Geologische 3D-Modellierung der Steinsalzlagerstätte Braunschweig-Lüneburg : ein Beitrag zur nachhaltigen Nutzung einer komplexen Steinsalzlagerstätte

Buxbaum-Conradi, Christian; Lottermoser, Bernd G.; Zeibig, Silvio

doi:37782

Geologische 3D-Modellierung der Steinsalzlagerstätte Braunschweig-Lüneburg : ein Beitrag zur nachhaltigen Nutzung einer komplexen Steinsalzlagerstätte = 3D geological modeling of the rock salt deposit Braunschweig-Lüneburg : a contribution to the sustainable use of a complex rock salt deposit

Buxbaum-Conradi, Christian^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevon M.Sc. Christian Buxbaum-Conradi

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (XI, 206 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lottermoser, Bernd G. (Thesis advisor)^RWTH* ; Zeibig, Silvio (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-231026
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/751025/files/751025.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Anhydritklippen (frei) ; Grasleben (frei) ; Kristallsalz (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Steinsalzbergwerk Braunschweig-Lüneburg produziert seit rund 100 Jahren innerhalb der intensiv deformierten Salzstruktur des Oberes Allertales. Die bergmännische Gewinnung erfolgte zunächst seit 1923 ausschließlich auf dem Kristallsalz. In jüngster Zeit wird zudem das Schwadensalz, ebenfalls aus der Leine-Folge (Zechstein 3), mit in die Förderung des Bergwerkes einbezogen. Beide Steinsalzhorizonte weisen teilweise erhebliche Qualitätsschwankungen, vor allem in Form von sulfatischen Begleitmineralen wie Anhydrit, auf. Neben dem sogenannten Normalsalz als Grundlage für hochqualitative Produkte wird auch Auftausalz gefördert, an welches weitaus geringere Qualitätsanforderungen gestellt werden. So ist diesbezüglich nur ein Mindestgehalt von 97,5 % statt 98,5 % NaCl einzuhalten. Ein geologisches 3D-Modell des südlichen Teils der Lagerstätte wurde erstellt, um die Forschungsfrage zu beantworten, ob sich hinter den Qualitätsschwankungen des wichtigsten Abbauhorizontes, dem Kristallsalz, eine Systematik in Form von räumlichen Abhängigkeiten, verbirgt und wie solche Erkenntnisse zu einer besseren Nutzung der Lagerstätte beitragen können. Weiterführend wurde untersucht, ob benachbarte Salzhorizonte für die Förderung von Auftausalz in Frage kommen. Hierzu wurden die im Untersuchungsgebiet über zwölf Teilsohlen in einer Teufe von ca. 390 bis 570 m aufgeschlossenen Evaporite der Zechsteinfolgen z2 (Staßfurt-Folge) bis z4 (Aller-Folge) in das 3D Modell implementiert. Anhand von über 400 untertägigen Bohrungen, Streckenkartierungen, Georadarmessungen und Interpretationsdaten (Profile und Grundrisse) wurde mittels der Software GOCAD in einem expliziten Modellierungsansatz ein konsistentes geometrisches Modell der wichtigsten stratigraphischen Schichtgrenzen erstellt. Darauf aufbauend wurden die Analysenergebnisse von rund 15.000 Bohrkernproben räumlich und stratigraphisch zugeordnet und geostatistisch ausgewertet. Die dabei betrachteten Kenngrößen zur Qualitätsbestimmung (NaCl-, KCl-, CaSO4 und MgSO4-Gehalt) wurden anschließend innerhalb eines Blockmodells interpoliert und im kleinen wie im großen Maßstab auf räumliche Abhängigkeiten untersucht. Die Auswertung des geometrischen Modells führte zur Identifikation der Hauptstrukturelemente, unter anderem einer WNW-ESE streichenden Störung entlang der Salzbasis. Die Vergenz der Faltenstrukturen im Untersuchungsgebiet ist im Westen nach Osten und im Osten nach Westen gerichtet. Die größtenteils NNW-SSE streichenden Sattelstrukturen des Staßfurt-Steinsalzes (z2NA) bzw. die durch vorwiegend mit Einheiten der Leine-Folge (z3) gefüllten Muldenstrukturen verzweigen sich im Einflussbereich der Salzbasisstörung. Vor allem die kompetenten Bruchschollen des Hauptanhydrits (z3AN) sorgen durch lokale Überschiebungs- und Rotationsbewegungen für eine komplexe