Zeitschrift für Angewandte Geologie: Band 15, Heft 4 April 1969 [Reprint 2021 ed.] 9783112561645, 9783112561638

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ZEITSCHRIFT FÜR ANQEWANDTE QEOLOQIE HERAUSGEGEBEN ZENTRALEN IM A U F T R A G

VOM

GEOLOGISCHEN

INSTITUT

DES

STAATSSEKRETARIATS

FÜR

GEOLOGIE

AUS DEM INHALT

R. Meinhold Forschungen und Fortschritte in der Geochemie der Kohlenwasserstoffe H. Böttcher & G. Tischendorf Zur Anwendung der Diskriminanzanalyse in der Geochemie H. Schulz Geologische und verfahrenstechnische Voraussetzungen für die Prognose und Suche von natürlichen Rohstoffeil. zur Herstellung von Forensinter U. Patzer & S. Grässl Reflexionsseismische Messungen mit Transversalwellen zur Erkundung der Lagerungsverhältnisse im Vorfeld eines Braunkohlentagebaus L. Richter Abstandsermittlungen netzförmig angeordneter Brunnengruppen und Einzelbrunnen bei Tagebauentwässerungen 0 . Wedekind Einsatz elektronischer Zeichengeräte für die Konstruktion von Isolinienkarten in der Geologie

A K A D E M I E

- V E R L A G

•

B E R L I N

BAND 1 5 / H E F T ~ APRIL 196» SEITE 1 6 5 - 2 2 »

INHALT JEROFEJEW, N. S., Wege z u r Verkürzung der TerW . G. WASILJEW minc industrieller E r k u n d u n g & B. S. WOROBu n d N u t z u n g neuer Erdöl- u n d JEW Erdgaslagerstätten

CONTENTS

COflEPJKAHHE IlyTH coKpamenHH cpoKOB npoMbimjieHHOii pariBejiKH H HCiiOJiMOBaHUH HOBMX HecjmiHblX H ra30BbIX MGCTOpO/K-

Methods for Reducing the Time 165 Limits of Industrial Exploration and Exploitation of New Oil and Gas Deposits

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Forschungen u n d Fortschritte in der Geochemie der Kohlenwasserstoffe

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Researches and Advances in the 168 Geochemistry of Hydrocarbons

GARUNOW, G. A., & Eine vereinfachte Methode zur G. A. MATAJEW Bestimmung der Parameter v o n wasser- u n d erdölführenden Schichten

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A Simplified Method for Deter- 179 mining t h e P a r a m e t e r s of W a ter a n d Oil-Bearing S t r a t a

BÖTTCHER, H., & G. Zur Anwendung der DiskrimiTISCHENDORF nanzanalyse in der Geochemie

0 6 HCnOJIb30BaHHH HHCKpHMIIHanTnoro aHajiHaa B reoximm-i

Use of the Analysis of Discrimi- 181 nation in Geochemistry

GRIGORJAN, S . W . , & Die endogenen gcochcmischen E . M. JANISCHEWAureolen der Erzlagerstätten SKIJ u n d ihre N u t z u n g beim Aufsuchen verborgener Vererzun-

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The Endogenous Geocliemical 184 Aureoles of Ore Deposits a n d their Utilization in the Search for Hidden Mineralizations (Ab-

MEINHOLD, R .

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& S. Reflexionsseismische Messungen m i t Transversalwellen zur Erk u n d u n g der Lagerungsverhältnisse im Vorfeld eines Braunkohlentagebaus

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Reflection-Seismic Measurements 19G b y Means of Transverse W a v e s for Exploring Mutual Relations in the Forcfield of a BrownCoal Opencast Minc

Abstandsermittlungen netzförmig angeordneter B r u n n e n g r u p p e n u n d Einzelbrunnen bei Tagebauentwässerungen

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Determination of Spacings of Rc- 201 ticular Groups of Wells a n d Individual Wells in Drainage W o r k s of Opencast Mines

Einsatz elektronischer Zeichengeräte f ü r die K o n s t r u k t i o n von Isolinienkarten in der Geologie

ITpHMGIIGHHG BJIGKTpOHHblX HGpTGJKHblX yCTaHOBOK HJIH nOCTpOGHHH KapT H30JIHHHÖ B reonormi

Use of Electronic Drawing Ma- 208 terial in Geology for the Construction of Isoline Maps

Ein Riffelteiler f ü r kleinste Probenmengen

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A " R i f f e l " Divider for Smallest 213 Quantities of Samples

Lehrbrief — 2. Mitteilung

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Geologische u n d verfahrenstechnische Voraussetzungen f ü r die Prognose u n d Suche von n a t ü r lichen Rohstoffen zur Herstellung von Porensinter

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Geological a n d Process-Engineer- 187 ing Prerequisites of the Prognosis a n d Search for N a t u r a l R a w Materials for Manufact u r i n g Porous Sinter

Correspondence Course

213

J . , & H . GEBAUER

Besprechungen u n d Referate, Informationen, Kurznachrichten

214-220

Redaktionsbeirat Prof. Dipl.-Berging. K. B Ü H R I G , Nordhausen - Prof. Dr. O. G E H L , Schwerin - Prof. Dr. R. H O H L , Halle (Saale) - Prof. Dr. E . K A U T Z S C H , Berlin — Prof. Dr. R. L A U T E R B A C H , Leipzig — Dr. R. M E I N H O L D , Freiberg (Sa.) - Dr. G. N O S S K E , Leipzig — Dr. H . R E H , J e n a — Prof. Dr. H. J . R Ö S L E R , Freiberg (Sa.) — Prof. Dr. A. W A T Z N A U E R , Freiberg (Sa.) — Dr. R. W I E N H O L Z , Gommern. Die Z E I T S C H R I F T F Ü R A N G E W A N D T E G E O L O G I E berichtet ständig über folgende Arbeitsgebiete: Geologische Grundlagenforschung u n d Lagerstättenforschung / Methodik der geologischen E r k u n d u n g / Ökonomie und Planung der geologischen E r k u n d u n g / Technik der geologischen E r k u n d u n g / Geologie u n d L a g e r s t ä t t e n k u n d e im Ausland. In der Zeitschrift können alle strittigen Fragen der praktischen Geologie behandelt werden. Die Autoren ü b e r n e h m e n f ü r ihre Aufsätze die übliche V e r a n t w o r t u n g .

