4. Methoden 4.1 Einführung In dieser Arbeit werden
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Methoden 22 4. Methoden 4.1 Einführung In dieser Arbeit werden geomorphologische, palynologische und sedimentologische Methoden integrativ angewendet. Im Verlauf der Bearbeitung der zunächst geomorphologisch angelegten Fragestellung wurde es immer wichtiger, ein fachübergreifendes Methodenspektrum anzuwenden. Der Grund dafür ist, dass mehrere isolierte tertiäre Sandvorkommen im Mittelharz aufgefunden und beprobt werden konnten, deren Genese und Alter zum Teil nur durch einen Vergleich mit den Ablagerungen des Harzvorlandes erklärt werden können. Zur Erkundung der Tertiärvorkommen im Harz und im Harzvorland wurden Voruntersuchungen in Form von Kartenund Aktenrecherchen sowie Geländekartierungen durchgeführt. Mehrere Standorte wurden in Schürfen und durch Bohrungen beprobt. Zahlreiche ausgewählte Proben wurden palynologisch und sedimentpetrographisch untersucht. Die Untersuchungen auf Pollen, Sporen und Dinozysten zielen auf eine absolute Altersbestimmung der Sedimente hin. Die sedimentpetrographischen Analysen wurden hauptsächlich an den fossilfreien Sanden durchgeführt, für die eine biostratigraphische Altersbestimmung bisher nicht möglich war. Daraus sollen Hinweise über die Ablagerungsprozesse und die Herkunft der Sedimente abgeleitet werden. 4.2 Farbliche Darstellung In dieser Arbeit wird eine Anzahl von Lokalnamen verwendet, die sich auf die untersuchten Sedimentvorkommen auf der Elbingeröder Hochfläche im Mittelharz und im Zechsteinausstrich zwischen Wienrode und Thale im Harzvorland beziehen. Die Namen stammen überwiegend aus der Literatur, aus topographischen und geologischen Karten. Um dem gebietsfremden Leser dieser Arbeit eine bessere Orientierung zu ermöglichen, werden die häufig verwendeten Lokalnamen in der Tabelle 4.1 zusammengestellt. Tabelle 4.1: Lokalnamen von untersuchten Sedimentvorkommen (Lage siehe Abbildungen 5.1 und 5.15) Harzvorland Mittelharz Lage im lokaler Name (Lagebeschreibung) Höhe über NN kurzer Lokalname in dieser Arbeit Kurzbezeichnung Sand- und Tongrube am Hartenberg (nördlich der Straße Elbingerode-Heimburg) 506 m Hartenberg Hart Tertiärvorkommen nordwestlich von Hüttenrode (direkt nördlich des Bahnhofs Hüttenrode) 475 m Hüttenrode Hüt Sandkuhle am Kleinen Schmidtskopf (Abzweig des Sandkuhlenweges vom Weg zur Trogfurter Brücke, südlich von Elbingerode) 510 m Schmidtskopf Schmi Lehmvorkommen westlich von Elbingerode (Wiesen direkt westlich der B27 und westlich der Stadt Elbingerode) 510 m westlich von Elbingerode wvE Karstfüllungen Tagebau Mühlental Nord Nord (nördlichster Tagebau der Fels-Werke GmbH am Galgenberg nordöstlich von Elbingerode) 475 m Mühlental Nord Nord MtNN Sandgruben am Fohlenstall bei Thale (südlich der Straße Thale-Wienrode am Rübchen) 190 m Fohlenstall, Rübchen Rüb, Thale Eggeröder Forsthaus östlich von Wienrode (an der Straße von Thale nach Wienrode ca. 1.5 km östlich von Wienrode) 213 m Eggeröder Forsthaus Wien Methoden 23 Die farbliche Markierung der Standorte im Mittelharz und im Harzvorland orientiert sich an der unterschiedlichen Höhenlage der Sedimentvorkommen. Die Lokalitäten im Mittelharz liegen alle zwischen 470 und 520 m über NN und werden mit brauner Farbe markiert. Die Standorte im Harzvorland liegen zwischen 180 und 220 m NN und erhalten eine grüne Farbgebung (vgl. Tabelle 4.1). Die farbliche Unterscheidung soll dem Leser eine schnelle und assoziative Zuordnung der Ergebnisse – zunächst unabhängig von einer genauen Lagekenntnis der einzelnen Lokalitäten – ermöglichen. Sie lässt sich in vielen Abbildungen und Tabellen in dieser Arbeit wiederfinden und wird vor allem in solchen Darstellungen verwendet, die auf einen Vergleich der Ergebnisse zum Mittelharz und zum Harzvorland abzielen. 4.3 Voruntersuchungen a) historisches Archivmaterial Seit KAYSER (1877) und LOSSEN (1891) ist bekannt, dass durch die intensive und Jahrhunderte andauernde Suche nach Eisenerzen auch Sande und Tone in den Elbingeröder und Hüttenröder Bergbaurevieren erschürft wurden, die ebenfalls bergmännisch abgebaut wurden. Drei vermutete Tertiärvorkommen sind in der Geologischen Karte 1: 25 000 eingetragen (vgl. ERDMANNSDÖRFFER 1926, ERDMANNSDÖRFFER et al. 1930). Das Vorkommen der Sedimente ist räumlich stark begrenzt. Darüber hinaus sind die ehemaligen Sand- und Tongruben Einzelerscheinungen in den verschiedenen Eisenerzrevieren. Historisches Archivmaterial in Form von Karten wurde recherchiert, um Hinweise auf den Abbau von Sedimenten in weiteren Gruben zu gewinnen. Wegen der ehemaligen Zugehörigkeit des Untersuchungsgebietes zu Hannover, Blankenburg bzw. Braunschweig und Wernigerode (vgl. SCHWERDTFEGER 1998, ZINCKEN 1825) wurden mehrere hundert Pläne und Karten aus den Beständen der vier Archive: Hauptstaatsarchiv Hannover, Staatsarchiv Wolfenbüttel, Archiv des Oberbergamtes Clausthal und Landeshauptarchiv von Sachsen-Anhalt in Magdeburg gesichtet. Die umfangreichsten Kartenbestände zu den Elbingeröder Revieren befinden sich im Hauptstaatsarchiv Hannover. Allein in den Mappen mit den Nummern 1384 bis 1388 (Findbuch: Kartenmappen) wurden 286 Übersichtskarten, Risswerke und Pläne gesichtet, die bereits durch Prof. Schwerdtfeger zusammengestellt und aufgelistet worden sind. Im Bergarchiv von Clausthal-Zellerfeld sind große Aktenbestände vorhanden. Die Karten wurden zum größten Teil von Clausthal nach Hannover abgegeben. In Wolfenbüttel sind vor allem Karten und Risswerke des Hüttenröder Reviers archiviert. In Magdeburg konnten nur wenige Karten gefunden werden. b) Erkundungsberichte des Kalkabbaus in den Tagebauen bei Elbingerode und Rübeland Das devonische Massenkalkvorkommen des Elbingeröder Komplexes im Mittelharz gilt als eine sehr detailliert untersuchte Lagerstätte. Zahlreiche Bohrungen wurden vor allem in den fünfziger bis siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts zur Erkundung der Kalke in dem Gebiet bei Elbingerode und Rübeland abgeteuft. Baggerschürfe dienten der Lagebestimmung des oberflächennahen Ausstreichens der Mittelharzer Porphyrgänge. In zahlreichen Berichten wurden die Bohrungen und Schürfe dokumentiert. Ein Teil der Akten befindet sich heute im Archiv der Fels-Werke GmbH in Elbingerode und wurde im Rahmen dieser Arbeit eingesehen. Aus den zahlreichen Dokumenten konnten Hinweise auf eine starke Verkarstung der Massenkalke im Methoden 24 Süden des Tagebaus Elbingerode entnommen werden. Wichtige Analysen und Ergebnisse der zahlreichen Vorerkundungen, die hinsichtlich der quartären und tertiären Reliefentwicklung des Untersuchungsgebietes von besonderem Interesse sind, wurden bereits von ALTERMANN & RABITZSCH (1976) zusammengefasst. 4.4 Geländearbeiten a) Geländeaufnahme und Kartierung Eine ausführliche Begehung des Gebietes bei Elbingerode wurde mit dem Ziel durchgeführt, den morphologischen Formenschatz im Untersuchungsgebiet zu erfassen und zu kartieren. Der Großformenschatz ist stark gekennzeichnet durch ausgedehnte Hochflächenareale und eingetiefte Täler, wobei der Übergangsbereich zwischen diesen Großformen von besonderem morphologischem Interesse für diese Arbeit ist. Es wurde ferner überprüft, ob verschiedene Flächenniveaus im Untersuchungsgebiet vorkommen, die eventuell verschiedenen geomorphologischen Entwicklungsstadien zugeordnet werden können. In diesem Zusammenhang wurden besonders die Ausstreichgrenzen der Massenkalke zu benachbarten Gesteinen in Augenschein genommen, um zu prüfen, ob diese petrographischen Grenzen morphologisch in Erscheinung treten. Kleinformen wurden im Untersuchungsgebiet ebenfalls kartiert. Von Interesse waren dabei Dolinen und Karstformen, deren räumliche Verteilung Aussagen über rezente bzw. subrezente Karstprozesse möglich machen. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Geländebegehung war das Auffinden von tertiären Sedimentvorkommen in Paläokarstformen der Kalkgebiete, die seit LOSSEN (1891) aus der Zeit der geologischen Kartierung des Harzes bekannt sind. Aus diesem Grund wurde eine Anzahl von mehr als 300 Gruben des historischen Eisenerz-Bergbaus kartiert. An einigen Stellen wurden Probesondierungen in den Pingen durchgeführt. Darüber wurden alle Großtagebaue des Kalkabbaus im Gebiet zwischen Elbingerode und Rübeland begangen (Tagebau Elbingerode, Tagebau Rübeland, Tagebau Kleiner Stein, Tagebau Mühlental, Tagebau Mühlental Nord Nord). Oberflächennahe Karsterscheinungen und lokale Karstschlotenfüllungen mit braunen Lehmen kommen in allen Tagebauen vor. Bei der Auswahl der zu untersuchenden Standorte wurden die Lagerungsverhältnisse der Sedimente besonders berücksichtigt. Bevorzugt wurden Vorkommen beprobt, bei denen die Lagerungsverhältnisse der Sedimente bereits Rückschlüsse auf die Prozesse ihrer Ablagerung zulassen. b) Geophysikalische Messungen Geophysikalische Messungen wurden von Herrn Dr. I. Rappsilber in einer Kooperation mit dem Landesamt für Geologie und Bergwesen Sachsen-Anhalt in Halle durchgeführt. Mit Hilfe der Messungen wurden die Lage und die Ausdehnung der Tertiärvorkommen am Hartenberg und nördlich von Hüttenrode erkundet. Die Untersuchungen hatten das Ziel, Ansatzpunkte für Bohrungen und Schürfe festlegen zu