Geometrie. Eine Vielzahl sogenannter Klippenstrukturen prägt das Erscheinungsbild des Hauptanhydrits und der gesamten Faltenstrukturen maßgeblich. Diese durch Gipsdiapirismus synsedimentär entstandenen Mächtigkeitsanomalien ragen teilweise über 50 m weit diskordant in das hangende Kristallsalz hinein und haben häufig eine pilzartige Form. Die Auswertung der Analysenergebnisse innerhalb des Blockmodells ergab klare räumliche Abhängigkeiten der Qualitätsschwankungen. In einem Umkreis von bis zu 50 m um die Klippenstrukturen ist ein erhöhter CaSO4-Gehalt zu verzeichnen. In der Nähe der Sattelstrukturen ist häufig ein erhöhter MgSO4- und KCl-Gehalt zu beobachten. Besonders auffällig ist eine starke Erhöhung von CaSO4-, MgSO4- und KCl-Gehalten in der stark eingeengten, parallel zum nordöstlichen Salzrand verlaufenden Muldenstruktur. Weiterhin ist eine Erhöhung des MgSO4-Gehalts im Einflussbereich der Salzbasisstörung in Richtung Süden zu verzeichnen. Kristallsalzlager mit einem NaCl-Gehalt von über 99,0 % sind grundsätzlich mit einer gröberen Korngröße assoziiert und stets an die Ostschenkel breiter Muldenstrukturen gebunden. Der wichtigste Faktor für die Anlage dieser qualitativ hochwertigen Bereiche ist vermutlich auf eine Druckschattenposition während der kretazischen Kompression zurück zu führen, sodass NaCl-reiche Lösungen migrierten und es zum Wachstum der Halitkristalle kam. Diese Position wurde schon während der synsedimentären Extension und Anlage der Anhydritklippen, wie auch während der späteren Einfließphase im Zuge der Floßtektonik maßgeblich beeinflusst. Beide vorgenannten Prozesse führten außerdem zu frühzeitigen regionalen Variationen in Form von Verunreinigungen durch Sulfate oder Kalisalze. Fluide waren im System ausreichend vorhanden und sorgten für vorwiegend dynamische Prozesse der Salzdeformation. Relative NaCl-Anreicherungen im Kristallsalz erfolgten mit hoher Wahrscheinlichkeit aus dem liegenden Staßfurt-Steinsalz. Die im Staßfurt-Steinsalz vorhandenen hohen Fluidanteile, vorwiegend aus dem Diageneseprozess der dispers verteilten Gipsaggregate, dienten gemeinsam mit den Metamorphosefluiden des Kaliflözes Staßfurt (z2KSt) als Transportmedium. Große Mengen an gelöstem Kalium, Magnesium und Natrium wurden so in stratigraphisch jüngere Einheiten transportiert. In Hinblick auf die Nutzung der untersuchten Steinsalzhorizonte konnte festgestellt werden, dass auch eine Auftausalzförderung im Schwadensalz (z3NAh) grundsätzlich in Frage kommt. Anhand einer exemplarischen Abbauplanung konnte die Machbarkeit solcher Abbaue ohne Störung der Kristallsalzgewinnung belegt werden. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit enormes Optimierungspotential im Bereich der Naherkundung identifiziert. Durch Integration von Stoßradarmessungen, eine vermehrte Anwendung von Vollbohrungen und das schräge Ansetzen von Kernbohrungen könnte ein besseres Explorationsergebnis mit mehr Aufschlusspunkten bei teilweise über 90 % weniger Bohraufwand erzielt werden. Die vorliegende Arbeit zeigt auf, dass auch komplexeste geologische Strukturen mit vertretbarem Aufwand und großem Nutzen dreidimensional modelliert werden können. Der Prozess der Modellierung konnte auf vielen Ebenen, der Exploration, des Datenmanagements, des geologischen Verständnisses und der strategischen Abbauplanung, zur Identifikation von Ansätzen für eine nachhaltigere Nutzung der Lagerstätte beitragen. Die erkannten räumlichen Abhängigkeiten bezüglich der Zusammensetzung des Steinsalzes, vor allem die Nähe zum Salzrand und die Rolle von großräumigen Druckschatten innerhalb des Salzkörpers, sind für den Betrieb wertvolle neue Information zur Qualitätssicherung. Da die erkannten Abhängigkeiten zumeist übergeordneten Prozessen zugeschrieben werden, sind solche Zusammenhänge mit hoher Wahrscheinlichkeit auch in anderen Salzlagerstätten des Zechstein zu erwarten und können für unterschiedlichste Fragestellungen genutzt werden.

