabei wirkt das Gold wie ein Lot und bildet durch wiederholtes Schmieden und Erhitzen eine relativ homogene, helle, in der Schmiedehitze verformbare Metalllegierung. Ein Anteil von etwa 15 % Platin führt zu einer hellgrauen Farbe; reines Platin war noch nicht bekannt.

Mit etwa 80 % fördert Südafrika den höchsten, weltweiten Anteil an Platin.

 

Platinminen, ©Wikimapia

Weltweite Platinminen, ©Wikimapia

Die grösste Lagerstätte befindet sich im Bushveld-Komplex, im Transvaal, in einer 1 bis 3 Meter mächtigen Zone, dem Merensky Reef, die sich durch den ganzen Komplex zieht. Nebst Platin liefert das Merensky-Reef auch Nickel, Kupfer und Gold. In einem weiteren, darunter liegenden Horizont, der 15 bis 250 cm mächtigen UG2-Chromitit Zone, sowie dem Platreef  bei Potgietersrus, liegen die grössten Vorräte an Platingruppenmetallen, den PGMs. Es sind dies nebst Platin, die Metalle PalladiumRhodiumIridium und Osmium. Gold, Kupfer oder Nickel kommen hier nicht vor.

Der Bushveld-Komplex ist in jeder Hinsicht ein Superlativ. Es ist die grösste layered Intrusion der Welt und reich an Mineralien wie nirgendwo sonst.

 

 

Bushveld Chromitit, © Jackie Gauntlett

Chromitit (schwarz) in Wechsellagerung mit Anorthosit (grau ) im Bushveld Komplex, Dwars Rivier, © Jackie Gauntlett

Im Bild sehen wir die UG2-Chromitit Zone aufgeschlossen in Dwars Rivier. Diese Bänke, die aus ca. 40 % Chromit bestehen, ziehen sich uniform über 200 km durch den Komplex. Der Bushveld Lopolith ist wie der Great Dyke in Simbabwe aus fünf separaten, sich überlappenden Komplexen, die jedoch in ihrer Differentiationsabfolge sehr ähnlich sind, entstanden. Mit einer Mächtigkeit von 8 – 9 km und einer Flächenausdehung von 460×245 km oder 100’000 qkm erfolgte die gesamte Intrusion über mehrere Millionen Jahre.

Hier konnte die Theorie der magmatischen Differentation von Magmen speziell gut studiert werden. Durch Differentiationsvorgänge entstehen aus basaltischen Magmen Gesteinspakete, deren Zusammensetzung von ultrabasisch bis sauer reichen. Die layered intrusions, die an sedimentäre Schichtungen erinnern, sind ein weiterer Ausdruck von Differentiationszyklen.

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Apr05

Der Great Dyke in Simbabwe ist eine NNE-SSW verlaufende, 550 Kilometer lange und 4 bis 11 Kilometer breite, schmale Linie aus mehrheitlich ultramafischen Magmatiten. Er ist wie der Bushveld-Komplex in Südafrika – von dem in einem kommenden Beitrag die Rede sein wird – reich an Mineralen und Erzen.

Bushveld-Komplex, SA und Great Dyke, Simbabwe   Geologische Karte: Great Dyke und Bushveld-Komplex

l.: Die beiden ca. 2.6 Milliarde Jahre alten grossen Strukturen im südlichen Afrika: der Great Dyke in Simbabwe und der Bushveld-Komplex in Süd-Afrika; r.: geologische Situation der Grossstrukturen dieses Gebietes.

Im 19. Jh. wurde der Great Dyke als Ganggestein beschrieben und danach benannt. Ein Dyke bildet sich durch Intrusion von flüssigem Magma in bereits gebildetes Gestein und durchschneidet es diskordant. Heute weiss man, dass der Great Dyke, – wie auch der Bushveld-Komplex – ein Lopolith ist und vor etwa 2,6 Milliarden Jahren gebildet wurde. Ein Lopolith entsteht durch Intrusion magmatischer Schmelzen basisch- bis ultrabasischer Zusammensetzung und hat eine schüsselförmige Form. Die Intrusion ist konkordant zu den umgebenden Schichten. Die Aufstiegswege des magmatischen Materials sind entweder schlotförmig oder als Dykes ausgebildet, siehe Grafik unten links.

Lopolithe sind vom Erdaltertum bis zur Neuzeit vertreten. Sie sind geschichtet wie bei Sedimenten und sehr ausgedehnt. Eine solche Struktur nennt sich “layered complex” oder Schichtkomplex, wofür der Great Dyke wie auch der Bushveld Komplex eindrückliche Beispiele sind.

