(Fr.: metallogenèse, formation des minerais; Du.: Erzgenese; Eng.: ore genesis), het ontstaan van ertsen.
De aarde is een gesloten systeem buiten de zonne-energie; er treedt geen noemenswaardige toevoer van materiaal uit of afvoer naar de ruimte op; ertsen zijn een natuurlijk deel van de aarde. Alle gesteenten bevatten economisch belangrijke metalen, meestal echter in verbindingen, bijv. silicaten, die technisch of economisch (nog) niet interessant zijn. Tabel 1 toont dat verscheidene belangrijke metalen slechts in zeer geringe gehalten voorkomen; ertsgenese nu is de natuurlijke concentratie van metaalelementen tot ontginbare gehalten. De ertsgenese toont een grote verscheidenheid in de plaats, de tijd en het proces van deze concentraties.
Plaats.
Sommige processen zijn afhankelijk van atmosferische invloeden en komen alleen aan het oppervlak voor, andere treden slechts op bij hogere temperatuur en druk en voltrekken zich op grote diepte. De processen kunnen worden ingedeeld naar hun plaats:
1. aan het oppervlak of exogeen:
a. aan de lucht (bijv. lateriet, bauxiet);
b. in oppervlaktewater (ijzer, goud, tin, zouten);
c. in de diepe oceaan (mangaanknollen); en
2. de gelaagde sedimentaire ertsafzettingen in de aardkorst of endogeen:
a. gelaagd, als omvorming van een sedimentaire formatie;
b. als gangen en aders door andere gesteenten heen;
c. in stollingsgesteenten en daarvan deel uitmakend;
d. diffuus verspreid, al of niet onafhankelijk van de aanwezige gesteenteformaties.
Een ander aspect wordt weergegeven met de termen verwant of indigeen d.w.z. dat het geconcentreerde materiaal afkomstig is uit zijn directe omgeving, en vreemd of allogeen wanneer het van buitenaf is aangevoerd en een geheel andere oorsprong heeft als het omhullende gesteente.
Tenslotte is er een duidelijk regionale concentratie. Tin bijv. wordt in alle werelddelen gemijnd, doch 70% van de wereldproduktie komt uit een 100...200 km brede en 2600 km lange stroom lopend van Burma, over Thailand en W.-Maleisië naar Bangka en Belitung in Indonesië. Een groot aantal van de belangrijkste kopermijnen is geconcentreerd in een zone van wisselende breedte langs de kust van de Grote Oceaan, van N.-Canada tot Chili.
Tijd.
Uit de absolute ouderdomsbepalingen blijkt dat de aardkorst een ontwikkeling heeft doorgemaakt, waarin de voor ertsvorming gunstige omstandigheden met de tijd veranderden. De grote ijzerertsafzettingen zijn vermoedelijk gevormd toen de atmosfeer nog geen of nauwelijks zuurstof bevatte; o.a. nikkel-, koperconcentraties zijn gebonden aan de dunne aardkorst uit de begintijd van de aardhistorie, doch vele secundaire uraanafzettingen aan het jonge verleden; hun vorming wordt bepaald door exogene processen. Tenslotte zijn er ertsen die zijn gevormd in twee fasen die honderden miljoenen jaren uiteen kunnen liggen zoals alluviale goud- en tinertsen, bauxiet en nikkellateriet.
Processen.
