Rätselhafte Klumpen: Eine besondere Eigenheit des Quarzes könnte eines der großen Rätsel der weltweiten Goldlagerstätten klären – die Entstehung der großen Goldnuggets und Goldquarzbrocken. Wie Experimente nun enthüllen, spielt der Piezoeffekt des Quarzes dafür eine entscheidende Rolle: Das Mineral erzeugt bei Erschütterung oder Druck eine elektrische Spannung. Diese bringt das im Porenwasser gelöste Gold dazu, sich bevorzugt an bestimmten Stellen abzulagern – und so die Klumpen zu bilden, wie Forscher in „Nature Geoscience“ berichten.
Eigentlich ist das Element Gold in der Erdkruste rar, trotzdem gibt es Lagerstätten mit reichen Goldvorkommen, sogar große Goldklumpen werden dort oft gefunden. Doch wie sind sie entstanden? Nach gängiger Theorie entstanden die meisten Goldvorkommen durch gelöstes Gold, das von mineralreichen Flüssigkeiten herangeschwemmt wurde und sich dann an diesen Stellen ablagerte. Auslöser für diese Ausfällung waren teilweise chemische Helfer wie Erdöl und Uranerz oder Arsen, in einigen Fällen könnten auch Bakterien zur Anreicherung beigetragen haben.
Das Rätsel der Goldquarz-Nuggets
Eine Frage ist jedoch ungeklärt: Wie sind die teilweise Dutzende Kilogramm schweren Goldnuggets zu erklären, die vorwiegend in Quarzadern gefunden werden? „Diese Goldnuggets repräsentieren ein lange ungelöstes Paradox“, berichten Christopher Voisey von der Monash University in Melbourne und seine Kollegen. „Denn die Löslichkeit von Gold in Flüssigkeiten liegt nur bei rund einem part per million (ppm).“ Um ausreichend Gold heranzutransportieren und dann abzulagern, wären daher enorme Wassermengen und Zeit nötig.
„Um ein Nugget von zehn Kilogramm Gold zu bilden, benötigt man zehn Millionen Liter Wasser mit gelöstem Gold darin – so viel wie fünf olympische Schwimmbecken“, erklären die Forscher. Hinzu kommt, dass bei der Ausfällung dieses Goldes theoretisch eher dünne Schichten entstehen müssten, nicht aber dicke Klumpen.
Zwar ist bekannt, dass in einigen oberflächennahen Lagerstätten heiße Quellen dabei halfen, das gelöste Gold quasi auszukochen. Aber rund 75 Prozent aller Goldnuggets stammen aus Quarzadern in tektonisch aktiven, tieferliegenden Gesteinsformationen. „Wie sich die großen Goldanreicherungen in diesen orogenen Quarzadern bildeten, bleibt bisher rätselhaft“, schreiben Voisey und sein Team.
Ist ein Piezo-Effekt der Schlüssel?
Jetzt könnten die Forscher dieses Rätsel gelöst haben. Die Idee dafür lieferte ihnen eine spezielle Eigenheit des Quarzes: Das Mineral ist piezoelektrisch. Wenn man Quarz biegt oder unter Druck setzt, bewirkt dies eine Ladungsverschiebung und es entsteht eine elektrische Spannung. „Auch Quarzadern können messbare piezoelektrische Felder entwickeln, wenn sie mechanischem Druck ausgesetzt sind“, berichten Voisey und seine Kollegen. Das elektrische Potential liege allerdings nur bei 0,01 bis 0,03 Volt pro Meter.
Doch diese geringe Spannung reicht aus, um chemische Reaktionen an der Oberfläche der piezoelektrischen Minerale zu beeinflussen, wie die Wissenschaftler erklären. In Laborexperimenten haben sie den Effekt dieser Piezo-Spannung auf die Ablagerung von Gold auf solchen Quarzoberfläche untersucht. Dafür bedeckten sie Plättchen aus reinem Quarz sowie Proben von goldhaltigen Quarzadern mit einer goldhaltigen Lösung. Diese enthielt in einem der Tests Goldchlorat-Ionen in Salzwasser, in einer zweiten Lösung waren winzige, durch ein Kolloid stabilisierte Nanogoldpartikel enthalten.
Dann folgte der entscheidende Schritt: Die Quarzplättchen wurden in mechanische Schwingungen versetzt – ähnlich, wie sie im Untergrund bei schwachen Erdbeben auftreten. „Um die seismischen Wellen eines solchen Bebens am besten nachzubilden, wählten wir eine Frequenz von rund 20 Hertz“, erklärt das Team.
Erschütterungen als Ablagerungshelfer
Und tatsächlich: Die Erschütterungen wirkten wie ein Turbo für die Goldablagerung. Während sich bei unbewegtem Quarz nichts tat, zeigten sich auf den Oberflächen der vibrierenden Quarzplättchen schon nach kurzer Zeit zahlreiche ein bis zwei Mikrometer kleine Goldkristalle. „Dies zeigt, dass die piezoelektrische Energieverschiebung ausreicht, um Gold elektrochemisch aus der Lösung zu reduzieren“, erklären Voisey und seine Kollegen. Ähnliches zeigte sich bei den Tests mit den kolloidalen Goldpartikeln.
Besonders dicht und schnell wachsend waren die Goldablagerungen an den Stellen, an denen die Quarzader-Probe bereits einen kleinen Goldanteil enthielt. „Die elektrisch abgeschiedenen Goldpartikel bevorzugen die Stellen, an denen vorhandenes Gold wie eine Elektrode wirkt“, berichten die Forscher.
Doppelter Effekt
Nach Ansicht der Forscher erklären diese Resultate das Goldnugget-Paradox: Die Nuggets und Goldquarzklumpen kommen vor allem in orogenen, einst tektonisch aktiven Gebieten vor. Dort sind schwache Erdbeben daher häufig. Diese Erschütterungen erzeugen einerseits Risse und Spalten im Untergrund, durch die goldhaltige Flüssigkeiten strömen können. Andererseits bewirken sie einen piezoelektrischen Effekt in den Quarzadern, der das elektrochemische Ausfällen des Goldes katalysiert.
Im Laufe der Zeit führen die wiederholten Erschütterungen dann dazu, dass sich an bestimmten Stellen der Quarzadern immer größere Goldmengen ansammeln – die Nuggets entstehen. „Weil piezoelektrische Spannungen keine sichtbaren Spuren hinterlassen, kann dies auch erklären, warum Goldnuggets in den Quarzadern zu schweben scheinen – ohne dass es offensichtliche chemische oder physikalische Fallen gibt“, schreiben Voisey und seine Kollegen. (Nature Geoscience, 2024; doi: 10.1038/s41561-024-01514-1)
Quelle: Nature Geoscience
