Die Homestake Mine in South Dakota.

Die Homestake Mine ist eine in den Black Hills bei der Stadt Lead , South Dakota, gelegene Goldmine und ein Musterbeispiel für orogene Goldvorkommen, sie repräsentiert das größte bekannte hydrothermale Goldvorkommen. Vor ihrer Schließung 2001 war die Homestake Mine die größte Goldmine der Vereinigten Staaten und eine der größten außerhalb Südafrikas. Im Laufe ihrer gut 120 Jahre Abbautätigkeit wurden dort gut 1200 Tonnen Gold gefördert, das entspricht 70,75 m³ oder einem Würfel von 4,14 m Kantenlänge aus purem Gold.

Die Goldmine hat in wissenschaftlich interessierten Kreisen eine enorme Bekanntheit durch ein Labor, welches in ihren Schächten Mitte der 1960´er Jahre aufgebaut wurde. Hier wurde das Problem der solaren Neutrinos zuerst entdeckt.

Im Jahr 2007 wurde die stillgelegte Mine als Ort für das Deep Underground Science and Engineering Laboratory (kurz DUSEL) respektive Sanford Underground Research Facility (SURF) ausgewählt. Hier werden unter anderem Experimente zur Erforschung dunkler Materie und von Neutrinos durchgeführt.

Der Blick in den Übertagebau. Die hellen goldführenden Quarzgänge sind gut zu erkennen. Eigenes Foto.

Entdeckung der Vorkommen

Krieg mit den Sioux

Die Geschichte der Mine begann mit der Custer-Expedition (ja, genau _der_ George Armstrong Custer). Im Jahr 1874 wurde Oberstleutnant Custer damit beauftragt, die bislang unkartierten Black Hills zu erkunden um mögliche Plätze für Forts und Wege zu finden. Außerdem sollte er die Möglichkeit für Goldbergbau auskundschaften. Damit begannen die Probleme. Denn er war recht erfolgreich. Zivile Begleiter fanden verschiedentlich Goldseifen in der Region. Zumindest reichte es vollkommen aus, um den sogenannten Black Hills Gold Rush auszulösen. Und das Gebiet war ja auch keinesfalls menschenleer. Vielmehr war es heiliges Gebiet der ansässigen Sioux Indianer, und diese hatten mit der US-Regierung gültige Verträge, die ihnen den alleinigen Besitz und Nutzung dieser heiligen Gebiete zusicherte.

Im Gefolge der Expedition kamen zunehmend Siedler in die Territorien, und die Sioux weigerten sich, der US-Regierung die Gebiete abzutreten. Dies führte zum Großen Sioux Krieg, in dessen Gefolge auch „General“ Custer schließlich sein Ende am Little Bighorn fand.

George Hearst

Auch die weitere Entwicklung der Angelegenheit erinnert zumindest aus der Distanz an spannende Geschichten. Waren zuerst nur die besagten Goldseifen bekannt, so fand man schon 1876 die zugehörigen Erzlager dort, wo sich heute der alte Übertagebau befindet. Die Claims wurden 1877 von einer Gruppe um George Hearst für 70 000 US$ gekauft. Trotz der damals weit abgelegenen Örtlichkeit wurde rasch mit dem Abbau begonnen. Bereits 1878 wurde das erste Erz aus der Mine aufbereitet.

George Hearst (public domain)

Die Homestake Mining Company trat 1879 an der New Yorker Börse an und war bis zu ihrem Produktionsende 2001 die am längsten dort gelistete Aktiengesellschaft.

Im Laufe der Zeit sicherte sich Hearst die umliegenden Goldclaims. Meist kaufte er sie einfach auf, aber er setzte auch andere Mittel ein. Oft genug bemühte er auch die Justiz, um seinen Interessen gerecht zu werden. Außerdem kaufte er Zeitungen auf, um sich deren wohlgesinnte Berichterstattung zu sichern. Zeitungen, die nicht zu seinem Imperium gehörten und die kritisch über ihn berichteten, konnten Probleme bekommen.

