Razendsnelle ertsen

Hoe lang doet erts erover om te ontstaan? Dat gaat heel snel, in een paar duizend jaar is het al zover. Michiel van Nieuwstadt

Mijnbouwers hoeven niet te juichen, maar aardwetenschappers zijn onder de indruk. Rijke mineraalafzettingen kunnen ontstaan in een tijdsbestek van duizenden jaren en dat is honderd keer sneller dan tot nog toe werd aangenomen. Australische en Britse aardwetenschappers hebben aangetoond dat de concentratie opgeloste metalen in gloeiend heet water lang geleden zo hoog kon oplopen dat economisch winbare mineraallagen – ertsen – daaruit razendsnel neersloegen. Snel is snel naar geologische maatstaven. Ertsvorming in millennia kan het tempo van de industriële mijnbouw niet bijbenen (Science, 6 februari).

Eerste auteur van het Science-artikel is James Wilkinson, verbonden aan het Imperial College in Londen. Hij onderzocht in Ierland en de Amerikaanse staat Arkansas het ontstaan van mineralogische rijkdommen aan de hand van vloeistofbelletjes die in gesteenten gevangen zijn geraakt. Deze minuscule belletjes zijn een overblijfsel van gloeiend hete waterstromen die door poreuze rotsen of rotsspleten kolkten (zie kader). “De concentratie van opgeloste metalen kan in zure vloeistoffen verrassend hoog oplopen”, zegt Wilkinson aan de telefoon vanuit Tasmanië, waar hij tijdelijk werkt.

KOPER EN GOUD

Volgens Philippe Muchez, hoogleraar geologie aan de Universiteit van Leuven, is het inzicht dat in water enorm veel metalen kunnen worden opgelost stap voor stap aan het doordringen onder specialisten. “Wilkinsons redenering klopt perfect”, zegt hij. “Eerder zijn in dit soort vloeistofbelletjes ook al hoge concentraties koper en goud aangetoond.”

Volgens oude berekeningen waren tienduizenden kubieke kilometers water nodig om tot economisch winbare mineraalafzettingen te komen. “De studie van Wilkinson laat zien dat een paar kubieke kilometer vloeistof voor zink of loodertsen genoeg kunnen zijn”, schrijft Robert Bodnar van het Virginia Polytechnic Institute in Blacksburg in een commentaar op Wilkinsons artikel. Volgens Bodnar is inzicht in de ontstaansgeschiedenis van ertsen van groot belang voor het ontdekken van nieuwe ertslagen.

Verrassend genoeg blijkt in de stukken van Wilkinson en Bodnar dat over de bijzonderheden van het ontstaan van ertsen nog weinig bekend is. Natuurlijk, de hoofdlijnen zijn bekend. Plaattektoniek – een garantie voor onstuimige processen in de aardkorst – en het ontstaan van vloeibare gesteenten spelen vaak een rol. En superheet water dat door de aardkorst circuleert ook.

De Inca’s hadden hun goud te danken aan het wegduiken van de Stille Oceaanbodem onder Zuid-Amerika. Het goud kon ontsnappen uit stukken oceaanbodem die diep in de aarde werden opgewarmd. Het voortdurende geschuif van de twee aardschollen verklaart het bestaan van de Andes, nog altijd een van ’s werelds belangrijkste mijnbouwgebieden.

In Europa liggen ertsen verborgen in een verbrokkelde zone die loopt van de tinmijnen in Zuidwest-Engeland tot aan de middeleeuwse zilvermijnen in Tsjechië. Deze minerale rijkdom is het overblijfsel van de botsing tussen de oercontinenten Gondwana en Laurazië waaruit circa 300 miljoen jaar geleden het supercontinent Pangea is ontstaan, maar ook de Ardennen, de Harz, het Boheems Massief en nog een tiental andere gebergten die hun hoogste pieken door erosie inmiddels verloren hebben.

Bij continentale botsingen verdwijnen stukken aard- of oceaankorst diep in de aarde, ze smelten. Bij latere opwelling stollen ze weer en treedt een soort schifting op van de magma, legt Wilkinson uit: “Nikkel-, koper- en platinasulfiden stollen al bij duizend tot twaalfhonderd graden, een temperatuur die veel hoger ligt dan de stollingstemperatuur van graniet. Daardoor accumuleren deze sulfiden op de bodem van de magmakamer.”

WATER

Maar dit soort zuiver magmatische ertsvorming komt relatief weinig voor. “Meestal is er ook water in het spel”, zegt Wilkinson. “Heet water lost mineralen op, al dan niet in een magma, en zet ze elders weer af. Dit soort hydrothermale processen zijn van cruciaal belang om specifieke afzettingen op specifieke plaatsen te kunnen verklaren.”

Het litteken van de botsing tussen Gondwana en Laurazië loopt dwars door heel Europa. Maar waarom leiden die omstandigheden op de ene plaats wel en op de andere plek niet tot een accumulatie van metalen in de korst? Wilkinson: “Dergelijke vragen helpt ons onderzoek beantwoorden.”

Wilkinson bestudeerde een voormalig mijnbouwgebied in het noorden van Arkansas en een bestaand mijnbouwgebied in het Ierse Midlands Basin. In Arkansas stond zeewater met een hoge zoutconcentratie aan de wieg van de ertsvorming, denkt hij. In het gebied lag ruim 300 miljoen jaar geleden een zee die deels verdampte onder invloed van een heet klimaat. Het pekelwater dat zo is ontstaan, zakte weg tot twee à drie kilometer in de aardkorst. Er ontstond een zeer zure oplossing die grote hoeveelheden metaal opnam. Toen het pekelwater later weer werd opwaarts stroomde, kwam het in contact met kalksteenlagen die het zure water neutraliseerden, waardoor de capaciteit voor metalen drastisch verminderde. Zink en lood sloegen neer in afzettingen die in Arkansas tot in de jaren zeventig gewonnen werden.

SLEUTEL

In Ierland is de oorsprong van het metaalrijke water minder duidelijk. Wilkinson: “ Waar het om gaat, is dat metaalsulfiden niet in hoge concentraties zijn afgezet op plaatsen waar gewoon zeewater in de korst omhoog is gekomen. De metaalconcentratie is de sleutel tot het verklaren van rijke afzettingen.” Wilkinson is voorzichtig over het belang van zijn studie voor de exploratie: “Misschien hebben bedrijven die mineralen willen winnen op de zeebodem er iets aan. Als de afzetting van mineralen door zwarte rokers zo snel gaat als wij denken, dan hoeft een bron niet lang actief te zijn geweest om koper- of gouderts te vormen.”