Der langgezogene Great Dyke besteht aus vier Schichtkomplexen, die Musengezi, Hartley, Selukwe and Wedza Komplexe, siehe Grafik unten rechts.

Lopolith-Intrusion Arten   Great_Dyke

l.: verschiedene Intrusionsarten: 1. Lakkolith (Magma wölbt das Darüberliegende und ist an der Basis schichtparallel), kleine Strukturen, 2. kleiner Dyke, Gang, 3. Batholith oder Pluton, 4. Dyke, senkrechter Gesteinsgang, 5. Sill, Schichtparalleler Gang, Lagergang, 6. Schlot, 7. Lopolith (Magma breitet sich  schichtparallel aus und verformt das Liegende zu einer Wanne),  © Motilla, Wikimedia /  r.: Geologie des Great Dyke, © 11th Platinum Symposium, rev. Judith Kinnaird

Die Metalle Gold, Silber, PlatinChromNickel, und Zinn, werden hier gefördert.

Lagenartig auftretende Chromerzvorkommen, sogenannte Chromite zählen zu den bedeutendsten Lagerstätten der Welt. In den ultramafischen, sulphidreichen Schichten, der “Main Reef Zone” liegen auch bedeutende PGE (PlatinGruppenElemente, Pt, Os, Ir, Rh, Ru, Pd) Vorkommen; es sind über 400 Millionen Tonnen Erz.

Die Bedeutung der PGE Metalle ist aus der vielseitigen Verwendung in der chemischen Industrie, bei der Erdölraffinerie, in der Zahnheilkunde, der Schmuckindustrie und in Katalysatoren zur Abgasreinigung in Benzinmotoren, ersichtlich. 48% der Weltproduktion an PGE ging 1997 in diese Art der Verwendung. Das industrielle Interesse wird weiterhin steigen, was das internationale Interesse an und die Suche nach Platinlagerstätten angekurbelt.

 

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Mrz30

Dank der Unvergänglichkeit des Goldes haben wir sichere Zeugnisse aus der Kultur der Sumer ab dem 3. Jahrtausend v. Chr., aus dem pharaonischen Ägypten, aus den Südamerikanischen Hochkulturen, aus dem alten China und allen nachfolgenden Kulturen; die ältesten datierten Funde gehen allerdings auf die Varna Kultur am Schwarzen Meer im heutigen Bulgarien zurück. Die Goldmaske des Thraker-Königs Teres zeugt davon. Alles deutet darauf hin, dass die Varna-Kultur als die weltweit früheste Kulturform gilt, welche bereits in der Kupferzeit sozial und technisch so weit entwickelt war, dass sie Gold gewinnen und bearbeiten konnte. Ihr mysteriöses Verschwinden Ende des 5. Jahrtausends v. Chr. wird mit dramatischen Klimaänderungen zu jener Zeit in Zusammenhang gebracht, aber wissen tun wir es nicht.

König Teres aus Thracien, © Ann Wuyts Creative Commons

Goldmaske des Thraker-Königs Teres, Varna-Kultur 5. Jhrt. v. Chr., © Creative Commons

Die altägyptischen Pharaonen hielten sich für Abkömmlinge des Himmelsgottes Horus und überhäuften sich und ihre Umgebung mit Gold. Seine Schönheit und Symbolik machte Gold zum Kennzeichen der Könige und Götter und so waren alle Opfer- und Schmuckgegenstände, die Könige und Priester nutzten, aus Gold. Das Gold wurde in Nubien, dem heutigen Sudan und der arabischen Halbinsel abgebaut. Die Ägypter unterhielten einen professionellen Bergbau, in dem Tausende Sklaven unter erbärmlichen Bedingungen arbeiteten.

Wer kennt nicht die Geschichte aus dem Alten Testament, wo erzählt wird, dass Königin Saba an König Salomon’s Hof nach Jerusalem reist um seine Weisheit zu prüfen und ihm, überwältigt von seiner Klugheit, hundertzwanzig Zentner Gold schenkt.

Fresko_Sheba_Königin

Die Königin von Saba, äthiopisches Fresko © Wikimedia

Gold war und ist ein Symbol von Macht, Prestige und Unsterblichkeit, aber es wurde auch im Handel genutzt.

 

Bereits 550 vor Christus hat der legendäre Herrscher Krösus in Lydien, in der heutigen Türkei gelegen, die ersten Münzen aus Gold und Silber prägen lassen. Die Ägypter trieben Handel mit Ringen und Edelmetallbarren, den so genannten “Talenten”. Athen konnte Dank Silbervorkommen eine einheitliche Währung – die Drachme – schaffen. Die Eule auf der Münze garantierte von Staates wegen das Gewicht und den Metallgehalt der Münze.

Antike Drachme mit Eule, © Wikimedia Gold Münze, Solidus genannt und Konstantin II darstellend © Wikimedia

l.: Antike Drachme mit Eule, © Wikimedia; r.: Konstantin II oder Grosse auf der Goldmünze Solidus, © Wikimedia

Der Solidus war eine römisch-byzantinische Goldmünze. Er wurde von Konstantin dem Grossen im Jahr 309 eingeführt und blieb bis zur Eroberung von Konstantinopel (1453) über ein Jahrtausend im Umlauf. Der Solidus war bis zum beginnenden 12. Jahrhundert die “Leitwährung” für ganz Europa und den gesamten Mittelmeerraum und wird auch als Euro des Mittelalters bezeichnet.

Das rätselhafte Gross-Simbabwe ist ein Beispiel wie auch in Afrika alte Kulturen durch den Handel mit Gold zu Reichtum und Macht kamen.

 

 

Gross-Simbabwe, © Wikimedia Luftaufnahme von Gross-Simbabwe, ©Georg Gerster/Keystone

l.: die “Grosse Einfriedung”, © Wikimedia; r.: Gross-Simbabwe aus der Luft, © Georg Gerster/Keystone

Auf einem Granithügel im südlichen Simbabwe liegt die festungsähnliche “Akropolis” mit verschachtelten Durchgängen und Räumen. Auf dem Talboden findet sich eine monumentale Ellipse, die “Grosse Einfriedung”, deren Umfassungsmauer aus Granitsteinen mörtellos aufgeschichtet, 5 bis 11 m hoch, 1 – 5 m mächtig und 253 m lang ist. Es ist Afrikas grösster Steinbau südlich der Sahara.

Gross-Simbabwe ist eine Schöpfung der Shona, die heute noch das Land regieren. Gegründet bereits im 11. Jahrhundert, stieg es im 14. Jahrhundert zur Hauptstadt und zum Handelszentrum eines Staates auf, der von dem Goldreichtum der umliegenden Hochplateaus profitierte. Übervölkerung brachte Gross-Simbabwe schliesslich nach 1450 zu Fall. Auch hier finden sich – selten zwar – wunderschöne Gegenstände aus Gold.

Nashorn aus Gold aus einer Grabstätte, Mapungubwe Gross-Simbabwe

Nashorn aus Gold aus einer Grabstätte, Mapungubwe Gross-Simbabwe

Gold ist in Afrika reichlich vorhanden, so auch im Great Dyke von Simbabwe, einer Struktur, die praktisch das ganze Land von Norden nach Süden durchquert. Davon soll nächste Woche der Beitrag handeln. Schöne Woche unterdessen!

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Mrz22

Südafrika ist ein mächtiger Goldproduzent der Welt. In den 70er Jahren lag der weltweite Produktionsanteil bei 80%, unterdessen ist der Anteil zurückgegangen; seine abbaufähigen Goldreserven im Boden werden noch auf 6000 Tonnen geschätzt und liegen an 2. Stelle hinter Australien. Die tiefsten 8 von 10 Gold Minen der Welt liegen in Südafrika und 90% des südafrikanischen Goldes liegt in einem elliptisch ausgeformten Gebiet von 320 auf 150 km, dem Witwatersrand Becken.

Gold in Quarrst; © WikimediaKrugerrand

v.l.n.r.: Gold in Quarzit; das Südafrikanische “Goldvreneli” der Krugerrand

Vor 3 Milliarden Jahren war dieses Gebiet ein Binnenmeer. Aus den umliegenden, sehr goldhaltigen Gebirgen verfrachteten 6 mächtige Ur-Flüsse ihren Schutt in dieses Meer. In den Deltas der Flüsse lagerte sich zwischen den Geröllen Gold ab, welches sich später zu goldhaltigen Konglomeraten oder Quarziten verfestigte. Das grösste der sechs Flussdeltas war der East Rand mit 40 km Länge und einer Deltabreite von 90 km. Am Oberlauf ist der Goldgehalt sehr klein, was auf rasche Strömung schliessen lässt. In der Mitte des Deltas ist der Goldgehalt meistens am grössten. Die Goldgehalte der Reefs – so werden die goldführenden Sedimenthorizonte genannt – sind daher sehr unterschiedlich, sie liegen bei 4 bis 20 g Gold pro Tonne Erz. Das reichste ist das Main-Reef.

Witwatersrand Basin depositional model

Modell zum Eintrag der Sedimente ins Witwatersrandbecken; © Goldfields

Mponeng bedeutet in Sesotho “Schau mich an”

Früher hiess das Bergwerk Western Deep Levels South Shaft oder einfach Shaft No 1. Namen wie Mponeng, TauTona, Driefontein, Savuka und Karasalethu liegen in West-Witwatersrand südlich von Carletonville, ca. 65 km westlich von Johannesburg und belegen die ersten Ränge des Tiefencharts.