Interessant erscheint der Fall, in dem ein Homestake Angestellter einen Mann umbrachte, der sich geweigert hatte, seinen Claim an Hearst zu verkaufen. Nachdem sämtliche Zeugen auf wundersame Weise verschwanden, wurde die Sache vor Gericht nicht weiter verfolgt.

Da er sich vermutlich auf diese Art nicht nur Freunde in der Gegend machte, bat er seine Partner für seine Familie zu sorgen, falls ihm etwas zustoßen sollte. Dennoch war Hearst ein vielschichtiger Mann, der nicht nur als Vorlage für einen Bösewicht in einem Western herhalten konnte. Denn auf der anderen Seite hatte er schon sehr schnell erkannt, dass eine funktionierende Gesundheitsfürsorge für seine Minenarbeiter von Vorteil ist. So wurden bereits 1877-79 zwei Ärzte angestellt, ein Hospital aufgebaut und eine Krankenversicherung für seine Angestellten eingeführt.

Bereits 1879 zog sich Hearst als recht wohlhabender Mann aus Lead zurück und verfolgte unter anderem seine politischen Interessen, die ihm zuletzt auch einen Stuhl im Senat sicherten.

Der Rest ist eigentlich ein schneller Querschnitt durch die Bergbaugeschichte. Bereits um 1900 hatte die Mine mehr als 2000 Arbeitskräfte beschäftigt und besaß rund 300 Claims in über 810 Hektar Land. Um 1901 wurden die Pferde und Maultiere durch Druckluftlokomotiven ersetzt.

Neben dem Tagebau ging es auch recht schnell in den Untertagebau. Bereits 1906 erreichte der Ellison Schacht 472 m Tiefe. Auch wenn die Homestake Mine im Grunde für ihre Arbeitssicherheit bekannt war, führten 2 größere Grubenfeuer 1907 und 1919 zu größeren Produktionsausfällen. Ansonsten war die einzige Unterbrechung der Minentätigkeit die Zeit 1943 – 1945, während des 2. Weltkriegs. Insgesamt war die Homestake Mine die am längsten ununterbrochen arbeitende Mine der Vereinigen-Staaten. Im Jahr 2002 wurde sie von der kanadischen Barrick Gold Corporation übernommen, die Mine selbst wurde Ende 2001 aufgrund der schlechten Erzqualität geschlossen.

Plakette an der alten Fahrkunst, Homestake Mine. Eigenes Foto

Geologie der Lagerstätte

Die Black Hills

Die Black Hills bestehen in ihrem Kern aus präkambrischen Gesteinen, deren Alter von 2,5 Ga (Little Elk Creek und Bear Mountain Granite) sowie metamorphisierte Sedimente und Vulkanite proterozoischen Alters mit 2,2 bis 1,87 Ga. Diese repräsentieren grünschiefer- bis amphibolitfaziell überprägte ehemalige klastische Sedimente, Schwarzschiefer, Bändereisenerze und vulkanische Gesteine.

Die regionalmetamorphe Überprägung fand statt, noch bevor der gut 1,72 Ga alte Harney Granit Platz nahm. Der ältere Elk Creek Granit wurde um 1,8 Ga tektonisch stark beansprucht. Dieses Alter wird auch für die Regionalmetamorphose angenommen.

Vor rund 530 Mio. Jahren erfolgte eine erste Hebung der Black Hills. Im Folgenden wurden paläozoische und Mesozoische Sedimente abgelagert. Eine zweite Hebungsphase vor 65 – 60 Mio. Jahren hängt mit der Laramischen Gebirgsbildung zusammen.

Im Anschluss intrudierten W-NW streichende kalkalkalische bis alkalische Gänge.

Teile der alten Fahrkunst, die auch heute noch für das Sanford Laboratory in Benutzung ist. Eigenes Foto.

Der Lead Bergbaubezirk

Der Whitewood Minedistrict, besser bekannt als Lead District, befindet sich am nördlichen Ende der Black Hills. Hier befindet sich ein stark erodierter tertiärer Dome aus tertiären kalkalkalischen Gesteinen, dessen Zentrum als Lead Fenster bezeichnet wird. Hier stehen neben den tertiären Gesteinen auch proterozoische Metasedimente und Metavulkanite an.

