Exkursion Erzlagerstätte Schauinsland

Exkursion Erzlagerstätte Schauinsland
29.04.2006
A. Danilewsky, K. Wilker, J. Tonn, J. Wittge
1.
1.1
1.2
Geologische Übersicht und Entstehung der Erzgänge
Geologische Übersicht des Schwarzwaldes
Grundgebirge des Bereichs Schauinsland - Kappler Tal
a) Paragneis
b) Amphibolite
c) Gänge
1.2
1.3
Entstehung der Erzgänge
Erzgänge und Mineralbestand
2. Historischer Überblick und Bergbauperioden
3. Aufbereitung und Verhüttung
4. Literatur
Anlage A: Auszug TK 25 8013 Freiburg SE, Wanderweg
Anlage B: Auszug Geologische Karte
2
1. Geologische Übersicht und Entstehung der Erzgänge
1.1. Geologische Übersicht des Schwarzwalds
Prävariszisch:
Variszisch:
Mesozoisch:
Tertiär:
Bildung von Paragneisen aus Sedimenten (Arkosen, Grauwacken),
Orthogneisen aus Graniten, Amphiboliten aus gabbroiden Gesteinen
Anatexis, Intrusionen von Graniten und Ganggesteinen
=> Grundgebirge
Sedimentation des Deckgebirges (noch erhalten im Westen im Rheingraben und in der Vorbergzone sowie nach Osten: Schichtstufenland)
=> Deckgebirge
Aufwölbung und damit Abtragung der Sedimente, Rheingrabenbruch
Gebiet Schauinsland: Heute nur noch Grundgebirge des "Zentralschwarzwälder
Gneiskomplexes" und geringe quartäre Bodenbildung
Abb. 1.1:
Übersicht der Geologie des Schwarzwalds mit den wichtigsten
Bergbaugebieten, aus [1]
3
1.2 Grundgebirge des Bereichs Schauinsland - Kappler Tal
a) Paragneis ("Renchgneis")
Mineralbestand:
Feldspat:
Plagioklas (18-41% Anorthit)
Orthoklas (nur 0-10, max. 17 Vol.-%)
Quarz
Glimmer:
Biotit
untergeordnet: Hornblende, Cordierit, Sillimanit
akzessorisch: Granat, Apatit, Zirkon, Titanit
Gefüge:
deutlich lagig
Ursprung:
Arkosen (feldspatreiche Sandsteine),
Grauwacken (reich an Glimmer, Tonminerale, feinkörnig),
Schiefer
Genese:
prävariszische Regionalmetamorphose,
Katazone: T > 600 °C, p > 4 kbar (Amphibolitfazies)
danach variszische Absenkung mit Anatexis
Anatexis:
regionale Mobilisation in verschiedenen Stufen, zuerst die hellen
Gemengteile (Sprossung der Feldspäte: Blastese, Bildung von
gangartigen Schlieren mit Feldspat und Quarz)
Diatexis:
vollständige Mobilisation einschließlich der dunklen Gemengteile führt
zu schlierigen, granitartigen Gesteinen, inhomogen
b) Amphibolite
Mineralbestand:
Amphibol:
Hornblende Ca2(Na,K)0.5-1(Mg,Fe2+)3-4(Fe3+,Al)2-1[O,OH,F)2/Al2Si6O22]
(Alumosilikat, Zweierdoppelketten von SiO4-Tetraedern, C2 - 2/m)
Feldspat (Plagioklas, serizitisiert)
akzessorisch: Granat, Biotit, Apatit, Titanit, Pyrit
Gefüge:
klein- bis mittelkörnig schiefrig bis schlierig
Ursprung:
magmatisch: Diabas, Gabbro, Basalt (also basische, Plagioklas-reiche
Gesteine)
sedimentär: dolomitische, eisenschüssige Mergel
4
c) Gänge
Lamprophyr
Gefüge:
porphyrisch
Grundmasse:
Einsprenglinge:
Akzessorien:
Plagioklas, wenig Quarz und Alkalifeldspat
meist Biotit, wenig Pyroxen (Diopsid)
Kalzit, Chlorit, Hornblende, Titanit, Apatit, Pyrit, Hämatit
Aplitgranit
Gefüge:
klein- bis mittelkörnig, wenig porphyrisch
Hauptbestandteile:
Plagioklas (An 5-15%), Orthoklas, Quarz und Biotit, Muskowit,
Cordierit, z.T. Turmalin
Akzessorien:
Titanit, Anatas, Apatit, Zirkon, Granat, Andalusit
Ruscheln
lockere Zerrüttungszonen längs von Bewegungsflächen (fest: Mylonite), sandig - tonig
Letten
vorwiegend tonig, sehr feinkörnig
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1.2. Entstehung der Erzgänge
Abb. 1.2: Entstehung der Erzgänge schematisch aus [2,3]:
(1) Oberkarbon: Ende der variszischen Tektonik
(2) Oberkarbon - Perm: Intrusion von Ganggraniten, Bildung von Scherzonen
(3) Jura - Kreide: Entstehung der Ruschelstörungen, linkslaterale Scherung
(4) Tertiär: rechtslaterale Scherung, dreiphasige Hydrothermalmineralisation
Die Herkunft der hydrothermalen Wässer ist in Abbildung 1.3 dargestellt. Die Ergebnisse
stammen aus der Untersuchung der Flüssigkeitseinschlüsse hauptsächlich der
Gangmineralien.
