Uralte Kollisionszonen erklären Lagerstätten seltener Erden

Eine neue Studie zeigt, dass die meisten Lagerstätten seltener Erden – Quellen von Metallen, die für Elektronik und saubere Energietechnologien unverzichtbar sind – über uralten, begrabenen Kollisionszonen liegen. Diese Bereiche entstanden dort, wo tektonische Platten einst zusammenstiessen und tief unter Kontinenten versanken.

Damit erscheint die heutige Karte des Bergbaus als sichtbarer Ausdruck tiefgreifender tektonischer Veränderungen, die lange vor dem späteren Aufschmelzen und der Bildung abbauwürdiger Erze angelegt wurden.

Verborgene tektonische Spuren

Bei rekonstruierten Kontinenten zeigten sich die deutlichsten Übereinstimmungen an früheren Kontinenträndern. Dort hatten lang andauernde Plattenkollisionen chemisch veränderte Zonen in der Tiefe hinterlassen.

Carl Spandler, Professor an der Universität Adelaide, und sein Team verfolgten diese verborgenen Bereiche durch die Erdgeschichte und fanden dasselbe Muster an 412 kartierten Standorten.

Den Ergebnissen zufolge liegen rund 29 Millionen Quadratmeilen (75 Millionen Quadratkilometer) kontinentaler Kruste über diesen veränderten Tiefenzonen. Besonders stark häufen sie sich dort, wo mehrere alte Gürtel einander überlagern.

Diese Ballung lässt sich kaum als Zufall abtun und wirft eine weiterführende Frage auf: Wie wurden aus diesen alten, vergrabenen Zonen erzführende Gesteine?

Weshalb Karbonatite entscheidend sind

Viele der ergiebigsten Lagerstätten seltener Erden befinden sich in Karbonatiten. Dabei handelt es sich um seltene magmatische Gesteine, die reich an Karbonatmineralen sind, und nicht um gewöhnliche Laven.

Solche Magmen entstehen tief unter Kontinenten, wo geringe Schmelzanteile Elemente anreichern, die sich nur schlecht in verbreitete Minerale einbauen lassen.

Die US-Geologische Bundesanstalt (USGS) bezeichnet sie seit den 1960er-Jahren als wichtigste Quelle leichter seltener Erden.

Rund 67% dieser Wirtsgesteine lagen innerhalb derselben alten Zonen. Das verbindet die erzführenden Magmen mit dieser tiefen tektonischen Vorgeschichte.

Veränderungen im tiefen Erdmantel

Taucht eine Platte unter eine andere ab, transportiert die Subduktion – der Prozess, bei dem Erdkruste in den Mantel zurückgeführt wird – Wasser, Kohlenstoff und Spurenelemente in die Tiefe.

Ein Teil dieses Materials steigt später wieder in den darüberliegenden Mantellithosphärenbereich auf, die starre Hülle unter den Kontinenten, und verändert dessen chemische Zusammensetzung.

Diese chemische Überprägung senkt die Temperatur, die für späteres Schmelzen erforderlich ist. Dadurch können ungewöhnliche Magmen ohne aussergewöhnlich hohe Temperaturen entstehen.

Offenbar bildeten sich bei den Kollisionen nicht unmittelbar Erze. Stattdessen wurde die tiefe Kruste mit Bestandteilen angereichert, die dort sehr lange erhalten bleiben können.

Der Zeitpunkt der Bildung

Die zeitlichen Abläufe widerlegten eine einfache Ursache-Wirkungs-Erklärung: Zwischen der vorbereitenden Phase in der Tiefe und dem magmatischen Ereignis lagen oft gewaltige Zeiträume.

„Diese zeitliche Verzögerung ist einer der überraschendsten Aspekte unserer Ergebnisse“, sagte Spandler.

In manchen Fällen reichte der Abstand von Millionen Jahren bis zu fast 2 Milliarden Jahren.

Durch diese Verzögerung wurden die frühere chemische Vorbereitung und der spätere Auslöser voneinander getrennt, sodass mehrere Wege zum Aufschmelzen möglich waren.

Zunehmende Überlappungen alter Kollisionszonen

Die dichtesten Übereinstimmungen fanden sich auf Kontinenten mit wiederholten Kollisionen, insbesondere in Nordamerika, im südlichen Afrika und in China.