In Bezug auf die Homestake Mine sind von den insgesamt 6 proterozoischen Formationen nur 3 von gesteigertem Interesse. Zuunterst die Poorman Formation, hauptsächlich metamorphisierte Tholeiite und überlagernde Metapelite und –phyllite.

Darüber die Homestake Formation, karbonatreiche Eisenerze mit Grunerit und Sideriten und schließlich überlagernd die Ellison Formation aus Quarziten und metamorphen Peliten und Phylliten. Während die Poorman und die Ellison Formationen Mächtigkeiten zwischen 400 und 1500 m aufweisen, ist die Homestake Formation nur bis zu 50 m mächtig, kann aber stellenweise durch Faltung bis 125 m sein.

Die ursprünglichen Gesteine dieser Formationen sind kompliziert gefaltet und intensiv metamorpisiert, sodass die ursprünglichen Lagerungsverhältnisse kaum zu erkennen sind. Für den Beginn der Ellison Formation zeigt sich eine Zirkondatierung aus einem Tuff an der Basis mit 1,97 Ga. Damit haben wir auch einen ungefähren Wert für die unterlagernde Homestake Formation.

Zumindest die oberirdischen Anlagen der alten Mine kann man besichtigen, inklusive einer kleinen Stadtrundfahrt durch Lead. Mit diesen historischen Bussen. Leider ist eine Befahrung der unterirdischen Anlagen nicht möglich. Eigenes Foto

Die Poorman Formation

Im unteren Bereich wird die Poorman Formation auch als Yates Einheit bezeichnet. Hier finden sich metamorphisierte tholeiitische Basalte, die auf einen mögliches Back-Arc-Basin oder auch ein intrakontinentales Becken hindeuten. Die überlagernde Poorman Formation wäre demnach ebenso wie die Homestake und die Ellison Formation der Sedimentation in dieses Becken geschuldet.

Die der Yates Einheit überlagernden Schichten der Poorman Formation bestehen aus karbonatreichen Schiefern und Phylliten. Das Material ist allgemein sehr feinkörnig, gröbere Klasten nicht vorhanden. Dies könnte auf einen Sedimentationsraum mit ruhigen Bedingungen und wenig Strömung hin. Auf der anderen Seite sind Quarzkörner mit <0,002 mm recht häufig, was den Transportweg eingrenzt, da Quarz, auch so feine Körner, selten über längere Strecken als Suspension transportiert wird.

Auftretender Pyrrhotin tritt auf und wird als synsedimentär betrachtet. Dies könnte auf euxinische Bedingungen am Grund des Sedimentationsbeckens gedeutet werden. Wahrscheinlich haben Bakterien Sulfate aus dem Meerwasser reduziert, darauf deutet die Isotopenverteilung der sedimentären Sulfide hin.

Zwischengeschaltete Graphitschichten können eventuell als ehemalige Algenmatten interpretiert werden, was die Wassertiefe limitiert. Das Wechseln der Schichte mit und ohne graphitische Einschaltungen könnte auf eine mögliche saisonale Änderung der Lebensbedingungen hindeuten, die bis zum Einsetzen der überlagernden Homestake Formation anhielten.

Homestake Formation

Die Homestake Formation besteht zum größten Teil aus karbonatreichen sowie silikatischen Gesteinen welche sich sowohl massiv oder fein geschichtet zeigen. Hauptsächlich bestehen sie aus Eisenkarbonaten sowie Eisensilikaten, die manchmal von dünnen Chert-Bänder durchzogen sind.

In den östlichen Bereichen der Mine ist die Schichtung größtenteils durch das Wachstum von Grunerit in Folge der Metamorphose verschwunden. In den westlichen Bereichen ist die Schichtung noch erkennbar vorhanden.

Interpretiert wird die Homestake Formation als das metamorphe ‚Äquivalent der Bändereisenerze. Die Eisenquelle ist mit guter Wahrscheinlichkeit in heißen Quellen am Meeresboden zu suchen.