Die Gruben sind mit bis zu z.Z. 4000 Metern Teufe die tiefsten der Welt. Das Erz von Mponeng ist mit einem Goldgehalt von mehr als 8 g/t besonders reich, so dass sich der Abbau in dieser Tiefe trotz der damit verbundenen Kosten lohnt. Die Bergwerke Mponeng und TauTona werden weiter in die Tiefe entwickelt, für Mponeng ist bis 2017 eine Teufe von 5000 m vorgesehen.

Die Arbeitsbedingungen in diesen Teufen sind sehr hart. Die Gesteinstemperatur in 4000 m Tiefe beträgt etwa 60 °C, die Lufttemperatur 55 °C. Durch aufwendige Kühlmassnahmen wird diese auf 28 °C gesenkt.

Minenarbeiter Südafrika

Minenarbeiter in Südafrika; © worldfinance

Nächste Woche wird das Thema weiterverfolgt, bis dahin viel Spass!

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Feb16

“An einem schwülen Sommertag im Jahre 1420 beobachtete in der Gegend von Rothenburg der Bauer Stämpfli, wie ein feuriger Drache dicht über seinem Kopf Richtung Pilatus flog und dabei etwas fallen liess. Als der Bauer nachsah, fand er in einer «Schweti» geronnenes Blut, den hier abgebildeten Stein”, so liest es sich in den Chroniken.

Pilatusdrache und Luzerner Drachenstei; © Abbildung von Johann Leopold Cysat, Luzern 1661

Pilatusdrache und Luzerner Drachenstein auf einer Abbildung von Johann Leopold Cysat, Luzern 1661. Quelle: Zentral- und Hochschulbibliothek Luzern Sondersammlung

Der Stein wurde von einem Nachkommen Stämpflis 1509 dem Wundarzt Martin Schriber zu Luzern verkauft, welcher sich 1523 vom Schultheiss und Rat der Stadt Luzern die Wunderkraft des Drachensteins in einer Urkunde bestätigen liess – was für ein wunderbares Geschäftsmodell!

Der Kanton Luzern kaufte ihn 1929 von der Familie Meyer von Schauensee, seither ist er in Staatsbesitz.

Luzerner Drachenstein, Darstellung aus dem 18. Jahrhundert; © Public domain   Der Drachenstein ist in der Dauerausstellung «Erdwissenschaften» im Natur-Museum ausgestellt; © Natur-Museum Luzern

Der Luzerner Drachenstein war bis Ende des 18. Jahrhunderts eine Weltberühmtheit, nicht nur wegen seiner wunderbaren Herkunft, sondern auch wegen seiner angeblichen Heilwirkung bei allerhand Krankheiten. Johann Jakob Scheuchzer (1672 – 1733) bezeichnete ihn als «die merkwürdigste aller Merkwürdigkeiten aller Museen»!

Oftmals wurde Meteoriten Heilkräfte zugeschrieben. War also der Drachenstein ein Meteorit?

Der Physiker und Begründer der Theorie über den Ursprung von Meteoriten, Ernst Chladni (1756-1827) sah im Luzerner Drachenstein einen echten Meteoriten. Spätere Untersuchungen konnten diese Annahme weder bekräftigen noch ausschliessen und so hielt sich die Vermutung, im Innern der Steinkugel verberge sich ein Himmelskörper.
Dank neuster zerstörungsfreier Analytik, der Computertomographie hat man an der EMPA Dübendorf  zweifelsfrei einen Einblick in den Kern des Luzerner Drachensteins erhalten. Die Resultate enthüllten einen Kern aus gebranntem Ton, und so wurde der «Heilstein mit wundersamen Kräften» enträtselt! Was es aber mit der Drachenbeobachtung auf sich hat und wie die Tonkugel entstanden ist, bleibt weiterhin ein Rätsel!

>> MTW-Sendung: Die Untersuchungen zum Luzerner Drachenstein! Viel Spass!

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Dez22

Durchs Polarisationsmikroskop geschaut sehen Gesteine im Dünnschliff schön bunt aus. Das Bild aus vielen verschiedenen Dünnschliffbildern zusammengesetzt soll zu Weihnachten das Gemüt erfreuen!

In diesem Sinne wünscht Erdwissen allen Leserinnen und Lesern frohe und fröhliche Weihnachtstage!

Dünnschliff-Mosaik diverser Gesteine durchs Polarisationsmikroskop geschaut

 

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Die Lösung

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