Braunkohlenlagerstätten

Oberseminar
Die Braunkohlelagerstätten Deutschlands:
Genese, Stratigraphie und wichtige
Rohstoffeigenschaften
Verfasser:
Anke Walther
Studiengang: 7. Semester Geologie
Matr.- Nr.:
40756
Betreuer:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Norbert Volkmann
Ort:
Institut für Geologie der TU- Bergakademie Freiberg
Datum:
19. Dezember 2002
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1. EINLEITUNG
Während des Geologiestudiums an der TU Bergakademie Freiberg wurde im Rahmen des
Oberseminars ein Vortrag über die Braunkohlelagerstätten Deutschlands angefertigt. Betrachtet
werden die wirtschaftlich interessanten Abbaugebiete des Niederrheinischen, des Mitteldeutschen und
des Niederlausitzer Braunkohlereviers. Im folgenden soll ein Überblick über die Genese, die zeitliche
Bildungsfolge im Laufe der Erdgeschichte und die Eigenschaften der Braunkohle gegeben werden.
2. Grundlagen
Braunkohlen entstehen im Zuge der biochemischen Inkohlung, auch Diagenese genannt. Sie haben
bezogen auf die aschefreie Substanz einen Kohlenstoffgehalt von 60 bis 75% und einen
Wasserstoffanteil von 4 bis 8%.
Das
wesentlichste
Abgrenzungskriterium
zwischen
Torf
und
Steinkohlen
ist
der
Rohlohlenwassergehalt. Dieser liegt bei Torf zwischen 70 und 75% und bei Braunkohlen bei
35%.Eine Einteilung der Braunkohlen ist nach verschiedenen Gesichtspunkten möglich.
Unter petrographischem und stofflichem Aspekt können die fossilen Energieträger in Humolithe und
Sapropelithe unterschieden werden.
Zu den Humuskohlen, deren rezente Ausgangsstoffe v.a. verholzte pflanzliche Substanz aber auch
Wachse und Harze sind, gehören u.a. Weichbraunkohlen und Hartbraunkohlen. Letztere werden in
Mattbraun- und Glanzbraunkohlen gegliedert. Glanzbraunkohlen haben die Grenze des 1.
Inkohlungssprungs bereits überschritten und sind daher petrographisch bereits Steinkohlen (medium
rank coals; nach EU- Norm). Low rank coals sind Weichbraunkohlen und Mattbraunkohlen. In
Deutschland existieren wirtschaftlich bedeutende Braunkohlen ausschließlich als Weichbraunkohlen.
Bei den Sapropelkohlen stammen die Fett- und Ölähnlichen Stoffe meist von niederen Pflanzen
(Algen) sowie aus speziellen Organ- und Gewebeteilen der Landpflanzen (Sporen, Pollen, Kutikulen
etc.) (PÄTZ, RASCHER, SEIFERT 1986).
Anreicherungen dieser Bitumina finden sich in den Cannel- (Sporen, Pollen) und Boghead- (Algen)
Kohlen sowie in den hellen, gelben Bändern der heimischen Weichbraunkohlen.
Die Hauptbildungsphase der Braunkohlen Deutschlands war im Tertiär zwischen 44 und 17 Ma.
In dieser Periode herrschte in nahezu allen Teilen der Erde subtropisches bis tropisches Klima. Das
machte eine intensive Bioproduktion mit hoher Artenvielfalt möglich, so daß auch in Europa
immergrüne tropisch – subtropische Regenwaldfloren präsent waren. (Abb.1)
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Abb.1: Verbreitung der miozänen Moorgebiete in Mitteleuropa (nach KOCKEL in VINCKEN
u.a. 1988, ergänzt in SCHNEIDER 1992)
1 – Periodisch vom Meer überflutete Gebiete, in denen sich nach dem Rückzug des
Meeres Moore bildeten
2 – Vom Meer unbeeinflußte Gebiete, teilweise mit Moorbildungen
3 – Gebiete mit langzeitigen oder mehrfach wiederholten Moorbildungen
4 – Umgrenzung des Sedimentationsbeckens
5 – Vulkane des Tertiärs
Entscheidend für die Intensität des biochemischen Abbaus sind die Parameter Temperatur und
Niederschlag. Die Aktivität der Bakterien ist bei durchschnittlich 20°C und 3000 bis 4000mm
Niederschlag pro Jahr sehr intensiv. (Abb.2)
Abb.2: Klimakurve Tertiär (nach R. Teichmüller 1958)
Da es vom Eozän mit 22°C bis zum Pliozän (12°C) zu starken Abkühlungen kam sind die alttertiären
Angiospermenkohlen intensiv zersetzt und weisen kaum noch Holzreste (Xylite) auf. Kohlen dieser
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Art werden auch dedritisch genannt und eignen sich aufgrund der in ihnen angereicherten Bitumina
besonders für eine karbochemische Nutzung.