Die chemisch Zusammensetzung der Flüssigkeitseinschlüsse gibt Auskunft über die
Zusammensetzung der Ausgangsflüssigkeit. Vor allem die Salinität, und hier das Verhältnis
von Br – Cl gestatten Aussagen über die Herkunft des Wassers: meteorisches Wasser,
Süßwasser oder Meerwasser.
Erdöleinschlüsse in Zinkblende zeigen die Signatur den Pechelbronner Schichten und deuten
damit auf eine Vererbung im Jungtertiär hin [2].
6
Abb. 1.3: Herkunft der hydrothermalen Wässer und Ausfällung (aus [2,3])
7
1.3 Erzgänge und Mineralbestand
Gangstreichen:
Fallen:
Mächtigkeit:
Einordnung:
NNW - SSE (20 - 60°)
steil W (70 - 80°)
stark schwankend 0,5 - 3,0 m
Quarz –Schwerspat – Kalkspatgänge mit Pb – Zn – Erzen
mit 3 Mineralisationsphasen, z.T. mit Brekzien-Bildung
Paragenese Gangarten:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Quarz (Grundquarz, Hornstein)
Älterer Kalkspat (derb)
Älterer Schwerspat (Hauptschwerspat)
Braunspat (Ankerit)
Jüngerer Schwerspat (fehlt häufig)
Jüngerer Kalkspat (XX)
Paragenese Erze:
1.
2.
3.
4.
5.
Erste Generation Zinkblende, Bleiglanz
Ältere Kiesgeneration (Kupferkies, Pyrit)
Zweite Generation Zinkblende, Bleiglanz
Dritte Generation Zinkblende, Bleiglanz
Jüngere Kiesgeneration (Pyrit, Markasit)
Zinkblende (Sphalerit)
ZnS Td - 4 3m
Bleiglanz (Galenit)
PbS Oh - m 3 m
Kupferkies (Chalkopyrit)
CuFeS2 D2d - 4 2m
Pyrit
FeS2 Th – m 3
Markasit
FeS2 D2h - mmm
(niedrigere Bildungstemperatur wie Pyrit)
Abb. 1.4:
Typischer Gang,
I. Feldstrecke über Leopoldsohle:
Zinkblende I, Kalkspat I,
Zinkblende II, Quarz II
(Schürenberger 1954) aus [2]
SiO2
CaCO3
BaSO4
CaFe[CO3]2
BaSO4
CaCO3
D3 - 32
D3d - 3 m
D2h - mmm
C3i – 3
D2h - mmm
D3d - 3 m
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Sekundäre Bildungen:
a) Pb:
Cerussit
Wulfenit
PbCO3
PbMoO4
D2h - mmm
C4 – 4
b) Zn:
Pyromorphit Pb5(PO4)3Cl
Hemimorphit Zn4Si2O7(OH)2 x H2O
Hydrozinkit Zn5[(OH)3/CO3]2
C6h - 6/m
C2v - mm2
C2 - 2/m (Krusten, bildet sich noch rezent)
c) Sonstige:
Limonit
Malachit
Silber
Fe – O – OH
Cu2[(OH)2/CO3]
Ag
Krusten(meist feinkörniger Goethit FeOOH)
C2 - 2/m
Oh - m 3 m
Lage der Haupterzgänge und das Grubengebäude
Abb. 1.5:
Seigerriß des Grubengebäudes und Erschließung der Erzgänge (aus [2,3])
9
2. Historischer Überblick und Bergbauperioden
- ab 12. Jh. auf den Höhen des Schauinslands
- 14. Jh. erste Blütezeit bei Haldenhof südl. Hofsgrund (Grube Dieselmuot)
- 1340 Stiftung der "Schauinslandfenster" im Freiburger Münster
- 1372 "Dieselmuoter Bergweistum" eine der ältesten Bergordnungen, erlassen durch Graf
Egeno IV von Freiburg
- 14. – 18. Jh. Abbau von Bleiglanz und Grünbleierz (Pyromorphit) im Bereich Willnau
- 15. - 17. Jh. Rückgang des Bergbaus (Holzmange, 30-jähriger Krieg etc.)
