Neue Ergebnisse Zur Bentonitisierung Des Wilsdruff
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GEOLOGICA SAXONICA Journal of Central European Geology 56/2 (2010) 115 – 125 Neue Ergebnisse zur Bentonitisierung des Wilsdruff -Potschappeler Porphyrites bei Dresden (Sachsen, Deutschland) New results of the bentonitization of the Wilsdruff -Potschappel Porphyrite near Dresden (Saxony, Germany) Bernd Ullrich 1, Michael Dietze 2, Frank Haubrich 3 1 Technische Universität Dresden, Institut für Geotechnik, Professur für Angewandte Geologie George-Bähr-Straße 1, 01069 Dresden, Deutschland [email protected] 2 Technische Universität Dresden, Institut für Geographie, Professur für Physische Geographie Helmholtzstraße 10, 01069 Dresden, Deutschland [email protected] 3 Technische Universität Dresden, Institut für Bodenkunde und Standortslehre Pienner Straße 19, 01737 Tharandt, Deutschland [email protected] Kurzfassung Untersucht wurden tonige Kluftfüllungen, Kluftbeläge und tonig zersetzte (bentonitisierte) Bereiche des Wilsdruff -Potschappeler Porphyrites aus verschiedenen Aufschlüssen bei Freital und Wurgwitz (Dresden, Sachsen) mittels Röntgendiff raktometrie (XRD), Th ermoanalyse (Kombination von Diff erentialthermoanalyse (DTA), Th ermogravimetrie (TG) und derivativer Thermogravime- trie (DTG)), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA). Der Bentonit der Verwitterungskruste besteht hauptsächlich aus Montmorillonit. Die Kluftfüllungen und Kluftbeläge sowie die angrenzenden bentonitisierten Bereiche sind hydrothermaler Entstehung. Hauptbestandteil dieser Bentonite ist ein trioktaedrisches regelmäßiges Chlorit-Smectit-Wechsellagerungsmineral (Corrensit). Für die Bildung des Corrensites war eine Zufuhr von Magnesium erforder- lich. Als Nebenbestandteile wurden außerdem beidellitischer Montmorillonit und Nontronit gefunden. Abstract Clayey fi llings and coatings on fi ssures and clayey alterated (bentonitized) areas of the Wilsdruff -Potschappel Porphyrite in various openings near Freital and Wurgwitz (Dresden, Saxony) have been analysed by means of X-ray diff raction (XRD) and thermal analysis (including a combination of diff erential thermal analyses (DTA), thermal gravimetric analysis (TG) and derivative thermogravimetry (DTG)) as well as observations by scanning electron microscope (SEM) coupled with an energy dispersive microanalytical spectrometer (EDS) to obtain element contents. Bentonite of the weathering crust of porphyrite mainly consists of montmorillonite. Fillings and coatings on fi ssures and the clayey alteration products by the fi ssures are of hydrothermal genesis. Th e main component of these bentonites is a trioctahedral regularly chlorite-smectite mixed layer mineral (corrensite). A supply of magnesium was necessary for the origin of corrensite. Additionally, beidellitic montmorillonite and nontronite have been found. Einleitung Der Deckenerguss des Wilsdruff -Potschappeler Porphy ri- andesitischen Gesteines sind in der Vergangenheit mehr- tes, der westlich von Dresden zwischen Kaufbach und fach beschrieben worden (z. B. Bruhns 1886, Dalmer et al. Freital-Burgk lokalisiert ist, gehört zu den ältesten geolo- 1922, Naumann 1845, Th alheim et al. 1991). gischen Bildungen des Permokarbons im Döhlener Be- In jüngster Zeit haben Dietze et al. (2007) über Funde cken (Reichel 1970). Tonige Umwandlungsprodukte des von beidellitischem Smectit, Nontronit und Volkonskoit | 115 Neue Ergebnisse zur Bentonitisierung des Wilsdruff -Potschappeler Porphyrites bei Dresden Ullrich, B.; Dietze, M. & Haubrich, F. (Sachsen, Deutschland) aus dem Neu aufschluss eines Steinbruches in der Nähe sige Ausbildung. Mit Ausnahme der Bleichungszone im der Gemeinde Wurgwitz etwa 5 km westlich von Dres den Hangenden waren durchgängig unzersetzte Por phy rit- berichtet. Hier bei handelte es sich um zum Teil intensiv bruch stücke oder noch vollständige Kluftkörper vorhan- grün gefärbte tonige Füllungen in einer herzynisch strei- den, deren Größe maximal im Dezimeterbereich lag. Im chenden Kluft schar. Von dieser Kluftschar ausgehend war tiefsten Teil der Baugrube wurden lokal schwach hellgrün- das Ge stein partiell intensiv tonig zersetzt und in einen liche bzw. grünlichweiße Kluftbeläge angetroff en (TS grauen oder braunen Bentonit umgewandelt. In diesen 0667), die sich jedoch schon makroskopisch deutlich von ben tonitisierten Bereichen wurde ein quellfähiges Wech- den – bereits früher beschriebenen – dunkelgrünen, sel lage rungs mineral gefunden, das jedoch nicht genauer chrom haltigen, Volkonskoit führenden Kluftfüllungen iden tifi ziert werden konnte. Dietze et al. (2007) gehen da- des Steinbruches Wurgwitz unterscheiden. von aus, dass die Bildung der Smectite und des Wechsel la - Bei der Probe aus dem Steinbruch am Osterberg ge rungs