Rätsel um „unsichtbares“ Gold entschlüsselt

Arsen ist das entscheidende Element bei der Entstehung großer US-Lagerstätten
In der größten Goldlagerstätte der USA in Nevada kommt Gold nicht in Form von Nuggets vor. Stattdessen liegt es – gemeinsam mit Arsen – in dem Mineral Pyrit verborgen, auch bekannt als „Katzengold“. Bisher war unklar, welche Rolle das Arsen für ein Goldvorkommen spielt. Ein Team aus WissenschaftlerInnen des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ hat nun im Experiment erstmals gezeigt, dass die Konzentration des echten Goldes unmittelbar vom Arsengehalt des Pyrits abhängt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Science Advances veröffentlicht.

Das Element Gold kommt in der Erdkruste durchschnittlich in Konzentrationen von 2,5 Teilen pro Milliarde (ppb) vor. Damit es wirtschaftlich abgebaut werden kann, muss die Konzentration jedoch sehr viel höher liegen. Chemische Prozesse können dabei helfen, das zu bewerkstelligen.
In Goldlagerstätten des Carlin-Typs wie es sie im US-Bundesstaat Nevada gibt, hat sich Gold angesammelt, indem es – für das bloße Auge unsichtbar – in Pyrit-Kristalle eingebaut wurde. Das Mineral Pyrit ist auch als „Katzengold“ bekannt. Im Laborexperiment haben Forschende um Erstautor Christof Kusebauch vom GFZ, nun gezeigt, dass bei dieser Einlagerung in die Kristallstruktur die Gegenwart des Elements Arsen die entscheidende Rolle spielt. Gold geht umso häufiger eine chemische Bindung mit Pyrit ein, je höher die Konzentration von Arsen liegt.
Arsen gibt Hinweise auf Goldvorkommen

Das erklärt auch, warum Arsen in diesem Typ von Goldlagerstätte immer gemeinsam mit Gold im Pyrit vorkommt: Es ist sozusagen der Wegbereiter der Ansammlung des Goldes. Auch die Form des Pyrits ist wichtig. Je mehr Hohlräume und Poren das Mineral bildet und je größer damit dessen Oberfläche ist, desto mehr Gold sammelt sich an.
Ähnlich wie in dem natürlichen Erzsystem verwendeten die Autoren eisenreiche Karbonate und schwefelreiche Lösungen zur Synthese ihrer Katzengold-Kristalle. „Nur so konnten wir zeigen, dass der Faktor, der steuert, wie viel Gold in Pyrit eingebaut wird, von der Menge an Arsen abhängt“, sagt Christof Kusebauch. „Die größte Herausforderung war, experimentell Pyrit-Kristalle mit Gold und Arsen zu züchten, die groß genug waren, um sie zu analysieren.“

Da nun klar ist, dass das Arsen wichtig für die Ansammlung von Gold ist, kann es als Hinweis auf das Vorkommen von Gold dienen. Das Gold selbst lässt sich aufgrund der sehr viel geringeren Mengen erheblich schwerer nachweisen.

Hintergrund
Was ist Gold eigentlich? Gold ist ein chemisches Element der Kupfergruppe mit dem Elementsymbol Au (von lateinisch: Aurum). Es kommt in der Natur, im Gegensatz zu den meisten anderen Metallen, vor allem „gediegen“ vor, also als reiner, nur aus einer chemischen Verbindung zusammengesetzter Stoff. In den Carlin-Typ-Goldlagerstätten hingegen muss das Gold aus Erzgestein gewonnen werden, indem es chemisch herausgelöst wird. Das Gold liegt hier nicht in reiner Form als Nuggets vor, sondern ist in Erzmineralen gebunden, in Dimensionen zwischen einem und dreißig Gramm Gold pro Tonne Gesteinsmaterial (1000 bis 30 000 ppb). Bei diesem Typ handelt es sich um Goldvorkommen kalkhaltigen Gesteinen. Die Lagerstätten in den USA entstanden vor 42 bis 30 Millionen Jahren bei Temperaturen von 150 bis 250 Grad Celsius in Tiefen von über zweitausend Metern, bevor sie durch tektonische Prozesse an die Erdoberfläche gelangten. Die Förderung von Gold aus den Lagerstätten des Carlin-Typs macht fünf Prozent der weltweiten Förderung und 75 Prozent der Förderung in den USA aus.
Wie entsteht Gold? Auf der vom Menschen erreichbaren Erdoberfläche gibt es ausschließlich Gold, das durch vulkanische und plattentektonische Prozesse aus dem Erdinneren an die Oberfläche transportiert wurde oder nach der Erdkrustenbildung durch Meteorite auf die Erde gelangt ist. Durch natürliche Prozesse kann auf der Erde kein neues Gold entstehen. Die schwersten chemischen Elemente im Universum wie Blei, Eisen und Gold entstehen durch die Kollision von Neutronensternen. Gold ist nicht nur auf der Erde, sondern im gesamten Universum sehr selten.

Projektförderung
Helmholtz-Rekrutierungs-Initiative Prof. Sarah Gleeson, Leiterin der GFZ-Sektion Anorganische und Isotopengeochemie.
Originalstudie: Kusebauch, C., Gleeson, S.A., Oelze, M., 2019. Coupled partitioning of Au and As into pyrite controls formation of giant Au deposits. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.aav5891
https://doi.org/10.1126/sciadv.aav5891

Bildmaterial:
BU: Natürliche Pyrite, auch Katzengold genannt, in ihrer typischen kubischen Kristallform (Foto: C. Kusebauch, GFZ).
https://media.gfz-potsdam.de/gfz/wv/pm/19/10953_pyrit3_C-Kusebauch-GFZ.jpg

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Anorganische und Isotopengeochemie
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