können. Darüber hinaus sollten die Messungen Interpretationen über den Untergrund und die Ausprägung eines Paläokarstreliefs ermöglichen. In den Geologischen Karten 1: 25 000 (Blätter 4130 und 4231) sind die Tertiärvorkommen sowohl am Hartenberg als auch nördlich von Hüttenrode jeweils auf zwei isolierte Flächen kleineren Ausmaßes beschränkt, die in drei von vier Fällen mit ehemaligen Sand- bzw. Tongruben zu- Methoden 25 sammenfallen. Depressionen im Gelände ließen vermuten, dass die Sedimente jedoch eine Ausdehnung über die ehemaligen Gruben hinaus haben könnten. Zur Überprüfung dieser Annahme wurden in der Umgebung der Tertiärsignaturen bei Hüttenrode acht Radarprofile von insgesamt 1050 m Länge vermessen (vgl. RAPPSILBER 2004b). Am Hartenberg erfolgte die Vermessung von vier Radarprofilen von etwa 1100 m Länge und die Vermessung eines Geoelektrikprofils mit sieben Messpunkten (vgl. RAPPSILBER 2004a). Die Georadarmessungen wurden mit einer RAMAC/GPR-Apparatur der Firma MALAGeoScience aus Schweden durchgeführt. Dabei wurden abgeschirmte 100 MHz-Antennen eingesetzt. Das Georadarverfahren hat den Vorteil, dass es mit relativ geringem Aufwand im Gelände angewendet werden kann. Durch die Vermessung mehrerer Profile konnte ein guter Überblick über die Verhältnisse des Untergrundes in den beiden Gebieten gewonnen werden. Als Nachteil gilt die geringe Eindringtiefe der Radarwellen von nur wenigen Metern, wodurch im Mittelgebirgsraum vorrangig die quartären Deckschichten durch die Messungen erfasst werden. Die Eindringtiefe wird durch erhöhte Feuchtigkeit im Boden zusätzlich herabgesetzt (RAPPSILBER 2004a, 2004b). Die Messung des geoelektrischen Profils wurde am Hartenberg mit der Gleichstromapparatur GGA 30 der Firma Buchholz aus Heiligenberg ausgeführt. Die Tiefensondierungen erfolgten mit dem Prinzip der Dreielektrodenanordnung, um eine hohe Eindringtiefe zu erreichen. Die Verteilung des scheinbaren spezifischen Widerstandes wurde an sieben Punkten mit einem Punktabstand zwischen 15 und 40 m in Abhängigkeit von der Tiefe ermittelt (RAPPSILBER 2004a). Sowohl die Georadarprofile als auch das geoelektrische Profil wurden mit einem GPSEmpfänger (Trimble Ag GPS 122 mit Bosch AMDS dGPS II) eingemessen (RAPPSILBER 2004a, 2004b). d) Aufschlüsse und Schürfe Begehbare Aufschlüsse von Tertiärsedimenten sind im Mittelharz und am nördlichen Harzrand äußerst selten. Zwei Aufschlüsse wurden im Mittelharz im Tagebau Mühlental Nord Nord angetroffen (Schurf N1, Schurf N2). Die oberflächennahen Karstfüllungen mit Sanden, Kiesen, Tonen und Braunkohlen wurden durch den Kalkabbau der Fels-Werke GmbH während der Projektzeit frisch angeschnitten und waren bereits im Sommer 2006 weitgehend verschwunden. Im Harzvorland existieren Aufschlüsse der oligozänen Sande an den Hängen der ehemaligen Sandgruben am Fohlenstall bei Thale (vgl. Kapitel 5.2.2). Schürfe wurden im Mittelharz in der Sandkuhle am Kleinen Schmidtskopf südlich von Elbingerode und in der ehemaligen Sand- und Tongrube am Hartenberg nördlich von Elbingerode angelegt. Aufgrund der steilen Wände dieser beiden Gruben, ihrer starken Verholzung und ihrer Lage im Wald konnten die Schürfe nur mit einfachen Werkzeugen und ohne größere Technik angelegt werden. Die von STEINMÜLLER (1962) und LEWANDOWSKI (1995) untersuchten Verwitterungserscheinungen am Garkenholz wurden ebenfalls erschürft. Außer den beschriebenen rotbraunen Lehmen wurden keine Sande oder Tone aufgefunden, die für vergleichende Laboruntersuchungen mit anderen Tertiärvorkommen des Untersuchungsgebietes hätten herangezogen werden können. Da sich aus den Aufschlüssen am Garkenholz keine Methoden 26 neuen Erkenntnisse bezogen auf die Ergebnissen von STEINMÜLLER (1962) ableiten lassen, wurden die Aufschlüsse am Garkenholz nicht in die weitere Analytik dieser Arbeit einbezogen. c) Bohrverfahren Bohrungen waren aufgrund begrenzter Aufschlüsse der tertiären Sedimentvorkommen im Untersuchungsgebiet notwendig. Mit Hilfe der Bohrungen konnten mehrere Tertiärvorkommen im Mittelharz und Harzvorland nachgewiesen und umfangreich beprobt werden. Für die Erkundung der verschiedenen Standorte wurden im Verlauf der Untersuchungen unterschiedliche Bohrverfahren eingesetzt. Rammkernsondierungen (RKS) erfolgten zur Vorerkundung und zur Beprobung in nicht befahrbaren Gruben. Die Sondierungen wurden je nach Bohrfortschritt und Substrat mit einem elektrischen Bohrhammer des Typs Makita HM 1400 bzw. einem benzinbetriebenen Bohrhammer des Typs Pionjär 140 des Instituts für Geowissenschaften durchgeführt (siehe Abbildung 4.1, Links). Bei diesen Sondierungen wurden Bohrtiefen von maximal 10 m erreicht. Vorteile dieses Bohrverfahrens sind geringe Kosten und die mobile Einsatzfähigkeit der Technik in unwegsamem Gelände. Nachteile sind die Beeinträchtigung der Lagerung der Sedimente sowie begrenzte Probenmengen in den Bohrkernen. Die unmittelbare Aufnahme und Beprobung der Bohrkerne im Gelände lassen zudem keine Nachuntersuchungen zu. Abb. 4.1: Eingesetzte Bohrverfahren; Links: Rammkernsondierung mit Makita HM 1400; Mitte: Rammkernbohrung mit Nordmeyer DSB 0-3; Rechts: Rammkernbohrung mit Nordmeyer DSB 1-3.5 Zur Beprobung der tertiären Sande am Fohlenstall bei Thale im Harzvorland wurde die Bohranlage des Typs DSB 0-3 von Nordmeyer eingesetzt (Abbildung 4.1, Mitte). Die DSB 0-3 ist ein kleines kettenbetriebenes Gerät, welches wenig Arbeitsraum benötigt. Bei den Rammkernbohrungen (RKB) wurden vollständige Kerne im PVC Liner entnommen. Nachbohren erfolgte im Hohlbohrschneckenverfahren. Sehr vorteilhaft für die vollständige und ungestörte Kerngewinnung ist die präzise Einstellung der gewünschten Bohrtiefe durch Rammen bis zum Anschlag der Rammkernrohrzentrierung auf der Hohlbohrschneckenschneide (ca. +/- 1cm Abweichung). Durch nachträgliches Überbohren des Rammkernrohres sind höhere Schlagzahlen möglich. Ein Nachteil dieser Anlage sind geringe Anschlusstiefen, insbesondere in nassen sandigen Substraten. Für die Erkundung der Tertiärvorkommen im Mittelharz wurden Rammkernbohrungen mit einer Bohranlage des Typs DSB 1-3.5 von Nordmeyer durchgeführt (Abbildung 4.1, Rechts). Die Methoden 27 Kernentnahme erfolgte ebenfalls im PVC Liner. Nachgebohrt wurde mit dem klassischen Trockenbohrverfahren. Die Bohrungen mit dem schweren Bodenprobe-Entnahmegerät haben den Vorteil größerer Aufschlusstiefen auch bei nassen sandigen Böden. In Hüttenrode wurden Endteufen von maximal 22 m erreicht. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die ungenauere Einstellung der Teufenlage durch Antrieb mit Seil (ca. +/- 10cm Abweichung). Bei zu hohen Schlagzahlen ist der Abbruch des Kernmarsches notwendig, weil das Bergen des eingetriebenen Rammkernrohres von der Zugkraft der Seilwinde abhängig ist. 4.5 Laborarbeiten 4.5.1 Granulometrische Analyse a) Laborarbeiten Die Laborarbeiten zur Korngrößenbestimmung erfolgten in Anlehnung an die DIN 18123. Verschiedene Arbeitsschritte wurden an die Fragestellungen der vorliegenden Arbeit und die Gegebenheiten des Labors des Institutes angepasst. Sofern dies nötig war, wurden die Proben vor ihrer Fraktionierung den entsprechenden Vorbehandlungen zur Abtrennung der organischen Substanz, des Karbonat- und des Eisenanteils unterzogen. Nach der Trocknung und Einwaage der entsprechenden Probenmengen (mindestens 50g bei wenig vorhandenem Probenmaterial durch Gewinnung im Bohrverfahren) wurde der Feinanteil der Sedimente durch Zugabe von 0,2 molarer Tetranatriumdiphosphatlösung und einer mehrstündigen Bewegung der Lösung in der Rüttelmaschine dispergiert. In einem Nasssiebdurchgang erfolgte die Trennung in zwei Fraktionen größer und kleiner 0,063 mm, wobei die feine Fraktion als Suspension aufgefangen wurde. Tabelle 4.2: Intervallgrenzen der Korngrößenbestimmung; Rechts: Siebmethode B: Feinsand- und Mittelsandproben; Links: Siebmethode A: alle übrigen Sedimentproben Benennung GrobMittel- gG Kies mG fG FeinGrobMittel- Siebmethode A IntervallKürzel grenzen [mm] gS Sand mS Fein- fS Grob- gU MittelFeinTon Schluff mU fU T Fraktionierung Benennung Fein- > 20.0 > 16.0 > 8.0 > 6.3 > 4.0 > 2.0 > 1.0 > 0.63 > 0.355 > 0.200 > 0.100 > 0.063 Siebung > 0.031 > 0.020 > 0.0063 > 0.002 > 0.001 < 0.001 Laserdiffraktometrie Kies Siebmethode B IntervallKürzel grenzen [mm] fG Grob- gS Mittel- mS Sand Fein- fS Grob- gU MittelFeinTon Schluff mU fU T Fraktionierung > 2.0 > 1.0 > 0.63 > 0.45 > 0.355 > 0.300 > 0.250 > 0.200 > 0.150 > 0.125 > 0.100 > 0.080 > 0.063 Siebung > 0.031 > 0.020 > 0.0063 > 0.0020 > 0.0010 < 0.001 Laserdiffraktometrie Methoden 28 Der Sand- und Kiesrückstand aus diesem ersten Nasssiebdurchgang wurde durch Trockensiebung in weitere Fraktionen unterteilt, wobei entsprechend der Fragestellung eine unterschiedliche Anzahl von Sieben eingesetzt wurde. Für die Korngrößenanalyse von 32 Sedimentproben wurden die Siebe im linken Teil der Tabelle 4.2 eingesetzt, mit denen eine Unterteilung in 12 Siebklassen vorgenommen wurde. Für die Korngrößenanalyse von insgesamt 73 Feinsand- bzw. Mittelsandproben wurde eine größere Anzahl von Sieben mit entsprechender Maschenweite benutzt (siehe rechter Teil der Tabelle 4.2), um zwischen 0,063 und 0,630 mm eine Fraktionierung in Intervallen von 1/3 Phi-Einheiten