minerales durch hydrothermale Prozesse erfolgte. (TS 0766, Freital-Potschappel, untertägige Auff ahrungen In den Jahren 2007 und 2008 ergaben sich erneut der WISMUT GmbH) handelte es sich um einen hell- Mög lichkeiten der Beprobung toniger Um wand lungs pro- brau nen, gelbbraunen bis graubraunen, dünnen, tonigen dukte des Porphyrites im Steinbruch Wurgwitz, außer- Kluft be lag. Lokal zeigte dieser Belag ein leo par den fellähn- dem im Zusammenhang mit dem Bau des Auto bahn zu- liches Aus sehen mit schwarzen bis schwarz brau nen Fle- bringers zur Anschlussstelle Dresden-Gorbitz der Auto- cken auf ein em gelbbraunen Untergrund. bahn 17 (Dresden-Prag) und im Steinbruch am Osterberg Die Proben des Unkersdorfer Tuff s (TS 0889 und TS (Freital-Potschappel). In die Untersuchungen einbezogen 0890, Freital Potschappel, untertägige Auff ahrungen der wurden weiterhin zwei Proben des Unkersdorfer Tuff s WISMUT GmbH) bestanden aus einem sehr feinkörni- (Freital-Potschappel). gen, tonsteinähnlichen, grünlichgrauen Material, das bei Wasserlagerung sehr rasch zerfi el. Für die Anreicherung der Tonminerale wurden alle Proben in destilliertem Wasser ohne Elektrolytzusätze Untersuchungsmethodik und Probenmaterial 48 Stunden auf einer rotierenden Schüttelmaschine dis- pergiert und die Fraktion > 63 μm mittels Nasssiebung ab getrennt. Bei einer der Proben aus dem Steinbruch Im Steinbruch Wurgwitz wurde der schon von Dietze et Wurg witz erfolgte außerdem die Gewinnung der Frak tion al. (2007) als Typ 3 der Umwandlungsprodukte beschrie- < 2 μm im Atterbergzylinder. bene graue bis graubraune, zum Teil rotbraun gefl eckte, Die Untersuchung der Proben erfolgte mittels Rönt gen- bentonitisierte Porphyrit erneut beprobt (Proben TS 0407 diff raktometrie (XRD, SIEMENS-Diff raktometer D5000, und TS 1059). Dabei wurde darauf geachtet, die Proben SEIFERT-Diff raktometer XRD 3000 TT), Th er mo ana ly- aus Bereichen zu gewinnen, in denen der Anteil an unzer- se (Kombination DTA-TG-DTG, NETZSCH STA 409 setztem Gestein entweder augenscheinlich gering war PG Luxx®), Rasterelektronenmikroskopie (REM, ZEISS oder nestartige Anreichungen von weißer, toniger Sub- EVO 50) und energiedispersiver Elek tro nen strahlmikro- stanz vorhanden waren. ana lyse (ESMA, ROENTEC Detektor XFlash 3001) mit Im Aufschluss am Autobahnzubringer (Baugrube des den von Dietze et al. (2007) ausführlich dargestellten Un- heutigen Regenrückhaltebeckens) konnte die unter den ter su chungs be din gungen. quartären Deckschichten befi ndliche tiefgründige ca. 4 m mächtige Verwitterungszone vom stark gebleichten, voll- ständigen Zersatz im Hangenden direkt unter der Löss- lehmaufl age (Probe TS 0678, ca. 0,3 m mächtig) bis an Ergebnisse der Untersuchungen und die Oberkante des nahezu unverwitterten Porphyrites Diskussion (Probe TS 0681) beprobt werden. Zwei weitere Proben wurden ca. 1 m (TS 0679) und 2 m (TS 0680) unterhalb der Deckschicht entnommen. Unabhängig von der Teu- Die Proben aus der Verwitterungszone des Porphyrites fen lage zeigten alle Proben eine rötlichbraune Farbe mit (TS 0678 bis 0681, Baugrube Regenrückhaltebecken, zum Teil hellgrauen bis fast weißen Flecken und eine gru- Zu bringer A 17) unterscheiden sich in ihrem Mi ne ral be- 116 | GEOLOGICA SAXONICA Journal of Central European Geology 56/2 (2010) 115 – 125 17 15,2 9,7 c Abb. 2: Leistenförmige Nontronitkristalle in einem schwach hell - grünlichen, tonigen Kluftbelag des Porphyrites. Fig. 2: SEM SE-image of lath-shaped nontronite crystals in a light green colored clayey coating on a fi ssure in the prophyrite. 8,2 b 2. Die Lage des d(060)-Refl exes wurde mit 1,494 Å bis 7,4 1,499 Å vermessen. a Die Ergebnisse der ESMA-Analysen (Tab. 1, TS 0678_35, TS 0678_40 und TS 0678_43) bestätigen, dass 3 10 2-Theta-Scale ein dioktaedrisches Smectitmineral vorliegt. Die chemi- sche Zusammensetzung stimmt im Wesentlichen mit den Abb. 1: Röntgendiff raktogramme des Montmorillonites aus der von Jasmund & Lagaly (1993) für den Montmorillonit Verwitterungszone bei natürlicher Ionenbelegung (a – luft - trocken; b – nach Behandlung mit Ethylenglycol; c – nach publizierten Daten überein. Die in allen Analysen ermit- ther mi scher Be handlung bis 550 °C; d-Werte in Å). telten höheren Aluminiumgehalte zeigen einen beidelliti- schen Charakter des Montmorillonites an. Fig. 1: X-ray diff ractograms of montmorillonite from the weath - ering zone with natural cation saturation (a – air dried, b – Der schwach grünliche Kluftbelag im Porphyrit an ethylene glycol solvated, c – after thermal treatment up to der Basis der Verwitterungszone (TS 0667, Baugrube 550 °C, d-values in Å). Regen rückhaltebecken, Zubringer A 17) weist das glei - che Quell verhalten auf. Es wurden jedoch zwei d(060)- Refl exe mit 1,499 Å und 1,514 Å gemessen. Die chemi- stand von denen