Uranlagerstätten sind natürliche Anreicherungen von Uran, aus denen sich das Element wirtschaftlich gewinnen lässt.
Grundlagen Geochemie des Urans Uran ist ein sogenanntes lithophiles Element, das heißt, es reichert sich bevorzugt in silikatreichen Schmelzen an. Hervorgerufen wird dies zum einen durch den relativ großen Ionendurchmesser und zum anderen durch die hohen Oxidationsstufen, mit denen Uran in der Natur vorkommt, nämlich vier- und sechswertig. So ist Uran weder im metallischen Erdkern, noch im Erdmantel angereichert, sondern akkumuliert sich in Magmen in den späten Differenziaten. Deshalb haben saure Magmatite als die am weitesten differenzierten Gesteine die höchsten Urangehalte auf der Erde. Der durchschnittliche Urangehalt der kontinentalen Erdkruste beträgt 2 bis 4 ppm. Neben dem lithophilen Charakter des Urans spielt für die Bildung von Uranlagerstätten die unterschiedliche Mobilität der beiden natürlichen Oxidationsstufen des Urans eine überragende Bedeutung: Während Uran (IV) in wässrigen Lösungen praktisch unlöslich ist, bildet Uran (VI) mehr als 40 in wässrigen Lösungen stabile Uranylkomplexe und ist sehr mobil. Praktisch bedeutet dies, dass Uran unter reduzierenden Bedingungen immobil und unter oxidierenden Bedingungen sehr mobil ist. Der wichtigste Komplex, welchen Uran bildet, ist UO2[CO3]34−. Kommen diese Komplexe unter reduzierende Bedingungen, brechen sie zusammen und Uranminerale fällen aus. Folgende Reaktionen sind Beispiele für die Bildung von Uranmineralen aus hydrothermalen Lösungen:
2 Ca^2+ + UO2[CO3]3^4- + 2 Fe^2+ + HCO3^- -> UO2 (v) + Fe2O3 (v) + CaCO3 (v) + 5 CO2 (^) + 2 H2O V. Ruzicka: Vein uranium deposits. In: Ore Geology Reviews. 8, 1993, S. 247–276. UO2[CO3]3^4- + 8 H+ + C -> UO2 (v) + 7 CO2 (^) + 4 H2O M. Min, D. Zheng, B. Shen, G. Wen, X. Wang, S. S. Gandhi: Genesis of the Sanbaqi deposit: a paleokarst-hosted uranium deposit in China. In: Mineralium Deposita. 32, 1997, S. 505–519.
Die Anwesenheit von reduzierendem Material spielt, wie gezeigt, für die Fällung von Uranmineralen eine wichtige Rolle. Wie in der Beispielgleichung kann dies reduziertes Eisen sein (z. B. in Magnetit), reduzierter Schwefel (z. B. in Sulfiden) oder reduzierter (organischer) Kohlenstoff in festem fossilem Pflanzenmaterial, aber auch Erdöl und Erdgas. Organischer Kohlenstoff spielt bei der Bildung von vielen Uranlagerstätten eine wichtige Rolle. Ebenso kann ein Mischen von oxidierend uranführenden Fluiden mit reduzierenden Fluiden zum Ausfällen von Uran führen (sogenanntes „Fluid mixing“).
Daher kann für viele Uranlagerstätten (aber nicht für alle) folgende prinzipielle Genese beschrieben werden: Ein uranreiches saures magmatisches Gestein dient als Uranquelle. Es wird von einer oxidierenden wässrigen Lösung durchströmt, welches Uran aus dem magmatischen Gestein mobilisiert. Die uranführende Lösung wird auf bestimmten Bahnen kanalisiert und scheidet seine Uranfracht beim Durchströmen eines reduzierenden Horizontes aus.
Es gibt aber auch Prozesse, welche zur Bildung von Uranerzkörpern unter oxidierenden Bedingungen führen können. So besitzen beispielsweise Uranylvanadate nur eine sehr geringe Löslichkeit in normalen wässrigen Lösungen. So kann z. B. auch das Mischen von oxidierenden uranführenden mit oxidierenden vanadiumführenden Lösungen zur Bildung von Uranerzkörpern führen.