De relatieve zeldzaamheid van ertsafzettingen duidt aan dat bijzondere omstandigheden nodig zijn om tot een ertslichaam te komen. De exogene processen van ertsconcentraties kunnen in detail bestudeerd worden, endogene daarentegen alleen in laboratoria waar omstandigheden als druk en temperatuur benaderd kunnen worden, de geologische tijd echter moeilijk. De belangrijkste processen zijn:
1. aan het aardoppervlak gebonden of supergeen:
a. mechanische erosie: placerafzettingen van goud, tin;
b. chemische verwering: bauxiet, nikkel;
c. circulerend grondwater: enerzijds concentratie in lagere delen van materiaal opgelost uit hogere delen, de cementatie-ertsen (koper, zilver); anderzijds concentratie horizontaal ver van de plaats waar de elementen werden opgelost (uraan, loodzink in kalksteen);
d. chemisch neerslag uit waterige oplossingen nabij de aardkorst: zoutafzettingen, diepzeemangaanknollen, ijzerformaties;
2. beneden de invloed van het aardoppervlak en de atmosfeer of hypogeen:
a. magmatische activiteiten: enerzijds opstijgend water van hoge temperatuur (hydrothermale afzettingen): goud, zilver, koper enz.; anderzijds vermoedelijk gasvormige directe magmatische emanaties: zwavel, koper-lood-zink enz.; voorts door magmatische differentiatie: nikkel-koper, chroom, ijzer, ook vele edelstenen en ‘halfedelstenen’;
b. warmtetoevoer: regionaal en thermometamorfe processen zonder materiaaltransport over grotere afstanden (laterale secretie): antimoon, wolfraam.
De relatieve zeldzaamheid van ertsafzettingen is mede een gevolg van de veranderingen en de afbraakprocessen die de metaalconcentraties kunnen ondergaan in het tijdbestek sinds haar oorspronkelijke vorming (tot 3000 miljoen jaar geleden). Ook is vaak de superpositie van twee processen nodig om tot een economisch ontginbare afzetting te komen, bijv. de cementatie-ertsen waarin magmatische emanatie reeds een laagwaardige concentratie veroorzaakte.
Historie.
Het ontstaan van ertsen is lang een onderwerp van waarneming en speculatie geweest. Rond het jaar 1500 verklaarde Ulrich Rülein dat onder invloed van de hemel de dampen van zwavel en kwikzilver (de theoretische stoffen gepostuleerd door de alchimisten) onder de hemelse invloed uit de diepten van de aarde worden omhooggetrokken en in spleten onder invloed van de planeten verenigd tot ertsen en metalen. Elk der planeten vormt zijn eigen erts en metaal: goud door de Zon, zilver door de Maan, tin door Jupiter, koper door Venus, ijzer door Mars, lood door Saturnus en kwik door Mercurius.
G. Agricola publiceerde in 1546 het beroemde De re metallica; naast vele goede waarnemingen en ervaringen geeft hij ook speculaties over het ontstaan van de ertsen en mineralen: aangezien ertsen in vuur smelten en in de kou verharden moet er water in voorkomen; daaraan moet aarde zijn toegevoegd, die de doorzichtigheid van het water wegneemt. Het oorsprongmateriaal is dus een mengsel ontstaan door stromend water dat de aarde opneemt. Alle gesteenten kunnen ontstaan door het water of als afzetting in het water. Dit kan zowel van bovenaf de aarde indringen als in de aarde zelf gevormd worden, waarbij hij verwijst naar de ertsnetwerken, gangen en spleetvullingen, bekend van het Ertsgebergte. De vulkanische activiteiten waarbij lava en puimsteen worden gevormd, worden in deze descentietheorie verklaard door ontbranding van steenkoollagen of bitumineuze gesteentelagen.
In 1788 komt J. Hutton met een ascentietheorie waarbij de aders en gangvullingen door stolling uit een vloeibare smelt, afkomstig uit het diepste van de aarde, moeten zijn ontstaan. Als aanwijzingen noemt hij gedegen ijzer, koper, zilver en goud die met kwarts en sulfidische ertsen in de gangen vergroeid voorkomen. Deze zienswijze werd verder uitgewerkt o.a. door E. de Beaumont (1847); de ertsgangen worden gevuld door uit de diepte komende vulkanische emanatie, zij het in de vorm van injectie van een vloeibare smelt (injectietheorie) of in de vorm van neerslagen uit de hete gasvormige toestand (sublimatietheorie) of als infiltraties van hete waterige oplossingen (hydrothermale theorie). De theorie van de laterale secretie verklaarde de metaalinhoud van de ertsgangen door oplossing van de desbetreffende metalen uit nevengesteenten van het ertslichaam. Microscopisch en chemisch onderzoek leidde tot de genetische classificatie van W. Lindgren (1911) die met modificaties een grote verbreiding heeft gevonden (tabel 2). Hieruit blijkt de grote verscheidenheid in vormingswijzen.