- ab 1724 Wiederaufnahme, hauptsächlich Pb von Bedeutung
- 1803: 19 Stollen, aber nicht mehr befahrbar
- ab 1876 Wiederaufnahme auf Zn, Verhüttung der alten Halden
- 1889 Auffahrung des Kappler Stollens
- 1899 Bau der 5,3 km Seilbahn bis Erzwäsche Kappel. Dort nur nassmechanische
Aufbereitung
- 1908 Auffahrung Leopoldstollen als Hauptförderstollen (1 km Querschlag) zum
Roggenbachsschacht (Blindschacht, Hauptförderschacht über 500 m)
- 1930 Stilllegung
- 1935 Stolberger Zink AG
- 1937 Flotation in Kappel
- 1945 -1946 kriegsbedingte Pause
- 1947 Durchschlag Tiefer Stollen zum Roggenbachschacht zur Entwässerung
- 31.10.1954 endgültige Stilllegung
Zusammensetzung der Erze:
SiO2: 52,5 – 75,5 %
Zn:
bis zu 25 %
Pb:
bis zu 2,3 %
Karbonate untergeordnet
Feinverteilte Fahlerze (Cu, Sb, As)
Ag:
Ag:
0,03 % im Zinkerz
0,08 % im Bleierz
Abb. 2.1:
Schauinslandfenster im Freiburger
Münster ca. 1320 - 1340
Zinkblende:
Cd:
0,08 – 0,2 %
Au, Pt: < 16 ppb
In:
10 – 1730
Ge:
100 – 1200 ppm
Ga:
200 ppm
Förderung 1953:
200 t Roherz mit 0,9 % Pb, 5,4 % Zn, ca. 0,04 % Ag
Förderung im 20. Jh.: 1,2 mio t Roherz, 70.000 t Zn (5,7 %), 12.000 t Pb (1,0 %),
12 t Ag (0,001%)
Erschlossene Vorräte: ca. 500.000 t
10
3. Aufbereitung und Verhüttung
- Ab 1908 Transport des Roherzes mit Seilbahn zur "Erzwäsche"
- Poche:
mechanisches Zerkleinern des Roherzes, meist mit Wasserkraft
- Schlämmen: Reinigung und z.T. Trennung von Erz und Gangarten, meist durch abseigern
(hoher Wasserbedarf !)
- Flotation: Trennung verschiedener Erze, hauptsächlich durch unterschiedliches
Benetzungsverhalten nach Chemikalienzusatz und Seigerung
(hoher Wasserbedarf !)
a) Zn:
- Hauptverunreinigungen Zinkerz aus ZnS: Fe, Cd, In, ....