Dem gegenüber stehen die jungtertiären Kohlen. Sie entstanden aus dem Material koniferenreicher
subtropischer Mischwälder. Nadelgehölze zeichnen sich durch einen hohen Harz- und Gerbstoffanteil
aus und sind bei den geringeren Temperaturen im Miozän weitaus weniger diagenetisch verändert. Die
entstehenden gewebereichen (textitischen) Kohlevariationen sind stark xylitführend.
Ausschlaggebend für Industrie und Wirtschaft ist die Gliederung nach dem möglichen
Verwendungszweck und stofflicher Charakteristik. Es werden 6 industriell verwertbare Kohletypen
ausgehalten:
-Kokskohlen
ÆBraunkohle- Hochtemperatur- Verkokung (BHT- Koks)
-Gaskohlen
ÆFestbettdruckvergasung
-Brikettierkohlen
Æbindemittellose Brikettierung für Verkokung, Vergasung,
Æ Erzeugung von Stadtgas
Energieerzeugung
-Extraktionskohlen
ÆRohmontanwachs - Herstellung
-Kesselkohlen
Ædirekte Energieerzeugung in Großkraftwerken
-Salzkohlen
Æhoher Na – Anteil
Æ senkt die Schmelztemperatur der
Aschen
Æ schwer beherrschbar
3. Charakterisierung der Kohlenlagerstättenbildung
Bei der Bildung von Braunkohlelagerstätten werden nach Ursache und Charakteristik der Absenkung
4 Formen ausgehalten:
Der Epirogenetische Lagerstättentyp (Abb.3) ist durch langsame, stetige und langanhaltende
Senkungen von größeren Erdkrustenteilen gekennzeichnet. Es kommt zur Entstehung großräumig
angelegten Becken.
Abb.3: Struktur des Epirogenetischen Lagerstättentyps
Die sich darin entwickelnden Flöze sind typischerweise weitaushaltend und flach gelagert. Die
Mächtigkeit der Flöze beträgt i. d. R. 10 bis 15m.
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Die Bildung ist vorwiegend im Küstenbereich positioniert. Eine Beeinflussung durch Transgressionen
und Regressionen des Meeres ist in der Schichtenfolge erkennbar. Dies hat eine Wechsellagerung von
limnischen und marinen Sedimenten und einen zyklischen Aufbau (Sande, Schluffe, Tone, Kohle) der
flözführenden Formation zur Folge. Die Kohlen dieses Lagerstättentyps besitzen eine besonders gute
Qualität und sind daher in einigen Fällen als Brikettier- (Lausitz) und Kokskohlen verwendbar. In
Deutschland repräsentieren das Niederlausitzer und das Halle- Leipziger Braunkohlerevier
(Weißelsterbecken südlich Leipzig) diese Bildungsform. Auch das Niederrheinische Gebiet zählt in
diese Kategorie, allerdings ist die Entwicklung hier auf bruchtektonisch bedingten Tiefschollen
(Blöcke) sehr unterschiedlich.
Das Becken von Berzdorf und von Zittau in der Oberlausitz sind die Vertreter des Tektogenetischen
Lagerstättentyps
(Abb.4).
Die
Bildung
dieser
Lagerstättenform ist auf die epi- und syngenetisch
wirkende tektonische Bewegung zurück zu führen.
Die entstehenden Gräben und Becken werden bei
ruckartigen Senkungsbewegungen mit Tonen und
Sanden aufgefüllt, was zu häufigen Unterbrechungen
der
Torfbildung
führt.