zu erreichen. Erst diese eng gewählten Korngrößenintervalle ermöglichen eine genetische Interpretation der Korngrößenverteilung der Sande bzw. der daraus abgeleiteten Parameter (vgl. FRIEDMANN 1961, 1967, SINDOWSKI 1957, 1962a). Der abgetrennte und in Suspension vorliegende Feinanteil wurde auf der Basis der Laserbeugung mit dem Gerät „Mastersizer X“ der Firma „Malvern Instruments GmbH“ bestimmt. Diese optische Methode unterscheidet sich durch ihre volumetrische Partikelgrößenmessung von den herkömmlichen Messverfahren der Sedimentation, deren Ergebnisse entscheidend von der Oberflächengestalt der Teilchen abhängen (vgl. SINDOWSKI 1962a, TUCKER 1996). Dadurch sind die Ergebnisse der optischen Partikelgrößenmessung und der Sedimentationsverfahren nicht direkt vergleichbar. Für die Interpretation der Korngrößenverteilung der untersuchten Sedimente in dieser Arbeit ist dies jedoch von untergeordneter Bedeutung, weil der Feinanteil aller Proben mit derselben Methode bestimmt worden ist. Dadurch sind die Analysenergebnisse untereinander vergleichbar. Der Vorteil der optischen Methode gegenüber der Pipettiermethode (Sedimentationsverfahren) besteht in der technischen Genauigkeit des Messprozesses und in dem dadurch ableitbaren geringeren apparativen Fehler. b) Graphische Darstellung Die Korngrößenverteilungen wurden mittels Kornsummenkurven in zwei verschiedenen Diagrammtypen graphisch dargestellt. Die Kornsummenkurven der 32 Proben, deren Korngrößenbestimmung in den Intervallen der Siebmethode A erfolgte (vgl. Tabelle 4.2), wurden in Diagrammen mit einfach logarithmischer Abszisse des Korndurchmessers in mm und numerischer Ordinate der prozentualen Massenanteile entsprechend der DIN 18123 abgebildet. Die Bodenart der untersuchten Proben wurde mit dem Programm GGU nach der DIN 4022 berechnet. Diese Darstellung wurde vor allem für Einzelproben von kiesigen und lehmigen Sanden, Tonen und Schluffen angewendet, deren Korngrößenverteilung keine sehr gute bis gute Sortierung nach FÜCHTBAUER (1988: 136) aufweist. In diesen Diagrammen, die jeweils nach Lokalität, Bohrung oder Aufschluss angefertigt wurden, sind ebenfalls die Korngrößenverteilungen jener Fein- und Mittelsande dargestellt, die mit der Siebmethode B (vgl. Tabelle 4.2) ermittelt wurden. Um eine übersichtliche Darstellung zu erzielen, wurden Körnungsbänder verwendet, deren Flächen jeweils durch eine Minimum- und eine Maximumkurve begrenzt werden. Die Ordinatenwerte dieser beiden Randkurven sind die Minima und Maxima der Prozentanteile in den einzelnen Korngrößenintervallen der jeweils zusammen betrachteten Proben (siehe Anlage 7). Methoden 29 Die nach der Siebmethode B ermittelten Korngrößenverteilungen der Sande wurden darüber hinaus als Einzelsummenkurven in Diagrammen mit einfach logarithmischer Abszisse des Korndurchmessers in mm und Wahrscheinlichkeitsordinate der prozentualen Massenanteile nach der Gaußschen Formel abgebildet. Diese Darstellungsmöglichkeit ist in der Sedimentologie weit verbreitet und wird von FÜCHTBAUER (1988), PETTIJOHN et al. (1987) und TUCKER (1996) beschrieben sowie von SINDOWSKI (1957) in seiner „synoptischen Methode des KornkurvenVergleichs zur Auswertung fossiler Sedimentationsräume“ angewendet. Sie hat gegenüber der numerischen Darstellung der Ordinate den Vorteil, die genetisch wichtigen geringprozentigen Gröbst- und Feinstfraktionen einer Korngrößenverteilung bevorzugt abbilden zu können (SINDOWSKI 1962a: 170). c) Analyse und Auswertung Für eine vergleichende Betrachtung verschiedener Sedimentproben lassen sich aus den Kornsummenkurven bzw. den Kornverteilungen verschiedene Parameter ableiten und berechnen. Übliche Parameter für die Charakterisierung eines Sediments sind der Mittelwert (arithmetisches Mittel der Korngröße), der Modalwert (Korngrößenklasse mit dem höchsten Prozentanteil) und verschiedene Perzentilmaße (Korngrößendurchmesser, bei dem ein festgelegter prozentualer Anteil der Probe gröber ist als dieser; z. B. Median bei 50%, Quartilmaße bei 25% oder 57%). Aus diesen einfachen Parametern lassen sich ferner die Sortierung (Standardabweichung bzw. Streuung um den Mittelwert), die Schiefe (Asymmetrie der Verteilungskurve) und Kurtosis (Maß für die Gipfeligkeit bzw. Flachheit einer Verteilungskurve) berechnen. Zusammenfassende Erläuterungen geben FÜCHTBAUER (1988), PETTIJOHN et al. (1987) und TUCKER (1996). Für die Auswertung der Ergebnisse wurde für alle Kornverteilungen der Sande, die nach der Methode B in Tabelle 4.2 gesiebt wurden, jeweils der Mittelwert, der Median, die Sortierung, die Schiefe und die Kurtosis nach FOLK & WARD (1957), INMAN (1952) und TRASK (1932) berechnet. Die Formeln zur Berechnung der insgesamt vierzehn Parameter sind in einer Übersicht bei TUCKER (1996: 72) zusammengestellt. Die Auswertung der berechneten Parameter erbrachte allein keine zufrieden stellenden Ergebnisse hinsichtlich einer genetischen Deutung des Ablagerungsraumes der Sande. Auch anhand der von FRIEDMANN (1961, 1967) entwickelten Diagramme zur Unterscheidung von Fluss-, Strand- und Dünensanden ließen sich keine eindeutigen Environments abgrenzen. Bereits TUCKER (1996: 74) weist auf die Grenzen solcher Interpretationsmöglichkeiten zu Ablagerungsräumen trotz der vielfältig entwickelten Methoden in der Sedimentologie hin. In der vorliegenden Arbeit wird die „synoptische Methode des Kornkurven-Vergleichs zur Ausdeutung fossiler Sedimentationsräume“ von SINDOWSKI (1957) angewendet und durch eine zusätzliche Klassenbildung erweitert. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist ihre gute Übertragbarkeit, weil sie einerseits an Sanden des äolischen, limnischen, ästuarinen, litoralen, marinen und fluvialen Bereichs entwickelt wurde und andererseits von SINDOWSKI (1962b) bereits selbst auf tertiäre Sande im westlichen Harzvorland angewendet worden ist. Darüber hinaus fließen in der Methode von SINDOWSKI (1957) mehrere wichtige Kriterien gleichzeitig in die Bewertung der Korngrößenverteilungen ein. Methoden 30 SINDOWSKI (1957: 236) konnte zunächst anhand einer statistischen Analyse der berechneten Parameter mittlere Korngröße und Sortierung keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Ablagerungsräumen vornehmen, weil trotz unterschiedlicher Sedimentationsbedingungen vor allem im Flachwasserbereich – aber auch im äolischen Bereich – überwiegend mittelsandige Feinsande abgelagert werden. Dennoch gelangt er zu einer deskriptiven Unterscheidung von Sanden anhand der zwei genannten Parameter: „Es zeigt sich, dass bei Binnendünen-, Stranddünen-, Fluss- und Wattrinnen-Sanden die mittlere Korngröße am häufigsten zwischen 150-200 µ liegt […]. Eine Ausnahme machen nur Wattsande und ein großer Teil der marinen Schelfsedimente, deren mittlere Korngröße meistens unter 150 µ liegt. Die Sortierung entsprechend ist am besten in Strandsanden, wird schlechter in Binnendünen-, Stranddünen-, Watt- und Wattrinnensanden und noch schlechter in Flusssanden.“ (SINDOWSKI 1957: 236f.) Parallel zur Einschätzung von Korngrößenverteilungen anhand dieser beiden Parameter entwickelt er ein Werkzeug zur visuellen Interpretation der Kornsummenkurven im Wahrscheinlichkeitsnetz. Er gliedert jede Kurve in Teilabschnitte, für die er je nach geradem oder gebogenem Verlauf und je nach der entsprechenden Steilheit des Anstieges typische Bezeichnungen vergibt. Die Teilstücke können als flach gerade, mäßig steil gerade, steil gerade oder als konkav bzw. konvex beschrieben werden (siehe Abbildung 4.2). Dadurch kann zunächst jede beliebige Kornsummenkurve in dem offenen System anhand objektiver Kriterien beschrieben werden. Gleichzeitig ist die Rückführung der meisten Siebkurven auf einen der zehn typischen „Kurven-Typen“ möglich, die SINDOWSKI (1957: 238ff.) aus den häufigsten Kombinationen der einzelnen Teilstücke abgeleitet hat. Die Kurven der Sande aus den verschiedenen Bohrungen und Aufschlüssen dieser Arbeit sind in der Anlage 8 einzeln dargestellt. Sie lassen sich – bis auf wenige Ausnahmen – auf sieben der zehn Kurven-Typen nach SINDOWSKI (1957) zurückführen. Diese sieben Kornkurven-Typen sind mit der Bezeichnung und Reihenfolge ihrer Teilabschnitte im Diagramm der Abbildung 4.2 dargestellt. Sand Schluff Mittel- Grob- Fein- Typ 3. SG-FG-Kurve Grob- Typ 4. SG-KX-Kurve [%] Typ 5. MG-KX-Kurve 99 99 Typ 6. SG-KX-SG-Kurve 3 90 90 Typ 8. FG-SG-Kurve Typ 9. KV-MG-KX-Kurve 75 75 Typ 10. KX-KV-KX-Kurve 6 50 9 50 5 FG - flach, gerade 25 25 10 10 8 10 SG - steil, gerade (Anstiegswinkel >= 60°) 4 1 1 2 1 0.6 0.2 MG - mäßig steil, gerade (Anstiegswinkel < 60°) 0.1 0.06 [Imm] 0.02 KV - konkaves Teilstück KX - konvexes Teilstück Abb. 4.2: Sieben Kornsummenkurven-Typen, durch welche die Sande im Mittelharz und Harzvorland am häufigsten repräsentiert werden (Nummerierung, Bezeichnung der Kurven-Typen nach SINDOWSKI (1957: 238)) Methoden 31 Tabelle 4.3: Statistische Formeln zur Berechnung von Korngrößenparametern im metrischen System (nach TUCKER 1996: 72, verändert) Parameter Kürzel Median Md Mittelwert M Sortierung So Schiefe Sk Kurtosis Kqa Formel (P75 + P25) 2 P75 So = P25 P75 P25 Sk = Md Md P75 - P25 Kqa = 2(P90 - P10) M= Kürzel in Formeln P25 = Perzentil 25 P75 = Perzentil 75 P10 = Perzentil 10 P90 = Perzentil 90 Um zu einer objektiven und nachvollziehbaren Interpretation der Korngrößenverteilungen nach der Methode von SINDOWSKI (1957) zu gelangen, wurde eine Klassenbildung der Sande anhand der Anstiegswinkel ihrer Kornkurven und der Mediane ihrer Verteilungen vorgenommen (vgl. Tabelle 4.4). Darüber hinaus wurden der Mittelwert, die Sortierung, die Schiefe und die Kurtosis nach den Formeln im metrischen System nach TUCKER (1996: 72) berechnet und bei der Interpretation der Kornverteilungen ebenfalls mit herangezogen (siehe Tabelle 4.3, Anlage 3). Nach SINDOWSKI (1957) ist der Anstiegswinkel der Kornsummenkurven in ihrem steilsten Teilstück, welches sich je nach Gestalt der Kurve am Beginn, in der Mitte oder am Ende der Kurve befinden kann, ein wichtiges Unterscheidungskriterium. „Je steiler eine Kurve, desto besser die Sortierung und desto besser die Tendenz zum Einkorn-Gemisch […]. Je flacher eine Kurve im Sandbereich liegt, bei desto größeren Strömungsgeschwindigkeiten wurde der Sand abgelagert und desto schlechter ist seine Sortierung […].