ZEITSCHRIFT FÜR ANQEWANDTE QEOLOQIE

KOLLEKTIVE

CHEFREDAKTION

Dr. K. K A U T E R (Redaktioussekretär) Prof. Dr. F. S T A M M B E R G E B Dr. habil. G. T I S C H E N D O R F Träger der Ehrennadel in Gold der Gesellschaft für Deutsch-sowjetische Freundschaft

BAND 15 A P R I L 1969

HEFT4

Wege zur Verkürzung der Termine industrieller Erkundung und Nutzung neuer Erdöl- und Erdgaslagerstätten1) N . S. . J e r o f e j e w , W . G . W a s i l j e w & B . S. W o r o b j e w ,

Die Verkürzung der Termine bei der Erkundung neuer Erdöl- und Erdgaslagerstätten ist eine der wichtigsten Bedingungen für die Entwicklung der Erdöl- und Erdgasindustrie der U d S S R im laufenden Fünfjahrplan. Die Erfahrungen in der Ukraine und in einer Reihe anderer erdöl- und erdgasfördernder Gebiete der Sowjetunion zeigten, daß man die Termine für die industrielle Nutzung neuer Lagerstätten und die damit verbundenen Aufwendungen einschließlich der Erkundung mindestens um etwa die Hälfte kürzen kann, wenn die Nacherkundung mit der industriellen Exploitation der Lager vereint wird und wenn die Erfüllung der geologischen Erkundungsaufgaben durch die Exploitationsbohrungen gewährleistet ist. Bei dem derzeit geltenden System der konsequenten Durchführung dieser Arbeiten ist die industrielle Exploitation erst nach Beendigung der Erkundung möglich. Die Arbeiten werden nach dem folgenden technologischen Schema durchgeführt (Abb. 1). Vorerkundung In diesem Stadium werden eine primäre Geometrisierung der Lager und die Vorratsbewertung in der Kategorie C x und z. T. in der Kategorie B vorgenommen. Die Erkundung erstreckt sich über zwei bis drei Jahre. Detailerkundung Hauptaufgaben dieses Stadiums sind die Detailgeometrisierung der Lager und die Vorratsbewertung nach den hohen Kategorien A und B. Die Erkundung erstreckt sich über 2 bis 5 Jahre, mitunter darüber. Exploitationserkundung Sie wird während der Exploitation der Lagerstätte für die Präzisierung der einzelnen Parameter der Lagerstätte durchgeführt. Der halbindustrielle Abbau ist das Anfangsstadium der industriellen Exploitation mittlerer und großer Lagerstätten, wenn sie noch nicht für den industriellen Abbau mit voller potentieller Kapazität vorbereitet sind. In diesem Stadium werden in erster Linie Exploitationsbohrungen niedergebracht, die mitunter als Aus: „Geologija nefti i gasa", 12, S. 9 - 1 2 , Moskau 1967. Übers.: H . HOCKE, Berlin. *) Obwohl hier die einzelnen Etappen anders abgegrenzt bzw. definiert sind, stellt die Redaktion diesen Aufsatz des allgemeinen Interesses wegen zur Diskussion. 1

Angewandte Geologie, Heft 4/69

UdSSR

vorausgehende Exploitationsbohrungen bezeichnet werden. Dabei wird die Erdöl- und Erdgasförderung in einem Umfang bis zu 50% der vollen potentiellen Kapazität des Lagers aufgenommen. Der Abbau erfolgt nach dem derzeitigen technologischen Schema. Die Dauer des Abbaus beträgt 2 bis 3 Jahre. Der industrielle Abbau ist die Exploitation der Lagerstätte in der vollen projektierten Kapazität. Das System der konsequenten Durchführung der Erkundung und des Abbaus von Lagerstätten entstand in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts und ist für die jetzige Zeit schon klassisch. Jedoch gewährleistet es heute nicht mehr die Erfüllung der gestellten Aufgaben hinsichtlich der Entwicklung der Erdöl- und Erdgasförderung. Indessen erlaubt der derzeitige Stand der Erkundungstechnik und des Abbaus von Lagerstätten, vollkommenere technologische Schemata dieser Arbeiten anzuwenden. So wurden im letzten Jahrzehnt in der Ukraine bei einer Reihe von Erdöl- und Erdgaslagerstätten zwei prinzipiell neue technologische Schemata, das „ P a r a l l e l s y s t e m " und das „ k o m b i n i e r t e S y s t e m " der Erkundung und Exploitation, in der Praxis angewendet. Das Wesen des P a r a l l e l s y s t e m s besteht darin, daß das Erkundungs- und Exploitationsbohren und die industrielle Förderung von Erdöl und Erdgas im Stadium der Detailerkundung parallel durchgeführt werden, mitunter auch im Stadium der Vorerkundung. Als Folge davon ist ein bedeutender Zeitgewinn zu verzeichnen (Abb. 2). Das Wesen des k o m b i n i e r t e n S y s t e m s besteht darin, daß die Erkundung von Lagerstätten mit Hilfe von Exploitationsbohrungen, die eine doppelte Bestimmung haben, vorgenommen wird. Im Prozeß des Bohrens haben sie die Bedeutung von Erkundungsbohrungen. Es werden in ihnen die entsprechenden Untersuchungen vorgenommen: Kernentnahme, geophysikalische Bohrlochmessungen, hydrogasdynamische u. a. Untersuchungen. Nach Beendigung des Bohrens gelten sie als Exploitationsbohrungen und gewährleisten die Erfüllung der für sie aufgestellten Förderpläne für Erdöl und Erdgas (Abb. 3). Die Durchführung der industriellen Erkundung mit Hilfe von vorausgehenden Exploitationsbohrungen macht einen bedeutenden Teil der Erkundungsmeterzahl zugunsten der Sucharbeiten frei und verkürzt

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Helt 4 JEROEEJEW U. a. / V e r k ü r z u n g i n d u s t r i e l l e r E r k u n d u n g

166 gleichzeitig bedeutend die Termine für die Nutzung neuer Lagerstätten und die damit zusammenhängenden Aufwendungen. Das Parallelsystem der Arbeiten wurde in industriellen Maßstäben erstmalig in den Jahren 1956 bis 1960 auf der Schebelinkaer Gaslagerstätte bei der Erkundung und Nutzung eines zweiten Abbauobjekts des Permokarbons, das Erdgasvorräte von mehr als 250 Mrd. m 3 besitzt, in Anwendung gebracht. In den Jahren 1959 bis 1966 erfolgte nach diesem System die Nutzung der großen Erdöllagerstätten Katschanowo und Glinsk-Rosbyschewsk in der Dnepr—Donez-Senke. Auf diesen Lagerstätten wurden die Detailerkundung und die halbindustrielle Exploitation der Lager zusammengefaßt. In den Jahren 1965 bis 1966 wurde das Parallelsystem auf 16 Gaslagerstätten der Ukraine angewendet. Dabei erfolgte eine Zusammenfassung von Erkundung und Exploitation in einer Reihe von Fällen s o g a r b e r e i t s i m S t a d i u m d e r V o r e r k u n d u n g . Im Zusammenhang damit entstehen bestimmte Schwierigkeiten bei der Bewertung der Vorräte; es wird eine sorgfältigere Kontrolle der Arbeiten erforderlich. Dafür aber ist ein großer Zeitgewinn gewährleistet. Das kombinierte System der Erkundung und Exploitation von Lagerstätten wurde erstmalig in den Jahren 1958 bis 1960 auf der Schebelinkaer Lagerstätte angewendet, bei dem dritten Abbauobjekt des Permokarbons, das Gasvorräte von ca. 150 Mrd. m 3 besitzt. Ungeachtet der großen Vorzüge dieses Systems hat es jedoch noch nicht die wünschenswerte Verbreitung gefunden, und zwar hauptsächlich aus dem Grunde, weil die Durchführung von Erkundungsarbeiten in Exploitationsbohrungen r e c h t l i c h nicht fixiert ist! Betrachten wir die Ergebnisse der praktischen Anwendung der genannten Prinzipien bei der Erkundung und Exploitation der Erdgaslager von Schebelinka. Hier wurden unter geologisch ähnlichen Verhältnissen alle drei technologischen Schemata angewendet: das k l a s s i s c h e , das P a r a l l e l s y s t e m und das k o m b i n i e r t e S y s t e m , was ihre vergleichende Bewertung erleichtert. Die Schebelinkaer Lagerstätte ist eine große Brachyantiklinale, die innerhalb der gasführenden Kontur über Abmessungen von 30 X 12 km und bezüglich der sie begrenzenden Senken über Abmessungen von 13 bis 40 km verfügt. Die Lagerstätte unterteilt sich in mehrere Blöcke und Horizonte, was eine hohe Erkundungsdichte notwendig macht (Abb. 4). Innerhalb der gasführenden Kontur wurden ca. 90 tektonisch gegen-

