Oberflächenquantifizierung an Schwarzpeliten unterschiedlicher

Oberflächenquantifizierung an Schwarzpeliten
unterschiedlicher Verwitterungsgrade
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
vorgelegt dem Rat der Chemisch-Geowissenschaftlichen Fakultät der
Friedrich-Schiller-Universität Jena
von Dipl.-Geol. Cornelius Fischer
geboren am 9. April 1974 in Marienberg/ Erzgebirge
Gutachter:
1. Prof. R. Gaupp, Jena
2. Prof. K. Heide, Jena
3. Prof. R. Littke, Aachen
Tag der öffentlichen Verteidigung: 8. Mai 2002
II
FISCHER, CORNELIUS (2002): Oberflächenquantifizierung an Schwarzpeliten unterschiedlicher
Verwitterungsgrade.– 117 S., Dissertation, Friedrich-Schiller-Universität, Jena.
Kurzfassung
Das Reaktionsverhalten von Gesteinsoberflächen ist durch die Quantifizierung ihrer reaktiven
Anteile abschätzbar. In der vorliegenden Arbeit wird auf die Oberflächenquantifizierung von
Schwarzpeliten bei Bleichungsverwitterung fokussiert.
Die oxidative Bleichungsverwitterung von Schwarzpeliten wurde exemplarisch an Alaunschiefer aus
dem Silur und Unterdevon von Ost- und Südthüringen untersucht. Alaunschiefer kann in Oberflächenaufschlüssen aufgrund mesozoisch-tertiärer Verwitterung vollständig gebleicht vorliegen.
Ausgehend von natürlichen Grenzflächen im Gestein treten außerdem quartärzeitliche kleinräumige,
millimetergroße Bleichungshöfe im sonst großräumig ungebleichten Gestein auf.
Die geochemisch-mineralogischen Eigenschaften im unverwitterten und verwitterten Zustand sowie
deren Entwicklung bei der Gesteinsbleichung wurden ermittelt. Alaunschiefer enthalten neben Quarz
und Illit/ Muskovit auch organischen Kohlenstoff, letzteren im unverwitterten Gestein zwischen
6 und 23 Gew. %. Die Bleichung bewirkt einen drastischen Abbau von organischem Kohlenstoff auf
weniger als 1 Gew. %. Eisen, Schwefel und Spurenelemente können bei der Bleichungsverwitterung
ebenfalls mobilisiert werden.
Ein Methodenkonzept zur skalenübergreifenden Quantifizierung der Gesteinsoberflächen, von makroskopischen Grenzflächen bis zu nanometergroßen Mikroporen wird vorgestellt und auf ungebleichte und gebleichte Alaunschiefer vergleichend angewendet. Makro- und mikroskopische petrographische Methoden, mechanische und optische Rauhigkeitsanalysen sowie quecksilberporosimetrische und Stickstoff-Adsorptions-Untersuchungen sind dafür notwendig. Einerseits ist damit eine
bezüglich der Ortsauflösung lückenlose Quantifizierung der Gesteinsoberflächenanteile möglich.
Andererseits kann durch die Analyse derjenigen Gesteinsbestandteile, die sich bei der Bleichungsverwitterung verändern, abgeschätzt werden, wie groß diese reaktiven Anteile der Gesteinsoberfläche sind. Unter Berücksichtigung derjenigen kleinräumigen Bleichungsvolumina, die mit einer
quartärzeitlichen Verwitterung im Zusammenhang stehen, kann die hochskalierte potentiell reaktive
Oberfläche in einem Alaunschiefervolumen berechnet werden. Diese Oberfläche beträgt wenige
km2/m3 und verkleinert sich deutlich, wenn organisches Material abgebaut wird.
Die Bleichungsverwitterung bewirkt vorrangig den Abbau meso- und mikroporöser organischer
Substanz aus dem Alaunschiefer. Dieses organische Material ist im unverwitterten Gestein im wesentlichen als Überzug auf den Tonmineralen vorhanden. Im Vergleich zum organischen Material
wird die Oberflächengröße der gesteinsbildenden Minerale bei der Bleichungsverwitterung über
Fehlergrenzen hinausgehend nicht beeinflußt.
Das vorgestellte Methodenkonzept wird bei der Untersuchung der Reaktivität der Komponenten
eines quartären Sedimentkörpers getestet. Die weitere Anwendung, bspw. auch auf anthropogenes
Haldenmaterial, erscheint erfolgversprechend.
III
FISCHER, CORNELIUS (2002): Surface quantification of black shales in different weathering
states.– 117 pp., thesis, Friedrich-Schiller-Universität, Jena.
Abstract
The reactivity of rock surfaces can be valued by the quantification of their reactive surfaces.
This study focusses on the surface quantification of black shales depending on different
bleaching weathering states.
The oxidative bleaching of black shales was examined at Silurian and Lower Devonian alum
shales from East and South Thuringia. Completely bleached alum shale occurs due to Mesozoic-Tertiary sub-uncornformity weathering. Additionally, small-scale, mm-large bleached
sections in the otherwise unbleached rocks occur on the basis of natural boundary surfaces in
the rock.
The geochemical and mineralogical properties of bleached and unbleached alum shales were
determined. Alum shales contain Quartz and Illite/ Muscovite as well as 6 to 23 wt. % organic
carbon. Bleaching causes a drastic decrease of organic carbon down to less than 1 wt. %. Iron,
Sulfur and trace elements can be mobilized likewise during the bleaching weathering.
A methodical concept for the scale-skip quantification of the rock surfaces, from macroscopic
bounding surfaces to nm-large micropores is presented and applied to unbleached and
bleached alum shales comparatively. Macroscopic and microscopic petrographic methods,
mechanical and optical roughness analyses as well as mercury-intrusion and nitrogen adsorption (B.E.T.) studies substantiate this quantification without gaps in spatial resolution.
Additionally the amount of weathering-reactive rock surface area can be upscaled by the surface quantification of those rock constituents, which are altered during weathering.
On the basis of those small-scale bleaching volumes the potentially reactive surface area of
alum shale has been upscaled. This surface area averages a few km2/m3 and decreases by oxidative destruction of the organic material in the alum shale.
The bleaching weathering causes the decrease of meso- and micro-porous organic substance
from the alum shale. This organic material appears to coat the surface of the clay minerals of
unbleached alum shale. The specific surface area of the siliclastic rock constituents is not influenced during the bleaching decomposition beyond the analytical error limits.
The presented methodical concept is applied to the investigation of the reactive portion of
Quarternary sediments. Other applications of this concept are promising, such as the quantification of reactive surface portions of anthropogenic dump sediments.
IV
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung
III
Abstract
IV
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungen und Symbole
VII
VIII
IX
1 Einleitung
1.1 Motivation, Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Reaktivität von Gesteinsoberflächen, Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Geologischer Rahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Bisherige Untersuchungen
........................................
1.6 Aufschlüsse, Beprobung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
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2
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17
2 Methodik
2.1 Mineralogisch-geochemische Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Methodik der Oberflächenquantifizierung, Anwendung auf Gesteinsoberflächen
19
19
23
3 Ergebnisse und Diskussion
3.1 Petrographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Geochemie der Verwitterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kohlenstoff-, Stickstoffgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hauptelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spurenelementgehalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ortsaufgelöste Geochemie
........................................
Mineralneubildungen, Minerallösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Quantifizierung der Gesteinsoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geometrische Gesteinsoberfläche, m-mm-Auflösung
...................
Äußere Gesteinsoberfläche, mm-µm-Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Innere Gesteinsoberfläche, µm-nm-Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dichte des bei der Bleichung abgeführten Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
AFM-Untersuchungen an Alaunschiefer-Präparaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Zeitliche Aspekte der Bleichung von Alaunschiefer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Hochskalierung der Oberflächendaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Anwendung der Oberflächenquantifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
31
43
43
44
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97
4 Schlußfolgerungen und Zusammenfassung
101
5 Danksagungen
108
6 Literatur
109
Anhang
V
VI
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1:
Abb. 2:
Abb. 3:
Abb. 4:
Abb. 5:
Abb. 6:
Abb. 7:
Abb. 8:
Abb. 9:
Abb. 10:
Abb. 11:
Abb. 12:
Abb. 13:
Abb. 14:
Abb. 15:
Abb. 16:
Abb. 17:
Abb. 18:
Abb. 19:
Abb. 20:
Abb. 21:
Abb. 22:
Abb. 23:
Abb. 24:
Abb. 25:
Abb. 26:
Abb. 27:
Abb. 28:
Abb. 29:
Abb. 30:
Abb. 31:
Abb. 32:
Abb. 33:
Abb. 34:
Abb. 35:
Abb. 36:
Abb. 37:
Abb. 38:
Abb. 39:
Abb. 40:
Abb. 41:
Abb. 42:
Abb. 43:
Abb. 44:
Abb. 45:
Abb. 46:
Abb. 47:
Abb. 48:
Abb. 49:
Abb. 50:
Abb. 51:
Vorgehensweise zur Quantifizierung der reaktiven Gesteinsoberfläche
Vereinfachte geol. Karte von Südthüringen mit Markierung der Beprobungspunkte
Paläogeographische Karte von Laurentia, Baltica, Nordgondwana im Unterdevon
Prinzip der Paraffintauchmethode
Gesteinspolyeder-Oberfläche aus Paraffinummantelung und Quadermodell
Schematische Darstellung einer Adsorptionsisothermen
Aufschluß Gammigtal (STEINBACH et al. 1970)
Aufschlüsse und Proben aus dem Gammigtal
Tertiäre Verebnungsfläche bei Hohenleuben sowie Aufschlüsse und Proben
Dünnschliffmikroskopische Aufnahmen (Gammigtal, Hohenleuben) I
Dünnschliffmikroskopische Aufnahmen (Gammigtal, Hohenleuben) II
Aufschlüsse und Proben an der “Steinernen Rose” und am Auberg
Zonierte Probe 211-2
Vanadiumgehalt über Kohlenstoffgehalt für Graptolithenschiefer
Steinbruch Hohenleuben, Urankonzentrationen an Alaunschiefern
Steinbruch Hohenleuben, Urankonzentrationen an Kieselschiefern
Elementhäufigkeitskartierungen an 224-1
Elementhäufigkeitskartierungen an 224-2
Elementhäufigkeitskartierungen an 129c
Häufigkeit von Si und Al im Alaunschiefer (ICP-MS-LA-Standard)
Übersicht: Proben für ICP-MS-LA
Elementverhältnisse aus ICP-MS-LA-Messungen an 129
Elementverhältnisse aus ICP-MS-LA-Messungen an 140
Elementverhältnisse aus ICP-MS-LA-Messungen an 187
Röntgendiffraktometrie an der Tonkornfraktion von Alaunschiefer
Innere Oberfläche: inter- und intragranularer Porenraum
Methodenkonzept der skalenübergreifenden Oberflächenquantifizierung
Gesteinspolyeder-Entstehung (WALTHER 1905)
Histogramme der Oberflächengröße von Gesteinspolyedern aus Hohenleuben
Histogramme der Grenzflächendichte von Gesteinspolyedern aus Hohenleuben
Rauhigkeit (Rq) in Abhängigkeit vom Verwitterungszustand (DEKTAK)
Rauhigkeitsfaktor (F) in Abhängigkeit vom Verwitterungszustand (DEKTAK)
Periodische Oberflächenformen, Welligkeit
Rauhigkeit (Rq) in Abhängigkeit vom Verwitterungszustand (LSM, WLI)
Rauhigkeitsfaktor (F) in Abhängigkeit vom Verwitterungszustand (LSM, WLI)
Oberflächen mit gleicher Rauhigkeit und unterschiedlichem Rauhigkeitsfaktor
REM-Aufnahmen, Alaunschiefer
REM-Aufnahmen, Kieselschiefer
Lichtmikroskopie an organischem Material
REM-Aufnahmen, Sekundärminerale, Lösungserscheinungen
Porenradius, Porosität (Quecksilberporosimetrie)
Innere Gesteinsoberfläche (BET, Hg-Porosimetrie)
Dichte für Alaunschiefer aus dem Unteren und Oberen Graptolithenschiefer
Dichte des mikroporösen Gesteins
Schematische Darstellung der Poren auf einer polierten Schliffoberfläche
Oberfläche von polierten Dünnschliffen mit AFM
Zeitlicher Verlauf der Bleichungsverwitterung
Zusammenhang zwischen innerer Oberfläche und Kohlenstoffgehalt
Konzept zur Quantifizierung der inneren Gesteinsoberfläche
Lithologie quartärer Sedimente aus dem Gessental
Schematische Darstellung der inneren Gesteinsoberfläche und ihrer Änderung
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70
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72
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84
84
89
90
93
95
95
97
103
VII
Tabellenverzeichnis
Tab. 1:
Tab. 2:
Tab. 3:
Tab. 4:
Tab. 5:
Tab. 6:
Tab. 7:
Tab. 8:
Tab. 9:
Tab. 10:
Tab. 11:
Tab. 12:
Tab. 13:
Tab. 14:
Tab. 15:
Tab. 16:
Tab. 17:
Tab. 18:
Tab. 19:
Tab. 20:
Tab. 21:
VIII
Klassifikation der karbonatfreien Schwarzpelite (ZIMMERLE & STRIBRNY 1992)
Stratigraphie und lithologische Gliederung der Graptolithenschiefer in Thüringen
Mineralgehalt der Kiesel- und Alaunschiefer (SZUROWSKI 1967)
Chem. Zusammensetzung von Kiesel- und Alaunschiefern nach LEUTWEIN (1951),
HUNDT (1939), MEINEL (1974)
Spurenelementgehalte in Anthraxolith (SZUROWSKI 1967)
Spurenelementgehalte in Alaunschiefer aus dem Schwarzburger Sattel (LÜTZNER et
al. 1984)
Übersicht über Aufschlüsse und Probenlokationen
Petrophysikalisches und geochemisches Methodenkonzept
Räumliches Auflösungsvermögen des LSM
Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt der zonierten Probe 211-2
Chemismus des Unteren Graptolithenschiefer in Thüringen (SZUROWSKI 1967,
LEUTWEIN 1951)
Beobachtungen aus Mikrosonden-Elementhäufigkeitskartierungen
Röntgendiffraktometrie an der Tonkornfraktion von Alaunschiefer aus
Hohenleuben
Mikrosondenanalytik an Probe 129
Porenklassifikation: Mikro-, Meso- und Makroporen
Grenzflächenabstände im Gestein
Polyederoberflächengröße
Rauhigkeitsparameter
Rauhigkeit an Probe 211-2
Innere Gesteinsoberfläche (BET, Hg-Porosimetrie)
Oberflächendaten für Alaunschiefer
8
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15
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94
Verzeichnis verwendeter Abkürzungen und Symbole
AFM
BET
Corg
DEKTAK
EMA
EMP
F
ICP-MS-LA
LOI
LSM
Ra
REM
RFA
rms
Rq
S1
S2
S3
SEM
SFM
TEM
TIC
TOC
WLI
XRD
XRF
X00
atomic force microscopy
Adsorbtion von Gasmolekülen an einer Festkörperoberfläche nach BRUNAUER,
EMMET & TELLER (1938) zur Bestimmung der inneren Oberfläche
organischer Kohlenstoff
Gerätename des Profilometers
Elektronenstrahl-Mikrosondenanalyse
engl. für EMA
Rauhigkeitsfaktor
Massenspektrometrie mit induktiv gekoppelter Plasmaionenquelle und
Laserablation
lost on ignition (Glühverlust)
Laser-Scanning-Mikroskop
Rauhigkeit, aus arithmetischem Mittel der Abweichungen berechnet
Rasterlektronenmikroskop
Röntgenfluoreszenzanalyse
root mean square, quadratischer Mittelwert; rms-Rauhigkeit = Rq
Rauhigkeit, aus quadratischem Mittel der Abweichungen berechnet
Unterer Graptolithenschiefer
Ockerkalk
Oberer Graptolithenschiefer
engl. für REM
engl. für AFM
Transmissionselektronenmikroskop
total inorganic carbon
total organic carbon
Weißlicht-Interferometer
x ray diffraction (Röntgenbeugung)
engl. für RFA
mehrere Hundert, analog verwendt X0 etc.
IX
1
Einleitung
1.1 Motivation und Ziele
Aus Schwarzpeliten wurde im Ronneburger Revier (Ostthüringen) zwischen 1952 und 1990 von
der SDAG WISMUT Uran gewonnen. Flutungswasser aus den Grubengebäuden und Grundwasser treten jetzt bei der Rekultivierung der ehemaligen Bergbaulandschaft durch die WISMUT GmbH in Interaktion mit Talsedimenten sowie Haldenmaterial, mit dem ein ehemaliger
Tagebau verfüllt wurde.
Ausgangspunkt der vorliegenden Untersuchungen war die Frage nach der Oberflächenreaktivität von Alaunschiefer, der im umgelagerten Haldenmaterial und in Bachsedimenten auftritt.
Um die Oberflächenreaktivität zu quantifizieren, wurde frischer Alaunschiefer aus Aufschlüssen
in Ost- und Südthüringen mit Alaunschiefer verglichen, der in diesen Aufschlüssen gebleicht
vorliegt.
Die Quantifizierung der Gesteinsoberfläche mit unterschiedlich hoher Ortsauflösung ist Gegenstand dieser Arbeit. Mit dieser Oberflächenquantifizierung werden Aussagen zu den flächenmäßig dominierenden Gesteinsbestandteilen und zur Gesamtoberfläche eines Gesteinsvolumens
gewonnen. Weiterhin wird durch den Vergleich der Gesteinsoberfläche unterschiedlich stark
verwitterter Lithotypen die Oberflächenänderung durch Verwitterungsprozesse quantifizierbar;
gleichzeitig sind damit Rückschlüsse auf die reaktiven Anteile der Gesteinsoberfläche möglich.
Während bisher überwiegend die Flächenänderungen monomineralischer Modellsysteme bei
Ad- und Desorptionsvorgängen analysiert bzw. polymineralische Systeme summarisch bzgl.
ihrer Lösungsverwitterung betrachtet wurden, sollen mit den vorliegenden Untersuchungen diejenigen Gesteinsflächen des polymineralischen Systems „Alaunschiefer“ quantifiziert werden,
die an der Bleichungsverwitterung im Gestein beteiligt sind. Dazu ist es notwendig, die geochemisch-mineralogischen Randbedingungen der verwitterten und unverwitterten Lithotypen
mit der Flächenänderung zu parallelisieren.
Kernpunkt der Untersuchungen ist die Abschätzung der potentiellen reaktiven Gesteinsoberfläche im natürlichen System. Die Quantifizierung der spezifischen inneren und äußeren Oberfläche des Gesteins kann dann durch Hochskalierung der Oberflächendaten von Probenvolumina auf natürliche Gesteins-Kompartimente geschehen, wenn deren Oberflächenanisotropien –
analysierbar in unterschiedlich hochauflösender Betrachtungsweise – berücksichtigt werden.
Aus dieser skalenübergreifenden Flächenquantifizierung und ihrer Anwendung für verwittertes
und unverwittertes Gestein ist die Reaktivität der Gesteinsoberfläche erfaßbar.
1
1.2 Reaktivität von Gesteinsoberflächen: Stand der Forschung
Spezifische Oberfläche, Porenradienverteilung, Petrophysikalische Fazies
Direkt anschließend an die grundlegenden Untersuchungen zur BET-Adsorption (BRUNAUER et
al. 1938) zeigten EMMET et al. (1938) das Potential der Stickstoffadsorption zur Bestimmung
der spezifischen Oberfläche von Bodenmaterial. An nicht näher mineralogisch charakterisierten
Bodenproben wurden spezifische Oberflächen in der Größe von mehreren Zehner m2/g ermittelt, ähnliche Ergebnisse erzielten MAKOWER et al. (1937). Als Hauptursache der inneren Oberfläche wurden Kolloide angegeben, nach SPOSITO (1998) handelt es sich bei Bodenkolloiden
um schwerlösliche feste Teilchen (Tonminerale, Metalloxide, Bodenhumus etc.) mit Durchmesser zwischen 0.01 und 10 µm.
Die spezifische Oberfläche von Tonmineralen ist gut bekannt (NELSON & HENDRICKS 1944,
SCHACHTSCHABEL et al. 1992, CZURDA 1998), auch die Abhängigkeit der gemessenen Oberfläche insbesondere quellfähiger Minerale von dem verwendeten Analyse-Adsorbat (GRIM
1968). Die spezifische Oberfläche von mineralischen Materialien kann bei bekannten Kristalldimensionen und -dichten auch berechnet werden. CORNELL & SCHWERTMANN (1996) benennen mögliche Abweichungen zwischen Berechung und Messung mit bis zu 10-20 %. Berechnete Flächendaten sind kleiner als gemessene, wenn poröse Minerale, nämlich solche mit
innerer Oberfläche, vorliegen. Zu beachten ist der deutliche Einfluß der Korngrößenverteilung
der Kristalle auf die Gesamtfläche.
CORNELL & SCHWERTMANN (1996) vergleichen spezifische Oberflächen von Eisenoxiden und
betonen die in Größenordnungen variierenden Flächenunterschiede in Abhängigkeit der isochemischen Kristallform, bspw. für Spekularit mit deutlich weniger als 1 m2/g im Kontrast zu feinpulvrigem synthetischen Hämatit, dessen spezifische Oberfläche mehrere hundert m2/g erreichen kann.
Summarische Beschreibungen von Gesteinsoberflächen können modellhaft mit fraktaler Geometrie erfolgen (POON et al. 1992). Die fraktale Dimension wird in Beziehung gesetzt zu Materialeigenschaften, die die Oberfläche, bspw. von Böden (SOKOLOWSKA & SOKOLOWSKI 2000)
beeinflussen können.
Nach der Klassifikation der „International Union of Pure and Applied Chemistry“ (IUPAC
1985) werden Poren nach ihrem Durchmesser eingeteilt in
•
Makroporen, d > 50 nm
•
Mesoporen, 2 nm < d ≤ 50 nm
•
Mikroporen, 0.02 nm < d ≤ 2 nm.
Mit Stickstoffadsorption werden Mesoporen untersucht (ROUQUEROL et al. 1999, DIN 66131,
DIN 66134), Makro- und Mesoporen können quecksilberporosimetrisch (DIN 66133) analysiert
werden. Mikroporen, die insbesondere bei quellfähigen Tonmineralen auftreten, sind bspw.
durch Wasserdampfadsorption zu ermitteln (CZURDA 1998). Verifizierung und Änderung der
2
Porenanteile überhaupt und in-situ-Änderungen durch Minerallösung und -präzipitation (BOSBACH et
al. 1998) sind insbesondere mit AFM-Methodik erfaßbar.
Äußere Materialoberflächen werden zur Oberflächencharakterisierung mechanisch oder optisch
abgetastet. Nadelinstrumente arbeiten im direkten Kontakt von Tastspitze und Untersuchungsmaterial. Hier sind Welligkeiten und Rauhigkeiten mit großer Amplitude meßbar (THOMAS
1999, Untersuchungen zu Gesteinsoberflächen bei POON et al. 1992). Lichtmikroskopische
Verfahren verwenden Bildschnitte mit geringen Abständen in vertikaler Richtung und entsprechend kleiner Tiefenschärfe (konfokales Laser-Scanning). Die Anwendung von Interferometern gestattet darüberhinaus höhere Ortsauflösung in z-Richtung und einen schnelleren Aufbau der Bildschnitte (GLIECH et al. 1999, THOMAS 1999).
Anwendung finden oberflächen- und porenspezifische Parameter insbesondere bei petrophysikalischen Analysen von Reservoirgesteinen (SONG et al. 2000, TANGUAY & FRIEDMANN 2001)
oder bei Barriereeigenschafts-Untersuchungen (HILTMANN & STRIBRNY 1998).
Änderung der spezifischen Oberfläche, Lösungserscheinungen
Kinetische Modelle beschreiben mathematisch die Lösungsraten für monomineralische Systeme
mit Modell-Bedingungen hinsichtlich Konzentration, Temperatur und pH-Wert der Lösungen
(HELGESON et al. 1984, LASAGA 1984, GLYNN et al. 1990, NAGY et al. 1991, WHITE &
BRANTLEY 1995, LASAGA 1998) oder natürliche Systeme mit beschränkten Randbedingungen
(SVERDRUP & WARFVINGE 1988, HARPER et al. 1998). BALAN et al. (2001) untersuchten das
Lösungsverhalten von Zirkon, BURCH et al. (1993) das von Albit. Durch Lösungserscheinungen
entstehende Oberflächen-Veränderungen an Albit beschreiben HELLMANN et al. (1990). Die
pH-Abhängigkeit der Lösungsraten für gesteinsbildende Silikate wurde von BRADY & WALTHER
(1989) untersucht. ROSSO et al. (1999) diskutieren die Interaktion von Pyritoberflächen
mit Sauerstoff und Wasserdampf. Hierbei gewinnen auch hochauflösende in-situ-Visualisierungs-Methoden (Atomkraftmikroskopie) für das räumliche Verständnis der Lösungserscheinungen an Bedeutung (DOVE & PLATT 1996), derartige Untersuchungen wurden von JOHNSSON
et al. (1992) an Muskovit-Flächen und von PUTNIS et al. (1995) an Baryt durchgeführt. RUFE &
HOCHELLA (1999) konnten unter Benutzung einer Fluidzelle mit dem AFM die reaktive Oberfläche von Phlogopit abschätzen.
Die Änderung der spezifischen Mineraloberfläche bei Lösungsvorgängen wird mit folgenden
Schwerpunkten diskutiert: ANBEEK (1992a) findet als dominierenden Faktor der Feldspatverwitterung den Zuwachs der inneren Mineraloberfläche im mikroporösen Bereich (d < 2 nm) und
stellt dafür ein kinetisches Modell (ANBEEK 1992b) vor. Der Zuwachs an innerer Oberfläche ist
ein besserer Indikator für Verwitterungsvorgänge als die Ätzgruben-Veränderungen (HOLDREN
& SPEYER 1984) mit Beitrag zur äußeren Oberfläche. Somit sind BET-Untersuchungen sensitiver für den Test auf Lösungsverwitterung als Rauhigkeitsuntersuchungen auf Mineralober-
3
flächen (ANBEEK 1993). Bei der Lösungsverwitterung reagiert Quarz träger als Feldspat (ANBEEK
et al. 1994). Allerdings verursacht fortschreitende Lösung, beginnend an Kristalldefekten,
keine Erhöhung der reaktiven Oberfläche, da nichtreaktive Wände zwischen den Mikroporen
eine gerichtete Lösung und damit Vertiefung (vs. Lateral-Ausbreitung) verursachen (ANBEEK
1993, GAUTIER et al. 2001).
WELCH & BANFIELD (2002) zeigen, daß die in ihrer Form durch kristallographische Randbedingungen bestimmte Ätzgrubenausbildung auf Mineraloberflächen nicht pH-Wert-abhängig für
Olivin-Lösungsexperimente ist. Dies ist insbesondere für die Bewertung von Oberflächendaten
aus chemisch unterschiedlichen Milieus von Interesse. LASAGA & BLUM (1986) und LASAGA et
al. (1994) beschreiben die Entwicklung von Ätzgruben auf Mineraloberflächen in Abhängigkeit
von ∆G (freie Energie) zwischen Lösung und Mineral.
Lösungsexperimente an unverwitterten Mineralen oder Mineralgemengen in wäßrigen Lösungen haben die Lösungskinetik und summarische Lösungsfracht unter Laborbedingungen gezeigt
(DAHMKE 1988, DAHMKE et al. 1988, HARPER et al. 1998, BULLEN et al. 1998). Summarische
Sorptionskapazitäten geogenen Materials werden in Schüttel- („Batch“-) Versuchen, Perkolations- (Säulenversuchen mit hydraulischem Gradienten) und Diffusionsversuchen (Säulenversuchen ohne hydraulischen Gradienten) bestimmt. Gravierende Unterschiede können bei dem
Vergleich von Sorptionsergebnissen aus Batch- und Perkolationsversuchen mit Ergebnissen aus
Diffusionsversuchen auftreten. Verantwortlich dafür sind die verwendeten Sickerwassersimulate
mit stark konzentrationsabhängigen Diffusionskonstanten konkurrierender Komponenten
(WAGNER et al. 1998). NUGENT et al. (1998) finden für Feldspatverwitterung einen Unterschied
zwischen Labor- und Feldbedingungen in der Ausbildung von „dünnen, wasserhaltigen, ungleichmäßigen Kutanen“ amorpher und kristalliner Alumosilikate im natürlichen System. Diese
Kutinierung kann für die Oberflächen-Inhibierung verantwortlich sein, die die Diskrepanz
zwischen Labor- und Feld-Lösungsraten für Minerale erklärt.
Der Einfluß von mikrobieller Aktivität auf die Lösungsverwitterung wird exemplarisch für Minerale untersucht, bspw. für Olivin (WELCH & BANFIELD 2002) oder Amphibole (BANFIELD &
BARKER 1994). Einerseits wird hier für Olivin eine Abbremsung der Lösungsvorgänge bei Vorherrschen biotischer Oxidation (Acidithiobacillus ferrooxidans) im Vergleich zur abiotischen
Oxidation festgestellt, die Olivinoberfläche wird durch Fe3+-Ionen inhibiert (SANTELLI et
al. 2001). Zusätzlich ist zu beobachten, daß die mikrobielle Interaktion mit der Mineraloberfläche von deren Topographie gesteuert ist. Adhäsion von Bakterien erfolgt bei Pyrit außerdem
nach kristallographischen Vorzugsrichtungen. Auch scheint nicht die Tiefe sondern der Querschnitt einer Oberflächenunregelmäßigkeit das Aufsitzen von Bakterien zu begünstigen (EDWARDS
& RUTENBERG 2001). Feldspatverwitterung wird von JONGMANS et al. (1997) für be-
stimmte Standorte mit organischen Säuren von Pilz-Hyphen in Zusammenhang gebracht. Die
beobachteten Porenräume liegen in der Größenordnung von wenigen Mikrometern.
4
Änderung der spezifischen Oberfläche, Adsorptionsmechanismen
Die Kationenaustauschkapazität (KAK), die das Adsorptionsvermögen des geogenen Materials
gegenüber Kationen beschreibt, wird maßgeblich durch den Anteil quellfähiger Tonminerale im
Gestein beeinflußt. Das Sorptionsvermögen gegenüber unpolaren Stoffen (bspw. organisches
Material) ist durch die spezifische Oberfläche des untersuchten Materials abzuschätzen (WAGNER
et al. 1998).
Mit Schwerpunkt wird derzeit in der Literatur die Sorption von Ionen an monomineralische
Substrate, oft an Tonminerale, diskutiert (COPPIN et al. 2002, SYLVESTER et al. 2000, BOILY &
FEIN 1996, FARQUHAR et al. 1997). Insbesondere wird hier das Verhalten von den zu Actiniden
chemisch homologen Lanthaniden studiert. Die unter bestimmten chemischen Bedingungen
(bspw. für bestimmte pH-Werte) hohe Rückhaltefähigkeit von Tonmineralen wird durch deren
physikalische Eigenschaften, nämlich große spezifische Oberfläche und Oberflächenladung,
begünstigt. Besondere Bedeutung haben deshalb quellfähige Tonminerale (SYLVESTER et al.
2000, PUTTER et al. 2000, BAUER et al. 2001).
ANBEEK et al. (1994) stellen keine signifikante Änderung der Oberflächenrauhigkeit von Quarzund Feldspatkörnern durch Sekundärmineralüberzüge (COSTON et al. 1995) fest. Die Mineralisation von Fe-Sekundärmineralen (Schwertmannit, Jarosit, Goethit) kann durch Mikrooganismen beschleunigt ablaufen, da diese die Eisenoxidation begünstigten können (KAWANO & TOMITA 2001).
Die Verbindung von Oberflächenanalytik mit der Modellierung der Sorptionsmechanismen
kann monomineralische Systeme unter Laborbedingungen beschreiben (BECKER et al. 1997,
BECKER et al. 2001).
Reaktive Gesteinsoberfläche
Reaktive Anteile des Systems „Gestein“ werden wegen der Systemkomplexität einzeln, beispielsweise für bestimmte Silikate mit definierten chemischen und physikalischen Randbedingungen betrachtet (FARQUHAR et al. 1997). Aus der summarischen Betrachtung der jeweiligen spezifischen Oberfläche der Bestandteile des Systems können Verwitterungsraten abgeschätzt werden, wenn die Reaktivität der internen und externen Festkörperoberfläche und ihre
Anteile an der Gesamtoberfläche bekannt sind (BRANTLEY & MELLOTT 2000).
Monomineralische Systeme werden mit festen chemischen Randbedingungen erfaßbar, bspw.
das anisotrope Anwachsen von BaSO4 auf gleichem Substrat (Wachstums-Selbst-Hemmung,
Ursache: Kristallsymmetrie; BOSBACH et al. 1998). Desweiteren liegen Untersuchungen zum
Einfluß der Versetzungsdichte in Quarz vor, die zeigen, daß der Hauptteil der Lösungsrate nicht
von der Störungsdichte im Kristall gesteuert wird (BLUM et al. 1990).
Andererseits kann das Verhalten von Gestein als polymineralisches System auf bestimmte chemische Zusätze getestet werden. HAUS (1993) diskutiert den möglichen Einflusses von alipha-
5
tischen und aromatischen Mineralöl-Kohlenwasserstoffen auf das Mikrogefüge von Tonstein.
Von CRAW (2000) wird der Lösungsaustrag aus Gesteinen und Haldenmaterial summarisch
quantifiziert.
Biomineralogische Untersuchungen zur Auswirkung mikrobieller Aktivität auf Mineralaggregate liefern Aussagen zur Strukturierung feinkörniger Sedimente (RANSOM et al. 1999). Möglicherweise sind die Auswirkungen derartiger Interaktionsmechanismen auch von Bedeutung für
Verwitterungs-Vorgänge.
Summarisch werden Transportmechanismen in einer Stofftransportgleichung zusammengefaßt
(SCHNEIDER & WIENBERG 1998). Massenflüsse und Phasenübergänge bzw. Reaktionen werden
nach dem Massenerhaltungsgesetz bilanziert, wobei nach Mechanismen unterteilt wird in Massenflüsse (Advektion, Diffusion, Dispersion), Phasenübergänge (Fällung/Lösung, Sorption/Desorption, Ionenaustausch) und chemische bzw. mikrobielle Reaktionen.
Verwitterung von Schwarzpeliten
Charakteristikum von Schwarzpeliten ist ihr hoher Gehalt an organischem Kohlenstoff, idealisiert betrachtet als CH2O. Bei Verwitterung kann der Corg-Gehalt der Schwarzpelite deutlich
verringert werden (PEUCKER-EHRENBRINK & HANNIGAN 2000).
In Schwarzpeliten treten aufgrund der reduzierenden Bedingungen während der Ablagerung
einerseits angereichert Spurenelemente, wie bspw. U, Mo, Re, Os (VINE & TOURTELOT 1970),
andererseits häufig Sulfide, insbesondere Eisensulfide auf. Biogeochemische Experimente liegen hierzu von SCHIPPERS & JØRGENSEN (2002) vor. Der Abbau von Eisensulfiden wird von
EVANGELOU (1995) diskutiert: Von besonderer Bedeutung ist bei dem Vorgang der Pyritoxidation einerseits die Entstehung von Schwefelsäure, die die Pyritverwitterung begünstigt.
Andererseits wird die Eisenoxidation bakteriell (Thiobacillus ferrooxidans) katalysiert und dadurch erheblich beschleunigt. Pyritverwitterung wird gebremst durch (a) inhibierende Fe3+-Anreicherung, (b) Komplexierung und Präzipitation von Eisen sowie (c) Sauerstoffentzug. Letzterer kann erreicht werden durch Anwesenheit von organischem Material.
Insbesondere ist die Schwarzschieferverwitterung durch Oxidation von organischem Kohlenstoff charakterisiert. Dieser Vorgang wirkt sich auf die Mobilisierung von Spurenelementen
besonders deutlich aus (BECHTEL et al. 2001).
1.3 Strategie
Wie die quantifizierbaren Oberflächenanteile von Mineralen die Reaktivität natürlicher Systeme
widerspiegeln, ist nicht bekannt (BRANTLEY & MELLOTT 2000). Auch die Übertragbarkeit der
ermittelten Daten aus dem Probenmaterial auf ungleich größere Volumina in der natürlichen
Umgebung bedarf der Untersuchung.
6
Daraus ergibt sich der Ansatz für die hier vorgestellten Untersuchungen. Oberflächendaten von
Gesteinsbestandteilen im Nanometerbereich bis zum Gesteinspolyeder mit natürlichen Grenzflächen werden quantifiziert, unter Berücksichtigung des geochemischen Rahmens. Vergleichend
wird auf die Änderungen der Gesteinsoberfläche in allen Skalenbereichen durch (oxidative)
Bleichungsverwitterung des Gesteins eingegangen. In einer schließlich skalenunabhängigen Zusammenschau der Oberflächenquantifizierung, geochemischen Charakterisierung und dem Vergleich diesbezüglicher Änderungen durch Verwitterung wird das reaktive Verhalten des untersuchten Gesteins im natürlichen System abschätzbar.
Abb. 1: Vorgehensweise zur Quantifizierung der reaktiven Gesteinsoberfläche aus der
Analyse geochemischer und petrophysikalischer Eigenschaften von Alaunschiefern. Rot
sind die analysierbaren Eigenschaften des Untersuchungsmaterials markiert.
Schwach bzw. nichtverkieselter Alaunschiefer wurde für die Quantifizierung der Gesteinsoberfläche ausgewählt und geochemisch charakterisiert. Porosimetrische und Rauhigkeitsanalysen
führen zur Quantifizierung der Gesteinsoberfläche in Abhängigkeit von der räumlichen Auflösung der Analysemethoden. Die Kopplung der Flächendaten mit geochemisch-mineralogischen Parametern erlaubt Aussagen zur Größe der reaktiven Gesteinsoberfläche (Abb. 1).
7
1.4 Geologischer Rahmen
Lithofazies und Stratigraphie
Tonsteine werden nach ZIMMERLE & STRIBRNY (1992) mit einem Quarz-Karbonat-Schichtsilikat-Dreieckdiagramm klassifiziert. Für Schwarzpelite, deren Corg-Gehalt größer als 1 Gew. %
ist, wird die gleiche Klassifikation verwendet, der jeweilige Gesteinsnamen drückt jedoch den
hohen Gehalt des Gesteins an organischem Kohlenstoff aus.
Für die hier vorgestellten Untersuchungen ist aufgrund der karbonatfreien Proben nur das binäre
System Quarz-Pelit aus der Dreieckdarstellung relevant, in Tab. 1 ist diese Klassifikation dargestellt.
Tab. 1: Klassifikation der karbonatfreien Schwarzpelite, nach ZIMMERLE & STRIBRNY (1992). Der normative Mineralbestand umfaßt hier Schichtsilikate und Quarz; Karbonat tritt nicht auf.
Schichtsilikate [Vol. %]
Quarz [Vol. %]
Corg-reicher
Lydit
kieseliger
Schwarzpelit
tonig-kieseliger
Schwarzpelit
toniger
Schwarzpelit
Corg-reicher
Pelit
0 - 20
80 - 100
20 - 40
60 - 80
40 - 60
40 - 60
60 - 80
20 - 40
80 - 100
0 - 20
Drei Lithofaziestypen sind nach MEINEL (1974) in Thüringen im Graptolithenschiefer (vgl.
Tab. 2) zu unterscheiden:
•
stark verkieselte Schwarzschiefer (Corg-reiche Lydite),
•
dünnschichtige Wechsellagerungen von kieseligen Gesteinen und Alaunschieferhäutchen,
•
„milde“, SiO2-arme Alaunschiefer (Corg-reiche Pelite).
Alaunschiefer sind kohlenstoff- und eisensulfidführende Tonschiefer, die teilweise zu leichtlöslichem Kaliumaluminiumsulfat, dem sogenannten Alaun (KAl(SO4)2 * 12 H2O) verwittern.
Die hier vorgestellten Untersuchungen wurden an Alaunschiefern aus dem ost- und südostthüringischen Raum vorgenommen (Abb. 2).
Alaun- und Kieselschiefer sind in Thüringen in einer etwa 60-80 m mächtigen Graptolithenschieferserie vorhanden, die direkt aufliegend auf oberordovizischem Lederschiefer in das Silur
und Unterdevon gestellt wird und durch eine kalkige Abfolge (Ockerkalk, S2) geteilt ist (Tab. 2,
SCHLEGEL 1995). Die stratigraphische Gliederung in Zonen erfolgt durch Graptolithen; im Kontrast zu den Unteren Graptolithenschiefern (S1) (SCHAUER 1971) werden überwiegend in den
Oberen Graptolithenschiefern (S3) einzeilige gerade Graptolithen (JAEGER 1964) gefunden.
8
Abb. 2: Vereinfachte geologische Karte von Südthüringen. Im Silur (Tab. 2) des Bergaer und Schwarzburger Sattels sind die Probenlokationen markiert.
Tab. 2: Stratigraphische Position und lithofazielle Gliederung der silurischen Unteren und
unterdevonischen Oberen Graptolithenschiefer, Mächtigkeiten für Ostthüringen (nach
JÄGER 1964, SZUROWSKI 1967, FALK & WIEFEL 1995, MEINEL, WIEFEL & WUCHER 1970
sowie SCHLEGEL 1995)
Lochkow
Budnanium
S3
Oberer
Graptolithenschiefer
S2
Ockerkalk
Llandovery,
Wenlock
S1
Ashgill
Ordovizium
Silur
(435-410 Ma)
Devon
Tentakulitenkalk
Unterer
Graptolithenschiefer
Lederschiefer
Lithologie:
Mächtigkeit:
Alaunschiefer,
basal mit Dolomit- und
Sandsteinbänken, am
Top: Kalklagen
15-20 m
Kalkstein,
(sapro-) pelitische
Zwischenlagen
15-50 m
kieselschieferarme
Alaunschiefer,
Phosphorithorizont
8-10 m
kieselschieferreiche
Alaunschiefer
25-30 m
Tonschiefer mit Geröllen
200-250 m
9
Beckenentwicklung
Dominierend für die äquatoriale Kontinentkonstellation im Übergang Silur/ Devon (~ 400 Ma)
ist der kaledonisch gebildete „Old-Red“-Großkontinent (Abb. 3). Die kaledonische Orogenese
wurde durch Subduktion von Iapetus-Ozeanboden unter Laurentia westlich von Baltica verursacht (Silur, ~ 425 Ma). Der neue Großkontinent Euramerika ist von Gondwana durch den
Rheїschen Ozean getrennt. Für die dortige epikontinentale, küstenferne Sedimentation in tieferen Meeresbereichen sind euxinische, stark saure Verhältnisse prägend. In Thüringen sind keine Diskordanzen als Begrenzungen der lithostratigraphischen Einheiten bekannt (LÜTZNER et
al. 1980, MEINEL et al.1970, SCHLEGEL 1995).
Die Ablagerungen aus dem Rheїschen Ozean treten heute als Graptolithenschiefer-Folge in
Wales, Spanien, im Harz und Thüringischen Schiefergebirge auf. Die Kalksteine der OckerkalkFolge deuten auf zeitweise geringere Meerestiefen im Ablagerungsraum. Der geringere Gehalt
an organischem Kohlenstoff in den Oberen Graptolithenschiefern weist auf eine Erhöhung der
klastischen Sedimentationsrate hin.
Abb. 3:
Paläogeographische Konstellation
vor etwa 400 Ma im Unterdevon
zur Ablagerungszeit der Oberen
Graptolithenschiefer (nach SCOTESE 2001).
Das epikontinentale Sedimentationsgebiet der Graptolithenschiefer befindet sich im Bereich der
Südflanke des Rheїschen Ozeans.
Die silurischen und unterdevonischen Ablagerungen in Süd- und Ostthüringen sind Mangelsedimente, die chemogen (Kiesel- und Karbonatgesteine), biogen (kieselig, phosphoritisch) und
feinstklastisch (sapropelitisch) geprägt sind (JÄGER 1964, SCHLEGEL 1995). SZUROWSKI (1967)
verwendet das V/Mo- und V/Cr-Verhältnis zur Faziesdiagnostik: Ersteres ist niedrig für Gyttjabildungen, letzteres hoch für Sapropelfazies. Diese Elementverhältnisse deuten für den Unteren
Graptolithenschiefer überwiegend sapropelitische und für den Oberen Graptolithenschiefer
mehrheitlich gyttjaartige Bedingungen an, weitere in diese Richtung weisende Indikatoren sind
das C/N-Verhältnis und der Phosphorgehalt. Die Redoxbedingungen im Meerwasser können
nach MANGINI et al. (2001) anhand der Uran- und Manganverteilung rekonstruiert werden.
Der küstenferne Ablagerungsraum der Graptolithenschiefer wurde eingerahmt durch Bereiche
mit karbonatischer Sedimentation (SCHÖNENBERG & NEUGEBAUER 1997): Riff- oder Orthoceren-Kalke (Gotland, Baltikum) resp. Brachiopoden-Pflaster und -Schille (England, Oslo-Ge-
10
biet). Die variscische Orogenese führte zum Zusammenschluß der Kontinente zum Superkontinent Pangäa, der Rheїsche Ozean zwischen Gondwana und Euramerika wurde subduziert.
Gesteinsüberprägung
Für Mitteleuropa werden die variscisch deformierten paläozoischen Gesteine nach einem Schema von KOSSMAT (1927) gegliedert. Die ostthüringischen Graptolithenschiefer gehören zum
Saxothuringikum des Thüringisch-Vogtländischen Schiefergebirges, welches durch erzgebirgisch streichende Syn- und Antiklinorien geprägt ist (Abb. 2) und im NW von der Mitteldeutschen Kristallinzone und im SE vom Erzgebirge begrenzt wird. Falten höherer Ordnung (und
kleinerer Wellenlänge) besitzen ähnliche Streichrichtungen, es treten mehrere Richtungen von
Schieferungsflächen sowie deren Verfaltung und Krenulation auf. Der Aufbruch der Saxothuringischen Zone wird von NW-SE-streichenden Störungen eingerahmt, von der Fränkischen
Linie im SW und von der Westsächsischen Störung im NE.
