Woher kommt der Rohstoff Kupfer?

Alleine die Schweiz verbraucht jedes Jahr zehntausende Tonnen Kupfer. Wir kennen dieses Metall von Stromkabeln oder Dachkänneln her. Christoph Heinrich und seine Forschungsgruppe gehen der Entstehung des Rohstoffs mit modernster Analytik und Computersimulationen auf die Spur.

Grösste Kupfermine der Welt, Chucicamata, Chile. Bild: Luiswtc73/Wikimedia, CC-Lizenz

Professor Christoph Heinrich interessiert sich für Vulkane. Nicht nur, weil diese gefährlich sind oder wegen ihres faszinierend-leuchtenden Magmas, sondern weil in deren Nähe oft grosse Kupfervorkommen liegen. So zum Beispiel in Chile, dem langgezogenen Land an der Westküste Südamerikas, das entlang des Andengebirges eine ganze Kette von Vulkanen beherbergt. Kupfer entsteht in magmatischen Gesteinen durch eine Reihe von geologischen Prozessen. Christoph Heinrich, Geologe am Institut für Isotopengeologie und Mineralische Rohstoffe der ETH Zürich, erklärt: "Dort, wo diese Vorgänge vor 30 Millionen Jahren stattfanden, ist das Kupfererz mittlerweile in oberflächennahe Erdschichten aufgestiegen, indem überlagernde Gesteine kontinuierlich wegerodiert wurden. Aus solchen Erzvorkommen können wir heute Kupfer abbauen".

Steine nach ihrer Geschichte befragen

Heinrich ist aber nicht in erster Linie an der Förderung und den Anwendungen von Kupfer interessiert. Dies übernehmen darauf spezialisierte Bergbaufirmen. Vielmehr will er wissen, wo, wie und unter welchen Umständen dieser Rohstoff vor Millionen von Jahren entstanden ist. Am Anfang seiner Arbeit steht meist die Kartierung eines Geländes, das potenziell Kupfer birgt. Geologische Karten geben Hinweise darauf, wie die heute sichtbaren Gebirge und Erze im tiefen Untergrund von längst erloschenen Vulkanen vor Millionen von Jahren entstanden sind.

Gesteinsproben, die Heinrich anschliessend im Labor untersucht, stammen oft aus Bohrungen von kommerziellen Explorationsfirmen. "Die Industrieunternehmen machen Bohrungen, um herauszufinden, wo und in welcher Konzentration bislang unentdeckte Kupfererze vorkommen. Wir hingegen nutzen die Bohrkerne als "Müsterchen" des ehemaligen Erzbildungsprozesses, um Grundlagenwissen zur Entstehung des Rohstoffes zu gewinnen." Dazu untersuchen die Forschenden kleinste Einschlüsse in Quarzadern des Erzgesteins, nicht grösser als eine Haaresbreite, und finden darin Flüssigkeitströpfchen oder winzige Mengen eines Gasgemischs, sogenannte Fluide.

Quarzplättchen mit Einschlüssen von salzreichem Fluid

Ein dünnes Quarzplättchen aus einer Erzader zeigt unter dem Mikroskop haarkleine Einschlüsse von salzreichem Fluid. Bild: ETH Zürich

Diese Fluide wurden vor Jahrmillionen in den Erzen eingeschlossen und haben damals wertvolle Metalle (Kupfer, Molybdän und bedeutende Mengen an Gold) in zahlreichen Spalten des Gesteins angereichert. Mit einem Laser wird der Quarz aufgebohrt bis das Fluidgemisch aus dem Hohlraum austritt und mit einem Massenspektrometer analysiert werden kann. Mit diesem Analysegerät können Wissenschaftler genau messen, welches chemische Element in welcher Konzentration in einer salzreichen Flüssigkeit oder einem Gasgemisch vorkommt. Anhand dieser Daten können sie darauf zurückschliessen, in welcher Tiefe, unter welchen chemischen Bedingungen und bei welchen Drucken und Temperaturen das Kupfer einst entstand – selbst wenn dieser Vorgang bereits Millionen von Jahre zurückliegt.

Durch die Analyse vieler unterschiedlicher Gesteinsproben und deren Einschlüsse lässt sich die geologische Geschichte einer ganzen Region rekonstruieren. Darum spricht Heinrich in Zusammenhang mit erloschenen Vulkanen und deren Umgebung auch von "geologischen Archiven". Anhand von Computersimulationen mit Messdaten aus solchen Archiven kann Heinrich die Bewegung von Fluiden im Untergrund nachstellen. Zum Beispiel können die Forscher damit die Fliessgeschwindigkeit von Fluiden berechnen, die von der Druckverteilung und der Gesteinsdurchlässigkeit abhängt.

"Goldgebirge" vor der Haustür

Und wie sieht es eigentlich in der Schweiz aus? Haben wir bei all unseren Bergen keine Kupfervorkommen? "In den Alpen hat es leider fast keine vulkanischen Gesteine und dementsprechend auch keine bedeutenden Kupfererzlagerstätten", erklärt Heinrich. Zum Glück müssen Heinrichs Studenten aber trotzdem nicht für jede Gesteinsprobe nach Chile fliegen.

Die Fortsetzung der Alpen in Rumänien und Bulgarien ist das Gebiet, das am nächsten liegt und mit den Vulkanen in Chile vergleichbar ist. Dort interessieren sich Forschende und Firmen nicht nur für den Rohstoff Kupfer, sondern auch für das noch wertvollere Gold, welches seit Römerzeiten in den Karpaten abgebaut wird.

 

Quelle: Technoscope 3/09: Kostbare Rohstoffe. Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

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