Bromide characteristics and deformation mechanisms of naturally deformed rock salt of the German Zechstein Basin

Abstract

Die vorliegende Dissertation beinhaltet die Ergebnisse von vier Studien, die sich mit geochemischen Charakteristika und Deformationsmechanismen von Steinsalz befassten. Die Studien konzentrierten sich vor allem auf das Steinsalz der Staßfurt-Folge (Zechstein 2) und die Proben stammen aus verschiedenen Salzlagerstätten Deutschlands und der Niederlande. Die erste Studie untersuchte den Zusammenhang zwischen Deformationsintensität und Bromidcharakteristika im Steinsalz. Dazu wurde die Bromidverteilung eines definierten stratigraphischen Abschnitts (Hauptsalz) der Staßfurt-Folge (Zechstein 2) in drei Salzlagerstätten untersucht, wobei Salz aus flacher Lagerung (Teutschenthal) mit Salzen aus Salzdomen (Morsleben, Gorleben) verglichen wurden. Der Vergleich der verschiedenen Lokalitäten ergab folgende Ergebnisse: (1) Der charakteristische Verlauf des Bromidprofils ist sowohl in flach gelagerten Salzen als auch im stärker deformierten Salz der Salzdome zu erkennen. (2) Die Streuung der Bromidgehalte entlang der gleitenden Durchschnittskurve ist in den Salzen aus Morsleben und Gorleben geringer als in Teutschenthal, insbesondere im unteren Bereich des Hauptsalzes. (3) Im unteren Bereich des Hauptsalzes von Morsleben und Gorleben wurden keine Kristallbrocken beobachtet. Die geringere Streuung der Bromidgehalte im Salz von Salzdomen sowie das Fehlen von Kristallbrocken sind einerseits klare Anzeichen für den Einfluss von Verformungsprozessen während der Salzdomentstehung. Es zeigt, dass diese Prozesse mit einer Umverteilung von Bromid verbunden sind, was schließlich zu einer Homogenisierung der ursprünglich stärker variierenden Bromidgehalte führte. Andererseits zeigt der charakteristische Verlauf des Bromidprofils in allen drei Lokalitäten, dass großmaßstäbliche Brekziierung, Faltungsprozesse oder zirkulierende bromidreiche Fluide während der Entstehung der Salzdome nur eine untergeordnete Rolle gespielt haben können. Das Thema der zweiten und dritten Studie dieser Arbeit war der für die Staßfurt-Formation (Z2) charakteristische, laminierte Halit-Typ Kristallbrocken. Die Untersuchungen der beiden Studien sollten dazu beitragen, diesen Halit-Typ besser zu verstehen und bisher ungeklärte Fragen bezüglich Struktur, Bildung und Deformation beantworten zu können. Röntgentexturmessungen an 4 Kristallbrocken-Proben aus der Salzlagerstätte Teutschenthal zeigten, dass es sich bei diesem Halit-Typ um Einkristalle handelt und sie als Relikte von vormals größeren Einkristalllagen angesehen werden können. Detaillierte mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Internlamination der Kristallbrocken aus verschiedenen Arten von Sulfateinschlüssen (Anhydrit, Polyhalit) besteht. Besonders charakteristisch sind dabei Anhydritaggregate, die von Lösung umgeben sind. Durch die ursprüngliche Größe der Einkristalllagen, deren hohen Anteil an relativ großen Festeinschlüssen sowie ihre charakteristischen sedimentären Merkmale erscheint es sehr unwahrscheinlich, dass die laminierten Einkristalle direkt aus der Lösung gebildet worden sind. Viel wahrscheinlicher ist, dass ursprünglich ein feinkörniges, laminiertes Halitsediment vorhanden war, welches in einem postsedimentären Kornwachstumsprozess zu monokristallinen Kristallbrocken umgewandelt wurde. Eine plausible Erklärung für die Entstehung der charakteristischen Anhydritaggregate ist, dass zunächst Gipskristalle im Halitsediment eingeschlossen wurden, welche sich im später gebildeten Kristallbrocken in Anhydrit umwandelten. Die Volumenreduktion sowie die Freisetzung von Wasser bei einer vollständigen Gips-Anhydrit-Umwandlung erklären das heutige Aussehen dieser Festeinschlüsse im Kristallbrocken. Das bruchhafte Deformationsverhalten der monokristallinen Kristallbrocken kann durch die ursprüngliche Größe sowie die große Anzahl von Festeinschlüssen erklärt werden, denn dadurch verhält sich dieser Halittyp gegenüber der umgebenden fein- bis grobkörnigen Steinsalzmatrix rheologisch kompetenter. Die Ziele der vierten Studie waren die Untersuchung von Texturen in natürlich deformierten Salzgesteinen und deren Korrelation mit Mikro- und Makrostrukturen sowie der gesamten Salzstruktur. Die vorliegende Dissertation präsentiert die Ergebnisse der ersten Neutronentexturanalysen von vier Proben aus den Salzlagerstätten Teutschenthal, Morsleben und Gorleben. Die Proben aus Morsleben und Gorleben zeigen eine deutliche Kornformanisotropie, während die Proben aus Teutschenthal nur eine schwache Kornlängung aufweisen. Die Polfiguren aller Proben zeigen keine kristallographische Vorzugsorientierung (Textur). Das Fehlen einer Textur deutet darauf hin, dass intrakristalline Deformationsmechanismen keine oder nur eine untergeordnete Rolle bei der Deformation dieser Salze gespielt haben können. Es müssen daher alternative Deformationsmechanismen in Betracht gezogen werden wie z.B. Drucklösungsprozesse, Diffusionskriechen oder flüssigkeitsgestützte Korngrenzmigration.