MEINEL (1974) charakterisiert die grünschieferfazielle variscische Regionalmetamorphose der
paläozoischen Gesteine des thüringischen Schiefergebirges: Auch das sehr schieferungsfreundliche Material liegt mit nur schwacher Schieferung, vorwiegend Bruchschieferung vor, dadurch
ist das Primärkorngefüge weitgehend erhalten. Wichtige Neubildungen sind Quarz, Serizit,
Chlorit, Anthraxolith. Lokal werden Albit, Adular, Karbonat, Pyrit, Rutil, Magnetit und Hämatit
angetroffen. Serizit besitzt Korngrößen um 1-10 µm, die Schüppchen sind oft ohne deutliche
Regelung im Gestein verteilt und orientieren sich einerseits an der Schichtung, andererseits an
den s1-Flächen. Diese besitzen Abstände von ≥ 100 µm. Daraus resultiert bei der vorliegenden
Transversalschieferung eine Gitterregelung.
SZUROWSKI (1967) betont das mobile Verhalten der Graptolithenschiefer bei Faltung, das zu
disharmonischen Faltungsbildern mit wechselnder Vergenz, mitunter aber auch zu Meiler- oder
Fächerstellung führt, häufig ist die kleinräumige Faltenbildung bis in den Handstückbereich.
Verschuppungen bzw. schüsselförmige Überschiebungen bedingen die mehrfache Wiederholung der gesamten silurischen Ablagerungen in einzelnen Mulden oder auch den vollständigen
Ausfall der silurischen und unterdevonischen Schichten.
Klüftung wurde von RUSSE (1991) im Bereich des Ronneburger Horstes analysiert: Zweischarige Querklüftung (Streichrichtung senkrecht zu sx) dominiert mit steilem Einfallen (NE,
SW), untergeordent kommen Längsklüfte (parallel sx) und Diagonalklüfte vor.
1.5 Bisherige Untersuchungen an Alaunschiefer
Petrographie
Der untere kieselschieferreiche Teil der Unteren Graptolithenschiefer (Mächtigkeit ca. 25-30 m)
besteht hauptsächlich aus cm- bis dm-mächtigen Kieselgesteinsbänken (Lyditen) und nur unter-
11
geordnet aus Kieselschiefern im eigentlichen Sinn, nämlich einer eben bis wellig lamellierten
Wechsellagerung von Kieselgestein und schwarzen, kohlenstoff- und pyritreichen Tonschiefern
(Alaunschiefer). Im oberen Teil der Unteren Graptolithenschiefer (etwa 8-10 m) verlieren die
Lydite ihre Dominanz. Die Mächtigkeit der Unteren Graptolithenschiefer wird auf 35 bis 40 m
geschätzt; exakte Messungen sind aufgrund intensiver tektonischer Beanspruchung nicht
möglich. Die Oberen Graptolithenschiefer werden von bankigen Alaunschiefern aufgebaut
(SCHLEGEL 1995). SCHAUER (1971) betont den Härteunterschied zwischen den weichen Alaunschiefern und den spröden Kieselschiefern. Letztere zeigen häufig weißen Gangquarz in a/cKlüften.
Dünnschliffpetrographie
Unterer Graptolithenschiefer:
SZUROWSKI (1967) hat Graptolithenschiefer aus dem Ronneburger Raum untersucht und beschreibt Kieselschiefer nach dünnschliffpetrographischen Untersuchungen als ein feinkörniges
Gemenge von Quarz, wenig feinschuppigem Glimmer, kohliger Substanz und vereinzelten Erzmineralen. Rundliche oder längliche Quarzgebilde bis 150 µm Länge können deformierte
Radiolarien sein. Die Quarz-Körner besitzen Durchmesser von durchschnittlich 20 µm, sind oft
jedoch auch kleiner. Eine innige Verfilzung mit Glimmermineralen tritt auf. Größere QuarzKörner sind seltener, mitunter werden Chalcedonausscheidungen beobachtet. Die „kohlige Substanz“ wird als „feinverteilt“ in der kieseligen Grundmasse beschrieben. Erzminerale treten als
isolierte Körner mit durchschnittlich ~ 20 µm Durchmesser auf, mitunter auch als größere
schmitzenförmige Aggregate. Quarz-Trümchen stehen senkrecht zur Schichtung und erreichen
Mächtigkeiten von 30 µm – 1 mm.
Im Alaunschiefer sind die Erzminerale, hauptsächlich Pyrit, häufiger als in Kieselschiefern.
Parallel zur Schichtung findet man Schmitzen mit den gesteinsbildenden Mineralien: Quarz,
Muskovit (Ø 30-50 µm), Serizit (Ø 2-5 µm). Einige Proben sind besonders radiolarienreich. Der
Radiolarienkern ist vorwiegend opak, die Hülle besteht aus Quarz, auch hier beträgt der Durchmesser bis zu ~ 150 µm. 20 µm lange Nädelchen im geglühten Schliff sind als Rutil identifiziert
worden (SZUROWSKI 1967).
Oberer Graptolithenschiefer:
Visuell ist kein Unterschied zum Alaunschiefer aus dem Unteren Graptolithenschiefer erkennbar. Auch hier ist dieser überwiegend geschiefert, bricht aber nach der Schichtung. Wiederum
treten helle Quarz- und Serizit-Schmitzen in der opaken Grundmasse auf. Mitunter vorkommende dolomitreiche Lagen geben dem Gestein dann ein gebändertes Aussehen (SZUROWSKI
1967).
12
Mineralinhalt
Röntgendiffraktometrisch wurden von SZUROWSKI (1967) Pyrit, Quarz, Kaolinit, Muscovit/
Illit, aber kein Chlorit nachgewiesen. LÜTZNER et al. (1984) beschreiben einen Anteil von ca.
40 Gew. % Glimmer für Alaunschiefer aus dem Unteren Graptolithenschiefer des Schwarzburger Sattels.
Unter den opaken Substanzen in den Schwarzpeliten dominiert nach SZUROWSKI (1967) Pyrit in
Tab. 3: Mineralgehalt der Kiesel- und Alaunschiefer nach
SZUROWSKI (1967), Angaben in Gew. %.
S1:
S1:
Kieselschiefer Alaunschiefer
Quarz
Muskovit/ Illit
Kaolinit
Chlorit
Pyrit
Dolomit
Siderit
Phosphorit
Corg
Hämatit
Rest
90
3
1.5
4
1.5
58
17
3
2-3 (?)
5
1
2
9
2
3
S3:
Alaunschiefer
32
34
3
2-3 (?)
7
7
2
3
6
3
3
geringmächtigen Lagen und
Schmitzen. Daneben ist eine
disperse Pyritverteilung mikroskopisch erkennbar.
Kupferkies, Markasit und Bravoit (Fe,NiS2) treten seltener
auf, Besonderheiten sind Gelpyrit (Melnikovit), Zinkblende,
Bleiglanz,
Millerit,
Kobalt-
glanz und Arsenkies.
Anthraxolith tritt nicht nur in
Klüften, sondern auch an kleinen Quarztrümchen auf. SZU-
ROWSKI
(1967) bestimmt an Anthraxolith bei Verbrennung (700 °C) neben 89.3 % Kohlenstoff
weiterhin 1.3 % Stickstoff, 1.3 % Wasserstoff und 2.5 % Asche. Spektralanalytische Untersuchungen der gleichen Probe zeigten hohe Spurenelementgehalte (Tab. 5).
Geochemie der Hauptelemente
Mischproben aus den Graptolithenschiefern widerspiegeln den stratigraphiebezogenen Gehalt
an ausgewählten Elementen (Tab. 11). Wegen der Wechsellagerung von stärker- und schwächer
verkieselten Alaunschiefern im Unteren Graptolithenschiefer sind Analysen von Einzelproben
zur Abschätzung des Silifizierungsgrades und der Tonmineral- sowie TOC-Führung der
Lithotypen geeignet (Tab. 4). Dabei wurde Kieselschiefer aus Hohenleuben einerseits punktuell,
andererseits als Durchschnitt über einen bankigen Horizont beprobt. Hier ist insbesondere der
deutliche Unterschied in der ermittelten Kohlenstoff-Menge hervorzuheben (Oberer
Graptolithenschiefer: Vergleich mit LOI).
SiO2
LEUTWEIN (1951) unterscheidet Alaunschiefer mit etwa 50-80 Gew. % SiO2 von Kieselschiefern (80-95 %), SZUROWSKI (1967) diskriminiert bei 85 % und charakterisiert die Kieselschiefer
durch ihre Durchtrümerung mit Quarz. Eine Zwischenstellung nehmen bei SZUROWSKI die
13
„stark verkieselten Alaunschiefer“ mit 70-85 % SiO2 ein. Der SiO2-Gehalt der Alaunschiefer
aus dem Oberen Graptolithenschiefer liegt nach SZUROWSKI (1967) durchschnittlich bei ~51 %
(vs. Tab. 4). Dagegen ist der Anteil von Al2O3 erhöht (~12 %). Allerdings sind die Analysenergebnisse der Schlitzproben insbesondere aus dem Unteren Graptolithenschiefer (LEUTWEIN
1951 bzw. SZUROSKI 1967) als Durchschnittswerte von Mischproben aus Alaun- und Kieselschiefer zu werten.
Corg
LEUTWEIN (1951) führt aus, daß „einige“ Prozent kohlige Substanz in den Alaun- und Kieselschiefern enthalten sind. Für den Unteren Graptolithenschiefer gibt SZUROWSKI (1967) eine
Spannweite des Corg-Inhaltes zwischen 5.5-15 % an, hier wird auch die farbgebende Funktion
Tab. 4: Chemischen Zusammensetzung von Kieselschiefer aus Hohenleuben
(Schlitz- bzw. Übersichtsprobe) und Alaunschiefer aus Garnsdorf, nach
LEUTWEIN (1951) bzw. HUNDT (1939), Oberer Graptolithenschiefer (S3)
von der Wetterabrücke (MEINEL 1974), Analyse naßchemisch ohne Fehlerangabe, teilw. ohne Analyse der Alkalien und Phosphor (Summe ungleich
100 %)
S1:
Kieselschiefer
S1:
Kieselschiefer
Horizont: 50 m
S1:
Alaunschiefer
S3:
Alaunschiefer
dieser Komponente genannt. MEINEL (1974)
betont die starke Variabilität in der Corg-Führung des Graptolithenschiefers.
SCHLEGEL (1995) fin-
SiO2
Al203
Fe2O3
K2O
Na2O
CaO
MgO
TiO2
80.20
2.62
1.95
n.b.
n.b.
0.30
0.36
0.23
79.02
3.72
2.80
n.b.
n.b.
0.13
0.51
0.45
50.13
10.73
2.27
n.b.
n.b.
0.40
1.00
n.b.
67.9
16.6
4.5
3.3
0.6
1.1
1.3
in Al2O3
V
S
C
H2O
0.06
0.53
1.25
0.32
0.11
1.55
11.18
0.26
n.b.
n.b.
22.83
2.21
n.b.
LOI: 5.0
0.7
det für Alaunschiefer
einen Mittelwert für
Corg von etwa 20 %
und weist darauf hin,
daß ein Vielfaches dieses Betrages in kohlenstoffreichen Lagen anzutreffen ist, insbesondere bitumenreiche, de-
karbonatisierte Bänke können einen „kohleflözartigen Habitus“ annehmen.
Geochemie der Spurenelemente
LEUTWEIN (1951) analysierte Phosphoritknollen und fand kaum Molybdän, Vanadium, Gold.
LÜTZNER et al. (1984) beschreiben die Anreicherung von Spurenelementen im Graptolithenschiefer aus dem Thüringischen Schiefergebirge (bspw. mehr als 2000 ppm V, mehr als 50 ppm
Mo) (Tab. 6). SZUROWSKI (1967) hat Anthraxolith spektralanalytisch auf Spurenelemente
untersucht und insbesondere hohe V-, Ni- und Sr-Gehalte (0.1 Gew. %) festgestellt (Tab. 5),
findet jedoch keine Hinweise auf adsorptive Bindung von Vanadium und Molybdän an
organischen Kohlenstoff. Schon LEUTWEIN (1951) vermutet, daß solche Bindungen
14
frühdiagenetisch aufgehoben wurden. Spektralanalysen von SZUROWSKI (1967) an Pyrit
zeigten, daß hohe Titan-, Arsen- und Antimongehalte typisch sind.
Der hohe Vanadiumgehalt der Alaunschiefer im Unteren Graptolithenschiefer kann nach SZUROWSKI
(1967) durch adsorptive Bindung von Vanadium an Schichtsilikate bzw. den Ersatz von
Aluminium durch Vanadium in Glimmern verursacht sein, ähnliches
Tab. 5: Spurenelementgehalte in Anthraxolith
wird für Chrom und untergeordnet Titan vermutet, bei Barium ist ein
Element
[ppm]
rein adsorptives Bindungsverhalten wahrscheinlich. Lithium ist wahr-
As
Sr
Cu
Pb
Cr
Ni
V
Mo
Zn
100
1000
100
10
100
1000
1000
10
10
scheinlich am Aufbau der Schichtsilikate beteiligt. Strontium ersetzt
Fluor in Apatit. Titan bevorzugt die adsorptive Bindung an Schichtsilikate bzw. den Einbau in Minerale der Rutilgruppe, die in den
Alaunschiefern angereichert sind. Nickel, Kupfer, Blei und Zink
liegen sulfidisch, entweder als eigenständige Beimengung oder als
Beimengungen im Pyrit, vor. Für Molybdän sowie Silber, Kobalt,
Arsen, Antimon scheint die sulfidische Bindung am wahrscheinlich-
sten (LEUTWEIN 1951, SZUROWSKI 1967). SZUROWSKI (1967) resümiert, daß die höchsten
Gehalte an Begleitelementen in kieselschieferarmen bzw. -freien Bereichen der Unteren
Graptolithenschiefer
auftreten.
Insgesamt
ist
die
chemische
Variabilität
erheblich;
makroskopisch ähnliche Varietäten zeigen mitunter stark differierende geochemische Signaturen. Dies ist auch durch die unterschiedlichen, nämlich terrigenen, biogenen und authigenen
Quellen für Spurenelemente nicht verwunderlich (KATO et al. 2002).
Tab. 6: Spurenelementgehalte in Alaunschiefern aus dem Schwarzburger Sattel
(LÜTZNER et al. 1984)
S1
S3
Min.
Max.
Li
Pb
Ga
Mn
Zr
Ni
Cu
Zn
V
Cr
Mo
24
52
-
-
-
-
270
980
2400
460
52
-
30
18
14
25
15
33
-
131
80
220
74,5
12
225
-
-
2280
-
148
78
300
46,6
2
134
LÜTZNER et al. (1984) finden für den Oberen Graptolithenschiefer im Schwarzburger Sattel
stark variierende Mengen für Ni, Cr, Pb, Mo, Zr und Ga, wobei keine gesetzmäßigen
Änderungen feststellbar sind (Tab. 6).
Exposition, Bleichung
WIEFEL (1965) hat autochthone und parautochthone Verwitterungsbildungen im ostthüringischvogtländischen Schiefergebirge (Bergaer Sattel) untersucht und verweist darauf, daß nach den
Überlegungen von WÜST (1909) und PHILIPPI (1910) nicht mehr die Möglichkeit einer permi-
15
schen bzw. präpermischen Exposition als Ursache der heute aufgeschlossenen Zersatzbildungen
diskutiert wird. PHILIPPI (1910) betont in diesem Zusammenhang den Abtragungsmechanismus
(flächig vs. linear) und hebt hervor, daß eine metergenaue Freilegung der präpermischen Abrasionsebene, die unter den widerstandsfähigen aufliegenden Kalksteinen (Muschelkalk,
Zeichsteinbasis) lag, unwahrscheinlich ist. V. FREYBERG (1923) findet mehrere Einebnungsperioden im Spätmesozoikum-Tertiär, die jüngste, für die heutige Morphologie verantwortliche,
reichte bis ins Altpliozän.
STEINMÜLLER (1974) begründet die im Thüringischen Schiefergebirge weite Verbreitung tertiärer Verwitterungsrelikte damit, daß die tertiären Reliefteile kaum erniedrigt wurden. Insbesondere illitischer Gesteinszersatz (Gefügeerhalt, Materialumwandlung) ist in Hochflächenbereichen typisch.
SCHAUER (1971) gibt die Beobachtung wider, daß Ausbleichung von Alaun- und Kieselschiefern häufig in unmittelbarer Nähe zu Diabaskörpern auftritt und schließt auf thermische oder
chemische Beeinflussung. Auch hier werden eine nicht näher charakterisierte Oxidation und
Abfuhr des Bitumenanteils vermutet.
Die Bedeutung der rotliegendzeitlichen Verwitterung für die Uranlagerstättenbildung im Ronneburger Revier wurde von SZUROWSKI et al. (1991) hervorgehoben. In einer tiefreichenden Oxidationszone wurde feindispers im Gestein enthaltenes U (IV) mobilisiert, einhergehend mit Rotfärbung und Bleichung des Gesteins. MEINEL & MÄDLER (1995) diskutieren die Kombination
von permosilesischer Oberflächenverwitterung und gleichzeitiger hydrothermaler Alteration
silurischer Schwarzschieferserien ausgehend von der Gera-Jachymov-Störungszone als Ursache
für die Bildung der Uranlagerstätte Ronneburg auf dem Geraer Vorsprung des Bergaer Sattels.
Grundsätzlich ist nicht auszuschließen, daß die tertiäre Verebnungsfläche im ostthüringischen
Schiefergebirge Relikte der dekametermächtigen prämesozoischen Verwitterungsdecke anschneidet. Insbesondere an Kluftsysteme gebundene, zungenförmig tief ins liegende Gestein hineinziehende Bleichungszonen aus dem Rotliegenden können im späten Mesozoikum bzw. Tertiär erneut exponiert gewesen sein.
Die zur Bleichung benötigte Expositionszeit (mit den beeinflussenden Faktoren wie Feuchtigkeit, Abfluß, Lösungsfracht, Temperatur etc.) ist unbekannt. Ebensowenig finden sich Angaben
in der Literatur darüber, ob auch in kühleren Perioden, außerhalb der Expositionszeiten von Tertiär und Perm, Bleichungserscheinungen möglich sind. Mögliche kurzfristige Bleichungsereignisse aus dem Quartär – wie bspw. die teilweise Ausbleichung von Dachschiefern während ihrer
Liegezeit auf Dächern – werden in der Literatur nicht diskutiert.
Geochemische Signaturen der Bleichung: Mineralinhalt
SCHLEGEL (1995) stellt fest, daß schon „bei relativ geringen“ Verwitterungsintensitäten in den
Alaunschiefern die Zersetzung von Pyriten und Karbonaten beginnt, die zu Dekarbonatisierung,
16
Vertonung und Bleichung der Gesteine führen kann. Schwefelsäureverwitterung der Karbonatbänkchen im Alaunschiefer bewirkt eine kohlenstoffreiche, erdige Masse als Rückstandsbildung
(SZUROWSKI 1967).
KLOTH (2000) hat Alaunschiefer-Proben aus dem Unteren Graptolithenschiefer untersucht, die
er bezüglich des „inkrustierten“ und „nicht inkrustierten“, tiefschwarzen Zustandes unterscheidet. Röntgendiffraktometrische Untersuchungen an einer inkrustierten Probe zeigten, daß diese
keinen Pyrit enthielt; XRD-Analytik an den neugebildeten Krusten identifizierte Jarosit und
Gips. Durch XRF-Analytik wird deutlich, daß eine nach makroskopischen Befunden (schwarze
Farbe, ungebleicht) unverwitterte Probe kaum (1.1 %) Sulfidschwefel (Pyrit) enthält, aber mehr
Sulfatschwefel. Offenbar ist auch in der von KLOTH (2000) untersuchten „frischen“ Probe Pyrit
überwiegend zu Sulfat oxidiert.
Geochemische Signaturen der Bleichung; Spurenelemente:
Die Bleichung der Unteren Graptolithenschiefer im Stbr. Hohenleuben wird von LEUTWEIN
(1951) beschrieben und geochemische Abhängigkeiten vom Corg-Gehalt werden diskutiert: Die
obere Zone des Vorkommens zeigt kohlenstoff-freie, helle, kieselige oder tonig-quarzige Gesteine, die tiefere Zone zeigt hohen Kohlenstoffgehalt. Schwefelkieslagen und -nester parallel
zur Schieferung sind nicht selten, gut ausgebildete Pyritwürfelchen von einigen mm Kantenlänge treten auf. Molybdän-Gehalte sind wenig schwankend um ~ 170 g/t, es sind keine Anreicherungszonen vorhanden, offenbar existiert keine Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt. Vanadium zeigt starke Schwankungen um einen Durchschnittswert von ~ 800 g/t, wiederum besteht
keine Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt. Es existiert keine Korrelation zwischen den
Gehalten von V-Mo, Metallgehalt-C. Eisensulfide sind frei von V und Mo und führen wenig Ni,
Co, Zn, Pb und Cu. Untersuchungen von LEUTWEIN (1951) an mehr als 20 verschiedenen Graptolithenschiefervorkommen zeigen, daß ausgeprägte Unterschiede im Metallgehalt der kohligen
und oxidierten Schiefer im allgemeinen nicht bestehen. Allerdings spiegelt sich die Bleichung
im Vanadiumgehalt wider: Schwarze Graptolithenschiefer zeigen eine gleichmäßige Verteilung
zwischen 250 und 2500 g/t, bei oxidierten Schiefern ist ein schwaches Maximum des Vanadiumgehaltes zwischen 250 und 500 g/t zu konstatieren. Höhere Gehalte fehlen durchaus nicht,
sind aber seltener. Nickel wird ebenfalls bei der Entkohlung abgeführt.
1.6 Aufschlüsse, Beprobung
Verwendet wurde Material verschiedener Lokalitäten aus Oberflächenaufschlüssen und Kernbohrungen (Abb. 2, Tab. 7, Anhang). Mit Schwerpunkt wurde unverkieselter Alaunschiefer untersucht. Der Verkieselungsgrad der Alaunschiefer sollte möglichst ähnlich sein, damit die
durch Verwitterung geänderten Gesteinsmerkmale nicht durch primär unterschiedliche Materialeigenschaften überdeckt werden. Kieselschiefer dienten zusätzlich als Vergleichsmaterial.
17
Tab. 7: Untersuchte Graptolithenschieferaufschlüsse (S1, S3) in Ost- und Südostthüringen (Geologische Übersichtskarte: Abb. 2)
Probenlokation, Aufschluß
6
Bergaer Sattel:
Ronneburger Revier: Erkundungsbohrungen: O, S; Gessenbachtal: Quartäre
Bachsedimente
Stbr. Auberg (Geraer Vorsprung): gebleichter/ geröteter Kieselschiefer (S1)
Stbr. Hohenleuben (Weinbergbrüche): Alaun- und Kieselschiefer, teilw.
gebleicht (S1)
Döhlen (Bergaer Sattel): Alaunschiefer, gebleicht, gerötet (S3)
Bahneinschnitt bei Gräfenwarth, an der Steinernen Rose: Alaunschiefer,
teilw. stark umkrustet (S3)
Waldfrieden (S1)
7
8
9
Schwarzburger Sattel, SE-Flanke:
Gammigbachtal bei Oberloquitz: Alaunschiefer, teilw. gebleicht (S1,3)
Creunitz bei Schmiedefeld: Alaunschiefer, teilw. gebleicht (S3)
Schmiedefeld, Alaunschieferbergwerk „Morassina“: Haldenmaterial (S1)
1
2
3
4
5
Vom Bergaer Sattel wurden aus dem Ronneburger Revier (1) schwarzer und gebleichter
Alaun- und Kieselschiefer aus Erkundungsbohrungen der WISMUT verwendet: Weißbacher
Mulde (5175/87), Drosen (4521/70), Lichtenberg (3777/57), Beerwalde (7067/79), Baldenhain
(4237/75) und Baldenhain S (6152/78). Weiterhin wurden schwarze, teils umkrustete Alaunschieferbruchstücke aus Rammkernsondierungen (RKS 29, 30, 68, 109, 111, 111, 112, 113,
114) und quartäre Sedimente aus dem Gessental bei Ronneburg beprobt.
Östlich von Ronneburg befindet sich am Auberg (2) ein ehemaliger Steinbruch auf Kieselschiefer. Hier wurde gebleichter bzw. geröteter Kieselschiefer angetroffen (S1).
Die Weinbergbrüche (S1) bei Hohenleuben (3) schließen Kiesel- und Alaunschiefer, die in
den oberen Profilmetern gebleicht sind, auf.
Nordwestlich von Hohenleuben ist am Nordrand der Ortschaft Döhlen (4) Oberer Graptolithenschiefer im Kontakt zu Diabas in einem ehemaligen Diabassteinbruch aufgeschlossen. Hier
wurde entfestigter, teilweise gebleichter Alaunschiefer beprobt.
Im Bahneinschnitt bei Gräfenwarth (5), am Diabasaufschluß „Steinerne Rose“, steht Oberer
Graptolithenschiefer an, der lokal mit mm-mächtigen roten Umkrustungen auftritt.
Unterer und Oberer Graptolithenschiefer von der SE-Flanke des Schwarzburger Sattels
wurden im Gammigbachtal bei Oberloquitz (6) beprobt. Das Gestein liegt, ausgehend von
Klüften, teilweise gebleicht vor.
Im Hohlweg westlich von Creunitz bei Gräfenthal (7) steht Oberer Graptolithenschiefer an.
Die oberen zwei Profilmeter sind gebleicht.
Haldenmaterial des Wismut-Bergbaus in der ehemaligen Alaunschiefergrube „Morassina“ in
Schmiedefeld (8) wurde Anfang der 50er Jahre aufgeschüttet. Ausgelaugtes Restgestein der
Alaunherstellung auf den letzten Laugenbühnen der „Morassina“ lagert dort seit Mitte/ Ende des
19. Jhdts.
18
2
Methodik
Für die Quantifizierung und den Vergleich der Gesteinsoberflächen wurden verwitterter und unverwitterter Alaunschiefer, mit Mineralneubildungen krustierter Alaunschiefer sowie Kieselschiefer verwendet. Diese wurden aus verschiedenen Gesteinsprofilen aus dem süd- und
südostthüringischen Raum (Abb. 2) beprobt.
Gesteinsprofile wurden visuell makroskopisch im Aufschluß (Profilübersicht), Einzelproben mit
Lupe und Binokular untersucht. Danach wurden Proben für Dünn- (25 µm) und Dickschliffe
(> 100 µm, insbesondere ungebleichtes Material) ausgewählt. Nach dieser optischen Probencharaktrisierung erfolgte die Auswahl für geochemische und petrophysikalische Untersuchungen.
Die Bewertung der geochemisch-mineralogischen Randbedingungen muß parallel zur Oberflächenanalyse erfolgen (Tab. 8, Abb. 1). Dadurch wird es ermöglicht, die kompositionellen
Variationen des Gesteins in einen Zusammenhang mit petrophysikalischen Eigenschaften zu
bringen. Nachfolgend werden diese Methoden vorgestellt und ihre Möglichkeiten und Grenzen
diskutiert.
Tab. 8: Petrophysikalische und mineralogisch-chemische Methoden mit unterschiedlich hoher räumlicher Auflösung zur Erfassung von Flächenanteilen und ihrem geochemischen Bezug (Erklärung der
Abkürzungen im Anhang).
Mineral- und Geochemie:
Petrophysik:
Mineralanalyse:
HE, SE:
Fläche, Rauhigkeit:
● Lichtmikroskopie
● XRD
● γ-Spektrometrie
● XRF
● Corg, Stickstoff
● ICP-MS
● EMP
● Paraffin-Ummantelung
● SEM
● Profilometer DEKTAK
● LSM, WLI
● AFM
Dichte,
Porosität:
● Hg-Porosimetrie
● N2-Adsorption
2.1 Mineralogisch-geochemische Methoden
Mikroskopie
Einzelproben wurden am Binokular (Stemi SV 6 mit Fotoaufsatz MC 80 von Carl Zeiss) untersucht, Dünn- und Dickschliffe am Polarisationsmikroskop (Zeiss-Axioplan 2) mit Durch- und
Auflicht. Organisches Material aus gebleichten und ungebleichten Alaunschiefern wurde nach
der Behandlung mit Flußsäure (60 %) und kochender Salzsäure (zum Entfernen der Fluoride)
19
sowie anschließender Neutralisierung und Einbettung in Glyzeringelatinepräparaten (MERCK:
Kaisers Glyzeringelatine 9242) lichtmikroskopisch untersucht.
Röntgendiffraktometrie (XRD)
Die röntgenographische Phasenanalyse beruht auf Beugung und Interferenz von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich um 10-10 m an dreidimensional-periodisch aufgebauten Kristallgittern. Die Braggsche Gleichung reduziert die Betrachtungsweise der Beugungserscheinungen auf Reflexionsgeometrie: nλ = 2d sin θ. Ein monochromatischer Röntgenstrahl
der Wellenlänge λ wird an einer Netzebenenschar mit konstantem Abstand d unter dem Winkel θ reflektiert. Für diesen Netzebenenabstand d werden weitere Reflexionswinkel höherer
Ordnung (n = 2, 3, ...) gefunden (HEIM 1990).
Röntgendiffraktometrische Untersuchungen erfolgten an Pulverproben des Gesamtgesteins sowie an korngrößenfraktionierten Tonmineralproben (vergleichsweise glykolisiert) mit dem Diffraktometer „Seifert XRD 7“ (Cu-Anode, Ua = 40 kV, Ia = 40 mA, λ = 1.540598 Å, 2θ = 4-40°,
Auflösung: 0.02°, Zählzeit: 1 s). Die Körner < 2 µm wurden im Atterberg-Zylinder separiert
(STOKES-Gesetz: GOBRECHT 1990). Als Probenträger wurde Silizium verwendet (Kalibrierung
am Si-Peak bei 3.134 Å).
Für die Unterscheidung zwischen Kaolinit- und Chlorit-Interferenzen wurde das Probenmaterial
für auf 550°C aufgeheizt. Bei dieser Temperatur wird Kaolinit (vs. Chlorit) zerstört (MOORE &
REYNOLDS 1997).
γ-Strahlen-Spektrometrie
Zur Quantifizierung des Uran-, Thorium- und Kalium-Gehaltes von Gesteinsvolumina (räumliche Auflösung ~ 1 dm3) wurde ein Spektrometer vom Typ GR-320 (Exploranium Radiation
Detection Systems) mit Sensor GPX-21 (NaJ-Kristall) verwendet. Eine interne Cesium-Quelle
dient als Referenz für die spektrale Auflösung (Cesium-137: 662 keV). Als Meßzeit wurden
45 s verwendet. Aus dem Energiespektrum wurden mit geräteinterner Software die Uran-,
Thorium- und Kalium-Gehalte berechnet. Durch Wiederholungsmessungen konnte ermittelt
werden, daß die Abweichung der Reproduzierbarkeit der Meßwerte bei dieser Integrationszeit
immer deutlich unter 10 % vom Meßwert lag. Für Beispielkonzentrationen gibt der Hersteller
folgende Genauigkeit an: K = 2 %, ∆K = ± 0.1 %; U = 2 ppm, ∆K = ± 0.4 ppm; Th = 8 ppm,
∆K = ± 0.7 ppm für die Intergrationszeit von 120 s.
Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA, XRF)
Prinzipiell wird bei der Röntgenfluoreszenzanalyse die elementspezifische, charakteristische
Röntgenstrahlung analysiert, die nach Anregung mit Röntgenstrahlung die jeweiligen Elemente
emittieren (GÖPEL & ZIEGLER 1994). Haupt- und Spurenelementgehalte wurden an einem se-
20
quentiellen Röntgenfluoreszenzspektrometer (Philips PW 2400) ermittelt. Die Hauptelementbestimmung erfolgte an an Schmelzlingen (Mischungsverhältnis: 1 Teil Probe + 10 Teile Flußmittel Spektromelt A 12: 66 % di-Lithiumtetraborat, 34 % Lithiummetaborat, Hersteller: MERCK,
Aufschmelzen bei 950°C). Die Spurenelementbestimmung erfolgte an Preßlingen mit Wachs als
Bindemittel (6 Teile Probe + 1 Teil Wachs: „Tablettierungsmittel für Röntgenanalyse Wachs
C“, Hersteller: HOECHST).
Kohlenstoff- und Stickstoff-Elementaranalyse
Die Quantifizierung von Stickstoff und organischem Kohlenstoff wurde am Max-Planck-Institut
für Biogeochemie (Jena) durchgeführt.
Eingesetzt wurde der Elementaranalysator vario EL II (elementar-Analysensysteme GmbH).
Arbeitsprinzip der Elementaranalyse ist die katalytische Hochtemperaturverbrennung der Probe
(Ofentemperatur 1150°C) und anschließende Trennung des entstehenden Gasgemisches nach
dem purge- and trap-Prinzip. Mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) erfolgt die summarische (bindungsunabhängige) Elementquantifizierung.
Die Proben wurden eingewogen (nach Testmessungen etwa 20-200 mg) und eine Doppelbestimmung für die Elementmengen durchgeführt. Die absoluten Nachweisbereiche betragen für
Kohlenstoff 0.045-21.5 mg und für Stickstoff 0.009-2.0 mg. Vergleichsmessungen ergaben, daß
der untersuchte Alaun- und Kieselschiefer keinen anorganischen Kohlenstoff erhält. Aus diesem
Grund wurde nach Testmessungen nur noch der Gesamtkohlenstoffgehalt ermittelt. Wiederholungsmessungen zeigen, daß die Reproduzierbarkeit der Meßwerte besser als 0.01 Gew. % ist.
Massenspektrometrie mit induktiv gekoppelter Plasmaionenquelle an laserablatierten
Proben (ICP-MS-LA)
Spurenelementuntersuchungen wurden an einer ICP-MS PlasmaQuad PQ3-S-Option (VG Elemental) mit induktiv gekoppelter Plasma-Ionenquelle (MONTASER 1998) und Laserablation
(Nd:YAG; λ = 1064 nm) Microprobe II (Merchantek) für Feststoffproben (Dickschliffe)
durchgeführt. Nach der Verdampfung des Probenmaterials durch die zugeführte Lichtenergie
des Lasers wird das entstandene Feststoffaerosol im Argon-Gasstrom über eine etwa 3 m lange
Schlauchleitung in das ICP-MS gefördert. In der ICP-Fackel (teilweise ionisiertes Gas in einem
HF-Feld, Argon-Plasma, T~7000 K) kommt es zu einer erneuten Verdampfung, Atomisierung
und Ionisierung des ablatierten Materials. Die dann ins Quadropolmassenspektrometer gelangenden Ionen werden ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis entsprechend diskriminiert und über die
Gerätesoftware ausgewertet.
Die Nachweisgrenze liegt im sub-ppm-Bereich. Feststoffuntersuchungen mit der Laserablation
(JARVIS & WILLIAMS 1993, FRYER et al. 1995) benötigen neben dem äußeren Standard (Kalibrierung des Gerätes) einen inneren Standard im Feststoff, um die Ablationseigenschaften des
21
Feststoffgemisches, resultierend aus Oberflächenreflexion, Absorption, thermischer Leitfähigkeit, Transparenz und Siedepunkt zu normieren.
Auf Dickschliffen wurden Probentraversen ablatiert. Die Laser-Energie wurde im mJ-Bereich
variiert, um annähernd gleichgroße Ablationskrater (Durchmesser: 30-50 µm) zu erhalten. Eine
höhere räumliche Auflösung (geringere Kratergrößen) ist limitiert einerseits durch gute Ablationsfähigkeit des Alaunschiefers (relativ geringe Energie verursacht hohe Ablationsmenge), andererseits durch die Nachweisgrenze der zu untersuchenden Spurenelemente (Freisetzungsmenge pro Ablationspunkt). Als Ablationsfrequenz auf einer solchen Traverse wurden 20 Hz gewählt, der Vorschub betrug ~ 35 µm/s. Das bedeutet, daß die Ablationskrater nicht berührend
nebeneinander, sondern mit nur kleinem Versatz übereinander liegen, dadurch wird ein kontinuierliches Materialprofil analysiert. Die Profillänge betrug meist mehrere Tausend Mikrometer.
Untersucht wurden die Elemente Si, Al, P, S, Ca, Mg, Fe, Ba, Zr, La, Ce, Th, U, Pm, Nd, Sm.
An homogenen, glasigen Proben (Schmelzlinge) können als innerer Standard Elemente verwendet werden, deren Konzentration mit der RFA ermittelt wurde. In inhomogenen, strukturierten Proben ist ein solcher innerer Standard nicht vorhanden. Nur wenn ein Element mit konstanter Menge innerhalb der inhomogenen Probe erkannt wird, und die Konzentration dieses
Elements bekannt ist, existiert damit ein innerer Standard.
Ohne den ablationsnormierenden inneren Standard sind insbesondere zwei Probenstrukturen nur
begrenzt erfaßbar:
•
Materialwechsel (Lamination, Konkretionen)
•
Farb-, Helligkeitswechsel bei sonst chemisch ähnlicher Probenmatrix.
Diese Materialkontraste beeinflussen die Analyse weniger stark, wenn deren Ausdehnung kleiner ist als der Durchmesser des Ablationskraters, weil dann eine Mittelung der Ablationseigenschaften durch die überlappende Ablation erfolgt.
Deutliche Ablationsunterschiede können mikroskopisch erkannt werden: Wenn die Probenkraterweite und das neben dem Krater befindliche, nicht verdampfte Material mengenmäßig differieren, ist von Ablationsschwankungen auszugehen.
Elektronenstrahl-Mikrosondenanalyse (EMA, EPMA)
Anregung von Elektronen durch Elektronen mit hoher kinetischer Energie (mehrere keV) bewirkt Emission charakteristischer Röntgenstrahlung, die energiedispersiv (EDX) oder wellenlängendispersiv (WDX) detektiert werden kann (GÖPEL & ZIEGLER 1994). Bei EDX verwendet
man einen energieselektiven Halbleiterdetektor, während bei WDX eine Wellenlängenselektion
an einem Kristallgitter durchgeführt wird. Die geringere Nachweisgrenze, aber schnelle Spektren-Detektion prädestiniert die EDX für qualitative Überblicksaufnahmen des in der Probe auftretenden Elementspektrums. Die höhere Empfindlichkeit der WDX (~ 100 ppm vs. 1000 ppm
22
für EDX) wird zur Mineraldiagnostik (räumliche Auflösung ~ 1 µm) und Elementhäufigkeitskartierung auf Probenflächen angewendet.
Untersuchungen mit der Mikrosonde erfolgten im Geochemischen Institut der Univ. Göttingen
(JEOL JXA 8900 RL). Insbesondere wurden Elementkartierungen (Al, K, Fe, Ba, Mg, Na, P,
Ca, S) auf Dünnschliffpräparaten durchgeführt. Die räumliche Auflösung bei der Kartierung
liegt bei etwa 3 µm, die untersuchten Probenflächen sind ~ 0.25 mm2groß.
2.2 Methodik der Oberflächenquantifizierung, Anwendung auf
Gesteinsoberflächen
„Das Volumen des Festkörpers schuf Gott,
seine Oberfläche wurde vom Teufel gemacht.“
(Wolfgang Pauli)
Bei der Vorstellung der Methoden zur Oberflächenquantifizierung werden neben der Darstellung der jeweils angewendeten physikalischen Prinzipien ebenfalls Möglichkeiten und Grenzen
für die Untersuchung von Gesteinsoberflächen diskutiert. Dies gilt insbesondere für Untersuchungsmethoden, die für die Analyse von (tonigen, schiefrigen, TOC-reichen) Gesteinsoberflächen bisher nur beschränkt eingesetzt werden, vgl. CZURDA (1998).
Geometrische Oberfläche
Die geometrische Oberfläche eines unregelmäßig geformten Körpers kann durch Paraffin-Umhüllung ermittelt werden. Die Partikeloberfläche wird aus dem Quotienten von Volumen der
Paraffinhaut und Paraffindicke d bestimmt (Abb. 4).
Um beim Tauchen der Partikel die Paraffinhaut in möglichst gleicher Stärke zu erzielen, wurden
alle Proben auf konstante Temperatur (7°C) gebracht. Die Kühlung bewirkt außerdem, daß ein
stärkerer Paraffinüberzug durch Abschrecken des sich mit 55°C nur knapp über dem Schmelzpunkt befindlichen Paraffins erreicht wird.
Abb. 4: Prinzip der Paraffintauchmethode:
(a) Partikel (schraffiert) mit Paraffinhaut (grau)
(b) Annahme: konstante Dicke d der
Paraffinhaut
(c) Berechnung der Partikeloberfläche AO aus Paraffinmasse, -dichte
( = 0.9 g/cm2) und -hautdicke
Weil der Quader (AO * d) eine sehr kurze Seite d besitzt, haben kleine Meßfehler für d große
Auswirkungen auf die Berechnung der Oberfläche AO. Die Mächtigkeit von d wurde am
23
Binokular ausgemessen, die Meßgenauigkeit liegt bei ± 5 µm (Objektmikrometer). Die Paraffinschichtdicke (für alle Proben im Bereich von 400 bis 600 µm) variiert über die Partikeloberfläche durchschnittlich um etwa 50 µm, an Partikelkanten kann durch Abtropfen die Schichtdicke im Bereich um X00 µm vergrößert sein. Kleine Partikeloberflächen besitzen deshalb
einen Meßfehler für d, der mehrere Dekaprozent des Meßwertes einnehmen kann.
Variationen von d für unterschiedliche Proben werden hauptsächlich durch unterschiedliche
Probenmasse (variierende Abschreckung des Paraffins durch unterschiedlich große Kühlkörper)
und unterschiedliche Gesteinsporosität verursacht. Der Meßfehler aus der Probenwägung liegt
bei ± 0.5 µg, die Dichtemessung ist mit einem Fehler von ± 0.001 g/cm3 behaftet. Die Fehler
dieser beiden Meßgrößen sind wegen der hohen Beträge für ∆d ohne Belang.
Natürlich begrenzte Alaun- und Kieselschieferpartikel besitzen eine annähernd quaderförmige
Gestalt, die durch Schicht- und Kluftflächen vorgeprägt ist. Die Oberfläche solcher ebenflächig begrenzten Gesteinskörper kann durch eine Quaderoberfläche
AO = 2ab + 2bc + 2ac
annähernd beschrieben werden (Abb. 5).
An 74 mit sowohl mit KantenlängenmesAbb. 5: Oberfläche der Gesteinspolyeder angenähert
durch einen Quader (mit den ausgemessenen Kantenlängen) über der Oberfläche dieser Gesteinspolyeder,
die durch Paraffinummantelung ermittelt wurde.
sung als auch mit Paraffinummantelung
ermittelten
Partikeloberflächen
unter-
schiedlicher Lithotypen zeigt sich für den
Quotienten der Oberflächenwerte aus
beiden Methoden ein arithmetischer Mittelwert
x =
1
n
n
∑
i =1
xi
von 0.9. Die Standardabweichung
s =
1
n −1
n
∑ (x
i =1
i
− x)
2
liegt bei 0.3.
Die durch Paraffintränkung und durch das Quadermodell bestimmten Gesteinsoberflächen sind
annähernd übereinstimmend. Allerdings tendieren die Quaderoberflächen systematisch zu etwas
größeren Werten, insbesondere ist das der Fall bei kleinen Probenoberflächen (Abb. 5).
Während für gerundete Partikel, bspw. Kieskörner aus fluviatilen Ablagerungen, die Paraffintränkungsmethode zur Oberflächenbestimmung unumgänglich ist, bietet sich für schicht- und
kluftflächenbegrenzte, quaderförmige Polyeder aus der Steinbruchwand ein Ausmessen des
24
„Quadermodells“ an. Von jeweils 130 Polyedern verschiedener Lithotypen (gebleichte und
ungebleichte Alaun- und Kieselschiefer) wurden die Kantenlängen ausgemessen. Mit diesen
Meßwerten konnten die geometrische Oberfläche und das Polyedervolumen berechnet werden.
Aus den Oberflächendaten der Gesteinspartikel unterschiedlicher Lithotypen kann die volumenbezogene geometrische Grenzfläche [m2/m3] ermittelt werden. Bei bekannter Dichte der Lithotypen ist zusätzlich die Berechnung der massenbezogenen geometrischen Grenzfläche [m2/kg]
möglich.
Rasterelektronenmikroskop (REM, SEM)
Abbildungsauflösungen bis zu 2 nm werden mit dem Rasterelektronenmikroskop bei der Detektion von Sekundärelektronen erreicht. Ein fokussierter Elektronenstrahl (Primärelektronen)
rastert zeilenweise die zu untersuchende Oberfläche ab, ein Detektor registriert die Sekundärelektronen, die aus der Probe austreten (Tiefe bis ca. 10 nm). Das einfallende Primärelektron
kann mehrfach an Objektatomen gestreut werden, bis es schließlich eingefangen wird. Die Umhüllende für diesen Raum wird „Streubirne“ genannt und begrenzt die räumliche Auflösung bei
Rückstreuelektronen-Detektion auf ~ 1 µm (Streubirnen-Radius), während die Rückstreubirne
keinen Einfluß auf die räumliche Auflösung der Sekundärelektronen-Information hat; hier ist
die Auflösung überwiegend durch den Strahldurchmesser (~ 5-50 nm) limitiert. Der Kontrast
des Bildes der Sekundärelektronen entsteht durch das Oberflächenrelief (Primärelektronen-Einfallswinkel). Die Sekundärelektronen-Herkunft beschränkt sich auf eine Tiefenherkunft von nur
wenigen nm. Der Bildkontrast bei der Detektion von Rückstreuelektronen entsteht durch die
Streueigenschaften der Atome (Kernladungszahl) in einer Probentiefe von 0.1-10 µm (GÖPEL &
ZIEGLER 1994, HILLEBRECHT & KISKER 1992).
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen wurden am Institut für Geologische Wissenschaften in Halle an einem JSM 6300 (JEOL), Rückstreuelektronenaufnahmen an der Mikrosonde im Geochemischen Institut der Univ. Göttingen (JEOL JXA 8900 RL) durchgeführt. Die
Proben mit frischen Bruchflächen wurden mit Leit-C nach Göcke (Neubauer-Chemikalien) auf
Stiftprobenteller (Agar Scientific) montiert und mit Gold bedampft, um eine Aufladung zu verhindern.
