Goldküchen der Erde: Schmelzmaschinen in ozeanischen Subduktionszonen
Die Goldküche der Erde liegt tief unter dem Meeresboden. Vor allem das Magma vulkanischer Inselbögen, die über Subduktionszonen entstehen, also dort, wo eine ozeanische Platte unter eine andere taucht, enthält oft mehr Gold als anderswo. Warum das so ist, war bislang umstritten. Nun haben Geologen die Ursache dafür geklärt. Eine Studie unter Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel zeigt am Beispiel des Kermadec-Inselbogens im Südpazifik, dass mehrstufige Schmelzprozesse im wasserreichen Erdmantel das Edelmetall gezielt anreichern. Die Forschungsarbeit entstand im Rahmen der Expedition SO255 mit der SONNE, gefördert vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).
Wie verhalten sich Gold und andere Edelmetalle in Subduktionszonen unter Wasser während des Aufschmelzens des Mantels? Um diese Frage zu klären, untersuchten die Forschenden 66 Glasproben vom Meeresboden entlang des ozeanischen Kermadec-Inselbogens und des benachbarten Havre-Trogs nördlich von Neuseeland. Solche vulkanischen Gläser entstehen, wenn Lava unter Wasser rasch abkühlt.
Dabei konservieren sie die chemische Zusammensetzung des ursprünglichen Magmas besonders gut. „Wir zeigen, dass wasserhaltiges Schmelzen im Erdmantel unter Inselbögen ein zentraler Motor für die Goldanreicherung ist“, sagt Dr. Christian Timm, Mariner Geologe am GEOMAR, und Erstautor der Studie. „Der Mantel wirkt dort wie eine mehrstufige Schmelzmaschine, die Gold zunehmend konzentriert.“
Das Team analysierte die Goldgehalte mit hoher Präzision und betrachtete sie gemeinsam mit weiteren sogenannten chalcophilen Elementen. Diese „schwefelliebenden“ Elemente – darunter Silber, Kupfer, Selen und Platin – verhalten sich bei Schmelzprozessen ähnlich und helfen, die Bedingungen im Mantel zu rekonstruieren.
Wenn der Mantel mehrfach schmilzt
Die Daten zeigen: Der Mantel unter dem Kermadec-Inselbogen schmilzt wasserhaltig und bei vergleichsweise hohen Temperaturen – oberhalb der Temperatur, bei der sich Sulfidschmelzen bilden. Unter diesen Bedingungen entstehen Magmen mit Silber-zu-Kupfer-Verhältnissen, wie sie für den Erdmantel typisch sind.
Gleichzeitig messen die Forschenden überraschend hohe Goldgehalte von ursprünglich bis zu 6 Nanogramm pro Gramm Gestein. Auch das Verhältnis von Gold zu Kupfer übersteigt deutlich die Werte, die man aus ursprünglich „fruchtbarem“ Mantel oder aus Basalten mittelozeanischer Rücken kennt. Das lässt sich nur erklären, wenn zuvor bereits „ausgelaugter“ Mantel erneut aufgeschmolzen wurde.
Mehrstufige, intensive Schmelzprozesse in einem wasserreichen und oxidierten Mantel treiben demnach die Goldanreicherung voran. Auch wenn der Goldgehalt aus geologischer Perspektive hoch erscheint: Für den Goldabbau sind die Konzentrationen nicht interessant und müssten um ein Vielfaches höher liegen.
Warum gerade hier so viel Gold entsteht
„Wir sind zunächst davon ausgegangen, dass das Wasser aus der abtauchenden Platte direkt die Goldanreicherung steuert“, sagt Timm. „Unsere Daten zeigen jedoch, dass Wasser vor allem das Aufschmelzen des Mantels ermöglicht. Entscheidend für die hohen Goldgehalte ist der hohe – und teilweise mehrfache – Schmelzgrad.“
Dabei spielt auch die chemische Bindung des Goldes im Mantel eine wichtige Rolle. „Gold ist im Erdmantel häufig in Sulfiden gebunden“, erklärt Timm. „Durch den hohen Aufschmelzgrad werden diese Minerale aufgelöst, und das darin enthaltene Gold geht vollständig in die Schmelze über.“ Dabei ist das Schmelzen ein Zusammenspiel mehrerer Phasen“, sagt Timm. „Erst durch wiederholtes Aufschmelzen kann sich Gold im Magma so stark anreichern.“
Besseres Verständnis der Lagerstätten
Die Studie liefert einen wichtigen Baustein zum Verständnis goldreicher Lagerstätten in ozeanischen Inselbögen wie dem Kermadec-Bogen. Damit rückt der Blick tiefer in die Erde: Nicht nur oberflächennahe Prozesse bestimmen, wo Goldlagerstätten entstehen, sondern vor allem die „chemische Küche“ im Mantel unter Subduktionszonen.
Die Ergebnisse könnten auch erklären, warum hydrothermale Sulfidvorkommen entlang submariner Inselbögen oft besonders goldreich sind. Timm: „Wir untersuchen damit den ersten Schritt der Goldgeschichte. Es geht um den Moment, in dem Gold aus dem Erdmantel in eine Gesteinsschmelze gelangt, aus der später Vulkane entstehen. Die Alchemie beginnt also lange bevor das Metall an die Oberfläche gelangt.“