Die Ellison Formation

Die überlagernde Ellison Formation kann gebietsweise bis zu 1500 m mächtig werden, auch wenn sie im Bereich der Homestake Mine meist nur etwa 400 m Mächtigkeit aufweist. Aufgrund der intensiven Verfaltung scheint die Mächtigkeit von 1500 m auch weniger der ursprünglichen Mächtigkeit der Sedimente geschuldet als der folgenden Tektonik.

Die Ellison Formation besteht hauptsächlich aus Phylliten, Glimmerschiefern und Quarziten. Die Ausgangsgesteine waren vermutlich Schiefer, unreife Siltsteine und Sandsteine.

Interpretiert wird sie meist als Deltaablagerung in ein Becken, mit Sandsteinen und in tieferen Bereichen turbiditischen Ablagerungen. Die meisten der sedimentären Strukturen sind aber durch die Metamorphose verloren gegangen oder zumindest bis zur Unkenntlichkeit überprägt.

Metamorphose

Nach der Sedimentation wurden die Gesteine vor ca. 1,84 Ga einer tief greifenden, grünschiefer- bis amphibolitfaziellen Metamorphose unterworfen. Um die Verhältnisse zusätzlich zu erschweren, wurde die prograde Metamorphose nachträglich noch durch eine retrograde Metamorphose überprägt. Dabei konnten manche Indikatorminerale der prograden Metamorphose, wie z.B. Granat, in niedriggradige metamorphe Minerale wie Chlorite, Quarz und weitere Minerale umgewandelt werden.

Deformation

Insgesamt zwei Deformationsereignisse sind in dem Gebiet nachgewiesen, die der Einfachheit halber das ältere Ereignis sowie das jüngere Ereignis bezeichnet werden.

Dabei wird das ältere Deformationsereignis, als parallel mit dem prograden Metamorphismus vor ca. 1,84 Ga gesehen, beide Ereignisse spielten sich zusammen als prograde Regionalmetamorphose ab mit duktiler Scherung, Faltung und Durchbewegung.

Grund für die Ereignisse war die Kollision zweier Kratone, des Superior Kratons sowie des Wyoming Kratons und der zugehörigen Gebirgsbildung, der Trans-Hudson Orogenese sowie der daran anschließenden Penokean Orogenese vor 2,0 bis 1,85 Ga.

Das jüngere Ereignis war insgesamt kürzer und anfangs ebenfalls noch duktil, die späteren Stadien zeigten sich aber zunehmend bruchhaft. Die goldführenden Erze stammen aus der mittleren jüngeren Deformationsereignis-Phase, die sich durch das Eindringen von hydrothermalen Wässern in die sich öffnenden Spaltensysteme auszeichnet. Hierbei spielten vermutlich auch aufdringende Granitmassive wie der Harney Granit mit 1,72 Ga im Süden der Black Hills, aber auch der dem heutigen Minengebiet benachbarte Crook Mountain Granit mit vermutlich gleichem Alter eine Rolle als Bringer von Wärme, Verformung und vor allem Thermalwasser.

Auch hier spielte die großräumige Tektonik eine gehörige Rolle. Vor 1,8 bis 1,63 Ga wurde das Trans Hudson Orogen erneut reaktiviert, weil einige Inselbögen während der Colorado Orogenese mit dem Kraton kollidierten.

Die Goldlagerstätte

Die Golderze im Homestake Bergbaubezirk liegen schichtgebunden innerhalb der Homestake Formation vor. Sie machen nur rund 3 % der Eisenerze aus. 1988 wurden die Reserven der Homestake Mine auf ca. 147,7 Mio. T mit einem durchschnittlichen Goldgehalt von 8,36 g Au/t. geschätzt.

Die Goldadern werden im Allgemeinen als Ledges bezeichnet. Die beiden Adern, die ursprünglich zur Gründung der Homestake Mine führten waren Main Ledge und Caledonia, da diese auch an der Geländeoberfläche austreten. Caledonia ist inzwischen eingestellt, aber die Main Ledge wurde bis zuletzt auch im Übertagebau und Untertage bis in 3380 m Tiefe abgebaut. Die Mine hatte 9 Erzadern, die östlichen sind die genannten Adern Caledonia und die Main Ledge, sowie die nummerierten Adern 7, 9, 11 und13. Als westliche Adern werden die Adern 17, 19 und 21 bezeichnet.

