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3 Rohstoffe aus dem Meer – Chancen und Risiken

Massivsulfide

Massivsulfide – im Rauch der Tiefe

> 1979 entdeckte man im Pazifik heiße Quellen, an denen sich metallhaltige Schwefelverbindungen ablagern, sogenannte Massivsulfide. Heute weiß man, dass sie weltweit vorkommen. Zwar sind die bisher gefundenen Mengen bei Weitem nicht so groß wie die der Kobaltkrus­ten und Manganknollen, sie weisen aber zum Teil deutlich höhere Gehalte an Kupfer, Zink, Gold und Silber auf. Vor Papua-Neuguinea könnte der Abbau schon 2016 beginnen.

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Sulfide Sulfide sind chemische Verbindungen aus Schwefel und Metall. In Massivsulfiden kommen unter anderem Eisensulfid (Pyrit), Kupfersulfid (Chalkopyrit), Zinksulfid (Sphalerit) und Sulfide anderer Metalle wie Gold und Silber vor. Besonders der relativ hohe Gehalt an Edelmetallen macht die Massivsulfide für den Meeresbergbau interessant.

Ein extrem heißer Wasserstrahl

Außer Manganknollen und Kobaltkrusten findet man im Meer noch eine dritte metallhaltige mineralische Ressource: die Massivsulfide. Diese bestehen aus Schwefelverbindungen, Sulfiden, die am Meeresboden ähnlich wie Kobaltkrusten massive Ablagerungen bilden, daher der Name. Massivsulfide entstehen an heißen ozeanischen Quellen, aus denen mit Sulfiden angereichertes Wasser aus dem Untergrund ins Meer strömt. Solche heißen Quellen werden Hydro­thermal­quellen gennant, die man entlang von Plattengrenzen und an aktiven Vulkanen im Meer findet, wo durch das Zusammen­wirken von vulkanischer Aktivität und Meerwasser ein Wärme- und Stoffaustausch zwischen den Gesteinen der Erdkruste und dem Ozean stattfindet. Durch Spalten am Meeresboden dringt Meerwasser bis zu mehrere Tausend Meter tief in den Untergrund ein. Das Meerwasser wird in der Tiefe durch vulkanische Aktivität auf bis zu rund 400 Grad Celsius aufgeheizt und löst Metalle und Schwefel aus dem umgebenden Vulkangestein. Da das heiße Wasser eine geringere Dichte als das kühlere Wasser darüber hat, steigt es schnell auf und fließt zurück ins Meer. Im Meerwasser kühlt die Heißwasserwolke sehr schnell ab. Dabei verbinden sich die im Wasser gelösten Metalle zu feinen Sulfidpartikeln und sinken als feiner Niederschlag zu Boden.
Abb. 2.25 > Verteilung der Hydrothermalquellen nach Tiefe und Entstehungsort. © Hannington 2.25 > Verteilung der Hydrothermalquellen nach Tiefe und Entstehungsort.
An vielen Hydrothermalquellen weltweit haben sich die Sulfide an den Austrittsstellen zu mehrere Meter hohen schornsteinartigen Strukturen aufgetürmt. Das Wasser schießt wie ein Fontäne aus den Röhren ins Meer. Dabei lagert sich nach und nach weiteres Material am Rand der Röhren ab, sodass sie weiter in die Höhe wachsen. Diese Strukturen werden aufgrund ihres Aussehens auch als Raucher bezeichnet. Da das austretende Wasser in den meisten Fällen durch die Mineralien schwarz gefärbt ist, spricht man hier auch von Schwarzen Rauchern. 1979 wurden die ersten Schwarzen Raucher während einer Expedition zum Ostpazi­fischen Rücken entdeckt. Sie waren nicht nur für Geologen eine Sensation, sondern auch für Biologen, denn sie werden von vielen Tierarten bevölkert. Mit so viel Leben in der Tiefsee hatte kaum ein Wissenschaftler gerechnet. Damals galt die Tiefsee noch als öde und leer. Heiße Quellen wurden inzwischen in allen Ozeanen gefunden. Sie bilden sich überwiegend in Wassertiefen von 1000 bis 4000 Metern.
2.26 > Raucher entstehen in magmatisch aktiven Meeresregionen. Durch Risse im Meeresboden sickert Wasser mehrere Tausend Meter tief in den Untergrund. In der Nähe von Magmakammern erwärmt es sich auf bis zu rund 400 Grad Celsius und löst Mineralien aus dem Gestein. Aufgrund seiner geringen Dichte steigt es auf und schießt über die Raucher zurück ins Meer. Durch die Reaktion mit dem kalten Meerwasser bilden sich Mineralienpartikel, die sich in den Kaminen der Raucher oder auf dem Meeresboden ablagern.
Abb. 2.26 > Raucher entstehen in magmatisch aktiven Meeresregionen. Durch Risse im Meeresboden sickert Wasser mehrere Tausend Meter tief in den Untergrund. In der Nähe von Magmakammern erwärmt es sich auf bis zu rund 400 Grad Celsius und löst Mineralien aus dem Gestein. Aufgrund seiner geringen Dichte steigt es auf und schießt über die Raucher zurück ins Meer. Durch die Reaktion mit dem kalten Meerwasser bilden sich Mineralienpartikel, die sich in den Kaminen der Raucher oder auf dem Meeresboden ablagern. © maribus/Sven Petersen
Massivsulfide kommen weltweit an Plattengrenzen vor. Geologen unterscheiden 4 verschiedene typische Entstehungsgebiete von Hydrothermalquellen und damit auch Massivsulfiden:

