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Mineralien aus der Tiefsee entzünden sich bei Luftkontakt spontan
Zwei sulfidhaltige Gesteinsproben aus dem Nordostpazifik fingen im Labor beim Zerkleinern Feuer, nachdem sie zuvor getrocknet worden waren. Als Auslöser gilt ein ungewöhnlich feinkörniges Eisenmineral, das bei Kontakt mit Sauerstoff Wärme freisetzt. Für einen möglichen Tiefseebergbau könnte dies ein bisher wenig beachtetes Sicherheitsrisiko bedeuten.
Santa Cruz (U.S.A.). Auf dem Meeresboden entstehen an heißen Quellen Ablagerungen aus Metallsulfiden, die unter anderem Kupfer und Zink enthalten. Deshalb gelten sie als mögliche Rohstoffquelle. Wie sich solches Gestein nach dem Bergen unter Luftzutritt verhält, ist allerdings noch wenig untersucht. Bei einer künftigen Förderung müssten die Erze auch auf Schiffen transportiert und verarbeitet werden.
Dass sulfidhaltige Erze Wärme entwickeln und sich mitunter selbst entzünden können, ist aus Bergwerken an Land bekannt. Für die vergleichsweise jungen Sulfidablagerungen der Tiefsee fehlten bislang entsprechende Untersuchungen. Ihre Mineralstruktur und ihr Kontakt mit kaltem, sauerstoffarmem Wasser unterscheiden sich zudem von den Bedingungen in vielen Lagerstätten an Land.
Forscher des U.S. Geological Survey (USGS) um Dr. Amy Gartman haben deshalb Erzproben aus dem Escanaba-Trog am südlichen Gorda-Rücken untersucht. Die Gesteine waren 2022 mit einem ferngesteuerten Tauchroboter an hydrothermalen Hügeln und Schloten im Nordostpazifik geborgen worden. Das Team verglich ihre Mineralzusammensetzung und untersuchte mit Wärmeversuchen und Berechnungen, warum manche Proben besonders stark reagieren.
Insgesamt analysierten die Wissenschaftler 57 Gesteinsproben aus vier Bereichen des Escanaba-Trogs. 41 davon enthielten überwiegend Metallsulfide, also Verbindungen von Metallen mit Schwefel. Zwei dieser Proben gerieten während der Laborbearbeitung in Brand. Sie waren zuvor gefriergetrocknet worden und entzündeten sich, als die Forscher sie unter normaler Raumluft zerkleinerten.
Die Temperaturen überschritten dabei 100 Grad Celsius, und das ursprüngliche Gesteinsmaterial oxidierte vollständig. Beide auffälligen Proben stammten aus dem südlichen Untersuchungsgebiet. Bei den übrigen sulfidhaltigen Gesteinen wurde keine vergleichbare Entzündung beobachtet. Aus den zwei Bränden lässt sich allerdings nicht ableiten, wie häufig ein solches Ereignis bei einer industriellen Förderung auftreten würde.
Unter dem Mikroskop zeigte sich, dass die beiden brennenden Proben vor allem aus Markasit bestanden, einer Form des Eisensulfids. Dieses Mineral hatte älteres Pyrrhotin ersetzt und dabei dessen ursprüngliche, blattartige Struktur bewahrt. Die neu gebildeten Kristalle waren nur fünf bis 16 Nanometer groß und von feinen Hohlräumen durchzogen. Dadurch kann eine große Mineraloberfläche mit Sauerstoff reagieren.
Bei der Oxidation von Eisensulfiden wird Wärme frei. Das Zerkleinern kann die chemische Reaktion anstoßen und zusätzliche Oberflächen freilegen. Entsteht dabei mehr Wärme, als abgeführt wird, verstärkt sich die Selbsterhitzung möglicherweise immer weiter. Berechnungen des Teams deuten darauf hin, dass Oxidationsreaktionen mit molekularem Sauerstoff besonders viel Wärme freisetzen können.
Auch ölhaltige Rückstände kamen als mögliche Brandursache infrage, denn solche Stoffe treten in der untersuchten Region auf. Die entzündeten Gesteine enthielten jedoch nicht auffällig viel organischen Kohlenstoff. Drei zusätzlich untersuchte Sedimentproben mit hohem Kohlenwasserstoffgehalt zeigten bei ergänzenden Wärmeversuchen keine Selbsterhitzung. Das spricht dafür, dass vor allem die Mineralstruktur und ihre Oxidation für die beobachteten Brände verantwortlich waren.
In gesonderten Erhitzungsversuchen begann die Selbsterhitzung der betreffenden Gesteinsproben bei Temperaturen zwischen 185 und 224 Grad Celsius. Diese Werte gelten für die kontrollierte Erwärmung und beschreiben nicht den Zeitpunkt, an dem sich die beiden Stücke beim Zerkleinern entzündeten.