mini|300px|Angeschliffenes Kupferschiefer-Handstück aus dem Mansfelder Revier mit „Erzlineal“ aus vermutlich Chalkopyrit (Kupferkies) mini|250px|Ausdehnung des Zechsteinbeckens vor ca. 255 Millionen Jahren (rot umrandet) im Vergleich zur aktuellen Geographie Mitteleuropas
Der Kupferschiefer ist eine in Mitteleuropa vor allem im Untergrund weit verbreitete Gesteinsschicht oberpermischen Alters, die durch kalkhaltige, von organischer Substanz und fein verteiltem Pyrit dunkel gefärbte, feingeschichtete marine Tonsteine gekennzeichnet ist. Seinen Namen verdankt der Kupferschiefer dem Umstand, dass er lokal stark mit sulfidischen Kupfer-, Zink- und Bleierzmineralen und, an diese gebunden, einer Vielzahl weiterer Metalle (u. a. Silber) angereichert ist.
Trotz seiner Bezeichnung ist das Gestein des Kupferschiefers kein Schiefer im petrographischen Sinn, da dessen „Schieferung“ nicht durch den Druck einer Gebirgsbildung erzeugt wurde, wie z. B. die des Thüringer Dachschiefers. Die schiefrige Spaltbarkeit des Materials geht stattdessen schlicht auf die ursprüngliche Schichtung und die Kompaktion des Tonsedimentes durch den Auflastdruck auflagernder jüngerer Sedimentschichten zurück.
Stratigraphie Der Kupferschiefer wurde während der Wuchiaping-Stufe des Oberen Perm (Lopingium), dem letzten Abschnitt des Erdaltertums (Paläozoikum) vor etwa 258 Millionen Jahren abgelagert. Er markiert nach langer Festlandszeit den Beginn einer Periode der Meeresbedeckung im heutigen Zentraleuropa. Diese Periode ist in Gestalt der Zechstein-Serie geologisch dokumentiert. Der Kupferschiefer gilt offiziell als unterste und älteste Ablagerung der Werra-Formation, die wiederum die unterste und älteste Formation des Zechsteins ist.M. Menning, B. Schröder, E. Plein, T. Simon, J. Lepper, H.‐G. Röhling, C. Heunisch, K. Stapf, H. Lützner, K.‐C. Käding, J. Paul, M. Horn, H. Hagdorn, G. Beutler, E. Nitsch: Beschlüsse der Deutschen Stratigraphischen Kommission 1991–2010 zu Perm und Trias von Mitteleuropa. Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften, Bd. 162, 2011, Nr. 1, S. 1–18, doi:10.1127/1860-1804/2011/0162-0001Josef Paul: Weißliegend, Grauliegend und das Zechstein-Konglomerat: die Rotliegend/Zechstein-Grenze. In: Deutsche Stratigraphische Kommission (Hrsg.; Koordination und Redaktion: H. Lützner und G. Kowalczyk für die Subkommission Perm-Trias): Stratigraphie von Deutschland X. Rotliegend. Teil I: Innervariscische Becken. Schriftenreihe der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften, Bd. 61, 2012, S. 707–714 Er ist einer der markantesten geologischen Leithorizonte in Deutschland und Europa.
Verbreitung und Fazies mini|300px|links|Zechstein-Transgression im südlichen Randbereich des Zechsteinbeckens: Karbonate (Mutterflöz, Zechsteinkalk), hier dunkel gefärbt und stark Corg-haltig, einschließlich des Kupferschiefers (bräunlich verwittert), lagern diskordant auf steilgestellten Grauwacken und Tonschiefern des Unterkarbon (Großtagebau Kamsdorf bei Saalfeld, Thüringen). Das Meer, in dem die Sedimente der Zechstein-Serie abgelagert wurden, wird als das Zechsteinmeer bezeichnet. Das Becken, in dem dieses Meer sich ausbreitete, heißt entsprechend Zechsteinbecken. Es reichte von Ostschottland und Nordostengland über die Niederlande und Dänemark, Deutschland und Polen bis nach Litauen. Der Meereseinbruch, die sogenannte Zechstein-Transgression, erfolgte von Norden durch einen Grabenbruch, der sich zwischen Norwegen und Nordostgrönland (seinerzeit unmittelbar benachbart, weil der Nordatlantik erst mehr als 150 Millionen Jahre später entstand) eingesenkt hatte. Der Kupferschiefer und dessen stratigraphische Äquivalente (z. B. der englische Marl Slate) sind über nahezu das gesamte Zechsteinbecken verbreitet. Sie liegen entweder auf der Varisziden-Molasse des Oberkarbons und des Unter- und Mittelperms (Rotliegend) oder direkt auf den gefalteten Gesteinen des Variszischen Gebirgsrumpfes. In letzterem Fall spricht man auch von der Zechstein-Diskordanz.