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Abb. 2. Kupl'er-Sandstein-Serie (KSS). D u r c h f ü h r u n g der Arbeiten nach dem Parallelsystem (Legende 3. Abb. 1)

einander verworfene Blöcke mit einer Fläche von 10 bis 700 ha erschlossen. Die produktive Serie enthält bis zu 50 gasführende Schichten mit Mächtigkeiten von 8 bis 15 m. Eine linsenartige Lagerung sowie die Unstetigkeit der lithologischen Zusammensetzung und der Speichereigenschaften sind für sie charakteristisch. Das Gaslager des massigen Typs besteht aus drei Exploitationsobjekten, die an lithologisch-stratigraphische Komplexe gebunden sind. 1. Exploitationsobjekt: unterer Anhydrithorizont der salzführenden Serie des unteren Perms (UAH); 2. Exploitationsobjekt: die Kupfer-Sandstein-Serie des unteren Perms (KSS); 3. Exploitationsobjekt: die unteren Teile der KupferSandstein-Serie (KSS) und der obere Teil der AraucaritSerie des oberen Karbons (ACS). Das erste Exploitationsobjekt (UAH) wurde nach dem g e w ö h n l i c h e n S y s t e m erschlossen. Die durchschnittliche Mächtigkeit des Horizonts beträgt 130 m, die gasführende Fläche 160 km. Die Erkundungsdauer umfaßte 9 Jahre; davon entfielen auf die Vorerkundung 3,5 Jahre, auf die Detailerkundung 4 Jahre und auf die Exploitationserkundung 1,5 Jahre (s. Abb. 1). Es wurden 40 Erkundungsbohrungen niedergebracht. Die Dichte des Erkundungsbohrnetzes ist 400 ha/Bohrung. Der Koeffizient der Dichte beträgt 0,25 Bohrung/km 2 . Ungeachtet der verhältnismäßig hohen Erkundungsdichte gelang es nicht, die Erdgasvorräte in den höheren Kategorien zu errechnen und ein Projekt des industriellen Abbaus für das Lager aufzustellen. In Verbindung damit wurde nach Abschluß der Detailerkundung drei Jahre lang eine halbindustrielle Exploitation durchgeführt. Zu diesem Zweck teufte man 25 Exploitations-

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Abb. 1. Unterer Anhydrithorizont (UAH). System der klassischen Durchf ü h r u n g der Arbeiten Bohren: 1 — Erkundungsbohren; 2 — Versuchsexploitationsbohren; 3 — Exploitationsbohren Arbeitsstadien: VE = Vorerkundung; DE = Detailerkundung; EE = Exploitationserkundung; IVE = industrielle Versuchsexploitation; IE = industrielle Exploitation

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Abb. 3. Araucarit-Serie (ACS). D u r c h f ü h r u n g der Arbeiten nach dem kombinierten System Legende 1, 2, 3 s. Abb. 1; 4 — Erkundungsexploitationshohren

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167

JEROFEJEW u . a. / V e r k ü r z u n g industrieller E r k u n d u n g

Abb. 4. Strukturkarte der Schebelinkaer Lagerstätte am Hangenden des unteren Anhydrithorizonts 1 — Erkundungsbohren; 2 — Überschiebungen; 3 — Verwerfungen; 4 — Isohypse des unteren Anhydrithorizonts; 5 — Kontur der Erdgasführung des unteren Anhydrithorizonts; 6 — Kontur der Erdgasführung der unteren Teile der Kupfer-Sandstein-Serie; 7 — Kontur der Erdgasführung des oberen Teils der Arauealit-Serie im oberen Karbon

bohrungen ab. Auf diese Weise dauerten die Vorbereitung des Lagers und des industriellen Abbaus 10 Jahre. Das zweite' Exploitationsobjekt wurde nach dem P a r a l l e l s y s t e m erschlossen. Es entspricht dem oberen Teil der Kupfer-Sandstein-Serie (Horizont Mj bis M 4 ). Die Mächtigkeit der Serien beträgt 300 bis 320 m. Die gasführende Fläche umfaßt 240 km 2 . Die Arbeiten liefen nach folgendem Schema ab: Im Stadium der Vorerkundung wurde in dem scheitelnahen Teil der Antiklinale durch drei Bohrungen mit industriellem Zustrom an Erdgas und durch eine weitere Bohrung, die günstige Bohrlochmeßwerte ergab, eine produktive Fläche von 30 km 2 begrenzt, d. h. 1 / 3 der Gesamtfläche des Lagers. Auf dieser Fläche teufte man 10 Bewertungs—Exploitations-Bohrungen mit einer durchschnittlichen Gasförderung von 5 Mill. m 3 /pro Tag, ungefähr 10% vom Potential des Lagers, ab und bezog sie in die industrielle Exploitation ein. Parallel dazu wurde die Detailerkundung des Lagers mit Erkundungsbohrungen durchgeführt. Dadurch nahm die produktive Fläche für das weitere Exploitationsbohren zu. Mit Hilfe eines solchen Arbeitsschemas wurde beim zweiten Exploitationsobjekt die Erkundung anderthalbmal schneller abgeschlossen als beim ersten, obwohl das Erdgaslager hier doppelt so groß ist. Für die Erkundung dieses Lagers nach dem gewöhnlichen Schema wären 60 Erkundungsbohrungen (240 X 0,25 = 60) notwendig gewesen. Faktisch sind 35 Bohrungen niedergebracht worden, d. h. 25 Bohrungen 1*