Alte stabile Kontinentalblöcke, Kratone genannt und die widerstandsfähigsten erhaltenen Teile der Kontinente, scheinen diese angereicherten Tiefenzonen besonders gut zu bewahren.

Etwa 85% der kartierten fruchtbaren Regionen überschnitten sich miteinander. Das deutet darauf hin, dass mehrere Ereignisse der Erdgeschichte ihre Wirkungen übereinanderlagerten.

Auch Gebiete unter dem antarktischen Eis könnten diesem Muster entsprechen, doch dort lassen sich Lagerstätten weiterhin nur schwer nachweisen.

Warum Mantelplumes an Bedeutung verlieren

Frühere Erklärungen sahen häufig Mantelplumes, also aufsteigende Säulen heissen Gesteins, als hauptsächliche Ursache dieser Lagerstätten.

Bei vielen Karbonatiten – seltenen vulkanischen Gesteinen, die den Grossteil der Lagerstätten seltener Erden beherbergen – fehlt jedoch ein klarer Zusammenhang mit solchen Wärmequellen. Ihre Chemie weist zudem auf eine Entstehung bei niedrigeren Temperaturen hin.

Weil die neue Karte diese Lagerstätten stattdessen an alten Zonen ausrichtet, in denen tektonische Platten einst kollidierten, schwächt sie die Annahme, dass aufsteigende Säulen heissen Gesteins den grössten Teil der Voraussetzungen schufen.

Als spätere Auslöser sind Plumes damit nicht ausgeschlossen, doch sie rücken aus dem Mittelpunkt der Erklärung.

Auslöser nach langen Verzögerungen

Eine spätere Störung war dennoch notwendig, denn angereicherter Mantel schmilzt nicht von selbst zu einer Lagerstätte auf.

Dehnung der Erdkruste, Verformung, Wärme aus der Umgebung oder Druckentlastung können das vorbereitete Gestein über seinen gesenkten Schmelzpunkt hinausbringen.

Sobald das Schmelzen einsetzt, reichern sich seltene Elemente an, weil sie in der Schmelze verbleiben, statt in gewöhnliche Kristalle überzugehen.

Diese Abfolge erklärt, weshalb Erze weit entfernt von aktiven Plattengrenzen vorkommen können und dennoch eine ältere geologische Signatur tragen.

Die Suche wird gezielter

Für die mineralische Rohstoffexploration erklärt die Studie nicht nur alte Gesteine, sondern verkleinert auch das weltweite Suchgebiet.

Nur rund 35% der kontinentalen Kruste lagen innerhalb der kartierten fruchtbaren Zonen, obwohl sich dort die meisten Lagerstätten befanden.

„Diese Forschung zeigt, dass die Bestandteile dieser kritischen Minerallagerstätten bereits vor vielen Millionen bis sogar Milliarden Jahren angelegt wurden“, sagte Spandler.

Dadurch lässt sich die Exploration gezielter gestalten: Alte tektonische Gürtel können Unternehmen und Regierungen helfen, mit weniger Unsicherheit nach Lagerstätten zu suchen.

Grenzen der Karte

Nicht jede Lagerstätte lag innerhalb der kartierten Zonen, und das Modell klammerte bewusst mehrere Prozesse der Erzbildung aus.

Kurzzeitige Subduktion, spätere Bewegungen der Erdkruste, Erosion und Mantelplumes können zu Abweichungen führen oder ältere Signale verdecken.

Die ältesten verborgenen Ursprungsregionen reichen zudem über das Zeitfenster der Karte von 2 Milliarden Jahren hinaus. Ein Teil der tiefen Erdgeschichte bleibt daher unsichtbar.

Trotz dieser Einschränkungen lagen zufällige Testpunkte nur in etwa einem Drittel der Fälle in fruchtbaren Zonen – deutlich unter der tatsächlichen Übereinstimmungsrate.

Das Vermächtnis der tiefen Erde

Uralte Kollisionen scheinen Kontinente mit der passenden Chemie angereichert zu haben, während jüngere Störungen bestimmten, wann diese verborgenen Bestandteile schliesslich aufschmolzen.

Präzisere tektonische Rekonstruktionen könnten die Suchziele weiter eingrenzen, besonders in eisbedeckten Regionen und in Gelände, das älter ist, als die gegenwärtige Karte erfassen kann.