Die
meist
limnischen
Braunkohleformationen bestehen aus einem intensiv
durch mineralische Lagen aufgespaltenen 50 bis
Abb.4: Struktur der Tektogenetischen Lagerstätten
100 Meter mächtigem Flözkomplex. Kohlen dieser Art weisen einen hohen Asche- und
Xylitgehalt auf und sind somit nur für energetische Zwecke nutzbar.
Unterirdische
Wässer tragen zur weiträumigen Auslaugung salzführender, sulfatischer oder
karbonatischer Schichten bei. Bei der Subrosion kommt es zur gleichmäßigen Absenkung der
Erdoberfläche und zur Akkumulation von Sedimenten und Anlage von Mooren.
Dieser Prozess bringt extrem mächtige Flöze aus Brikettier- und Schwelkohlen hervor. Eindringende
salinare Tiefenwässer in die Flöze des Subrosions- Typs vermindern durch erhöhten Na- Eintrag die
Qualität des Rohstoffs. Als Beispiel ist das Halle- Leipziger Braunkohlerevier, insbesondere das
Geiseltal, zu nennen. (Abb.5)
Abb.5: Struktur der Subrosionslagerstätten
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Eine weitere salinarbedingte Form
ist
der
Salzabwanderungs-oder
Halokinetische Typ, welcher im
Helmstedter Revier (Egelner und
Oscherslebener
östlichen
Mulde)
Subherzyn
Nachterstedt)
auftritt
und
im
(Röblingen,
(Abb.6).
Ausgangspunkt sind die mächtigen
Abb.6: Struktur der Halokinetischen Lagerstätten
Zechsteinsserien in denen es bei
Druckentlastung an Störungszonen oder durch ungleichmäßige Auflast zu Salzbewegungen kommt.
Gebildete Salzkissen durchbrechen als Diapire überlagernde Schichten. Die langgestreckten
Salzstockrandsenken vermooren und es bildet sich somit kohleführendes Material. Die Mächtigkeit
der Flöze variiert vom Beckenzentrum (>100 m) zur Peripherie (5- 10 m) deutlich. Aus diesen
Lagerstätten sind hochwertige Brikettier -, Extraktions- und Schwelkohlen, aber auch schlechter zu
verarbeitende Salzkohlen (Nähe des Salzdiapirs) gewinnbar.
4.
Braunkohlereviere Deutschlands
In der Bundesrepublik Deutschland befinden sich 3 große Braunkohlenreviere.
Von West nach Ost gegliedert sind dies:
•
in Nordrhein- Westfalen das Niederrheinische Braunkohlerevier mit den Bezirken
Garzweiler, Hambach und Inden
•
grenzüberschreitend in Sachsen, Sachsen- Anhalt und Niedersachsen das Mitteldeutsche
Revier mit Helmstedt/Oschersleben, Nachterstedt, Röblingen, dem Geiseltal und dem
Bitterfelder Raum, Merseburg und dem Weißelster Becken
•
4.1
grenzüberschreitend in Brandenburg und Sachsen das Lausitzer Braunkohlerevier
Das Niederrheinische Braunkohlerevier
Die Niederrheinische Bucht ist ein Becken, das in das Rheinische Schiefergebirge eingebrochen ist
und nach Südosten spitz zuläuft. Erste Senkungserscheinungen gibt es bereits im jüngeren
Paläozoikum. Sedimentgesteine der Lias und der Kreide sind der Nachweis für die Absenkung der
Nierderrheinischen Bucht im Mesozoikum.
Das Tertiär stellt jedoch die Haupteinbruchszeit dar. Von Norden drangen im Paläozän und Eozän
Ausläufer des Meeres vor, wodurch es zur Ablagerung von marinen Sedimenten kam (Abb.7). Später
lagerten sich meist limnische Sedimente ab. Die Gesamtmächtigkeit der tertiären Sedimente kann bis
zu 600m im Nordwesten der Niederrheinischen Bucht betragen, da dort die Schollen am tiefsten
abgesunken sind. Die Tektonik des Gebietes ist durch Nordwest- Südost verlaufende Verwerfungen
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Abb.7:
Die Ausdehnung der Tertiär- Meere am Niederrhein sowie die Verbreitung der miozänen
Braunkohlen (aus Geologie am Niederrhein 1978)
gekennzeichnet, wodurch die Schichtenfolge in mehrere Schollen zerlegt ist Im oberen Oligozän
begannen sich in der Niederrheinischen Bucht küstennahe, flache Seen und verlandende Lagunen mit
Sumpfwäldern und Waldmooren zu bilden. In diesen Mooren sammelten sich Torfe an, die schließlich
eine der größten zusammenhängenden Braunkohlen- Lagerstätten der Erde bildeten.
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Die Braunkohlen- führenden Schichten der Niederrheinischen Bucht gliedern sich in drei größere
Abschnitte. Bekannt sind hieraus die Unterflöz- Gruppe, auch Köln- Schichten genannt. Diese
repräsentieren das obere Oligo- und untere Miozän. Zu ihnen gehören auch die Blätterkohlen von Rott
(Siebengebirge).
Zum Hangenden hin folgt die Hauptflöz- Gruppe, auch als Ville- Schichten bezeichnet; die dem
unteren Miozän zugeordnet werden. Diese Gruppe erreicht im zentralen Teil der Niederrheinischen
Bucht eine durchgehende maximale Mächtigkeit von mehr als 100 Metern. Bemerkenswert ist, daß
jede Flözaufspaltung durch Zwischenmittel fehlt. Den Abschluß bilden die Inden- Schichten der
Oberflöz- Gruppe, die in das obere Miozän gestellt werden.
4.2
Das Mitteldeutsche Revier
Das Mitteldeutsche Braunkohlenrevier umfaßt den Raum Leipzig – Halle – Bitterfeld und schließt die Gegend
um Magdeburg und Braunschweig mit ein (Abb.8). Es umfaßt geographisch – geomorphologisch den Südteil des
Norddeutschen Tieflandes zwischen Elbe und Saale, mit der weit nach Süden vorspringenden Leipziger Bucht.
Abb.8:
Die Braunkohlenlagerstätten im Raum Bitterfeld, Weißelsterbecken und
östliches Subherzyn (VOLKMANN, 2000)
Die in der Unterkreide begonnene alpidische Gebirgsbildung setzt sich bis in das Quartär hin fort und
hat ihren Höhepunkt im mittleren Tertiär. Die intensive Bruchtektonik brachte ein Schollenmosaik von
Hoch- und Tiefschollen hervor.
Da der Küstenbereich Europas eine breite Pufferzone zwischen der Osteuropäischen Tafel im
Nordosten und dem Alpenraum im Südwesten bildet, kommt es zu der Reaktivierung alter Bruchzonen
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und Störungen. Außerdem wechseln Hebungs- und Senkungsphasen. Infolge dessen und durch
Meeresspiegeloszillationen treten unterschiedliche Sedimentationsverhältnisse auf.
Während des jüngeren Eozäns und mittleren Oligozäns ist das sogenannte Weißelsterbecken eine
Binnensenke.
Es
wird
von
Süden
durch
limnisch-
fluviatile
Sedimente
des
Älteren
Nordwestsächsischen Schwemmfächers aufgefüllt. Die Rupeltransgression und die generelle
Kippbewegung der Norwestsächsischen Hochscholle nach N im Mitteloligozän führt zu einer
Faziesänderung in der Sedimentation. Es werden vorwiegend marine Sedimente abgelagert. Die oben
genannte Binnensenke ist zu einer weit nach Süden vorspringenden Bucht der norddeutschen
Tertiärsenke geworden (EISSMANN 1968 = Leipziger Bucht). Für eine Abhängigkeit zwischen
epirogenetischer Einsenkung des Weißelsterbeckens und dem Wandern der Sedimentation von Süd
nach Nord sprechen mehrere geologische Indizien.
Die Verbreitung der Braunkohleflöze, die verstärkte Absenkung auf den im Süden befindlichen
Tiefschollen im Gegensatz zu den nördlich gelegenen Hochschollen. Die ältesten Tertiärsedmiente
sowie die ältesten Flöze sind im Süden auf den Tiefschollen vertreten. Zudem hat das Mittel zwischen
den Flözen I und II auf der Hochscholle ein geringeres Alter als das der Tiefscholle.
Die Flöze der Haupt- und Oberflözgruppe sind im gleichen Bildungsraum entstanden und lassen somit
auf über einen längeren Zeitraum einheitliche Bewegungstendenzen im Tertiärbecken schließen.
Im unteren Tertiär erfassen epirogene Senkungen den Sedimentationsraum des Weißelsterbeckens und
gehen dabei über die Hoch- und Tiefschollen des prätertiären Untergrundes hinweg. Die Stärke der
Absenkungen ändert sich dabei auf den Tiefschollen häufiger als auf den Hochschollen. Dies hat zur
Folge, daß auf der Hochscholle Haupt- und ein Oberflöz vorhanden sind. Hingegen sind auf der
Tiefscholle mehrere Flözbänke zu finden. Zudem wird die Absenkungsrate auf der Tiefscholle durch
subrosive Bewegungen modifiziert.
Anhand der Klimakurve des Tertiärs (Abb.2) ist ersichtlich, welche Temperaturen vorherrschten.
Damit ist die hohe Destruktion der Braunkohlen des Weißelsterbeckens erklärbar. Ergebnis dieser
hohen Destruktion sind ein vergleichsweise hoher Bitumengehalt und eine hohe Ausbeute an
Schwelteer. Die Kohlen bilden damit eine potentielle Rohstoffbasis für carbochemische Zwecke.
Problematisch sind die meist hohen Gehalte an Gesamtschwefel, ursächlich geknüpft an den
fluviatilen Eintrag. Der Einsatz von Entschwefelungsanlagenist daher für die industrielle thermische
Nutzung dieser Kohlen unumgänglich.
4.3
Das Lausitzer Braunkohlerevier
Das Lausitzer Braunkohlenrevier wird in den Nieder- und den Oberlausitzer Lagerstättenbezirk
gegliedert (Abb.9).
Lokalisiert ist der Niederlausitzer Lagerstättenbezirk zwischen Elsterwerda – Finsterwalde – Luckau
im Westen und der Lausitzer Neiße im Osten. Die Südgrenze bilden Lauchhammer – Hoyerswerda
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und Niesky. Im Norden schließen Lübben, Cottbus, Peitz und Guben das Gebiet ab. Dabei wird die
nordöstliche Oberlausitz um Weißwasser herum ebenfalls mit eingeschlossen.
Zwischen Görlitz und Zittau auf dem Granitund
Basaltgebirge
der
südöstlichen
Oberlausitz befindet sich der Oberlausitzer
Lagerstättenbezirk. In den Tertiärbecken von
Berzdorf und Zittau lagert ein bis 100m
mächtiger untermiozäner Flözkörper, der
jedoch flächig eng begrenzt ist.
Im mittleren Tertiär kam es zur Entstehung
der Alpen und infolge der Rupeltransgression
wurden weite Teile Europas überflutet. Der
Rückgang des Meeres wurde von den
Aktivitäten
des
tertiären
Vulkanismus
begleitet, dessen kettenförmig aufgereihten
Vulkane von Zentralfrankreich über das
Abb.9: Braunkohlenverbreitung in der Lausitz (VOLKMANN, 2000)
Siebengebirge, Hessen, Nordböhmen bis in die Oberlausitz reichten. Aus dieser Zeit resultierte ein
weitreichendes
Senkungsgebiet
in
Ostdeutschland
und
Polen.
Durch
die
regelmäßigen
Transgressionen und Regressionen der heutigen Nordsee konnten sich im Gebiet der Lausitz
Feinsande und Schluffe ablagern. Die Zufuhr von Süßwasser über die Flüsse wurde durch das flacher
werdende Meer begünstigt. Es kam zur Entstehung von Sumpfwäldern mit mächtigen
Torfablagerungen.
Das Moorwachstum wurde durch das Wasserangebot limitiert. Erneute Transgressionen brachten den
Kreislauf wieder in Gang. Das zurückweichende Wattenmeer entwickelte sich wiederum zu einer
ausgedehnten Moorlandschaft.
Es sind 4 bauwürdige Flöze ausgebildet, von denen allein der 2. Lausitzer Flözhorizont (Miozän)
derzeit bergbaulich gewonnen wird.
Der Bereich des 2. Lausitzer Flözhorizontes beinhaltet die Wechsellagerungen von marinen
Sedimenten und terrigenen Flözbildungen, wobei die Meeresablagerungen als Liegend- und
Hangendschichten der Flözbänke überliefert sind. Das im südlichen Teil des Lausitzer Reviers ein
geschlossener Flözkörper anzutreffen ist hängt mit der Mächtigkeitsabnahme der von Nord
kommenden Sand- und Schluffschichten zusammen. Diese werden erst zu Mitteln zwischen den
Flözbänken reduziert und keilen im Süden ganz aus, so daß sich die Flözbänke vereinigen. In den
Tagebauen der nördlichen Niederlausitz (Jänschwalde, Cottbus- Nord und Welzow- Süd) sind die
Flözlager durch Zwischenmittelsedimente getrennt. Dadurch besitzen die Lagerstätten mehrere
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Flözbänke. Die Mächtigkeit einer jeden Flözbank kann bis etwa 5m betragen. Diese ergibt sich aus der
zyklischen Aufeinanderfolge verschiedener Moortypen.
Der Oberlausitzer Lagerstättenbezirk befindet sich auf dem Granit- Basaltgebirge der südöstlichen
Oberlausitz im Gebiet zwischen Görlitz und Zittau. Im Gegensatz zu dem weitflächigen paralischen
Bildungsraum des 2. Lausitzer Flözhorizontes am Rande des Mittelmiozänmeeres der Niederlausitz
sind die tertiären Sedimentationsbecken von Berzdorf und Zittau nur von kleiner flächenhafter
Ausdehnung. Die tektonisch bedingte, verstärkte Senkungstendenz innerhalb der Becken führte aber
andererseits zu einer bedeutend mächtigeren Akkummulation des Kohlemoores, so daß Mächtigkeiten
von mehr als 100 Meter entstehen konnten.
Das Lausitzer Granodioritmassiv repräsentiert das prätertiäre Grundgebirge und wurde im Tertiär,
insbesondere an der Oligozän- Miozän- Grenze, verstärkt herausgehoben. Im Gegensatz dazu senkte
sich der Niederlausitzer Raum. Dabei kam es in den Randbereichen des Massivs im Raum GörlitzZittau zu starken tektonischen Aktivitäten. Hierbei kam es zur Bruchtektonik, wobei sich das Zittauer
und Berzdorfer Becken bildeten. Ebenso entwickelte sich der tertiäre Vulkanismus und zeichnete das
Gebiet nachhaltig.
Die im unteren Tertiär entstandene, tiefgründige granitische Verwitterungsdecke auf dem Lausitzer
Massiv, gelangte über Schwemmfächer in die lokalen Becken hinein und bildete dort mit einer Folge
von Tonen, Schluffen und Sanden einen großen Teil der tertiären Sedimentserie. In Zeiten relativer
tektonischer Ruhe kam es zur Moorbildung, aus der über einen langen Zeitraum hinweg mächtige
Flözkomplexe entstehen konnten. In Zeiten stärkerer Senkungstendenz wiederum überwog die
Sedimentation tonig- schluffiger Sedimente. Die Braunkohle ist i.d.R. asche- und xylitreich.
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5. LITERATUR
•
Erdmann, E., Dolch, M., 1927: Die Chemie der Braunkohle. 2.Auflage, Halle (Saale): Verlag von
Wilhelm Knapp
•
Nowel, W., Bönisch, R., Schneider, W., Schulze, H., 1995: Geologie des Lausitzer
Braunkohlereviers. 2. Auflage, Senftenberg: Lausitzer Braunkohle Aktiengesellschaft (LAUBAG)
•
Pätz, H., Rascher, J., Seifert, A., 1986: Kleine Naturwissenschaftliche Bibliothek. Kohle – ein
Kapitel aus dem Tagebuch der Erde. 1.Auflage, Leipzig: Teubner Verlagsgesellschaft
•
Seifert, A., 1979: Dissertation. Methoden und Ergebnisse regionaler kohlenpetrologischer
Untersuchungen zur Vergelung der Braunkohlen des Raumes Leipzig – Halle – Bitterfeld,
Freiberg
•
Volkmann, N., 2000: Freiberger Forschungshefte. C 484. Zum Einfluß rohstofflicher Merkmale
auf das Verhalten einheimischer Weichbraunkohlen in der katalytischen Hochdruck- Hydrierung
•
Vorlesungsmitschriften „Allgemeine Lagerstättenlehre Kohle/Erdöl/Erdgas
•
Vulpius, R.: Die Braunkohlelagerstätten in den fünf neuen Bundesländern. In: Zeitschrift für
angewandte Geologie, Bd. 39(1993), 2, S.96
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