AN MITTELOZEANISCHEN RÜCKEN: Mittelozeanische Rücken sind Gebirgszüge im Meer, die sich wie die Naht eines Baseballs um den ganzen Globus ziehen. Hier driften ozeanische Platten auseinander. Dabei entstehen Risse, durch die Wasser in die Tiefe sinkt und sich an Magmakammern aufheizt.

AN INSELBOGENVULKANEN: Inselbogenvulkane entstehen, wenn sich eine ozeanische Platte im Meer unter eine andere schiebt. Dabei wird in der Tiefe Gestein geschmolzen, das als Magma aufsteigt. Mit der Zeit wächst ein Vulkan in die Höhe. Solange der Vulkan die Meeres­oberfläche nicht erreicht, spricht man von einem Seeberg. Im Gipfelbereich solcher untermeerischen Vulkane können sich Hydro­thermal­quellen bilden. Viele Südsee­inseln im Südwestpazifik sind durch dieses Abtauchen von ozeanischen Platten, der sogenannten Subduktion, und das Aufsteigen von Magma entstanden. Da entlang der abtauchenden Platte meist mehrere Vulkane nebeneinander entstehen und diese Vulkanketten aufgrund der Kugelform der Erde Bögen ausbilden, werden diese auch Inselbögen genannt.

HINTER INSELBOGENVULKANEN (Backarc-Becken): Wenn eine Platte unter eine andere abtaucht, entstehen in der oberen Platte Spannungen. Die obere Platte wird von der abtauchenden unteren Platte ausgedünnt, auseinandergezogen und reißt dann auf. Diese Art von Spannungen tritt in vielen Fällen mehrere Dutzend Kilometer hinter den aktiven Inselbogenvulkanen auf. Aus diesem Grund spricht man im Englischen vom back-arc basin (arc = Bogen).

AN INTRAPLATTENVULKANEN: Vulkane entstehen nicht nur an Plattenrändern oder in Subduktionszonen, sondern auch mitten in einer Platte. In solchen Fällen steigt Magma durch Risse im Untergrund auf und brennt sich wie ein Schneidbrenner durch die Erdkruste. Da diese Vulkane punktuell entstehen, spricht man auch von Hotspots. Auch an solchen Hotspots sind vereinzelt Hydrothermalquellen zu finden. Ein Beispiel für Intraplatten­vulkane ist die Inselgruppe von Hawaii. Sie ist entstanden, als die ozeanische Platte langsam über den Hotspot gewandert ist. Punkt für Punkt ist Magma durchgedrungen und hat sich zu Inseln auftürmt.