Die Ablagerungen des Zechsteins, und mit ihnen die des Kupferschiefers, sind nicht im gesamten Becken gleichartig ausgebildet. Es wird eine Beckenfazies (auch als Normalfazies bezeichnet, repräsentiert einen Beckenbereich mit relativ hoher Meerestiefe), eine Randfazies (mittlere Meerestiefe) und eine Schwellenfazies (relativ geringe Meerestiefe oder keine Meeresbedeckung) unterschieden.
In der Beckenfazies, die flächenmäßig den größten Anteil im Zechsteinbecken einnimmt, ist der Kupferschiefer in typischer Weise als feingeschichteter (laminierter) Schwarztonstein mit Karbonatanteilen von 10–40 %, einem Gehalt an organischem Kohlenstoff (Corg) von 0,5–25 % (in den untersten Schichten) und mit Mächtigkeiten zwischen wenigen Zentimetern und wenigen Dezimetern ausgebildet. Die Feinschichtung repräsentiert eine Wechsellagerung dunkler, Corg-reicher Lagen und hellerer karbonatreicherer Lagen. Die Meerestiefe, in denen die Beckenfazies des Kupferschiefers abgelagert wurde, betrug vermutlich mehr als 200 Meter.
In der Randfazies erreicht der Kupferschiefer größere Mächtigkeiten und Karbonatgehalte (z. B. 2 Meter bzw. 70 % im Niederrheinbecken). Die karbonatreichen hellen Lagen der Lamination können abschnittsweise mächtiger sein als die Corg-reichen dunklen Lagen, was dem Gestein ein generell helleres Aussehen verleiht. Zudem können bis zu einige Zentimeter mächtige, hellgraue, tonig-siltige Sedimente eingeschaltet sein, die als distale Tempestite (Sturmablagerungen) gedeutet werden. Aufgrund des helleren Aussehens und des höheren Karbonatgehaltes wird der Kupferschiefer der Randfazies auch informell als „Kupfermergel“ bezeichnet.
Die Schwellenfazies beschränkt sich auf jene Beckenregionen, die vor Einbruch des Zechsteinmeeres keine Rotliegend-Ablagerung erfuhren. Dort hatte sich aufgrund der Wechsellagerung steilgestellter, unterschiedlich verwitterungs- und erosionsresistenter Gesteinsschichten ein z. T. kräftiges Paläorelief mit kleinräumigen Schwellen und Mulden ausgebildet. Entsprechend stark schwanken dort die Mächtigkeiten des Kupferschiefers: in den Mulden ist sie relativ hoch, und zu den Kleinschwellen hin nimmt sie ab. Teilweise keilt der Kupferschiefer an den Kleinschwellenrändern sogar komplett aus. Nicht selten sind dem Kupferschiefer in der Schwellenfazies zentimetermächtige grobkörnigere Sedimente (schillführende Kalksteine, Sandsteine, Konglomerate) eingeschaltet, die auf Rutschungen zurückgehen oder proximale Tempestite darstellen.
Entstehung Der typische Kupferschiefer der Beckenfazies ist durch das Absinken von Tonpartikeln zu einem Sediment und die anschließende Verfestigung des Sedimentes entstanden. Seine charakteristische schwarze Färbung geht auf den relativ hohen Anteil an Corg und fein verteiltem Pyrit (Schwefelkies, FeS2) zurück. Corg- und Pyritanteil sind hoch, weil die Ablagerung unterhalb der sogenannten Redox-Sprungschicht erfolgte, d. h. das Meerwasser war geschichtet, mit einer sauerstoffreichen Schicht nahe der Meeresoberfläche und einer sauerstofffreien (anoxischen, euxinischen) Schicht darunter, und die Redox-Sprungschicht bildete die Grenzfläche zwischen beiden Wasserkörpern. Im anoxischen Tiefenwasser wurde organisches Material, das zusammen mit den Tonpartikeln den Meeresboden erreichte, von anaeroben Mikroorganismen mittels Desulfurikation (Reduktion von Sulfat zu Schwefelwasserstoff, H2S) zersetzt. Dadurch blieb zum einen viel Corg erhalten, zum anderen wurde das Tiefenwasser mit H2S angereichert, was zur Ausfällung von Pyrit führte. Die unvollständige Umsetzung der organischen Substanz im und am Meeresboden zur Ablagerungszeit des Kupferschiefers ist eine wichtige Ursache für die gute Erhaltung der darin enthaltenen Makrofossilien (der Großteil des Corg im Kupferschiefer stammt allerdings von abgestorbenen Algen). Das reduzierende Milieu ist zudem verantwortlich für die Entfärbung von Rotliegend-Sedimenten, die den Kupferschiefer unmittelbar unterlagern („Grauliegendes“).