weniger. Die halbindustrielle Erdgasförderung wurde drei Jahre nach Beginn der Erkundung aufgenommen, d. h. vier Jahre früher als beim ersten Objekt. Der industrielle Abbau in einem Umfang, der an die projektierte Kapazität herankommt, wurde fünf Jahre nach Beginn der Erkundung, d. h. zwei Jahre früher, aufgenommen (s. Abb. 2). Das k o m b i n i e r t e S y s t e m der Erkundung und Exploitation kam auch beim dritten Exploitationsobjekt, das an die unteren Teile der Kupfer-SandsteinSerie (Horizont M5) und an den oberen Teil der Araucarit-Serie (Horizont A t bis A6) gebunden ist, zur Anwendung. Die Mächtigkeit dieser Serie erreicht am Scheitel der Antiklinale 600 m. Die gasführende Fläche beträgt 180 km 2 . Die Detailerkundung und die halbindustrielle Exploitation des Objekts wurden mit Hilfe von Erkundungsund Exploitationsbohrungen vorgenommen, die man nach einem differenzierten Exploitationsnetz ansetzt; am Scheitel der Falte dichter, an ihren Flanken weitmaschiger, um die gesamte Fläche des Lagers zu erfassen. Außerdem wurden einzelne Erkundungsbohrungen zur Klärung einiger prinzipieller Fragen niedergebracht: zur Untersuchung der Dynamik der Wässer außerhalb der Kontur des Lagers, zur Durchführung von Versuchsarbeiten für die Verbesserung der Er* Schließung, zur Durchführung von geophysikalischen Bohrfelduntersuchungen unter speziellen Gesichtspunkten usw. Zu diesem Zweck wurden im Stadium der

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168

MEINHOLD / Geochemie der Kohlenwasserstoffe

Detail erkundung 10 Erkundungsbohrungen niedergebracht. Zur Erkundung des dritten Objekts wären nach dem gewöhnlichen System 45 Erkundungsbohrungen (189 X 0,25 = 45) erforderlich gewesen. Faktisch genügten 18 Bohrungen, d. h. 27 Bohrungen weniger. Die Erkundungsdauer verkürzte sich auf vier Jahre, d. h. um fünf Jahre im Vergleich zum ersten Objekt. Die halbindustrielle und industrielle Erdgasförderung wurde wie bei den Arbeiten nach dem Parallelsystem drei und fünf Jahre nach dem Beginn der Erkundung aufgenommen. Die Anwendung des Parallelsystems auf der Schebelinkaer Lagerstätte erlaubte es, die Dauer der Erkundung um 33% zu verringern, die Anzahl der Erkundungsbohrungen um 41% herabzusetzen und die Zeitspanne der Vorbereitung des Lagers für den industriellen Abbau

um 50% zu verkürzen. Dabei wurden Kapitalinvestitionen in Höhe von ca. 2 Mill. Rubel eingespart. Die Anwendung des kombinierten Systems (verglichen mit dem herkömmlichen) erlaubte es, die Zeitspanne der Erkundung um 55% zu verkürzen, die Anzahl der Erkundungsbohrungen um 60% und die Zeitspanne der Vorbereitung des Lagers für den industriellen Abbau um 50% zu verringern. Die Einsparung von Kapitalinvestitionen betrug 2,5 Mill. Rubel. So eröffnet die Anwendung des P r i n z i p s d e r Zus a m m e n f a s s u n g der E r k u n d u n g u n d des A b b a u s v o n L a g e r n neue Wege, um das Wachstumstempo der Erdöl- und Erdgasförderung zu erhöhen, wobei die Termine der Vorbereitung der Lagerstätten für die Exploitation stark verkürzt wurden und sich die damit verbundenen Aufwendungen verringerten.

Forschungen und Fortschritte in der Geochemie der Kohlenwasserstoffe RUDOLF MEINHOLD, F r e i b e r g (Sa.)

(Veröffentlichung Nr. 34 der Sektion Geowissenschaften, Bergakademie Freiberg, Lehrstuhl für Geologie von Erdöl, Erdgas und Kohlen)

Einleitung Die Geochemie der Kohlenwasserstoffe hat in den letzten Jahren ein sehr großes Interesse gefunden, das sich in einer beträchtlichen Anzahl von Publikationen in Büchern und Veröffentlichungen in Zeitschriften ausdrückt. In die letzten Jahre fallen auch geochemische Konferenzen in Rueil Malmaison, in Magdeburg 1967, in London 1966, beim Welterdölkongreß in Mexiko 1967 und in Moskau 1968. Es ist nicht möglich, in einer notwendigerweise kurzen Ubersicht alle Gebiete zu behandeln. Vorliegender Bericht soll daher vor allen Dingen die Bereiche betrachten, die für die Erkundung von Lagerstätten Bedeutung haben.

Kinelj—Cerkassy 85%, für Lagerstätten in Teufen über 1500 m 83%. Der letzte Fall gründet sich jedoch nicht allein auf Oberflächenaufnahmen, sondern auch auf geochemische Untersuchungen verschiedener Art in Bohrungen. Allerdings ist zu berücksichtigen, daß hier bereits ein kräftiger Auswahleffekt vorliegt, da viele Bohrungen auch nach geophysikalischen Untersuchungen angesetzt worden sind; es erfolgte also eine Auswahl der geochemischen Anomalien nach geophysikalischen Gesichtspunkten. Diese Zahlen zeigen aber eindringlich den Erfolg, der bei guter Zusammenarbeit erreichbar ist. Außerdem ist zu beachten, daß sich die Erfolgsraten auf Strukturen beziehen, nicht auf Bohrungen. Bezogen auf diese, wären sie wesentlich kleiner. D i e v o n HORVITZ (1965) v e r ö f f e n t l i c h t e n B e i s p i e l e ( A b b . 1)

1. Geochemische Oberflächenprospektion Die Oberflächenprospektion scheint seit einigen Jahren zu stagnieren, jedenfalls wenn man die Anzahl der erschienenen Arbeiten betrachtet. Das mag daran liegen, daß die Ergebnisse meist in den Archiven der Erdölbetriebe verschwinden. Gesprächen bei Tagungen ist zu entnehmen, daß das Interesse daran nach wie vor rege ist, die Interpretation aber noch immer als schwierig angesehen wird. Beweis dafür ist auch die Sektion geochemische Prospektion auf dem letzten Welterdölkongreß in Mexiko mit einem Ubersichtsbericht (KROEPELIN 1967) einschließlich der Erörterung einiger theoretischer Grundlagen (Diffusion, Löslichkeit) und Beispielen aus jüngerer Zeit. Der Autor bringt darin ein Beispiel v o n RÜHL, SCHMIDT u n d GEDENK a u s d e m G i f h o r n e r T r o g ,

in dem die Ergebnisse einer Bodengasaufnahme für Methan, Äthan sowie Äthan bis n-Hexan in getrennten Karten dargestellt sind. Sie zeigen, daß sich die Karten für Äthan und die höheren Homologe im Prinzip ähneln, die für Methan aber völlig abweichen. Diese Erscheinung illustriert erneut die bekannte Tatsache, daß Methan allein für die Kohlenwasserstoffsuche von geringem Wert ist. Interessant in dieser Beziehung ist auch eine Arbeit von SEIDELSON, WEINBAUM U. a .

