Goldführende Quarzgänge können je nach Lagerstättentyp ganz verschieden ausgebildet sein. Im Fall des „orogenic gold“-Typs, der u.a. in meinem „Forschungsgarten“ Nordkalifornien verbreitet ist, sind die Gänge gebändert. Die Bänderung kommt durch gangparallele Scherflächen zustande, die den Quarz in dezimeter bis mikrometer mächtige Bänder teilen. Entlang dieser Scherflächen drangen in mehreren Phasen erzbringende Fluida ein. Die Mehrphasigkeit lässt sich sehr gut anhand erzmikroskopischer Untersuchungen belegen. Gold ist dabei gemeinsam mit Galenit in den meisten Fällen eine der letzten Komponenten, die in den Quarz-Gängen gebildet wurden. Die Gänge selbst befinden sich häufig an lithologischen Kontakten, die in der Regel stark geschert wurden.
Aus diesen Beobachtungen folgt, dass die Lagerstättenbildung in einem aktiven tektonischen Milieu, in mehreren Zyklen mit fluktuierender Fluidzufuhr und in Tiefen stattfand, in denen noch überwiegend bruchhafte Deformation möglich war.
Um die Prozesse der Fluidmigration in hydrothermalen Systemen besser zu verstehen, versuche ich nachfolgend einige grundlegende Gedanken zusammenzufassen, die ich überwiegend aus einer Arbeit von Cox et al. (2001) und zum Teil aus Yardley (1983) für mich aufbereitet habe. Dies soll keinesfalls eine vollständige Übersicht zur Thematik werden. Kritische Anmerkungen, Fragen und Ergänzungen sind deshalb sehr willkommen.
Um überhaupt eine Lagerstätte bilden zu können, braucht es Platz im Nebengestein. Das heißt, die Fluide benötigen Wegsamkeiten. In bruchhaft reagierenden Krustenbereichen sind das Störungen, Scherzonen oder assoziierte Kluftsysteme. Deformation spielt also eine entscheidende Rolle, um Wegsamkeiten zu schaffen. Sie beeinflusst erheblich die Permeabilität des Gesteins und die treibenden Kräfte um Fluide in Bewegung zu versetzen. Der Fluidfluss kann auf zwei Arten in Gang kommen: durch Druck- oder Dichte-Unterschiede (Auftrieb) der Fluide.
Aufstieg durch Druck kann nur erfolgen, wenn der Fluiddruck größer als der Druck der überlagernden Gesteinsmassen ist. Die Fluide müssen in großen Tiefen den lithostatischen Druck überwinden („hydraulic fracturing“). In geringeren Tiefen oder bei vorhandenen Wegsamkeiten ist genügend Permeabilität vorhanden, sodass nicht mehr der litho-, sondern der hydrostatische Druck, also der Druck der über intergranulare Poren und Frakturen wirkenden Wassersäule überwunden werden muss.
Aufstieg durch Auftrieb wird möglich durch Temperaturgradienten zwischen Fluid und Nebengestein bzw. Wassersäule oder durch verschiedene Konzentrationen gelöster Bestandteile der Fluide.
Wichtig für die Fluidmigration und Gesteinsdurchlässigkeit ist der Porenraum. Dazu zählen intergranulare Poren ebenso wie submikroskopische bis makroskopische Frakturen im Gestein. Entscheidend ist nicht der absolute Porenraum, sondern der Porenraum, der miteinander verbunden ist und damit Fluidfluss ermöglicht. Die Größe dieser Porenkanäle, der Porendurchmesser, die Porenform und das miteinander verbundene Porenvolumen sind einige Parameter, die die Gesteinspermeabilität beeinflussen. Im Vergleich zur über mehrere Größenordnungen schwankenden Permeabilität der Gesteine hat die Viskosität hydrothermaler Fluide eine untergeordnete Relevanz für den Fluidfluss.
Goldführender Quarzgang einer "orogenic gold"-Lagerstätte, der mehrfach parallel zum Nebengesteinskontakt geschert wurde. Entlang der Scherbahnen drangen Fluide ein, die den Quarz entlang von Rissen mit Sulfiden und Gold vererzten.