“ (SINDOWSKI 1957: 239). Die Unterscheidung in mäßig steile und steile Kurven legt SINDOWSKI anhand der Anstiegswinkel < 60° und > 60° fest. Der Grenzwinkel von 60° wurde daher als erstes Kriterium für eine Klassenbildung gewählt. Dementsprechend wurde nach der Vermessung des steilsten Abschnittes einer Kurve im Sandbereich in steile (S) und mäßig steile Kurven (M) unterschieden. Dabei ist es von untergeordneter Bedeutung, ob eine Kurve direkt dem SG-KX-, SG-FG- oder MG-KX-Typ zugeordnet werden kann. Davon abweichende Kornkurven (z.B. KX-KV-KX-Typ) sind ebenfalls durch einen messbaren Anstieg in der Sand- und Grobschlufffraktion charakterisiert. Die Messung des Anstiegswinkels kann bei einer Abflachung der Kurve zwischen den Umknickpunkten zum Feineren oder Gröberen bzw. zwischen den Mittelpunkten der konvexen oder konkaven Teilstücke erfolgen (vgl. Abbildung 4.2). Flache gerade Kurven mit Anstiegswinkeln von 15 bis 25° kommen in den untersuchten Sanden nicht vor und werden bei der vorliegenden Klassenbildung nicht berücksichtigt. Durch die Zuordnung von steilen und mäßig steilen Anstiegswinkeln erhält man ein Kriterium für die Unterscheidung der Form verschiedener Kornkurven, das für eine genetische Interpretation der Sande in dieser Arbeit sinnvoll ist. Diese Unterscheidung der Korngrößenverteilungen kommt einer Auswertung ihres Sortierungsgrades nach FÜCHTBAUER (1988: 136) sehr nahe. Sie erzielt jedoch noch bessere Ergebnisse, was den Vergleich der Profile zwischen den unter- Methoden 32 schiedlichen Standorten in dieser Arbeit betrifft. Das liegt daran, dass Kurven mit steilen Anstiegswinkeln fast immer (bis auf zwei Proben) sehr gut bis gut sortiert sind (Sortierungswerte < 1,41). Hingegen können Kurven mit mäßig steilen Anstiegen um 50° trotz entsprechend häufiger mittlerer bis schlechter Sortierung (Sortierungswerte > 1,41) ebenfalls sehr gut bis gut sortiert sein (vgl. Anlage 3). Der Anstiegswinkel > 60° stellt daher ein genaueres Kriterium für die Annäherung einer Korngrößenverteilung an ein Einkorn-Gemisch dar als der Sortierungskoeffizient der Korngrößenverteilung aus Median und Quartilen. Als zweites Unterscheidungskriterium für die Klasseneinteilung der Sande wird der Median herangezogen, der ein wichtiges Maß für die mittlere Korngröße eines Sediments darstellt. Für die Unterscheidung der tertiären Sande in dieser Arbeit wird eine Gliederung in vier verschiedene Median-Klassen: < 120 µm, 120-150 µm, 150-200 µm und 200-300 µm eingeführt (siehe Tabelle 4.4). Die Intervallgrenzen von 150 und 200 µm basieren auf den Erkenntnissen von SINDOWSKI (1957), welcher unterschiedliche Mediane für Binnendünen-, Stranddünen, Fluss- und Wattrinnensande zwischen 150-200 µm und für Watt- und marine Schelfsande mit Medianen unter 150 µm festgestellt hat. Die Klasse 200-300 µm beinhaltet Mittelsande mit Medianen über 200 µm, die von den Feinsanden der drei anderen Klassen unterschieden werden sollen. In der vorliegenden Arbeit wird eine weitere Unterscheidung an der Grenze 120 µm vorgenommen. Die Mediane der stärker marin beeinflussten Sande im Harzvorland liegen meistens unter 120 µm, wobei die schwächer marin beeinflussten Sande Mediane zwischen 120 und 150 µm aufweisen. Diesen Trend zeigt der Vergleich der granulometrischen Ergebnisse mit den Ergebnissen der Dinozysten-Untersuchungen sowie der Schwermineralspektren (vgl. Gruppenbildung in Kapitel 5.2.7). Aus der Zusammenführung der Kriterien Anstiegswinkel (S = steil; M = mäßig steil) und MedianIntervalle (< 120 µm, 120-150 µm, 150-200 µm, 200-300 µm) ergeben sich zunächst acht Klassen (siehe Abbildung 4.3). Vier weitere Klassen kommen für bimodale Summenkurven (GS = Korngemisch steil; GM = Korngemisch mäßig steil) in den oben genannten Median-Intervallen hinzu. Die gesonderte Betrachtung der Korngemische aus zwei Korngrößen erscheint wichtig, weil sich aus dieser eher selten vorkommenden Kurvenform wichtige Interpretationen über den Ablagerungsraum eines Sedimentes ableiten lassen und eine Zuordnung zu einem Einkorngemisch zu fehlerhaften Einschätzungen führen würde. Die untersuchten Fein- und Mittelsande dieser Arbeit, die nach der Siebmethode B fraktioniert wurden, sind insgesamt in zwölf Klassen eingeteilt worden (vgl. Tabelle 4.4). Bei der Auswertung lassen sich jedoch aus der Zuordnung einer Kornsummenkurve zu einer Klasse des beschriebenen Systems noch keine direkten Schlussfolgerungen für die genetische Interpretation des Sedimentationsraumes für diese einzelne Probe ableiten. Vielmehr müssen mehrere Kornsummenkurven eines Profils oder einer sedimentologischen Einheit unter Einbeziehung palynologischer und petrographischer Daten zusammen betrachtet werden, bevor eine standort- oder profilbezogene Interpretation der Sedimente und ihres Ablagerungsraumes möglich ist. Für eine solche Bewertung ist die hier vorgestellte Klassenbildung eine objektive und gut kommunizierbare Möglichkeit, die auf der Methode von SINDOWSKI (1957) basiert. Methoden 33 Tabelle 4.4: Klassenbildung der Korngrößenverteilungen der Sande in Abhängigkeit von den Anstiegswinkeln der Kornsummenkurven im Wahrscheinlichkeitsnetz und den berechneten Medianen (erweitert 1. Parameter AnstiegsBezeichwinkel nung 1) > 60° (steil) 2) < 60° (mäßig steil) S M vorkommende Kurven-Typen Typ 3: (KV)-SG-FG Typ 4: (MG)-SG-KX Typ 8: FG-SG-(KX) Typ 10: KX-KV-KX Typ 6: SG-KX-SG Typ 5: MG-KX Typ 9: KV-MG-KX Typ 10: KX-KV-KX 2. Parameter Median D50 Bezeich[mm] nung 1) <=120 Farbe nach der Methode von SINDOWSKI 1957) (Kurven-Typen siehe Abbildung 4.2) Klassenbildung Klasse Bennennung <120 S<120 2) >120-150 120-150 S120-150 steil fein 3) >150-200 4) >200-300 150-200 200-300 S150-200 S200-300 steil mittel steil grob <120 M<120 2) >120-150 120-150 M120-150 mäßig steil fein 3) >150-200 150-200 M150-200 mäßig steil mittel 4) >200-300 200-300 M200-300 mäßig steil grob 120-150 GS120-150 <120 GM<120 120-150 200-300 GM120-150 GM200-300 1) <=120 G1) > 60° GS SG-FG-SG-KX 2) >120-150 G2) < 60° GM MG-FG-MG 1) <=120 2) >120-150 4) >200-300 steil feinst mäßig steil feinst gemischt steil fein gemischt mäßig feinst gemischt mäßig fein gemischt mäßig grob Asteil feinst Asteil fein 70° Asteil mittel 60° Asteil grob Amäßig steil feinst Anstiegswinkel 50° Amäßig steil fein Amäßig steil mittel Amäßig steil grob 75 120 150 200 Median in µm 300 Abb. 4.3: Diagramm mit eingezeichneten Klassen zur Unterscheidung der Korngrößenverteilungen der Sande in Abhängigkeit von den Anstiegswinkeln der Kornsummenkurven im Wahrscheinlichkeitsnetz und den berechneten Medianen (erweitert nach der Methode von SINDOWSKI 1957) Methoden 34 d) Strukturelle Reife Die strukturelle Reife eines Sediments gibt Auskunft über das energetische Regime des Ablagerungsmilieus, wenn von einer diagenetischen Überformung des Sediments abgesehen wird. In der vorliegenden Arbeit wird die strukturelle Reife anhand der Texturmerkmale Tongehalt, Sortierung und Rundung der Quarzkörner nach FOLK (1951) bestimmt. Die strukturelle Reife kann auch aus Dünnschliffmerkmalen abgeleitet werden (u. a. ADAMS et al. 1986: 24), was in dieser Arbeit ebenfalls erfolgte (siehe Kapitel 4.5.3, Tabelle in Anlage 4). Um jedoch repräsentativere Ergebnisse zu erhalten, wurde die strukturelle Reife nach FOLK (1951) von allen Fein- und Mittelsanden ermittelt, deren Korngrößenzusammensetzung mit der Siebmethode A (vgl. Tabelle 4.2 in diesem Kapitel) ermittelt wurde. Die dafür benötigten Texturmerkmale, Tongehalt sowie die Sortierung nach TRASK (1932) stammen aus der granulometrischen Analyse (dieses Kapitel). Die Rundung der Quarzkörner wurde anhand der morphometrischen Analyse (siehe Kapitel 4.5.2) bestimmt. Die aus diesen Analysen ermittelte strukturelle Reife stimmt sehr gut mit der strukturellen Reife überein, die aus Dünnschliffen ermittelt wurde. Aufgrund dieser Übereinstimmung wird in dieser Arbeit nur mit den strukturellen Reifestadien anhand der granulometrischen und morphometrischen Analysedaten gearbeitet. Darauf soll an dieser Stelle explizit hingewiesen werden, um Missverständnisse beim weiteren Lesen zu vermeiden. Tabelle: 4.5: Strukturelle Reifestadien eines Sedimentes nach FOLK (1951) Tongehalt Sortierungsgrad Rundungsfaktor sehr reifes Stadium < 5% < 1,30 > 3,0 (2) reifes Stadium < 5% < 1,30 < 3,0 (3) fast reifes Stadium < 5% > 1,30 (4) unreifes Stadium > 5% (Nr) strukturelle Reife (1) Die drei Merkmale Tongehalt, Sortierung und Rundung der Quarze gehen mit unterschiedlicher Gewichtung bzw. Reihenfolge in die Beurteilung der strukturellen Reife der Sande nach FOLK (1951) ein. Der Transport des Feinanteils benötigt die geringste Energie im Transportsystem, weshalb der Tongehalt das erste Kriterium für die Einschätzung der strukturellen Reife darstellt. Sedimente mit mehr als 5 % Ton sind strukturell unreif (Reifestadium 4) (vgl. Tabelle 4.5). Sinkt der Tongehalt unter 5 %, wird das Sediment in das nächst höhere Stadium eines fast reifen Sediments (Reifestadium 3) eingeordnet. Bei einer sehr guten Sortierung eines Sedimentes, wird das nächste Stadium der strukturellen Reife (Reifestadium 2) erreicht. Nach FOLK (1951: 129) ist eine gute Sortierung der Sande bei einem Sortierungskoeffizient < 1,30 nach TRASK (1932) erreicht (Berechnung siehe Tabelle 4.3). In diesem reifen Stadium weisen die Sedimente kaum noch Ton auf. Die Rundung der Körner ist das höchste Kriterium für die Beurteilung der strukturellen Reife. Bei einer Rundung der Körner ist ein sehr reifes Stadium (Reifestadium 1) Methoden 35 des Sediments nach FOLK (1951: 129) erreicht. Als Nachweis einer guten Rundung wurde ein Rundungsfaktor > 3,0 angesetzt (vgl. Kapitel 4.5.2). Für einen Vergleich mehrerer Sandproben der verschiedenen Standorte, Profile bzw. Gruppen wird ein mittlerer struktureller Reifegrad eingeführt. Dieser mittlere Reifegrad ist ein Summenparameter für eine Gruppe aus mehreren Proben. Jeder Probe wird entsprechend ihres Reifestadiums nach FOLK (1951) genau ein ganzer Zahlenwert von 1 bis 4 zugeordnet. (Tabelle 4.5). Der mittlere Reifegrad entspricht dem Mittelwert der Reifestadien aller Proben einer Gruppe. 4.5.2 Morphometrische Analyse Die Rundung der Körner eines Sediments ist ein weiteres Kriterium, welches zur Interpretation des Ablagerungsprozesses herangezogen werden kann. Aus unterschiedlichen Transportweiten bzw. -intensitäten ergeben sich verschiedene Rundungsgrade der Körner. Äolische Sande haben eine bessere Rundung als aquatische und marine litorale Sande sind besser gerundet als fluviale Sande (FÜCHTBAUER 1988: 143, SINDOWSKI 1956, 1962a: 178). Bei Kiesen lassen sich Rückschlüsse auf unterschiedlich lange Transportwege ziehen. Der Rundungsgrad wurde unter dem Binokular an 300 Quarzkörnern der von SINDOWSKI (1962a: 179) empfohlenen Sandfraktion > 0,355 mm bis 0,630 mm bestimmt. Die Einordnung erfolgte in fünf Rundungsklassen: eckig (1), kantengerundet (2), subrounded bzw. angerundet (3), rounded bzw. gerundet (4) und well rounded bzw. gut gerundet (5) mit der Vergleichstafel nach RUSSEL & TAYLOR (1937) in MÜLLER (1964: 108). In der Literatur sind unterschiedliche Klassifizierungen mit fünf (vgl. MÜLLER 1964: 108, SINDOWSKI 1962a: 180, STOOPS 2003: 53) bzw. sechs Rundungsklassen (vgl. FÜCHTBAUER 1988: 142, PETTIJOHN et al. 1987: 521, TUCKER 1996: 14) verbreitet. Da die Methode durch einen relativ hohen subjektiven Einfluss gekennzeichnet ist, ist die Einhaltung konstanter Arbeitsbedingungen wichtiger als die Anzahl der Rundungsklassen. Konstante Bedingungen wurden bei der Analyse so geschaffen, dass die Körner in der gleichen Siebfraktion und von nur einem Betrachter ausgezählt wurden. Während der Auszählung blieb am Binokular jeweils die gleiche Vergrößerung eingestellt. Dadurch kann die Vergleichbarkeit der untersuchten Proben gewährleistet werden. Der Rundungsfaktor (R) einer Probe berechnet sich aus den Anteilen der untersuchten Körner in jeder Rundungsklasse, indem die Summe der Faktoren aus der Kennziffer und dem prozentualen Anteil der jeweiligen Rundungsklasse durch 100% dividiert wird. Der Faktor kann zwischen 1 und 5 liegen, wobei normalerweise in Sanden R-Werte zwischen 2,5 und 3,5 vorkommen. „R-Werte über 3,3 erreichen meist nur äolische Sande und Sande, die eine mehrfache Umlagerung erfuhren.“ (SINDOWSKI 1956, 1962a: 180) Darüber hinaus wurde der Rundungsgrad von Kiesen an Sedimentproben mit einem deutlich höheren Kiesanteil bestimmt. Die Bestimmung erfolgte an fünf Proben des Hüttenröder Tertiärs (Mittelharz) und an drei Proben der Lehme westlich von Elbingerode (Mittelharz) und von drei Proben der oligozänen Sedimente am Fohlenstall bei Thale (Harzvorland). Die Rundung der Kiese wurde zugunsten einer besseren Vergleichbarkeit an Quarzen der Siebfraktion 4 bis 8 mm vorgenommen (vgl. Kapitel 4.5.5). Die Auszählung erfolgte an mindestens 300 Quarzkörnern, soweit diese Anzahl an Körnern in der genannten Fraktion vorhanden war. Methoden 36 4.5.3 Mikroskopie von Dünnschliffen Mikroskopisch wurden 31 Dünnschliffe von Sandproben untersucht. 14 Proben stammen aus den Tertiärvorkommen bei Elbingerode im Mittelharz und 17 Proben aus den Tertiärsedimenten am nördlichen Harzrand (vgl. Anlage 2). Die Proben wurden in Plastikzylindern von 40 mm Durchmesser und 30 mm Tiefe entnommen, die auf einer Seite geschlossen sind. Dabei wurde auf die Erhaltung der ungestörten Lagerung der Sande geachtet. Schwierigkeiten ergaben sich diesbezüglich bei losen Feinsanden mit geringen Schluff- und Tongehalten. Anhand der Dünnschliffe wurde eine Auswahl von Proben aus repräsentativen Fein- und Mittelsandlagen der Profile untersucht. Die Untersuchung der Dünnschliffe erfolgte am Polarisationsmikroskop Leica DM EP. Von den zahlreichen sedimentpetrographischen Untersuchungsmöglichkeiten (u. a. TUCKER 1996) wurden einige ausgewählte Merkmale an den Schliffen bestimmt. Anhand der Untersuchungen wurden zusätzliche Informationen über das Ablagerungsgefüge der Fein- und Mittelsande gewonnen, durch die Rückschlüsse auf das Sedimentationsmilieu gezogen werden können. Die erhobenen sedimentpetrographischen Parameter dienen vor allem dem Vergleich der Sande aus den verschiedenen Aufschlüssen und Bohrungen. Die mikroskopisch bestimmten Merkmale der Sande sind in der Tabelle in der Anlage 4 zusammengefasst. a) Anfertigung der Dünnschliffe Ein Teil der Dünnschliffe wurde im geologischen Dünnschlifflabor des Instituts für Geowissenschaften der Martin-Luther-Universität in Halle angefertigt. Die größere Menge der Dünnschliffe wurde im Dünnschlifflabor von Thomas Beckmann in Schwülper-Lagesbüttel hergestellt. Die labortechnische Anfertigung der Dünnschliffe folgt BECKMANN (1997). Die luftgetrockneten Proben wurden unter Vakuum in Epoxidharz eingegossen. Der Brechungsindex des Einbettungsmittels beträgt 1,548. Die polierten Schliffe mit einer Größe von 48 mm x 28 mm und einer Stärke von 25 µm bis 27 µm wurden nicht abgedeckt, um nachträgliche Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop durchführen zu können. b) Analyse und Auswertung der Dünnschliffe Für die Bestimmung des Modalbestandes der Sande wurden in den Dünnschliffen Quarz, Chert, Chalcedon, Feldspäte, Muskovit, Glaukonit, transparente Schwerminerale und Lithoklasten analysiert und quantifiziert. Die Quarzvarietäten werden in monokristalline und polykristalline Quarze sowie in Quarze mit geradem und undulösem Auslöschen unterschieden. Feldspäte wurden zusammengefasst. Eine Unterscheidung der Feldspäte nach ihren optischen Eigenschaften (z. B. Alkalifeldspäte, Mikroklin oder Plagioklase) wurde aufgrund ihrer geringen Anteile in den Sanden von maximal 1 % nicht vorgenommen. Transparente Schwerminerale wurden trotz ihrer gesonderten Untersuchung quantifiziert. Das Vorkommen bzw. der Gehalt von Muskovit und Glaukonit haben sich als wichtige Merkmale für eine Unterscheidung der Sande herausgestellt. Biotit wurde nicht erfasst, weil er in den Dünnschliffen nur sehr vereinzelt und in Spuren identifiziert wurde. Die Bestimmung der Minerale erfolgte nach ADAMS et al. (1986), MACKENZIE & ADAMS (1995), MACKENZIE & GUILFORD (1981), PETTIJOHN et al. (1987), Methoden 37 PICHLER & SCHMITT-RIEGRAF (1993) und TRÖGER (1969, 1982). Die vorkommenden Lithoklasten wurden nicht näher analysiert. Die verschiedenen Komponenten wurden durch die vollständige Sichtung jedes Dünnschliffes quantitativ erfasst. Dabei wurden die weniger häufigen Komponenten (Chert, Chalcedon, Feldspäte, Muskovit, Glaukonit, Schwerminerale, Lithoklasten) ausgezählt. Die Komponenten mit weniger als 10 Mineralen wurden in die Klassen: kein Exemplar, Spuren (1-3 Exemplare), und mehrfaches Vorkommen (4-10 Exemplare) eingeteilt. Komponenten mit mehr als 10 Exemplaren und weniger als 1 % werden unter der Kategorie häufiges Vorkommen erfasst. Die Quantifizierung der Minerale mit Anteilen > 1 % wurde durch visuelle Schätzung ihrer prozentualen Gehalte anhand der Vergleichstafel in STOOPS (2003: 48) vorgenommen. TUCKER (1996: 107) weist auf die Ungenauigkeit der visuellen Abschätzung hin. Um dieser Ungenauigkeit entgegenzusteuern, beziehen sich die ermittelten Gehalte auf den jeweils gesamten Schliff. Höhere Muskovitgehalte kommen zum Beispiel verstärkt in feineren Lagen eines Sediments vor, wodurch stark schwankende Gehalte bereits in einem Dünnschliff auftreten können. In solchen Fällen wurden die Muskovitgehalte bzw. die Gehalte anderer Komponenten in einer