Während die östlichen Adern bereits vor 1958 bekannt waren, wurden die westlichen erst nach 1960 entdeckt, die letzte davon die Ader 21 im Jahr 1969.

Golderz der Homestake

Das Erz der Homestake Mine ist reich an sulfidischen Mineralen, hauptsächlich Pyrrhotin, untergeordnet auch Pyrite, Arsenopyrite oder Chalkopyrite. Die Gangart besteht aus Karbonaten sowie silikatischen Mineralen wie z.B. Quarz, Grunerit sowie Glimmern.

Das Gold kommt in den Quarzgängen vor und ist meist sehr feinkörnig mit deutlich unter 1 mm Größe (Berg- oder Freigold). Es ist mit Pyrrhotin und Arsenopyriten vergesellschaftet. Auch wenn das Gold selbst meist submikroskopisch ist, kommen immer wieder deutlich sichtbare Goldkörner vor, besonders in den oberen Bereichen der Hauptader sowie der 9. Ader.

Hochgradiges Golderz aus der Homestake Mine. Bildbreite ca. 1,25 cm. James St. John (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Homestake_Mine_gold_ore,_town_of_Lead,_northern_Black_Hills,_western_South_Dakota_(3.6_cm_acr.)_(14736672692).jpg), „Homestake Mine gold ore, town of Lead, northern Black Hills, western South Dakota (3.6 cm acr.) (14736672692)“, https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/legalcode

Zeitliche Einordnung

Das interessante hier ist eigentlich, dass wir über die oben angesprochenen geologischen Zeiträume durchaus einige Gelegenheiten hatten, die goldbringenden geothermalen Wässer in unsere Mine zu bringen.

Das betrifft die verschiedenen Phasen der Regionalmetamorphose ebenso wie das Eindringen der beiden Granitmassive des Harney Granits und des Crook Mountain Granits, dessen Alter grob wohl mit dem des Harney Granits (ca. 1,72 Ga) übereinstimmt. Als letztes gab es hier auch noch im Tertiär einen recht intensiven alkalinen Magmatismus, dessen Reste immer noch als Gänge und Sills immer noch im Gebiet um Lead anstehen.

Aus diesem Grund ist es auch wenig verwunderlich, wenn es immer wieder zu unterschiedlichen Ansichten über das Alter der Goldvererzung kam.

Besonders frühe Bearbeiter wollten die Vererzungen gerne dem tertiären Alkalimagmatismus in die Schuhe schieben. Als Beleg wurden gerne die komplizierten räumlichen Überschneidungen der Gänge mit Sulfid-reichen Vererzungen mit den tertiären Gängen genommen. Da aber diese gerade im Bereich der Mine nicht zu beobachten waren, sahen andere die Vererzung gerne Präkambrisch an.

Erst das Aufkommen von absoluten Datierungsmethoden konnte die Debatte zugunsten der präkambrischen Entstehung beenden. Kaum war die eine Debatte beendet, tauchte auch schon die nächste auf. Wusste man jetzt, wann das Gold gekommen war, blieb die Frage, woher es kam.

War das Gold also ursprünglich syngenetisch mit den Ablagerungen der Homestake Formation möglicherweise exhalativ gekommen und wurde während der Metamorphose nur hydrothermal mobilisiert? Oder lag seine Quelle ganz woanders, war es mit den Hydrothermalwässern in die Ablagerungen getragen worden? In diesem Fall stellten die eisenreichen Sedimente der Homestake Formation eine chemische Falle für das Gold dar.

Das notwendige Wasser für die Bildung der Erzgänge stammt aus der Metamorphose. Re-Os Datierungen ergaben, dass die Vererzung vor rund 1,736 */- 6´8 Mio. Jahren entstanden ist. Das passt nicht nur zeitlich gut mit dem Eindringen der Granite zusammen, es liegt auch ziemlich genau mit dem Höhepunkt der Metamorphose bzw. kurz danach.