Intergranulare Porosität spielt in metamorphen Gesteinen, wie sie für „orogenic gold“-Lagerstätten charakteristisch sind, fast keine Rolle, wenngleich sie durch Kornbruch und Kornverschiebung in Scherzonen beeinflusst werden kann. Umso bedeutender sind Wegsamkeiten, die durch Frakturen im mikro- bis megaskopischen Maßstab entstehen. Für die Gesteinspermeabilität sind deformationsinduzierte porenraumbildende und porenraumzerstörende Prozesse entscheidend. Frakturen können kurz nachdem sie gebildet wurden wieder „verheilen“; die Porosität wird durch Kristallisation von Mineralen herabgesetzt. Dabei kann es zur zyklischen Öffnung und Schließung der Frakturen kommen. In tiefen Systemen können für einen einzigen hydrothermalen Gang mehrere tausend Öffnungs- und Schließungsphasen auftreten. Vor allem bei Temperaturen > 300°C findet die Rissschließung und der damit verbundene Permeabilitätsverlust im Gestein sehr schnell statt.
In einem aktiven tektonischen Milieu, wie es typisch für „orogenic gold“-Lagerstätten ist, hat der Verheilungsprozess von Frakturen eine besondere Bedeutung. Scherbewegungen erhöhen entlang von Frakturen die Permeabilität der ursprünglich wenig durchlässigen Metamorphite. Fluide können bei entsprechendem Druck oder durch Auftrieb aufsteigen und präzipitieren ihre Bestandteile in Form von Mineralen bis die Fraktur geschlossen ist. Kurz nach dem Scherprozess sind Frakturen damit sehr effektive Migrationskanäle, die den Fluidfluss fokussieren. Wenig später agieren sie bereits als Fluidstauer. Der Fluiddruck erhöht sich. Erst durch erneute tektonische Aktivität oder hydraulischen Bruch (Fluiddruck übersteigt den lithostatischen Druck) können die verheilten Frakturen reaktiviert und wieder mineralisiert werden. In anderen Worten ausgedrückt: um bedeutende Strukturen für Fluidbewegung zu bilden, muss der Anstieg der Permeabilität durch Deformation über den gesamten Zeitraum betrachtet größer sein als die Permeabilitätsreduktion durch Kristallisationsprozesse.
Der größte Fluidfluss entlang von Störungen oder Scherzonen findet in Bereichen statt, die eine hohe Frakturdichte besitzen und Fluide damit aus einem weit verzweigten Netzwerk herbeiführen können. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass sich bedeutende Erzvorkommen oft an sich kreuzenden Störungen, an kompressiven oder extensionalen Störungssprüngen oder in durch Druck oder Dehnung stark frakturierten Störungsendzonen auftreten. Entscheidend für das größte Erzpotential ist der Punkt, an dem das gesamte Fraktursystem gerade noch miteinander in Verbindung steht. Ist es zu gut vernetzt, könnte sich eine eher disperse Erzverteilung ausbilden. Ist es zu wenig vernetzt fehlt der Nachschub an hydrothermalen Wässern, um überhaupt eine ausreichende Vererzung zu erreichen.
Auch wenn die Frage nach der Quelle der goldbringenden Fluide Nordkaliforniens noch debattiert wird, ist weitgehend gesichert, dass sie durch mehrfache, zyklische seismische Aktivität und daraus resultierende Reaktivierung von Störungen und Scherzonen in mittelkrustale Bereiche eindringen konnten.
Über tiefkrustale Suturen migrierten sie in ein immer dichteres Netzwerk aus Störungen niedrigerer Ordnung in höheren Niveaus (4-7 km Tiefe) bis zur vollständigen Schließung durch Kristallisation. In Folge dessen erhöhte sich der Fluiddruck, der erst abgebaut wurde als ein weiteres Deformationsereignis, eventuell in Kombination mit „hydraulic fracturing“, stattfand. Für mein Forschungsgebiet in den Klamath Mountains sind mindestens fünf solcher Öffnungs-Schließungs-Zyklen mit schwankenden Fluiddrücken nachgewiesen, in denen die Minerale nach der Ablagerung mikro- und makroskopisch zerschert und von der jeweils nachfolgenden Fluidfront durchdrungen wurden.
Verwendete Literatur
Cox, S. F., Knackstedt, M. A., & Braun, J. (2001). Principles of structural control on permeability and fluid flow in hydrothermal systems Reviews in Economic Geology, 14, 1-24
Yardley, B. (1983). Quartz veins and devolatilization during metamorphism Journal of the Geological Society, 140 (4), 657-663 DOI: 10.1144/gsjgs.140.4.0657
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