Tabel 2
Classificatie delfstofafzettingen
Mechanische concentratieprocessen
(temperatuur en druk middelmatig) (alluviale processen)
Chemische concentratieprocessen (temperatuur en druk variëren binnen ruime grenzen)
I. In oppervlaktewater (0...70 C, druk matig tot hoog)
A. door reactie tussen oplossingen:
1. anorganische reacties (ijzerformaties)
2. organische reacties (kalkafzettingen, diatomeënaarde)
B. door verdamping van oplosmiddel (zoutafzettingen)
II. In gesteentemassa’s
A. door concentratie van materialen vervat in het geologische lichaam zelf (verwant of indigeen)
1. gesteenteafbraak en residuaire verwering (0...100 °C, druk matig) (laterieten)
2. diep circulerend grondwater (0...100 °C, druk matig) ( cementatieajzettingen)
3. bewegings- en thermische metamorfose (tot 400 °C, druk hoog) (vermoedelijk zeer zeldzaam)
B. materiaaltoevoer van buiten het geologische lichaam (de gesteentemassa) zelf (vreemd of allogeen)
1. circulatie van atmosferisch water op matige tot geringe diepte; vorming onafhankelijk van magmatische activiteiten (tot 100 °C, druk matig) (lood-zinkertsen in kalkstenen)
2. vorming veroorzaakt door de opstijging en plaatsinneming van stollingsgesteenten (magmatische delfstofafzettingen):
a. heet opstijgend water van onzekere oorsprong, maar beladen met magmatische emanaties (hydrothermale afzettingen):
— epithermaal (op geringe diepte 50...200 °C, druk matig)
— meseothermaal (matige diepte, 200...300 °C, druk hoog)
— hypothermaal (op grote diepte of bij hoge temperatuur: 300...500 °C, en zeer hoge druk)
b. magmatische emanaties zelf:
— van intrusieve lichamen; contactmetamorfe of pyrometasomatische afzettingen (waarschijnlijk 500...800 °C, druk zeer hoog) (skarnafzettingen)
— van uitvloeiingsgesteenten: sublimaten, fumarolen (100...600 °C, druk atmosferisch tot matig) (zwavel, koper-zink-pyrietajzettingen)
III. In magma’s (door differentiatieprocessen)
A. magmatische afzettingen in strikte zin (700...1500 °C, druk zeer hoog) (nikkel-koperertsen, ijzerertsen)
B. pegmatieten (ca. 575 °C, druk zeer hoog) (edel- en halfedelstenen, tin-tantaalafzettingen)
Magmatische ertsafzettingen.
De meeste ertslichamen waaruit platina, koper, nikkel, molybdeen en zilver en vele waaruit goud, lood en zink gewonnen worden behoren tot deze groep. Economisch zijn de magmatische ertsafzettingen uiterst belangrijk. De metaalconcentraties, in welke vorm dan ook, ontstaan door de stolling of kristallisatie van het magma.
1. Liquid-magmatische of orthomagmatische afzettingen.
Kristallen van verschillende samenstelling ontstaan na elkaar; bewegingen gedurende het kristallisatieproces kunnen eerder gevormde kristallen afscheiden van later gevormde: platina-, chroom-, ijzer-, titaanijzer(ilmeniet)afzettingen en in zekere zin ook diamant. Bij voortgaande kristallisatie ontstaat een restvloeistof in de poriën tussen de reeds gevormde kristallen van grotendeels silicaatverbindingen. Daarin kunnen concentraties ontstaan van in hoofdzaak sulfiden van vooral ijzer, nikkel en koper die door bewegingen tijdens of na de kristallisatie tot ertslichamen kunnen aangroeien: nikkel-, koper-, ijzerafzettingen met molybdeen en zink.