- Abrösten der sulfidischen Erze:
ZnS + 1,5 O2 → ZnO + SO2 + 104,95 kcal
- Trockenes Verfahren zur Reduktion (ca. 60% der Weltproduktion von Zn):
bei ca. 1100 – 1300 °C: 56,82 kcal + ZnO + C ↔ Zn + CO
Rohzink: 97 -98 % Zn
- Nasses Verfahren zur Reduktion: Elektrolyse von ZnSO4 - Lösung
ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O
- Fraktionierte Destillation: Feinzink 99,99 % Zn
- Verunreinigungen wie In, Ge, Ga, Cd werden getrennt gereinigt und sind wichtige Rohstoffe
z.B. Indium: als III-V-Verbindungshalbleiter InP unverzichtbar in der GlasfaserNachrichtentechnik als Halbleiter-Laser und Detektor (Wellenlänge ca. 1,6 µm: geringste
Absorption und Dispersion in der Glasfaser)
b) Pb:
- Hauptverunreinigungen Bleierz aus PbS: Cu, As, Ag
- Röstreduktionsverfahren:
bei Rotglut durchblasen von Luft:
PbS + 1,5 O2 → PbO + SO2 (Röstarbeit)
dann im Schachtofen mit Koks:
PbO + CO → Pb + CO2 (Reduktionsarbeit)
- Röstreaktionsverfahren:
unvollständiges rösten:
3 PbS + 3 O2 → PbS + 2 PbO + 2 SO2 (Röstarbeit)
weiteres erhitzen im "Herd" unter Luftabschluß:
3 PbS + 2 PbO → 3 Pb + 2 SO2 (Reaktionsarbeit)
=> Werkblei ca. 98 - 99 % Pb
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- Silberabtrennung von Ag durch Parkesieren, Pattinsonieren, Treibarbeit
Parkesieren:
Schmelzpunkt TS für Ag: 961 °C
Schmelzpunkt TS für Pb: 327 °C
Schmelzpunkt TS für Zn: 419 °C
Siedepunkt von Zn:
908 °C
-
Dichte: 10,5 g/cm3
Dichte: 11,3 g/cm3
Dichte: 7,1 g/cm3
t < 400 °C: Pb und Zn sind flüssig, aber praktisch nicht mischbar
2 flüssige Phasen trennen sich: Pb mit größerer Dichte unten, Zn oben
Ag in Zn leicht löslich => Anreicherung im "Zinkschaum" oben
Abtrennung des Ag-haltigen Zn-Schaumes
beim Abkühlen Bildung von Zn-Ag- Mischkristallen, verunreinigt durch anhaftendes
"Armblei"
Erhitzen bis knapp über TS von Pb: abseigern des Armbleis
Reichschaum von Zn enthält 75 % Pb und bis zu 10 % Ag
durch Erhitzen über den Siedepunkt des Zn (908 °C) wird Zn abdestilliert
Reichblei mit 8 – 12 % Ag
=> Treibarbeit
Pattinsonieren:
- bei 304 °C und 2,5 % Ag eutektischer Punkt im Phasensystem Pb – Ag
- beim Abkühlen kristallisiert oberhalb 304 °C Ag-armes Pb
- dauerndes Abschöpfen der reinen Pb-Kristalle mit gesiebten Löffeln führt zu einer AgAnreicherung im Reichblei von bis zu 2,5 %
=> Treibarbeit
Treibarbeit:
- Im Flammofen (Treibherd) im Windstrom wird Pb oxidiert, nicht aber das edlere Ag
- Bleiglätte PbO (TS = 884 °C) läuft durch seitliche Rinnen ab, ein Teil verdampft oder wird
von Ofenfütterung aufgenommen
- Ag bleibt unter PbO zurück
- wenn das letzte PbO – Häutchen aufreißt, lässt es das hochglänzende flüssige Ag
durchblicken
=> Silberblick
Blicksilber (Rohsilber) ca. 95 % Ag
- weitere Reinigung elektrolytisch (Möbius-Verfahren)
aus [5]
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6. Literatur
[1] K. Walenta
Die Mineralien des Schwarzwaldes und ihre Fundstellen
Weise 1992
[2] W. Werner, H. J. Franzke, G. Wirsing, J. Jochum, V. Lüders, J. Wittenbrink
Die Erzlagerstätte Schauinsland bei Freiburg im Breisgau
Berichte der Naturforschenden Gesellschaft zu Freiburg i.Br. Bd. 92(1) 2002
[3] W. Werner und V. Dennert
Lagerstätten und Bergbau im Schwarzwald. - Ein Führer unter besonderer
Berücksichtigung der für die Öffentlichkeit zugänglichen Bergwerke
Sonderveröffentlichung des Landesamtes für Geologie, Rohstoffe und Bergbau
BW, 2004
[4] B. Steiber
Der Schauinsland. Geschichte - Geologie - Mineralisation
Haltern (Bode) 1986
[5] Hollemann-Wiberg
Lehrbuch der Anorganischen Chemie
de Gruyter, x.te Aufl.
Geologische Karte 1 : 25000 Blatt 8013 Freiburg SE
+ Erläuterungen von W. Wimmenauer und R. Hüttinger (1967),
Geol. Landesamt BW
TK 25 Blatt 8013 Freiburg SE