Profilometer (DEKTAK)
Mit einem Nadel-Profilometer DEKTAK 3030 ST, Hersteller: VEECO Instruments GmbH,
wurden 58 Profile mit 100 µm, 300 µm, ~ 2 bzw. 3 mm Länge abgetastet, ein Übersichtsprofil
war 5 bzw. 8 mm lang (Durchführung am Inst. f. Festkörperphysik, Jena). Ausführliche Prinzipund Funktionsbeschreibungen solcher Nadel-Instrumente gibt THOMAS (1999), die Anwendung
eines Profilometers bzw. Tastschnittgerätes für die Oberflächencharakterisierung wird bei POON
et al. (1992) beschrieben.
25
Mit den unterschiedlich langen Profilen sollten periodische (Welligkeit) und nichtperiodische
Oberflächenformen erkannt werden. Es wurden jeweils zwei senkrecht zueinander angeordnete
3000 µm lange Profile für die Proben angefertigt, um die richtungsabhängigen Oberflächeneigenschaften zu erfassen. Aus diesen zwei Profilen wurde das rauhe Flächenrelief mit dem
Rauhigkeitsfaktor F (Definition im Kap. Ergebnisse) berechnet. Verwendet wurden frische
Alaunschiefer-Spaltflächen (Schieferungsflächen), um ein sauberes, unbeanspruchtes Relief zu
untersuchen. Aufnahmen an Kieselschiefern erfolgten an frischen Bruchflächen. Außerdem
wurden auch durch Mineralneubildungen krustierte (Kluft-) Flächen untersucht.
Das Profil wurde mit 1200 bzw. 2000 Meßpunkten aufgenommen. Bei den zweckmäßigerweise
verwendeten Profillängen von 3 mm wird bei 2000 Meßpunkten eine Lateralauflösung von
1.5 µm erzielt. Dies liegt weit unter dem auflösungsbegrenzenden Durchmesser der Nadel von
12.5 µm, die die Reliefunebenheiten nachzeichnet..
Die vertikale Auflösung liegt bei 0.1 nm. Es können relativ breite, aber sehr flache Reliefanomalien erkannt werden.
Die Nadelbewegung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und rechnerisch ausgewertet.
Für die Auswertung stand das Programm DEKTAK-Auswertung 9/1996 vom Inst. f. Festkörperphysik zur Verfügung. Mit dieser Software wurden Welligkeits- und Rauhigkeitsparameter
(Definition im Kap. Ergebnisse) der Profile berechnet.
Rauhigkeitsmikroskopie (LSM, WLI)
Mikroskopische Topographieunterschiede können durch Auswertung von gestapelten Reflexionsbildern auf zwei Wegen ermittelt werden: Weißlichtinterferometer (WLI) basieren auf
Längenmessung mit dem Mirau-Interferometer (THOMAS 1999), Laser-Raster-Mikroskope
(LSM) erzeugen Topographieschnitte durch konfokale Abbildung bei Vertikalverschiebung des
Objektes.
Das verwendete Mireau-Objektiv mit Referenzmarke und Teilerplatte ist eine Entwicklung des
Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena und wurde an ein LeitzMikroskop DM RME angesetzt (GLIECH
Tab. 9: Auflösung (vertikal, horizontal) mit LSM
Objektiv
Meßfläche
vertikal
horizontal
et al. 1999). Mit einem 40x-Objektiv
erzielt
man
~ 500 nm
laterale
und
< 50 nm vertikale Auflösung (bei Topo20x / 0.5
50x / 0.8
100x / 0.9
2
< 1000 nm
630 nm
graphie < 100 µm). Das Meßfeld beträgt
2
< 250 nm
400 nm
140 x 140 µm2. Ebenfalls im Fraunhofer-
< 100 nm
350 nm
Institut für Angewandte Optik und Fein-
460 µm
184 µm
2
92 µm
mechanik wurde das Laser-ScanningMikroskop LSM 510 mit rotem Laserlicht (ν = 633 nm) verwendet. Die dem jeweiligen LSMObjektiv entsprechende Meßfeldgröße und Auflösung ist Tab. 9 dokumentiert. Die Auswertung
der Topographiedaten und die Berechnung der Rauhigkeitsparameter (Tab. 18) erfolgte mit der
26
Software NanoScope, V. 4.42r4, Digital Instruments. Es wurden 22 Meßfelder an 12 Proben
analysiert und ausgewertet.
Atomkraftmikroskopie (AFM, SFM)
Das AFM nutzt das Zweiteilchenpotential (Lennard-Jones-Potential) zwischen Oberflächenatomen und Sondenspitze: Die Abstoßungskraft nahe der Probenoberfläche ist mit r-12-Proportionalität sehr abstandssensitiv. Die durch die Abstoßungskraft verursachte Auslenkung der die
Abtastnadel führenden Feder wird bspw. optisch mit einem Laserstrahl quantifiziert und kann in
eine Topographie-Information umgewandelt werden (GÖPEL & ZIEGLER 1994).
Die Oberflächentopographie der gebleichten und ungebleichten Gesteinsproben wurde mit
einem VERITEKT-3 (Zeiss) an Probenfeldern mit Kantenlänge von ~ 1.5 µm und einer lateralen Auflösung von 1 nm und einer vertikalen Auflösung von 5 nm am Institut für Festkörperphysik, Univ. Jena untersucht. Die Auswertung erfolgte mit der kommerziellen Veritekt-Software.
Quecksilberporosimetrie
Das Meßprinzip beruht auf Intrusion der nichtbenetzenden Flüssigkeit Quecksilber in den Kapillarraum der zu untersuchenden Probe. Die Porenfüllung wird durch Druckerhöhung bewirkt.
Daraus kann eine Kapillardruckkurve, nämlich das intrudierte Quecksilbervolumen in Abhängigkeit vom Druck aufgenommen werden. Aus der Kapillardruckkurve können mittels eines
Strukturmodells (Porenraummodell) die Porenvolumenverteilung über dem Porenradius, die Porosität sowie die innere Oberfläche der Poren berechnet werden. Für zylindrische Poren wird bei
bekannter Oberflächenspannung σ unter Berücksichtigung des Kontaktwinkels ϑ des Quecksilbers mit der Probe der Porenradius in Abhängigkeit vom Druck durch die WASHBURNGleichung beschrieben:
rP = −
2 ⋅σ
cos ϑ
p
Zusätzlich sind Aussagen zur Dichte des porösen und des mikroporösen Gesteins möglich (DIN
66133).
Die Untersuchungen an 13 Proben erfolgten am Geotechnischen Labor der ETH Zürich. Verwendet wurde die Makroporeneinheit „Pascal 140“ (Evakuierung und Füllung des Dilatometers)
und die Mikroporeneinheit „Porosimeter 4000“ (CE-Instruments).
Die Untersuchungen wurden bis zu einem Maximaldruck von 4 kbar (400 MPa) durchgeführt.
Aus dem für Quecksilbermoleküle zugänglichen Porenraum (Porendurchmesser > 2 nm, nämlich Meso- und Makroporen bis ca. 300 µm Durchmesser) wurde die Porenoberfläche durch
eine modellhafte Beschreibung mit Zylinderporen berechnet. Der Fehler der Druckmessung
beträgt max. 5 %, die Volumina werden bis zu Differenzen von 0.1 mm3 erfaßt. Hauptschwäche
27
dieser Porenraumermittlung ist das zugrundegelegte Zylinderporenmodell. Große Poren mit
engem Porenhals („Flaschenhalsporen“) werden aufgrund des Eindringquerschnittes für Quecksilber als viele kleinere Poren fehlinterpretiert. Die Quecksilberporosimetrie kann daher eine
Porenradienverteilung liefern, die gegenüber der realen zu weit zu den engen Poren hin verschoben ist. Die Reproduzierbarkeit der Meßwerte wird vom Gerätehersteller mit ~ 2 % vom
Meßwert angegeben.
Deutlichen Einfluß auf die Porositätswerte haben Inhomogenitäten des Materials. So werden
bspw. Klüfte im Gestein als Porenraum fehlinterpretiert.
Stickstoffadsorption
Die spezifische Oberfläche [m2/g] poröser Festkörper kann durch Auswertung der Adsorptionsisothermen von Gasen berechnet werden (BRUNAUER, EMMETT & TELLER 1938; sogenannte
BET-Methode). Die Adsorption wird durch physisorptive Bindungskräfte verursacht, nämlich
durch die relativ schwachen van-der-Waals-Kräfte zwischen Adsorbat (Gasmoleküle) und Adsorbens (Festkörper).
Abb. 6: Schematische Darstellung einer Adsorptionsisotherme: Mit
steigendem Partialdruck des Adsorbats wird ein Wendepunkt für den
Zuwachs an adsorbiertem Volumen erreicht, wenn eine
monomolekulare Bedeckung der Festkörperoberfläche vorhanden
ist. Ein weiterer steilerer Anstieg der Isotherme zeigt
Mehrschichtadsorption an.
Die auf der evakuierten Festkörperoberfläche in Abhängigkeit vom Relativdruck p/p0
(p = Partialdruck des Adsorbates, p0 = Gleichgewichtsdampfdruck) adsorbierte Menge an chemisch inertem Gas wird bei konstanter Temperatur ermittelt (Abb. 6). Zur Untersuchung mesoporöser Substanzen wird routinemäßig Stickstoff eingesetzt. Allerdings wird durch den Durchmesser eines Stickstoffmoleküls von ~ 0.5 nm auch mikroporöser Porenraum bei der Adsorption
erfaßt. Aus der adsorbierten Volumenmenge des Gases und dem Platzbedarf eines Gasmoleküls,
28
für Stickstoff ~ 0.16 nm2, kann die mit einer Molekülschicht bedeckte Fläche berechnet werden
(GREGG & SING 1991, IUPAC 1994, ROUQUEROL et al. 1999, DIN 66131; DIN 66134). Diese
Monoschichtkapazität umfaßt alle Poren, deren Porenhalsweite größer ist als der Moleküldurchmesser des verwendeten Adsorbats.
Die N2-BET-Adsorption (vs. Ethylenglycol- oder Methylenblau-Belegung) kann wegen des
großen Moleküldurchmessers des Adsorbens nicht die Zwischenschichtflächen von quellfähigen
Tonmineralen erfassen (MADSEN & KAHR 1992, CZURDA 1998). Diffraktometrische Untersuchungen zeigten, daß das hier betrachtete Material keine quellfähigen Tonminerale enthält.
Somit sind mit der Stickstoffadsorption sinnvolle Aussagen auch über Flächenanteile, die durch
die Tonmineralführung verursacht werden, möglich.
Am Meßgerät befinden sich zwei Adsorptionsgefäße, ein Probengefäß mit dem Untersuchungsmaterial und ein leeres Vergleichsgefäß. Nach mehrmaligem Spülen mit Stickstoff befindet sich
im Areameterkreislauf nur noch Stickstoff. Die Adsorptionsgefäße werden auf die Siedetemperatur von Stickstoff (77 K) abgekühlt. Durch die monomolekulare Anlagerung von gasförmigem Stickstoff an die Probe baut sich in den beiden Adsorptionsgefäßen eine Druckdifferenz
auf. Ändert sich diese Differenz nicht mehr, ist eine vollständige Anlagerung erfolgt und es läßt
sich aus der Druckdifferenz sowie dem Moleküldurchmesser von Stickstoff die Fläche berechnen, an der sich Stickstoffgas angelagert hat.
Die Messungen wurden mit dem Areameter Autosorb 1 (QUANTACHROME Instruments) am
Institut für Physikalische Chemie, Universität Jena, durchgeführt. Zur Auswertung wurde die
Software Autosorb for Windows, V. 1.16 genutzt. Die Proben-Evakuierung erfolgte vor der Adsorptionsmessung bei einer Temperatur von 30°C. Es wurden Wiederholungsmessungen an der
Probe durchgeführt, bis die Streuung zwischen Meßwerten und Mittelwert 0.2 m2/g unterschritt,
wenn spezifische Oberflächen, die kleiner als 10 m2/g waren, gemessen wurden. Für größere
gemessene Oberflächen wurde die Messung bis zu einer Streuung < 2 % zwischen Flächenwert
und Mittelwert wiederholt. Bei der überwiegenden Mehrzahl der Proben zeigte die erste Wiederholungsmessung bereits eine geringere Differenz der Flächenwerte. Deshalb erfolgten dann
keine weiteren Wiederholungsmessungen.
Insgesamt wurden 97 Messungen an 39 Proben durchgeführt. Wenn die absolute Fläche des
Probenmaterials kleiner als ~ 1 m2 ist, verringern sich Meßgenauigkeit des adsorbierten Volumens und damit Reproduzierbarkeit der spezifischen Oberfläche im Vergleich zu größeren
Absolutflächen deutlich. Solche problematischen Flächendaten sind in der tabellarischen Übersicht der BET-Oberflächen im Anhang markiert.
Wiederholungsmessungen an einer Probe zeigen, daß der Schwankungsbereich für die BETOberfläche der einzelnen Proben immer kleiner ist als die Oberflächendifferenz zweier lithologisch gleicher Proben. Der Grund dafür sind offenbar Inhomogenitäten des Gesteins. Aufgrund der Abweichung der Oberflächen gleicher Lithotypen erschien es für der Vergleich von
29
BET-Oberflächen unterschiedlicher Lithotypen sinnvoll, den Durchschnittswert für die spezifische Oberfläche eines Lithotyps auf 1 m2/g Genauigkeit zu runden.
30
3
Ergebnisse und Diskussion
3.1 Petrographie
Beobachtungen im Unteren und Oberen Graptolithenschiefer vom Gammigtal, Schwarzburger Sattel:
Im Gammigtal ist ein durchgängiges Profil vom Lederschiefer (Ordovizium) bis zum Tentaculitenschiefer (Devon) aufgeschlossen.
Abb. 7:
Profilskizze aus dem Gammigtal (STEINBACH et al.
1970), Beprobungspunkte:
Og3: Lederschiefer, S1: Unterer Graptolithenschiefer,
S3: Oberer Graptolithenschiefer.
Der Untere Graptolithenschiefer ist an seiner Basis (NNW-Teil des S1-Aufschlußbereiches)
dickbankig, hart und deutlich silifiziert ausgebildet. Die Zwischenlagen mit hartem, stärker verkieseltem Material erreichen nur mehrere Zentimeter bis Dezimeter Mächtigkeit. Hangende Profilpartien (SSW-Abschnitt) sind als weicher Alaunschiefer, der seidenglänzende Bruchflächen
besitzt, aufgeschlossen. Hier ist kleinstückiger Zerfall des Gesteins durch Bildung natürlich
begrenzter Polyeder (Abb. 8a, Probe 126) zu beobachten. Der Alaunschiefer aus dem Oberen
Graptolithenschiefer ist durch äußere Merkmale nicht vom Alaunschiefer (vs. Kieselschiefer)
des Unteren Graptolithenschiefers zu unterscheiden (Abb. 8b, Probe 129). Auch hier tritt kleinstückiger Zerfall des Gesteins in Polyeder auf; die Polyedergrenzflächen sind durch Kluft-,
Schieferungs- und Schichtflächen vorgegeben. Bleichung greift von diesen Kluftflächen millimeter- bis zentimetermächtig ins Innere der Gesteinspolyeder vor (Abb. 8c, 8d, Probe 129). Auf
den Kluftflächen treten hell- bis dunkelgelbe, teilweise traubige, glänzende, aber auch erdige
Beläge auf (Abb. 8e, 8f, Probe 129).
Auf den Schichtflächen gebleichter und ungebleichter Gesteinsbruchstücke sind Graptolithen in
silbrig-glänzender Mineralisierung vorhanden.
31
Abb. 8a-f: Aufschlüsse und Einzelproben aus dem Unteren (S1) und Oberen (S3) Graptolithenschiefer
vom Gammigtal. Deutlich sichtbar ist der kleinstückige Zerfall des Gesteins und die von den
Grenzflächen ausgehende kleinräumige Bleichung.
32
Beobachtungen im Unteren Graptolithenschiefer von Hohenleuben, Bergaer Sattel:
Die durchgreifende, großräumige Bleichung im Unteren Graptolithenschiefer von Hohenleuben
über mehrere Profilmeter (Abb. 9a, 15) ist im Nordteil des Steinbruchs direkt liegend zur
Verebnungsfläche des Bergaer Sattels (Abb. 9b) ausgebildet. Diese durchgreifende, vollständige
Bleichung betrifft Kiesel- und Alaunschiefer gleichermaßen (Abb. 9c). Kieselschiefer treten
deutlich als harte, mehrere Zentimeter mächtige Bänkchen auf, die über mehrere Meter weit
durchgängig in Aufschlüssen zu verfolgen sind. Zwischenlagernd, in Schichtkörpern gleicher
Mächtigkeit, wird weicher, stark abfärbender Alaunschiefer angetroffen. Diese Wechsellagerung ist mehrfach verfaltet und geschiefert. Auf den Schieferungsflächen im Alaunschiefer
sind oft Spiegelharnische ausgebildet. Außerdem treten mitunter rotbräunliche Mineralneubildungen auf Harnischflächen auf. Eine Korrelation der Bleichungserscheinungen mit Faltungsstrukturen existiert nicht. Im liegenden, großräumig ungebleichten Profilabschnitt treten
kleinräumige Bleichungen auf, die von natürlichen Grenzflächen im Gestein, insbesondere
Kluftflächen, ausgehen.
Die räumliche Anordnung der natürlichen Grenzflächen im Gestein (Schicht-, Schieferungsund Kluftflächen) bewirkt eine polyedrische Teilung des Gesteins. Diese Gesteinspolyeder
besitzen Kantenlängen überwiegend im cm-Bereich.
Die Bleichung kann zoniert auftreten (Abb. 9d, Probe 211). Etwa einen Millimeter mächtig ist
dann ein nicht vollständig gebleichter Übergang zwischen dem gebleichten und dem ungebleichten Bereich ausgebildet.
Frische Bruchflächen von gebleichtem Alaunschiefer erscheinen unter dem Binokular in monotoner hellgelber Färbung. Auf der Oberfläche treten selten Glimmer auf (Kantenlänge:
< 100 µm). Weitere Materialbestandteile sind nicht zu erkennen. Auf der Oberfläche können
parallel angeordnete, in etwa 1 mm Abstand verlaufende Oberkanten kleiner Ausbruchstufen
(Höhe deutlich kleiner als 1 mm) vorhanden sein. Senkrecht aufeinanderstehende Bruchflächen
des Gesteins zeigen, daß diese Stufung durch den Ausbiß von Schieferungsflächen verursacht
wird (vgl. Abb. 8d, Gammigtal, schräger Lichteinfall).
Im südlichen Bereich des Steinbruches befindet sich im oberen, gebleichten Profilabschnitt eine
etwa 3 m breite und 3 m tiefe Einkerbung (Abb. 9e). Diese ist mit mm- bis cm-großen Bruchstücken gebleichter, gelblicher Tonschiefer (Laminierung undeutlich sichtbar) und pelitischem
Matrixmaterial gleicher Farbe gefüllt (Probe 223, Abb. 9f). Unter dem Binokular ist auf den
Bruchflächen des Matrixmaterials mit weißer Grundfarbe eine gleichmäßig verteilte Sprenkelung erkennbar, die durch oft submillimeter-große, teilweise aber auch größere, rundliche,
hell- bis dunkelgelbe Flecken verursacht wird. Vereinzelt treten tiefschwarze Flecken ähnlicher
Größe in der hellen Matrix auf (Abb. 11e). Selten sind im Gestein Porenräume mit bis zu 1 mm
Durchmesser vorhanden. Die Porenwände sind mit dunkelgelben, traubig-glatten und glänzenden Belägen ausgekleidet.
33
Abb. 9a-f: Aufschlüsse und Einzelproben aus dem Unteren Graptolithenschiefer (S1) von Hohenleuben (Weinbergbrüche). Abb. 9b zeigt die tertiäre Verebnungsfläche des Bergaer Sattels bei
Hohenleuben. Im gebleichten, oberen Profilabschnitt des Steinbruchs ist eine Rinnenstruktur mit gebleichtem Alaunschieferschutt aufgeschlossen (Abb. 9e).
34
Klüfte zeigen in den bleichen Alaunschiefern oft dunkelgelbe bzw. honigfarbene glänzende,
traubige Beläge, diese wurden auch in den Aufschlüssen im Gammigtal (Abb. 8 e,f) beobachtet.
In den dunklen Alaunschiefern sind derartige Kluftfüllungen selten. Mitunter sind auf Schichtflächen gelbliche, glänzende, glatte Beläge vorhanden. Diese treten nicht durchgängig, sondern
fleckig als „Ausblühungen“ auf. Im Durchlicht erscheinen Dünnschliffpräparate solcher Krusten
opak (Abb. 10e, Pr. 211-4), im Auflicht sind höherreflektierende Bestandteile der Kruste zu erkennen, die aber mengenmäßig nicht dominieren (Abb. 10f).
Im Dünnschliff sind die gebleichten und ungebleichten Bereiche kleinräumig deutlich abzugrenzen (Abb. 10a). Die ungebleichten Alaunschiefer sind fast durchgängig undurchsichtig,
lokal treten Quarz-Konkretionen mit meist elliptischem Grundriß auf, deren Längserstreckung
mehrere zehner Mikrometer beträgt.
Direkt am Rand solcher Quarzeinschlüsse ist schwarzes Material aus dem ungebleichten Alaunschiefer in wolkigen bis fädigen Aggregaten sichtbar (Abb. 10c (Pr. 129), Abb. 11c (Pr. 126)).
Diese Aggregate sind nur wenige Mikrometer groß und zeigen keine biomorphe Struktur.
Die Quarzeinschlüsse können auch ausgelängt bzw. gängchenförmig vorliegen. Bemerkenswert
ist die Anreicherung von opakem Material im dunklen Alaunschiefer direkt benachbart zu
Quarzgängen (Abb. 11a). Die Quarzgängchen verlaufen schieferungsparallel (Abb. 11b).
Innerhalb weniger Mikrometer erfolgt zum gebleichten Bereich eine deutliche Erhöhung der
Lichtdurchlässigkeit (Abb. 10a, 11d). Die gebleichten Bereiche besitzen eine dichte Matrix aus
Tonmineralen, vereinzelt sind auch Hellglimmer sichtbar. Innerhalb der gebleichten Bereiche
treten Mineralneubildungen auf. Einerseits handelt es sich um opake, aber nur schwach lichtreflektierende, wolkige Aggregate, die mehrere hundert Mikrometer Länge erreichen können
(Abb10g). Andererseits sind dunkelgelbe, bernsteinfarbige Rhomben im Dünnschliff erkennbar
(Abb. 10b, 10d), deren Größe X0 µm beträgt. Mikrosondenanalysen bestätigten, daß es sich
dabei um Jarositneubildungen handelt.
Krustierende Mineralneubildungen erscheinen im Durchlicht fast durchgehend opak, allerdings
ist der geschichtete Aufbau an durchscheinenden, X0 µm mächtigen Lagen erkennbar
(Abb. 10e, Pr. 211-4). Im Auflicht zeigt sich, daß innnerhalb der Krusten ein Internaufbau
existiert, es liegen im überwiegend schwach reflektierenden Material auch höherreflektierende
Abschnitte vor. Diese besitzen eine Querschnittsmächtigkeit von X0 µm (Abb. 10e, 10f). Im
Randbereich sind die sonst opaken Krusten dunkelrot durchscheinend.
Im gebleichten und ungebleichten Alaunschiefer sind würfelförmige Hohlräume zu beobachten.
Deren Kantenlänge ist meist kleiner als 1 mm.
35
Abb. 10a-g: Dünnschliffmikroskopische Aufnahmen (# = Polarisator u. Analysator gekreuzt),
Durchlicht, außer Abb. 10f. Abb. 10a-d: Alaunschiefer aus dem Oberen Graptolithenschiefer
(S3) vom Gammigtal, Abb. 10 e-f: Alaunschiefer vom Steinbruch Hohenleuben (Weinbergbrüche).
36
Abb. 11a-d: Dünnschliffmikroskopische Aufnahmen (Durchlicht, # = Polarisator u. Analysator gekreuzt)
an teilweise verkieseltem Alaunschiefer aus dem Gammigtal (Probe 126).
Abb. 11e: Durchlichtaufnahme eines Dünnschliffpräparates der Probe 223: Gebleichter Alaunschieferschutt von Hohenleuben, Südbereich.
Beobachtungen im Oberen Graptolithenschiefer an der Steinernen Rose, Bergaer Sattel:
Vollständig von Diabas eingeschlossen befindet sich am Ostufer der Bleiloch-Talsperre in
einem Eisenbahneinschnitt ein Aufschluß von mehreren Dekametern Länge im Oberen Graptolithenschiefer (SCHLEGEL & WIEFEL 1998). Es steht weicher, tiefschwarzer Alaunschiefer an,
der keine Bleichung zeigt (Abb. 12a). Sehr häufig sind in dem plattigen Gestein Abdrücke von
Graptolithen, die nicht nur silbrig glänzend auftreten, sondern überwiegend rostrote Färbung
37
(Abb. 12b) besitzen. Häufig zeigt dieser Alaunschiefer durchgängige gelbbraune bis rostbraune
Beläge auf natürlichen Grenzflächen der Gesteinspolyeder. Diese Beläge sind unter dem Binokular als glänzende, traubig-nierige Überzüge erkennbar (Abb. 12c, 12d). An frischen Gesteinsbruchflächen ist sichtbar, daß der schwarze Alaunschiefer mit diesem rostbraunen Material auch im Inneren von Gesteinspolyedern imprägniert sein kann.
Beobachtungen im Kieselschiefer, Unterer Graptolithenschiefer, Auberg:
Im ehemaligen Steinbruch Auberg, östlich von Ronneburg, ist stark silifiziertes, hartes, splittrig
brechendes Gestein aufgeschlossen. Hier ist keine Wechsellagerung von Kiesel- und Alaunschiefern zu beobachten, es tritt nur stark verkieseltes Gestein auf. Der Lydit besitzt makroskopisch sichtbar farblich variable Abschnitte (Abb. 12e), zusätzlich zu dunkelgrauschwarzen
und weißen Bereichen sind rötliche Farbabstufungen in metermächtigen Profilabschnitten
aufgeschlossen: Es treten rötliche (121-2), violette (121-1), dunkelgraue (121-4) und hellgrauweiße (121-5) Kieselschiefer auf. Mitunter sind Laminierungen des durchgängig stark kieseligen Materials durch Farbunterschiede hervorgehoben.
Unter dem Binokular ist die feinkörnige Silifizierung nicht aufzulösen, allerdings sind einzelne
Lagen mit grobkörnigen Kristallen (sub-mm-mächtig) sichtbar (121-3). Die bleichen Kieselschiefer können eine deutliche rotbraune Pigmentierung besitzen. Die Pigmentierung ist besonders deutlich an Kluftflächen ausgeprägt. Hier treten bis mehrere hundert Mikrometer mächtige,
pulverige Lagen rotfarbiger Beschichtung auf. Die Pigmentierung auf den Schichtflächen beruht
auf homogener, disperser Verteilung der Pigmente, es existiert kein durchgehender Belag. Die
violettfarbigen Kieselschiefer zeigen unter dem Binokular ebenfalls Pigmentierungen der Kluftflächen (deutlich, durchgängig, derb) und der Schichtflächen (dispers, gesprenkelt, nicht immer
durchgängig). Die Farbe der Pigmente ist ein dunkleres Rot (vs. 121-2). Oft sind auch vollständig bleiche Gesteinspartien (cm- bis dm-Mächtigkeit, 121-5) den violetten Kieselschiefern
zwischengeschaltet. Die hellen Kieselschiefer sind pigmentfrei und milchquarzartig durchscheinend. Trennfugen im Gestein enthalten oft weiße, weiche, talkartige Beläge.
Die dunkelviolette Pigmentierung kann auch in eine schwarze, teilweise metallisch glänzende
Pigmentierung übergehen (121-4). Deutlich sichtbar ist unter dem Binokular, daß der mit Pigmenten belegte Kieselschiefer bleich, milchquarzartig durchscheinend, ist. Diese schwarze Pigmentierung wurde nicht auf Schichtflächen beobachtet, sie tritt nur als Kluftbelag auf.
38
Abb. 12a-d: Aufschluß in Alaunschiefer aus dem Oberen Graptolithenschiefer (S3) an der „Steinernen
Rose“, Probe 225. Der ungebleichte Alaunschiefer ist örtlich rötlich-gelb umkrustet.
Abb. 12e: Aufschluß im ehem. Kieselschiefersteinbruch „Auberg“ mit überwiegend gebleichtem und
gerötetem Lydit.
39
Beobachtungen im Oberen Graptolithenschiefer von Creunitz, Schwarzburger Sattel:
Am westlichen Ortsausgang von Creunitz ist in einem Hohlweg Oberer Graptolithenschiefer
(etwa 2 m Profilmächtigkeit) mit Übergang zum Tentaculitenkalk aufgeschlossen. Der weiche
Alaunschiefer ist im oberen Profilabschnitt vollständig gebleicht. Im liegenden Profilabschnitt
herrscht kleinmaßstäbliche Bleichung vor, die von natürlichen Gesteinsgrenzflächen in die Gesteinspolyeder vorgreift. Auch hier werden Graptolithen im Gestein angetroffen. Die Ausbildung der natürlichen Grenzflächen im Gestein sowie die Bleichungserscheinungen ähneln den
Beobachtungen aus dem Gammigbachtal bzw. vom Steinbruch Hohenleuben.
Beobachtungen im Unteren Graptolithenschiefer bei Ronneburg; Gessental:
In den quartären Sedimenten des Gessentals wurden in Rammkernsondierungen der WISMUT
neben grauen Tonschiefern auch Alaun- und Kieselschieferbruchstücke angetroffen. Liegend zu
diesen Sedimenten steht schwarzer Alaunschiefer an. Neben den Alaun- und Kieselschiefern
sind in den quartären Hangschutt- und Bachsedimenten weitere Lithotypen, nämlich Kalkstein,
Tonschiefer und Gangquarz vorhanden, die als Komponenten innerhalb der Bachsedimente
auftreten. Zusätzlich wurden in Schürfen Pelite beobachtet, die den gröberen Schichten
zwischenlagern.
Beobachtungen im Unteren Graptolithenschiefer von Schmiedefeld, Schwarzburger
Sattel:
In Schmiedefeld ist in der ehemaligen Alaunschiefergrube „Morassina“ Unterer Graptolithenschiefer aufgeschlossen. Im Bergwerk selbst sind an der Wechsellagerung von harten, stärker
verkieselten und weichen, schwach bzw. nicht verkieselten Alaunschieferbänkchen keinerlei
Bleichungserscheinungen zu beobachten. Auch an Störungszonen sind keine Hinweise auf Bleichung des Gesteins sichtbar. Allerdings treten auf den alten Abbauwänden bzw. -sohlen verschiedene Mineralneubildungen auf, die nach dem Einstellen der Bergbautätigkeit im Jahre
1860 gebildet wurden (MÜLLER 1993). Im Hangenden der Grube, an mehreren Aufschlüssen
am Weg von der Grube zum Ortszentrum Schmiedefeld (Probe 251), ist obertägige Bleichung
des Gesteins zu beobachten. Die Bleichung des Gesteins greift wiederum von den natürlichen
Grenzflächen ins Innere der Alaunschiefer-Polyeder voran.
Das Mundloch der „Morassina“-Grube befindet sich in einem Tal namens „Schwefelloch“. Hier
sind mehrere Halden mit Material aus dem Unteren Graptolithenschiefer aufgeschüttet. Dieses
Haldenmaterial wurde in den 1950er und 60er Jahren während der „WISMUT“-Bergbauaktivität aufgeschüttet und ist danach nicht umgelagert worden. Proben von der Haldenoberfläche (Pr. 248, 249, 250) besitzen oft eine gleichmäßige mittelgraue Färbung (trockener Zustand: Munsell-Farbe: N2-N3), erscheinen heller als ungebleichtes, untertägiges Material.
40
An einem neuangelegten Mundloch des Morassina-Stollens am Talausgang befinden sich Laugenbühnen aus der Zeit der letzten Alaungewinnung um 1860 (K. MÜLLER, pers. Mitteilung).
Material dieser Laugenbühnen zeigt mm- bis cm-große, von mm-mächtigen Quarzgängchen
umgebene, Hohlräume mit weichem Lockermaterial, das teilweise lagig auftritt. Sowohl dieses
weiche Residualmaterial als auch das nicht angelöste Nachbargestein zeigen eine tiefschwarze
Färbung (Pr. 252). Das Gestein liegt auf den Laugenbühnen nicht gebleicht und ohne Umkrustung von Mineralneubildungen vor.
Beobachtungen am Unteren Graptolithenschiefer von „Waldfrieden“, Bergaer Sattel und dem
Oberen Graptolithenschiefer von Döhlen bei Hohenleuben, Bergaer Sattel bestätigen die Beobachtungen zur Bleichung im Unteren und Oberen Graptolithenschiefer vom Bergaer und
Schwarzburger Sattel.
Interpretation zur Petrographie:
Alaunschiefer und Kieselschiefer bzw. Lydite können im ungebleichten und gebleichten Zustand aufgeschlossen sein. Die Bleichung ist in zwei räumlichen Ausbildungen sichtbar, einerseits „durchgreifend“, andererseits kleinräumig. Die vollständige, durchgreifende Bleichung tritt
in den hangenden Profilabschnitten auf und kann, wie in Hohenleuben, Anschluß an die tertiäre
Verebnungsfläche der Region besitzen. Die kleinräumige Bleichung ist an natürliche Grenzflächen im Gestein gebunden, insbesondere an Kluftflächen. Um die Klüfte sind millimetermächtige Bleichungshöfe ausgebildet. Diese können eine interne farbliche Zonierung besitzen,
die grau-gelbe Farbtöne umfaßt. Dünnschliffmikroskopische Untersuchungen weisen darauf
hin, daß die Bleichung im Zusammenhang mit der Abfuhr scheinbar µm-großer fadenförmiger
bzw. wolkiger opaker Aggregate steht. Diese einzelnen Aggregate sind nur an den Grenzflächen
zu SiO2-Einschlüssen sichtbar, da sonst eine durchgehende „Verfilzung“ der Aggregate vorliegt,
die den Dünnschliff fast durchgehend opak erscheinen läßt. Dünnschliffmikroskopsich wurde
kein strukturiertes organogenes Material erkannt. Zwar ist der ungebleichte Alaunschiefer
deutlich schwarz gefärbt und enthält erhebliche Mengen an organischem Kohlenstoff (vgl.
Interpretation zur Geochemie, org. Kohlenstoff). Jedoch fehlen artikulierte Strukturen im µmBereich, die als Träger des organischen Kohlenstoffs zu identifizieren sind, wie bspw. Acritarchen oder Chitinozoen.
Dünnschliffmikroskopische Untersuchungen an unverwitterten und gebleichten Schwarzpeliten
zeigen Sekundärminerale. Es tritt Jarosit auf, dieser kann bernsteinfarbig-durchscheinende,
rhombenförmige idiomorphe Kristalle ausbilden. Sulfidkristalle fehlen sowohl im gebleichten
als auch ungebleichten Material. Mitunter sind würfelförmige Porenräume anzutreffen, aus denen möglicherweise Pyrit gelöst wurde. Opake Krusten auf dem Alaunschiefer, die in geringmächtigen Randbereichen im Dünnschliff rötlich durchscheinen, bestehen offenbar aus Hämatit.
41
Allerdings kann auch Jarosit in Aggregaten am Aufbau der oberflächlichen Krusten beteiligt
sein.
Eine solche mächtige Silifizierung der Unteren Graptolithenschiefer wie am Auberg ist in der
Literatur nicht beschrieben (SCHLEGEL 1995). Bemerkenswert ist die über mehrere Meter
aushaltende ähnliche Färbung des Gesteins. Der Kieselschiefer liegt weitgehend gebleicht vor
und ist an einigen Profilabschnitten durchgreifend mit Hämatit (?) gefärbt. Die talkartigen,
weichen Massen auf Grenzflächen im bleichen Kieselschiefer sind möglicherweise unverkieselte, jetzt gebleichte Alaunschieferlaminae. Schwächerverkieselte Profilabschnitte mit
Alaunschiefer-Lagen wurden nicht gefunden. SCHIEBER et al. (2000) verweisen auf die diagenetische Bildung von Quarz als Hauptursache für Quarzkörner in pelitischem Material. Allerdings wurden keine kieseligen Fossilien beobachtet, die als Ausgangsmaterial für die Verkieselungen in Frage kommen (HESSE 1990). Offenbar sind durch die Diagenese fossile Kieselorganismen abgebaut worden.
In Alaunschiefer, der von der stratiformen Verkieselung nicht betroffen ist, sind Graptolithen in
silbrig glänzender (Gümbelit oder kohlige Substanz, SCHLEGEL 1974) und rostgelber Erhaltung
vorhanden.
42
3.2 Geochemie der Verwitterung
Die petrographisch nach ihrem Verwitterungszustand unterschiedenen Proben wurden geochemisch charakterisiert.
Kohlenstoff-, Stickstoffgehalt
Beobachtungen:
Kohlenstoff und Stickstoff-Elementanalysen zeigen, daß die ungebleichten Lithotypen generell
relativ viel organischen Kohlenstoff enthalten, nämlich zwischen ~ 6 und 23 Gew. % (Proben
207-2, 208, 209-3, 211-6/b, 212, 224-2, 225-b2, 229, 230; Anhang). Demgegenüber beträgt der
Kohlenstoff-Gehalt der gebleichten Proben etwa 1 Gew. % (121-1-5, 129c, 133, 211-3, 224-1,
228, 231). Nicht vollständig gebleichte Proben (213, 211-4a/b) zeigen 1-2 Gew. % Kohlenstoff.
Schwarzer Graptolithenschiefer enthält oft auch mehr Stickstoff (0.2-0.5 Gew. %, Proben 2072, 208, 209-3, 211-6b, 212, 229) als bleicher Graptolithenschiefer. Diese führen oft, aber nicht
immer, weniger als 0.2 Gew. % Stickstoff.
Der Verlust an organischem Kohlenstoff und Stickstoff durch Bleichung geht aus Tab. 10 hervor: Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt nehmen ausgehend vom schwarzen Polyederzentrum
nach außen hin zu den polyederbegrenzenden Kluftflächen ab.
Tab. 10: Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt eines
randlich gebleichten Alaunschieferpolyeders aus
dem Stbr. Hohenleuben (Nordbereich), Probe
211-2a-d (Abb. 13)
Farbzone
C
[Gew. %]
N
[Gew. %]
1,35
1,55
2,42
8,08
0,16
0,16
0,18
0,23
a) hellgrau
b) braungrau
c) dunkelbraungrau
d) schwarz
Abb. 13: Probe 211-2, zonierte Bleichung (a-d):
Alaunschiefer aus dem Unteren Graptolithenschiefer, Hohenleuben.
Interpretation:
Bleichende Gesteinsverwitterung der Alaunschiefer ist mit einem drastischen Abbau von organischem Kohlenstoff verbunden. Hellgraue bis weiße Bleichung des Gesteins entspricht Kohlenstoffgehalten von ~ 1 Gew. %. Ungebleichte Proben enthalten generell deutlich mehr als
1 Gew. % Kohlenstoff, graue Proben (Übergang verwittert-unverwittert) führen zwischen ca.
1-2 Gew. % Kohlenstoff.
PEUCKER-EHRENBRINK & HANNIGAN (2000) haben ebenfalls frische und verwitterte Schwarzschiefer (Ober-Ordovizium, Utica Shale Magnafacies, Québec) untersucht und festgestellt, daß
43
farbveränderte, hellere Schwarzpelite einen deutlichen Verlust an Corg aufweisen, nämlich 4496 % des ursprünglichen Gehalts.
LITTKE (1993) verweist darauf, daß der Bleichungsverwitterung die Eisensulfidverwitterung
vorangeht. Die Anwesenheit von Pyrit ist deshalb ein Indiz dafür, daß Bleichungsverwitterung
noch nicht eingetreten ist.
Ähnlich verhält sich der Stickstoffgehalt der Proben, möglicherweise tritt Stickstoff assoziiert
mit dem organischen Kohlenstoff auf. Es ist aber auch denkbar, daß der Stickstoffgehalt den
mikrobiellen Befall des Gesteins widerspiegelt.
Hauptelementgehalte
Beobachtungen:
Vergleiche zwischen gebleichten und ungebleichten Alaunschiefern betreffs ihrer Hauptelemente aus RFA-Analysen sind zweckmäßigerweise in Normierung ohne LOI zu betrachten,
um durch Corg-Verlust bei Bleichung keine Anreicherungen der Hauptelemente vorzutäuschen
(Anhang: Hauptelemente mit und ohne LOI).
Röntgenfluoreszenz-Analysen der Hauptelemente zeigen mit dem SiO2-Gehalt den Verkieselungsgrad der Proben an. Die gebleichten Kieselschiefer vom Auberg führen mehr als
95 Gew. % SiO2. Alaunschiefer (S1 und S3) besitzen im frischen Zustand, abhängig von CorgFührung und Verkieselungsgrad, 60-80 Gew. % SiO2.
Aluminium wird durch den Bleichungsprozeß im Verhältnis zu Silizium mengenmäßig nicht
beeinflusst. Laserablationstraversen mit der ICP-MS zeigten, daß das Al/Si-Verhältnis auf einer
Profillänge von 3 mm (Übergang ungebleicht-grau-weiß, Probe 129, Profil 3, Gammigbachtal,
S3) kaum variiert (Abb. 20).
TiO2 ist in frischem Alaunschiefer mit 0.1 ~ 0.5 Gew. %, in gebleichten und umkrusteten Proben mit bis zu 1 Gew. % enthalten. Eine „Rinnenfüllung“ aus verwitterten Alaunschieferbruchstücken im Stbr. Hohenleuben (Pr. 223) führt 5.4 Gew. % TiO2.
Durchschnittlich enthält Alaunschiefer in den untersuchten Lokalitäten etwa 1 Gew. % Fe2O3.
Gebleichte Proben können weniger, aber auch wesentlich mehr Eisen aufweisen. Letzteres ist
für umkrustete Graptolithenschiefer typisch (1-5, mitunter bis 20 Gew. %: 211-4, 225).
MnO-Gehalte sind größer als 0.1 Gew. % für karbonathaltige Proben (137, 187). Dies bezeugen
auch die CaO-Mengen (> 10 Gew. %). Alle anderen Alaun- und Kieselschiefer besitzen meist
um 0.01 Gew. % MnO bzw. < 0.5 Gew. % CaO.
Erhöhte Phosphorwerte (> 0.1 ~ 0.4 Gew. %) treten kaum auf. Deutliche Änderungen des
Phosphorgehaltes im Gesamtgestein durch Bleichung sind nicht erkennbar.
Stärkere Variationen zeigt der Gehalt an Schwefel aus Sulfiden und denjenigen Sulfaten, die bis
950°C zersetzt werden (Schmelzlingherstellung für RFA). Vor allem krustierte Proben können
einen hohen Schwefelgehalt, zwischen 1000 und 10000 ppm, aufweisen. Unverwitterte Alaun-
44
schiefer führen teils bis zu mehrere Tausend ppm Schwefel, teils aber auch erheblich weniger.
Thermisch stabilere Sulfate treten nur untergeordnet auf, der Anteil liegt meist deutlich unter
1000 ppm.
Interpretation:
LEUTWEIN (1951) diskriminiert Alaun- von Kieselschiefern bei SiO2 = 80 Gew. %, SZUROWSKI
(1967) bei 85 % und nennt Durchtrümerung mit Quarz als Kieselschiefercharakterisierung.
Aluminium wird bei der Bleichung nicht mobilisiert, das Al/Si-Verhältnis ändert sich bei
Bleichung eines Alaunschiefers nicht. LITTKE
Tab. 11: Vergleichende Darstellung des
Chemismus der Unteren Graptolithenschiefer in Ostthüringen. SZUROWSKI
(1967) analysierte 56 untertägige Schlitzproben, LEUTWEIN (1951) 25 Einzelproben. Die Analysen erfolgten naßchemisch, Angaben in [%].
SiO2
Al2O3
Fe2O3
Sges
Cges
CaO
MgO
Mo
Cr
SZUROWSKI
(1967)
LEUTWEIN
(1951)
67,7
4,9
5,3
3,3
9,3
2,1
0,9
0,02
0,02
86,8
2,7
2,0
0,2
4,6
0,2
0,9
0,01
0,01
(1993) findet bei der Untersuchung des Posidonienschiefers ebenfalls keine bzw. nur eine sehr
schwache Veränderung in der Menge an Quarz
und Tonmineralen durch Bleichungsverwitterung.
Mobilisierung bei der Bleichung erfährt im hier
untersuchten Alaunschiefer hingegen Titan. Deutlich kommt dies in der hohen TiO2-Führung einer
Sedimentprobe zum Ausdruck, die aus einer Rinnenfüllung nicht bekannten Alters mit Bruchstücken aus der Bleichungszone Stbr. Hohenleuben (Südbereich) stammt. Der Anreicherungsfaktor (ungebleicht gegenüber gebleicht: „ausgelaugt“) liegt bei etwa 15.
Eisen und Schwefel können durch Bleichungsvorgänge mobilisiert werden. Allerdings sind
Pyritkristalle oft auch im ungebleichten Alaunschiefer weggelöst (vgl. petrographische Beobachtungen). Im Posidonienschiefer hat LITTKE (1993) die Umwandlung von Pyritkristallen zu
Eisenoxid/-hydroxid auch im ungebleichten Schwarzschiefer in Oberflächenaufschlüssen beobachtet. Sulfate treten als sekundäre Bildungen, wie bspw. der mikroskopisch und mikrosondenanalytisch nachgewiesene Jarosit, auf.
Eisenreiche Mineralneubildungen verursachen rötliche Umkrustungen des Gesteins. Diese Krusten bedingen einen hohen Fe-Gehalt im Gesamtgestein. Mitunter treten hohe Eisen- und sulfidische Schwefelgehalte in den Krusten vergesellschaftet auf.
Geringe Phosphormengen in den Proben, unabhängig vom Bleichungszustand, deuten darauf
hin, daß Phosphoritkonkretionen in den Proben enthalten sind. Ausführlicher wird die räumliche
Verteilung dieser Konkretionen im Kapitel zur ortsaufgelösten Geochemie diskutiert. Makroskopisch sichtbare Konkretionen wurden nicht beprobt.