Alter Schacht. Eigenes Foto

Erzbildung

Das für die Bildung der erzführenden Quarzgänge notwendige Wasser wurde bei der Metamorphose freigesetzt. Die Zunahme von Druck und Temperatur führt zu Mineralumwandlungen, bei denen wasserhaltige Minerale zunehmend durch wasserfreie ersetzt werden. Die Reaktionen werden hauptsächlich durch die Temperatur gesteuert, sodass es meist zu einiger Verzögerung kommen kann. Bei so mächtigen Gesteinspaketen, wie sie bei der Gebirgsbildung Abtauchen, kann die Aufheizung lange andauern, sodass die Hauptphase der Mineralumwandlung gegenüber der tiefsten Versenkung zeitlich verzögert abläuft.

Diese Wässer haben die Temperatur des umgebenden Gesteins, so dass meist Temperaturen von 200 bis zu 700 °C erreicht werden können. Im Falle unserer Homestake dürften es Temperaturen bis 500°C gewesen sein.

Die Wässer stammen aus einem sehr großen Gesteinsvolumen, das dadurch an vielen Stoffen ausgelaugt wird. Auch geringe Goldgehalte gehen in Lösung und können so transportiert und schließlich unter bestimmten Bedingungen wieder ausgefällt werden.

Dafür gibt es verschiedene Theorien, so können Entmischungen von Wasser und Kohlendioxid, aber auch Abkühlungen, wenn schnell aufsteigendes Wasser stecken bleibt, eine Rolle spielen.

Eventuell können auch Erdbeben helfen, wenn etwa die plötzliche Druckentlastung durch das Aufreißen von Spalten das Wasser in den Gängen schlagartig verdampfen lässt und nur die gelösten Stoffe zurückbleiben.

Wissenschaftliche Nachnutzung

Nachdem 2001 die Homestake Company von der Barrick Gold Corporation übernommen wurde und die Bergbautätigkeit in der Homestake Mine nach 125 Jahren eingestellt wurde, hätte hier der letzte Vorhang fallen können.

Das Ende des Bergbaus gefährdete auch die Nutzung der 1 480 m Ebene als wissenschaftliches Labor zur Erforschung von Neutrinos. Dieses Labor hatte in den 1960´er Jahren einige Berühmtheit erlangt als der Ort, an dem die Neutrino-Anomalie der Sonne zuerst entdeckt wurde.

Für die Erforschung von Neutrinos hat eine alte Mine einige Vorteile. Durch die Tiefe werden die Einflüsse der kosmischen Strahlung weitgehend abgeschirmt. Zudem liegt die Homestake Mine in einem seismisch sehr ruhigen Gebiet. Dadurch kam es, dass die alte Mine von der National Science Foundation (NSF) für ein Untertage-Labor ins Auge gefasst wurde. Da die Verhandlungen aber sehr langwierig wurden, und die Kosten für die Pumpen mit ca. 250 000 $ pro Monat zu Buche schlugen, stellte der Betreiber im Jahr am 10. Juni 2003 die Pumpen ab.

Es dauerte noch bis 2007, bis die NSF die Mine für ihr Deep Underground Science and Engineering Laboratory (DUSEL) auswählte. Seit dem wird in der alten Goldmine wieder über Neutrinos geforscht. Das Labor heißt heute Sanford Underground Research Facility, nach T. Denny Sanford, der mit einer 70 Mio. $ Spende bei der Errichtung geholfen hat.

Dieses etwas an ein Stargate erinnerndes Gebilde soll die Dark-Matter Detektoren symbolisieren, die sich heute in den Tiefen des alten Bergwerks befinden. Eigenes Foto
Gunnar Ries

Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

3 Kommentare

  1. Gunnar Ries schrieb (25. Aug 2020):
    > […] Dieses etwas an ein Stargate erinnerndes Gebilde […] Eigenes Foto

    … ist offenbar 2015 als “The Ray Davis Jr. Memorial” eingeweiht worden.

    > […] soll die Dark-Matter Detektoren symbolisieren, die sich heute in den Tiefen des alten Bergwerks befinden.

    Bestimmt keine leichte Aufgabe, in Anbetracht des Erscheinungsbildes des Dark-Matter Detektors, der sich heute in den Tiefen des alten Bergwerks befindet

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