(1967), d i e d i e F ü n d i g k e i t s r a t e n

der

auf

geochemische Anomalien angesetzten Bohrungen im Wolga — Ural-Gebiet untersucht. Die geochemischen Untersuchungen wurden dort vor etwa zehn Jahren abgeschlossen. Die Fündigkeitsraten waren für Lagerstätten in 1000 bis 1500 m Teufe 76%, in Teufen von 300 bis 400 m im Gebiet von Eingang des Manuskripts in der Kedaktion: 15.11.1968.

zeigen den Fortschritt durch die neuen chromatographischen Analysenmethoden, die die Kartierung von Äthan-plusAnomalien im Bereich von ppb (10-9) gestatten, auch von einer 3000 m tief liegenden Lagerstätte. Diese Beispiele zeigen aber auch sehr deutlich den Einfluß der Dichte der Entnahmepunkte auf der Untersuchungsfläche auf die Interpretationsmöglichkeiten. In einer ersten Auswertung wurden alle Anomalien über 100 ppb (10~75%) zu einem großen Halo vereinigt und in dessen Zentrum gebohrt. Die Bohrung konnte keine Lagerstätte nachweisen. Erst eine Verdichtung der Entnahmepunkte ergab ein kleineres Halo, ein rundliches Maximum und Anomalien an einer Verwerfung. Fündige Bohrungen konnten nun auf der rundlichen positiven Anomalie und im Zentrum des kleineren Halos lokalisiert werden. Die Ergebnisse v o n

PRÖHL (1965) a u s d e m G e b i e t

des

Schlotheimer Grabens zeigen die starke Richtwirkung von Verwerfungen auf die Migration der Kohlenwasserstoffe. Das ist bei jeder Interpretation zu berücksichtigen. Positive Ergebnisse liegen auch aus der Sahara vor (GoDARD, ISSENMANN, REBILLY i n KROEPELIN 1 9 6 7 ) . D i e A n o -

malien zeigen Halostruktur oder begleiten Verwerfungen. ALIEW U. a .

(1966)

untersuchten

die

Effektivität

von

Messungen der Radioaktivität für die Kohlenwasserstofferkundung. 1958 bis 1961 konnten in Aserbaidshan 33 Anomalien per Flugzeug oder bei Bodenaufnahmen festgestellt werden. 21 Anomalien entsprachen schon bekannten Lagerstätten, die übrigen sind noch nicht erforscht. Neben Radioaktivitätsanomalien trat auch eine anomale Verteilung von Cr, Co und Ti auf. Dieses Ergebnis kann als befriedigend angesehen werden.

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4

168

MEINHOLD / Geochemie der Kohlenwasserstoffe

Detail erkundung 10 Erkundungsbohrungen niedergebracht. Zur Erkundung des dritten Objekts wären nach dem gewöhnlichen System 45 Erkundungsbohrungen (189 X 0,25 = 45) erforderlich gewesen. Faktisch genügten 18 Bohrungen, d. h. 27 Bohrungen weniger. Die Erkundungsdauer verkürzte sich auf vier Jahre, d. h. um fünf Jahre im Vergleich zum ersten Objekt. Die halbindustrielle und industrielle Erdgasförderung wurde wie bei den Arbeiten nach dem Parallelsystem drei und fünf Jahre nach dem Beginn der Erkundung aufgenommen. Die Anwendung des Parallelsystems auf der Schebelinkaer Lagerstätte erlaubte es, die Dauer der Erkundung um 33% zu verringern, die Anzahl der Erkundungsbohrungen um 41% herabzusetzen und die Zeitspanne der Vorbereitung des Lagers für den industriellen Abbau

um 50% zu verkürzen. Dabei wurden Kapitalinvestitionen in Höhe von ca. 2 Mill. Rubel eingespart. Die Anwendung des kombinierten Systems (verglichen mit dem herkömmlichen) erlaubte es, die Zeitspanne der Erkundung um 55% zu verkürzen, die Anzahl der Erkundungsbohrungen um 60% und die Zeitspanne der Vorbereitung des Lagers für den industriellen Abbau um 50% zu verringern. Die Einsparung von Kapitalinvestitionen betrug 2,5 Mill. Rubel. So eröffnet die Anwendung des P r i n z i p s d e r Zus a m m e n f a s s u n g der E r k u n d u n g u n d des A b b a u s v o n L a g e r n neue Wege, um das Wachstumstempo der Erdöl- und Erdgasförderung zu erhöhen, wobei die Termine der Vorbereitung der Lagerstätten für die Exploitation stark verkürzt wurden und sich die damit verbundenen Aufwendungen verringerten.

Forschungen und Fortschritte in der Geochemie der Kohlenwasserstoffe RUDOLF MEINHOLD, F r e i b e r g (Sa.)

(Veröffentlichung Nr. 34 der Sektion Geowissenschaften, Bergakademie Freiberg, Lehrstuhl für Geologie von Erdöl, Erdgas und Kohlen)

Einleitung Die Geochemie der Kohlenwasserstoffe hat in den letzten Jahren ein sehr großes Interesse gefunden, das sich in einer beträchtlichen Anzahl von Publikationen in Büchern und Veröffentlichungen in Zeitschriften ausdrückt. In die letzten Jahre fallen auch geochemische Konferenzen in Rueil Malmaison, in Magdeburg 1967, in London 1966, beim Welterdölkongreß in Mexiko 1967 und in Moskau 1968. Es ist nicht möglich, in einer notwendigerweise kurzen Ubersicht alle Gebiete zu behandeln. Vorliegender Bericht soll daher vor allen Dingen die Bereiche betrachten, die für die Erkundung von Lagerstätten Bedeutung haben.

Kinelj—Cerkassy 85%, für Lagerstätten in Teufen über 1500 m 83%. Der letzte Fall gründet sich jedoch nicht allein auf Oberflächenaufnahmen, sondern auch auf geochemische Untersuchungen verschiedener Art in Bohrungen. Allerdings ist zu berücksichtigen, daß hier bereits ein kräftiger Auswahleffekt vorliegt, da viele Bohrungen auch nach geophysikalischen Untersuchungen angesetzt worden sind; es erfolgte also eine Auswahl der geochemischen Anomalien nach geophysikalischen Gesichtspunkten. Diese Zahlen zeigen aber eindringlich den Erfolg, der bei guter Zusammenarbeit erreichbar ist. Außerdem ist zu beachten, daß sich die Erfolgsraten auf Strukturen beziehen, nicht auf Bohrungen. Bezogen auf diese, wären sie wesentlich kleiner. D i e v o n HORVITZ (1965) v e r ö f f e n t l i c h t e n B e i s p i e l e ( A b b . 1)

1. Geochemische Oberflächenprospektion Die Oberflächenprospektion scheint seit einigen Jahren zu stagnieren, jedenfalls wenn man die Anzahl der erschienenen Arbeiten betrachtet. Das mag daran liegen, daß die Ergebnisse meist in den Archiven der Erdölbetriebe verschwinden. Gesprächen bei Tagungen ist zu entnehmen, daß das Interesse daran nach wie vor rege ist, die Interpretation aber noch immer als schwierig angesehen wird. Beweis dafür ist auch die Sektion geochemische Prospektion auf dem letzten Welterdölkongreß in Mexiko mit einem Ubersichtsbericht (KROEPELIN 1967) einschließlich der Erörterung einiger theoretischer Grundlagen (Diffusion, Löslichkeit) und Beispielen aus jüngerer Zeit. Der Autor bringt darin ein Beispiel v o n RÜHL, SCHMIDT u n d GEDENK a u s d e m G i f h o r n e r T r o g ,

in dem die Ergebnisse einer Bodengasaufnahme für Methan, Äthan sowie Äthan bis n-Hexan in getrennten Karten dargestellt sind. Sie zeigen, daß sich die Karten für Äthan und die höheren Homologe im Prinzip ähneln, die für Methan aber völlig abweichen. Diese Erscheinung illustriert erneut die bekannte Tatsache, daß Methan allein für die Kohlenwasserstoffsuche von geringem Wert ist. Interessant in dieser Beziehung ist auch eine Arbeit von SEIDELSON, WEINBAUM U. a .