Mineralogie In normalen Gesteinen wird Uran meist in die akzessorischen Minerale Zirkon (ZrSiO4) und Monazit ((Ce, Y, La, Th)PO4) eingebaut. Diese gehören zu den wenigen Mineralen, welche Uran als Nebenbestandteil in ihre Struktur einbauen können. Reicht der Platz in diesen Mineralen nicht aus oder herrschen geochemische Bedingungen vor, welche nicht zur Bildung dieser Minerale führen, bildet Uran eigene Minerale aus. Heute sind mehr als 200 Minerale des Urans bekannt. Da Uran (VI) mit den verschiedensten Elementen Komplexe bilden kann, gibt es eine große Anzahl von Urankarbonaten, -hydroxiden, -phosphaten, -arsenaten, -niobaten, -titanaten und weiteren komplexen Verbindungen. Die beiden wichtigsten Uranminerale sind jedoch Pechblende U3O8 (in ihrer kristallisierten Form als Uraninit UO2) und Coffinit U(SiO4)1–x(OH)4x. Weiterhin gibt es auch organische Uranverbindungen wie Tucholit. Folgende Uranminerale sind die wirtschaftlich Bedeutsamsten: mini|Pechblende aus dem sächsischen Erzgebirge mini|Autunit, ein sekundäres Uranmineral benannt nach Autun in Frankreich mini|Torbernit, ein wichtiges sekundäres Uranmineral UranmineraleB. Merkel, B. Sperling: Schriften 117: Hydrogeochemische Soffsysteme Teil II. , 1998.Primäre UranmineraleNameChemische FormelUraninit UO2Pechblende U3O8, selten U3O7Coffinit U(SiO4)1–x(OH)4xBrannerit UTi2O6Davidit (REE)(Y,U)(Ti,Fe3+)20O38Thucholit Uran-haltiger PyrobitumenSekundäre UranmineraleNameChemische FormelAutunit Ca(UO2)2(PO4)2 × 8 – 12 H2OCarnotit K2(UO2)2(VO4)2 × 1–3 H2OGummit gummiartige Mischung verschiedener amorpher UranverbindungenSeleeit Mg(UO2)2(PO4)2 × 10 H2OTorbernit Cu(UO2)2(PO4)2 × 12 H2OTyuyamunit Ca(UO2)2(VO4)2 × 5–8 H2OUranocircit Ba(UO2)2(PO4)2 × 8–10 H2OUranophan Ca(UO2)2(HSiO4)2 × 5 H2OZeunerit Cu(UO2)2(AsO4)2 × 8–10 H2O
Lagerstättentypen
Uranlagerstätten lassen sich in magmatische, hydrothermale, metamorphe und sedimentäre Typen einteilen. Diese Einteilung lässt sich nach verschiedenen Gesichtspunkten weiter unterteilen. Die IAEO führt derzeit 14 Uranlagerstättentypen mit verschiedenen Subvarianten. Die Einteilung und Benennung ist nicht ganz konform mit der modernen Lagerstättenlehre, auch gibt es Lagerstätten, die Merkmale von mehreren Typen vereinen. Dennoch soll die IAEO-Einteilung im Folgenden für die Vorstellung der verschiedenen Typen Verwendung finden.
Der Begriff „Lagerstätte“ beinhaltet definitionsgemäß das Kriterium der wirtschaftlichen Gewinnbarkeit eines Rohstoffvorkommens. Bei den folgenden Beschreibungen wird der Begriff allerdings in einem breiteren Sinne der Einfachheit halber auch für potentielle, derzeit nicht wirtschaftliche Typen und Vorkommen verwendet. Die IAEA führt etwa 1.260 Uranvorkommen mit einem Uraninhalt von mehr als 300 t.M. Cuney: Giant Uranium Deposits. In: Giant Ore Deposits Down Under: Symposium Proceedings, 13th Quadrennial IAGOD Symposium 2010 Adelaide, South Australia 6-9 April
Diskordanzgebundene Lagerstätten (Unconformity-related) mini|Ranger 3 Tagebau, Northern Territory, Australien: Bei der diskordanzgebundenen Lagerstätte befindet sich das Erz in der Cahill-Formation (Grundgebirge, im Tagebau), welche diskordant von der Kombolgie Formation (Deckgebirge, Tafelberge im Hintergrund) überlagert wird.
Diskordanzgebundene Lagerstätten stellen derzeit die wichtigste Quelle für Uran dar und bergen auch neben sandsteingebundenen Lagerstätten das größte Potential für wirtschaftlich bedeutende Neuentdeckungen. Derzeit sind zwei große Lagerstättenprovinzen für diesen Typ bekannt: das Athabasca-Becken in Saskatchewan (Kanada) und das Alligator River Becken im Northern Territory (Australien). In beiden Provinzen wird das metamorphe, archaische bis paläoproterozoische Grundgebirge von wenig beanspruchten meso- bis neoproterozoischen Sedimenten diskordant überlagert. Im Bereich dieser Diskordanz zwischen beiden Gesteinseinheiten haben sich unregelmäßig geformte, reiche Uranerzkörper in Störungs- und Scherzonen ausgebildet. Die Urangehalte sind anomal hoch und werden von keinem anderen Uranlagerstättentyp erreicht. Im Northern Territory sind dies zwischen 0,3 Gew.% und 2 Gew.% Uran, im Athabasca Becken zwischen 0,5 Gew.% und 20 Gew.% Uran im Durchschnitt, wobei auch Reicherzzonen mit bis zu 50 Gew.% Uran bekannt sind.