Spanne angegeben. Darüber hinaus wurden sie durch stichpunktartiges Auszählen bei gleicher Objektiveinstellung überprüft. Für die Klassifikation der Sande wird die Einteilung von FOLK (1974) angewendet, die eine recht weit verbreitete Nomenklatur für Sandsteine nach ADAMS et al. (1986: 24) darstellt (vgl. Diagramme in Abbildung 4.4). Bei der Anwendung dieser Klassifikation wird der Modalbestand der Sande aus den Dünnschliffuntersuchungen berücksichtigt. Die Klassifikation ist somit zugleich ein Maß für die kompositionelle Reife der Sande, welche Auskunft über den Anteil chemisch stabiler und physikalisch widerstandsfähiger Komponenten gibt. Die Sande bzw. Sandsteine werden zunächst nach ihrem Matrixgehalt unterschieden. Sande mit < 15 % Matrix werden als Arenite oder Arkosen bezeichnet. Sande mit > 15 % Matrix werden als Grauwacken < 15% Matrix: > 15% Matrix: Quarz, außer Chert Quarz Quarzarenit 95 75 75 arkosischer Litharenit lithische Arkose 25 50 arkosische Grauwacke Litharenit GesteinsfragmentArkose Feldspat + Granit + Gneisfragmente 95 Sublitharenit Subarkose Arkose Quarzwacke 95 95 lithische Grauwacke GesteinsfragmentSandstein 75 alle anderen Lithoklasten Feldspat 50 Lithoklasten Abb. 4.4: Angewendete Klassifikation der Sandsteine; Links: mit Matrixgehalten < 15 %; Rechts: mit Matrixgehalten > 15 % (nach FOLK 1974 in ADAMS et al. 1986: 24, verändert) Methoden 38 bezeichnet. Bei den Areniten und Arkosen werden die Hauptkomponenten Quarz, Feldspat (+ Granit und Gneisbruchstücke) und alle anderen Lithoklasten in einem Dreiecksdiagramm gegenübergestellt. Bei den Grauwacken fließen die Hauptkomponenten Quarz, Feldspat und alle anderen Lithoklasten in die Bewertung mit ein. Glimmer und Glaukonit gehen in die Bewertung nicht mit ein. Sie werden auch für die Einschätzung der kompositionellen Reife eines Sedimentes nicht herangezogen. Die untersuchten Sande in dieser Arbeit bestehen hauptsächlich aus Quarz. Lithoklasten sind in den Dünnschliffen sehr selten. Die Sande besitzen daher eine hohe kompositionelle Reife und werden je nach Matrixgehalt als Quarzarenite bzw. Quarzwacken eingestuft. Wie bereits in Kapitel 4.5.1 beschrieben wurde, wird die strukturelle Reife der Sande auch anhand der Dünnschliffauswertung bestimmt. Dabei wird ebenfalls die Einteilung von FOLK (1951) in vier verschiedene Stadien vorgenommen, die auf der Kombination der Texturmerkmale Matrixgehalt, Sortierung und Rundung der Sandkörner basiert (vgl. Tabelle 4.5). Zunächst wurde die korngestützte oder matrixgestützte Gefügeart nach TUCKER (1996: 102) abgeschätzt sowie der prozentuale Anteil der Gerüstkörner und der Matrix (Feinanteil) bestimmt. Alle untersuchten Sandproben weisen vorrangig ein korngestütztes Gefüge auf. In Proben mit einem erhöhten Matrixanteil kann in feineren Lagen auch ein matrixgestütztes Gefüge auftreten. Matrixgehalte über 5 % sind maßgebend für die Beurteilung eines strukturell unreifen Stadiums eines Sandes in Dünnschliffen. Die Sortierung der Sande wird nach vier Vergleichstafeln in PETTIJOHN et al. (1987: 520) visuell abgeschätzt. Eine Einteilung erfolgt in fünf Klassen: sehr gut sortiert, gut sortiert, mäßig sortiert, schlecht sortiert und sehr schlecht sortiert. Der Übergang von einem strukturellen fast reifen zu einem reifen Stadium erfolgt bei guter bis sehr guter Sortierung (vgl. auch Tabelle 4.5). Die Rundung der Quarze wurde anhand der Tafel von RUSSEL & TAYLOR (1937) in MÜLLER (1964: 108) in fünf Klassen bestimmt, die mit den Rundungsklassen in Kapitel 4.5.2 übereinstimmen. Insgesamt ergeben sich schlechte bis mittlere Rundungswerte aus den Dünnschliffen. Die Werte weichen von den Ergebnissen der morphometrischen Analyse in dieser Arbeit ab. Dieser Unterschied ist methodisch bedingt. Im Gegensatz zu den Dünnschliffuntersuchungen, bei denen vorrangig die Rundung der Körner der am stärksten vertretenen Kornklasse berücksichtigt wird (Modalwerte = 100 µm bis 200 µm), werden bei der morphometrischen Analyse nur die Quarze in der Kornklasse > 0,355 mm bis 0,630 mm analysiert. Nach SCHMIDT (1975: 21) besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Korngröße und Rundung. Bei Körnern < 125 µm wird kaum noch eine Rundung beobachtet. Daher erscheinen die Körner aus den Dünnschliffuntersuchungen weniger gerundet. Für die Charakterisierung der Korngröße in den Dünnschliffen wurden drei Werte aufgenommen. Der Modalwert ist der gemessene Wert an den Gerüstkörnern, deren Korngröße am häufigsten im Dünnschliff vorkommt. Die gemessenen Werte der jeweils größten bzw. kleinsten von der Matrix gut zu unterscheidenden Gerüstkörner sind dementsprechend der Maximum- bzw. Minimumwert. Methoden 39 4.5.4 Schwermineralanalyse Die Schwermineralanalyse wurde im Rahmen eines mehrwöchigen Aufenthaltes am Referat 4.21 Technische Mineralogie, Sedimentologie der BGR in Hannover unter Anleitung von Frau I. Bitz durchgeführt. Für die Analyse wurden 62 Proben ausgewählt. Davon stammen 27 Proben aus dem Mittelharz und 35 Proben aus Bohrungen und Aufschlüssen am nördlichen Harzrand (vgl. Anlage 2). Der Einfluss der Korngröße auf die Zusammensetzung der Schwermineralspektren wurde u. a. von BOENIGK (1981), HENNINGSEN (1973, 1981), MÜLLER et al. (1988), ORTMANN (1962), SINDOWSKI (1938a, 1938b, 1949, 1956), WEYL (1932, 1938) und WYPYRSCZYK (1989) beschrieben. Aus diesem Einfluss resultiert normalerweise eine Auszählung der Schwerminerale in verschiedenen Korngrößenfraktionen. Das führt jedoch mindestens zu einer Verdoppelung der Probenanzahl. Um die mögliche Probenkapazität für die Fragestellungen dieser Arbeit optimal zu nutzen, wurde auf eine fraktionierte Untersuchung der Proben zugunsten der Untersuchung einer insgesamt höheren Probenanzahl verzichtet. Damit der korngrößenabhängige Fehler so klein wie möglich blieb, wurden fast ausschließlich Feinsande ausgewählt, deren Korngrößenverteilungen deutliche Maxima im Intervall 0,1 bis 0,2 mm aufweisen und die somit als EinkornGemische des gleichen schmalen Feinsandbereichs charakterisiert sind. Sande mit abweichenden Kornverteilungen wurden nur untergeordnet in die Analyse mit einbezogen, um eine vollständige Untersuchung aller Profile zu gewährleisten (z. B. Mittelsande der Bohrung RKS Hüt 16 nordwestlich von Hüttenrode). Von den Proben wurde der Sandanteil zwischen 20 und 355 µm aufbereitet, um bei der Abtrennung alle Schwerminerale der schwermineralarmen Tertiärsande zu erhalten. Eine zu eng gewählte Siebfraktion kann nach BOENIGK (1983: 51) den Verlust wichtiger Minerale verursachen. a) Laborarbeiten Soweit dies notwendig war, wurde nach der Zerkleinerung und Einwaage der Proben (100 g) ihr organischer Anteil mit Wasserstoffperoxid und die Eisenhydroxid-Überzüge der Körner mit der Abb. 4.5: Schwermineralanalyse im Labor der Technischen Mineralogie / Sedimentologie an der BGR, Hannover; Links: Abtrennung der Schwerminerale im geschlossenen Scheidetrichter mit NatriumPolywolframat; Rechts: Anfertigung der Streupräparate auf einer erwärmten Heizplatte mit Aroclor 4465 Methoden 40 schonenden Dithionit-Behandlung nach BOENIGK (1983: 4) entfernt. Diese Behandlung verhindert die Zerstörung von Apatit. Die Gewinnung der Kornfraktion 20 bis 355 µm erfolgte danach im Nasssiebverfahren. Von den getrockneten Sandfraktionen wurden je nach erwartetem Schwermineralgehalt 20 bis 30 g eingewogen. Die Schwermineralfraktion wurde von der Leichtmineralfraktion mit der Schwereflüssigkeit Natrium-Polywolframat (Na6[H2W12O4]H2O) mit einer Dichte von 2,82 g/cm3 in Scheidetrichtern mit einem Volumen von ca. 150 ml abgetrennt. Der hohe Muskovitgehalt der Sandproben erschwerte zum Teil den Trennvorgang. Die Streupräparate wurden mit dem Einbettungsmittel Aroclor 4465 (Brechungsindex von 1.665 bei 20°C) angefertigt (siehe Abbildung 4.5). b) Analyse Die Schwerminerale wurden durch die optische Bestimmung von 300 Körnern pro Streupräparat unter dem Lichtmikroskop analysiert. Proben mit überwiegend opaken bzw. fast opaken Mineralen wurden zusätzlich unter dem Rasterelektronenmikroskop der Firma Philips (SEM 525 M + EDAX DX 4) an der BGR semiquantitativ untersucht. Dunkelrote, fast opak erscheinende Rutile konnten dadurch von anderen opaken Mineralen (z. B. Goethit, Ilmenit, Chromit und Pyrit) unterschieden werden. Die Schwermineralspektren wurden nur anhand der transparenten Minerale ausgewertet. Wenn Muskovit oder Glaukonit in einzelnen Präparaten vorkamen, wurden diese bei der Auswertung der Schwermineralspektren jedoch nicht berücksichtigt und der Leichtfraktion zugeordnet. Zwei Proben des Hüttenröder Vorkommens im Mittelharz wurden nicht in die Auswertung einbezogen. In diesen Proben wurden kaum transparente, sondern fast ausschließlich opake Schwerminerale in den Präparaten ausgezählt, was bei der Berechnung der prozentualen Anteile zu Verfälschungen der transparenten Spektren geführt hätte. Für die Auswertung wurden 60 der insgesamt 62 analysierten Proben herangezogen. 