(1967), d i e d i e F ü n d i g k e i t s r a t e n

der

auf

geochemische Anomalien angesetzten Bohrungen im Wolga — Ural-Gebiet untersucht. Die geochemischen Untersuchungen wurden dort vor etwa zehn Jahren abgeschlossen. Die Fündigkeitsraten waren für Lagerstätten in 1000 bis 1500 m Teufe 76%, in Teufen von 300 bis 400 m im Gebiet von Eingang des Manuskripts in der Kedaktion: 15.11.1968.

zeigen den Fortschritt durch die neuen chromatographischen Analysenmethoden, die die Kartierung von Äthan-plusAnomalien im Bereich von ppb (10-9) gestatten, auch von einer 3000 m tief liegenden Lagerstätte. Diese Beispiele zeigen aber auch sehr deutlich den Einfluß der Dichte der Entnahmepunkte auf der Untersuchungsfläche auf die Interpretationsmöglichkeiten. In einer ersten Auswertung wurden alle Anomalien über 100 ppb (10~75%) zu einem großen Halo vereinigt und in dessen Zentrum gebohrt. Die Bohrung konnte keine Lagerstätte nachweisen. Erst eine Verdichtung der Entnahmepunkte ergab ein kleineres Halo, ein rundliches Maximum und Anomalien an einer Verwerfung. Fündige Bohrungen konnten nun auf der rundlichen positiven Anomalie und im Zentrum des kleineren Halos lokalisiert werden. Die Ergebnisse v o n

PRÖHL (1965) a u s d e m G e b i e t

des

Schlotheimer Grabens zeigen die starke Richtwirkung von Verwerfungen auf die Migration der Kohlenwasserstoffe. Das ist bei jeder Interpretation zu berücksichtigen. Positive Ergebnisse liegen auch aus der Sahara vor (GoDARD, ISSENMANN, REBILLY i n KROEPELIN 1 9 6 7 ) . D i e A n o -

malien zeigen Halostruktur oder begleiten Verwerfungen. ALIEW U. a .

(1966)

untersuchten

die

Effektivität

von

Messungen der Radioaktivität für die Kohlenwasserstofferkundung. 1958 bis 1961 konnten in Aserbaidshan 33 Anomalien per Flugzeug oder bei Bodenaufnahmen festgestellt werden. 21 Anomalien entsprachen schon bekannten Lagerstätten, die übrigen sind noch nicht erforscht. Neben Radioaktivitätsanomalien trat auch eine anomale Verteilung von Cr, Co und Ti auf. Dieses Ergebnis kann als befriedigend angesehen werden.

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 16 (1969), Heft 4

169

MJSINHOLD / Gcochcmie der Kohlenwasserstoffe LEELAT (1966) h a t z u m Nachweis der

Kohlenwasserstoffe

Pyrochromatographie verwendet. E r erhitzte Bodenproben 1,5 s lang auf 800 °C oder 5 Minuten auf 600 °C in verschiedenen Chromatographen. Der sich in den heißen Gasen einstellende Benzolgehalt wurde als Erkundungskriterium verwendet. E r lag in der Größenordnung von einen bis einigen Zehnern ppm. Auch hier befand sich die Testlagersüitte in einem relativen Minimum.

¿LEAGU\ERLT V

Ein umfangreiches neues Anwendungsgebiet haben Oberflächenverfahren zur Dichtheitsprüfung unterirdischer Gasspeicher und der Installationen von Sonden in Gasfeldern gefunden. Bakterielle wie auch Gasspürmethoden werden j e t z t allgemein verwendet. Fortschritte in der Interpretation mikrobiologischer Erkundungen wurden in der Sowjetunion gemacht. MOGILEWSKI (1967) weist nach, daß die Bakterienflora des Bodens in der Lage sein kann, alle aus der Tiefe' kommenden Kohlenwasserstoffe abzubauen, so daß sie mit rein geochemischen Methoden nicht nachweisbar sind. Die Bakterien wirken also wie ein Filter, deshalb müssen diese Methoden kombiniert werden. In einer anderen Arbeit (MOGILEWSKI U. a. 1967) weist derselbe Autor auf die Veränderungen hin, die die im Wasser gelösten Kohlenwasserstoffe erfahren. U m diese Wirkungen darzustellen, schlägt er Koeffizienten vor, die Methan, seine Homologe und die nichtbrennbaren Gase miteinander verknüpfen.

2. Das Problem der Muttcrgesteinc

o

! Meile

.1

* 2 ^ 3

i,

Abb. 1. Äthan-plus-Anomalien im Gebiet League-City (USA). Werte in ppb (Teile in der Milliarde) nach HORVITZ 1 — Erdölsonden; 2 — Erdgassonden; 3 — trockene Bolirung; 4— gleicher Äthan-plus-Werte (ppb)

Linien

Zur Verbesserung der Interpretation, die im Bereich der außerordentlich kleinen Konzentrationen von ppb sehr

notwendig

ist,

haben

ISSENMANN & G E R A R D

(1966)

einen

bemerkenswerten Vorschlag gemacht. Sie gehen davon aus, daß die verschiedenen Variablen, die den Störpegel bilden (Ort, Bodenart, Feuchtigkeit, Entnahmetiefe), eine GATJSSsche Normalverteilung der Meßwerte ergeben. Wenn eine Erdöllagerstätte in der Tiefe vorhanden ist, müßte dieser Normalverteilung eine Anomalie aufgesetzt sein. Bei nichlhomogenen Verhältnissen (z. B . verschiedene Entnahmetiefen, verschiedene Bodenarten) gibt es für jede Bedingungsgruppe eine Normalverteilung. Diese Normalverteilungen sind das Nullniveau der geochemischen Erkundung. Auf Wahrscheinlichkeitspapier ergeben diese Nullverteilungen gerade Linien. Kriterien für gesuchte Anomalien sind dann W e r t e größer als die Zentralwerte der Nullverteilung oder mehrfach vergrößerte Werte der Standardabweichungen. Mit einem geeigneten mathematischen Verfahren lassen sich die statistischen Nullverteilungen dann einfach von den gemessenen Verteilungen trennen. Dieses Verfahren ist wesentlich sicherer als das bisher verwendete, wo man durch Mitteilung von Meßwerten aus dem anomaliefreien Bereich einen Normalpegel ableitete. Außer Anomalien von Äthan und höheren Homologen wurden neuerdings auch über Lagerstätten solche von Helium

(MUSITSCHENKO

&

SLAWJAGINA

1967)

gefunden.