Zusatzinfo Schwarz, weiß, grau und manchmal sogar gelb

Ungezählte Hydrothermalquellen

Bis heute hat man bei Expeditionen in der Tiefsee rund 187 aktive Hydro­thermal­quellen mit Massivsulfiden entdeckt. Hinzu kommen 80 erkaltete Hydrothermalquellen, die nicht mehr aktiv sind. Gleichwohl sind auch hier Massiv­sulfide zu finden, die sich in früheren Zeiten am Meeresboden abgelagert haben. Außerdem sind 30 Orte bekannt, an denen hochtemperierte Hydrothermal­lösungen austreten, sich aber an der Oberfläche keine Massivsulfide gebildet haben. Hier könnten sich allerdings im Untergrund Sulfidvorkommen befinden. Insgesamt sind heute also rund 300 Hydrothermalquellen beziehungsweise Massivsulfidvorkommen bekannt. 58 Prozent davon finden sich an Mittelozeanischen Rücken, 26 Prozent kommen in den Spreizungszonen der Backarc-Becken, 16 Prozent an Inselbogen­vulkanen und 1 Prozent an Intraplattenvulkanen vor. Forscher gehen davon aus, dass die Zahl der Hydrothermalquellen und damit auch der Massivsulfide weltweit noch deutlich größer ist. Grundlage dieser Schätzungen ist der geothermische Wärmefluss der Erde. So ist heute genau bekannt, wie viel Wärme im Erdinneren entsteht und durch Magmatismus und Vulkanismus freigesetzt wird. Diese Wärmemenge beträgt 1,8 Billionen Watt, was der Leistung von 1 Million Atomkraftwerken entspricht. Ein Teil dieser Wärmemenge, so die Schätzungen, wird durch Hydrothermalquellen freigesetzt. Nach entsprechenden Berechnungen gehen einige Forscher davon aus, dass sich auf jedem Kilometer eines Mittelozeanischen Rückens oder einer Backarc-Spreizungszone 1 Hydrothermalquelle befindet. Bedenkt man, dass die Mittel­ozeanischen Rücken und Backarc-Spreizungszonen zusammen eine Gesamtlänge von rund 67 000 und die Inselbogenvulkane von rund 22 000 Kilometern haben, könnte es weltweit rund 90 000 Hydrothermalquellen geben. Forscher nehmen an, dass alle 50 bis 100 Kilometer eine große Fläche zu finden ist, die aus bis zu 100 Rauchern bestehen kann. Insgesamt rechnet man damit, dass weltweit an rund 500 bis 1000 Stellen große Massivsulfid­vorkommen entstanden sind.
2.27 > Die Zahl hydrothermaler Quellen lässt sich nur schwer bestimmen, da diese über den ganzen Globus verteilt sind. Sicher bekannt sind 187 aktive und 80 inaktive Hydrothermal­quellen, an denen sich Massiv­sulfide gebildet haben.
Abb. 2.27 > Die Zahl hydrothermaler Quellen lässt sich nur schwer bestimmen, da diese über den ganzen Globus verteilt sind. Sicher bekannt sind 187 aktive und 80 inaktive Hydrothermalquellen, an denen sich Massivsulfide gebildet haben. © Geomar
2.28 > Hydrothermalquellen entstehen in verschiedenen magmatisch aktiven Gebieten, in denen Wasser in die Tiefe dringt und aufgeheizt wird. Zu diesen Gebieten zählen zum Beispiel Inselbogenvulkane, die entstehen, wenn in die Tiefe abtauchendes Gestein aufgeschmolzen wird. Hinter Inselbogenvulkanen reißt der Untergrund durch Spreizungsbewegungen der Erdkruste auf, sodass Magma aufsteigen kann. Mittelozeanische Rücken entstehen durch das Auseinanderdriften von ozeanischen Platten. Intraplattenvulkane wiederum bilden sich an Schwachstellen in der Erdkruste.
Abb: 2.28a > Hydrothermalquellen entstehen in verschiedenen magmatisch aktiven Gebieten, in denen Wasser in die Tiefe dringt und aufgeheizt wird. Zu diesen Gebieten zählen zum Beispiel Inselbogenvulkane, die entstehen, wenn in die Tiefe abtauchendes Gestein aufgeschmolzen wird. Hinter Inselbogenvulkanen reißt der Untergrund durch Spreizungsbewegungen der Erdkruste auf, sodass Magma aufsteigen kann. Mittelozeanische Rücken entstehen durch das Auseinanderdriften von ozeanischen Platten. Intraplattenvulkane wiederum bilden sich an Schwachstellen in der Erdkruste. ©  Marabus Abb: 2.28b > Hydrothermalquellen entstehen in verschiedenen magmatisch aktiven Gebieten, in denen Wasser in die Tiefe dringt und aufgeheizt wird. Zu diesen Gebieten zählen zum Beispiel Inselbogenvulkane, die entstehen, wenn in die Tiefe abtauchendes Gestein aufgeschmolzen wird. Hinter Inselbogenvulkanen reißt der Untergrund durch Spreizungsbewegungen der Erdkruste auf, sodass Magma aufsteigen kann. Mittelozeanische Rücken entstehen durch das Auseinanderdriften von ozeanischen Platten. Intraplattenvulkane wiederum bilden sich an Schwachstellen in der Erdkruste. ©  maribus
Doch die Größe und der Metallgehalt von Massivsulfiden sind schwer messbar. Das liegt daran, dass sich die Heißwasserwolke, die aus aktiven Rauchern austritt, schnell ausbreitet und die Sulfide zum Teil mit der Strömung fortgetragen werden. So können große Massivsulfid­flächen mit Ausdehnungen von 10 bis zu Hunderten Metern entstehen, die einige Millionen Tonnen Massiv­sulfide enthalten. Wie groß ein Vorkommen ist, lässt sich auf den ersten Blick aber nicht erkennen, sondern nur durch Bodenproben oder Bohrungen feststellen. Auch der Metallgehalt kann nur durch eine solche aufwendige Probennahme sicher bestimmt werden. Aufgrund vieler Bodenanalysen, die in den vergangenen Jahrzehnten durchgeführt wurden, gehen Forscher heute davon aus, dass sich nur an wenigen Hydro­thermal­quellen Massivsulfidvorkommen befinden, die begehrte Metalle wie Kupfer und Gold enthalten und tatsächlich groß genug für einen wirtschaftlichen Abbau sind. Hinzu kommt, dass viele Regionen unwegsam und für die Abbaugeräte ungeeignet sind. >
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