Das Rätsel der Goldbewegung im Boden gelöst 💰

Durch die Untersuchung des Schwefelverhaltens in magmatischen Fluiden bei extremen Drücken und Temperaturen revolutioniert ein Team der UNIGE das Verständnis des Goldtransports und der Bildung metallischer Lagerstätten.


Wenn sich eine tektonische Platte unter eine andere schiebt, erzeugt sie Magmen, die reich an flüchtigen Stoffen wie Wasser, Schwefel und Chlor sind. Auf ihrem Weg zur Oberfläche setzen diese Magmen magmatische Fluide frei, in denen sich Schwefel und Chlor mit Metallen wie Gold und Kupfer verbinden und diese Metalle zur Erdoberfläche transportieren. Da die extremen Bedingungen natürlicher Magmen im Labor nur schwer nachzubilden sind, wird die genaue Rolle der verschiedenen Schwefelformen beim Metalltransport stark diskutiert.

Ein innovativer Ansatz eines Teams der Universität Genf (UNIGE) zeigt, dass Schwefel in seiner bisulfidischen Form (HS^-) entscheidend für den Transport von Gold in magmatischen Fluiden ist. Diese Ergebnisse sind in Nature Geoscience veröffentlicht.

Wenn zwei tektonische Platten aufeinandertreffen, taucht die subduzierte Platte in den Erdmantel ein, erwärmt sich und setzt große Mengen Wasser frei. Dieses Wasser senkt die Schmelztemperatur des Mantels, der sich unter hohem Druck und bei Temperaturen über tausend Grad Celsius verflüssigt und Magmen bildet. Da flüssiges Magma weniger dicht ist als der restliche Mantel, wandert es zur Erdoberfläche.

Dank einer hochmodernen Methodik konnte das Team der UNIGE zeigen, dass Bisulfid für den Transport des größten Teils des Goldes verantwortlich ist.


„Aufgrund des Druckabfalls werden die zur Erdoberfläche aufsteigenden Magmen mit einem wasserreichen Fluid gesättigt, das dann in Form von Blasen magmatischer Fluide freigesetzt wird“, erklärt Stefan Farsang, Postdoktorand am Departement für Erdwissenschaften der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Erstautor der Studie. Magmatische Fluide bestehen daher teilweise aus Wasser, aber auch aus gelösten flüchtigen Elementen wie Schwefel und Chlor. Diese beiden Elemente sind entscheidend, da sie Gold, Kupfer und andere Metalle aus der Silikatschmelze in das magmatische Fluid extrahieren und so deren Migration zur Oberfläche erleichtern.

Verschiedene Schwefelformen

Schwefel kann leicht reduziert oder oxidiert werden, d.h. Elektronen verlieren oder gewinnen, ein Prozess, der als „Redoxreaktion“ bezeichnet wird. Die Redoxzustände des Schwefels sind wichtig, da sie seine Fähigkeit beeinflussen, sich mit anderen Elementen wie Metallen zu verbinden. Seit über einem Jahrzehnt wird in der wissenschaftlichen Gemeinschaft jedoch diskutiert: Welcher Redoxzustand des Schwefels im magmatischen Fluid mobilisiert und transportiert die Metalle?

Zoltán Zajacz, außerordentlicher Professor am Departement für Erdwissenschaften der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Mitautor der Studie, berichtet: „Ein wegweisendes Papier aus dem Jahr 2011 hatte vorgeschlagen, dass Schwefelradikale S3- diese Rolle spielen. Die experimentellen und analytischen Methoden wiesen jedoch mehrere Einschränkungen auf, insbesondere bei der Nachbildung der relevanten Druck-Temperatur- und Redoxbedingungen magmatischer Fluide, die wir nun überwunden haben.“

Methodische Revolution

Das Team der UNIGE platzierte einen Quarzzyklinder und eine Flüssigkeit mit einer Zusammensetzung ähnlich der von magmatischen Fluiden in eine hermetisch verschlossene Goldkapsel. Die Kapsel wurde dann in einen Druckbehälter gelegt, der auf Druck- und Temperaturbedingungen gebracht wurde, die für Magmen in der oberen Erdkruste charakteristisch sind. „Vor allem ermöglicht unsere Anlage eine flexible Kontrolle der Redoxbedingungen im System, was bisher nicht möglich war“, fügt Stefan Farsang hinzu.


Während der Experimente wird der Quarzzyklinder gebrochen, wodurch das synthetische magmatische Fluid in die Risse eindringen kann. Der Quarz schließt dann Mikrotröpfchen des Fluids ein, wie sie in der Natur vorkommen, und die Form des darin enthaltenen Schwefels kann bei hohen Temperaturen und hohem Druck mit Lasern analysiert werden, unter Verwendung einer analytischen Technik, die als Raman-Spektroskopie bekannt ist. Während frühere spektroskopische Experimente in der Regel bis zu 700 °C durchgeführt wurden, gelang es dem Team der UNIGE, die Temperatur auf 875 °C zu erhöhen, was für natürliche Magmen charakteristisch ist.

Bisulfid als Transportmittel

Die Studie zeigt, dass Bisulfid (HS^-), Schwefelwasserstoff (H₂S) und Schwefeldioxid (SO₂) die Hauptschwefelarten in den experimentellen Fluiden bei magmatischen Temperaturen sind. Die Rolle von Bisulfid beim Metalltransport wurde bereits in sogenannten „hydrothermalen“ Fluiden niedrigerer Temperatur, die aus magmatischen Fluiden höherer Temperatur stammen, gut dokumentiert.

Es wurde jedoch angenommen, dass Bisulfid bei magmatischen Temperaturen nur sehr begrenzt stabil ist. Dank einer hochmodernen Methodik konnte das Team der UNIGE zeigen, dass auch in magmatischen Fluiden Bisulfid für den Transport des größten Teils des Goldes verantwortlich ist.

„Durch die sorgfältige Auswahl der Laserwellenlängen konnten wir auch zeigen, dass in früheren Studien die Menge an Schwefelradikalen in geologischen Fluiden stark überschätzt wurde und dass die Ergebnisse der Studie von 2011 tatsächlich auf einem Messartefakt beruhten, wodurch diese Debatte beendet wurde“, erklärt Stefan Farsang. Die natürlichen Bedingungen, die zur Bildung wichtiger Lagerstätten von Edelmetallen führen, sind nun geklärt.

Da ein Großteil der weltweiten Kupfer- und Goldproduktion aus Lagerstätten stammt, die durch magmatische Fluide gebildet wurden, kann diese Studie zu ihrer Exploration beitragen, indem sie wichtige Perspektiven für das Verständnis ihrer Entstehung eröffnet.