Wie Klinopyroxen-Kristalle die Toongi-Lagerstätte seltener Erden in New South Wales erklären

Rund 400 Kilometer nordwestlich von Sydney, knapp südlich von Dubbo, befindet sich ein großer, geologisch bemerkenswerter Felskörper, der vor etwa 215 Millionen Jahren durch ausbrechende Vulkane entstanden ist.

Dieser Ort heißt Toongi-Lagerstätte. Er ist reich an sogenannten seltenen Erden – einer Gruppe von 16 metallischen Elementen, die für moderne Technologien unverzichtbar sind, von Elektroautos über Solarmodule bis hin zu Mobiltelefonen.

Derzeit laufen Vorbereitungen, diese Lagerstätte abzubauen. Gleichzeitig dürfte der Bedarf an seltenen Erden in den kommenden Jahrzehnten enorm wachsen.

Um weitere Vorkommen aufzuspüren, müssen wir besser verstehen, wie und warum solche Lagerstätten entstehen. Unsere jüngste Forschung zu australischen Vulkanen, veröffentlicht in Nature Communications: Erde und Umwelt, zeigt, dass winzige Kristalle, die im Inneren von Vulkanen gewachsen sind, Hinweise darauf liefern, wie Lagerstätten seltener Erden entstehen – und wie sich neue finden lassen.

Seltene Erden und der schmelzende Mantel

Am Anfang der Bildung von Lagerstätten seltener Erden steht die partielle Aufschmelzung des Erdmantels, der tief unter der Erdkruste liegt.

Der Mantel wird von Mineralen geprägt, die viel Eisen und Magnesium enthalten. In diesen Mineralen stecken zudem geringe Mengen weiterer Elemente – darunter auch die seltenen Erden.

Wenn Mantelgestein zu Magma aufschmilzt, gehen die seltenen Erden vergleichsweise leicht in das Magma über. Entscheidend ist dabei, wie stark der Mantel schmilzt: Ist der Schmelzgrad gering, enthält das Magma anteilig mehr seltene Erden, als wenn sehr viel Material aufschmilzt – etwa an mittelozeanischen Rücken, wo große Magmamengen aufsteigen und neue ozeanische Kruste bilden.

Während das Magma Richtung Erdoberfläche wandert, kühlt es ab, und es beginnen neue Minerale auszukristallisieren. Diese bestehen überwiegend aus Sauerstoff, Silizium, Calcium, Aluminium, Magnesium und Eisen.

Dadurch reichern sich die seltenen Erden in der verbleibenden Restschmelze weiter an. Diese residuale Flüssigkeit steigt weiter durch die Kruste auf, bis sie erstarrt – oder an der Oberfläche ausbricht.

Von Grönland bis ins Zentrum von New South Wales

Kühlt Magma in der Erdkruste ab und kristallisiert dort aus, können Gesteine mit hohen Gehalten an kritischen Metallen entstehen. Ein Beispiel dafür ist der Gardar-Igneous-Komplex im Süden Grönlands, in dem mehrere Lagerstätten seltener Erden vorkommen.

Im zentralen New South Wales in Australien erreichten Magmen, die an seltenen Erden angereichert waren, die Erdoberfläche und brachen dort aus. Geologisch werden sie zusammen als Benolong Volcanic Suite bezeichnet.

Innerhalb dieser Einheit liegt die Toongi-Lagerstätte – ein Teil des alten vulkanischen „Leitungssystems“. Es handelt sich um eine „Intrusion“ aus erstarrtem Magma, das außergewöhnlich hohe Konzentrationen kritischer Metalle enthält.

Magmen mit Anreicherung seltener Erden sind selten. Noch deutlich seltener sind jene, die so stark angereichert sind, dass sich ein wirtschaftlicher Abbau lohnt – weltweit sind nur wenige Beispiele bekannt. Trotz des heutigen Wissens darüber, wie Magmen entstehen, bleibt noch viel zu klären, um besser vorhersagen zu können, wo Magmen mit Anreicherung kritischer Metalle zu finden sind.

Kristalle als Archiv der vulkanischen Vergangenheit

Wie können Forschende überhaupt so detailliert rekonstruieren, was viele Kilometer (manchmal mehrere Dutzend Kilometer) unter der Erdoberfläche geschieht? Ein zentraler Zugang ist die Untersuchung von Gesteinen, die aus dem Erdinneren bis an die Oberfläche gelangen.

Die Vorgänge in einem Magma, während es aus dem Erdinneren aufsteigt, hinterlassen Spuren in der chemischen Zusammensetzung der Minerale, die sich auf dem Weg bilden. Ein Mineral ist dabei besonders hilfreich: Klinopyroxen. Es bewahrt solche Hinweise besonders gut – gewissermaßen wie eine winzige Kristallkugel.

Zum Glück enthalten viele Gesteine der Benolong Volcanic Suite Klinopyroxen-Kristalle. Dadurch konnten wir die Entwicklungsgeschichte der nicht mineralisierten Gesteine untersuchen und sie mit der mineralisierten Toongi-Intrusion vergleichen.

Was die Gesteine in Toongi unterscheidet

Wir haben zwei wesentliche Unterschiede in den Toongi-Gesteinen festgestellt.

Erstens: In der nicht mineralisierten Vulkansequenz enthalten die Klinopyroxene viele seltene Erden. Das zeigt, dass in den meisten Gesteinen der Suite die kritischen Metalle eher im Klinopyroxen „eingeschlossen“ wurden, statt in der Restschmelze zu verbleiben.

In Toongi ist es umgekehrt: Die dortigen Klinopyroxen-Kristalle weisen niedrige Gehalte an seltenen Erden auf. Stattdessen sind diese Elemente in einem anderen Mineral konzentriert, dem Eudialyt – und dieses lässt sich als Erzmineral für seltene Erden nutzen.

Zweitens – und besonders auffällig: Die Klinopyroxene aus Toongi besitzen eine innere Kristallstruktur, die an eine Sanduhrform erinnert. Ursache ist, dass unterschiedliche Elemente bevorzugt in bestimmten Bereichen des Kristalls sitzen. Diese Beobachtung ist deshalb so spannend, weil sie auf eine schnelle Kristallisation hindeutet, ausgelöst durch die Freisetzung von Gas, während die Kristalle wuchsen.

Im Gegensatz dazu fanden wir in den Gesteinen ohne hohe Gehalte seltener Erden keinerlei Hinweise auf eine rasche Kristallisation.

Unsere Ergebnisse erlauben es, Zusammensetzung und Zonierung von Klinopyroxen nun auch in anderen erloschenen Vulkanen in Australien und darüber hinaus systematisch zu untersuchen – um herauszufinden, welche davon möglicherweise relevante Lagerstätten seltener Erden anreichern.

Diese Studie liefert damit ein weiteres Puzzleteil zum Verständnis, wie sich kritische Metalle konzentrieren – und wie wir sie finden können, um grüne, erneuerbare Energiequellen für eine nachhaltige Zukunft zu ermöglichen.

Brenainn Simpson, Doktorand, The University of Queensland; Carl Spandler, Associate Professor, University of Adelaide, und Teresa Ubide, ARC Future Fellow und Associate Professor für magmatische Petrologie/Vulkanologie, The University of Queensland

Dieser Artikel wird unter einer Creative-Commons-Lizenz aus Die Konversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalbeitrag.