Geologiske mineralforekomster Hvordan dannes de malme, vi bygger vores teknologi på?

1Grøn omstilling kræver metaller

Visionen om at frigøre menneskeheden fra fossile brændstoffer er måske vores mest ambitiøse projekt til dato. Men der er en ofte overset præmis i diskussionen om fremtidens fossilfrie samfund: metaller udgør fundamentet for teknologierne bag vedvarende energi — hvad enten det drejer sig om vindmøller, solceller eller elbiler.

Elektriske køretøjer kræver i gennemsnit seks gange den mængde metaller, der bruges i konventionelle biler. Dertil bruges metaller som litium, nikkel, cobalt og sjældne jordartsmetaller, der slet ikke er nødvendige i konventionel teknologi. Hvis elbiler skal erstatte benzinbiler på global skala, kræver det nødvendigvis en udvidelse af minedriften.

Metaller udgør fundamentet for teknologierne bag vedvarende energi. Adgang til dem forudsætter minedrift — en ofte overset præmis i diskussionen om fremtidens fossilfrie samfund.

De kritiske metaller vi har brug for, udvindes fra naturligt dannede mineralforekomster — det geologer betegner som malme. Men for at forstå, hvor vi kan finde dem, må vi først forstå, hvordan grundstofferne er fordelt i Jorden.

2Fra skorpe til malm — grundstoffordelingen

Jordens skorpe er “født” med en bestemt fordeling af grundstoffer. Nogle grundstoffer som silicium (Si), aluminium (Al) og jern (Fe) er meget almindelige, mens de grundstoffer vi har allermest brug for i moderne teknologi — kobber, guld, litium, cobalt, sjældne jordarter — er ekstremt sjældne i jordskorpen.

Forskellen mellem Jorden som helhed og skorpen skyldes, at Jorden differentierede sig tidligt i sin historie: Tunge grundstoffer som jern og nikkel sank mod kernen, mens lette grundstoffer som silicium og aluminium flød opad og dannede skorpen. Resultatet er, at mange af de metaller vi ønsker til vores teknologi, er relativt sjældne i den skorpe vi har adgang til.

3Overblik: Hvordan dannes malm?

En malm er en bjergart, der er opkoncentreret med hensyn til et bestemt grundstof — ofte et metal — i en grad der gør det økonomisk rentabelt at udvinde. De geologiske processer der skaber malme kan ordnes efter temperatur og mekanisme:

Malmdannelsesprocesser

Organiseret efter temperatur og mekanisme

🔥 HØJ TEMPERATUR

Smeltepunkt & tyngde

Uden vand — Magmatisk

Mineraler med højt smeltepunkt krystalliserer først og synker. Opkoncentreres i lag på bunden af magmakammeret.

Eksempler: Bushveld (Cr, Pt) · Sudbury (Ni, Cu)

Opløselighed i varmt vand

Med vand — Hydrotermalt

Mineraler opløses i varmt vand (150–600°C) og transporteres. Udfældes når vandet afkøles tættere på overfladen.

Eksempler: Black smokers · Porfyr-kobber · Cypern (Cu, Zn)

🌧️ LAV TEMPERATUR

Forvitring & opløsning

Forvitring

Letopløselige grundstoffer (Mg, Ca, Na) udvaskes af regnvand. De tungtopløselige (Al, Fe, Ni) bliver tilbage og opkoncentreres.

Eksempler: Bauxit / Al (troperne) · Laterit-nikkel (Indonesien) · BIF / Fe

Tyngde & transport

Sedimentær transport

Tunge mineraler koncentreres af vandbevægelse, fordi de synker hurtigere. Fordampning efterlader salt- og litiumaflejringer.

Eksempler: Placer-guld (floder) · Evaporitter (Li, NaCl)

Bemærk den afgørende forskel i mekanisme:

• Ved høj temperatur uden vand er det forskelle i smeltepunkt og tyngde der adskiller mineralerne — tunge krystaller synker i magmaen.
• Ved høj temperatur med vand er det forskelle i opløselighed der er drivkraften — metaller opløses i varmt vand og udfældes, når temperaturen falder.
• Ved lav temperatur er det forvitring (kemisk nedbrydning af bjergarter) og fysisk transport (vand, tyngdekraft) der koncentrerer mineralerne.