25 Proben stammen aus sechs Profilen im Mittelharz und 35 Proben stammen aus acht Profilen im Harzvorland. b) Auswertung In dieser Arbeit wird die Verwitterungsstabilität der Minerale als ein Kriterium herangezogen, um die Spektren hinsichtlich ihrer quartären oder tertiären Genese einzuschätzen. Tertiäre Schwermineralspektren sind vorwiegend durch stabile Minerale charakterisiert, während quartäre Spektren wesentlich höhere Anteile der leichter verwitterbaren Minerale, wie z. B. Hornblende, Apatit, Granat und Augit führen. In der Literatur existieren stark voneinander abweichende Reihen der Verwitterungsresistenz der verschiedenen Schwerminerale (u. a. NICKEL 1973, SINDOWSKI 1938c, 1949, WEYL 1950). Das ist zu einem großen Teil auf die unterschiedliche Resistenz der Minerale in sauren oder alkalischen Milieus zurückzuführen. Die Dominanz von stabileren Schwermineralen in tertiären Sanden kann darüber hinaus durch lang anhaltenden Transport, mehrfache Umlagerung oder durch Aufarbeitung mesozoischer Gesteine mit reifen Schwermineralspektren hervorgerufen werden. Im Mittelharz bei Elbingerode grenzen ALTERMANN & RABITZSCH (1976) quartäre Sedimente mit einem höheren Anteil der Minerale Granat, Epidot und Hornblende von präquartären Sedimenten ab. Methoden 41 Die Charakterisierung und Darstellung der Schwermineralspektren der tertiären Sande erfolgt durch die Unterscheidung in stabile und metamorphe Minerale. Die Summe der stabilen Minerale Zirkon, Turmalin und Rutil wird in dieser Arbeit in Anlehnung an HUBERT (1962) als ZTR-Index bezeichnet. Die metamorphen Minerale werden in eine metamorphe Hauptgruppe und eine metamorphe Nebengruppe nach HENNINGSEN (1999) unterschieden. Diese Unterteilung ist vergleichbar mit der Gruppierung in nordische und metamorphe Minerale bei SINDOWSKI (1962b), mit der Bildung der Assoziationen II und III bei ORTMANN (1962), mit der Bezeichnung der fennoskanischen und südlichen Schüttung bei FAY (1982) sowie mit der Einteilung in nordische und südliche Minerale bei MORTON et al. (1988). Allen diesen Gruppierungen ist mehr oder weniger die Gegenüberstellung der Minerale Granat, Epidot und grüne Hornblende einerseits und der Minerale Staurolith, Disthen, Andalusit (und Sillimanit) andererseits gemeinsam: 1. ZTR-Index: Zirkon, Turmalin, Rutil 2.1 metamorphe Hauptgruppe: Granat, Epidot, grüne Hornblende 2.2 metamorphe Nebengruppe: Staurolith, Disthen, Andalusit, Sillimanit 3. Monazit, Xenotim, Brooktit, Anatas, Titanit, Apatit, restliche Minerale: Spinell, Chlorit, Augit, Fluorit, Pumpellyit. Die prozentualen Gehalte in diesen gewählten Gruppen ist ein wichtiges Kriterium für die Ausweisung des Liefergebietes der Sande und für die Diskussion der Paläogeographie in den jeweiligen Untersuchungsgebieten. Erhöhte Anteile von Granat, Epidot und grüner Hornblende (metamorphe Hauptgruppe), die aus nördlichen Liefergebieten (Fennoskandia) stammen, kommen vor allem in marinen Sanden ab dem Obereozän und verstärkt ab dem Unter-Oligozän vor (u. a. FAY 1982: 119). Der Anteil dieser Minerale, die auch als nordische Minerale bezeichnet werden, ist im Tertiärbecken Nordwesteuropas in den Haupttransgressionsphasen am stärksten ausgeprägt. Dieser Einfluss nimmt mit der Entfernung nach Süden und besonders an den Rändern des Beckens deutlich ab (MORTON et al. 1988). Das Fehlen von Granat, der EpidotGruppe und grüner Hornblende geht meist mit der Dominanz der stabilen Minerale Zirkon, Turmalin und Rutil sowie höheren Gehalten der Minerale Staurolith, Disthen und Andalusit (metamorphe Nebengruppe) einher, was nach FAY (1982) und MORTON et al. (1988) auf eine stärkere Schüttung aus den südlichen Hochgebieten hindeutet. FAY (1982: 77) vertritt die Ansicht, dass das seltene Mineral Sillimanit ebenfalls aus Metamorphiten des fennoskandischen Schildes stammt, weil es in den oligozänen und miozänen Sanden zusammen mit Epidot und Hornblende auftritt. Bei MORTON et al. (1988: 138) finden sich dazu keine Angaben, und HENNINGSEN (1999: 698) stellt die Auffassung von FAY (1982) aufgrund der Ergebnisse von MÜLLER et al. (1988: 31) in Frage. In der vorliegenden Arbeit wird Sillimanit entsprechend den Arbeiten von HENNINGSEN (1999) und SINDOWSKI (1962b) der metamorphen Nebengruppe zugeordnet. Für eine Unterscheidung der homogenen und sehr reifen Schwermineralspektren der untersuchten Sande in dieser Arbeit wird das Verhältnis der metamorphen Hauptgruppe zur metamorphen Nebengruppe herangezogen. Zusammen mit den Ergebnissen der DinozystenUntersuchungen und der granulometrischen Auswertungen stellt dieses Verhältnis ein Unterscheidungskriterium der Sande am nördlichen Harzvorland hinsichtlich der Einschätzung ihrer Marinität dar (vgl. Kapitel 5.2.6). Methoden 42 4.5.5 Kiesanalyse Die Bestimmung der Kieskomponenten erfolgte an insgesamt 11 Proben mit dem Ziel, Informationen über das Liefergebiet der Sedimente zu erhalten. Darüber hinaus wurde der Rundungsgrad der Quarze bestimmt, um eventuell Aussagen über die Transportweite der Kiese ableiten zu können. Die Methodik zur Bestimmung der Rundung der Quarze wurde bereits in Kapitel 4.5.2 zur morphometrischen Analyse beschrieben. Die Kiesanalyse erfolgte an fünf Proben der tertiären Sedimente nördlich von Hüttenrode (Mittelharz), an drei Proben des Vorkommens westlich von Elbingerode (Mittelharz) sowie an drei Proben der Tertiärvorkommen am Fohlenstall bei Thale (Harzvorland). Die relativ geringe untersuchte Probenanzahl ist auf die wenigen kiesigen Lagen in den tertiären Sanden sowohl im Mittelharz als auch im Harzvorland zurückzuführen. Am Schmidtskopf südlich des Tagebaus Elbingerode im Mittelharz wurden zum Beispiel gar keine Kieslagen erschürft bzw. erbohrt. In den Lehmen des flächenhaften Vorkommens westlich von Elbingerode sind Kiese dagegen weitaus häufiger verbreitet. Die Untersuchung im Gelände hat bereits gezeigt, dass die Kiesspektren dieses Vorkommens recht homogen aufgebaut sind. Aus den 11 Proben wurden die Kiesfraktionen > 4 mm bis 8 mm, > 8 mm bis 16 mm sowie > 16 mm durch Nasssiebung gewonnen. Eine Bestimmung der Kiese wurde zunächst an den Fraktionen > 4 mm bis 8 mm und > 8 mm bis 16 mm unter dem Binokular vorgenommen. Jedoch werden in dieser Arbeit nur die Komponenten der Fraktion > 4 bis 8 mm miteinander verglichen. Der Grund dafür ist, dass nur für diese Korngrößenklasse statistisch sinnvolle Ergebnisse durch eine genügend große Anzahl untersuchter Einzelkiese vorliegen. Soweit dies möglich war, erfolgte die Bestimmung der Komponenten an mindestens 300 Körnern. In einigen Proben wurde eine geringere Anzahl von Kiesen ausgezählt, weil durch die Gewinnung der Proben aus Bohrkernen eine begrenzte Menge an Probenmaterial für die Analyse zur Verfügung stand. 4.5.6 Tonmineralanalyse An fünf Proben der Tertiärvorkommen im Mittelharz wurde die Tonmineralzusammensetzung der Tonfraktion röntgenographisch bestimmt. Die Auswahl der Proben erfolgte mit dem Ziel, Tone aus den drei bekannten tertiären Sand- und Tonvorkommen am Hartenberg, nördlich von Hüttenrode und am Schmidtskopf im Susenburger Revier vergleichen zu können (siehe Tabelle 4.6). Der Tonmineralanalyse kommt innerhalb der angewendeten Methoden in dieser Arbeit eine ergänzende Funktion zu. Anhand der Ergebnisse können Hinweise über ein präquartäres Alter der Ablagerungen abgeleitet werden. Die Aufbereitung und Untersuchung der Proben wurde von Herrn Dr. O. Rügner im Labor der Firma: TETRAGON Analyse + Technik in Mannheim durchgeführt. Die aufwendige labortechnische Vorbereitung der Proben bis hin zur Anfertigung der Pulver- und Texturpräparate folgt der Beschreibung der Arbeitsschritte in RÜGNER (2000). Die Diffraktometeraufnahmen der Präparate wurden durch Messungen am Siemens-Diffraktometer D 5000 realisiert (Cu-Röntgenröhre, CuKa-Strahlung [λ= 1,5405 Å], Anaodenspannung: 40 kV, Anodenstrom: 30 mA, GraphitSekundärmonochromator) (RÜGNER 2007a, 2007b). Methoden 43 Tabelle 4.6: Probenauswahl für die Untersuchung der Tonminerale mittels Röntgenbeugungsanalyse an Pulver- und Texturpräparaten Standort Bohrung, im Mittelharz Aufschluss Hüttenrode Hartenberg Schmidtskopf westl. v. Elbingerode Teufe Probe Farbe Lithologie [m] Präparate Pulver Textur Textur Textur luft- luft- glyko- geglüht trocken trocken lisiert (350°C) x x x RKB Hüt 1/04 3.0-3.5 TP/3 hellgrau fS, t, u, ms' x RKB Hüt 1/04 7.3-7.8 TP/9 weiß, grau S, t, u, fg' x Schurf V 2.0 V/5 weißgrau T, u x x x x Schurf V 2.0 V/6 graublau T, u, S x x x x Schurf O 3.5 0/3 weißgrau U, t, fS x x x x Schurf P 1.8 P/4 weiß T, u x x x x 32/3 rotbraun U, t, g', fs' x RKS 32 3.2-4.0 a) Röntgenbeugungsanalyse an Pulverpräparaten In einem ersten Untersuchungsschritt wurden Röntgenbeugungsmessungen an Pulverpräparaten von sieben Proben durchgeführt, deren Grobanteil > 63 µm vorher entfernt worden ist. Anhand der Ergebnisse wurden aus diesen sieben Proben fünf Proben ausgewählt, von denen Texturpräparate für weitere Messungen angefertigt wurden (siehe Tabelle 4.6). Die Diffraktogramme (vgl. Anlage 12) dieser fünf Proben lassen auf die Abwesenheit von Eisenoxiden, karbonatischen Verbindungen und organischen Anteilen schließen. Durch diese Herangehensweise wurde eine aufwendige Vorbehandlung der Proben zur Abtrennung der genannten Substanzen vermieden. Die Ergebnisse der Pulverpräparatmessungen der Proben TP/3 und TP/9 aus dem Profil bei Hüttenrode lassen eine ähnliche Zusammensetzung der Proben vermuten. Nur von der Probe TP/3 wurden Texturpräpate angefertigt (vgl. Tabelle 4.6). b) Röntgenbeugungsanalyse