Eine große Rolle für die Bildung der Lagerstätten spielen graphitreiche Zonen im Grundgebirge nahe dem Diskordanzbereich. Die Lagerstätten entstanden durch saure hydrothermale Lösungen mit moderaten Temperaturen zwischen 160 °C und 220 °C, welche sich bei der Diagenese (Kompaktierung) der Decksedimente und nachfolgenden Reaktionen mit dem anstehenden Gesteinen bildeten. Die uranführenden Lösungen wurden in Störungszonen des Grundgebirges fokussiert und luden ihre Uranfracht im reduzierenden Bereich in Diskordanznähe ab. Die Quelle des Urans ist derzeit noch in der Diskussion. Es gibt sowohl Arbeiten, welche das Deckgebirge, als auch solche, die das Grundgebirge als Uranquelle sehen.M. Cuney: The extreme diversity of uranium deposits. In: Miner Deposita. 44, 2009, S. 3–9 (doi:10.1007/s00126-008-0223-1). Untersuchungen am Grundgebirge im Athabascabecken zeigten, dass oxidierende Lösungen große Uranmengen aus Monazit und anderen uranführenden Mineralen der metamorphen Gesteine mobilisieren konnten und somit eine wahrscheinliche Quelle für das in den Lagerstätten gebundene Uran sind.L. Hecht, M. Cuney: Hydrothermal alteration of monazite in the Precambrian crystaline basement of the Athabasca Basin (Saskatchewan, Canada): implication for the formation of unconformity-related uranium deposits. In: Mineralium Deposita. 35, 2000, S. 791–795 (doi:10.1007/s001260050280). Haupturanmineral in den Lagerstätten ist Pechblende. In einigen Lagerstätten – wie Key Lake in Kanada – gibt es hohe Nickelgehalte, Jabiluka in Australien weist hingegen hohe Goldgehalte auf.
Entstehung: hydrothermal Alter: proterozoisch Uraninhalt (Größenordnung): 1.000 t bis 200.000 t durchschnittliche Erzgehalte: 0,3 Gew.% bis 20 Gew.% Uran mögliche weitere gewinnbare Inhalte: Nickel, Gold Bedeutende Beispiele: Ranger, Northern Territory, Australien; MacArthur River,. Saskatchewan, Kanada
Ganglagerstätten (Vein-type) mini|Typisches polymetallisches Uranerz aus dem Erzgebirge mini|Uranerz der Dolomit-Uranformation aus Niederschlema-Alberoda
Als Erzgänge bezeichnet man schmale, langgestreckte Erzkörper hydrothermalen Ursprungs. Sie stellen die älteste Quelle für das Element Uran dar. Als Typlokalität für Uraninit gilt die Ganglagerstätte St. Joachimsthal (heute Jáchymov), von wo es F. E. Brückmann 1727 beschrieben hat.F. Veselovsky, P. Ondrus, A. Gabsová, J. Hlousek, P. Vlasimsky, I. V. Chernyshew: Who was who in Jáchymov mineralogy II. In: Journal of the Czech Geological Society. 48, Nr. 3–4, 2003, S. 193–205. Im Jahr 1789 entdeckte Martin Heinrich Klaproth das Element Uran in einer Probe aus einer Ganglagerstätte des Erzgebirges. In dieser Region wird Uran seit der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts als Nebenprodukt und seit der zweiten Hälfte zum ersten Mal im industriellen Maßstab aus den Gängen von St. Joachimsthal im böhmischen Teil des Erzgebirges gewonnen. In Abfallprodukten der Joachimsthaler Uranfarbenfabrik entdeckte Marie Curie 1898 die Elemente Polonium und Radium. Nach der Entdeckung des Radiums wurde es in St. Joachimsthal industriell produziert, auch das erste Radiumkurbad der Welt entstand, indem zirkulierendes Wasser aus den Lagerstätten zu Heilzwecken benutzt worden ist. Nach dem Zweiten Weltkrieg stellte das deutsche und tschechische Erzgebirge die bedeutendste Uranquelle für das sowjetische Kernwaffenprogramm in dessen Startphase dar. So spielte dieser Lagerstättentyp eine herausragende Rolle für die wissenschaftliche und politische Geschichte des Urans. Die größte Lagerstättenprovinz für diesen Typ sind die Varisziden Zentraleuropas mit den weltweit größten Lagerstätten dieser Art; Schneeberg-Schlema-Alberoda (≈ 80.000 t Uranproduktion) in Deutschland und Příbram (≈ 45.000 t Uranproduktion) in der Tschechischen Republik. Weitere wichtige Ganglagerstätten gibt es in Zentralafrika wie z. B. Shinkolobwe im Kongo (≈ 30.000 t Produktion + Ressourcen)Douglas H. Underhill: Analysis of uranium supply to 2050. In: International Atomic Energy Agency. Wien 2001. und in Saskatchewan, Kanada, nördlich des Lake Athabasca bei Uranium City.
Es gibt verschiedene Typen von Ganglagerstätten mit Uranmineralisation: intragranitische Gänge (z. B. Zentralmassiv, Frankreich) Gänge in Metasedimenten im Exokontakt von Granitkörpern Uran-Quarz-Karbonat-Gänge (Erzgebirge; Böhmisches Massiv)