Geologischer Hintergrund und wirtschaftliche BedeutungBearbeiten
Porphyr-Kupfervorkommen sind eine wichtige Ressource und die wichtigste Kupferquelle, die heute zur Deckung der weltweiten Nachfrage abgebaut wird. Aus der Zusammenstellung geologischer Daten geht hervor, dass die meisten Porphyrlagerstätten aus dem Phanerozoikum stammen und in einer Tiefe von etwa 1 bis 6 Kilometern mit einer vertikalen Mächtigkeit von durchschnittlich 2 Kilometern entstanden sind. Während des Phanerozoikums bildeten sich schätzungsweise 125 895 porphyrische Kupferlagerstätten, von denen jedoch 62 % (78 106) durch Hebung und Erosion beseitigt wurden. Somit verbleiben 38 % (47 789) in der Erdkruste, von denen 574 bekannte Lagerstätten an der Oberfläche liegen. Man schätzt, dass die Porphyr-Kupfer-Lagerstätten der Erde etwa 1,7×1011 Tonnen Kupfer enthalten, was einer weltweiten Minenproduktion von mehr als 8.000 Jahren entspricht.
Porphyr-Lagerstätten stellen eine wichtige Kupferressource dar; sie sind jedoch auch wichtige Quellen für Gold und Molybdän – wobei Porphyr-Lagerstätten die wichtigste Quelle für letzteres sind. Im Allgemeinen zeichnen sich Porphyrlagerstätten durch einen geringen Gehalt an Erzmineralisierung, einen porphyrischen Intrusionskomplex, der von einem Aderstockwerk und hydrothermalen Brekzien umgeben ist, aus. Porphyr-Lagerstätten entstehen in bogenförmigen Umgebungen und sind mit Magmen aus der Subduktionszone verbunden. Porphyrvorkommen sind in diskreten Mineralprovinzen angesiedelt, was bedeutet, dass es eine Form der geodynamischen Kontrolle oder des Einflusses der Kruste gibt, die den Ort der Porphyrbildung beeinflussen. Porphyrvorkommen treten in der Regel in linearen, orogenparallelen Gürteln auf (z. B. in den Anden in Südamerika).
Es scheint auch diskrete Zeiträume zu geben, in denen die Bildung von Porphyrvorkommen konzentriert oder bevorzugt war. Bei Kupfer-Molybdän-Porphyr-Lagerstätten konzentriert sich die Bildung im Wesentlichen auf drei Zeiträume: Paläozän-Eozän, Eozän-Oligozän und mittleres Miozän-Pliozän. Sowohl die porphyrischen als auch die epithermischen Goldvorkommen stammen im Allgemeinen aus dem Zeitraum zwischen dem mittleren Miozän und der jüngeren Vergangenheit, wobei jedoch auch bemerkenswerte Ausnahmen bekannt sind. Die meisten großflächigen Porphyrlagerstätten haben ein Alter von weniger als 20 Millionen Jahren, es gibt jedoch auch bemerkenswerte Ausnahmen wie die 438 Millionen Jahre alte Cadia-Ridgeway-Lagerstätte in New South Wales. Dieses relativ junge Alter spiegelt das Erhaltungspotenzial dieser Art von Lagerstätten wider, da sie sich in der Regel in Zonen mit sehr aktiven tektonischen und geologischen Prozessen wie Deformation, Hebung und Erosion befinden. Es könnte jedoch sein, dass die schiefe Verteilung, wonach die meisten Lagerstätten weniger als 20 Millionen Jahre alt sind, zumindest teilweise ein Artefakt der Explorationsmethodik und der Modellannahmen ist, da große Beispiele in Gebieten bekannt sind, die zuvor nur teilweise oder zu wenig erkundet wurden, zum Teil aufgrund ihres vermeintlich älteren Wirtsgesteinsalters, bei denen sich dann aber später herausstellte, dass sie große, erstklassige Beispiele für viel ältere porphyrische Kupferlagerstätten enthalten.
Magmen und MantelprozesseBearbeiten
Im Allgemeinen ist die Mehrheit der großen Porphyrlagerstätten mit kalkalkalischen Intrusionen verbunden, obwohl einige der größten goldreichen Lagerstätten mit kalkalkalkalischen Magmen mit hohem K-Gehalt verbunden sind. Zahlreiche Porphyr-Kupfer-Gold-Lagerstätten von Weltrang werden von Hoch-K- oder shoshonitischen Intrusionen beherbergt, z. B. die Bingham-Kupfer-Gold-Mine in den USA, die Grasberg-Kupfer-Gold-Mine in Indonesien, die Northparkes-Kupfer-Gold-Mine in Australien, die Oyu Tolgoi-Kupfer-Gold-Mine in der Mongolei und die Peschanka-Kupfer-Gold-Lagerstätte in Russland.
Die Magmen, die für die Porphyrbildung verantwortlich sind, entstehen nach herkömmlicher Auffassung durch das teilweise Aufschmelzen des oberen Teils der durch Meerwasser veränderten, nach der Subduktion gestauten Platten. Die flache Subduktion junger, schwimmfähiger Platten kann zur Bildung von adakitischen Laven durch partielles Schmelzen führen. Alternativ können metasomatisierte Mantelkeile hochgradig oxidierte Bedingungen erzeugen, die dazu führen, dass Sulfidminerale Erzminerale (Kupfer, Gold, Molybdän) freisetzen, die dann in die oberen Krustenebenen transportiert werden können. Das Schmelzen des Erdmantels kann auch durch den Übergang von konvergenten zu transformierten Rändern sowie durch die Versteilerung und den Rückzug der subduzierten Platte in Richtung Graben ausgelöst werden. Nach neuester Auffassung sind die meisten subduzierten Platten jedoch nicht von partiellem Schmelzen, sondern von Dehydratisierung am Übergang zwischen Blauschicht und Eklogit betroffen.