Lad os nu se nærmere på hver af disse processer.

4Magmatiske forekomster

Magmatisk differentiation

Magmatiske forekomster dannes ud fra magma — smeltet stenmasse dybt nede i Jorden. Når magma nedkøles, udkrystalliseres mineraler i takt med at temperaturen falder under de enkelte mineralers smeltepunkt.

Denne proces kaldes magmatisk differentiation: Magmaen skifter kemisk sammensætning, efterhånden som mineraler med de højeste smeltepunkter krystalliserer først og synker mod bunden af magmakammeret. Denne “destillationsproces” kan føre til, at værdifulde mineraler med krom, platin eller nikkel bliver koncentreret i bestemte zoner.

Bushveld-komplekset — verdens vigtigste magmatiske forekomst

Verdens måske vigtigste magmatiske mineralforekomst er Bushveld-komplekset i Sydafrika. Det er dannet ud fra en kolossal mængde magma, der trængte op i jordens skorpe for omkring 2 milliarder år siden.

Efterhånden som magmaet afkølede, krystalliserede forskellige mineraler og blev aflejret på magmakammerets bund. Den store mængde magma og den høje temperatur betød, at en del af de omgivende bjergarter smeltede og blandede sig med magmaet — en form for “forurening” der ændrede magmaets kemiske sammensætning.

Sulfidmineralisering

En anden vigtig geologisk proces er mætning med svovl. Når magma bliver overmættet med svovl — enten ved blanding af to magmatyper eller ved kontakt med svovlholdige bjergarter — dannes en selvstændig blanding af svovl og metaller som jern, kobber og nikkel.

Ved afkøling danner denne blanding dråber af svovlholdige mineraler (sulfider), der kan “regne” ned på bunden af magmakammeret. Hvis disse dråber akkumuleres, dannes en sulfidmineralisering, som ofte er kraftigt beriget i nikkel, kobber og platin-gruppe metaller.

Sudbury, Canada

Et godt eksempel på sulfidmineralisering findes ved Sudbury i Canada, hvor der har været minedrift siden 1884. Her udvindes primært nikkel og kobber, men også guld, sølv og platingruppe-mineraler. Forekomsterne ved Sudbury er dannet ved et enormt meteoritnedslag for 1,8 milliarder år siden.

Både kromitforekomsterne i Bushveld og sulfidmineraliseringen i Sudbury viser, at magmatiske mineralforekomster overordnet kan ses som en konsekvens af uligevægte.

5Hydrotermale forekomster

Hydrotermale forekomster dannes ud fra mineraler opløst i varmt vand (150–600°C). Denne mineralrige væske kan udfælde mineraler, når den køler ned eller reagerer med de omkringliggende bjergarter. Disse forekomster er typisk forbundet med vulkansk aktivitet.

Porfyr-type kobberforekomster

Et vigtigt eksempel er porfyr-type kobberforekomster, som dannes i områder med vulkansk aktivitet. Processen foregår i tre trin:

1. Magmaet frigiver vand og gas ved højt tryk. Dampen trænger ud i de omkringliggende bjergarter, og der dannes et system af sprækker omkring intrusionen.
2. Metaller transporteres som chlorid-komplekser. Kobber, molybdæn og guld transporteres opløst i den varme, saltholdige væske.
3. Dampen kondenseres gradvist. Den metalrige opløsning afkøles (350–250°C), og metaller udfældes i sprækker i de omkringliggende bjergarter.

Black smokers — aktive mineralforekomster på havbunden

Det bedste eksempel på hydrotermale processer i aktion er såkaldte black smokers, som vi kan observere lige nu på havbunden. De findes ved midtoceanrygge, hvor tektoniske plader spredes og ny havbund dannes.

Processen foregår sådan:

1. Spredningen af pladerne skaber sprækker i havbunden (basalt).
2. Havvand siver ned i sprækkerne og bliver opvarmet af underliggende magma.
3. Det varme, saltrige vand opløser metaller (kobber, zink, bly, jern) fra basalten som chloridkomplekser.
4. Det metalberigede vand stiger op og strømmer ud i det kolde havvand.
5. Den drastiske temperaturforskel får de opløste mineraler til at udfældes.