2. Pneumatolitisch-pegmatitische afzettingen.
Vooral tegen het einde van het kristallisatieproces concentreren veel vluchtige bestanddelen (zoals water, chloor, fluor) zich in de restsmelt samen met de meer zeldzame elementen als tin, wolfraam, lithium, tantaal. Vluchtige verbindingen van deze beide groepen elementen ontsnappen uit het kristalliserende magma en dringen het omhullende vaste gesteente diffuus binnen, waarbij afzettingen van de genoemde metalen ontstaan, nog steeds bij temperaturen die weinig lager zijn dan die van het kristalliserende magma. Indien de ontsnapping meer langs vaste banen plaatsvindt ontstaan de pegmatieten met hun vaak zeer grote kristallen van silicaten en van een grote verscheidenheid van economisch belangrijke mineralen: tin, wolfraam, tantaal, molybdeen, lithium, beryllium (en de edelstenen toermalijn, topaas, beryl = smaragd en aquamarijn).
3. Hydrothermale afzettingen.
Na de gehele kristallisatie van het magma, of op grotere afstand van een uitkristalliserend magma, ontstaan hete waterige oplossingen waarin zowel vele metaalionen (natrium, kalium, koper, lood, zink, barium) als vluchtige zoutvormende anionen (fluor, chloor, zwavel, arseen, kiezelzuur, koolzuur) voorkomen. De herkomst van het water is onzeker; het zou afkomstig kunnen zijn uit het magma dan wel uit het omhullende gesteente; waarschijnlijk komen beide typen voor. De oplossingen penetreren diffuus of langs gangen en spleten het nevengesteente van een magmahaard tot op vele kilometers afstand (verticaal en zijwaarts). De grote koper-porfierafzettingen zijn voorbeelden van de diffuse penetratie, de meeste ader- en gangafzettingen behoren eveneens tot dit type: goud-kwarts, tin-wolfraam, fluoriet-topaas-kwarts, koper-toermalijn (hypothermaal), goud-koper, koper-lood-zilver-zink, pyriet-lood-kwarts, zilver-tin, zilver-kobalt (mesothermaal), goud-telluride, goud-zilver, gedegen goud-kwarts, koper-lood-zink-carbonaat-kwarts, antimoon-pyriet-kwarts, kwikzilver-kwarts-carbonaat (epithermaal). De eigenlijke afzetting vindt plaats in gangen en aders of in lichamen van onregelmatige vorm door de chemische vervanging van het oorspronkelijk aanwezige gesteente, bijv. kalksteen.
4. Exhalatieve afzettingen.
Het vloeibare magma kan zeer dicht nabij of aan de oppervlakte uitkristalliseren (subvulkanische of vulkanische verschijnselen) waarbij de vrijkomende vluchtige bestanddelen min of meer direct aan het aardoppervlak neerslaan (zwavel, gedegen koper, kwikzilver) of in oppervlaktewater worden opgenomen en daarin chemisch neerslaan (ijzer, koper, lood, zink).
Stratiforme ijzer-zink-koper-loodsulfide-ertsen.
Tot deze groep behoren vele zeer belangrijke en massieve koper-, zink-lood- en pyrietafzettingen; de ouderdom varieert van Precambrium tot Tertiair; de verspreiding is wereldwijd.
De ertslichamen maken deel uit van een sedimentair pakket, zij zijn veelal zelve duidelijk gelaagd en gelijken op een facies van het sedimentaire gesteente. De afmetingen zijn vaak groot, met de lengte ongeveer tien maal zo groot als de dikte, en een totale lengte van vele honderden meters. Vele ertslichamen zijn geplooid en als zodanig een deel van het geplooide nevengesteente.
Als gevolg van de plooiing kunnen belangrijke wijzigingen in de mineraaltextuur ontstaan. Indien de plooiing gepaard gaat aan regionale metamorfose kunnen de oorspronkelijke sedimentaire en stratiforme kenmerken grotendeels te niet gaan of aangevuld worden met pseudo-intrusieve kenmerken als gevolg van mobilisatie van de sulfiden.