45
Spurenelementgehalte
Beobachtungen aus Gesamtgesteinsanalysen:
In Abb. 14 ist der V-Gehalt von Graptolithenschiefern über dem Corg-Inhalt dargestellt. Kohlenstoffarme (gebleichte), aber auch ungebleichte Schiefer enthalten einerseits relativ wenig Vanadium. Allerdings können bei gebleichten und ungebleichten Lithotypen auch sehr hohe V-Gehalte erreicht werden. Ähnlich verhalten sich Ba, Cr, Zn, Cu, Ni, Ce, Mo, Y und U in RFA-Gesamtgesteinsanalysen: Ungebleichte Proben enthalten einerseits höhere Spurenelement-Konzentrationen als die zugehörigen gebleichten Gesteinsabschnitte (Hohenleuben, Südbereich: 224-2,
224-1), andererseits können die gebleichten Proben auch spurenelementreicher als die ungebleichten (Hohenleuben, Nordbereich: 211-6, 211-3,4) sein. Proben mit krustierenden Mineralneubildungen zeigen die höchsten Spurenelementgehalte (225; 128, 211-4a).
Abb. 14: Vanadiumgehalt [ppm] im Graptolithenschiefer aufgetragen über dem Kohlenstoffgehalt [Gew. %]
Aus der Grube Morassina, Schmiedefeld, wurde untertägig im Alaunschiefer (Unterer Graptolithenschiefer) schwarzes Material beprobt, das plastisch verformbar ist. Es handelt sich bei diesem mehrere Zentimeter mächtigen Horizont nicht um festen Alaunschiefer oder Kieselschiefer.
Dieses Material ist vollständig aufschlämmbar. Der Lösungsrückstand einer Aufschlämmung
dieser Probe (255) mit destilliertem Wasser wurde auf seinen Spurenelementinhalt mit Hilfe der
ICP-MS untersucht. Sinnvoll sind nur qualitative Angaben über die Spurenelementführung, da
das Lösungsverhalten der verschiedenen Elemente bei der Aufschlämmung nicht bekannt ist. In
der Lösung wurden die Elemente Ni, Cu, Zn und besonders deutlich Ba nachgewiesen.
Interpretation:
Die Spurenelemente V, Ba, Cr, Zn, Cu, Ni, Ce, Mo, Y und U im Alaunschiefer sind bei Bleichungsprozessen mobilisierbar. Deshalb können gebleichte und ungebleichte Lithotypen relativ
46
arm an Spurenelementen sein. Bei Ausbildung von Fe-reichen Krusten können Spurenelemente
zurückbehalten werden, ein Beispiel hierfür ist stark verkrusteter Alaunschiefer vom Aufschluß
„Steinerne Rose“ (Probe 225).
Die Adsorption von Spurenmetallen wie bspw. Cu, Zn, Pb und Cd an teilweise sulfathaltige
Eisenoxide, die durch saure Grubenwässer entstehen, wird von WEBSTER et al. (1998) diskutiert: Insbesondere sulfatreiche Eisenkrusten zeigen starke Adsorptionseigenschaften. In dem
rötlichen, eisenreichen Probenmaterial von der Steinernen Rose ist der Schwefelgehalt
(> X000 ppm) im Vergleich zu ungebleichtem Alaunschiefer (X00 ppm) erhöht. Die spurenelementreichen Krustierungen enthalten neben reichlich Eisen auch Schwefel.
Vanadium wird auch im Kupferschiefer bei Oxidation nicht abgeführt. BECHTEL et al. (2001)
diskutieren, daß Vanadium (Vanadyl-Porphyrine) aus dem Gestein nicht abgeführt, sondern in
Hämatit und Tonmineralen angereichert wird. Dies steht in guter Übereinstimmung mit den hier
vorgestellten Beobachtungen über Spurenelement-Akkumulation in krustierten Alaunschiefern.
PEACOR et al. (2000) zeigen, daß Vanadium einerseits im organischen Material eines Schwarzpelits, andererseits in größerer Menge in authigenen Illiten eingebaut ist. Das bedeutet, daß bei
der Abfuhr von organischem Material Vanadium teilweise mobilisiert wird, der Vanadium-Anteil im Illit aber von der Bleichung unbeeinflußt bleiben kann.
Das aufschlämmbare schwarze Material aus der Grube „Morassina“ (Pr. 255) – SZUROWSKI
(1967) diskutiert derartiges Material als Rückstand gelöster Karbonatbänkchen – verdeutlicht,
daß Cu, Zn, Ni und insbesondere Ba in wäßriger Lösung daraus mobilisiert werden könnnen.
BECHTEL et al. (2001) fanden im Kupferschiefer von SW-Polens erhöhte Co-, Ni- und Mo-Gehalte bei erhöhter Schwefelführung, einerseits in Pyrit, andererseits in weiteren Sulfiden. Mobilität bzw. Abfuhr von Ni wird mit der Abfuhr von Ni-Porphyrinen bei der Oxidation von organischem Kohlenstoff in Zusammenhang gebracht, vgl. HAMMER et al. (1990). Ebenso wie im
Alaunschiefer (SZUROWSKI et al. 1991) stellen BECHTEL et al. (2001) für den Kupferschiefer
Uranmobilisierung (Uranyl-Komplexe) im oxidierenden Milieu und Uran-Repräzipitation an
der Grenze zum reduzierenden Milieu fest.
Beobachtungen aus γ-Strahlen-Spektrometrie:
Die im Alaunschieferbruch Hohenleuben durchgeführten γ-spektrometrischen Messungen geben
den Gehalt von
39-41
K,
232
Th und
238
U in Profilen im ungebleichten und gebleichten Grapto-
lithenschiefer an (Abb. 15, 16; Anhang).
In dem kieselschieferreichen Litho-Profil aus dem Basisbereich des Steinbruches (Abb. 16)
variiert der U-Gehalt kaum um den durchschnittlichen Gehalt von 15 ppm. Zwei sich von den
ungebleichten bis in die gebleichten Faziesbereiche erstreckende Profile (Abb. 15) zeigen
gleiche Tendenz, nämlich eine deutliche Zunahme des Urangehaltes von dem unverwitterten
Graptolithenschiefer im basalen Teil (~ 30 ppm) zur gebleichten Verwitterungsdecke
(~ 60 ppm). Kalium und Thorium zeigen keine Varianz (Anhang).
47
Interpretation:
Die γ-spektrometrischen Daten aus dem Stbr. Hohenleuben zeigen, daß die makroskopischvisuelle Unterteilung der Graptolithenschiefer in einen gebleichten und ungebleichten Lithotyp
sich auch im Urangehalt widerspiegelt. Aus den einzelnen Profilen geht hervor, daß das frische,
unverwitterte Gestein durchschnittlich etwa 15-30 ppm Uran enthält. In der gebleichten Fazies
des Graptolithenschiefers steigt der Urangehalt deutlich an.
Abb. 15: Steinbruch Hohenleuben, Nordbereich. Wechsellagerung von Alaun- und Kieselschiefern aus
dem Unteren Graptolithenschiefer. Darstellung der Konzentration an Uran [ppm] aus gammaspektrometrischen Messungen an zwei Profilen über den großräumigen Bleichungsbereich im Hangenden der ungebleichten Alaunschiefer.
Abb. 16: Steinbruch Hohenleuben, Nordbereich.
Wechsellagerung von Alaun- und Kieselschiefern aus
dem Unteren Graptolithenschiefer, deutlich sichtbar
sind die cm-mächtigen verkieselten Bänke. Dargestellt ist die räumliche Verteilung der Konzentration
von Uran [ppm] aus gammaspektrometrischen Messungen.
48
Dieser Anstieg widerspiegelt den Mobilisierungsprozeß unter oxidierenden bzw. den Anreicherungsprozeß unter reduzierenden Bedingungen (SZUROWSKI et al. 1991). Die hier sichtbare Anreicherungszone für Uran ist demnach der Grenzbereich zwischen der Uran-Mobilisierungszone (oberer, hier erodierter Teil der Verwitterungsdecke) und dem unverwitterten
Ausgangsgestein mit der ursprünglichen U-Konzentration (reduzierende Bedingungen).
Ortsaufgelöste Geochemie
Elementhäufigkeiten können eindimensional entlang von Laser-Ablationsprofilen mit der ICPMS mit einer Ortsauflösung von ~ 30-50 µm detektiert werden, aufgrund der hohen Nachweisempfindlichkeit (ICP-MS: sub-ppm vs. Mikrosonde: ~ 1000 ppm) ermöglicht dies insbesondere
Aussagen zur räumlichen Verteilung von Spurenelementen. Flächige Elementkartierungen sind
überwiegend für Haupt- und Nebenelemente mit der Mikrosonde möglich (Nachweisgrenze:
100 ppm, räumliche Auflösung ~ 3 µm).
Räumliche Verteilung von Haupt- und Nebenelementen:
In Tab. 12 werden die Beobachtungen aus Flächenscans mit der Mikrosonde zusammengefaßt.
In Abb. 17 sind als Beispiel die Element-Flächenscans des foliationsparallel präparierten
Dünnschliffs (Probe 224-1p) eines gebleichten Alaunschiefers, Hohenleuben, Steinbruch-Südbereich dargestellt, Abb. 18 zeigt die Flächenscans eines ungebleichten Alaunschiefers (224-2,
Hohenleuben), Präparation senkrecht zur Foliation. Die Probe 129c zeigt gebleichten Alaunschiefer (Oberer Graptolithenschiefer, Gammigbachtal), der eine Fe-reiche Kruste besitzt
(Abb. 19), zusätzlich sind Phosphor und untergeordnet Schwefel an den Neubildungen beteiligt.
Die weiteren in Tab. 12 ausgewerteten Elementkartierungen sind dem Anhang zu entnehmen.
Die Meßfelder besitzen eine Größe von 500 * 500 µm2.
Beobachtungen:
Generell zeigen Aluminium, Kalium und die in geringeren Konzentrationen auftretenden Elemente Natrium und Magnesium übereinstimmende Häufigkeitsmuster. Bei Proben, die senkrecht zur Foliation (Schichtung, Schieferung) präpariert sind, ist die subparallele Anordnung der
Häufigkeitsmuster dieser Elemente sichtbar.
Phosphor und Eisen treten ebenfalls gemeinsam auf, aber in anderem Verteilungsmuster als die
erste räumlich zusammengehörige Elementgruppe (I). Zusätzlich wurde insbesondere in Alaunschiefer aus dem Oberen Graptolithenschiefer das gemeinsame räumliche Auftreten von Kalzium und Phosphor bobachtet. Kalzium und Eisen kommen jedoch nicht am gleichen Ort vor,
auch wenn beide Phosphor-Affinität zeigen. Im ungebleichten Alaunschiefer von Hohenleuben
(Südbereich, Probe 224-2s) war das Verteilungsmuster von Eisen nicht wie in den anderen
gleichlaufend zum Vorkommen von Phosphor, darüberhinaus auch nicht zu Schwefel. In allen
49
Bildern wurden BSE-Minima (schwarz, keine Intensität) beobachtet, deren Ausdehnung unterhalb oder an der unteren Grenze der räumlichen Auflösung des Detektors liegt (räumliche Ausdehnung: ein Bildpunkt).
Eine eisenreiche Verkrustung auf gebleichtem Alaunschiefer (Probe 129c) geht konform mit
Schwefel-, untergeordnet auch mit Phosphoranreicherung. Diese Anreicherungen sind auch im
Rückstreuelektronenbild sichtbar.
Tab. 12: Beobachtungen aus Mikrosonden-Element-Flächenkartierungen, vgl. Abb. 17-19 u. Anh.
Bedeutung der verwendeten Abkürzungen in der Tabelle: AS1 = Alaunschiefer aus S1, AS3 = Alaunschiefer aus S3, p = schieferungs-/ schichtparalleler Dünnschliff, s = Dünnschliff senkrecht zur Schichtung/ Schieferung, + = hohe Intensität auf Rückstreuelektronenbild (BSE): hell; - = kein Signal auf Rückstreuelektronenbild (BSE): schwarz, (Element): geringe Konzentration dieses Elements detektiert.
gemeinsam
auftretende
Elemente (II)
(Phosphate,
Sulfate)
Besonderheiten
BSE
Fe, P: +
? < 3 µm: -
Probe
Charakterisierung
gemeinsam
auftretende
Elemente (I)
(Silikate)
224-1p
AS1, bleich, p
Al, K, (Na, Mg)
P, Fe
kaum/ nicht S
224-1s
AS1, bleich, s
Al, K, (Na, Mg)
P, Fe
Fe, P: +
kaum/ nicht S,
Al, K: subparallele ? < 3 µm: Strukturen
224-2s
AS1, schwarz, s
wie vor
weniger P
Fe nicht mit P,
Fe nicht mit S
(S): ? < 3 µm: -
225-p
AS3, schwarz, p
Al, K, (Na, Mg)
Ca, P und Fe, P
kaum S
Fe, P: +
? < 3 µm: -
225-s
AS3, schwarz, s
Al, K, (Na, Mg)
Ca, P und Fe, P
alle Elemente:
subparallele
Strukturen
Fe, P: +
? < 3 µm: -
230-1
AS1, schwarz, s
Al, K
P, Fe
Ca, subparallel
Fe, P: +
Ca: ? < 3 µm: -
129c
AS3, bleich,
Kruste
Al
P, Fe, S
Fe-S-P-Kruste
Fe, P, S: +
50
Abb. 17: Elementhäufigkeits-Kartierungen (Al, K, P, Fe, S) und Rückstreuelektronen-Detektion an gebleichtem Alaunschiefer aus Hohenleuben, foliationsparallele Dünnschliff-Präparation (Pr. 224-1)
51
Abb. 18: Elementhäufigkeits-Kartierungen (Al, K, P, Fe, S) und Rückstreuelektronen-Detektion an ungebleichtem Alaunschiefer aus Hohenleuben, Dünnschliff-Präparation senkrecht zur Foliation (Pr. 224-2)
52
Abb. 19: Elementhäufigkeits-Kartierungen (Al, P, Fe, S) und Rückstreuelektronen-Detektion an gebleichtem und krustiertem Alaunschiefer (S3) aus aus dem Gammigtal, Dünnschliff-Präparation senkrecht zur
Foliation (Pr. 129c)
53
Interpretation:
Alaunschiefer besteht hauptsächlich aus K-, Al-, Si-reichen, mikrometergroßen Mineralen, die
im Gestein eine Foliation ausbilden – unabhängig vom Bleichungszustand des Alaunschiefers.
Dabei handelt es sich nach mikroskopischen Untersuchungen um Illit.
Das BSE-Bild weist darauf hin, daß häufig entweder sehr leichtes Material oder Porenraum im
Alaunschiefer vorhanden ist, dessen Ausdehung kleiner ist als die räumliche Auflösung des
Detektors, nämlich ~ 3 µm. Das belegt, daß organischer Kohlenstoff nicht in größeren Aggregaten im Gestein vorliegen kann.
Phosphor und Eisen treten gemeinsam auf, scheinen aber durch die Bleichung nicht deutlich
beeinflußt. Phosphor kann auch gemeinsam mit Kalzium auftreten, möglicherweise als Apatit.
Bemerkenswert ist der hier generell sichtbar geringe Gehalt an Schwefel, auch tritt Schwefel
nicht gemeinsam mit Eisen auf, außer bei einer Verkrustung an der Gesteinsoberfläche (Probe
129c). Offenbar ist die Eisensulfidführung in diesen Proben schwach bzw. gar nicht ausgeprägt,
die letztgenannte Fe-S-Korrelation (Pr. 129c) ist nach dünnschliffmikroskopischen Untersuchungen durch Jarosit-Neubildungen verursacht. Auch LITTKE (1993) hat beobachtet, daß in
ungebleichtem Schwarzschiefer Eisensulfid abgebaut und zu Eisenoxiden/ -hydroxiden umgewandelt sein kann. Dies erklärt auch, warum die Eisen-Schwefel-Korrelation in den hier untersuchten Proben so gering sein kann bzw. fehlt.
54
Räumliche Verteilung von Spurenelementen:
Beobachtungen: Ablations-Eigenschaften von Alaunschiefer
In Probe 129 (S3, Gammigtal, Übergang ungebleicht – gebleicht, Abbn. 20, 21) wurden Hauptund Spurenelemente detektiert. In Ermangelung eines inneren Standards wurden
mit Hauptelement-Untersuchungen (Si,
Al) die Ablationseigenschaften im Alaunschiefer überprüft. Die durchschnittlich
detektierte Menge an Si und Al nimmt im
Vergleich zum ungebleichten Probenabschnitt im gebleichten Probenbereich ab
(Abb. 20). Trotzdem sind beide in gleiAbb. 20: Häufigkeit von Al und Si im ungebleichten
und gebleichten Alaunschiefer (Probe 129). Al/ SiVerhältnis für Überprüfung des halbquantitativen internen Standards Si.
chen Mengenverhältnissen über die gesamte Detektionslänge anzutreffen, das
Verhältnis Al/Si bleibt konstant.
Abb. 21: Anschliffe der Proben 129 (Alaunschiefer [S3], teilweise gebleicht), 140 (Kieselschiefer [S1],
Bleichung ausgehend von Klüften), 187 (verfaltete Karbonatgängchen in Alaunschiefer [S1]). Die Pfeile
visualisieren Lage und Länge der Laserablations-Profile für Analysen mit der ICP-MS.
Interpretation: Ablationseigenschaften von Alaunschiefer
Die Ablationseigenschaften des Alaunschiefers sind vom Bleichungszustand deutlich abhängig.
Im gebleichten Bereich der Probe 129 sind geringere Mengen von Al und Si detektiert worden.
Das konstante Al/Si-Verhältnis zeigt jedoch an – auch im Vergleich mit den XRF-Gesamtgesteinsanalysen – daß diese Mengenunterschiede nicht auf Konzentrationseigenschaften im
Material, sondern auf unterschiedliche Ablationsfähigkeit, hier offenbar durch unterschiedliche
Reflexionseigenschaften, zurückzuführen sind. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, Elementverhältnisse (Element/Silizium) zu vergleichen. Damit wird Silizium als halbquantitativer innerer
Standard eingeführt. Dies ist nur zulässig, wenn die untersuchten Probenbereiche Silizium in
annähernd gleichmäßiger Verteilung enthalten. In der betrachteten Probe ist diese
Randbedingung durch gleichmäßiges Vorkommen von Tonmineralen (vgl. mikroskopische
Petrographie und Element-Kartierungen) gegeben. An Laminierungen oder Konkretionen, die
frei von Si sind, versagt diese Methode. Bei der laminierten Probe 187 (Abb. 24), die Si-freie
55
Laminae enthält, konnte deshalb ein solcher halbquantitativer innerer Standard nicht eingeführt
werden.
Kleinräumige Bleichung im Alaunschiefer (Probe 129):
Beobachtungen:
Ein teilweise gebleichter Alaunschiefer aus dem Oberen Graptolithenschiefer (Gammigbachtal)
zeigt in einem Laserablationsprofil folgendes Elementverteilungsmuster:
Aluminium ist unabhängig vom Bleichungszustand in gleicher Menge detektiert worden, ebenso
Schwefel und Barium. Für Phosphor und Cer ist durch die lokalen Häufigkeitsschwankungen
kein deutlicher Trend durch die Bleichung sichtbar. Im ungebleichten Alaunschiefer sind
deutlich mehr Kalzium, Eisen, Uran, Thorium und möglicherweise Lanthan enthalten als im
unmittelbar benachbarten gebleichten Alaunschiefer. Die Häufigkeitsverteilungsmuster zeigen
deutliche, aber kleinräumige Konzentrationsmaxima (etwa Ortsauflösung, peak-Form: nadelig)
der Elemente U, Th, Ce, La.
Interpretation:
La, Ce, Th, U sind in Bereichen, deren Ausdehung weniger als bzw. um 50 µm beträgt,
angereichert (~10 µm, vgl. Mikrosonden-Elementkartierung). Dies wird durch die schmalen,
aber hohen Maxima in der Häufigkeitsverteilung angezeigt. Eine Maxima-Korrelation solcher
kleinen Probenbereiche ist deshalb nicht möglich, weil die Elemente seriell detektiert werden.
Ohne diese Maxima weist der durchschnittliche Verlauf der Häufigkeiten allerdings
Ähnlichkeiten mit dem von P und Fe, nicht jedoch von Ca auf: Lanthanide, Th und U scheinen
gemeinsam in eisen- und phosphatreichen Phasen aufzutreten. Besonders deutlich ist der
ähnliche Verlauf der räumlichen Häufigkeitsverteilung für Uran und Phosphor, auch Cer. Diese
Phasen enthalten weder Si noch Al. Kalzium zeigt keine Konformität mit der Minimum-/
Maximumverteilung von Phosphor, obwohl der gleiche Trend, nämlich Konzentrationsverringerung im gebleichten Alaunschiefer, vorliegt. Alaunschiefer enthält demnach Phosphate, die aber
oft keine Ca-Phosphate sein können; dies wird durch die mikrosondenanalytischen Befunde gestützt. Das Auftreten des Cer-Phosphates Monazit (DEER et al. 1992, EVENS 1997) ist wahrscheinlich. Die Monazite könnten als Uran-Träger fungieren. Bleichung verursacht keine
generelle Mobilisierung der SEE in kleinen Bleichungshöfen; die SEE-Maximaverteilung ist für
gebleichte und ungebleichte Proben ähnlich. Bleichung scheint aber verantwortlich für die
kleinräumige Konzentrationsverringerung von Uran, Eisen und Kalzium zu sein.
Kleinräumige Bleichung im Kieselschiefer (Probe 140):
Beobachtungen:
Das Al/ Si-Verhältnis bleibt im Übergang von ungebleichtem zu gebleichtem Kieselschiefer
konstant. Phosphor erscheint im gebleichten Bereich geringfügig weniger enthalten zu sein als
56
im ungebleichten Kieselschiefer. Thorium und vor allem Uran sind im ungebleichten Kieselschiefer deutlich häufiger als im gebleichten. Bei Uran ist ein Übergangsbereich von ~ 1 mm
Mächtigkeit zwischen den beiden Häufigkeitsniveaus zu beobachten. Ca, Fe, La, Ce zeigen
keine Mengenänderungen im ungebleicht-gebleicht-Übergangsbereich.
Abb. 22: 29Si-normierte, logarithmierte, relative
Elementhäufigkeiten aus ICP-MS-LA-Messungen.
Probe 129, Profil 3: Der Alaunschiefer besteht
aus einem 1.3 mm mächtigen ungebleichten Bereich (links, graue Markierung) und einer ca.
1.5 mm mächtigen Bleichungszone rechts.
Abb. 23: 29Si-normierte, logarithmierte, relative
Elementhäufigkeiten aus ICP-MS-LA-Messungen.
Probe 140, Profil: Der Kieselschiefer besteht
aus einem 2 mm mächtigen ungebleichten Bereich (links, graue Markierung) und einer ca.
1.5 mm mächtigen Bleichungszone rechts.
57
Kleinräumige Häufigkeitsmaxima treten insbesondere bei Cer und Phosphor auf. Die
Kurvenformen
mit
Maximum-Minimum-
Verteilung (Profilabschnitte von mehreren
hundert Mikrometern) ähneln sich deutlich
für Uran, Thorium, Cer, Lanthan und
Phosphor. Kalzium variiert kaum in der Häufigkeit; ein Ca-Maximum geht einher mit
Maximalwerten von P, aber auch U, Th, La,
Ce.
Interpretation:
Die Affinität von Lanthan, Cer, Thorium,
Uran zu Phosphor ist im Kieselschiefer
ebenso verwirklicht wie im Alaunschiefer
(vgl. Interpretation Probe 129), ein Indiz für
phosphatische Bindung der genannten Elemente. Im Kieselschiefer ist wiederum Uran
sensitiv für den Bleichungsvorgang; der
Bleichungs-Übergangsbereich ist für Uran
etwa 1 mm mächtig. Kalzium ist vom
Bleichungsvorgang unbeeinflußt; es scheint
lokal angereichert (konkretionär?) phosphatisch gebundenes Ca vorzuliegen, allerdings
enthält dieses Phosphat wiederum La, Ce,
Th, U.
Lamination:
Beobachtungen:
Probe 187 (Profil 2) ist mikroskopisch sichtbar laminiert, hier treten sub-mm-mächtige
helle, verformte, karbonatische Gängchen
auf (Abb. 24). Elementhäufigkeiten ohne
Normierung mit innerem Standard zeigen
Abb. 24: nichtnormierte, relative Elementhäufigkeiten aus ICP-MS-LA-Messungen, für SEE logarithmiert. Probe 187, Profil 2: Sub-Millimeter-mächtige
Karbonatgänge in Alaunschiefer
58
übereinstimmende Häufigkeitsmaxima für
Si, Al, Ba, Zr, S und teilweise auch P im
dunklen Alaunschiefer und Ca, Mg, Fe in
hellen Karbonatlagen. Fe ist nicht auf die Karbonatlagen beschränkt. Im Alaunschiefer wird Fe
immer noch deutlich über dem Hintergrundniveau detektiert.
Lanthanide (La, Ce, Pr, Nd, Sm) zeigen geringe und wenig schwankende Häufigkeiten in den
Ca-dominierten Laminae. In Si-reichen Laminae wurden die Lanthanide mit höherer Konzentration detektiert als in den Karbonatlaminae, wobei oft P- und Lanthaniden-Maxima übereinstimmen. Als Ausnahme liegt eine Korrelation von einem Häufigkeitsmaximum von Ca, Ba, P
und Lanthaniden vor, hier tritt ein Si-Minimum auf.
Interpretation:
Karbonatgängchen im Alaunschiefer sind Ca-, Mg- und Fe-betont, es treten neben Kalziumkarbonat auch Magnesium- und Eisenkarbonat auf. Allerdings ist das Fe-Vorkommen nicht auf
die Karbonate beschränkt. Das wird am erhöhten Niveau der Fe-Häufigkeit im Alaunschiefer im
Vergleich zur Hintergrunddetektion von Fe sichtbar. Fe tritt demnach im Alaunschiefer zusammen mit S, P, Si, Al, Ba und Zr auf. Die Affinität von Ba und Ca zu Phosphor wird an einem
Ca-Maximum im Alaunschiefer deutlich. Möglicherweise liegt Ba phosphatisch gebunden vor.
Die SEE zeigen ähnliche Häufigkeitsmaxima wie Phosphor. SEE-Einbau in Karbonaten ist
gleichmäßig gering, im Alaunschiefer liegen kleinräumige Bereiche (Ø ~ X00 µm) mit SEEAnreicherung vor, möglicherweise auch wieder mit Phosphor-Bezug.
Mineralneubildungen, Minerallösung
Beobachtungen:
Alaunschiefergesamtgesteinsproben (228-231, Anhang) zeigen röntgendiffraktometrisch Illit
und Quarz. Im Oberen Graptolithenschiefer (228, 229) sind bei Gesamtgesteinsproben die peakHöhenverhältnisse im Diffraktogramm zugunsten des Illits verschoben. Kieselschiefer (230,
231) zeigt in der Gesamtgesteinsanalyse kaum bzw. keinen Illit. Weitere Minerale wurden im
Gesamtgestein röntgendiffraktometrisch nicht nachgewiesen. Der Mineralinhalt ist für gebleichte und ungebleichte Probengruppen gleich.
Vergleichend wurde die glykolisierte Tonkornfraktion (< 2 µm) gebleichter und ungebleichter
Alaunschiefer von Hohenleuben röntgendiffraktometrisch untersucht (Abb. 25). Probengruppe
230/231 stammt aus dem nördlichen, Probengruppe 224 aus dem südlichen Steinbruchbereich.
Der Mineralinhalt dieser Probengruppen unterscheidet sich qualitativ nicht (Tab. 13). Außerdem
sind keine Veränderungen in der Mineralführung durch die Bleichung des Gesteins röntgendiffraktometrisch zu beobachten. In allen Proben wurden wiederum Quarz und Illit (Muskovit)
gefunden. Die Probe 223 aus dem oberen Profilabschnitt im südlichen Steinbruchbereich
(umgelagerte gebleichte, plastisch verformbare Alaunschieferbruchstücke mit viel Matrixmaterial, Abb. 9e, f) enthält keinen Quarz und kaum Illit. Hier dominiert Kaolinit; Chlorit wurde durch Aufheizen der Probe auf 550°C ausgeschlossen. Die Reflexe bei 2θ = 6.7° bzw. 9.4°
59
sind ein Hinweis auf das Illit/ Montmorillonit-Wechsellagerungsmineral Rectorit, vgl.
HEIM 1990, MOORE & REYNOLDS 1997, JASMUND & LAGALY 1993.
Abb. 25: Röntgendiffraktometrie-Analysen an der Tonkornfraktion gebleichter und ungebleichter Alaunschiefer von Hohenleuben und Schmiedefeld. Für Probe 223 ist zur Kaolinit-Identifizierung ein zusätzliches Spektrum nach thermischer Behandlung aufgenommen worden. Eine Leermessung des Trägermaterials Silizium ist zum Vergleich dargestellt.
60
Tab. 13: XRD an Schwebfraktion (Atterberg) < 2 µm, glykolisiert.
Quarz
Illit/Musc.
Kaolinit
Rectorit
x
x
x
x
x
x
x
x
(x)
x
x
Hohenleuben N unverw. (211-2)
Hohenleuben N verw. (211-1)
Hohenleuben S unverw. (224-2)
Hohenleuben S verw. (224-1)
Hohenleuben S Verw.-schutt. (223)
Mikrosondenanalytisch (Tab. 14) wurde Jarosit (wassserhaltiges kalium-, schwefel- und eisenreiches Mineral) nachgewiesen (Probe 129b, Alaunschiefer (S3), Gammigbachtal). Die auf dem
Alaunschiefer aufsitzenden bräunlichen Krusten enthalten überwiegend Eisen, können aber nach
den Elementkartierungen mit der Mikrosonde (Abb. 19) auch Schwefel einbauen.
Tab. 14: Ergebnisse der Mikrosondenanalytik an der
randlich gebleichten Probe 129, Alaunschiefer (S3).
Linke Spalte: gelbbraunes Mineralkorn, rechte Spalte:
dunkelbraune Kruste, aufsitzend auf gebleichtem
Alaunschiefer
Gew. [%]
Gew. [%]
Interpretation:
Kieselschiefer führt im Vergleich zum
Alaunschiefer kaum Illit, Alaunschiefer
aus dem Oberen Graptolithenschiefer
enthält mehr Illit als Alaunschiefer aus
dem Unteren Graptolithenschiefer. Der
SiO2
Na2O
Ca0
K2O
MnO
Al2O3
MgO
TiO2
SO2
FeO
P 2O 5
Bao
0
0.02
0.09
8.55
0.01
0.08
0.01
0.03
28.36
40.75
0.25
0.02
1.24
0
0.88
0.02
0
1.48
0.05
0.02
0.28
69.86
3.41
0.03
Bleichungsprozeß bewirkt keine Verän-
H20
Σ
~ 20
78.16
~ 20
77.27
Jarosit hin (RÖSLER 1984). Sie treten
derung der gesteinsbildenden Minerale
im Alaunschiefer.
Die Elementgehalte von Mineralneubildungen, die im Mikroskopbild als
gelbbraune, durchscheinende Rhomben
mit mehreren hundert Mikrometern
Kantenlänge sichtbar sind, deuten auf
in gebleichten und/ oder umkrusteten
Proben im Oberen Graptolithenschiefer
des Gammigbachtals auf. Gelb-bräunliche Krusten enthalten nach Mikrosondenbefunden
überwiegend Eisen, offenbar Eisenoxid-Hydroxid (Goethit). Untersuchungen an Opalinus-Ton
von MAZUREK et al. (1996) zeigten dort einen erheblichen Zuwachs an Goethit und EisenHydroxiden auf 5-10 Gew. % im verwitterten Gestein, während das unverwitterte Gestein
weniger als 0.5 Gew. % enthielt. Dementsprechend sank der Gehalt an Siderit und Pyrit. DE
PUTTER et al. (2000) finden in einem Verwitterungsprofil (tertiäre Glaukonitsande und Kalk)
vom Hangenden zum Liegenden jeweils dominierend Jarosit, Eisenoxide, Al-reiche Sulfate und
61
Hydroxide, Gips und Mn-Oxide. Diese vertikale Zonierung wird begründet durch die Abnahme
des Säuregehalts der durchsickernden Fluide.
Der variierende Gehalt an Sulfiden im ungebleichten Alaunschiefer spricht für oberflächennahen Sulfidabbau schon vor der Bleichung des Gesteins. Dies geht auch aus den Beobachtungen zur Lösung von würfelförmigen Mineralen aus dem ungebleichten Alaunschiefer hervor,
vgl. petrographische Beobachtungen. Ein weiteres Indiz dafür sind Fe- und S-reiche Überzüge
auch an ungebleichtem Alaunschiefer, bspw. an der Pr. 225.
Die Probe 223 von Hohenleuben („Rinnenfüllung“) zeigt eine vollständig andere mineralogische Zusammensetzung als die benachbarten gebleichten Alaunschiefer. Quarz und Illit treten
hier kaum gesteinsbildend auf. Es dominieren Kaolinit und möglicherweise Illit/Smectit-Wechsellagerungsminerale. Hohe Fe- und Ti-Gehalte deuten auf Eisentitanoxid hin, schwefelführende Minerale fehlen hier.
SINGH & RAJAMANI (2001) beobachten eine starke Übereinstimmung von REE und TiO2 in
verwitterten Sedimenten und vermuten eine REE-Affinität zu Titanit bzw. seinen Verwitterungsprodukten. Fe-Oxid-Hydroxid-Krustierungen um Klasten scheinen ebenfalls als REETräger zu fungieren.
62
3.3 Quantifizierung der Gesteinsoberfläche
Bei Festkörpern wird zwischen äußerer und innerer Oberfläche unterschieden. Die in Abb. 26
rot hervorgehobene Fläche zeigt die innere Oberfläche, die schwarzen Partikelgrenzen markieren die äußere Oberfläche. Bei stark zerklüftetem Material mit schlauchartig ins Partikelinnere hineinziehenden Porenräumen definiert man als zur inneren Oberfläche zugehörig die
Poreninnenflächen derjenigen Poren, die tiefer und länger als ihr Durchmesser sind (GREGG &
SING 1991).
Abb. 26: Die rot markierten inneren Oberflächen
können durch intergranularen (a) und intragranularen
(b) Porenraum verursacht sein. Letzterer wird
überwiegend durch Lösungserscheinungen im Korn
verursacht, das Intergranularvolumen kann durch
Mineralneubildungen teilweise oder vollständig
eingenommen werden.
Für die Quantifizierung von Gesteinsoberflächen, nämlich von für Fluide zugänglichen Diskontinuitäten wie Schicht-, Schieferungs- und Kluftflächen bis zu intrakristallinen Porenräumen,
sind Methoden mit sich überlappend ergänzender Ortsauflösung notwendig. Abb. 27 stellt das
hier verwendete Methodenkonzept zur Oberflächenquantifizierung vor.
Oberfläche:
geometrische:
äußere:
innere:
Schichtflächen
Schieferungsflächen
Kluftflächen
Relief der
Mineralaggregate
Äußere Mineraloberfläche,
Mineral-Intraporen
• Paraffin-Ummantelung
• Polyeder-Geometrie
• REM-Visualisierung
• Rauhigkeit (optisch,
mechanisch)
• Hg-Porosimetrie
(Intrusion)
• N2-Adsorption (BET)
Gesteinsbestandteil:
Analyse:
Räumliche
Auflösung
(mit Überlappung)
der Methoden:
Abb. 27: Methodenkonzept für die Oberflächenquantifizierung: gesteinsbildende Strukturen und ihre
Analyse
63
Charakteristikum zur Klassifizierung von Poren ist neben ihrer Form (prolat, oblat, sphärisch,
zylindrisch, kastenförmig) der Durchmesser. Porenräume von Sedimentgesteinen liegen in
ihrem Durchmesser nahe der Korngröße der abgelagerten Partikel. Bei schlecht sortierten
Sedimenten werden kleinere intergranulare Porenvolumina angetroffen (FÜCHTBAUER 1988).
Sub-µm-große intragranulare Porenräume, insbesondere von Tonmineralen, lassen sich mit der
bei GREGG & SING (1991) beschriebenen Klassifikation charakterisieren, siehe Tab. 15. Derart
definierte Mikro- und Mesoporen besitzen einen kleineren Durchmesser als 50 nm. Diese Einteilung beruht auf unterschiedlichen Adsorptionseffekten, die sich in typischen Formen der
Adsorptionsisothermen (GREGG & SING 1991, DIN 66134) äußern. Beispielsweise ist
Hysteresis bei
der Ad- und Desorption auf die Kapillarkondensation des Adsorbats in
Mesoporen zurückzuführen. Makroporen sind vergleichsweise so groß, daß der bei der
Adsorption gemessene Druck kaum vom Anfangsdruck abweicht.
Tab. 15: Klassifikation von sub-µm-großen Poren nach ihrem Durchmesser (GREGG & SING 1991) mit
mineralogischen Beispielen (CZURDA 1998)
Durchmesser:
geologisches Äquivalent:
Mikroporen
0.02 – 2 nm (20 Å)
intrakristalline Poren: Tonmineral-Zwischenschichten
Mesoporen
2 – 50 nm
interkristalline Poren: Tonmineralschichtpaket-Zwischenräume
Makroporen
> 50 nm (500 Å)
Inter-/Intraaggregatporen: Mineralaggregat-Zwischenräume
Die Ergebnisse der Oberflächenanalyse für den makroskopischen, lichtmikroskopischen und
Submikrometer-Auflösungsbereich werden für eine skalenübergreifende Quantifizierung
zusammengeführt (Kapitel: Hochskalierung der Oberflächendaten).
Geometrische Gesteinsoberfläche
m-mm-Auflösung: Aufschlußaufnahme, Partikelgeometrie, Gesteinsdichte
Beobachtungen:
Untersuchungen zur makroskopischen Erfassung von Gesteins- und Partikeloberflächen wurden
insbesondere an Material aus dem Unteren Graptolithenschiefer (S1) von Hohenleuben
durchgeführt. In diesem Steinbruch sind mehrere Profile, die die Wechsellagerung von mm-cmmächtigen Lyditbänkchen mit mm-cm-mächtigen Alaunschiefern aufschließen, zugänglich.
Natürliche Grenzflächen im Gestein sind Schichtflächen (Wechsellagerung: Lydit und unverkieselter Alaunschiefer), Schieferungsflächen und Kluftflächen. Die Grenzflächenabstände in
Alaun- und Kieselschiefer im Bergaer Sattel überstreichen zwei Größenordnungen (Tab. 16).
64
Tab. 16: Natürliche Grenzflächen im Gestein:
Größenordnung der Flächenabstände
Diese Grenzflächen im Gestein sind bevorzugter Ort für die Ausbildung von Sekundärmineral-Krusten (vgl. Petrographie). Der Ab-
Flächentyp:
Flächenabstand:
Schichtflächen
mm-cm
Größe der Gesteinspolyeder vor, die durch
Schieferungsflächen
µm-mm
natürlichen Gesteinszerfall entstehen können
Kluftflächen
cm-m
(Abb. 28, nach WALTHER 1905).
stand der Grenzflächen untereinander gibt die
Häufigkeitsanalysen an 130 Proben je Lithotyp (Alaunschiefer, Kieselschiefer, jeweils
ungebleicht und gebleicht) zeigen, daß der natürliche Gesteinszerfall an Schicht- und Kluftflächen lithologiegesteuert abläuft. In Abb. 29 ist für die vier genannten Lithotypen die Anzahl
der Gesteinspolyeder über die Größe der Polyederoberfläche aufgetragen (Klassenbreite
25 cm2). Die Oberflächengröße wurde durch Ausmessen der Kantenlänge der Gesteinspolyeder
Abb. 28:
Entfestigung, Lockerung des Gesteinsverbandes bewirkt Gesteinspolyeder charakteristischer Größe, die unbeeinflußt von Transportvorgängen direkt vor dem Anstehenden
lagern (Markierung) und von natürlichen
Flächen (Schicht-, Schieferungs-, Kluftflächen) begrenzt sind. Abtransport der Gesteinspolyeder verursacht Zerkleinerung und
damit Schaffung neuer Grenzflächen.
(nach WALTHER 1905)
ermittelt, die Validierung dieser Methode über den Vergleich mit Paraffin-Ummantelung ist im
Kapitel zur Methodik erläutert.
Alaunschieferpolyeder sind, unabhängig von ihrem Verwitterungszustand, meist kleiner als
25 cm2. Verwitterte Alaunschiefer besitzen überwiegend kleine Partikeloberflächen, es treten
keine Polyeder mit Oberflächen > 150 cm2 auf. Größere Polyeder, mit Oberflächen bis 325 cm2,
bestehen nur aus ungebleichtem Alaunschiefer.
Kieselschieferpolyeder können ebenfalls Oberflächengrößen bis 325 cm2 erreichen, die großen
Oberflächen treten allerdings unabhängig vom Verwitterungszustand auf. Eine Zunahme der
Anzahl der Polyeder, deren Oberfläche kleiner als 25 cm2 ist, kann bei den verwitterten
Kieselschiefern nicht festgestellt werden.
Die Grenzflächenhäufigkeit (Polyederoberfläche/ Polyedervolumen) für den jeweiligen Lithotyp
ist in Abb. 30 dargestellt. Der Mittelwert der Oberflächendichte für jeweils 130 Gesteinspolyeder und die zugehörige Standardabweichung geben an, welche Grenzflächengröße in einem
Kubikmeter des jeweiligen Gesteinstyps vorhanden ist (Tab. 17).
65
Abb. 29: Histogramme der Oberflächengröße für jeweils 130 Partikel der Lithotypen Alaunschiefer und
Kieselschiefer (ungebleicht und gebleicht) aus dem Stbr. Hohenleuben. Die Klassenbreite beträgt 25 cm2.
Ein Kubikmeter gebleichter Alaunschiefer besitzt einen größeren mittleren Grenzflächenbetrag
als im gleichen Volumen des unverwitterten Alaunschiefers vorhanden ist, nämlich ~ 700 m2/m3
vs. ~ 350 m2/m3. Die Streuung der einzelnen Grenzflächenbeträge für die Polyeder um diesen
Mittelwerte ist relativ groß: ± 350 m2/m3 bzw. ± 150 m2/m3.
Der Grenzflächenbetrag der ungebleichten und gebleichten Kieselschiefer ist in ihrer Streuung
überlappend.
Die
2
3
Grenzflächengröße
der
ungebleichten
Kieselschiefer
2
3
~ 250 ± 150 m /m , die der gebleichten Kieselschiefer ~ 300 ± 100 m /m .
66
beträgt
Tab. 17: Unterer Graptolithenschiefer, Hohenleuben: Mittelwert und Standardabweichung
der Polyederoberfläche je Kubikmeter (mittlerer Grenzflächenbetrag [m2/m3]) für jeweils
130 Proben, vgl. Abb. 30.
Alaunschiefer
schwarz
gebleicht
350
± 150
700
± 350
Kieselschiefer
schwarz
gebleicht
250
± 150
300
± 100
Abb. 30: Histogramme und Normalverteilungskurven der Grenzflächendichte [m2/m3] für ungebleichte
und gebleichte Alaun- und Kieselschiefer von Hohenleuben, jeweils 130 Proben. Die Klassenbreite beträgt 100 m2/m3.
67
Interpretation:
Alaunschiefer reagieren auf Verwitterung mit kleinstückigem Zerfall. Dies wird an der Häufigkeitszunahme der kleinsten Partikelfraktion (Oberfläche bis 25 cm2) deutlich. Gebleichter
Alaunschiefer liegt – im Kontrast zur ungebleichten Fazies – nicht mehr in großen Partikelfraktionen (> 150 cm2) vor. Kieselschiefer behalten die Größenvorprägung durch Schichtungs- und
Kluftflächen, hier ist durch Verwitterung keine Häufigkeitszunahme der Vorprägung kleiner
Partikel vorhanden. Das gehäufte Auftreten mittelgroßer Kieselschieferpartikel (25-50 cm2) ist
durch die Bankung in Abhängigkeit vom Verkieselungsgrad des Gesteins verursacht.
Der mittlere Grenzflächenbetrag [m2/m3] ist ein Abbild der Polyedergröße. Ein Gesteinstyp,
dessen Volumen aus vielen Polyedern zusammengesetzt ist, besitzt in diesem Volumen eine
große Grenzfläche. Aus diesem Grund ist der mittlere Grenzflächenbetrag von gebleichtem
Alaunschiefer höher als der des ungebleichten Alaunschiefers. Die Unabhängigkeit der
Polyedergröße der Kieselschiefer von der Bleichungsverwitterung geht deutlich aus der sich
überlappenden Streubreite der einzelnen Grenzflächenwerte von Kieselschieferpolyedern hervor. Die Standardabweichung für die Größe ungebleichter Alaunschieferpolyeder sowie Kieselschiefer, unabhängig vom Verwitterungszustand, ist etwa gleichgroß. Die deutlich erhöhte Standardabweichung – und damit breitere Verteilung – der Polyedergröße nur für gebleichten
Alaunschiefer bestätigen einen Einfluß der Bleichungsverwitterung allein auf unverkieselten
Alaunschiefer.
Einerseits gibt das strukturelle Inventar mit dem kleinräumigen Abstand von Schieferungs- und
Kluftflächen die Partikelgrenzflächen vor, andererseits wird der Zerfall des Gesteins in Polyeder
für Kieselschiefer hauptsächlich durch den Verkieselungsgrad und die daraus resultierende
Bankung verursacht. Bei Alaunschiefern steuert neben der deutlichen Schieferung der Verwitterungsgrad die Partikelgröße. Entfestigung unverkieselter Gesteine verursacht eine Erhöhung
der Inanspruchnahme von Diskontinuitätsflächen im Gestein für Polyedergrenzflächen. Hierfür
sind Schieferungsflächen im deutlich geschieferten Alaunschiefer prädestiniert. Bleichungserscheinungen bewirken im verkieselten Gestein keine signifikante Entfestigung mit Erhöhung
der Grenzflächendichte.