Bei Entnahmetiefen von 8 bis 20 m lagen die Konzentrationen in der Größenordnung von 10 _ Ö bis 1 0 _ 4 % in der Bodenluft. Ob dieses Kriterium allgemein gültig ist, muß sich noch erweisen. Die Schwierigkeiten der Interpretation werden durch Messungen in der Wüste K y s i l - K u m (SARAPOW & MARTYNOW 1967) deutlieh. 1 9 6 2 , 1 9 6 3 und 1964 wurden hier Bodengasmessungen ausgeführt, wobei die Ergebnisse außerordentlich schwankten. 1962 wurden 11 bis 9 5 % H 2 und 0,1 bis 6 % CH 4 nachgewiesen; 1963 0,1 bis 1 , 2 % H ? und 2 bis 5 % CH 4 ; 1964 fehlten diese Komponenten. 1962 hielten reichliche Niederschläge die Gase im Boden fest, 1963 und 1964 fehlten Niederschläge, so daß die Gase an die Atmosphäre austraten und verlorengingen. Die Aussagekraft der geochemischen Oberflächenprospektion wächst, wenn mehrere Verfahren verwendet werden. GLOGOCZOWSKI U. a . ( 1 9 6 7 ) z e i g t e n , d a ß A n o m a l i e n m e t h a n -

oxydierender Bakterien mit Dislokationen und Antiklinalen zusammenhingen, Anomalien von propanoxydierenden B a k terien nur mit Dislokationen. Erdgas- und Bitumenanomalien waren diesen Anomalien zwar meist ähnlich, wurden aber viel stärker vom Gesteinsmilieu und den Bodenwässern beeinflußt. 2

Angewandte Geologie, Heft 4/6!)

Arbeiten zum Problem der Muttergesteine sind in den letzten J a h r e n in vielen Ländern ausgeführt worden. Die organische Theorie der Erdölentstehung kommt ohne Muttergesteine nicht aus. Was aber ein Muttergestein ist und welche Bedeutung es für die Erkundung hat, ist strittig und stellt in Wechselbeziehung zu hypothetischen Vorstellungen über die Entstehung des Erdöls und des Erdgases. Man kann diese Vorstellungen grob in folgende Gruppen einteilen: a) Frühdiagenetische Entstehung. Die Erdölbildung ist in den oberen Zonen der unverfestigten Schlämme ein vorwiegend biochemischer Prozeß, in Tiefen von einigen zehn Metern geht er in chemische Prozesse über. Die gebildeten Kohlenwasserstoffe werden vom Wasser gelöst und bei der Kompaktion zusammen mit dem Wasser ausgetrieben. Chemische und anaerobbiochemische Reaktionen verändern die Kohlenwasserstoffe auf ihrer weiteren Wanderung durch die Speichergesteine. b) Tiefenentstehung. Das Erdöl entsteht in Tiefen ab 1 5 0 0 bis 2 0 0 0 m aus dem eingeschlossenen Gesteinsbitumen durch thermische und thermokatalytische Crackung. Als einphasiges, gasförmiges Medium verlassen die Kohlenwasserstoffe die Muttergesteine. c) Die Erdölbildung ist ein in mehreren Etappen ablaufender Vorgang. Das frühdiagenetisch gebildete Öl bekommt später einen Zuschuß von thermisch-katalytisch entstandenem Erdöl. F ü r die Gruppe a) ist die Kohlenwasserstoffbildung ein häufiger Prozeß, der besondere Ablagerungsbedingungen und geochemische Umstände erfordert, aber weit verbreitet ist. Die verbleibende organische Substanz und die gebildeten Öle durchlaufen sehr verschiedene Entwicklungen, und es erscheint kaum möglich, noch irgendwelche quantitativen Beziehungen zu finden, die ein Gestein als Muttergestein charakterisieren. Allenfalls wird es dabei wichtig sein, die allgemeinen geochemischen und Ablagerungsbedingungen zu klären. Die Lösungen können sich aber im Lauf der geologischen Geschichte weit von ihren Muttersedimenten entfernen, so daß auch Gebiete ohne Gesteine mit Muttergesteinscharakter höffig sind. Für die Gruppe b) ist die Suche nach Muttergesteinen vorrangig; sie beansprucht sogar, aus dem Umwandlungszustand der Gesteinsbitumina die Menge der ausgewanderten Kohlenwasserstoffe zu errechnen und auf diese Art prognostische Vorräte zu ermitteln. F ü r die Gruppe c) hat die Ermittlung von Muttergesteinen nach der Methode der Gruppe b) den Charakter einer zusätzlichen Bestätigung für die Möglichkeit der Erdölbildung. Es ist nicht verwunderlich, daß weitaus die meisten Forscher, die sich mit „Muttergesteinen" befassen, Anhänger der Hypothesengruppe b) sind. F ü r sie ist das Aufsuchen von Muttergesteinen eines der wichtigsten Erkundungshilfsmittel; viele Anhänger der Gruppe a) halten davon gar nichts. „Die Kenntnis der Muttergesteine hat wenig Wert, besonders wenn der ,mineralartigc' Ursprung der Kohlenwasserstoffe angenommen wird" (BAKER 1967). Die Geochemie der rezenten Schlämme, also potentieller Muttergesteine, ist durch die Untersuchungen von EVANS, KENNY,

MEINSCHEIN &

BRAY

(1957)

sowie

von

KOONS

u. a. (1965) und BRAY & EVANS (1965) weiter aufgeklärt worden. Sie untersuchten die n-Alkane in Organismen, in

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4

170

MEINHOLD / Geochemie der Kohlenwasserstoffe

rezenten und in alten Sedimenten. Es ist bekannt, daß die Fettsäuren der Organismen (Bereich C12 bis C22) eine starke Vormacht der Moleküle mit geradzahligen Kohlenstoffatomen haben. Bei Verlust der COOH-Gruppe entstehen daraus die n-Paraffine, die nunmehr eine ungeradzahlige Vormacht zeigen müßten. Das Verhältnis der ungeradzahligen zu den geradzahligen Kohlenstoffatomen der n-Paraffine ist der CPI (carbon preference index). In den Organismen selbst haben die n-Alkane ebenfalls eine ungeradzahlige Vormacht, sie ist gering in marinen Organismen, stark in Landpflanzen. Es ist nun bezeichnend, daß der CPI, der in rezenten Ablagerungen mehr als 10 betragen kann, in den alten Sedimenten nach und nach gegen 1 geht. Die tertiären Ölschiefer von Messel bei Darmstadt haben z. B. noch eine starke ungerade Vormacht in den Paraffinen (WELTE 1967). BRAY & EVANS (1965) untersuchten eine große Anzahl von Schiefertonen und fanden bei 10% noch eine starke ungerade Vormacht, bei 30% war der CPI •—• 1, der Rest hatte Werte etwas über 1. Gesteine mit hohem Anteil an Kohlenwasserstoffen in der organischen Substanz hatten die kleinsten CPI. Diese Gesteine wurden, weil sie das erdölähnlichste Bitumen enthielten, von diesen Autoren als Mutterg e s t e i n e b e t r a c h t e t . B e r e i t s MARTIN, WINTERS & WILLIAMS