Nach der Dehydratisierung werden lösungsreiche Fluide aus der Platte freigesetzt und metasomatisieren den darüber liegenden Mantelkeil aus MORB-ähnlicher Asthenosphäre, wobei sie mit flüchtigen Bestandteilen und lithophilen Elementen mit großen Ionen (LILE) angereichert werden. Derzeit geht man davon aus, dass die Entstehung andesitischer Magmen mehrstufig ist und das Schmelzen der Kruste und die Assimilation primärer basaltischer Magmen, die Magmaspeicherung an der Basis der Kruste (Unterplattung durch dichtes, mafisches Magma beim Aufstieg) und die Magmahomogenisierung umfasst. Das unterplattierte Magma wird der Krustenbasis viel Wärme zuführen und dadurch das Schmelzen der Kruste und die Assimilation von Gesteinen der unteren Kruste auslösen, wodurch ein Gebiet mit intensiver Interaktion von Mantel- und Krustenmagma entsteht. Dieses sich allmählich entwickelnde Magma reichert sich mit flüchtigen Bestandteilen, Schwefel und inkompatiblen Elementen an – eine ideale Kombination für die Entstehung eines Magmas, das eine Erzlagerstätte bilden kann. Ab diesem Punkt in der Entwicklung einer porphyrischen Lagerstätte sind ideale tektonische und strukturelle Bedingungen erforderlich, um den Transport des Magmas zu ermöglichen und seine Einlagerung in den oberen Krustenschichten zu gewährleisten.
Tektonische und strukturelle KontrollenBearbeiten
Obwohl Porphyrlagerstätten mit Bogenvulkanismus in Verbindung gebracht werden, sind sie nicht die typischen Produkte in dieser Umgebung. Man geht davon aus, dass tektonische Veränderungen als Auslöser für die Porphyrbildung dienen. Es gibt fünf Schlüsselfaktoren, die zur Entstehung von Porphyr führen können: 1) Kompression, die den Aufstieg des Magmas durch die Kruste behindert, 2) eine daraus resultierende größere, flache Magmakammer, 3) verstärkte Fraktionierung des Magmas zusammen mit der Sättigung mit flüchtigen Stoffen und der Bildung magmatisch-hydrothermaler Fluide, 4) Kompression, die die Entwicklung von Ausläufern in das umgebende Gestein einschränkt und so das Fluid in einem einzigen Lager konzentriert, und 5) schnelle Hebung und Erosion, die die Dekompression und die effiziente, letztendliche Ablagerung von Erz fördert.
Porphyr-Lagerstätten entstehen in der Regel in Regionen, in denen eine Subduktion mit geringem Neigungswinkel (flache Platte) stattfindet. Eine Subduktionszone, die von normaler zu flacher und dann wieder zu normaler Subduktion übergeht, erzeugt eine Reihe von Effekten, die zur Entstehung von Porphyrlagerstätten führen können. Zunächst kommt es zu einem Rückgang des alkalischen Magmatismus, einer horizontalen Verkürzung, einer Hydratation der Lithosphäre über der flachen Platte und einem geringen Wärmefluss. Bei einer Rückkehr zur normalen Subduktion wird die heiße Asthenosphäre erneut mit dem hydratisierten Mantel interagieren, was zu Nassschmelzen, Krustenschmelze beim Durchgang von Mantelschmelze und einer Ausdünnung und Schwächung der Lithosphäre aufgrund des erhöhten Wärmeflusses führt. Die subduzierende Platte kann durch aseismische Rücken, Seamount-Ketten oder ozeanische Plateaus angehoben werden, die ein günstiges Umfeld für die Entwicklung einer Porphyrlagerstätte bieten können. Diese Interaktion zwischen Subduktionszonen und den oben genannten ozeanischen Merkmalen kann die Entwicklung mehrerer metallogener Gürtel in einer bestimmten Region erklären, da jedes Mal, wenn die Subduktionszone mit einem dieser Merkmale interagiert, dies zur Entstehung von Erzen führen kann. Bei ozeanischen Inselbögen kann die Rückensubduktion zu einer Abflachung der Platte oder zu einer Umkehrung des Bogens führen, während sie bei kontinentalen Bögen zu Perioden mit flacher Plattensubduktion führen kann.
Die Umkehrung des Bogens ist nachweislich der Bildung von Porphyrlagerstätten im Südwestpazifik nach einem Kollisionsereignis etwas vorausgegangen. Eine Bogenumkehr entsteht durch die Kollision eines Inselbogens mit einem anderen Inselbogen, einem Kontinent oder einem ozeanischen Plateau. Die Kollision kann zur Beendigung der Subduktion führen und dadurch das Schmelzen des Erdmantels auslösen.
Porphyrvorkommen haben im Allgemeinen keine strukturellen Voraussetzungen für ihre Entstehung, obwohl einige von ihnen mit größeren Verwerfungen und Lineamenten verbunden sind. Das Vorhandensein von bogeninternen Verwerfungssystemen ist von Vorteil, da sie die Porphyrentwicklung lokalisieren können. Darüber hinaus haben einige Autoren darauf hingewiesen, dass das Auftreten von Überschneidungen zwischen kontinentalen Querverwerfungszonen und bogenparallelen Strukturen mit der Porphyrbildung in Verbindung steht. Dies ist bei den chilenischen Porphyr-Kupfer-Lagerstätten Los Bronces und El Teniente der Fall, die jeweils am Schnittpunkt zweier Störungssysteme liegen.