68
Äußere Gesteinsoberfläche
mm-µm-Auflösung: Binokular, Lichtmikroskopie mit WLI & LSM,
REM-Visualisierung
Rauhigkeit einer Festkörperoberfläche ist die geometrische Abweichung von einer idealen
glatten Oberflächenform. Diese Abweichung [Länge] wird als arithmetischer Mittelwert (Ra)
oder als Standardabweichung Rq (auch rms-Rauhigkeit) aller Meßpunkte vom Mittenniveau
angegeben. Die Summe der Beträge maximaler positiver und negativer Abweichung heiß
Rauhtiefe Rt. Eine rauhe Fläche besitzt eine um den Rauhigkeitsfaktor F größere Gesamtfläche
als die glatte Fläche gleicher Kantenlänge (Tab. 18). Die Rauhigkeit einer Oberfläche ist durch
nichtperiodische Oberflächenabweichungen verursacht, im Gegensatz zu den periodischen
Oberflächenabweichungen, die die Oberflächenwelligkeit verursachen (THOMAS 1999, DIN EN
ISO 4287).
Tab. 18: Übersicht über Rauhigkeitsparameter und ihre Berechnungsvorschrift
Rauhigkeitsparameter :
Rauhtiefe:
Rt = zMax - zMin
Bezugsniveau:
1
z =
n
Mittenrauheit:
rms-Rauhigkeit:
Rauhigkeitsfaktor:
n
∑
i =1
zi
n
1
Ra =
n
∑
Rq =
1
n
zi − z
i =1
n
∑ (z
i =1
i
− z)
2
F = Arauh / AMeßfeld
Beobachtungen: Rauhigkeitsmessungen mit dem Profilometer DEKTAK
Die Rauhigkeit Rq beträgt für 3 mm lange Profile auf neu freigelegten Schieferungsflächen
(parallel zur Schichtung, kontrollierbar durch Verkieselung), an denen Alaunschiefer leicht
spaltbar ist, etwa 4-8 µm, unabhängig vom Bleichungszustand des Alaunschiefers (rmsRauhigkeit Rq über TOC-Gehalt, Abb. 31). Diese Unabhängigkeit zeigen insbesondere die
Rauhigkeitsmessungen an einer Bleichungsfront (Probe 211-2, Tab. 19, schwarz: richtungs-
69
geänderte Doppelmessung). Bei Profillängen von 100 µm bzw. 300 µm sind geringere Rauhigkeiten vorhanden (~ 1 µm). Richtungsabhängige Rauhigkeitsunterschiede sind nicht ausgeprägt.
Allerdings sind richtungsabhängige Welligkeiten zu beobachten, hier können in einer Richtung
mitunter deutlich erhöhte Beträge auftreten (Übersicht im Anhang). Kieselschieferbruchflächen
sind mitunter stark reliefiert. Hier können vergleichsweise hohe Welligkeiten auftreten, die
Rauhigkeiten ähneln denen der Alaunschiefer.
An Gesteinsoberflächen mit Mineralneubildungen (Krustierungen) wurden deutlich erhöhte
Rauhigkeiten gemessen. An rötlich umkrustetem Alaunschiefer (225) wurden Rauhigkeiten von
10 bzw. 13.4 µm ermittelt. Niedrigere Rauhigkeiten (~ 3 µm) zeigen Proben, die auf ihrer
Oberfläche Spiegelharnische besitzen.
Tab. 19: Rauhigkeit Rq von Alaunschiefer
(Probe 211-2): Übergang vom verwitterten
zum unverwitterten Bereich
Profile der Meßlänge a bzw. b (a
Rauhigkeit [µm]
schwarz
grau
weißgrau
4.9; 8.2
5.7
5.4
b) wurden
wiederholt parallel und senkrecht zueinander
abgetastet.
Probenabschnitt:
┴
Daraus
wurden
durchschnittliche
Polygonzuglängen aP und bP berechnet, die die
wahre Weglänge über das Probenrelief angeben.
Aus diesen senkrecht aufeinander stehenden,
durchschnittlichen Polygonzuglängen läßt sich ein
durchschnittlicher Betrag für die Größe der
rauhen Probenoberfläche berechnen. Der Quotient
F=
a P bP
ab
spiegelt dabei den Rauhigkeitsfaktor F wider, der ausdrückt, um wieviel größer die rauhe
Probenoberfläche im Vergleich zur Meßfeldfläche ist.
Abb. 31: Rauhigkeit (Rq) in Anhängigkeit vom Verwitterungszustand (TOC-Gehalt) der Proben, aufgenommen
auf 3000 µm langen Profilen. Pfeile markieren die Entwicklung der Rauhigkeit, ausgehend von unverwittertem, schwarzen Alaunschiefer.
70
Abb. 32: Rauhigkeitsfaktor F (= wahre
Oberfläche/Meßfeldfläche) für Alaunschiefer in Abhängigkeit vom Verwitterungszustand; Profillänge: 3000 µm. Lithotypspezifische Daten sind zusammengefaßt (Rechteck).
Für unterschiedlich stark verwitterte Proben ist der Rauhigkeitsfaktor F in Abb. 32 dargestellt.
Bemerkenswert ist die breite Streuung der Rauhigkeitsfaktoren zwischen 1.03 und 1.15.
Mineralkrusten besitzen hohe Rauhigkeitsfaktoren, ein Spiegelharnisch zeigt einen kleinen
Betrag für den Rauhigkeitsfaktor. Der Mittelwert mit Standardabweichung des Rauhigkeitsfaktors für ungebleichten Alaunschiefer beträgt 1.07 ± 0.04, für gebleichten Alaunschiefer
1.06 ± 0.02.
Ein Verzeichnis über die Rauhigkeitsdaten der Einzelproben bzw. Probengruppen befindet sich
im Anhang.
Interpretation:
Betrag und Variabilität der Rauhigkeit für gebleichte und ungebleichte Alaunschiefer ähneln
sich; es sind keine Rauhigkeitsunterschiede zwischen verwittertem und unverwittertem Gestein
zu bemerken. Demnach bewirkt der Bleichungsprozeß keine strukturellen Änderungen des Gesteins, bspw. an Porengröße und Porenverteilung, die mehr als ca. ~ 12 µm Lateral- und
~ 1.5 µm Vertikalauflösung besitzen. Der Rauhigkeitsfaktor F ist für gebleichte und ungebleichte Gesteinsoberflächen ebenfalls ähnlich groß, Bleichung bewirkt keine Glättung oder
Zerklüftung der Gesteinsoberfläche in dem genannten Auflösungsmaßstab. Die eng benachbarten Rauhigkeitsfaktoren und die sich überlappende Streuung der beiden Meßwertpopulationen zeigen deutlich, daß Bleichungsverwitterung keinen Einfluß auf die Größe des Rauhigkeitsfaktors hat.
Die deutliche Erhöhung der Rauhigkeit bei Profillängen im mm-Bereich weist auf die Ausbißlineare von Schieferungsflächen auf dem Meßfeld hin, die auch für erhöhte Welligkeiten verantwortlich sein können. Diese Interpretation wird durch mikroskopische Beobachtungen gestützt.
Der Abstand der Schieferungsflächen liegt im X00 µm-Bereich. Deshalb sind bei Profillängen
in dieser Größenordnung noch keine Welligkeit bzw. kein deutlicher Rauhigkeitseinfluß zu
erwarten.
Die richtungsabhängigen Welligkeiten sind mit Vorzugsrichtungen durch Schieferung auf der
Probenfläche zu erklären. Auch zwei zueinander senkrecht angeordnete Profile können Welligkeiten aufweisen, nämlich dann, wenn kein Profil parallel zum Schieferungslinear ausgerichtet
ist (Abb. 33).
Krustierende Mineralneubildungen bewirken eine deutliche Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit. Die Mineralneubildungen können einerseits eisenreiche Neubildungen sein, andererseits
kann es sich um Gümbelit-Fossilisierung von Graptolithen (SCHLEGEL 1995) handeln. Die erhöhte Rauhigkeit krustierter Oberflächen widerspiegelt sich in einer erhöhten Gesteinsoberfläche: Während die Probenoberfläche sonst etwa die 1.06-1.07fache Fläche des Meßfeldes
71
besitzt, bewirkt die Krustierung eine Flächenerhöhung auf das 1.15fache. Die vergleichsweise
glatte Oberfläche von Spiegelharnischen wird durch niedrige Rauhigkeitswerte dokumentiert.
Abb. 33:
Periodische Oberflächenformen führen zur Welligkeit des mit dem Profilometer aufgenommenen
Oberflächenprofils. Rauhigkeitsanalysen erfolgen
deshalb an Profilen, deren Welligkeiten gefiltert
wurden. Die Welligkeit fehlt, wenn das Profil
parallel zum Schieferungsausbiß aufgenommen
worden ist. Senkrecht zur Schieferung ist die
Wellenlänge am kürzesten. Für die senkrecht
zueinander aufgenommenen Profile 1 und 2 werden annähernd gleichgroße Welligkeiten beobachtet.
Beobachtungen: optische Rauhigkeitsanalyse
Mit dem Weißlichtinterferometer (WLI) und dem Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) wurden
Alaunschiefer-Flächen optisch bzgl. ihrer Rauhigkeitsparameter (Rq, F) untersucht. Es handelt
sich um vergleichende Analysen an gebleichten und ungebleichten Proben (Abb. 34).
Probe 211-2b/c zeigt den ~ 3 mm breiten Übergangsbereich zwischen vollständig gebleichtem
(211-2a) und ungebleichtem (211-2d, Abb. 13, Tab. 10) Alaunschiefer an einem Gesteinspolyeder-Randbereich.
Abb. 34: Lichtmikroskopisch (LSM, WLI) ermittelte Rauhigkeit Rq in Abhängigkeit vom org. Kohlenstoffgehalt (Verwitterungszustand) der Alaunschiefer. Laterale und vertikale Auflösung für LSM und
WLI sowie Spannweite der WLI-Wiederholungsmessungen gelten auch für Abb. 35 (Rauhigkeitsfaktor).
72
Die Rauhigkeit Rq liegt für die untersuchten Alaunschiefer im Bereich von etwa 2-9 µm. Von
dieser Schwankungsbreite sind sowohl die ungebleichten als auch die gebleichten Proben
betroffen. Die erhöhten Rauhigkeiten im vertikalen Auflösungsbereich von 250 nm liegen in
dem hier größeren Meßfeld (~ 34000 µm2) begründet; hier ist der Einfluß von Schieferungslinearen auf die Rauhigkeit gegeben. Bei den kleineren Meßfeldern (LSM: ~ 9000 µm2, WLI: ~
20000 µm2; Kantenlänge: ~ 100-150 µm) werden geringere Rauhigkeiten beobachtet (meist
< 5 µm).
Der Rauhigkeitsfaktor F (wahre Oberfläche/Meßfeldfläche) wird in Abb. 35 über dem Verwitterungsgrad der Alaunschiefer dargestellt. Die Probenoberflächen sind durch ihr Relief im
unverwitterten Zustand 2-5fach so groß wie das Meßfeld.
Die gebleichten Proben erreichen etwa 3.5-6fache Flächenbeträge, ein gebleichter Alaunschiefer
den 9.7fachen Betrag. Die Probe aus dem Verwitterungsübergang (211-2b/c) besitzt den
Rauhigkeitsfaktor F = 4.
Der Mittelwert des Rauhigkeitsfaktors beträgt für die ungebleichten Alaunschiefer 3.9 ± 0.7, für
die gebleichten Alaunschiefer dagegen 5.6 ± 2.0.
Abb. 35: Lichtmikroskopisch ermittelte Rauhigkeitsfaktoren F (wahre Oberfläche / Meßfeldfläche), abhängig vom Verwitterungszustand (Corg-Gehalt) von Alaunschiefer. Die Zusammenfassung der Meßpunkte für ungebleichte und gebleichte Alaunschiefer deutet eine leichte Erhöhung des
Rauhigkeitsfaktors durch Bleichungsverwitterung an.
Interpretation:
Bei kleineren Meßfeldern (Kantenlänge < 150 µm) ist die Rauhigkeit deutlich geringer als bei
größeren Meßfeldern (Kantenlänge 184 µm). Möglicherweise sind Schieferungslineare verschiedener Schieferungsgenerationen, mit unterschiedlichen Abständen dieser Lineare (vgl.
Rauhigkeitsuntersuchungen mit DEKTAK, weitständigere Schieferung), für diese Rauhigkeitscluster (DEKTAK: mehrere hundert µm, optische Rauhigkeit: ~ 100-200 µm) verantwortlich.
73
Diese rauhen Strukturen treten unabhängig vom Bleichungszustand der Alaunschiefer auf, ein
Bleichungseinfluß auf die Rauhigkeit ist nicht sichtbar. Diese Interpretation wird durch
rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen (Abb. 37) gestützt. Abb. 37 a zeigt engständige Schieferungslineare mit Abständen von < 10 µm in Alaunschiefer aus dem Oberen Graptolithenschiefer. Diese engständige Schieferung kann mit dem Profilometer nicht aufgelöst werden.
Abb. 36: Oberfläche (a) und (b) mit gleicher Rauhigkeit Rq (graues Band) und unterschiedlich großem Oberflächenbetrag (Rauhigkeitsfaktor F: Summe der Linienlänge zwischen den Meßpunkten): Oberfläche (a) besitzt einen deutlich höheren
Oberflächenbetrag als Oberfläche (b) auf gleichlangem Meßprofil mit gleichgroßer Meßpunktdichte und gleicher Rauhigkeit Rq.
Ungebleichte Alaunschiefer besitzen ähnlich große Rauhigkeitsfaktoren wie die gebleichten
Alaunschiefer. Mitunter zeigen die gebleichten Alaunschiefer jedoch eine größere rauhe Fläche
als die ungebleichten Alaunschiefer, auch ist bei den gebleichten Proben die Schwankungsbreite
für F höher. Es deutet sich aus diesen Ergebnissen an, daß gebleichte Alaunschiefer im
Vergleich zu ungebleichten Alaunschiefern zwar ähnliche Rauhigkeiten Rq aufweisen, jedoch
eine größere Oberfläche besitzen. Schematisch zeigt dies Abb. 36: Zwei Oberflächen gleicher
Rauhigkeit Rq besitzen unterschiedlich große Oberflächen, im Schnittbild als Polygonzuglängen
veranschaulicht. Diese Ergebnisse zur gleichen Oberflächenrauhigkeit der unterschiedlich hoch
porösen gebleichten und ungebleichten Alaunschiefer widersprechen den allgemeinen
Schlußfolgerungen von REBELLO et al. (1996), daß die Oberflächenrauhigkeit eines Gesteins
immer linear von der Porosität abhängig ist. Dies würde bedeuten, daß eine hohe Porosität nur
durch große Poren verursacht werden kann. Vielmehr kann der Zuwachs an kleinen
Morphologie-Strukturen einen drastischen Einfluß auf Porenvolumina haben, auch dies geht aus
Abb. 36 hervor.
Die mineralogisch eintönige, überwiegend illitische Zusammensetzung der Alaunschiefer verhindert eine breitere Streuung der Rauhigkeitsdaten. Ähnliche Ergebnisse diskutieren HODSON
et al. (1997) für Feldspat, nämlich das Auftreten von Stufen mit Kantenlängen im µm-Bereich.
Eine Probe mit Spiegelharnisch demonstriert, daß die Harnisch-Rillung eine vergleichsweise
geringe Rauhigkeit erzeugt. Die Spiegelharnischoberfläche besitzt auch einen geringen
74
Rauhigkeitsfaktor. Schwache Reliefierung der Oberfläche ist für den relativ kleinen Flächenbetrag der rauhen Oberfläche verantwortlich.
Beobachtungen am REM:
Die Sekundärelektronenbilder am Rasterelektronenmikroskop erlauben eine Auflösung im
X0 nm-Bereich (GÖPEL & ZIEGLER 1994), Morphologiedetails von mehreren X00 nm Größe
sind dann erkennbar. Abb. 37 (a-f) zeigt in repräsentativen Aufnahmen ungebleichten und
gebleichten Alaunschiefer aus Hohenleuben und vom Gammigtal. Gebleichter Alaunschiefer
scheint ein unruhigeres, aufgelockertes Relief der Tonmineralpakete zu besitzen (Abb. 37 f) als
ungebleichter Alaunschiefer (Abb. 37 b, c, d). Strukturiertes organisches Material, welches für
die Schwarzfärbung des Alaunschiefers verantwortlich ist, ist nicht erkennbar (Abb. 37 d).
Auch aufgeschlämmter Alaunschiefer (Tonminerale und org. Kohlenstoff, Abb. 40 g, h) läßt
keine Partikel aus organischem Kohlenstoff erkennen. Abb. 37 a und e zeigen im Alaunschiefer
rundliche Poren mit einem Durchmesser von ~ 5 µm, in denen kugelige Mineral-Aggregate
auftreten können.
Kieselschiefer (Abb. 38 a-f) besitzen unebene Bruchflächen (Abb. 38 a, c). Auf diesen Flächen
treten etwa 5 µm große Quarzkristalle auf. Mitunter sind Quarzgänge im Kieselschiefer vorhanden, die variabel in ihrer Mächtigkeit sein können. Gebleichte Kieselschiefer zeigen stellenweise Gruben auf den Oberflächen von Quarz. Der Durchmesser dieser Buchten ist deutlich
kleiner als 1 µm.
Die Abbildungen 40 a-f demonstrieren die Änderung der Alaunschieferoberfläche durch Minerallösung bzw. Neubildung. In Abb. 40 a, b sind Hohlräume sichtbar, deren Zwischenwände
von Tonmineralen gebildet werden. Diese Tonminerale unterscheiden sich nicht von dem umgebenden Matrixmaterial. Eisenreiche Krusten (Abb. 40 d, e, f) und Überzüge von Sekundärmineralen (Jarosit, Abb 40 c) zeigen Reliefunterschiede von mehreren Mikrometern. Insbesondere
die eisenreichen Krusten auf Alaunschiefer (Pr. 225, Abb. 40 f) besitzen ein poröses Gefüge.
Lichtmikroskopische Beobachtungen an organischem Material:
Mit Flußsäure wurden die silikatischen Anteile aus ungebleichtem Alaunschiefer gelöst. Die
Schwebfracht des derart präparierten Materials wurde mikroskopisch untersucht. Es treten
überwiegend opake, nichtreflektierende, organische Bestandteile auf (Abb. 39, a). Diese
besitzen keine erkennbaren Strukturen und zeigen oft bis X0 µm große Aggregierungen von
sub-µm-großen Partikeln (Abb. 39, b). Sehr selten wurden kleine Sphäromorphe (< 20 µm) gefunden. Weiteres strukturiertes organisches Material fehlt. Nur vereinzelt sind mikrometergroße,
höherreflektierende Minerale sichtbar.
75
Abb. 37: REM-Aufnahmen von Alaunschiefer: ungebleicht (a-d) und gebleicht (e, f):
a) Pr. 129: deutliche engständige Schieferung und Lösungshohlräume ehemaliger Pyritframboide (Pfeil)
b) und c) Pr. 230: subparallele Lagerung der Schichtsilikate
d) Detail aus Pr. 230: sub-µm-große Zerlappung der Schichtsilikate, organische Partikel nicht sichtbar
e) Pr. 224: Pyritframboide teilweise erhalten (Pfeil)
f) Pr 231: lockere Struktur der Schichtsilikate, vs. b), c)
76
Abb. 38: Kieselschiefer aus Hohenleuben: Pr. 232: ungebleicht (a-d) und Pr. 233: gebleicht (e,f):
Übersicht (a) und Details (b) der verkieselten Lithotypen, Tonminerale sind kaum sichtbar. In (c) ist ein
Quarzgang (Detail: d) abgebildet, der von älteren Quarzneubildungen umgeben ist.
Die gebleichten Kieselschiefer (e, Detail: f) zeigen im neugebildeten Quarz Ätzgruben (Pfeil).
77
Abb. 39: Organisches Material aus dem Flußsäure-Lösungsrückstand einer ungebleichten Alaunschieferprobe (224-2, Hohenleuben). Das linke Bild (a) zeigt eine Übersichtsaufnahme zur Größenverteilung der
Aggregate, rechts (b) sind solche wahrscheinlich präparationsbedingten Zusammenballungen im Detail
dargestellt.
Interpretation:
Die REM-Aufnahmen legen die Interpretation nahe, daß die Bleichung der Alaunschiefer mit
einer Gefügeauflockerung einhergeht. Ungebleichte Alaunschiefer zeigen eine subparallele Lagerung der Tonmineralstapel. Dieses „unruhigere“ Relief gebleichter Alaunschiefer (Abb. 37 b)
könnte verantwortlich für mitunter höhere Rauhigkeitsfaktoren sein. Die Bilder belegen außerdem die ähnlichen Rauhigkeiten für unterschiedlich stark verwitterten Alaunschiefer: Die
Alaunschiefer zeigen unabhängig vom Verwitterungszustand gleiche Reliefhöhen (Tonmineralstapelanordnung).
Partikel aus organischem Material, die für die Schwarzfärbung der ungebleichten Alaunschiefer
verantwortlich sind (vgl. Untersuchungen zum TOC-Gehalt), sind nicht als einzelne Strukturen
im REM erkennbar (Abb. 37 d, O’BRIEN & SLATT 1990). Diese Beobachtungen sprechen dafür,
daß organisches Material als dünner Überzug auf den Tonmineralen vorliegen kann. Diese
Überzüge können die „Glättung“ des Reliefs zwischen den subparallel lagernden TonmineralStapeln verursachen, die in Abb. 37 c, d vs. Abb. 37 f sichtbar sind. Lichtmikroskopische Untersuchungen an organischem Material, das als Lösungsrückstand nach der Flußsäurebehandlung
vorliegt, zeigen, daß außer sehr selten vorkommenden Sphäromorphen, möglicherweise Bakterien oder Einzelzellen, keine fossilen Formen vorliegen. Die nichtaggregierten Partikel, deren
Größe unter einem Mikrometer liegt, könnten als dünner Überzug auf den Tonmineralen des
Alaunschiefers vorhanden gewesen sein. Nach der Flußsäurebehandlung liegt dieser Überzug
„zerbrochen“ in Form der kleinen Partikel vor.
78
Abb. 40:
a), b): Pr. 231: Lösungshohlräume von Pyritkristallen in der Tonmineralmatrix
c) Pr. 129: Jarositneubildungen;
d) Pr. 129 und e), f) Pr. 225: eisenreiche Mineralkrusten auf Alaunschiefer;
g), h): Pr. 255: aufgeschlämmtes Residualmaterial (Gemenge aus Tonmineralen und org.
Kohlenstoff)
79
Kugelförmige Porenräume im verwitterten und unverwitterten Alaunschiefer sind offenbar ehemals von Pyritframboiden eingenommen worden. Abb. 37 e (Pfeil) zeigt im gebleichten Alaunschiefer eine solche Pyrit-Struktur. Pyritframboide sind typische Sekundärminerale in Schwarzschiefern (O’BRIEN & SLATT 1990). LITTKE (1993) beobachtet im Posidonienschiefer sowohl
Pyritframboide (Durchmesser 10-20 µm) als auch Pyrit-Einzelkristalle (< 5 µm). Pyrit wird
nach den vorliegenden REM-Untersuchungen nicht vollständig bei der Bleichung abgebaut.
Die Oberfläche von Kieselschiefern ist dominiert durch idiomorphe Quarzkristalle, deren
Korngröße kleiner als 10 µm ist. Erhöhtes Relief kann durch Gangstrukturen verursacht werden.
Das unebene Relief von Quarzkristallen im verwitterten Kieselschiefer deutet auf Ätzgruben im
Quarz hin, die bei der Bleichung auftreten können (WHITE & BRANTLEY 1995, HOCHELLA &
BANFIELD 1995). Derartige Rauhigkeitsunterschiede sind jedoch mit dem Profilometer bzw.
lichtoptisch nicht erfaßbar, da im Gesteinsverband die Rauhigkeit des Mineralverbandes
dominiert.
Mineralneubildungen sowie -lösungen können zur Änderung des Oberflächenreliefs von natürlichen Alaunschieferoberflächen beitragen. Insbesondere die Umkrustung der Gesteinsoberfläche ändert die Reliefeigenschaften der Gesteinsoberfläche deutlich. REM-Aufnahmen
belegen, daß ein erheblicher Zuwachs an sub-µm-großem Porenraum (Abb. 38 f) erfolgen kann.
80
Innere Gesteinsoberfläche
µm-nm-Auflösung: Hg-Invasion, N2-Adsorption, AFM-Visualisierung
Mit der Quecksilber-Intrusions-Methode wurde die innere Oberfläche derjenigen Poren
untersucht, deren Porenhalsdurchmesser ~ 3 nm bis ~ 5 µm beträgt. Die Stickstoff-Adsorption
gestattet ebenfalls die Untersuchung der inneren Oberfläche im mesoporösen Bereich (2 < d ≤
50 nm), zusätzlich werden auch innere Oberflächen von Mikroporen erfaßt. Durch den Überlappungsbereich der Methoden bei der Untersuchung der Mesoporen wird die Interpretation der
Meßwerte gefestigt.
Beobachtungen:
Abb. 41 zeigt den quecksilberporosimetrisch bestimmten häufigsten Porenhalsradius – ohne Berücksichtigung der Mikroporen – in Abhängigkeit von der Probenporosität. Ungebleichte
Alaunschiefer aus dem Unteren und Oberen Graptolithenschiefer besitzen Porositäten von meist
weniger als 10 Vol. % und sind überwiegend mesoporös. Gebleichte Alaunschiefer zeigen
höhere Porositäten (15-25 %), wobei Proben aus dem Unteren Graptolithenschiefer die höchsten
Porositäten erreichen. Poren in gebleichten Alaunschiefern sind makroporös und können Durchmesser bis ~ 230 nm erreichen.
Abb. 41: Durch Quecksilber-Intrusion ermittelter Porenradius über der Porosität. Schwarze Symbole und
Beschriftung stehen für ungebleichte Proben, graue Markierungen für gebleichtes Material, die orange
Darstellung symbolisiert gelblich-rötliche Mineralneubildungen und -krustierungen. Die Pfeile markieren
den Trend der Entwicklung der dargestellten Parameter bei Bleichung.
Gebleichte Alaunschiefer mit Jarositneubildungen zeigen ähnliche Porendaten wie die gebleichten Alaunschiefer ohne Mineralneubildungen. Mineralkrusten auf ungebleichten Alaunschiefern
81
(225) besitzen größere Porenradien als das ungebleichte Alaunschiefermaterial selbst, dies geht
auch aus der REM-Abb. 40 d-f hervor. Kieselschiefer (232, 233) besitzen eine geringere Porosität als Alaunschiefer. Allerdings ist auch hier der Trend zur Porositätszunahme bei der Bleichung vorhanden; wiederum erhöht sich bei der Bleichung auch der Porenradius.
Die Mittelwerte und Standardabweichungen der BET- und Hg-Intrusions-Oberflächen der
Alaunschiefer aus dem Unteren und Oberen Graptolithenschiefer von Hohenleuben, Creunitz
und aus dem Gammigtal sind in Tab. 20 angegeben. Ungebleichte Alaunschiefer weisen BETOberflächen auf, die im Mittelwert 10-13 m2/g betragen, nur der Obere Graptolithenschiefer aus
dem Gammigtal zeigt eine kleinere BET-Oberfläche. Die gebleichten Alaunschiefer besitzen
vergleichsweise dazu geringere BET-Oberflächen. Diese BET-Oberflächen ähneln den quecksilberporosimetrisch bestimmten inneren Oberflächen des gebleichten Alaunschiefers; beide
sind etwa 2-7 m2/g groß.
Tab. 20: Mittelwerte und Standardabweichung der BET- und Quecksilberoberflächen von
Alaunschiefer aus dem Unteren und Oberen Graptolithenschiefer. Die Anzahl der Meßwerte ist in Klammern () angegeben.
Hohenleuben, Unterer Graptolithenschiefer:
ungebleicht:
2
BET-Fläche [m /g]
11.4 ± 5.6
(11)
gebleicht:
2
Hg-Fläche [m /g]
7.8
(1)
2
BET-Fläche [m /g]
6.7 ± 1.1
Hg-Fläche [m2/g]
(11)
6
(1)
Gammigtal, Unterer Graptolithenschiefer:
ungebleicht:
2
BET-Fläche [m /g]
13.8 ± 0.5
(4)
gebleicht:
2
Hg-Fläche [m /g]
-
-
2
BET-Fläche [m /g]
2.1 ± 0.1
Hg-Fläche [m2/g]
(2)
-
-
Gammigtal, Oberer Graptolithenschiefer:
ungebleicht:
2
gebleicht:
BET-Fläche [m /g]
Hg-Fläche [m /g]
BET-Fläche [m /g]
Hg-Fläche [m2/g]
4.9 ± 0.2
11.1 ?
3.2 ± 0.3
4.5 ?
(2)
2
(1)
2
(6)
(1)
Creunitz, Oberer Graptolithenschiefer:
ungebleicht:
2
BET-Fläche [m /g]
10.2 ± 0.2
82
(2)
gebleicht:
2
Hg-Fläche [m /g]
6.5
(1)
2
BET-Fläche [m /g]
3.9± 0
(2)
Hg-Fläche [m2/g]
4.2
(1)
Die Flächendaten für den ungebleichten Oberen Graptolithenschiefer vom Gammigtal sind
kritisch zu bewerten, weil die Meßergebnisse den sinnvollen Erwartungswerten widersprechen
(höhere räumliche Auflösung von Stickstoff-Adsorption vs. Hg-Intrusion).
Die differierende Größe der inneren Gesteinsoberfläche aus Stickstoffadsorptions- und Quecksilberporosimetrie-Daten geht aus Abb. 42 hervor. Die Differenzen der jeweils mit beiden Methoden ermittelten Flächendaten deuten auf mikroporöse Flächenanteile hin, die durch Quecksilberintrusion nicht erfaßt werden können.
Abb. 42: Stickstoff-BET-Oberfläche in Abhängigkeit von der Quecksilber-Intrusionsoberfläche, (b):
vergrößerter Auschnitt aus (a). Schwarze Pfeile verdeutlichen die Entwicklung der Probenpaare von
ungebleicht zu gebleicht. Rote Pfeile geben den Interpretationsansatz an, ebenso die Markierung
„Mikroporen“, die die durch mikroporöse Anteile verursachte Flächendifferenz anzeigt.
Die ungebleichten Alaunschiefer (Diagrammausschnitt (b): rechts oben) zeigen (außer 224-2)
eine Flächendifferenz von 4-8 m2/g. Für gebleichte Alaunschiefer treten kaum Differenzen bei
der Flächenquantifizierung mit beiden Methoden auf. Die eisenhaltigen Krusten auf
Alaunschiefer (225) besitzen sehr große BET-Flächen, nämlich ca. 40-60 m2/g. Diese Flächen
sind quecksilberporosimetrisch nicht erfaßbar.
Aus der Bleichung von Alaunschiefer resultiert eine deutliche Dichteverringerung des Gesteins
(Abb. 43). Diese Dichteverkleinerung bei der Bleichung ist für Alaunschiefer aus dem Unteren
Graptolithenschiefer höher (~ 0.35 g/cm3) als für Alaunschiefer aus dem Oberen Graptolithenschiefer (~ 0.15 g/cm3).
83
Abb. 43: Gesteinsdichte von Alaunschiefern aus dem Unteren und Oberen Graptolithenschiefer in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt.
Mit der Methode der Quecksilberintrusion können Raumdichte des Gesteins und Dichte des
mikroporösen Gesteins (d.h.: Gestein ohne Berücksichtigung der Meso- und Makroporen) verglichen werden. Diese durch Porosität verursachte Dichtedifferenz der untersuchten Lithotypen
geht aus Abb. 44 hervor. Gebleichte Alaunschiefer enthalten viel meso-/ makroporösen Porenraum; allerdings kaum Bestandteile mit deutlich niedrigerer Dichte als Illit (hier Angabe des
Dichtemittelwertes, ± 0.15 g/cm3) oder Quarz.
Abb. 44: Dichte des Gesteins ohne Porenraum größer als Mesoporengröße (= Dichte der ausschließlich
mikroporösen Gesteinsbestandteile) in Abhängigkeit von der Raumdichte des porösen Gesteins. Vertikale
Pfeile markieren den Betrag der Dichtedifferenz. Zum Vergleich sind der Mittelwert der Dichte von Illit
und die Dichte von α-Quarz angegeben.
84
Ungebleichte Alaunschiefer aus dem Unteren Graptolithenschiefer zeigen einen höheren derartigen Dichtekontrast als gebleichte Alaunschiefer. Diese Dichtedifferenz ist jeweils für gebleichtes und ungebleichtes Material aus dem Oberen Graptolithenschiefer geringer.
In ungebleichtem Alaunschiefer ist mikroporöses Material geringer Dichte notwendig, um die in
Abb. 44 verdeutlichten Dichtedifferenzen zwischen gebleichtem und ungebleichtem Alaunschiefer zu erklären. Allerdings könnten zusätzlich zu diesem Material geringer Dichte weitere
Stoffe mit höherer Dichte bei der Bleichung mobilisiert werden, da aus Abb. 43 hervorgeht, daß
eine erhebliche Dichteverringerung durch die Bleichung auftritt. Nachfolgend wird deshalb eine
Dichtebilanzrechnung für den Unteren Graptolithenschiefer vorgestellt.
Berechnung der Dichte des Materials, welches bei der Bleichung abgeführt wird (Beispiel:
Alaunschiefer (S1) aus Hohenleuben):
Die Dichte des ungebleichten Alaunschiefers (S1) beträgt 2.21 ± 0.04 g/cm3, die Dichte des
gebleichten Alaunschiefers 1.85 ± 0.03 g/cm3. Daraus resultiert eine Dichtedifferenz von
0.36 ± 0.07 g/cm3.
Bezogen auf ein Einheitsvolumen von 1 cm3 werden bei einer Porositätserhöhung von
18 ± 2 Vol. % durch die Bleichung 0.18 ± 0.02 cm3 Material aus dem Alaunschiefer abgeführt,
die Massenabfuhr (aus Dichtedifferenz) liegt bei 0.36 ± 0.07 g. Daraus läßt sich die Dichte des
Stoffes berechnen, der bei der Bleichung entfernt wird: 2.0 ± 0.6 g/cm3.
Mit einem 10 ml-Pyknometer wurde die Dichte der schwarzen, in Flußsäure nicht löslichen Bestandteile einer ungebleichten Alaunschieferprobe ermittelt. Als Pyknometerflüssigkeit wurde
destilliertes Wasser verwendet. Die Probendichte betrug 1.76 ± 0.01 g/cm3, die Berechnung ist
im Anhang angegeben.
Interpretation:
Quecksilberporosimetrisch kann einerseits die Porenradienverteilung, andererseits die innere
Gesteinsoberfläche ermittelt werden, die durch Meso- und Makroporen verursacht wird. Die
Stickstoff-Adsorption (BET) liefert ebenfalls Aussagen zur Größe der inneren Gesteinsoberfläche, jedoch werden mit dieser Methode auch Flächen in Mikroporen erfaßt, deren Durchmesser kleiner als 2 nm ist. Das Stickstoffmolekül besitzt einen Durchmesser d = 0.45 nm, der die
Analyse engerer Porenräume limitiert.
Durchschnittswerte für BET-Oberflächendaten von Tonmineralen gibt ROWELL (1997) an:
Während kaum oder nicht quellfähige Tonminerale wie Kaolinit, Illit oder Chlorit eine relativ
kleine spezifische Oberfläche von etwa 10-20 m2/g aufweisen, besitzen quellfähige Tonminerale
(Smektit, Vermikulit) vergleichsweise große spezifische Oberflächen, nämlich ca. 400900 m2/g.
Röntgendiffraktometrisch konnten in den hier untersuchten Proben keine quellfähigen 3Schicht-Tonminerale nachgewiesen werden. Die vorgestellten BET-Adsorptions-Oberflächen
85
werden einerseits durch Quarz und Illit bzw. Muskovit, andererseits durch organisches Material
verursacht. Andere Minerale, bspw. Sulfide und Phosphate sind nur untergeordnet am Aufbau
der Gesteine beteiligt.
Die Bleichung von Alaunschiefern bewirkt einerseits eine Vergrößerung des Porendurchmessers
und der Porosität, andererseits eine Verringerung der inneren Gesteinsoberfläche. Die Bleichung
verursacht demnach bei konstantem Gesteinsvolumen eine Abfuhr von Gesteinsbestandteilen
mit großer innerer Oberfläche. Dies gilt sowohl für Alaunschiefer aus dem Unteren wie auch
aus dem Oberen Graptolithenschiefer. Allerdings ist dieser Effekt im durchschnittlich Corgärmeren Oberen Graptolithenschiefer schwächer ausgeprägt. Dies deutet auf den Einfluß des
ursprünglichen Gehaltes an organischem Kohlenstoff auf die Materialabfuhr hin, was auch
durch die TOC-Analysen für den Unteren und Oberen Graptolithenschiefer bestätigt wird: Im
Unteren Graptolithenschiefer ist durchschnittlich deutlich mehr organisches Material vorhanden
als im Oberen Graptolithenschiefer.
Der variable Mengenanteil von organischem Kohlenstoff ist für den Schwankungsbereich der
Größe der inneren Oberfläche der Lithotypen verantwortlich. Meso- und Mikroporositäten des
organischen Materials sind die Ursache für die gemessenen Flächendifferenzen zwischen
ungebleichten und gebleichten Alaunschiefern. Die Bleichung geht insbesondere mit einem Abbau von Mikroporen und damit einer erheblichen Verkleinerung der inneren Oberfläche einher,
zusätzlich zu dem Abbau von mesoporösen Gesteinsanteilen. Nach der Bleichung des Alaunschiefers liegt ein von Meso- und (Stickstoff-) Mikroporen fast vollständig befreites Gestein
vor. Die innere Oberfläche des gebleichten Gesteins ist überwiegend durch die äußere Oberfläche des gesteinsbildenden Illits verursacht. HAUS (1993) gibt für illitischen Ton eine äußere
Oberfläche von 12.6 m2/g und für die innere Oberfläche der Kristalle eines Illitgemenges –
ermittelt mit H2O-Adsorbat – 22.3 m2/g an. Mit der hier angewandten Stickstoff-Adsorption
wurde jedoch die innere Oberfläche von Illit nicht erfaßt. Die für die gebleichten Alaunschiefer
ermittelten Flächenwerte verdeutlichen, daß keine weiteren Materialien mit größerer innerer
Oberfläche im gebleichten Alaunschiefer vorliegen. Die innere Oberfläche der hier untersuchten
Gesteine ist möglicherweise durch die Kompaktion und Schieferung des Gesteins geringer als
die innere Oberfläche des von HAUS (1993) betrachteten Illitgemenges.
Die geringporösen Kieselschiefer reagieren auf Bleichungsverwitterung ebenfalls mit einer Erhöhung des häufigsten Porenradius, allerdings steigt die Porosität nicht so deutlich wie im unverkieselten Alaunschiefer. Die Verkieselung bewirkt eine vergleichsweise geringe Porosität der
ungebleichten und gebleichten Kieselschiefer. Die dichte Anordnung der neugebildeten Quarzkristalle (Abb. 38) unterstützt diese Vermutung.
Mineralneubildungen im gebleichten Alaunschiefer, bspw. Jarosit, beeinflussen die Oberflächen-Entwicklung nicht. Diese Sekundärminerale besitzen demnach keine deutlich kleinere oder
größere Oberfläche als die Tonmineralmatrix des Alaunschiefers.
86
Rötliche, eisenhaltige Mineralkrusten auf Alaunschiefer bzw. massiv von diesem Material imprägnierte Alaunschiefer verursachen eine geringe Porositätserhöhung: Die Mineralkrusten sind
poröser als ungebleichter Alaunschiefer. Quecksilberporosimetrisch ist eine Erhöhung des häufigsten Porenradius nachgewiesen. Dies scheint jedoch nur ein lokales Maximum der Porenradienverteilung zu sein, da mit der Stickstoffadsorption deutlich höhere innere Oberflächenbeträge ermittelt wurden als durch Quecksilber-Intrusion, wofür mikroporöse Anteile verantwortlich sein dürften. STRAUß (1992) berichtet für Goethit über die Bandbreite der gemessenen
BET-Oberfläche von 18 bis 132 m2/g, auch Hämatit zeigt ähnlich große Schwankungen für den
Betrag seiner inneren Oberfläche (CORNELL & SCHWERTMANN 1996). MAURICE et al. (1998)
fanden für Goethit mit geringen Beimengungen von Hämatit eine BET-Oberfläche von 58 m2/g.
Eisenreiche Krustierungen mit wechselnden Goethit- und Hämatit-Anteilen können demnach
die innere Oberfläche des Gesteins um ein Vielfaches vergrößern.
Ungebleichter Alaunschiefer aus dem Oberen Graptolithenschiefer besitzt eine deutlich höhere
Dichte als ungebleichter Alaunschiefer aus dem Unteren Graptolithenschiefer. Der unterschiedliche Gehalt an organischem Kohlenstoff, der im Vergleich zum Illit eine deutlich niedrigere
Dichte besitzt, spiegelt sich in der niedrigeren Gesamtdichte des Corg-reicheren Unteren Graptolithenschiefers wider. Die Bleichung des Alaunschiefers verursacht eine deutliche Dichteverringerung des Gesteins.
Wägungen am nichtlöslichen Rückstand eines Flußsäureaufschlusses an ungebleichtem Alaunschiefer – allerdings ohne den schnell absinkenden Bodensatz, nur Schwebfracht – erbrachten
für das mikroskopisch identifizierte organische Material die Dichte ρ = 1.76 ± 0.01 g/cm3. Das
ist deutlich höher als der von LITTKE (1993) für organisches Material aus dem Posidonienschiefer angegebende Dichtewert von 1.2 g/cm3. Mikroskopisch wurden nur sehr untergeordnet
in dem Schwebrückstand Sulfide erkannt. Es ist davon auszugehen, daß die Abtrennung des
Schwebrückstandes vom schnell abgesaigerten Material auch eine Abtrennung der schweren
Sulfide bewirkte. Demnach ist der relativ hohe Dichtewert nur untergeordnet von der Beimengung von Sulfiden erhöht, vielmehr ist davon auszugehen, daß das organische Material im
silurischen Alaunschiefer eine deutlich höhere Dichte besitzt als das organische Material aus
dem Posidonienschiefer. Dies ist auch deshalb wahrscheinlich, weil der Posidonienschiefer, den
LITTKE (1993) untersucht und für dessen organisches Material die genannte Dichte angegeben
hat, eine schwächere Katagenese erfahren hat als der hier untersuchte Alaunschiefer. Während
der Posidonienschiefer bei thermischen Experimenten in der Regel Öl generiert, können heute
aus dem organischen Material des Alaunschiefers bei thermischer Beanspruchung neben dem
Methanfragment CH3 nur noch untergeordnet Bitumenfragmente mit höherer Massenzahl abgespalten werden (CHR. SCHMIDT, pers. Mitteilung). Der Alaunschiefer ist demnach so tief versenkt gewesen, daß er den Ölbildungsbereich („Ölfenster“) fast vollständig durchlaufen hat.
Nach TISSOT & WELTE (1984) sind dann Versenkungstemperaturen bis 200°C erreicht worden.
87
Diese Überlegungen werden auch durch die Vitrinit-Reflektivität von Rm (oil) = 2.2 % an
Griffelschiefer aus dem Schwarzburger Sattel bestätigt (HEUSE et al. 1994). Der stratigraphisch
zum Graptolithenschiefer und Lederschiefer liegende Griffelschiefer hat mit einer solchen
Vitrinitreflexion den Grenzbereich von der Katagenese zur Metagenese überschritten.
Die Dichtebilanzierung, die auf den Porositätsunterschieden durch die Bleichung fußt, fordert,
daß bei der Bleichung Material mit ρ = 2.0 ± 0.6 g/cm3 abgeführt wird. Der gemessene Dichtewert ist um ca. 0.2 g/cm3 kleiner, diese Abweichung liegt jedoch innerhalb des Fehlerbereiches
der Bilanzierung.
Die Dichtedifferenz deutet an, daß zusätzlich zur Abfuhr von organischem Material Gesteinsbestandteile mit hoher Dichte mobilisiert werden könnten. Diese Hypothese wird durch geochemische Befunde gestützt, die aussagen, daß auch Eisen und Schwefel bei der Bleichung mobilisiert werden können – möglicherweise als im Gestein auftretendes Eisensulfid. Pyrit und
Markasit besitzen eine Dichte von etwa 5 g/cm3. Wahrscheinlich werden mikrokristalline
Sulfide gemeinsam mit dem organischen Material abgebaut, mikroskopische Hinweise darauf
liegen jedoch nicht vor.
88
AFM-Untersuchungen an Alaunschiefer-Präparaten:
Die Interpretationen zur Porosimetrie und zu geochemischen Untersuchungen deuten darauf hin,
daß bei der Bleichung von Alaunschiefer mikro- und
mesoporöses organisches Material abgeführt wird.
Zurück bleibt makroporöser Porenraum, der vor der
Bleichung von organischem Material eingenommen
wurde. Schematisch ist diese Situation in Abb. 45
dargestellt. Diese Interpretation sollte mikroskopisch
überprüft werden. Weil natürliche Gesteinsoberflächen durch ihre Oberflächenrauhigkeit ein zu unruhiges Relief für AFM-Untersuchungen besitzen, wurden polierte Dünnschliff-Präparate eingesetzt. Die
Präparation erfolgte ohne Schleifpulver mit diamantbesetzten Scheiben. Es ist davon auszugehen, daß an
der Schliff-Oberfläche die Poren angeschnitten vorAbb. 45: Schematische Darstellung zur
AFM-Abtastung der Poren von Alaunschiefer auf einem polierten Dünnschliffpräparat. Im ungebleichten Zustand (a)
befindet sich mikro- und mesoporöses
Material im Alaunschiefer, nach der
Bleichung (b) liegen Makroporen vor.
liegen (Abb. 45 a, b). Diese Porenanschnitte sollten
mit dem AFM visualisiert werden.