an Texturpräparaten Von den fünf Proben für weitere Untersuchungen wurde die Tonfraktion < 2 µm mittels Zentrifuge abgetrennt. Von der Tonfraktion dieser ausgewählten Proben wurden mehrere texturierte Sedimentationspräparate hergestellt, in denen die Tonminerale parallel zur Basisfläche orientiert sind (vgl. RÜGNER 2000). Die Röntgenbeugungsanalyse erfolgte zunächst an lufttrockenen Texturpräparaten. Aus den typischen Beugungsreflexen wurde die Zusammensetzung der Tone bestimmt. Die einzelnen Feststoffphasen sind durch verschiedene Indexlinien in den Diffraktogrammen gekennzeichnet. Der Nachweis der Quellfähigkeit erfolgte durch röntgenographische Messungen an glykolisierten Texturpräparaten. Durch die gezielte Einlagerung von Ethylenglykol (C2H6O2) wird eine charakteristische Expansion der Gitter der quellfähigen Tonminerale erreicht, die gegenüber dem lufttrockenen Präparat eine Verschiebung der Beugungsreflexe zu kleineren 2-theta-Winkeln erzeugt. Durch Glühen der Präparate bei 350°C wurde anschließend eine gezielte Kontraktion der Basisflächenabstände bewirkt, wodurch sich die smektitischen Beugungsreflexe zum Illit-(001)-Reflex hin verschieben und dessen Intensität in der Regel erhöhen (MOORE & REYNOLDS 1997, RÜGNER 2000, RÜGNER 2007b) (siehe Anlage 12). Anhand der röntgenographischen Untersuchungen wurde eine rein qualitative Bestimmung der Tonminerale vorgenommen. Die Auswertung der Röntgenbeugungsmuster erfolgte ohne den Methoden 44 Nachweis der entsprechenden Elemente mittels chemischer Analysen. Auf Basis der durchgeführten Diffraktometermessungen markieren die Indizierungen daher die wahrscheinliche Kombination der anwesenden Mineralphasen (RÜGNER 2007a, 2007b). 4.5.7 Untersuchung von Dinoflagellatenzysten Im Verlauf der Untersuchungen dieser Arbeit wurden insgesamt 110 Proben palynologisch aufbereitet und auf Dinoflagellatenzysten mit organischer Wandung (Dinozysten) bzw. auf Pollen und Sporen untersucht (KÖNIG et al. i. Vorb.). Der größte Anteil von insgesamt 92 Proben wurde im Rahmen einer Kooperation im Labor der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover aufbereitet. MITTEL Serien 20 MIOZÄN 15 UNTER Alter [Mio a] Internationale Stufen Dinozysten Zone DN 5 LANGHIUM 14.8 15.97 DN 4 15.97 19.4 20.43 23.03 Distatodinium paradoxum DN 3 BURDIGALIUM AQUITANIUM 22.6 (20.0)Anb 35 OBER Distatodinium biffii D 15 D 14 RUPELIUM Ana 33.9 33.5 EOZÄN D 13 Rhombodinium draco; Chiropteridium lobospinosum, Wetzeliella gochtii Enneadocysta pectiniformis; Ennedocysta arcuata Chiropteridium galea, Chiropteridium lobospinosum Glapyrocysta microfenestrata Anc Distatodinium paradoxum D 12 Anb PRIABONIUM 36.2 37.2 40.4 MITTEL 45 Anb (31.0) Ana 37.2 BARTONIUM 38.8 40 Chiropteridium galea 24.4 CHATTIUM 28.4 OBER UNTER OLIGOZÄN 30 Cordosphaeridium cantharellum Exochosphaeridium insigne D 16 Ana DN 2 DN 1 25 Index-Marker; Hilfsmarker 40.4 D 11 D 10 Enneadocysta pectiniformis Anb LUTETIUM D9 48.6 48.0 Ana Ennedocysta arcuata “Komplex” Abb. 4.6: Index-Arten und Hilfsmarker der modifizierten Dinozysten-Zonierung in Norddeutschland vom mittleren Eozän bis Mittel-Miozän für die biostratigraphische Einordnung der Proben (nach KÖTHE 2003, 2005a, KÖTHE & PIESKER 2007 und KÖTHE schriftl. Mitt., verändert) (KÖNIG et al. i. Vorb.) Methoden 45 Die Aufbereitung erfolgte nach der Standardmethode mit HCL, HF und Ultraschallsiebung mit 10-µm-Gaze. Aus den organischen Rückständen wurden Streupräparate in Glyzeringelantine angefertigt, die in der Dinozysten-Sammlung der BGR aufbewahrt werden. Die Untersuchung von 85 Präparaten auf Dinozysten erfolgte durch Frau Dr. A. Köthe an der BGR (Referat 3.25 Stratigraphie, Sammlungen). Das Ziel der Untersuchungen war, den marinen Einfluss in den tertiären Sedimenten des Mittelharzes und des Harzvorlandes festzustellen und eine biostratigraphische Einstufung der Proben aus den verschiedenen Aufschlüssen und Bohrungen anhand der Dinozysten-Vergesellschaftung vorzunehmen (KÖNIG et al. i. Vorb., KÖTHE 2005b, 2005c, 2006a, 2006b, 2006c, 2007a, 2007b, 2007c). Von den untersuchten und für diese Arbeit relevanten Proben wurden in 37 Präparaten Dinozysten bestimmt (siehe Anlage 2). Davon konnten 30 Proben anhand ihrer DinozystenVergesellschaftung stratigraphisch ins Tertiär eingestuft werden (siehe Anlagen 6 und 13). Die biostratigraphische Einstufung folgt KÖTHE (2003, 2005a) und KÖTHE & PIESKER (2007). Die zur Einstufung herangezogenen Index-Marker und Hilfsmarker sind in dem Ausschnitt der stratigraphischen Tertiärtabelle nach KÖTHE (schriftl. Mitt.) in Abbildung 4.6 dargestellt. Fast alle Proben mit Dinozysten stammen aus Bohrungen und Aufschlüssen am nördlichen Harzrand zwischen Wienrode und Thale. Von den untersuchten Sedimenten im Mittelharz wurden vereinzelte Exemplare von Dinozysten nur in zwei Proben des Hartenberg-Vorkommens nachgewiesen. 4.5.8 Untersuchung von Pollen und Sporen Acht Proben wurden von Frau Dr. A. Götz und Frau K. Ruckwied im palynologischen Labor des Institutes für Geowissenschaften der Universität in Halle nach der Standardmethode aufbereitet und präpariert (siehe oben). Die Untersuchung der Pollen und Sporen nahm Herr Dr. H. Blumenstengel aus Jena vor. Zwei Proben des Tertiärvorkommens am Hartenberg im Mittelharz konnten anhand ihrer Palynomorphen stratigraphisch ins Tertiär eingestuft werden (vgl. KÖNIG et al. 2004, KÖNIG & BLUMENSTENGEL 2005) (vgl. Kapitel 5.4.3). Die biostratigraphische Auswertung des Pollenmaterials erfolgte nach KRUTZSCH (1970, 2000) und KRUTZSCH et al. (1992). Die Listen der bestimmten Palynomorphen dieser zwei Proben befinden sich in Anlage 14 und eine Auswahl an Pollen, Sporen, einzelnen Dinozysten und Acritarchen ist in Anlage 15 abgebildet. Das quartäre Pollen- und Sporenspektrum einer Probe vom Schmidtskopf im Mittelharz wurde von Frau Dr. H. Schneider am Institut für Geographie der Universität in Jena bestimmt (siehe Kapitel 5.4.5). Die Aufbereitung von zehn weiteren Proben nach der Standardmethode übernahm das Labor des Geologischen Dienstes Nordrhein-Westfalen (GD NRW) in Krefeld. Die Präparate wurden von Herrn Dr. R. Stritzke und Herrn Ch. Hartkopf-Fröder auf Pollen und Sporen untersucht. Zwei Proben der vom GD in Krefeld untersuchten Proben enthielten ausreichend Pollenmaterial. Eine pollenstratigraphische Einordnung der Sande der Bohrung RKS Wien 11 am Eggeröder Forsthaus am nördlichen Harzrand wurde durch Herrn Dr. R. Stritzke nach der Tabelle von V. D. BRELIE (1988) vorgenommen (siehe Kapitel 5.2.5, Anlage 16). Methoden 46 4.6 Digitales Höhenmodell und Reliefanalyse Höhendaten unterschiedlicher Auflösung wurden vom Landesamt für Geologie und Bergwesen Sachsen-Anhalt im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung zur Verfügung gestellt. Ein Datensatz für den gesamten Harz bestehend aus ATKIS-DGM-Daten mit einer Rasterweite von 50 m wurde unverändert vom Landesamt für Geologie und Bergwesen Sachsen-Anhalt übernommen. Der Datensatz für das Untersuchungsgebiet und angrenzender Bereiche besteht aus ATKISDGM-Daten mit einer Rasterweite von 10 m und einer Höhengenauigkeit von +/- 0,5 bis 1,0 m. Aussparungsflächen, zu denen Bergbauareale, Talsperren, Auengebiete und andere anthropogen gestaltete Bereiche zählen, wurden im Rahmen einer studentischen Projektarbeit anhand von Orthofotos, Tagebau-Karten der Fels-Werke GmbH und topographischen Karten mit Arc GIS digitalisiert und mit Höhenwerten versehen. Danach erfolgte eine Neuberechnung des digitalen Höhenmodells (DHM) mit dem Programm Arc Info. Dabei wurde zunächst ein TIN erzeugt, welches in einem zweiten Schritt in ein GRID umgerechnet wurde. Somit konnte eine höhere Genauigkeit des DHMs erreicht, und eine von der Realität stark abweichende Darstellung der Aussparungsflächen durch einfache Interpolation vermieden werden. (Abbildung 4.7). Abb. 4.7: Schummerungsdarstellung eines Ausschnitts des DHMs mit den Tagebauen Großer Hornberg und Elbingerode im Mittelharz; Links: berechnetes DHM mit Interpolation zufälliger Höhen in den Aussparungsflächen; Rechts: berechnetes DHM mit Zuweisung konkreter Flächen und Höhen in den Aussparungsflächen anhand von Karten und Orthofotos mit Stand von 2002 (Projektarbeit: Herr M. Denk 2007, verändert) Die Höhenmodelle wurden zur Visualisierung des Großformenschatzes des Harzes und zur Reliefanalyse im Untersuchungsgebiet eingesetzt. Aus den Höhendaten wurden die geomorphologischen Standardparameter Hangneigung, Exposition sowie Horizontal- und Vertikalwölbung mit den Programmen Arc GIS bzw. Arc View abgeleitet und für eine Interpretation des Formenschatzes angewendet (vgl. KÖNIG 2001). Darüber hinaus wurden Isohypsen, Schummerung und Höhenprofile aus den Daten erstellt. Einige dieser Parameter finden in den angefertigten Karten und Profilen dieser Arbeit ihre Verwendung. Darüber hinaus wurden die Einzugsgebiete der Fließgewässer des Harzes anhand der Topographischen Karten 1: 25.000 digitalisiert und abgebildet. Die Klassenbildungen zur Darstellung der Höhenstufung, der Hangneigung und der Isohypsen orientieren sich an BARSCH et al. (1978), DALCHOW (1985), KUGLER (1982) und LESER & STÄBLEIN (1978), wobei einzelne Klassengrenzen an die Fragestellungen dieser Arbeit angepasst wurden.