Hvor vandet strømmer ud på havbunden, opstår søjler — de såkaldte smokers. Black smokers udsender mørkere partikler på grund af det høje sulfidindhold, mens white smokers udsender mineraler med lysere farver (typisk kalciumsulfater). Omkring smokerne akkumuleres sulfidmineraler over tid til betydelige forekomster.

De udfældede mineraler inkluderer blandt andet:

• Pyrit (FeS₂) — jernholdigt
• Chalcopyrit (CuFeS₂) — kobber og jern
• Sfalerit (ZnS) — zink
• Galena (PbS) — bly

Vulkanogene massive sulfidforekomster

Geologiske processer som kollision mellem tektoniske plader har løftet nogle af disse oprindelige havbundsforekomster op over havniveau og gjort dem tilgængelige for minedrift. Disse kaldes vulkanogene massive sulfidforekomster (VMS) og danner grundlag for minedrift af kobber, zink og bly.

De historiske kobberforekomster på Cypern er netop af denne type — de var knudepunktet for den kobberproduktion, der dannede grundlaget for bronzealderen omkring Middelhavet for mange tusinde år siden. Ordet “kobber” stammer endda fra det latinske cuprum, opkaldt efter Cypern.

6Sedimentære forekomster

Sedimentære forekomster dannes ved aflejring af mineraler — for eksempel i en flod, på havbunden, eller ved forvitring af bjergarter. De repræsenterer nogle af de mest varierede og udbredte typer af mineralforekomster.

Placer-aflejringer — guldvask

Det klassiske eksempel er, når tunge mineraler som guld koncentreres af vandets bevægelse på bunden af en flod. Guld er meget tungere end de andre partikler i floden og samler sig derfor bestemte steder, hvor strømmen aftager.

Sådanne forekomster var anledningen til den berømte “guldfeber”, der blandt andet rasede i Californien i midten af 1800-tallet og tiltrak hundredtusinder af mennesker.

Tropisk forvitring — bauxit og laterit-nikkel

Når bjergarter bringes op over havniveau af tektoniske processer, udsættes de for vejr og vind. Denne nedbrydning går særligt hurtigt i tropiske egne, fordi den høje temperatur fremskynder forvitring og erosion.

Under nedbrydningen udvaskes mobile grundstoffer som magnesium, calcium og natrium. De grundstoffer der bliver tilbage, bliver dermed relativt beriget:

• Forvitring af granit i troperne kan give en kraftig ophobning af aluminiumrige mineraler → bauxit (den primære kilde til aluminium)
• Forvitring af gammel havbund kan give en koncentration af nikkelholdige mineraler → laterit-nikkel

Båndede jernformationer (BIF)

Båndede jernformationer (banded iron formations, BIF) er lagdelte kemiske sedimenter af jernmineraler, dannet på bunden af gamle oceaner for milliarder af år siden. De er en af de vigtigste kilder til jernmalm i verden.

Evaporitter

En sidste type er evaporitter, der dannes ved fordampning af havvand. Fordampningen efterlader aflejringer af salt (NaCl — stensalt/halit), gips (CaSO₄·2H₂O) og eventuelt litiumrige mineraler — en ressource der er afgørende for produktionen af litium-ion-batterier.

7Havbunden som fremtidig ressource

Ud over black smokers dannes der også andre mineralforekomster aktivt på havbunden. De mest omtalte er polymetalliske noduler (også kaldet manganknolde).

Disse dannes ved kemisk udfældning i koldt vand, og det tager mange millioner år at danne en økonomisk interessant koncentration i form af knolde på havbunden. Ud over mangan og jern indeholder de også betydelige mængder af nikkel, cobalt og kobber — netop de metaller, der er stor efterspørgsel på til grønne energiteknologier.

Norge har meget konkrete planer om havbundsminedrift i norske farvande — et spørgsmål der vækker både begejstring og bekymring internationalt.

8Geopolitik og kritiske råstoffer

Den vestlige verden er dybt afhængig af minedrift i det globale syd. Fordelingen af verdens største producenter af kritiske råstoffer tegner et tydeligt billede:

Kilde: IEA, Critical Minerals Market Review 2023.