Abb. 46 zeigt räumlich aneinandergesetzte AFM-Profile (a, b), helligkeitscodierte Reliefkarten der Probenoberfläche (c, d) sowie Histogramme und Summen-
darstellung der Oberflächenanteile (e, f). Verwendet wurde Alaunschiefer aus dem Unteren
Graptolithenschiefer vom Gammigtal. An einem Gesteinspolyeder wurden die mm-mächtige
Bleichungszone und der ungebleichte Polyederkern analysiert. Auf der linken Seite von Abb. 46
(a, c, e) sind die Untersuchungen am ungebleichten Alaunschiefer, auf der rechten Seite von
Abb. 46 (b, d, f) die am gebleichten Alaunschiefer dargestellt. Weitere AFM-Oberflächenanalysen sind im Anhang dokumentiert
Beobachtungen:
Der ungebleichte Alaunschiefer besitzt auf dem polierten Dünnschliff ein Relief, das maximal
etwa 30 nm Höhenunterschied besitzt. Gebleichter Alauschiefer zeigt dagegen bis zu 140 nm
Reliefunterschied. Unter Vernachlässigung der Anteile einer Reliefkante (Abb. 46 d: rechter
Rand bzw. Abb. 46 b: linker Rand), nämlich der Tief-Relief-Anteile (Abb. 46 f) unter -40 nm,
beträgt das annähernd normalverteilte Relief des gebleichten Alaunschiefers ca. 80 nm.
Abb. 46 a ist vergleichsweise zu Abb. 46 b etwa fünffach überhöht und zeigt, daß im Kontrast
zu Abb. 46 b eine großräumige Reliefierung mit Strukturen um X00 nm Größe fehlt. Auch die
Abbn. 46 c, d veranschaulichen diese Beobachtung.
89
Abb. 46: Untersuchungen der Oberfläche von Alaunschiefer mit dem AFM. Auf der linken Seite (a, c, e)
sind die Beobachtungen am ungebleichten, auf der rechten Seite (b, d, f) die Untersuchungen am gebleichten Alaunschiefer dargestellt. Analysiert wurde ein poliertes Dünnschliff-Präparat eines randlich
gebleichten Alaunschieferpolyeders aus dem Unteren Graptolithenschiefer vom Gammigtal. Die räumliche Oberflächendarstellung des ungebleichten Alaunschiefers (a) ist im Vergleich zur Reliefdarstellung
des gebleichten Alaunschiefers (b) etwa 5fach überhöht abgebildet.
Interpretationen:
Die Untersuchungen mit dem AFM stützen die Interpretationen aus den Porositätsanalysen: Der
ungebleichte Alaunschiefer zeigt im polierten Dünnschliffpräparat eine ausgeglichenere Oberfläche als der gebleichte Alaunschiefer. Während bei ungebleichtem Alaunschiefer die Unebenheiten ein Relief mit maximal 30 nm Höhenunterschied verursachen, also mesoporöse Strukturen zeigen, ist im gebleichten Alaunschiefer die Reliefierung deutlich höher.
90
Die AFM-Untersuchungen an polierten Alaunschiefer-Präparaten sind ein Indiz für die Richtigkeit der interpretierten Porengrößen bei unterschiedlichen Verwitterungsgraden und den sich
daraus ergebenden Konsequenzen für die innere Gesteinsoberfläche.
3.4 Zeitliche Aspekte der Bleichung von Alaunschiefer
Der Bleichung von Alaunschiefern geht der (teilweise) Abbau von Eisensulfiden voraus
(Abb. 37). Die hier vorliegenden Beobachtungen bestätigen die von LITTKE (1993) diskutierte
Reihenfolge von Verwitterungserscheinungen in Schwarzpeliten: Gleichzeitig mit der Sulfidverwitterung treten eine Krustierung der Oberfläche von Gesteinspolyedern, bspw. an Kluftflächen, und der Ersatz von Sulfiden durch Sulfat (insbesondere Jarosit) und Eisen(III)-Verbindungen auf.
Einerseits wird die durchgreifende Bleichung und Rötung des Gesteins bei permokarboner
Exposition und tiefreichender Ausbildung von Verwitterungstaschen an Zonen hoher Fluidwegsamkeit im Zusammenhang mit der Bildung von Uranlagerstätten im Ostthüringer Raum
diskutiert, bspw. von SZUROWSKI et al. (1991). Andererseits sind solche Vorgänge auch während der Exposition und flächigen Abtragung der erzgebirgisch streichenden Sattelstrukturen im
Tertiär möglich (WIEFEL 1965). FENGLER (1997) beschreibt tertiäre Abtragung und Ablagerungen auf dem Ronneburger Horst. Diese Schlußfolgerungen zur Exposition der Gesteine
implizieren immer langanhaltende („postvariscische“, SZUROWSKI et al. (1991); „unterpermische“, FENGLER (1997); „mesozoisch-tertiäre“) hypergene Prozesse. Die Zeitspanne, die sowohl für kleinräumige als auch durchgreifende Bleichung der Graptolithenschiefer benötigt
wird, ist unbekannt und wird auch in der Literatur nicht diskutiert.
Beobachtungen:
Haldenmaterial der Grube „Morassina“, Schmiedefeld, wurde durch WISMUT-Abbau ca. 1950
im Tal am „Schwefelloch“ aufgeschüttet (Probe 213). Der dunkelgraue Alaunschiefer enthält
etwa 0.5 Gew. % Kohlenstoff und ca. 1 Gew. % TiO2.
Innerhalb der Grubenräume der „Morassina“ sind keine Bleichungserscheinungen zu beobachten. Tiefreichende Bleichungszonen, wie sie von FENGLER (1997) für den Geraer Vorsprung
beschrieben werden, fehlen hier. Übertägig aufgeschlossener, direkt im Hangenden des Abbauraumes anstehender Alaunschiefer ist kleinräumig, ausgehend von Gesteinspolyeder-Grenzflächen, gebleicht.
Dünnschliff-Untersuchungen an quartären sandig-kiesigen Bachschotter-Ablagerungen (J. GELETNEKY,
pers. Mitt.) aus dem Gessental bei Ronneburg zeigen keinen schwarzen, ungebleich-
ten Alaun- oder Kieselschiefer (Proben 117, 118). Die pelitischen Gesteinsbruchstücke sind hel-
91
le, graue Tonschiefer. Rammkernsondierungen im Gessental erbohrten jedoch im Liegenden der
quartären Talsedimente Alaunschiefer, die überwiegend schwarz, ungebleicht und Corg-reich
sind (Proben 207, 208, 209).
Im Steinbruch Hohenleuben sind im gebleichten Alaunschiefer rinnenförmige, mehrere Meter
breite und tiefe Sedimentkörper mit hellgelb-bleichem Alaunschieferschutt aufgeschlossen. Das
matrixreiche Material (Probe 223) besteht überwiegend aus Kaolinit. Sowohl der rinnenförmige
Sedimentkörper als auch der gebleichte Profilbereich befinden sich direkt unter der tertiären
Verebnungsfläche des Bergaer Sattels.
Interpretation:
Neben der grauen Farbe des Haldenmaterials deuten der geringe Kohlenstoff- und der erhöhte
Titangehalt auf Verwitterung des Gesteins hin (vgl. Elementaranalyse zu den den S3-Proben aus
Creunitz, Pr. 228, 229). Unter gemäßigtem Klima ist demnach Bleichung von Alaunschiefer
innerhalb mehrerer Jahrzehnte möglich. Das steht im Kontrast zu den Schlußfolgerungen von
LITTKE (1993), Bleichung mit drastischem Abbau an organischem Kohlenstoff sei auf warme
Klimate beschränkt. Außerdem belegen die Oberflächenaufschlüsse mit kleinräumigen Bleichungserscheinungen im Tal „Schwefelloch“, daß nach der pleistozänen (UNGER 1995) Talbildung eine Bleichung des Alaunschiefers stattgefunden hat. Die kleinräumige Bleichung sollte,
wenn es sich dabei um die Wurzelzone der tiefgründigen Verwitterung aus dem Mesozoikum
und Tertiär bzw. Unterperm handelt, nicht auf Oberflächenaufschlüsse beschränkt und auch wenige Meter tiefer im weitläufigen Grubengebäude anzutreffen sein. Weil dies nicht der Fall ist,
ist von jüngerer und kürzerer Bleichung unter gemäßigtem Klima auszugehen, die seit der Anlage des Tals „Schwefelloch“ wirken könnte.
Die petrographischen Untersuchungen an quartärem Sedimentmaterial aus dem Gessental bei
Ronneburg und dem liegend dazu auftretendem Alaunschiefer untermauern ebenfalls die Möglichkeit einer quartären Bleichung von Alaunschiefer: Während die unter den quartären Sedimenten anstehenden Alaunschiefer ungebleicht sind, treten im Bachsediment keine ungebleichten Alaunschiefer auf. Offenbar standen zwar im gessentalnahen Liefergebiet für das Hangschutt- und Bachsedimentmaterial überwiegend nur gebleichte Alaunschiefer an. Die Bleichung
war aber nicht derart tiefreichend (vs. mesozoisch-tertiäre bzw. permische Bleichung), daß der
Alaunschiefer, der liegend zur quartären Talfüllung auftritt, hätte durchgreifend gebleicht werden können. Möglicherweise hat auch syn- oder postsedimentäre Bleichung der Komponenten
stattgefunden.
In Hohenleuben spricht das Vorhandensein von rinnenförmigen Sedimentkörpern mit umgelagerten verwitterten, kaolinitreichen Alaunschieferbruchstücken im oberen Profilabschnitt der
gebleichten Alaunschiefer für eine paläooberflächennahe Position der gebleichten Gesteine.
Diese Position der gebleichten Alaunschiefer direkt liegend zur tertiären Verebnungsfläche des
92
Bergaer Sattels ist ein Indiz für tertiärzeitliche Bleichungs-, Abtragungs- und Umlagerungsvorgänge in Hohenleuben.
Während kleinräumige Bleichung im Randbereich von Gesteinspolyedern mit deutlicher Abfuhr
an organischem Kohlenstoff durchaus im Quartär
vorkommen kann, ist die durchgreifende Bleichungsverwitterung im Zusammenhang mit tiefreichender
Verwitterung unter
einer
tertiären
Verebnungsfläche zu sehen, Abb. 47 illustriert den
zeitlichen Ablauf schematisch.
Offenbar kann – ausgehend von natürlichen Grenzflächen im Gestein – relativ rasch eine quartärzeitliche, nur millimetermächtige BleichungsverwitteAbb. 47: Schematische Darstellung der Intensität der Bleichungsverwitterung an Gesteinspolyedern: Anfänglich findet relativ
schnell, ausgehend von natürlichen Grenzflächen im Gestein, eine kleinräumige
Bleichung statt. Durchgreifende Bleichung
des gesamten Gesteinsprofils wird langanhaltender, bspw. mesozoisch-tertiärer Verwitterung zugeordnet.
rung im Gestein wirken. Durchgreifende Bleichungsverwitterung läuft dagegen im Quartär viel
langsamer ab als die kleinräumige Bleichung. Aus
diesem Grund ist in den Alaunschieferaufschlüssen
der Bleichungssaum an Alaunschieferpolyedern immer ungefähr gleich mächtig.
Im Unteren Graptolithenschiefer sind variable Verwitterungsgeschwindigkeiten wegen variierender Fluidwegsamkeiten aufgrund der mengenmäßig wechselnden Lydit-Anteile zu erwarten. Dies zeigt sich auch in der hier vorgestellten Tendenz zur Ausbildung größerer Gesteinspolyeder im Alaunschiefer im Kontrast zur bevorzugten Kleinklüftigkeit der auf mechanische Beanspruchung spröder reagierenden Kieselschieferlagen.
3.5 Hochskalierung der Oberflächendaten
Die skalenabhängigen Daten der Oberflächenquantifizierung werden unter Berücksichtigung
ihrer Variabilität in ein Gesamtkonzept integriert (Tab. 21, Abb. 49). Im Vergleich der Oberflächendaten von unverwitterten und verwitterten Alaunschiefern wird die potentiell reaktive
Oberfläche für Bleichungsverwitterung quantifizierbar. Dabei ist zwischen der maximalen reaktiven Oberfläche und der „leicht zugänglichen“ reaktiven Oberfläche im Gestein zu unterscheiden. Daß diese Unterscheidung gerechtfertigt ist, zeigt das Vorhandensein der kleinräumigen Bleichung. Ausgehend von natürlichen Grenzflächen im Gestein, den Polyederoberflächen, beginnt in einem – diese Grenzflächen umhüllendem – Gesteinsvolumen der Bleichungsprozeß. Auffallend ist, daß diese kleinräumigen Bleichungssäume überwiegend geringmächtiger
93
als ein Zentimeter ausgebildet sind, oft wurden Mächtigkeiten von ~ 2 mm gefunden. Diese
Beobachtung wurde für die Hochskalierung der reaktiven Oberfläche verwendet.
Berechnungen der Häufigkeit natürlicher Grenzflächen im Alaunschiefer führen zu einer geometrischen Grenzflächengröße von 350 ± 150 m2/m3 im Alaunschiefer (Unterer Graptolithenschiefer). Das mittlere potentielle Volumen für kleinräumige (2 mm mächtige) Bleichung beträgt 0.7 ± 0.3 m3/m3. Bezogen auf die Dichte des ungebleichten Alaunschiefers aus dem Unteren Graptolithenschiefer (2210 ± 40 kg/m3, vgl. Abb. 43) stehen damit 1550 ± 700 kg in einem
Kubikmeter Alaunschiefer für kleinräumige Bleichung zur Verfügung.
Tab. 21: Skalenabhängige Oberflächendaten für ungebleichten und gebleichten Alaunschiefer (Unterer
Graptolithenschiefer). Für quecksilberporosimetrische Quantifizierungen liegen keine Wiederholungsmessungen vor.
äußere Oberfläche:
innere Oberfläche:
geometrische
Grenzflächen
[m2/m3]
Rauhigkeitsfaktor (mech.)
Rauhigkeitsfaktor (opt.)
Makro- und
Mesoporen
[m2/g]
Meso- und
Mikroporen
[m2/g]
in situ ungebleicht
350 ± 150
* 1.07 ± 0.04
* 3.9 ± 0.7
7.8
11.4 ± 5.6
in situ gebleicht
700 ± 350
* 1.06 ± 0.02
* 5.6 ± 2.0
6
6.7 ± 1.1
Alaunschiefer:
Der Rauhigkeitsfaktor gibt an, um welchen Faktor eine Vergrößerung der Grenzfläche bei einer
rauhen Oberfläche erfolgt. Während im Mikrometer-Auflösungsbereich die Grenzfläche kaum
durch Rauhigkeit vergrößert ist, ist die Grenzfläche des unverwitterten Alaunschiefers im subMikrometerbereich (X00 nm Auflösung) etwa vervierfacht. Der Rauhigkeitsfaktor, der keinen
Einfluß auf den Betrag der massen- oder volumenbezogenen potentiell reaktiven Oberfläche besitzt, spiegelt die Größe der leicht zugänglichen Grenzfläche wider. Höhere Rauhigkeiten entsprechen einem höheren möglichen Fluidaustausch im Grenzbereich von Gestein und Fluid.
Die Differenz der spezifischen meso- und mikroporösen (N2-BET) Oberfläche zwischen gebleichtem und ungebleichtem Alaunschiefer beträgt im Unteren Graptolithenschiefer
4700 ± 6700 (!) m2/kg. Dieser Mittelwert mit großer Standardabweichung wird durch die Heterogenität in der Corg-Führung des Gesteins verursacht (Abb. 48). Beispielsweise besitzt die
Probe 211-6 (Teilprobe von 230) 11.85 ± 0.02 Gew. % organischen Kohlenstoff; die spezifische
Oberfläche beträgt 19500 ± 100 m2/kg. Die Oberflächendifferenz zwischen ungebleichtem und
gebleichtem Material beträgt für diese Probe 12800 ± 1100 m2/kg. Die Oberflächendifferenz –
bezogen auf das Gesteinsvolumen, das kleinräumige Bleichungssäume umfaßt – gibt einen Hinweis auf die Größe der reaktiven Gesteinsoberfläche bei Bleichungsverwitterung. Der Mittelwert der erwähnten Oberflächendifferenz führt zu einer reaktiven Oberfläche von
94
~ 7 ± 14 km2/m3 des ungebleichten Alaunschiefers. Für die Corg-reiche Probe (211-6) steht
jedoch eine reaktive Oberfläche von 20 ± 11 km2/m3 in dem für kleinräumige Bleichung
möglichen Volumen zur Verfügung.
Der Mittelwert für die reaktive Oberfläche
schließt mit seiner Fehlerangabe diesen Maximalwert der reaktiven Oberfläche für den
Unteren Graptolithenschiefer mit ein. Bei
dem Hochskalieren der potentiell reaktiven
Gesteinsoberfläche ist insbesondere der Gehalt an organischem Material zu berücksichtigen. Die meso- und vor allem mikroporöse
innere Oberfläche der Alaunschiefer nimmt
linear mit der Corg-Führung des Gesteins zu
(Abb. 48). Aus diesem linearen ZusammenAbb. 48: Zusammenhang zwischen im Alaunschiefer enthaltener Menge an organischem Material und der inneren Gesteinsoberfläche.
hang kann die mittlere innere Oberfläche für
einen bekannten mittleren Corg-Gehalt eines
Gesteinsvolumens berechnet werden.
Das Zusammenspiel der Oberflächendaten und die Interpretation hinsichtlich der Größe reaktiver Oberflächenanteile für die Bleichung von Alaunschiefer sind in Abb. 49 dargestellt.
Abb. 49: Konzept zur Quantifizierung von potentiell reaktiven Anteilen der Gesteinsoberfläche des
ungebleichten Alaunschiefers
Die Hochskalierung der potentiell reaktiven Oberfläche für Bleichungsverwitterung basiert
einerseits auf der Abschätzung des von der Verwitterung betroffenen Gesteinsvolumens, insbesondere unter Berücksichtigung der natürlichen Grenzflächen im Gestein. Andererseits wird die
95
Größe der potentiell für Bleichungsverwitterung zur Verfügung stehenden inneren Oberfläche
auf das durch äußere Oberflächen charakterisierte Gesteinsvolumen übertragen.
96
3.6
Anwendung der Oberflächenquantifizierung:
Quartäre Sedimente mit paläozoischem Hinterland
Im Gessental, westlich des ehemaligen WISMUT-Urantagebaus „Lichtenberg“ und der dazugehörigen Haldenanlagen, lagern quartäre Bachsedimente auf paläozoischen Gesteinen (J. GELETNEKY,
pers. Mitt.). Im östlichen Talbereich wurden unmittelbar liegend zu diesen Sedimen-
ten dunkle Alaunschiefer erbohrt (Proben 205-209).
Beobachtungen:
Die sandigen Kiese der Bachsedimente (Probenserie 117) enthalten als Komponenten vorwiegend Quarzkörner (Mono- und Polyquarz), helle Tonschiefer und Lydite. Letztere führen keine
opaken Bestandteile wie bspw. organisches Material (Abb. 50).
Abb. 50: Lithologische Zusammensetzung von Sandkörnern aus Bach- und Aue-Sedimenten des Gessentals nach mikroskopischem Befund an Streupräparaten. Quantifiziert wurden jeweils 100 Körner der
Fraktionen 0.25 – 0.5 mm und 0.5 – 1.0 mm.
Oft treten durchgängig gerötete, offenbar Fe(III)-haltige Lithoklasten auf. Die eisenreichen
Mineralneubildungen durchziehen solche Gesteinsbruchstücke vollständig. Außerdem sind häu-
97
fig eckige, ebenfalls rötliche, scherbenförmige Bruchstücke von Eisenkrusten (wahrscheinlich
Hämatit, Goethit) als Komponenten vorhanden. Diese sind entweder strukturlos und durchgängig rotbraun pigmentiert oder besitzen eine lagige Anordnung rotbrauner Säume. Hölzerne
Pflanzenreste sind in der Sandfraktion der Bachsedimente nicht vorhanden. Mengenmäßig
untergeordnet treten Gesteinsbruchstücke von Quarzit, Glimmerschiefer, Siltschiefer und Magmatiten auf.
Petrographische Untersuchungen der Auensedimente (Probenserie 118) zeigten, daß in dem
überwiegend pelitischen Sediment ebenfalls Quarz, graue Tonschiefer und Lydite häufig als
sand- bis kieskorngroße Komponenten vorliegen. Zusätzlich kommen pflanzliche Fragmente
vor. Die eisenhaltigen Krusten und Lithoklasten sind ebenfalls nicht selten. Wiederum sind auch
in geringerer Häufigkeit Gesteinsbruchstücke von Quarzit, Glimmerschiefer, Siltschiefer und
Magmatiten vorhanden.
An den sandig-kiesigen Komponenten der Bachschotter (Pr. 117) wurde die äußere Oberfläche
aus Korngrößenanalysen berechnet (Anhang). Für Komponenten mit einem Korndurchmesser
> 63 µm wurde die äußere Oberfläche mit 2300-4700 m2/m3 abgeschätzt. Diese Bandbreite ergibt sich aus der Klassenbreite der Siebkornfraktionen. Die berechnete äußere Oberfläche der
sandig-kiesigen Komponenten ist deutlich größer als die geometrische Oberfläche der Alaunschieferpolyeder. Verantwortlich dafür ist der Feinkornanteil der Bachsedimente.
Um die innere Oberfläche unterschiedlicher Gesteinsbruchstücke abzuschätzen, wurde an lithologisch unterschiedlichen Proben die Stickstoff-BET-Oberfläche ermittelt. Vergleichsweise
wurde die BET-Oberfläche von Lederschiefer (1-2 m2/g), devonischem Tonschiefer aus Mennsdorf (6 m2/g) und von einem Rotliegend-Sandstein (Bebertal, Flechtinger Höhenzug: 2 m2/g)
quantifiziert. Ein Rotliegend-Vulkanit zeigte eine relativ große innere Oberfläche von 13 m2/g.
Röntgendiffraktometrische Untersuchungen an der Kornfraktion < 2 µm aus dem Matrixmaterial belegen, daß Illit/ Muskovit sowie Kaolinit vorliegen. Quellfähige Tonminerale treten nicht
auf. Die Diffraktogramme der glykolisierten und nichtglykolisierten Proben sind dem Anhang
zu entnehmen.
Interpretation:
Weder die sandig-kiesigen Bachsedimente, noch die überwiegend pelitischen, untergeordnet
sandig-kiesigen „Auelehme“ führen in ihrem Komponentenspektrum opake Gesteinsbruchstücke, die auf ungebleichtes Material aus dem Graptolithenschiefer hindeuten könnten. Zwar
kommen Lydite und Tonschiefer sehr häufig als Komponenten vor, diese sind jedoch gänzlich
frei von opaken, möglicherweise Corg-reichen Bestandteilen. Da liegend zur quartären Talfüllung und in unmittelbarer Umgebung des Gessentals schwarze Graptolithenschiefer nicht fehlen, ist zu schlußfolgern, daß in den quartären Ablagerungen des Gessentals nur Alaun- und
Kieselschiefer in gebleichter Form vorhanden sind.
98
Im Gegensatz zu dem ungebleichten WISMUT-Haldenmaterial (Alaun- und Kieselschiefer)
sind in den quartären Ablagerungen im Gessental offenbar keine Corg-reichen Gesteinsbruchstücke vorhanden. Die in den Sedimenten auftretenden Komponenten können deshalb auch nur
vergleichsweise kleine BET-Oberflächen besitzen. Weil helle Tonschiefer und Lydite dominieren, sind diejenigen Stickstoff-BET-Oberflächen zu erwarten, die für gebleichte Alaun- und
Kieselschiefer diskutiert wurden. Sie sind deutlich kleiner als 10 m2/g. Stichprobenartige Untersuchungen an verschiedenen Lithologien diverser Vorkommen, nämlich an Lederschiefer, devonischem Tonschiefer und Rotliegend-Sandstein, bestätigen die geringe Schwankungsbreite
der zu erwartenden BET-Oberfläche derartiger Lithotypen.
WHITE & PETERSON (1990) haben BET-Untersuchungen an silikatischen Partikeln vorgenommen. Sie vergleichen die BET-Oberfläche mit der geometrischen Partikel-Oberfläche von Silikaten. Für Partikeldurchmesser von ca. 100 nm bis 100 µm ergibt sich ein annähernd linearer
Zusammenhang zwischen Partikelgröße und BET-Oberfläche, hier ist der Einfluß der inneren
Oberfläche auf die BET-Oberfläche vernachlässigbar. Wenn ein polymineralisches Gemenge
vorliegt, ist die innere Oberfläche die Summe der durch den Porenraum zugänglichen äußeren
Mineralkornoberflächen (WHITE 1995). Für Alaunschiefer ist die innere Oberfläche nur dann
deutlich erhöht, wenn darin organisches Material vorhanden ist. Wenn bleiche, Corg-freie Lithotypen betrachtet werden, ist die innere Oberfläche der unterschiedlichen Tonschiefer annähernd
gleich groß. Allerdings spielt der Verwitterungsgrad der Silikate eine erhebliche Rolle für die
innere Oberfläche der Gesteine. WHITE & PETERSON (1990) haben festgestellt, daß bei
unverwitterten Silikaten die BET-Oberfläche siebenfach größer ist als die geometrische Oberfläche. Für verwitterte Silikate ist der Rauhigkeitsfaktor höher und kann etwa 200 erreichen,
allerdings stark variierend für unterschiedliche Minerale. GAUTIER et al. (2001) zeigten jedoch,
daß die Zunahme der BET-Oberfläche durch die Lösungserscheinungen keinen Zuwachs an
reaktiver Oberfläche für diese Lösungsvorgänge, sondern nur eine Vergrößerung der unreaktiven Wände von Ätzgruben dokumentiert. Wenn in polymineralischen Gemengen stark verwitterte Silikate vorliegen, kann sich die innere Oberfläche dieses Lithotyps erhöhen. Das könnte
beispielsweise in dem untersuchten Rotliegend-Vulkanit der Fall sein, dessen innere Oberfläche
13 m2/g beträgt. Zusätzlich kann der Anteil von Eisenkrusten die innere Oberfläche deutlich beeinflussen, dies haben die Untersuchungen an krustierten Alaunschiefern gezeigt. Der Anteil
von eisenreichen Krusten und Kutinierungen (COSTON et al. 1995) kann deshalb eine Abschätzung der Größe der inneren Oberfläche des Sediments im Gessental zulassen.
Die innere Oberfläche der Gesteinspartikel hängt in dem betrachteten Sediment von der Intensität der Bleichung Corg-führender Lithotypen, vom Verwitterungsgrad der Silikate und der
Menge an Eisenkrusten ab. Um den Einfluß bisher im Gessental-Sediment nicht beobachteter
ungebleichter Alaun- und Kieselschiefer, weiterer Gesteinsbruchstücke und die Menge an Hämatit- bzw. Goethitkrusten zu klären, ist eine umfassende Untersuchung der lithologischen Zu-
99
sammensetzung der Talsedimente erforderlich. Aus der sich daraus ergebenden Mengenverteilung der Lithotypen und den zugehörigen äußeren und inneren Oberflächen ist eine Abschätzung der für Adsorption und Desorption zur Verfügung stehenden Flächen möglich.
Das Tonmineralspektrum des Matrixmaterials belegt, daß das Kationenaustauschvermögen wegen der fehlenden quellfähigen Tominerale gering ist (JASMUND & LAGALY 1993). Kationenaustauschreaktionen werden im quartären Sedimentkörper des Gessentals keine dominierende
Rolle einnehmen.
100
4
Schlußfolgerungen und Zusammenfassung
Petrographische Charakteristika:
Im Unteren Graptolithenschiefer Südthüringens werden Alaunschiefer- und Kieselschieferpolyeder und im Oberen Graptolithenschiefer Alaunschieferpolyeder angetroffen, deren geometrische Form durch natürliche Grenzflächen im Gestein verursacht ist. Kluft-, Schieferungs- und
Schichtflächen zerschneiden das Gestein derart, daß Polyeder mit Kantenlängen im cm-Bereich
ausgebildet werden.
Ausgehend von diesen natürlichen Grenzflächen liegt das Gestein kleinräumig gebleicht vor, es
sind millimetermächtige Bleichungszonen vorhanden. Andererseits können Alaun- und Kieselschiefer auch durchgreifend gebleicht in metermächtigen Verwitterungsprofilen aufgeschlossen
sein. Mineralneubildungen auf den natürlichen Grenzflächen im Gestein und klein- und großräumige Bleichungserscheinungen zeigen geochemische und petrophysikalische Veränderungen
an, die im Detail vorgestellt werden.
Mobilisierbarkeit von Mineralen und Elementen bei Bleichungsverwitterung:
Die geochemischen Charakteristika des untersuchten Materials wurden zur Abgrenzung des
Alaunschiefers von stark verkieselten Lithotypen verwendet. Alaunschiefer enthalten weniger
SiO2 (meist < 80 Gew. %) als die verkieselten Lithotypen (Lydit). Silizium- und AluminiumGehalte werden durch eine Bleichung der Alaunschiefer nicht verändert, deshalb können diese
Hauptelemente als halbquantitativer innerer Standard bei Laser-Ablations-Untersuchungen
eingesetzt werden. Dieser Standard ist notwendig, um Anreicherungen bzw. die Verringerung
von Spurenelementgehalten mit dieser Methode detektieren zu können.
Alaun- und Kieselschiefer enthalten überwiegend Illit/ Muskovit, Quarz und organischen Kohlenstoff. Sensitiv für Bleichungsvorgänge ist der Gehalt an organischem Kohlenstoff, der in
dem untersuchten ungebleichten Material 6-23 Gew. % beträgt. Beginnende Bleichung wird
durch einen Kohlenstoffgehalt um 1-2 Gew. % angezeigt; helles, gebleichtes Material besitzt
meist weniger als 1 Gew. % organischen Kohlenstoff. Der Stickstoffgehalt ist für ungebleichte
Alaunschiefer höher (0.2-0.5 Gew. %) als für gebleichte Alaunschiefer (meist < 0.2 Gew. %).
Es ist wahrscheinlich, daß Stickstoff an organischen Kohlenstoff gebunden auftritt.
In gebleichten Bereichen des Alaunschiefers kann der TiO2-Gehalt im Vergleich zum ungebleichten Material deutlich erhöht sein, insbesondere bei Ausbildung von Gesteinsumkrustungen durch Mineralneubildungen. Diese Überzüge zeigen hohe Eisengehalte. Der Alaunschiefer direkt unter der Kruste kann „imprägniert“ von solchen Mineralneubildungen vorliegen
und bis 20 Gew. % Fe2O3 enthalten. An der Krustierung kann auch Jarosit beteiligt sein, wobei
neben Überzügen in Krusten auch idiomorphe Jarositkristalle im Alaunschiefer auftreten.
Sowohl im ungebleichten als auch gebleichten Alaunschiefer können hohe und niedrige
101
Schwefelgehalte auftreten. Framboidaler und gröberkristalliner Pyrit verwittern teilweise vor
der einsetzenden Bleichung des Gesteins. Dies führt zu mikroskopisch sichtbarem,
neugebildetem Porenraum.
Die Spurenelemente V, Ba, Cr, Zn, Cu, Ni, Ce, Mo, Y, U können bei Bleichung mobilisiert
werden. Dies kann einerseits zu einer Verringerung ihrer Konzentration im gebleichten Alaunschiefer führen. Andererseits können diese Spurenelemente insbesondere in Fe-haltigen Gesteins-Umkrustungen angereichert werden. Im metermächtigen gebleichten Nachbarbereich der
ungebleichten Graptolithenschiefer kann der Urangehalt mehr als verdoppelt sein. In kleinräumigen Bleichungshöfen an Gesteinspolyedern kann der Urangehalt verringert sein.
Im Alaunschiefer befinden sich etwa 10 µm große Phosphoritkonkretionen, die reich an Eisen
sowie Ce, La, Th und U sind. Obwohl Spurenelemente, die gemeinsam mit Phosphor auftreten,
bei der Bleichung mobilisierbar sind, ist keine Phosphormobilisation durch die Bleichung
erkennbar. Außerdem werden ähnlich große Kalziumphosphatkonkretionen angetroffen.
Methodenkonzept der Oberflächenquantifizierung:
In einem Gesamtkonzept der skalenübergreifenden Oberflächenquantifizierung wurden die
äußere und innere Oberfläche von Alaunschiefer, vergleichend für verwitterte und unverwitterte
Lithotypen, quantifiziert. Die geometrische Oberfläche wurde anhand der Größe und Morphologie der Gesteinspolyeder quantifiziert. Diese Ergebnisse wurden mit der Paraffin-Tränkungsmethode validiert. Die äußere Gesteinsoberfläche besitzt Oberflächenrauhigkeiten. Nach rasterelektronenmikroskopischen Voruntersuchungen kann entschieden werden, ob eine Quantifizierung der Rauhigkeitsparameter mit mechanischen oder optischen Verfahren aufgrund der
unterschiedlich großen räumlichen Auflösung empfehlenswert ist. Für die Quantifizierung der
inneren Gesteinsoberfläche war die vergleichende Anwendung der Quecksilberporosimetrie und
der BET-Adsorption sinnvoll. Neben der summarischen Oberflächengröße konnte der mikroporöse Flächenanteil der inneren Oberfläche abgeschätzt werden. Allerdings ist bedeutsam,
welche Minerale im Untersuchungsmaterial auftreten, weil die innere Oberfläche von Mineralen
nicht für alle Adsorbate zugänglich ist. Wenn quellfähige Tonminerale fehlen, ist der Einsatz
von Stickstoff als Adsorbat gerechtfertigt.
Dieses Konzept, das die Gesteinsoberflächenquantifizierung über mehrere Größenordnungen (m
bis nm) ermöglicht, wurde auf Alaunschiefer aus dem Unteren Graptolithenschiefer angewendet, darüberhinaus wurden Alaunschiefer aus dem Oberen Graptolithenschiefer und Kieselschiefer aus dem Unteren Graptolithenschiefer als Vergleichsmaterial untersucht.
Oberflächenquantifizierung an Alaunschiefer:
Die geometrische Oberfläche von Alaunschieferpolyedern ist durch natürliche Grenzflächen im
Gestein verursacht. Bleichungsverwitterung von Alaunschiefer führt zu einer Verdopplung der
102
Größe derjenigen Grenzflächen im Gestein, die bei der Gesteinsentfestigung die Polyederoberfläche bilden können. Kieselschieferpolyeder sind in ihrer Größe nicht von der Verwitterung des Gesteins abhängig.
Die deutliche Erhöhung des Rauhigkeitsfaktors bei einer räumlichen Auflösung von X00 nm für
gebleichten Alaunschiefer zeigt an, daß Porenraum im gebleichten Gestein durch Rauhigkeitsanalyse detektierbar ist. Im ungebleichten Alaunschiefer sind derart große Poren seltener.
Rauhigkeitsuntersuchungen sind deshalb zur Bewertung der Porengröße ein wichtiges Hilfsmittel.
Abb. 51: Schematische Darstellung der inneren Gesteinsoberfläche und ihrer Änderung durch Bleichungsverwitterung
Bleichungsverwitterung verursacht bei Alaunschiefern eine drastische Porositätszunahme um
10-15 %: Während ungebleichter Alaunschiefer eine Porosität von etwa 5-10 % zeigt, besitzen
gebleichte Alaunschiefer des Unteren Graptolithenschiefers etwa 25 % und Alaunschiefer aus
dem Oberen Graptolithenschiefer ca. 15 % Porosität. Bei der Bleichungsverwitterung wird im
Corg-reicheren Unteren Graptolithenschiefer eine höhere Porosität erzeugt. Die Porositätserhöhung geht mit einer Erniedrigung der inneren Oberfläche des Alaunschiefer einher, mikround mesoporöse Flächenanteile werden bei der Bleichungsverwitterung abgebaut (Abb. 51).
103
Eisenkrustierungen auf dem Alaunschiefer können die innere Oberfläche des Gesteins deutlich
erhöhen. Diese innere Oberfläche ist durch Mikroporen verursacht.
Potentiell reaktive Oberfläche von Alaunschiefer:
Die Synthese der Quantifizierung von äußerer und innerer Oberfläche, der Vergleich der Flächendaten unverwitterter und verwitterter Alaunschiefer führt zu der Interpretation, daß ein
quantifizierbarer Anteil der Gesteinsoberfläche von dem Material verursacht ist, das bei Bleichungsverwitterung entfernt wird.
Mit fortschreitender Verwitterung ist bis zum vollständigen Abbau des organischen Materials
mit einer Verkleinerung der für Bleichungsverwitterung reaktiven Oberfläche zu rechnen.
Da die geochemisch nachgewiesene Entfernung des mikro- und mesoporösen Materials die innere Oberfläche des Alaunschiefers stark verringert, ist davon auszugehen, daß die von WHITE
& PETERSON (1990) beschriebene Vergrößerung der Oberfläche von Silikaten durch Verwitterung bei der Bleichung von Alaunschiefern noch nicht stattfindet. Stattdessen wird die
unverwitterte Oberfläche der Schichtsilikate durch die Bleichung erst freigelegt.
In den Bleichungsvorgang ist demnach nur die Oberfläche des organischen Materials und untergeordnet möglicherweise das von Sulfiden involviert, sonst müßte die innere Oberfläche des
gebleichten Alaunschiefers höher sein. Es ist nicht bekannt, ob die Oberfläche der Schichtsilikate vollständig mit einer „Haut“ des mikroporösen Materials überzogen ist. Möglicherweise
bedeckt das mesoporöse Maschenwerk die Silikatoberfläche nicht vollständig. Wäre die
Tonmineraloberfläche vollständig bedeckt, würde die innere Oberfläche des Alaunschiefers
diejenige Oberfläche widerspiegeln, die beim Bleichungsvorgang abgebaut wurde. Sind Lücken
in der Tonmineralüberdeckung vorhanden, ist die für Bleichungsverwitterung reaktive
Oberfläche kleiner.
Potentiell reaktive Kieselschiefer- und Eisenkrusten-Oberflächen:
Gebleichte Kieselschiefer zeigen auf Kristallflächen authigener Quarzkörner rundliche Vertiefungen, deren Durchmesser wenige hundert Nanometer beträgt. Zusätzlich zur mengenmäßig
für diesen Lithotyp untergeordnet auftretenden reaktiven Oberfläche durch organisches Material
ist bei Bleichungsverwitterung von Kieselschiefern die reaktive Oberfläche der diagenetisch
gebildeten Quarzkörner zu berücksichtigen. Die spezifische Oberfläche (Stickstoff-BET) der
Kieselschiefer ist jedoch deutlich geringer als die der Alaunschiefer.
Der Einfluß der illitischen Tonminerale im Alaunschiefer auf die reaktive Oberfläche des
Gesteins bei Bleichung ist wahrscheinlich klein. Ein Indiz dafür ist die geringe Variabilität der
spezifischen Oberfläche des gebleichten Alaunschiefers. REM-Abbildungen verwitterter Alaunschiefer zeigen Gefügeauflockerungen der im ungebleichten Gestein subparallel und dicht liegenden Tonmineralpakete. Es ist möglich, daß diese glatten, ebenen, ausgeglichenen Flächen
104
durch dünne Beläge von organischem Kohlenstoff nachgezeichnet werden. Der Abbau von
organischem Kohlenstoff legt die Oberfläche der Tonminerale frei. Lösungserscheinungen an
Tonmineraloberflächen sind erst nach der Oxidation ihrer Corg-reichen Umhüllung zu erwarten.
Die spezifische Oberfläche (Stickstoff-BET) gebleichter Alaunschiefer, die fast gänzlich aus
Illit bestehen, ist stets kleiner als 8 m2/g. Eine Systematik in der Änderung der Oberflächendaten
gebleichter Alaunschiefer konnte nicht festgestellt werden, da – im Gegensatz zum Abbau von
Corg im ungebleichten Alaunschiefer – kein Marker für fortschreitende Lösungsverwitterung des
gebleichten Alaunschiefers existiert.
Die Verkrustung der Schwarzpelitoberfläche mit Eisenoxiden bzw. -hydroxiden führt zu einer
deutlichen Erhöhung der spezifischen Oberfläche des Gesteins. Das hier vorgestellte Konzept
zur Quantifizierung der bleichungsfähigen reaktiven Oberfläche des Alaunschiefers kann zur
Quantifizierung der Reaktivität solcher großen Krustenoberflächen bei der Adsorption vorgegebener Stoffe verwendet werden. Notwendig dafür ist aber ein „Vorher-Nachher“-Vergleich,
ähnlich zu der hier vorgestellten Vorgehensweise beim Vergleich gebleichter und ungebleichter
Schwarzpelite.
Materialabfuhr bei Bleichungsverwitterung:
Zusätzlich zu porosimetrischen Aussagen erlaubt die Quecksilberporosimetrie Angaben zur
Dichte des untersuchten Materials. Berechnungen zeigen unter Berücksichtigung der Änderung
der Porosität, daß Gesteinsbestandteile bei der Bleichung entfernt werden, deren Dichte ca.
2 ± 0.6 g/cm3 beträgt. Dichtemessungen mit dem Pyknometer an mit Flußsäure extrahiertem
organischem Material zeigten, daß dieses eine Dichte von ca. 1.8 g/cm3 besitzt. Eine Abfuhr von
Sulfiden durch die Bleichungsverwitterungen ist mengenmäßig somit nur deutlich untergeordnet
möglich.
Das organische Material zeigt – außer einigen wenigen Sphaeromorpha – keine biologische
Strukturierung. Vielmehr liegen submikrometergroße Fragmente vor, die im Alaunschiefer
wahrscheinlich häutchenartig auf den gesteinsbildenden Illiten liegen.
Die Dichteuntersuchungen lassen Abschätzungen über die Höhe des Gehalts an organischem
Material im Gestein zu. Unverwitterter Alaunschiefer aus dem Unteren Graptolithenschiefer mit
hohen Corg-Gehalten besitzt eine niedrigere Dichte als Corg-ärmerer Alaunschiefer aus dem
Oberen Graptolithenschiefer. Der Dichtewert von Alaunschiefer kann deshalb zur Abschätzung
des Corg-Gehaltes und damit entweder zur Einschätzung des Verwitterungszustandes oder zur
stratigraphischen Einordnung verwendet werden. Das ist insbesondere bei der Untersuchung
von umgelagertem Material, bspw. von Halden oder natürlichen Sedimentkörpern, von Bedeutung.
105
Zeitliche Aspekte der Bleichungsverwitterung:
Bleichungsverwitterung kommt einerseits als durchgreifende, metermächtige Verwitterung der
Gesteinsabfolge vor, andererseits tritt kleinräumige, millimetermächtige Bleichung an
natürlichen Grenzflächen von Gesteinspolyedern auf. Die Position von durchgreifenden,
großräumigen Bleichungszonen direkt unter der tertiären Verebnungsfläche spricht für
langanhaltende und tiefgründige mesozoisch-tertiäre Verwitterung in diesem Fall. Kleinräumige
Verwitterung in pleistozänen Talaufschlüssen und die Abfuhr organischen Materials aus
Haldenmaterial innerhalb weniger Jahrzehnte belegt, daß auch junge, quartärzeitliche,
kurzfristige Bleichungsverwitterung möglich ist.
Der Gehalt an organischem Kohlenstoff im Grenzbereich zwischen verwittertem und unverwittertem Alaunschiefer kann nicht durch eine lineare Funktion beschrieben werden. Vielmehr
geht aus TOC-Quantifizierungen über ein kleinräumiges Probenprofil (ungebleicht, teilweise
gebleicht, vollständig gebleicht) hervor, daß die Menge an organischem Kohlenstoff verringert
wurde, wenn erste Bleichungsanzeichen sichtbar sind. Schon eine leichte Graufärbung des
Alaunschiefers bedeutet, daß mehr als die Hälfte des ursprünglichen Gehalts an organischem
Kohlenstoff abgebaut ist. Wenn hier von einem Modell ausgegangen wird, das die Größe der
reaktiven Oberfläche mit dem Gehalt an organischem Kohlenstoff im Gestein in Beziehung
setzt, muß gefolgert werden, daß die reaktive Oberfläche im Anfangsstadium der Bleichungsverwitterung (beginnende Bleichung) schneller abgebaut wird, als im Stadium der durchgreifenden, vollständigen Bleichung des Gesteins.
Anwendung des Methodenkonzeptes der Oberflächenverwitterung:
Die Untersuchungen an Alaunschiefer aus Süd- und Ostthüringen zeigen, daß mikro- und mesoporöse, Corg-reiche Flächenanteile im Alaunschiefer an der Bleichungsverwitterung beteiligt
sind. Dabei erfolgt der Abbau von organischem Material, das eine höhere innere Oberfläche
besitzt als das verwitterte, gebleichte Gestein. Inwieweit an diesem Abbau nicht nur chemischphysikalische, sondern auch biologische Vorgänge beteiligt sind, ist ungeklärt und bedarf der
weiteren Untersuchung. Für solche Untersuchungen wären Versuche sinnvoll, die die
Bioverfügbarkeit von Spurenelementen und den Abbau organischer Substanz an FlußsäureExtrakten prüfen, um dann an biosensitiven Elementen pulverisierte und natürlich strukturierte
Proben hinsichtlich der möglichen biologischen Interaktion (PETSCH et al. 2001) zu testen.
Zusätzlich ist der bakterielle Einfluß auf Sulfide zu prüfen (LOWER et al. 2002).
Das Methodikkonzept der Oberflächenquantifizierung kann auf Systeme mit gemischten
Lithologien übertragen werden, bspw. auf Haldenmaterial oder natürliche Sedimentkörper.
Petrographische Untersuchungen an der Sandfraktion von Bach- und Aue-Sedimenten aus dem
Gessental zeigten, daß dort keine Corg-reichen Gesteinsbruchstücke vorliegen. Es treten häufig
106
Quarzkörner, helle Lydite und Tonschiefer sowie Eisenkrusten auf; die Auesedimente enthalten
zusätzlich Pflanzenfragmente.
BRANTLEY & MELLOTT (2000) untersuchten gesteinsbildende Silikate bezüglich ihrer inneren
Oberflächen, die meist deutlich kleiner als 1 m2/g sind. Sie schlußfolgerten, daß die innere
Oberfläche dieser Minerale die reaktive Oberfläche des Gesteins kaum beeinflußt. Die vorliegenden Untersuchungen der inneren Oberfläche an verschiedenen Lithotypen zeigten, daß nur
Corg-Reichtum, Eisenverkrustungen und Kaolinisierungen höhere innere Gesteinsoberflächen,
nämlich größer als ~ 10 m2/g, verursachen. Im Gessental sind hohe Adsorptionskapazitäten der
Sedimente nur durch das Vorkommen von Eisenkrusten wahrscheinlich, weil keine schwarzpelitischen oder -lyditischen Gesteinsbruchstücke vorkommen. Außerdem sind keine quellfähigen Tonminerale als Matrixmaterial nachgewiesen worden. Die Adsorption von Metallen an
Kaolinit ist für verschiedene Metalle unterschiedlich stark konzentrationsabhängig (CZURDA &
WAGNER 1991), deshalb müssen das Angebot an Kationen und die ihre jeweilige Konzentration
Beachtung finden.
Die Voruntersuchungen am quartären Sedimentkörper im Gessental müssen durch ein petrographisches Modell untermauert werden. Hauptaugenmerk sollte dabei auf der Quantifizierung
derjenigen Lithotypen liegen, die große innere Oberflächen besitzen und für mengenmäßig
herausragende Ad- und Desorptionsvorgänge prädestiniert sind.
107
5
Danksagungen
Die vorliegende Arbeit entstand unter der anregenden Betreuung von Herrn Prof. Gaupp.
Ihm danke ich für fachliche Diskussionen und Unterstützung während der Promotionszeit.
Herrn Prof. Büchel, Herrn Prof. Heide und Frau Prof. Kothe danke ich für verschiedene thematische Anregungen und Gespräche. Herr Prof. Lützner und Herr Dr. Ellenberg gaben mir
wertvolle Hinweise zur Schiefergebirgsgeologie.
Herr Dr. Schubert (TLG Weimar) ermöglichte die Einsichtnahme in Bohrprofilunterlagen
der SDAG WISMUT und verhalf zu einer zügigen Kernbefahrung und Beprobung im Kernlager Niederpöllnitz. Herr Müller vom Schaubergwerk „Morassina“ in Schmiedefeld gab
Hinweise zum Alaunschiefer- und WISMUT-Bergbau und ermöglichte die untertägige Beprobung.
Für diese Arbeit war eine Vielzahl analytischer Verfahren notwendig. Die Mikrosondenanalysen erfolgten bei Herrn Dr. Kronz, Göttingen. REM-Aufnahmen entstanden am Inst.
für Geowissenschaften in Halle, Herr Dr. Clausing unterstützte mich dabei.
Mit Herrn Dr. Heuse (TLG Weimar) erfolgten aufschlußreiche Diskussionen zu Mikrofossilien im Altpaläozoikum, er half tatkräftig bei der Flußsäurebehandlung der Proben. Der
Gehalt der Gesteine an Kohlenstoff und Stickstoff wurde von Frau Hilke im Labor des MPI
für Biogeochemie (Jena) bestimmt.
Mit Herrn Dr. Merten erfolgten die ICP-MS-Analysen und tiefgründige Diskussionen zum
„inneren Standard“ meiner inhomogenen Proben. Herrn Dr. Schöps und Herrn Ude danke
ich für die RFA-Analysen, Frau Rudakoff nahm die Röntgendiffraktogramme auf. Herr Dr.
Klöß verhalf zu pyknometrischen Dichtewerten des organischen Materials und zeigte vielfältige Diskussionsbereitschaft. Herr Dr. v. d. Klauw stritt sich bereitwillig im Schiefergebirge mit mir über Gefügemerkmale der dortigen Gesteine.
Herrn Prof. Wesch (Inst. f. Festkörperphysik, Univ. Jena) danke ich für die Ermöglichung
der DEKTAK-Rauhigkeitsmessungen und AFM-Untersuchungen bei Frau Voigt. Rauhigkeitsmikroskopie wurde am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik
durchgeführt, dafür danke ich Herrn Prof. Notni und Herrn Steinert. Herr Dr. Kahr (ETH
Zürich) führte die Quecksilberintrusionsmessungen durch und diskutierte mit mir Porositätseigenschaften von Tonsteinen; Herr Prof. Vogelsberger und Herr Dr. Sonnefeld (Phys.
Chemie, Univ. Jena) ermöglichten die BET-Analysen.
Die hervorragenden Schliffe des „problematischen Materials“ fertigte Frau Bergmann an,
Herr Linde hat mich im Sedimentlabor unterstützt. Bei der Probenaufbereitung halfen die
Studenten Daniela Seifert und Guido Meinhold.
Christian Schmidt hat mir Geheimnisse aus der organischen Geochemie verraten. Mein
„Banknachbar“ Robert Schöner zeigte Geduld beim Diskutieren und Korrekturlesen.
Ich danke dem Land Thüringen für die Gewährung eines Graduiertenstipendiums für die
Anfangsphase der Promotion.
Meine Eltern unterstützten mich während meiner Jenenser Studienzeit.
Ganz besonders danke ich meiner Franziska.
108
6
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117
Anhang:
A1
Probenübersicht
A2
Mineralinhalt des Gesamtgesteins (Alaun- und Kieselschiefer) und des
Matrixmaterials quartärer Sedimente aus dem Gessental (XRD)
A3
K-, U-, Th-Konzentrationen in Alaunschiefer (γ-Strahlen-Spektrometrie)
A4
Haupt- und Spurenelementanalyse (XRF)
A5
C-, N-, S-Elementaranalyse
A6
ICP-MS-LA-Analytik
A7
Elementkartierungen mit der Mikrosonde
A8
Geometrische Oberfläche von Gesteinspolyedern
A9
Geometrische Oberfläche von sandigem und kiesigem Material (Gessental)
A10
Äußere Oberfläche von Gesteinspolyedern mit Paraffin-Tränkungs-Methodik
A11
Rauhigkeitsanalysen (Abtastung)
A12
Rauhigkeitsmikroskopie (LSM, WLI)
A13
Oberflächenvisualisierung (AFM)
A14
Porosimetrie-Untersuchungen (Quecksilber-Intrusion, N2-BET-Adsorption)
A15
Dichtemessungen an organischem Material (HF-Aufschluß-Rückstand)
II
Anhang A1:
Probenübersicht mit Bezeichnung (Pr.-Nr.) und Erläuterungen
Proben-Nr.
Aufschluß, Bohrteufe etc.:
Probenbeschreibung:
Siebanalysen Gessental-Sedimente (Beprobung GELETNEKY)
117-1
Kornfraktion > 4 mm
117-2
2-4
117-3
1-2
Bachsedimente:
117-4
0.5-1
Kiese, sandig, pelitisch
117-5
0.25-0.5
117-6
0.125-0.25
117-7
< 0.125
118-1
Kornfraktion > 4 mm
118-2
2-4
118-3
1-2
Auesedimente:
118-4
0.5-1
Pelite, sandig-kiesig
118-5
0.25-0.5
118-6
0.125-0.25
118-7
< 0.125
WISMUT-Rammungen Gessental, 6.7.2000
119-1
RKS 29 : 1.2 m
Bachsediment
119-2
RKS 29 : 1.5 m
Bachsediment
119-3
RKS 29 : 1.0 m
einzelne Komponenten, ohne Verband
119-4
RKS 29 : 1.0 m
Bachsediment
119-5
RKS 30 : 4.7 m
Bachsediment
WISMUT-Rammungen Gessental, 12.7.2000
120-1
RKS 68 : 2.8 m
Bachsediment
120-2
RKS 69 : 4.8-5 m
Alaunschieferbruchstücke, „Zersatz“
120-3
RKS 68 : 5 m
Alaunschieferbruchstücke, „Ruschelzone“
Stbr. Auberg, Kieselschiefer, 12.7.2000
121-1
violett-graue Kieselschiefer
121-2
rot
Einzelproben aus Steinbruch
121-3
violett-rot
121-4
schwarz
121-5
weiß
122
Ortseingang Mennsdorf
Tonschiefer
Gammig-Tal in Oberloquitz bei Saalfeld, 20.7.2000; Profil N -> S
125
Lederschiefer
126
Alaunschieferpolyeder, Bleichung randlich
Talweg, S1
126-c
bleich
126-d
schwarz
128
Alaunschiefer liegend zu 129, grau, Kruste
129
Alaunschieferpolyeder, Bleichung randlich
Oberweg, Wegkehre, S3
129c
bleich, krustiert
129d
schwarz
129e
bleich
alter Bhf Gräfenwarth, bei Schleiz, 21.7.2000
131
Nordseite Bahnhofsgelände
S2/3, Alaunschiefer, karbonatisch
Kernbefahrung Niederpöllnitz, WISMUT-Erkundungskerne, 24.7.-26.7.2000
Weißbacher Mulde (5175/87)
132
~215 m
Rotliegend-Vulkanit
133
~217.8-218.0
bleicher Alaunschiefer, rotkrustig
134
~217
Rotliegend-Vulkanit
Drosen (4521/70)
137
~345.1-350.6
Alaunschiefer, laminiert
138
~352
Kieselschiefer, kleinräumige Bleichungsmuster
139
~351
Alaunschiefer, gebleichte Laminae
140
~353
wie 138
141
~358
Alaunschiefer, laminiert
142
~358.5
Alaunschiefer, laminiert
143
366.5-366.6
Diabas
144
366.7-366.8
Diabas
145
552.8-553.0
Ockerkalk
146
555.5-555.6
Alaunschiefer mit Pyrit, Bleichung
III
Anhang A1 (Fortsetzung):
Probenübersicht mit Bezeichnung (Pr.-Nr.) und Erläuterungen
Proben-Nr.
Aufschluß, Bohrteufe etc.:
147
555.4-555.5
148
~557.2
149
557.8-558.0
150
~559.0-559.1
151
551.0-551.2
152
~566.5-556.7
153
567.7-568.0
154
569.5-569.7
155
569.8-570.0
156
570.3-570.4
156a
570.3-570.4
Beerwalde (7067/79)
160
~379.0-379.1
161
~386
162
~409
163
427.2-427.4
164
428.25-428.4
165
428.8-429.0
166
546.0-546.3
167
~558
168
~577
Baldenhain S (6152/78)
169
~744
170
~761
171
~790
172
~797
173
~790/797
174
~797
175
~825
176
840.8-841.0
177
845.5-845.6
178
~851
179
~877
180
~878
181
~879
182
~884
183
895.60-895.85
184
895.85-896.20
185
896.20-896.50
186
896.50-896.75
Baldenhain (4237/75)
187
~480
188
~480
189
~490
190
493.7-493.9
191
494.4-494.5
192
494.9-495.25
193
496.3-496.5
194
498.2-498.4
195
498.4-498.6
196
499.5-499.6
197
499.6-499.75
IV
Probenbeschreibung:
wie 146
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Ockerkalk
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Alaunschiefer mit Pyrit, Karbonat?
wie 154
Kieselschiefer
wie 156, Kluftbelag
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Kieselschiefer, rötliche Färbung
Lederschiefer, dunkel
Lederschiefer, dunkel, mit Pyrit
Lederschiefer, dunkel, mit Pyrit
Lederschiefer, dunkel, roter Kluftbelag
Lederschiefer, dunkel, roter Kluftbelag
Lederschiefer, dunkel
Diabas, hellgrau
Kieselschiefer, Gangquarz
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Kieselschiefer, Gangquarz
Lederschiefer, Pyrit
Lederschiefer, Gangquarz
Lederschiefer
Lederschiefer
Lederschiefer, rote Kluftfüllung, Bleichungshöfe
Lederschiefer
Lederschiefer, rötlich
Lederschiefer
Lederschiefer
Lederschiefer
Lederschiefer
Lederschiefer
Kieselschiefer, Alaunschiefer
Kieselschiefer, Quarztrümer
Kieselschiefer
Kieselschiefer, Pyrit
Kieselschiefer, Pyrit
Kieselschiefer, Pyrit
Kieselschiefer, Pyrit
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Kieselschiefer
Anhang A1 (Fortsetzung):
Probenübersicht mit Bezeichnung (Pr.-Nr.) und Erläuterungen
Proben-Nr.
Aufschluß, Bohrteufe etc.:
Probenbeschreibung:
WISMUT-Rammungen Gessental, 11.8.2000
RKS 109
205-1
2.7-3 m
Bachsediment, Sand
205-2
3-4 m
Bachsediment, Sand
205-3
4-5 m
Alaunschieferbruchstücke, anstehend?
205-4
~5.3 m
Alaunschieferbruchstücke, anstehend?
205-5
~5.3 m
Alaunschieferbruchstücke, Limonit
RKS 111
206-1
3.1-4 m
Bachsediment, Kies
206-2
4-5 m
Alaunschieferbruchstücke, anstehend?
206-3
~5.6 m
Alaunschieferbruchstücke, anstehend?, Limonit
WISMUT-Rammungen Gessental, 14.8.2000
RKS 112
207-1
2-3 m
Alaunschieferbruchstücke, weich
207-2
3.5-4 m
Alaunschieferbruchstücke
RKS 113
208
4.7 m
Alaunschieferbruchstücke, weich
RKS 114
209-1
~2.3 m
Bachsediment, Sand
209-2
~3 m
Bachsediment, Sand, Kies
209-3
~4.7 m
Alaunschieferbruchstücke, anstehend?, Limonit
Hohenleuben, Burg Reichenfels, 16.11.2000
210
Stbr Diabas,Og3
Lederschiefer
Hohenleuben, Weinbergbruch, 23.11.2000
211-1a
weiß
211-1b
gelb
Bleichungszone:
Alaunschieferpolyeder, N-Wand
211-1c
graubraun
~ 1.5 cm
211-1d
braunschwrz
211-1e
schwarz
211-2
N-Wand
schwarzes Polyederzentrum
211-3
N-Wand
hellviolett
211-4
N-Wand
violett, krustiert
211-5
N-Wand
SS-senkr. Bleichung
211-6
N-Wand
schwarzer Kern, heller Rand
211-7
N-Wand
Alaunschiefer, stark verkieselt
212
SE-Wand
Kieselschiefer, gelblicher, sehr dünner Belag
Schmiedefeld, Grube „Morassina“, 24.11.2000
213
Wismut-Halde, ca. 50 a alt
Alaunschiefer (S1)-Haldenmaterial, grau
Gessental, 11.1.2001
220-1a
Schurf N-Seite, westlich 220-2
Kies
220-2a
Schurf N-Seite, östlich 220-1
Kies, matrixreich
220-2b
Schurf N-Seite, östlich 220-1
pelitische Zwischenlage, hell
220-2c
Schurf N-Seite, östlich 220-1
Kies, matrixreich
220-3
Bhrg. 1125/00
7.0-8.0m, Alaunschiefer, krustiert (rotbraun)
Bergaer Sattel, 8.2.2001, Döhlen, am Diabasbruch
221
Westteil Stbr.
Alaunschiefer (S3), bleich
222
Ostteil Stbr.
Alaunschiefer, dunkelgrau
Bergaer Sattel, 08.02.2001, Hohenleuben, Weinbergbruch
223
Südbereich
Rinnenfüllung, umgelagerter, bleicher Alaunschiefer
224-1
Südbereich
Alaunschiefer, gebleicht
224-2
Südbereich
Alaunschiefer, ungebleicht
Bergaer Sattel, 08.02.2001, Gräfenwarth, Eisenbahnstrecke a.d. Steinernen Rose
225 (a)
Südhang
Alaunschiefer, schwarz, Graptolithen
225 (b) -b1
Südhang
Alaunschiefer, viel Kruste
225 (b) -b2
Südhang
Alaunschiefer, leicht umkrustet
V
Anhang A1 (Fortsetzung):
Probenübersicht mit Bezeichnung (Pr.-Nr.) und Erläuterungen
Proben-Nr.
Aufschluß, Bohrteufe etc.:
Probenbeschreibung:
Schwarzburger Sattel, 08.02.2001, Gammigbachtal, Oberloquitz
226
Unterweg
Ockerkalk
227
Unterweg
Alaunschieferpolyeder, randlich gebleicht
Schwarzburger Sattel, 12.02.2001, Creunitz
228
Aufschluß am Hohlweg
Alaunschiefer, gebleicht
229
liegend zu 228
Alaunschiefer, ungebleicht
229z1
Zone hellgrau
Alaunschiefer
229z2
Zone grau
Alaunschiefer
229z3
Zone schwarz
Alaunschiefer
Bergaer Sattel, 05.03.2001, Hohenleuben, Weinbergbruch
230
Alaunschiefer, ungebleicht
231
Alaunschiefer, gebleicht
nördlicher Steinbruchbereich
232
Kieselschiefer, ungebleicht
233
Kieselschiefer, gebleicht
240-1
Alaunschiefer, hellbraungrau
Alaunschiefer-Polyeder,
240a-2
Alaunschiefer, braungrau
randlich gebleicht
240-3
Alaunschiefer, dunkelbraungrau
240a-4
Alaunschiefer, schwarz
Bergaer Sattel, 1.11.2001 Waldfrieden, Steinbruch
245-1
Pelit, hell
245-2
Pelit, schwarz
246
Kruste, rot
247
Kruste, ocker
Schwarzburger Sattel, Schmiedefeld, Grube „Morassina“
248
erste, älteste Halde
grauschwarzer Alaunschiefer
249
dritte Halde
grauschwarzer Alaunschiefer
250
Halde zu Schurf 7
grauschwarzer Alaunschiefer
251
Oberflächenaufschluß an der Straße
Alaunschieferpolyeder, randlich gebleicht
252
Laugenbühne ~ 1860
angelaugte Alaunschieferbruchstücke
253
schwarzer, plastisch verformbarer Pelit
Untertageproben
254
„Schwarze Kreide“
255
schwarzer, plastisch verformbarer Pelit
VI
Anhang A2:
Röntgendiffraktometrie an Pulverproben: Gesamtgesteinsanalysen von Alaunschiefer
aus Creunitz sowie Alaun- und Kieselschiefer von Hohenleuben
VII
Anhang A2 (Fortsetzung):
Röntgendiffraktometrie an der Tonfraktion des Matrixmaterial der quartären GessentalSedimente (Bachschotter, Auesediment)
VIII
Anhang A3: γ-spektrometrische Konzentrationen von K [Gew. %], U [ppm], Th [ppm]
Profil 1: Hohenleuben, Nordwand, West-Profil
Meßpunkt
K %
U ppm
Th ppm
1
1,52
25,47
2,81
2
1,02
25,24
7,46
3
1,05
26,32
3,56
4
0,44
30,09
4,64
5
1,15
29,57
3,27
6
1,27
30,44
5,04
7
0,57
33,42
5,83
8
1,71
34,56
5,95
9
0,87
34,36
4,52
10
1,20
34,77
5,43
11
1,23
35,61
6,65
12
1,31
39,63
5,97
13
1,00
42,39
7,07
14
1,50
61,54
5,21
15
1,57
62,06
6,36
16
1,38
56,72
4,82
17
1,29
61,44
5,83
18
1,03
60,49
5,32
Profil 2: Hohenleuben, Nordwand, Ost-Profil
Meßpunkt
K %
U ppm
Th ppm
1
1,20
37,21
4,02
2
1,66
38,87
5,67
3
1,61
38,21
5,38
4
1,52
40,54
4,14
5
1,06
53,17
5,89
6
1,63
49,06
4,66
7
0,99
48,98
3,46
8
1,09
50,70
4,32
9
0,99
47,59
4,76
10
1,14
50,38
5,37
11
1,44
52,23
4,62
12
0,99
53,25
6,67
13
1,34
58,41
8,98
14
1,51
52,63
5,94
15
1,32
56,16
6,50
16
1,38
59,98
3,99
Kieselschiefer, schwarz
Meßpunkt
K %
U ppm
Th ppm
1
0,65
14,08
4,46
2
0,65
16,37
3,09
3
0,67
14,48
5,91
4
0,84
11,40
3,65
5
0,53
12,88
3,40
6
0,39
13,54
2,14
7
0,63
12,83
5,57
8
0,57
13,04
5,20
9
0,62
14,57
3,93
IX
Anhang A4: Haupt- und Spurenelementanalysen (RFA)
Lokalität:
Gessental
Kieselschiefersteinbruch Auberg
Erläuterung:
Alaunschiefer, schwarz rotgrau rot dkl.rot schw. weiß
Probe:
207-1 207-2 208 209-3 121-1 121-2 121-3 121-4 121-5
Hauptelemente ohne LOI [Gew. %]:
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
SO3
76,08 76,44 56,90 89,60
0,56 0,66 1,47 0,27
14,16 12,71 27,35 6,10
4,68 4,19 2,29 1,09
0,04 0,00 0,01 0,00
1,35 1,25 2,27 0,65
0,15 0,43 0,34 0,09
0,54 0,06 0,09 0,05
2,24 2,96 7,85 1,58
0,10 0,37 0,11 0,24
0,01 0,03 0,07 0,02
96,04
0,07
2,46
0,67
0,00
0,01
0,03
0,03
0,01
0,11
0,03
98,58 96,39
0,03 0,07
0,28 1,88
0,97 0,22
0,00 0,00
0,01 0,01
0,02 0,02
0,03 0,03
0,01 0,01
0,01 0,14
0,02 0,03
95,44
0,03
0,48
2,78
0,00
0,02
0,01
0,03
0,01
0,02
0,01
97,02
0,03
0,76
0,06
0,00
0,02
0,02
0,02
0,01
0,05
0,03
95,07
0,07
2,44
0,66
0,00
0,01
0,03
0,03
0,01
0,11
0,03
98,43 95,59
0,03 0,07
0,28 1,86
0,97 0,22
0,00 0,00
0,01 0,01
0,02 0,02
0,03 0,03
0,01 0,01
0,01 0,14
0,02 0,03
95,18
0,03
0,48
2,77
0,00
0,02
0,01
0,03
0,01
0,02
0,01
96,66
0,03
0,76
0,06
0,00
0,02
0,02
0,02
0,01
0,05
0,03
98,56
0,05
0,27
1,12
97,66
0,09
0,37
1,89
14
81
8
<10
<10
25
211
8
6
<5
<5
<1
2
10
22
39
5
69
4
<5
6
22
2
25
111
3
<10
179
14
12
<5
14
6
<5
2
2
10
24
<1
<3
452
5
<5
<5
23
3
Hauptelemente incl. LOI [Gew. %]:
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
SO3
73,13 64,10 44,63 81,48
0,54 0,55 1,15 0,25
13,61 10,66 21,45 5,55
4,50 3,51 1,80 0,99
0,04 0,00 0,01 0,00
1,30 1,05 1,78 0,59
0,14 0,36 0,27 0,08
0,52 0,05 0,07 0,05
2,15 2,48 6,16 1,44
0,10 0,31 0,09 0,22
0,01 0,03 0,05 0,02
Bilanz: Hauptelemente, Spurenelemente, Glühverlust:
HE [%]
SE [%]
LOI
Diff.
96,03 83,11 77,45 90,66
0,21 0,64 1,04 0,91
3,88 16,14 21,57 9,06
-0,12 0,26 0,21 -0,60
98,46
0,20
1,01
0,34
99,81 97,98
0,03 0,26
0,15 0,83
0,01 0,94
Spurenelemente [ppm]:
As
Ba
Pb
Cl
S
Cr
V
Zn
Cu
Co
Ni
Ga
Sc
La
Ce
Mo
Rb
Sr
Y
Th
U
Zr
Nb
X
12
1207
7
<10
60
72
125
69
34
12
63
15
11
22
28
4
94
92
21
8
7
92
13
40
926
57
108
3093
234
815
79
157
8
75
22
12
32
52
56
98
155
62
11
55
212
13
37
1148
97
59
7524
113
248
141
160
<5
75
53
16
21
32
23
223
62
38
17
14
259
24
96
436
23
140
6508
117
1231
32
80
5
35
12
6
22
37
41
52
79
66
<5
20
77
6
53
227
4
<10
536
34
43
6
19
<5
<5
4
3
12
25
5
<3
962
11
<5
<5
36
2
8
74
4
<10
<10
69
33
<5
5
<5
<5
<1
2
7
19
5
5
54
2
<5
6
15
3
72
280
6
<10
783
62
47
<5
22
<5
<5
4
3
29
53
2
<3
1214
10
<5
7
49
2
Anhang A4 (Fortsetzung): Haupt- und Spurenelementanalysen
Lok.:
Hohenleuben, Nordwand, S1
Erl.: bleich bleich, Kr.
schwarz
Probe: 211-3 211-4 (231)
211-6 (230)
Hlb, E Hohenleuben, Süd: S1
WISMUT-Bohrungen
KS
bleich schw. Schutt Weißb. Drosen Drosen Bald.
212
224-1 224-2
223
133
137
154
187
Hauptelemente ohne LOI [Gew. %]:
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
SO3
85,27 84,00 93,27 93,24
0,28
0,31 0,21 0,20
6,15
6,77 3,90 3,86
5,08
5,64 0,77 0,69
0,00
0,01 0,00 0,00
0,58
0,58 0,39 0,38
0,14
0,45 0,20 0,26
0,04
0,03 0,04 0,04
1,65
1,69 1,08 1,06
0,15
0,20 0,05 0,05
0,01
0,02 0,01 0,01
92,2
0,22
4,19
0,95
0
0,4
0,24
0,05
1,14
0,07
0,02
92,44
0,41
5,03
0,28
0
0,37
0,06
0,07
1,16
0,03
0,01
88,31
0,37
6,42
1,63
0
0,57
0,06
0,03
1,72
0,08
0,01
91,48
0,34
5,13
0,67
0
0,41
0,02
0,04
1,16
0,03
0,01
57,55
5,98
18,24
11,17
0,01
3,41
0,39
0,04
1,13
0,34
0,01
77,18
0,40
13,93
2,66
0,01
1,37
0,31
0,19
3,29
0,08
0,02
51,06
0,44
10,71
5,44
0,28
9,71
16,72
0,19
2,87
1,59
0,26
72,49
0,67
13,77
4,75
0,02
2,2
0,71
0,12
3,82
0,23
0,11
62,47
0,34
6,91
2,57
0,21
9,45
14,69
0,32
2
0,49
0,31
82,76 79,42 90,98 82,52 77,29 68,76
0,27
0,29 0,20 0,18 0,18 0,30
5,97
6,40 3,80 3,42 3,51 3,74
4,93
5,33 0,75 0,61 0,80 0,21
0,00
0,01 0,00 0,00 0,00 0,00
0,56
0,55 0,38 0,34 0,34 0,28
0,14
0,43 0,20 0,23 0,20 0,04
0,04
0,03 0,04 0,04 0,04 0,05
1,60
1,60 1,05 0,94 0,96 0,86
0,15
0,19 0,05 0,04 0,06 0,02
0,01
0,02 0,01 0,01 0,02 0,01
86,46
0,36
6,29
1,60
0,00
0,56
0,06
0,03
1,68
0,08
0,01
78,55
0,29
4,41
0,58
0,00
0,35
0,02
0,03
1,00
0,03
0,01
51,84
5,39
16,43
10,06
0,01
3,07
0,35
0,04
1,02
0,31
0,01
74,38
0,39
13,42
2,56
0,01
1,32
0,30
0,18
3,17
0,08
0,02
39,89
0,34
8,37
4,25
0,22
7,59
13,06
0,15
2,24
1,24
0,20
53,20
0,49
10,11
3,49
0,01
1,61
0,52
0,09
2,80
0,17
0,08
45,89
0,25
5,08
1,89
0,15
6,94
10,79
0,24
1,47
0,36
0,23
97,12
0,22
2,1
0,58
85,26
0,58
14,13
0,13
88,52
0,56
9,92
1,17
95,83
0,11
3,63
0,45
77,55
0,49
21,88
0,24
72,58
1,70
26,61
-0,59
73,28
0,48
26,54
-0,24
19
741
28
<10
<10
48
782
11
56
<5
36
18
9
21
32
42
62
18
97
6
24
118
12
19
574
36
163
3437
129
955
10
10
5
57
11
7
24
42
75
48
3
91
<5
19
97
10
4
2770
15
14
<10
817
625
214
69
10
519
30
36
<5
<5
5
18
34
36
<5
16
376
38
35
220
11
64
22
38
59
38
23
8
68
17
9
19
39
4
160
110
27
<5
8
146
12
25
2810
6
554
593
92
249
79
9
14
62
12
12
10
<5
6
90
130
45
5
18
84
8
26
1288
18
402
12377
84
1155
213
544
13
249
22
12
33
44
84
107
12
83
8
22
149
14
5
124
4
1452
1840
45
747
66
61
6
103
13
8
16
36
6
63
68
67
<5
20
78
8
Hauptelemente incl. LOI [Gew. %]:
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
SO3
Bilanz: Hauptelemente, Spurenelemente, Glühverlust:
HE [%]
SE [%]
LOI
Diff.
96,43 94,27 97,46 88,31 83,39 74,28
0,37
0,44 0,24 0,30 0,37 0,61
2,94
5,45 2,46 11,50 16,2 25,62
0,28 -0,14 -0,16 -0,09 0,13 -0,47
Spurenelemente [ppm]:
As
Ba
Pb
Cl
S
Cr
V
Zn
Cu
Co
Ni
Ga
Sc
La
Ce
Mo
Rb
Sr
Y
Th
U
Zr
Nb
66
1047
42
<10
52
144
1222
35
357
7
132
13
8
44
63
24
62
8
236
5
36
86
10
77
1276
33
<10
152
122
1496
53
520
25
123
13
7
22
16
62
63
30
117
5
61
89
8
12
660
20
<10
37
56
1062
15
169
<5
32
10
5
19
26
12
44
28
102
<5
32
62
6
11
567
27
<10
1034
40
894
23
112
5
72
8
4
14
20
13
38
26
62
<5
15
48
5
14
537
32
<10
1518
51
943
27
166
6
83
9
6
18
29
18
40
40
76
<5
28
56
5
11
372
23
273
4435
33
441
<5
9
5
100
15
6
17
37
66
44
6
86
<5
26
112
12
XI
Anhang A4 (Fortsetzung): Haupt- und Spurenelementanalysen
Lokation:
Erläuterung:
Probe:
Gammigtal Creunitz, S3
St. Rose, S3
Schmf. Gräf.
S2 S3, bl. bleich schw. schw, Kr. viel Kr.
S1
S2/3
226 129c
228
229
225-b2 225-b1 213
131
Hlb.
Og3
210
Mdf.
122
Hauptelemente ohne LOI [Gew. %]:
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
SO3
14,86 72,11
0,17 0,65
3,62 17,45
1,27 3,38
0,07 0,00
1,09 0,52
73,25 0,42
0,06 0,29
0,81 3,88
0,08 0,16
0,1
0,07
75,02
0,71
17,69
0,46
0
0,55
0,07
0,18
3,8
0,03
0,01
75,98
0,68
16,95
0,68
0
0,54
0,1
0,18
3,59
0,13
0,01
73,07
0,7
14,93
2,6
0,01
1,5
0,43
0,55
4,67
0,29
0,01
67,92
0,61
15,15
0,61
0,00
0,48
0,09
0,16
3,21
0,12
0,01
64,05
0,61
13,09
2,28
0,01
1,31
0,38
0,48
4,09
0,25
0,01
27,6
4,7
73,36 39,91 63,34 68,6
1,04
1,26 0,94
0,96
19,92 25,30 19,67 18,48
0,69 22,51 8,24
5,82
0,00
0,11 0,09
0,01
0,65
3,58 2,58
1,56
0,02
2,24 0,28
0,08
0,10
0,73 1,15
0,64
3,12
3,63 3,47
3,16
0,03
0,11 0,21
0,1
0,01
0,01 0,03
0,03
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
SO3
9,22 68,49
0,11 0,62
2,25 16,57
0,79 3,21
0,04 0,00
0,68 0,49
45,47 0,40
0,04 0,28
0,50 3,69
0,05 0,15
0,06 0,07
Schmelzling nicht herstellbar
Hauptelemente incl. LOI [Gew. %]:
72,19
0,68
17,02
0,44
0,00
0,53
0,07
0,17
3,66
0,03
0,01
69,35 36,84 60,95 65,69
0,98
1,16 0,90
0,92
18,83 23,35 18,93 17,70
0,65 20,78 7,93
5,57
0,00
0,10 0,09
0,01
0,61
3,30 2,48
1,49
0,02
2,07 0,27
0,08
0,09
0,67 1,11
0,61
2,95
3,35 3,34
3,03
0,03
0,10 0,20
0,10
0,01
0,01 0,03
0,03
94,81
0,36
3,77
1,12
88,35
0,31
10,61
0,85
86,56
0,54
12,35
0,70
1,06
10,32
93,53 91,74 96,22 95,22
0,30
0,48 0,21
0,15
5,47
7,70 3,78
4,24
0,76
0,13 -0,21 0,41
7
1499
23
30
183
103
1206
10
8
<5
17
24
11
28
34
10
157
39
26
5
13
129
17
42
1267
17
18
780
59
390
24
<5
<5
29
19
11
19
22
47
131
29
44
9
14
127
15
20
1702
28
<10
249
131
2288
113
163
<5
72
22
11
26
22
21
135
59
71
11
61
181
13
244
386
89
54
1277
360
5266
1115
866
<5
206
8
22
89
138
107
11
105
104
6
75
85
7
7
818
38
<10
1418
72
115
10
7
<5
19
26
12
15
24
3
123
36
29
12
9
186
20
Bilanz: Hauptelemente, Spurenelemente, Glühverlust:
HE [%]
SE [%]
LOI
Diff.
59,20 93,96
0,08 0,82
37,93 5,02
4,54 0,25
Spurenelemente [ppm]:
As
Ba
Pb
Cl
S
Cr
V
Zn
Cu
Co
Ni
Ga
Sc
La
Ce
Mo
Rb
Sr
Y
Th
U
Zr
Nb
XII
bld
289
4
bld
<10
21
21
14
19
6
<5
3
9
10
21
<1
20
311
17
<5
5
31
4
32
1741
38
383
4971
79
281
106
36
<5
17
22
14
19
16
45
147
52
32
12
17
107
13
39
3126
4
77
<10
198
325
212
58
27
88
29
34
75
69
5
138
91
32
17
7
169
24
8
1041
13
<10
<10
98
147
133
31
12
46
24
16
36
68
<1
140
56
38
15
8
179
21
5
450
5
<10
<10
112
157
62
71
6
45
22
13
18
36
2
141
133
28
13
8
151
18
121-1
S1-KS, Auberg
0,01
0,01
0,01
0,00
0,00
0,00
121-2
S1-KS, Auberg
0,01
0,01
0,01
0,00
0,00
0,00
121-3
S1-KS, Auberg
0,01
0,01
0,01
0,00
0,00
0,00
121-4
S1-KS, Auberg
0,01
0,01
0,01
0,00
0,00
0,00
121-5
S1-KS, Auberg
0,01
0,01
0,01
0,00
0,00
0,00
122
Tonschiefer, Mennsdf.
0,70
0,70
0,70
0,08
0,08
0,09
128
S3-AS-grau, Kr., Gammig
1,35
1,34
1,35
0,40
0,40
0,40
129c
S3-AS-bleich, Jar., Gammig
0,20
0,20
0,20
0,43
0,43
0,43
131
S2/3-AS-braun, Gräfenw.
0,26
0,26
0,27
0,10
0,11
0,10
133
S1-AS, Kr., Weißb. Mulde
0,17
0,17
0,17
0,04
0,05
0,03
7,72
7,74
7,70
0,17
0,16
0,16
12,89 12,89 12,89
0,18
0,17
0,18
S [ppm]
N-Einzelwerte
[Gew. %]
N [Gew. %]
C-Einzelwerte
[Gew. %]
C Gew. [%]
Lithologie,
Herkunft
Proben-Nummer
Anhang A5:
Kohlenstoff-, Stickstoff-, Schwefel-Elementaranalysen
137
S1, AS, kalkreich, Drosen
187
S1, AS, CaCO3, Baldenh.
207-1
S1?, AS-schwarz, Gess.
0,07
0,07
0,07
207-2
S1?, AS-schwarz, Gess.
11,21 11,62 10,96 11,05
0,43
0,41
0,44
0,44
208
S1?, AS-schwarz, Gess.
15,22 15,71 14,35 15,62
0,49
0,50
0,47
0,51
209-3
S1?, AS-schw., Kr., Gess.
6,14
6,13
6,15
0,27
0,27
0,27
210
Og3, Burg Reichenfels
0,23
0,23
0,23
0,06
0,06
0,05
211-4
S1-AS-hellvio., Kr., Hlb. N
1,25
1,65
1,66
0,14
0,16
0,17
213
S1-AS-grau, Halde Schf.
0,50
0,50
0,50
0,15
0,15
0,15
223
Verwitt.schutt, Hlb., S
0,48
0,05
0,05
224-1
S1-AS-bleich, Hlb., S
0,24
0,24
0,24
224-2
S1-AS-schw., Hlb., S
6,43
6,31
6,34
225b
S3-AS-schw., Kr., St. R.
8,13
7,51
7,78
225b1
S3-AS-schw., Kr., St. R.
1,04
1,03
1,03
226
S2-Ockerkalk, Gammig
228
S3-AS-bleich, Creunitz
0,22
0,22
0,23
229
S3-AS-schwarz, Creunitz
6,48
6,50
6,45
230
S1-AS-schw., Hlb. N (211-2,6)
10,28
0,57
0,60
0,60
0,59
0,85
0,85
0,05
0,11
0,11
0,01
0,01
0,01
0,15
0,15
0,15
6,67
0,16
0,14
0,15
0,17
1110
9,09
0,15
0,14
0,14
0,16
196
1,04
0,02
0,02
0,01
0,02
0,04
0,03
0,04
0,04
0,22
0,46
0,46
0,46
0,46
6,49
0,40
0,43
0,39
0,39
8,71
8,72 11,83 11,87
0,18
0,16
0,16
0,21
0,57
0,57
0,12
0,12
0,12
23,01 22,97 23,05
0,34
0,32
0,36
10,53 10,58 10,53 10,54 10,48
0,01
<8
<8
<8
0,04
<8
80,1
566
0,19
231
S1-AS-bleich, Hlb. N (211-3)
232
S1-KS-schwarz, Hlb. N (212)
240a1
S1-AS-Zone: bleich, Hlb. N
1,35
1,35
1,34
0,16
0,16
0,16
240a2
S1-AS-Zone: braun, Hlb. N
1,55
1,55
1,55
0,16
0,16
0,16
284
240a3
S1-AS-Zone: braun, Hlb,N
2,42
2,43
2,42
0,18
0,18
0,18
343
240a4
S1-AS-Zone: schw., Hlb. N
8,09
8,06
8,11
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0,23
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261
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S: Messung mit ICP-OES
XIII
Anhang A6: Spurenelementanalyse der Lösungsfracht von Probe 255
Run Label
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3
4
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Cal 1
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Cal 2
Cal 2
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Cal 3
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Cal 4
Cal 4
Cal 4
Cal 4
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Cal 5
Cal 5
Cal 5
Cal 5
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Probe 255
Probe 255
Probe 255
Probe 255
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18,97
19,18
18,83
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1,734
XIV
Anhang A6 (Fortsetzung): Spurenelementanalyse der Lösungsfracht von Probe 255
Label
65Cu
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88Sr
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ppb
ppb
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ppb
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Cal 1
Cal 1
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Cal 2
Cal 2
Cal 2
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Cal 3
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Cal 4
Cal 4
Cal 4
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Cal 5
Cal 5
Cal 5
Cal 5
Mean of Cal 5
SD of Cal 5
%RSD of Cal 5
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258
255,8
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Probe 255
Probe 255
Probe 255
Probe 255
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XV
Anhang A6 (Fortsetzung): Spurenelementanalyse der Lösungsfracht von Probe 255
Run Label
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2
3
4
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Cal 2
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Cal 4
Cal 4
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Probe 255
Probe 255
Probe 255
Probe 255
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XVI
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Cal 2
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Cal 4
Cal 4
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4,714
0,01
0,22
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4,721
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0,679
4,741
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4,737
4,711
4,728
0,013
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4,721
4,755
4,748
4,716
4,735
0,019
0,405
4,686
4,789
4,715
4,743
4,733
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4,709
4,771
4,68
4,738
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4,747
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4,746
4,717
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1,343
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0,008
0,008
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1
2
3
4
Cal 5
Cal 5
Cal 5
Cal 5
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SD of Cal 5
%RSD of Cal 5
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10,15
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1
2
3
4
Probe 255
Probe 255
Probe 255
Probe 255
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0
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-0,001
0
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0
0
0,002
457,8
XVII
Anhang A6 (Fortsetzung): Spurenelementanalyse der Lösungsfracht von Probe 255
Run Label
XVIII
179Hf
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208Pb 232Th 238U
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ppb
ppb
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3
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Blank
Blank
Blank
Blank
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0
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0
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Cal 1
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Cal 1
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3
4
Cal 2
Cal 2
Cal 2
Cal 2
Mean of Cal 2
SD of Cal 2
%RSD of Cal 2
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1,081
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4,761
4,744
4,738
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1
2
3
4
Cal 3
Cal 3
Cal 3
Cal 3
Mean of Cal 3
SD of Cal 3
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2
3
4
Cal 4
Cal 4
Cal 4
Cal 4
Mean of Cal 4
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1,247
1
2
3
4
Cal 5
Cal 5
Cal 5
Cal 5
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%RSD of Cal 5
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251
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260,6
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1
2
3
4
Probe 255
Probe 255
Probe 255
Probe 255
Mean of 255
SD of 255
%RSD of 255
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-0,002
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1,592
1,594
1,589
1,591
0,003
0,168
0,023
0,023
0,012
0,011
0,017
0,007
38,79
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 129, Profil 3
t [ms]
27Al
29Si
31P
34S
44Ca
57Fe
0
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535
734
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1215
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1746
1894
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2575
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2914
3140
3255
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3595
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3975
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5826
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6165
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8736
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40658
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41159
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12205
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396939
XIX
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 129, Profil 3
t [ms]
27Al
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Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 129, Profil 3
t [ms]
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XXI
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 129, Profil 3
t [ms]
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Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 129, Profil 3
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XXIII
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 129, Profil 3
t [ms]
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Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 129, Profil 3
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Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 129, Profil 3
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XXVII
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 140, Profil 1
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26124
XXVIII
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 140, Profil 1
t [ms]
27Al
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XXIX
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 140, Profil 1
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XXX
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 140, Profil 1
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XXXIII
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 140, Profil 1
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XXXIV
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 140, Profil 1
t [ms]
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XXXVII
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 140, Profil 1
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XXXVIII
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 140, Profil 1
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Parameter der Laser-Ablation:
Laserenergie: 1.2 mJ
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Kraterdurchmesser: 50 µm
Vorschub: 35 µm/s
Profillänge: 4239 µm (121 s), davor und danach Grundrauschen;
das Profil gliedert sich in die Abschnitte:
1889 µm (54 s) ungebleichter Bereich,
1345 µm (38 s) gebleichter Bereich,
265 µm (7.5 s) Gang und 830 µm (23.7 s) gebleicht
XXXIX
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 187, Profil 2
t [ms
24Mg
27Al
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45974
45472
35544
32236
49084
22418
18412
17010
18212
15008
13306
10304
11304
11705
13206
14107
21516
27727
30032
30432
20915
21917
18212
13907
15108
14507
55006
56311
52597
43265
42062
46676
47579
42664
33038
44569
24822
27126
27627
24922
19613
16510
15609
12405
9003
7802
5301
4501
4601
2000
1000
400
800
1100
1700
200
200
300
8402
4701
6201
3700
3901
5901
7502
6602
3700
6401
3600
5601
7702
4901
5101
5201
13707
18712
20615
17310
12606
16910
12205
11705
8402
4601
6501
5401
5101
4901
4501
4201
4501
4301
7902
5101
9303
8603
8803
9903
6001
6401
4301
6702
6301
15909
19814
16309
18011
14307
16910
15208
13206
11605
9403
9103
6802
6501
6201
6802
6602
3000
4201
1900
2900
2400
900
500
800
600
500
300
500
400
200
100
100
XLIII
Anhang A6 (Fortsetzung): Laserablation an ICP-MS, Probe 187, Profil 2
t [ms
24Mg
27Al
29Si
138517
138957
139397
139837
140279
140758
141201
141637
142078
142517
142959
143397
143878
144317
144760
145198
145638
146078
146518
146958
147440
147878
148320
32236
46475
24621
20815
21917
20615
19914
16009
22818
14708
13506
15008
13406
15609
16009
13907
14407
14207
12606
17010
14808
13406
13907
35544
26424
29130
27627
27927
25623
23920
24020
26525
29831
21516
23119
23019
25623
24120
21716
22418
24020
24321
23820
22017
25823
25723
3300
3700
3700
4201
3300
2800
2600
4201
1700
2400
3500
2000
2000
2400
2700
2800
2000
3400
2500
2500
2200
2800
1100
31P 33S
300
800
800
700
600
600
500
800
700
200
1100
600
500
600
1000
400
700
600
500
500
400
300
400
400
400
200
400
400
200
500
200
100
300
200
500
200
400
100
100
400
500
300
300
500
300
400
44Ca
56Fe
9303
10804
9203
6101
6501
5001
3100
4301
4701
4001
3200
4701
5201
4801
4401
3700
5401
3901
4001
3400
3300
5301
4301
81230
85153
55407
51493
39956
42062
35845
34642
29330
29430
32036
27727
28528
26725
28027
26424
23920
28629
25322
23119
27426
26224
24321
90Zr 137Ba
200
200
300
100
200
100
0
100
100
0
100
100
0
0
0
0
0
0
200
200
0
0
0
Parameter der Laser-Ablation:
Laserenergie: 0.9 mJ
Ablationsfrequenz: 20 Hz
Kraterdurchmesser: 50 µm
Vorschub: 35 µm/s
Profillänge: 3905 µm (112 s), davor und danach Grundrauschen
XLIV
200
300
500
200
100
100
0
0
0
0
0
0
0
100
0
200
0
100
0
200
100
100
0
139La
140Ce
1000
400
300
0
100
100
0
200
0
100
0
0
0
300
0
0
0
0
100
0
0
0
0
1200
900
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500
200
200
700
300
200
400
100
100
100
0
0
0
0
0
0
0
200
0
0
141Pr 145Nd
100
100
0
100
200
0
100
0
0
0
100
0
0
0
100
0
100
0
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0
0
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200
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200
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0
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0
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0
0
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0
0
0
0
0
0
0
Anhang A7: Element-Flächenscans mit der Mikrosonde
XLV
Anhang A7 (Fortsetzung): Element-Flächenscans mit der Mikrosonde
XLVI
Anhang A7 (Fortsetzung): Element-Flächenscans mit der Mikrosonde
XLVII
Anhang A7 (Fortsetzung): Element-Flächenscans mit der Mikrosonde
XLVIII
Anhang A7 (Fortsetzung): Element-Flächenscans mit der Mikrosonde
XLIX
Anhang A7 (Fortsetzung): Element-Flächenscans mit der Mikrosonde
L
Anhang A8: Geometrische Oberfläche von Gesteinspolyedern
a, b, c: Kantenlängen der annähernd quaderförmigen
Polyeder [cm]
3
V [cm ]: Volumen der Polyeder
2
A [cm ]: Pberfläche der Quader
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
Kieselschiefer, schwarz
a
b
c
V
A
4,6 1,6 0,2
1,5 17,2
1,8 2,6 0,2
0,9 11,1
3,3 1,7 0,4
2,2 15,2
7,9 4,5 0,4 14,2 81,0
6,2 5,8 0,2
7,2 76,7
5,9 2,5 0,4
5,9 36,2
3,4 2,0 0,3
2,0 16,8
5,5 4,1 1,6 36,1 75,8
3,6 2,5 0,5
4,5 24,1
4,3 3,4 0,3
4,4 33,9
1,8 1,5 0,3
0,8
7,4
4,2 2,6 0,7
7,6 31,4
3,6 2,8 0,4
4,0 25,3
2,6 1,8 0,2
0,9 11,1
7,8 4,0 0,3
9,4 69,5
9,2 6,1 0,5 28,1 127,5
6,4 3,5 0,8 17,9 60,6
4,0 3,1 0,2
2,5 27,6
6,0 3,2 0,5
9,6 47,6
4,5 1,8 0,5
4,1 22,5
3,5 2,3 0,3
2,4 19,6
6,3 4,5 0,9 25,5 76,1
3,7 2,4 0,3
2,7 21,4
3,6 2,5 0,2
1,8 20,4
2,7 1,3 0,2
0,7
8,6
2,3 2,1 0,3
1,4 12,3
5,0 4,4 1,0 22,0 62,8
3,7 3,7 0,6
8,2 36,3
5,2 2,3 0,3
3,6 28,4
2,7 2,3 0,2
1,2 14,4
3,6 2,6 0,6
5,6 26,2
3,2 2,4 0,2
1,5 17,6
2,2 1,8 0,4
1,6 11,1
5,1 3,0 0,3
4,6 35,5
4,6 2,3 0,2
2,1 23,9
9,9 4,2 0,3 12,5 91,6
5,0 2,8 0,4
5,6 34,2
3,6 3,5 0,8 10,1 36,6
4,2 3,9 0,4
6,6 39,2
4,2 2,5 0,3
3,2 25,0
7,5 3,2 0,2
4,8 52,3
2,9 2,2 0,7
4,5 19,9
6,3 2,4 0,6
9,1 40,7
6,7 2,6 0,6 10,5 46,0
4,5 3,0 1,7 23,0 52,5
4,3 4,2 1,0 18,1 53,1
4,0 3,1 0,8
9,9 36,2
3,8 3,8 0,4
5,8 35,0
4,2 3,5 0,4
5,9 35,6
2,9 2,1 0,2
1,2 14,2
2,9 1,4 1,3
5,3 19,3
4,0 2,0 1,2
9,6 30,4
3,8 1,9 0,4
2,9 19,0
3,4 1,6 1,1
6,0 21,9
2,5 2,3 0,3
1,7 14,4
5,9 3,2 0,9 17,0 54,1
6,6 2,0 0,4
5,3 33,3
3,6 1,8 0,4
2,6 17,3
5,6 3,0 0,7 11,8 45,6
1,5 5,0 2,0 15,0 41,0
Alaunschiefer, schwarz
a
b
c
V
A
11,2 10,0 2,0 224,0 308,8
9,5 6,0 5,7 324,9 290,7
6,9 5,3 2,6 95,1 136,6
8,1 5,0 5,8 234,9 233,0
4,6 4,4 1,5 30,4 67,5
4,0 3,5 1,7 23,8 53,5
9,3 4,3 3,3 132,0 169,7
4,6 4,3 2,5 49,5 84,1
4,1 4,1 2,4 40,3 73,0
8,0 2,1 5,0 84,0 134,6
9,3 5,4 2,7 135,6 179,8
9,9 5,0 5,5 272,3 262,9
6,5 4,5 4,5 131,6 157,5
4,7 3,4 2,1 33,6 66,0
5,6 3,7 1,9 39,4 76,8
8,0 2,4 2,2 42,2 84,2
4,0 4,0 1,2 19,2 51,2
5,0 2,9 3,0 43,5 76,4
5,6 2,8 1,8 28,2 61,6
6,3 2,7 0,4
6,8 41,2
4,9 3,5 1,7 29,2 62,9
3,3 2,5 4,2 34,7 65,2
4,4 2,1 4,9 45,3 82,2
4,9 3,2 1,2 18,8 50,8
4,2 3,6 1,7 25,7 56,8
4,5 2,0 2,3 20,7 47,9
3,5 2,9 2,5 25,4 52,3
3,6 3,0 1,5 16,2 41,4
3,7 3,5 1,4 18,1 46,1
6,4 3,6 2,2 50,7 90,1
7,0 3,0 1,7 35,7 76,0
5,3 4,4 2,2 51,3 89,3
6,3 2,6 1,7 27,8 63,0
4,8 2,8 1,3 17,5 46,6
7,5 2,6 3,0 58,5 99,6
6,5 2,1 2,2 30,0 65,1
5,1 3,1 2,3 36,4 69,3
3,4 2,6 3,4 30,1 58,5
3,0 2,6 4,7 36,7 68,2
5,1 3,2 2,2 35,9 69,2
4,7 2,9 1,7 23,2 53,1
5,5 2,1 1,7 19,6 48,9
4,8 1,2 1,8 10,4 33,1
3,2 2,0 2,0 12,8 33,6
4,6 2,1 2,1 20,3 47,5
3,9 2,8 1,3 14,2 39,3
2,3 2,3 2,0 10,6 29,0
4,3 2,5 2,0 21,5 48,7
4,2 1,4 1,1
6,5 24,1
2,4 2,4 1,1
6,3 22,1
2,5 1,3 1,4
4,6 17,1
4,6 2,6 0,7
8,4 34,0
3,2 2,2 1,3
9,2 28,1
2,6 2,1 1,2
6,6 22,2
4,6 2,0 1,3 12,0 35,6
3,5 2,1 1,4 10,3 30,4
2,1 1,5 1,5
4,7 17,1
2,7 2,1 2,2 12,5 32,5
4,6 2,5 1,2 13,8 40,0
3,6 2,0 1,2
8,6 27,8
LI
Anhang A8 (Fortsetzung): Geometrische Oberfläche von Gesteinspolyedern
Kieselschiefer, schwarz
Nr.