Die Schichtung des Meerwassers bzw. die Entstehung einer sauerstofffreien Zone im freien Wasser hängt unmittelbar mit der Zechstein-Transgression zusammen. Die Ablagerung des Kupferschiefers fällt in jenen Zeitraum, in dem der Meeresspiegel im Zechsteinbecken am schnellsten anstieg (engl.: maximum flooding).Christian Strohmenger, Ellen Voigt, Johannes Zimdars: Sequence stratigraphy and cyclic development of Basal Zechstein carbonate-evaporite deposits with emphasis on Zechstein 2 off-platform carbonates (Upper Permian, Northeast Germany). Sedimentary Geology. Bd. 102, 1996, Nr. 1–2, S. 33–54, doi:10.1016/0037-0738(95)00058-5Frank Becker, Thilo Bechstädt: Sequence stratigraphy of a carbonate-evaporite succession (Zechstein 1, Hessian Basin, Germany). Sedimentology. Bd. 53, 2006, Nr. 5, S. 1083–1120, doi:10.1111/j.1365-3091.2006.00803.xPaul (2006) verlegt das Maximum Flooding, das von Strohmenger et al. (1996, siehe Einzelnachweise) für den Kupferschiefer postuliert worden war, in den tieferen Teil des Werra-Karbonats, was allerdings auf dem unterschiedlichen Verständnis des Begriffes Maximum Flooding beruht. Paul (2006) nutzt ihn im Sinne von Zeitpunkt des höchsten Meeresspiegelstandes, Strohmenger et al. (1996) im korrekten sequenzstratigraphischen Sinne von Zeitraum des schnellsten Anstiegs des Meeresspiegels. Ein schnell ansteigender Meeresspiegel bedeutet schnelles landwärtiges Vordringen des Meeres und damit die rasche Überflutung ausgedehnter Festlandsbereiche mit nährstoffreichen Böden. So gelangten in kurzer Zeit große Mengen an Nährstoffen ins Meerwasser, was zu einer explosiven Vermehrung von Algen führte. Nach Absterben und Absinken der Algen zum Meeresboden wurde der dort vorhandene Sauerstoff relativ zügig infolge der Zersetzung des organischen Materials durch aerobe Mikroorganismen verbraucht. Die Redox-Sprungschicht, die normalerweise im Sediment liegt, stieg in den Wasserkörper auf und es stellten sich anoxische bzw. euxinische Bedingungen im Tiefenwasser ein, die langfristig für eine weitere Anreicherung organischer Substanz sorgten. Zudem ist der Eintrag von Sedimentpartikeln in ein Meer während einer Transgression generell gering. Auch dies begünstigte die Anreicherung von Corg und Pyrit am Meeresboden und damit die Bildung eines Schwarztonsteins an der Basis der Zechstein-Abfolge. Erst mit der Verlangsamung der Transgression und entsprechender Verringerung des Nährstoffeintrags konnte sich das Tiefenwasser wieder mit Sauerstoff anreichern und die Schwarztonsedimentation, deren Dauer auf 20.000 bis 60.000 Jahre geschätzt wird, endete.
Das karbonatische Mutterflöz (auch Grenzdolomit, Grenzkalk oder Productuskalk genannt), das den Kupferschiefer mancherorts in der Schwellenfazies unterlagert, ist vermutlich zeitgleich mit dem Kupferschiefer, aber oberhalb der Redox-Sprungschicht, abgelagert worden. Da mit dem Meeresspiegel auch die Redox-Sprungschicht anstieg, wurden Meeresbodenbereiche, die vormals oberhalb der Sprungschicht lagen, von euxinischem Tiefenwasser überschwemmt und auf dem Mutterflöz lagerte sich Schwarzton ab (→ Walther’sche Faziesregel).
Vererzungen und Herkunft der Metalle mini|250px|Angeschliffenes Kupferschiefer-Handstück aus dem Mansfelder Revier mit „Erzlineal“ aus Bornit (Buntkupferkies). Dicke des Erzlineals: ca. 1 mm. Der überwiegende Teil der Kupferschieferablagerungen ist vom Metallgehalt vergleichbar mit anderen Schwarztonsteinen. Nur lokal treten höhere, zumindest historisch abbauwürdige Metallgehalte auf, die epigenetisch, d. h. durch nachträgliche Anreicherung, entstanden und nicht bereits während der Ablagerung. Namensgebend für den Kupferschiefer sind die Kupfererzminerale, die aber nicht immer den Hauptteil der Vererzungen ausmachen. Die Erze können fein im Gestein verteilt sein („Erzspeise“) oder als dünne Bänder (sogenannte „Erzlineale“) oder bohnenförmige Einschlüsse vorkommen (sogenannte „Hieken“).
Bei den abbauwürdigen Vererzungen werden zwei Typen unterschieden: