Gold, Kupfer... warum finden sich diese Edelmetalle in Subduktionszonen? 🌋

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Subduktionszonen sind die wichtigsten Orte des Materieaustauschs zwischen Erdkruste und Erdmantel auf der Erde. Sie sind auch die Orte, an denen sich die größten Vorkommen strategischer Metalle wie Kupfer, Molybdän oder Gold befinden, die sich in der oberen Kruste in einigen Kilometern Tiefe bilden. Aber wie entstehen sie und warum sind sie dort?

Abbildung:
(A) Schema einer Subduktionszone, das den Transfer von Gold und Schwefel von der subduzierten Platte durch den Mantel bis zur oberen Kruste zeigt, wo sich die großen Metallvorkommen befinden.
(B) Schema auf Körnerebene der Wechselwirkungen des Fluids mit Mantelmineralen (Olivin, Pyroxen), die zur Anreicherung des Fluids mit Gold führen.
© D-Y. He

Es wird angenommen, dass Wasser, Metalle und flüchtige Verbindungen (SO₂, SO₃, CO₂) durch Dehydratation der subduzierten ozeanischen Platte in großer Tiefe (zwischen 80 und 120 km) freigesetzt werden und dann in den darüberliegenden Mantel eindringen (siehe Abbildung). Die Mechanismen des Metalltransfers bleiben jedoch rätselhaft. Für ein metall- und schwefelhaltiges Fluid ist das Durchqueren eines Mantels keine einfache Sache, denn bereits beim ersten Kontakt sollten die Fe(II)-reichen Minerale des Mantels mit dem Fluid reagieren, den gesamten Schwefel zu Sulfid S(-II) reduzieren und Eisensulfid (FeS) ausfällen – die Phase, die dafür bekannt ist, Gold zu konzentrieren.

Ein internationales Konsortium von Forschern aus 5 Ländern (China, Australien, USA, Schweiz und Frankreich), an dem ein Labor des CNRS Terre & Univers beteiligt ist (siehe Kasten), hat ein thermodynamisches Modell entwickelt, das dieses Transferphänomen erstmals quantitativ erklärt und dabei das Trisulfid-Ion, [S₃^•]-, berücksichtigt, eine erst kürzlich in Fluiden entdeckte, aber in bestehenden Szenarien vernachlässigte Schwefelform. Das neue Modell zeigt, dass [S₃^•]- der verantwortliche Akteur für die Goldanreicherung im Fluid während seiner Reaktion mit dem Mantel ist, indem es einen hochlöslichen Komplex, [Au(HS)S₃]-, bildet.

Dieser Komplex konzentriert bis zu 1000-mal mehr Gold im Fluid im Vergleich zu seiner durchschnittlichen Häufigkeit im Mantel und schafft es so, der Wirkung der Eisensulfidphasen entgegenzuwirken, die versuchen, das Gold zu binden. Diese Goldanreicherung im Fluid ist die notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Goldquelle im Mantel von Subduktionszonen und den anschließenden Transfer des Metalls durch Fluide und Magmen in die obere Kruste, wo sich dann wirtschaftlich nutzbare Lagerstätten bilden (siehe Abbildung).

Das in dieser Studie entwickelte Modell ermöglicht ein besseres Verständnis und eine bessere Vorhersage der wirtschaftlich relevanten Konzentrationen strategischer Metalle auf unserem Planeten.