a
b
c
V
A
61 2,5 2,2 0,3
1,7 13,8
62 3,6 3,2 0,9 10,4 35,3
63 3,4 2,1 0,3
2,1 17,6
64 4,3 2,3 0,4
4,0 25,1
65 4,1 2,2 1,5 13,5 36,9
66 5,5 2,9 1,2 19,1 52,1
67 4,4 3,0 0,5
6,6 33,8
68 4,8 3,0 0,4
5,8 35,0
69 7,6 1,2 1,8 16,4 49,9
70 4,6 4,4 0,3
6,1 45,9
71 4,9 2,3 0,2
2,3 25,4
72 5,3 5,1 0,2
5,4 58,2
73 3,7 3,3 0,5
6,1 31,4
74 3,6 1,7 0,1
0,6 13,3
75 4,0 2,0 1,0
8,0 28,0
76 7,9 6,4 2,4 121,3 169,8
77 9,1 7,6 1,8 124,5 198,4
78 6,9 3,7 1,6 40,8 85,0
79 5,9 5,6 1,9 62,8 109,8
80 11,4 4,1 1,3 60,8 133,8
81 4,2 3,4 0,3
4,3 33,1
82 2,4 2,3 0,5
2,8 15,7
83 1,9 3,4 1,2
7,8 25,6
84 4,7 3,7 0,8 13,9 48,2
85 3,4 2,6 0,3
2,7 21,3
86 7,0 5,5 2,2 84,7 132,0
87 13,2 10,0 1,2 158,4 319,7
88 4,2 3,6 0,8 12,1 42,7
89 3,7 3,0 0,9 10,0 34,3
90 4,9 2,4 1,1 12,9 39,6
91 4,0 2,5 0,5
5,0 26,5
92 5,2 2,7 0,4
5,6 34,4
93 11,1 8,5 1,2 113,2 235,7
94 5,8 3,8 0,2
4,4 47,9
95 4,2 3,1 0,4
5,2 31,9
96 4,3 3,5 0,4
6,0 36,3
97 5,0 2,3 1,0 11,5 37,6
98 3,7 3,5 0,3
3,9 30,2
99 2,5 1,0 1,0
2,5 12,0
100 4,0 2,2 0,4
3,5 22,6
101 5,2 2,2 0,2
2,3 25,8
102 3,0 3,0 0,5
4,5 24,0
103 3,9 2,1 0,3
2,5 20,0
104 4,3 2,2 0,3
2,8 22,8
105 3,3 1,9 0,4
2,5 16,7
106 2,1 3,0 0,4
2,5 16,7
107 4,5 1,4 0,5
3,2 18,5
108 2,1 1,5 0,3
0,9
8,5
109 2,9 2,2 0,2
1,3 14,8
110 2,0 1,8 0,5
1,8 11,0
111 2,5 1,8 0,2
0,9 10,7
112 2,1 2,0 0,2
0,8 10,0
113 2,6 2,0 0,2
1,0 12,2
114 3,3 1,7 0,3
1,7 14,2
115 2,6 2,6 0,2
1,4 15,6
116 3,2 2,1 0,1
0,7 14,5
117 3,1 2,1 0,4
2,6 17,2
118 3,7 1,9 0,2
1,4 16,3
119 3,2 2,8 0,2
1,8 20,3
120 3,7 2,6 0,3
2,9 23,0
121 2,5 2,1 0,3
1,6 13,3
122 4,0 1,7 0,3
2,0 17,0
123 3,8 2,8 0,3
3,2 25,2
124 2,1 1,8 0,2
0,8
9,1
125 4,4 1,5 0,3
2,0 16,7
126 2,8 1,6 0,3
1,3 11,6
127 4,1 2,3 0,4
3,8 24,0
128 2,6 3,1 0,3
2,4 19,5
129 2,9 2,4 0,3
2,1 17,1
130 4,7 1,4 0,4
2,6 18,0
LII
Alaunschiefer, schwarz
a
b
c
V
A
5,5 2,1 1,5 17,3 45,9
2,9 2,6 1,0
7,5 26,1
2,9 2,6 2,0 15,1 37,1
2,9 2,5 0,7
5,1 22,1
2,7 1,9 1,7
8,7 25,9
4,3 1,6 1,5 10,3 31,5
4,5 2,5 2,0 22,5 50,5
3,6 2,2 1,2
9,5 29,8
2,5 1,3 1,6
5,2 18,7
3,9 1,6 1,3
8,1 26,8
1,9 1,5 2,2
6,3 20,7
4,2 2,0 0,6
5,0 24,2
3,0 2,4 1,1
7,9 26,3
4,3 1,6 1,1
7,6 26,7
4,9 1,7 1,0
8,3 29,9
2,7 1,6 2,5 10,8 30,1
2,2 2,0 2,0
8,8 25,6
3,7 1,1 1,8
7,3 25,4
2,6 1,5 2,6 10,1 29,1
2,7 2,5 2,4 16,2 38,5
4,5 1,5 0,7
4,7 21,9
2,5 2,4 0,9
5,4 20,8
3,6 1,4 1,1
5,5 21,1
2,0 1,6 1,3
4,2 15,8
2,5 1,4 0,7
2,5 12,5
4,5 1,6 1,0
7,2 26,6
2,9 1,9 0,9
5,0 19,7
4,2 1,5 1,7 10,7 32,0
3,2 1,0 1,7
5,4 20,7
3,0 1,6 1,3
6,2 21,6
3,0 2,4 0,6
4,3 20,9
2,5 2,1 0,8
4,2 17,9
2,5 1,5 1,4
5,3 18,7
3,1 2,3 1,5 10,7 30,5
3,2 2,0 0,6
3,8 19,0
3,0 1,5 2,5 11,3 31,5
4,1 1,7 0,8
5,6 23,2
4,6 1,8 0,5
4,1 23,0
2,7 1,1 0,9
2,7 12,8
4,5 1,6 0,6
4,3 21,7
2,6 1,5 0,9
3,5 15,2
2,0 1,5 0,9
2,7 12,3
3,1 1,7 0,9
4,7 19,2
4,0 1,8 0,6
4,3 21,4
2,7 1,2 1,6
5,2 19,0
3,2 1,2 1,3
5,0 19,1
2,6 1,1 1,6
4,6 17,6
2,9 0,8 1,1
2,6 12,8
2,0 0,9 1,7
3,1 13,5
3,5 1,1 1,3
5,0 19,7
2,5 1,3 1,3
4,2 16,4
1,9 1,5 0,6
1,7
9,8
2,5 2,0 0,6
3,0 15,4
2,1 1,8 0,9
3,4 14,6
2,5 1,6 0,8
3,2 14,6
2,7 1,4 0,6
2,3 12,5
2,7 1,5 1,1
4,5 17,3
2,4 1,1 0,8
2,1 10,9
3,0 0,8 0,9
2,2 11,6
3,4 0,6 0,8
1,6 10,5
1,6 1,4 0,7
1,6
8,7
2,3 2,0 0,7
3,2 15,2
2,9 0,7 1,2
2,4 12,7
3,5 0,7 0,7
1,7 10,8
2,0 0,9 0,9
1,6
8,8
3,2 1,2 1,5
5,8 20,9
2,9 1,6 0,6
2,8 14,7
2,0 0,7 1,3
1,8
9,8
2,0 0,3 1,2
0,7
6,7
3,2 1,2 0,3
1,2 10,3
Anhang A8 (Fortsetzung): Geometrische Oberfläche von Gesteinspolyedern
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
Kieselschiefer, bleich
a
b c
V
A
8,5 3,5 2,2 65,5 112,3
5,0 2,5 1,2 15,0 43,0
2,3 1,7 1,7
6,6 21,4
2,5 2,3 0,6
3,5 17,3
1,5 1,5 0,8
1,8
9,3
2,6 1,5 0,4
1,6 11,1
3,0 1,5 1,4
6,3 21,6
3,3 0,9 1,0
3,0 14,3
5,2 1,5 1,3 10,1 33,0
4,5 2,0 1,8 16,2 41,4
8,4 1,8 1,1 16,6 52,7
4,7 2,2 1,5 15,5 41,4
3,0 1,7 1,2
6,1 21,5
3,2 2,0 0,8
5,1 21,1
2,2 2,2 1,8
8,7 25,5
2,8 2,4 1,6 10,8 30,1
5,8 5,8 1,6 53,8 104,4
4,8 3,0 3,0 43,2 75,6
3,5 2,4 2,1 17,6 41,6
5,5 2,4 2,5 33,0 65,9
2,5 1,5 0,8
3,0 13,9
2,7 2,2 1,2
7,1 23,6
2,8 2,1 1,0
5,9 21,6
4,4 1,9 1,0
8,4 29,3
4,2 2,6 1,0 10,9 35,4
4,0 1,5 0,7
4,2 19,7
4,4 1,9 1,0
8,4 29,3
3,4 2,3 0,8
6,3 24,8
6,0 1,6 1,0
9,6 34,4
4,5 3,2 1,2 17,3 47,3
5,6 3,1 2,4 41,7 76,5
4,7 3,0 1,0 14,1 43,6
4,9 3,0 1,9 27,9 59,4
4,0 3,5 1,0 14,0 43,0
4,5 3,7 1,0 16,7 49,7
6,9 2,9 1,9 38,0 77,3
8,4 4,6 1,5 58,0 116,3
7,0 5,6 0,9 35,3 101,1
8,5 5,8 4,9 241,6 238,7
7,8 1,7 1,4 18,6 53,1
4,2 3,5 1,7 25,0 55,6
2,5 1,7 1,3
5,5 19,4
3,1 1,4 1,1
4,8 18,6
4,5 2,0 0,4
3,6 23,2
4,5 1,9 1,1
9,4 31,2
4,0 2,5 0,8
8,0 30,4
3,5 2,2 0,6
4,6 22,2
6,0 5,7 1,3 44,5 98,8
4,6 3,6 2,4 39,7 72,5
4,0 2,0 2,0 16,0 40,0
3,7 2,6 2,0 19,2 44,4
4,9 4,5 3,0 66,2 100,5
5,5 2,3 1,8 22,8 53,4
3,3 3,0 1,3 12,9 36,2
2,6 2,4 1,8 11,2 30,5
3,0 2,9 1,3 11,3 32,7
4,4 2,5 1,3 14,3 39,9
5,2 2,1 1,2 13,1 39,4
5,5 3,5 1,3 25,0 61,9
5,8 4,6 1,8 48,0 90,8
Alaunschiefer, bleich
a
b c
V
A
4,3 4,5 0,7 13,5 51,0
6,1 2,9 0,9 15,9 51,6
5,7 5,0 0,4 11,4 65,6
5,7 1,9 0,3 3,2 26,2
6,1 3,2 0,6 11,7 50,2
7,3 2,8 0,2 4,1 44,9
6,2 1,5 0,4 3,7 24,8
7,0 1,7 0,4 4,8 30,8
5,4 2,4 0,3 3,9 30,6
3,1 1,6 0,7 3,5 16,5
7,4 1,7 0,3 3,8 30,6
4,3 2,2 0,3 2,8 22,8
2,4 2,2 0,2 1,1 12,4
2,4 1,6 0,2 0,8
9,3
2,1 2,1 0,5 2,2 13,0
4,0 2,0 0,7 5,6 24,4
3,7 1,7 0,8 5,0 21,2
3,6 1,7 0,2 1,2 14,4
2,8 1,4 0,6 2,4 12,9
2,8 1,5 0,4 1,7 11,8
7,4 3,4 0,3 7,5 56,8
8,0 4,6 0,9 33,1 96,3
5,2 1,9 0,3 3,0 24,0
5,5 2,8 0,4 6,2 37,4
5,8 3,8 0,5 11,0 53,7
3,0 3,0 0,4 3,6 22,8
6,6 5,4 0,7 24,9 88,1
4,3 2,8 0,8 9,6 35,4
5,8 5,6 0,7 22,7 80,9
5,2 2,4 0,4 5,0 31,0
6,5 4,6 0,6 17,9 73,1
5,6 2,7 0,6 9,1 40,2
6,5 1,3 0,5 4,2 24,7
8,4 3,3 0,8 22,2 74,2
6,4 1,5 0,4 3,8 25,5
6,2 1,5 0,4 3,7 24,8
3,2 3,2 0,4 4,1 25,6
5,6 1,9 0,6 6,4 30,3
5,6 3,0 0,3 5,0 38,8
4,5 3,5 0,4 6,3 37,9
3,8 2,9 0,3 3,3 26,1
4,2 2,6 0,3 3,3 25,9
3,3 2,2 0,2 1,5 16,7
3,7 2,6 0,7 6,7 28,1
3,1 2,4 0,5 3,7 20,4
3,2 2,5 0,7 5,6 24,0
2,5 2,0 0,2 1,0 11,8
3,0 1,5 0,5 2,3 13,5
3,4 2,0 0,4 2,7 17,9
3,6 2,4 0,4 3,5 22,1
3,1 1,4 0,2 0,9 10,5
5,0 1,6 0,6 4,8 23,9
3,2 2,2 0,4 2,8 18,4
5,1 4,6 0,4 9,4 54,7
3,2 2,0 0,2 1,3 14,9
2,6 2,6 0,6 4,1 19,8
3,8 2,5 0,7 6,7 27,8
3,0 2,5 0,4 3,0 19,4
2,5 2,5 0,7 4,4 19,5
3,7 2,2 0,4 3,3 21,0
LIII
Anhang A8 (Fortsetzung): Geometrische Oberfläche von Gesteinspolyedern
Kieselschiefer, bleich
Nr.
a
b c
V
A
61 5,8 4,6 1,4 37,4 82,5
62 13,0 5,2 5,1 344,8 320,8
63 7,5 2,4 1,8 32,4 71,6
64 3,9 2,1 1,2
9,8 30,8
65 5,0 4,2 1,9 39,9 77,0
66 3,1 3,1 1,0
9,6 31,6
67 3,2 2,3 1,8 13,2 34,5
68 3,3 2,6 1,2 10,3 31,3
69 2,4 2,3 1,3
7,2 23,3
70 11,0 7,0 2,4 184,8 240,4
71 2,7 1,5 0,9
3,6 15,7
72 2,5 2,4 1,5
9,0 26,7
73 3,7 2,5 1,9 17,6 42,1
74 3,6 1,6 0,7
4,0 18,8
75 2,7 2,3 1,7 10,6 29,4
76 4,9 2,3 1,6 18,0 45,6
77 5,3 2,9 2,0 30,7 63,5
78 3,6 2,9 2,1 21,9 48,2
79 2,7 2,0 1,9 10,3 28,7
80 8,4 4,0 2,1 70,6 119,3
81 8,4 4,7 2,8 110,5 152,3
82 4,2 4,2 4,1 72,3 104,2
83 10,3 3,3 2,4 81,6 133,3
84 6,3 1,9 0,6
7,2 33,8
85 5,3 2,4 2,2 28,0 59,3
86 4,4 4,2 1,9 35,1 69,6
87 8,6 3,1 1,1 29,3 79,1
88 8,8 2,9 1,2 30,6 79,1
89 8,0 2,4 2,3 44,2 86,2
90 4,1 3,1 1,1 14,0 41,3
91 8,0 5,0 1,5 60,0 119,0
92 2,2 1,4 0,6
1,8 10,5
93 2,4 1,8 0,8
3,5 15,4
94 3,9 0,9 0,8
2,8 14,7
95 3,6 1,4 1,0
5,0 20,1
96 3,0 2,3 1,4
9,7 28,6
97 2,3 2,3 2,2 11,6 30,8
98 4,2 3,6 1,2 18,1 49,0
99 3,2 2,4 2,0 15,4 37,8
100 3,9 3,1 2,1 25,4 53,6
101 2,4 2,0 1,5
7,2 22,8
102 6,5 4,2 1,4 38,2 84,6
103 5,5 5,1 1,1 30,9 79,4
104 4,5 3,4 2,1 32,1 63,8
105 3,7 2,4 1,1
9,8 31,2
106 5,2 3,2 2,4 39,9 73,6
107 3,9 3,0 1,6 18,7 45,5
108 5,4 3,3 2,0 35,6 70,4
109 3,2 3,2 1,3 13,3 37,1
110 3,5 3,5 1,3 15,9 42,7
111 3,5 3,1 1,1 11,9 36,2
112 5,3 2,9 1,6 24,6 57,0
113 5,2 1,5 0,9
7,0 27,7
114 3,0 2,1 1,1
6,9 23,8
115 4,0 2,6 1,4 14,6 39,3
116 3,0 2,0 2,0 12,0 32,0
117 3,9 3,1 2,2 26,6 55,0
118 4,0 3,1 1,2 14,9 41,8
119 8,7 4,6 2,1 84,0 135,9
120 3,8 3,0 1,9 21,7 48,6
121 5,6 3,5 1,9 37,2 73,8
122 4,0 2,1 1,2 10,1 31,4
123 2,6 2,1 1,7
9,3 26,9
124 2,1 1,6 0,5
1,7 10,4
125 3,2 1,9 1,3
7,9 25,4
126 2,6 2,5 1,3
8,5 26,3
127 6,5 4,4 3,6 103,0 135,7
128 2,4 2,2 0,5
2,6 15,2
129 6,0 3,5 2,7 56,7 93,3
130 6,5 5,0 3,3 107,3 140,9
LIV
Alaunschiefer, bleich
a
b c
V
A
6,6 1,9 0,4 5,0 31,9
3,0 2,4 0,5 3,6 19,8
5,6 1,5 0,7 5,9 26,7
4,8 1,4 0,4 2,7 18,4
8,6 4,3 0,6 22,2 89,4
6,5 5,4 0,5 17,6 82,1
7,7 3,8 0,6 17,6 72,3
5,9 4,4 0,5 13,0 62,2
5,2 4,5 0,9 21,1 64,3
4,2 3,7 0,3 4,7 35,8
5,6 3,0 0,7 11,8 45,6
5,2 3,0 0,8 12,5 44,3
5,1 2,6 0,2 2,7 29,6
6,2 6,1 0,6 22,7 90,4
4,1 2,6 0,6 6,4 29,4
7,3 2,3 0,3 5,0 39,3
5,5 3,4 0,9 16,8 53,4
2,6 1,6 0,2 0,8 10,0
2,3 1,9 0,4 1,7 12,1
2,7 2,7 0,6 4,4 21,1
2,9 1,5 0,2 0,9 10,5
3,9 2,1 0,4 3,3 21,2
2,6 1,5 0,2 0,8
9,4
3,2 1,5 0,3 1,4 12,4
6,2 2,9 0,3 5,4 41,4
11,2 2,4 1,4 37,6 91,8
5,6 4,6 0,6 15,5 63,8
6,2 1,9 0,6 7,1 33,3
3,1 1,9 0,3 1,8 14,8
2,6 1,9 0,6 3,0 15,3
4,5 1,3 0,4 2,3 16,3
2,9 1,1 0,3 1,0
8,8
5,7 1,2 0,4 2,7 19,2
2,6 1,1 0,5 1,4
9,4
1,5 1,4 0,4 0,8
6,5
10,5 3,2 0,4 13,4 78,2
3,5 3,1 0,1 1,1 23,0
4,1 2,7 0,2 2,2 24,9
8,2 1,4 0,4 4,6 30,6
10,1 2,5 0,5 12,6 63,1
3,0 1,5 0,8 3,6 16,2
3,7 2,4 0,5 4,4 23,9
3,7 2,0 0,8 5,9 23,9
5,6 2,5 0,3 4,2 32,9
5,1 2,2 0,9 10,1 35,6
4,4 1,8 0,3 2,4 19,6
3,2 1,6 0,4 2,0 14,1
3,4 3,2 0,5 5,4 28,4
3,6 2,3 0,4 3,3 21,3
4,2 1,5 0,4 2,5 17,2
3,5 2,1 0,2 1,5 16,9
3,6 1,5 0,2 1,1 12,8
3,7 1,4 0,4 2,1 14,4
7,2 2,3 0,5 8,3 42,6
10,0 1,7 0,5 8,5 45,7
2,4 1,9 0,1 0,5 10,0
11,1 5,3 0,7 41,2 140,6
6,4 1,7 0,6 6,5 31,5
6,2 2,5 0,4 6,2 38,0
4,9 2,7 0,3 4,0 31,0
4,1 1,2 0,4 2,0 14,1
4,8 1,5 0,3 2,2 18,2
3,6 1,2 0,3 1,3 11,5
4,5 0,8 0,2 0,7
9,3
2,0 0,9 0,2 0,4
4,8
0,6 1,8 0,3 0,3
3,6
5,2 2,7 0,5 7,0 36,0
4,3 2,0 0,4 3,4 22,2
3,9 2,1 0,1 0,8 17,6
3,8 2,2 0,4 3,3 21,5
Anhang A9: Äußere Oberfläche von Sand und Kies (Probe 117)
Anm.: Volumenberechnungen basieren auf der Dichte von Quarz (2.65 g/cm3)
r
[cm]
AO
[cm2]
Kugel-V
[cm3]
KlassenMasse
[g]
Klassen-V
[cm3]
Korndaten: mittlere Korngröße aus Siebfraktion
0,3
1,1310 0,11309734
220,46
0,15
0,2827 0,01413717
39,65
0,075
0,0707 0,00176715
23,09
0,0375
0,0177 0,00022089
12,7
0,019
0,0045 0,00002873
19,32
0,0095
0,0011 0,00000359
6,25
83,19
14,96
8,71
4,79
7,29
2,36
Klassen- KlassenFlächen
Klassenoberfläche volumen
[cm2/cm3]
Kornzahl
2
3
[cm ]
[cm ]
736
1058
4931
21696
253753
656712
832
299
349
383
1151
745
Summe:
3759 121,3094
Korndaten: minimale Korngröße aus Siebfraktion
0,2
0,5027 0,03351032
220,46
83,19
2483
0,1
0,1257 0,00418879
39,65
14,96
3572
0,05
0,0314 0,00052360
23,09
8,71
16641
0,025
0,0079 0,00006545
12,7
4,79
73223
0,0125
0,0020 0,00000818
19,32
7,29 891133
0,00625
0,0005 0,00000102
6,25
2,36 2306245
Summe:
Korndaten: maximale Korngröße aus Siebfraktion
0,4
2,0106 0,26808257
220,46
0,2
0,5027 0,03351032
39,65
0,1
0,1257 0,00418879
23,09
0,05
0,0314 0,00052360
12,7
0,025
0,0079 0,00006545
19,32
0,0125
0,0020 0,00000818
6,25
83,19
14,96
8,71
4,79
7,29
2,36
310
446
2080
9153
111392
288281
Summe:
1248
449
523
575
1750
1132
83,1925
14,9623
8,7132
4,7925
7,2906
2,3585
83,1925
14,9623
8,7132
4,7925
7,2906
2,3585
5676 121,3094
624
224
261
288
875
566
31
47
83,1925
14,9623
8,7132
4,7925
7,2906
2,3585
2838 121,3094
23
Den Korndaten liegen Siebanalysen (GELETNEKY, unveröff. Ergebnisse) zugrunde,
getrennt wurden folgende Fraktionen:
> 4 mm Durchmesser
2-4 mm
1-2 mm
0.5-1 mm
0.25-0.5 mm
0.125-0.25 mm
LV
Anhang A10: Äußere Oberfläche mit Paraffintränkungsmethode
m1 [g]: Masse des Gesteinspolyeders
m2 [g]: Masse des ummantelten Gesteinspolyeders
3
mparaff [g]: Paraffinmantel-Masse, Dichte = 0,9 g/cm
Vpara [cm3]: Paraffinvolumen
d [cm]: Mächtigkeit der Paraffinhaut
2
AO_P [cm ]: Oberfläche aus Paraffinumhüllung
2
AO-Q [cm ]: Oberfläche aus Quader mit Kanten a, b, c
P/Q: Quotient der Oberflächendaten
Alaunschiefer, bleich:
m1 [g]
5,754
6,663
2,623
28,384
23,796
25,291
22,083
5,839
14,430
55,127
4,726
8,502
3,261
7,807
4,531
5,161
9,08
15,638
14,315
3,172
4,297
2,869
4,388
m2 [g]
6,390
7,370
2,950
30,449
25,516
27,449
23,616
6,429
15,337
57,988
5,296
9,123
3,625
8,413
4,963
5,623
9,753
16,827
15,773
3,552
4,676
3,207
4,797
mparaff Vpara d [mm] AO_P AO_Q P/Q
0,636
0,707
0,327
2,065
1,720
2,158
1,533
0,590
0,907
2,861
0,570
0,621
0,364
0,606
0,432
0,462
0,673
1,189
1,458
0,38
0,379
0,338
0,409
0,7
0,8
0,4
2,3
1,9
2,4
1,7
0,7
1,0
3,2
0,6
0,7
0,4
0,7
0,5
0,5
0,7
1,3
1,6
0,4
0,4
0,4
0,5
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
18
20
9
57
48
60
43
16
25
79
16
17
10
17
12
13
19
33
41
11
11
9
11
17
14
15
72
62
66
46
25
33
92
20
24
12
21
17
16
24
31
55
14
16
11
17
1,1
1,5
0,6
0,8
0,8
0,9
0,9
0,7
0,8
0,9
0,8
0,7
0,8
0,8
0,7
0,8
0,8
1,1
0,7
0,8
0,7
0,9
0,7
Alaunschiefer, schwarz:
m1 [g]
20,705
36,632
12,43
30,614
7,38
3,66
5,842
3,634
10,587
29,794
4,917
3,651
LVI
m2 [g]
21,82
37,382
13,09
32,528
8,039
3,952
6,399
4,053
11,629
31,237
5,319
3,971
mparaff Vpara d [mm] AO_P AO_Q P/Q
1,115
0,75
0,66
1,914
0,659
0,292
0,557
0,419
1,042
1,443
0,402
0,32
1,2
0,8
0,7
2,1
0,7
0,3
0,6
0,5
1,2
1,6
0,4
0,4
0,035
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
0,055
35
15
13
39
13
6
11
8
21
29
8
6
26
26
21
23
15
21
19
11
22
16
13
15
1,4
0,6
0,6
1,7
0,9
0,3
0,6
0,8
1,0
1,8
0,6
0,4
Anhang A10: (Fortsetzung): Äußere Oberfläche mit Paraffintränkungsmethode
Kieselschiefer, bleich:
m1 [g]
24,534
7,621
93,655
73,62
56,905
54,968
11,651
5,825
13,783
16,138
5,463
20,233
9,523
5,098
7,829
m2 [g]
25,569
8,170
96,588
75,633
58,743
56,591
12,13
6,159
14,363
16,749
5,827
20,914
9,99
5,486
8,757
mparaff Vpara d [mm] AO_P AO_Q P/Q
1,035
0,549
2,933
2,013
1,838
1,623
0,479
0,334
0,58
0,611
0,364
0,681
0,467
0,388
0,928
1,2
0,6
3,3
2,2
2,0
1,8
0,5
0,4
0,6
0,7
0,4
0,8
0,5
0,4
1,0
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
29
15
81
56
51
45
13
9
16
17
10
19
13
11
26
32
19
85
64
48
49
15
10
26
27
10
25
17
11
25
0,9
0,8
1,0
0,9
1,1
0,9
0,9
0,9
0,6
0,6
1,0
0,8
0,8
1,0
1,0
Kieselschiefer, schwarz:
m1 [g]
15,067
13,265
21,781
34,84
44,233
8,799
19,516
45,32
19,915
23,543
55,617
69,949
30,332
11,182
6,435
7,56
18,629
6,574
7,758
4,433
m2 [g]
15,661
13,8
22,652
36
45,642
9,191
20,368
46,774
20,799
24,368
57,335
72,593
31,56
11,841
6,857
7,945
19,359
6,922
8,135
4,699
mparaff Vpara d [mm] AO_P AO_Q P/Q
0,594
0,535
0,871
1,16
1,409
0,392
0,852
1,454
0,884
0,825
1,718
2,644
1,228
0,659
0,422
0,385
0,73
0,348
0,377
0,266
0,7
0,6
1,0
1,3
1,6
0,4
0,9
1,6
1,0
0,9
1,9
2,9
1,4
0,7
0,5
0,4
0,8
0,4
0,4
0,3
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,060
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
17
15
24
32
39
11
24
40
25
23
48
49
34
18
12
11
20
10
10
7
34
26
30
33
41
12
28
36
19
30
53
37
34
23
20
17
35
10
12
13
0,5
0,6
0,8
1,0
1,0
0,9
0,8
1,1
1,3
0,8
0,9
1,3
1,0
0,8
0,6
0,6
0,6
1,0
0,9
0,6
LVII
Anhang A11: mechanische Rauhigkeitsanalyse (DEKTAK)
Probe
Spezifikat.
211-2
senkrecht
211-2b-1
2 schwarz
3
4
hell
5
6
7 schwarz
9
10 Übergang
11
224
senkrecht
225
senkrecht
228-1
senkrecht
229
senkrecht
230-1
senkrecht
230-1
senkrecht
230a
senkrecht
LVIII
Profil
[µm]
3000
100
300
3000
8000
3000
3000
3000
100
300
300
100
300
3000
3000
100
300
3000
100
300
3000
3000
3000
100
300
3000
3000
100
300
3000
3000
100
300
2500
2000
2000
2000
3000
3000
Polygon
[µm]
3078
104
309
3053
8229
3117
3064
3062
106
313
311
104
309
3070
3133
103
307
3191
132
300
3251
3189
3055
104
305
3065
3113
105
315
3107
3070
102
304
2707
2121
2113
2057
3092
3023
Verlängerung
1,026
1,039
1,028
1,019
1,029
1,039
1,021
1,021
1,056
1,044
1,037
1,037
1,029
1,023
1,044
1,025
1,022
1,064
1,318
1,084
1,063
1,018
1,041
1,015
1,021
1,038
1,05
1,048
1,036
1,023
1,018
1,012
1,083
1,061
1,056
1,028
1,031
1,008
Auflösung
[Punkte]
1200
2000
1200
1200
1600
1200
1200
1200
2000
1200
1200
2000
1200
1200
1200
2000
2000
1200
1200
1200
1200
2000
1200
1200
1200
2000
1200
1200
1200
2000
1200
1000
2000
2000
2000
1200
1200
F
1,04
1,03
1,04
1,03
1,11
1,15
1,04
1,08
1,11
1,09
1,04
WelligRq
keit
[µm] [µm]
8,5 5,6
2 0,6
3,9 0,8
8
5
17,4 9,9
5,5 8,2
5,8 4,9
6,1 5,4
1,3 0,3
7 0,8
2,2 0,6
1,4 0,3
4,8
1
4,6 5,7
6,7 4,2
1 0,3
2,9 0,9
3,8 4,3
1,3
0,1
42 13,4
54 10
13,2 3,5
0,3
1,4 0,6
6,3 5,3
8,5 6,5
1
1
5,1 1,2
8 6,9
8,6 4,7
0,7 0,1
2 0,7
6,7
5
11,1 4,5
6,5 4,2
6,5 4,6
7,5 2,9
4,2 2,6
Anhang A11 (Fortsetzung): mechanische Rauhigkeitsanalyse (DEKTAK)
Probe Spezifikat.
231
senkrecht
senkrecht
231
senkrecht
231-g
232
senkrecht
233
senkrecht
Profil
[µm]
3000
3000
3000
3000
3000
100
300
3000
3000
5000
2000
3000
100
300
3000
2000
2000
2890
2000
Verlängerung
Polygon
[µm]
3155
3129
3071
3093
3124
104
315
3073
3247
5338
2058
3205
104
308
3162
2064
2054
2986
2105
1,052
1,043
1,024
1,031
1,041
1,035
1,051
1,024
1,082
1,068
1,029
1,068
1,038
1,026
1,054
1,032
1,027
1,033
1,052
WelligAuflöRq
F
keit
sung
[Punkte]
[µm] [µm]
1200 1,08
12 7,9
1200
8,8
7
1200
2,5 1,3
1200
12,5 6,7
1200 1,07
9,9 7,3
2000
2,5 0,7
1200
0,7 0,6
1200
16,6 5,9
1200
12,9 10,7
2000
9,6 13,1
55 5,8
1200 1,13
28,3 9,9
2000
0,9 0,3
1200
2,6
1
1200
58,4 9,3
2000 1,08
21 7,6
2000
24
4
1200
21 6,3
2000
2,5 5,1
Anhang A12: Rauhigkeitsmikroskopie (WLI, LSM)
Lokation
LSM, WLI:
Probe Meßfeld:
Aufl: xy;z [nm]
rms-Rauhigkeit [µm],
Rauhigkeitsfaktor:
S1 Hohenleuben
S3 Creu
S3 Gamm
S1 Au
228
229
bleich
schwarz
230 AS, schwarz
211-2a Ü schw
211-2b/c Ü grau
211-2d Ügelb/bleich
231 AS, bleich
224-1 Süd, bleich
232 KS, schwarz
233 KS, bleich
128
AS, Kruste
121-2 KS, rot
WLI
2
140x140µm
500; 100
LSM: 100x
2
92x92µm
350; 100
rms
F
2,2
2
4,6
4,6
2,7
3,8
5
2,4
3,5
4,4
9,7
4,2
6,6
12,4
3,4
3,2
rms min max
3,9
4
4,9
3,6
8,2
3,4
3,4
3
2,5
3,8
3,1
3,3
2,6
LSM: 50x
2
184x184µm
400; 250
F min max
3,4
2,7
3,9
3,7
3,9
4,1 4,8
3,7
6,4
4,2
6,6
3,9
2,9 4,1
2,5 2,9
3,7 4
3,7 3,7
rms
(Wdhg.)
F
3,8
3,5
4,3
(4,9) 4,6
3,7
(7,4) 4,8
6,6
8,7
5,7
4,3 6,9
3,6
4,6
5,5
(6,9) 5,9
2,7
Für das Laser-Scanning-Microskop sind die verwendeten Objektive (50x, 100x) angegeben. Für die
Weißlichtinterferometermessungen existieren Mittelwerte der rms-Rauhigkeit sowie Minimal- und Maximalwerte aus Wiederholungsmessungen. Bei LSM-Messungen mit 50x-Objektiv sind Wiederholungsmessungen angegeben; Werte in Klammern zeigen Abweichungen von den rms-Daten aus den
übrigen Messungen an.
LIX
Anhang A13: AFM-Abbildung von Oberflächen polierter Dünnschliffe
LX
5,2
5,3
2
1,7
1,8
121-2 S1-KS, Auberg
<
0,0
121-3 S1-KS, Auberg
2
1,6
121-4 S1-KS, Auberg
<
0,0
121-5 S1-KS, Auberg
<
0,0
122
Tonschiefer, Mennsdf.
6
5,4
5,7
126c
S1-AS-bleich, Jarosit, Gammig
2
2,0
2,1
126d
S1-AS-schwarz, Gammig
129c
S3-AS-bleich, Jarosit, Gammig
5,6
5,8
S3-AS-schwarz, Gammig
3
2,8
2,9
3,5
5
5,0
3,3
3,3 3,5
4,7
S3-AS-bleich, Gammig
131
S2/3-AS-braun, Gräfenw.
133
S1-AS, Kruste, Weißb. Mulde
17 16,9 17,6 17,5
134
Vulkanit, Rotl., Weißb. Mulde
13 13,0 12,8
137
S1, AS, kalkreich, Drosen
29 28,6 28,5
181
Og3, rötlich, Baldenhain S
187
S1, AS, kalkreich, Baldenhain
8
1
7,8
0,9
7
7,4
7,3
9
8,6
8,6
12 11,5 11,7
24 24,0 24,1
Og3, Burg Reichenfels
3
Dichtediff. [g/cm ]
häufigster r [nm]
2,63
2,29
2,62
11
8,5
5
0,22
2,38
2,6
7 11,5
18
0,29
2,30
2,59
4 16,2
60
0,43
2,22
2,65
4
28 115
0,71
1,82
2,53
5
10
34
0,25
2,17
2,42
Porosität [%]
2,27
0,33
1,0
208
210
0,36
35
7,8
207-2 S1?, AS-schwarz, Gessental
209-3 S1?, AS-schw., Kruste, Gess.
50
13
14 13,0 13,9 14,2 14,1
129e
S1?, AS-schwarz, Gessental
15
4
1,4
129d2 S3-AS-schwarz, Gammig
207-1 S1?, AS-schwarz, Gessental
5
5,7
129c2 S3-AS-bleich, Jarosit, Gammig
129d
Dichte 4 kbar
3
[g/cm ]
6
121-1 S1-KS, Auberg
Dichte 1bar
3
[g/cm ]
120-2 S1-AS-"Zersatz", Gessental
A-Hg [m²/g]
BET-Fläche [m²/g],
Einzelmessungen
A-BET [m²/g]
Lithologie, Herkunft
Proben-Nummer
Anhang A14: Porosimetrie-Untersuchungen (Quecksilber-Intrusion, N2-BETAdsorption)
13 13,2 13,3
2
2,2
2,6
211-4 S1-AS-hellviolett, Kr., Hlb. N
7
5,5
6,1
213
S1-AS-grau, Halde Schmiedef.
2
2,2
1,9
221
S3, AS-bleich, Döhlen
5
4,8
4,9
222
S3, AS-bleich, Döhlen
7
6,5
6,8
223
Verwitt.schutt, Hlb., S
6,0 7,6
7,8
13 13,3 13,2
224-1 S1-AS-bleich, Hlb., S
6
7,6
7,7
4,8
5,1
224-2 S1-AS-schw., Hlb., S
6
5,0
4,7
6,1
6,7
9,6
6,2
225a
S3-AS-schw., St. Rose
10
9,5
6
5,8
6,6
0,15
2,48
2,63
225b
S3-AS-schw., Kruste, St. Rose
36 35,5 35,9
1
2,7 -----
0,07
2,59
2,66
58 57,6 58,2
4
7
39
0,18
2,43
2,61
4
14
40
0,38
2,25
2,63
225b1 S3-AS-schw., stark verkr., St. R.
228
S3-AS-bleich, Creunitz
4
3,9
3,9
229
S3-AS-schwarz, Creunitz
10 10,0 10,4
7
2,9
2
0,07
2,4
2,47
230
S1-AS-schw., Hlb. N (211-2,6)
18 16,3 15,8 19,4 19,6
8
8,5
15
0,21
2,25
2,46
231
S1-AS-bleich, Hlb. N (211-3)
6
26 110
0,65
1,88
2,53
232
S1-KS-schwarz, Hlb. N
3
1,5
2
0,04
2,49
2,53
233
S1-KS-bleich, Hlb., S
1
5,2 100
0,14
2,46
2,6
240a2 S1-AS-Zone: braun, Hlb. N
240a4 S1-AS-Zone: schw., Hlb. N
1188
Rotl.-Sandstein, Bebertal
8
5
7,7
5,4
7,7
5,1
13 13,0 12,6
2
2,8
2,9
1,9
2,0
höhere Meßwerttoleranz
LXI
Anhang A15: Dichtemessngen an organischem Material (HF-Aufschluß-Rückstand;
Schwebfracht)
(Probe 224-2)
Messung:
10 ml-Pyknometer, T = 20.3°C
Pyknometer, Leermessung: 12.2762 ± 0.0001 g
Pyknometer mit aqua dest.: 22.2507 ± 0.0001 g
Pyknometer mit Probe: 12.4940 ± 0.0002 g
Pyknometer mit Probe und aqua dest: 22.3450 ± 0.0002 g
Berechnung:
ρ = m/V; ∆ ρ = I ∆m/V I + I m * ∆V/V2 I
ρ (H2O) = 0.99745 ± 0.00002 g/cm3
m (H2O), Pykn. mit Probe = 9.8510 ± 0.0004 g
V (H2O), Pykn. mit Probe = 9.8762 ± 0.0006 cm3
V (Corg) = 0.1238 ± 0.0003 g
m (Corg) = 0.2178 ± 0.0003 g
ρ (Corg) = 1.759 ± 0.007 g/cm3
LXII