For nearly 100 years the rock salt mine Braunschweig-Lüneburg produces within the intensively deformed salt structure Oberes Allertal. Mining focused exclusively on the Kristallsalz since 1923. More recently, the Schwadensalz, another rock salt horizon of the Leine-Folge (third Zechstein sequence) is partially included in the production. Both horizions are subject to considerable fluctuations in quality, especially in the form of sulfatic accessory minerals like anhydrite. Apart from Normalsalz, the basis for high quality salt products, deicing salts with much lower quality requirements are also produced. For deicing salt a minimum content of 97.5 instead of 98.5 % NaCl content is required. A 3D geological model of the southern part of the deposit has been created in order to answer the following research question: are there spatial dependencies of quality fluctuations within the Kristallsalz and how may such insights contribute to a better utilization of the deposit? In addition, it was investigated whether there are adjacent salt horizons with the potential for an additional deicing salt production. For this purpose, the evaporites of the Zechstein z2 (Staßfurt sequence) to z4 (Aller sequence), which are digested within the study area along twelve sublevels at a depth of about 390 to 570 m, were implemented in the 3D model. Taking the information of over 400 underground drill holes, drift mappings, georadar surveys and interpretation data (profiles and level plans) into account, the software GOCAD was used to create a consistent, geometric model of the most important stratigraphic boundaries. This was done with an explicit modeling approach. Subsequently, the analysis results of around 15,000 drill core samples were spatially and stratigraphically assigned and geostatistically evaluated. The parameters used to determine the quality, NaCl, KCl, CaSO4 and MgSO4 were then interpolated within a blockmodel and investigated on a small and large scale concerning spatial dependencies. Analysis of the 3D geometric model led to the identification of some main structural elements, including a WNW-ESE striking fault along the salt base. Vergence of the fold structures changes from eastward in the west to westward in the east. The anticline structures, made up of the Staßfurt-Steinsalz (z2NA) and the syncline structures, mostly containing deposits of the third Zechstein sequence, mainly strike NNW-SSE. However, they bifurcate in the influence area of the subsalt fault, where the state of deformation is strongly affected and complicated by overthrusted and rotated stringers of the brittle Hauptanhydrit (z3AN). A large number of so-called Klippenstrukturen (cliff structures) characterize the appearance of the Hauptanhydrit and the entire fold structures. These thickness anomalies were formed by the process of a synsedimentary gypsum diapirism. The structures are often shaped mushroom-like and protrude up to 50 m discordantly into the hanging Kristallsalz. The evaluation of the analysis results within the blockmodel revealed clear spatial dependencies of the quality fluctuations.. Within a radius of up to 50 m around the Klippenstrukturen, an increase of the CaSO4 content is recorded. Increased MgSO4 and KCl contents are often observed close to anticlines. A strong increase of CaSO4, MgSO4 and KCl content in the narrowed syncline parallel to the north-eastern salt edge is very prominent. Furthermore, an increase in the MgSO4 content to the south of the study area is noted, corresponding with the area of influence of the fault along the salt base. Kristallsalz beds with a NaCl content above 99.0 % are associated with a coarser grain size and are always bound to the eastern limb of syncline structures with a great width. The key factor for the development of these high quality zones is presumably a pressure shadow position during the Cretaceous compression. The migration of NaCl-rich solutions likely led to the growth of giant halite crystals there. These shadow positions were already affected during the synsedimentary extension and development of the Klippenstrukturen, as well as the later inflow phase during raft tectonics. Both processes led to early regional impurity variations by sulfates and potash salts. Fluids were sufficiently present in the system and caused predominantly dynamic salt deformation processes. It is very likely, that the additional NaCl of the highly pure beds of Kristallsalz originate from the Staßfurt-Steinsalz. The high fluid content of this layer, mainly derived from the diagenesis of dispersed gypsum aggregates, together with the metamorphic fluids of the Kaliflöz Staßfurt (z2KSt), served as medium of transport. Consequently, substantial amounts of dissolved potassium, magnesium and sodium were carried into stratigraphically younger units. With regard to the use of the investigated rock salt horizons, it was found that the production of deicing salt is principally also possible from the Schwadensalz. The feasibility of mining Schwadensalz was demonstrated by means of an exemplary planned mining section. This could be done without restricting the production of Kristallsalz. Furthermore, enormous opzimization potential was identified for detail exploration. By integrating Radio Echo Sounding (RES) measurements, increasing the use of dry drill jumbos, as well as angularly applied core bores, better exploration results can be achieved. This way, more information can be gained, requiring up to 90 % less drilling effort in some cases. This work has shown that even the most complex geological structures can be three-dimensionally modeled with a reasonable effort and huge benefit on many levels. Exploration, data management, geological understanding, and strategic mine planning have all benefited highly from the modeling process. Summed up, it has contributed to the identification of key approaches to a more sustainable utilization of the Braunschweig-Lüneburg rock salt deposit. The recognized spatial dependencies regarding the composition of the rock salt, especially the proximity to the salt margin and the role of large-scale pressure shadows within the salt body, are valuable new information for quality assurance purposes. Since the identified dependencies are usually attributed to higher-level processes, such correlations are very likely to be expected in other salt deposits of the Zechstein and can be used for a wide variety of questions.

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