De ontstaanswijze van deze ertsen vertoont een grote verscheidenheid in de mate waarin verschillende genetische aspecten optreden of werkzaam zijn. Zij maken deel uit van duidelijk sedimentaire, op de zeebodem neergelegde afzettingen, in vele gevallen met een belangrijk aandeel aan vulkanisch materiaal, doch in een grote verscheidenheid van milieus: van zuurstofrijke, goed doorstroomde bekkens tot poelen met stilstaand, zuurstofarm water waarin rottingsverschijnselen optreden. De chemische samenstelling is zeer homogeen en de aanwezige verschillen zijn zonaal en gebonden aan de laag. De hoeveelheid sulfiden is zeer groot en kan nauwelijks afkomstig zijn van het aangrenzende vasteland, noch van de zee zelf. Recent onderzoek heeft aangetoond dat het in deze sulfiden gebonden zwavel van organische oorsprong moet zijn, vergelijkbaar met de zwavel die in aardolie wordt aangetroffen. De metalen moeten wel afkomstig zijn van vulkanisme, ter plaatse of op enige afstand, en dit kan vele vormen aannemen: explosief onder vorming van tuffen, voornamelijk afblazen van metaal en zwavelhoudende gassen; vervanging van ter plaatse reeds bestaande mineralen en als hete submarine bronnen waarvan de vulkanische oorsprong nauwelijks of niet aantoonbaar is. In het laatste geval vindt sedimentatie plaats van een chemische neerslag waarin geen vulkanische gesteente-elementen aantoonbaar zijn.
Laaggebonden sulfidische ertsen.
Deze afzettingen worden gevonden in sedimentgesteenten, doch de metaalsulfiden zijn duidelijk niet ten tijde van de sedimentatie in het gesteente opgesloten. De belangrijkste groep van dit ertstype zijn de lood-zinkertsen.
De meeste van deze ertsen zijn afgezet in kalkstenen, enkele in zandsteen en schalie, steeds in gesteenteformaties die kenmerkend zijn voor de nabij de kust gelegen randgebieden van grote en diepe sedimentaire bekkens. In de kalksteen zijn het vooral de rifkalken met de daarvoor en -achter gelegen puinlagen waarin de ertsen voorkomen; de kalken zijn meestal rijk aan magnesium, tot zuivere dolomieten toe. De afzonderlijke ertslichamen, nimmer heel groot, wel vaak vele lichamen bij elkaar in de buurt, worden gevonden op plaatsen van inhomogeniteit (brecciazones in de kalk, op een grensvlak tussen kalk- en zandsteen of schalie, langs breukzones, in oplossingsholten in de kalksteen, op faciesovergangen of bij uitwiggen van een laag) en verder zijn zij vaak beperkt tot een of enkele lagen in het kalksteencomplex.
De ertsafzettingen zijn concentraties van sfaleriet, galeniet, bariet en fluoriet met begeleiding van pyriet, markasiet en chalcopyriet. De ontstaanswijze is als volgt gedacht; bij de diagenese of gesteentevorming van sedimenten in de diepere delen van een bekken worden de poriën grotendeels dichtgedrukt en de daarin voorkomende vloeistoffen (met opgeloste zouten, dus logen) worden uitgeperst naar hoger gelegen delen van dezelfde poreuze laag. Dit proces is bekend van de aardolieformatie en -migratie. Deze logen kunnen relatief hoge concentraties van metaalionen en zuurresten, waaronder sulfaat, chloor en carbonaat, opbouwen, die onder daarvoor gunstige omstandigheden kunnen neerslaan of bestaande mineralen kunnen verdringen. De herkomst van de metalen moet gezocht worden in de sedimenten uit de diepere delen van de bekkens, afkomstig van erosie of van vulkanische emanaties of effusiva, of in hydrothermale oplossingen die langs belangrijke breuken opstijgen en hun metaalinhoud aan het poriënwater overdragen. De benodigde zwavel om de sulfiden te vormen moet ook hier van organische oorsprong zijn zoals recent onderzoek aannemelijk maakt.
Tevens zie Aluminium; Koper; Tin; IJzer.