(1963) hatten gefunden, daß der CPI in Erdölen ~ 1 ist; nur in einigen wenigen jungen Ölen fanden sich im Bereich von C u bis C19 Reste der ungeradzahligen Vormacht. Daß diese Vormacht in den Erdölen verlorengeht, braucht nicht eine Entwicklung zu sein, die sich im Gesteinsbitumen vollzieht. Der Befund kann vielmehr auf einen Abtransport der Kohlenwasserstoffe durch Lösungen hinweisen; denn bei der allgemein geringen Löslichkeit der Kohlenwasserstoffe in Wasser dürfte sich das unterschiedliche Angebot an Molekülen mit verschiedenen C-Zahlen nicht mehr in der Lösung widerspiegeln, solange die Lösungsmöglichkeit weit unterhalb der minimalen angebotenen n-Paraffinmengen liegt. Da die n-Alkane C3 bis C9, die die Hauptmasse in den meisten Erdölen ausmachen, höchstwahrscheinlich spätere Bildungen sind, sind die in diesem Bereich herrschenden CPI = 1 sehr verständlich. Dazu passen die Ergebnisse von

COOPER

(1962), d e r i n d e n W ä s s e r n

von

Speichergesteinen geradkettige Fettsäuren von C14 bis C30 fand, deren CPI = 1 war. Neuerdings fanden WELTE & EBHARDT (1968) in einem Bohrkern vom Boden des Persischen Golfs in 2000 bis 9000 J a h r e alten Sedimenten eine Vormacht der geradzahligen n-Paraffine C16 und C18. Sie liegen genau im Bereich der häufigsten Fettsäuren C16 und C18 (Palmitin- und Stearinsäure). Daraus ist zu schließen, daß außer Dekarboxylierung auch gelegentlich Hydrierung stattfinden muß. Die Autoren nehmen, da das Reduktionsmilieu generell nicht erkennbar war, ein stellenweises „Mikroreduktionsmilieu" an. Nach den Arbeiten von PHILIP (1963) und WALKER (1963) ist aber auch eine biochemische Reduktion von Fettsäuren durch Aspergillus niger und Clostridium möglich. Viele Arbeiten haben sich in den letzten Jahren mit den Veränderungen der Bitumina im Gestein beschäftigt, weil man darin einen Hinweis auf Muttergesteine erwartete und sogar hoffte, prognostische Erdölvorräte für ein bestimmtes Gebiet zu errechnen. Anlaß dazu war die schon länger bekannte Tatsache, daß im Lauf der Entwicklung die Gesteinsbitumina mehr und mehr reduziert werden, also an Erdölcharakter zunehmen. Einen interessanten Beitrag dazu hat NERUTSCHEW (1966) geliefert. Er fand, daß sich in einer Tiefe von 1500 m (Tone) bis 2000 m (Karbonate) verschiedene Eigenschaften der Gesteinsbitumina ziemlich plötzlich ändern. So nimmt z. B. (Abb. 2) der Gehalt an den Heteroelementen O + N + S stark zu. Das wird mit, der Auswanderung mobiler Kohlenwasserstoffe interpretiert, die bewirkt, daß sich die nichtmobilen sauren Bitumina und Harze relativ anreichern. Entsprechend nehmen die Kohlenwasserstoffe in den Bitumina der organischen Substanz an gleicher Stelle kräftig ab. Daraus ermittelt er den „Erdölabgabekoeffizienten" 1 0 0 [CE — CB) K _ Cm ~ Cr [Ca = Ausgangsbitumengehalt, C B = Restbitumengehalt, CM = migriertes Bitumen). Diese Formel benötigt die Kenntnis der Menge der ausgewanderten Bitumina, die sich theo-

retisch aus Abb. 2 ergibt. FILATOW (1967) fand die Angaben von NERUTSCHEW in Westsibirien bestätigt und empfiehlt Restakkumulationen von oxydierten Bitumina als Kriterien für Muttergesteine. Louis & TISSOT (1967) untersuchten die Abhängigkeit der Verhältnisse Bit. A : Cr; KW : CR\ •KWgesätttgt : C0Tg in Abhängigkeit von der Tiefe und bekamen ganz ähnliche Kurven wie NERUTSCHEW, mit starken Auslenkungen bei ca. 1 500 m. Die Naphthcne zu fünf und sechs Ringen nehmen in diesem Tiefenbercich stark ab. IWANZOWA, GLEBOWSKAJA & SWERTSCHKOW (1967)

wollen

als Kennwert für Muttergesteine die Wassers toffanreicherung in der organischen Substanz verwenden. Der Kennwert h a t (nach DOBRJANSKI) folgende F o r m : _ ~

C - 0 , 1 8 7 ZO + N + S H — 0 , 0 6 2 5 SO

+ N + S

Für Muttergesteine soll er einen Wert von 7 bis 8 in den Bituminoiden und 10 bis 12 in der unlöslichen Substanz haben. Ein ähnliches Ergebnis wie NERUTSCHEW erhielt schon PHILIPPI (1956); der Beginn der Kohlenwasserstoffmobilisation lag nach seinen Messungen in den USA bei ca. 2000 m. LOUIS (1966) fand in den "schistes cartons" des Toarce eine kräftige Zunahme der Kohlenwasserstoffe in ca. 1500 m Tiefe. LOUIS und seine Mitarbeiter im Französischen Erdölinstitut (KHALIFEH & LOUIS 1961) verwenden zur Kennzeichnung von Muttergesteinsbitumen die Verhältnisse Ru : Corg und CT : C0Tg (Ru = Reduktionsvermögen, gemessen am notwendigen Sauerstoff, um eine gewisse Menge Bitumen zu oxydieren; CT = Restkohlenstoff). Die Unterscheidung der Muttergesteine ergibt sich aus Abb. 3. Eine Reihe von Forschern beurteilt die Muttergesteinsqualität nach dem Restkohlenstoff CT im Gestein, ausgehend von der Annahme, daß nur wenige Prozente des Gesteinsbitumens mobilisierbar sind. Ein Gestein mit hohem Cr wird dann auch viel abgegeben haben. WELTE (1967) nimmt z. B. w i e BITTERLI (1963) a l s u n t e r e G r e n z e 0 , 5 % CT a n . D a d e r

Restkohlenstoff mit dem Alter der Gesteine ansteigt (NERU0+N+S,°/o

KW

%

Tiefe

Abb. 2. Gelialt an Heteroelementen O + N 4- S und Kohlenwasserstoffen in Bituminoiden des organischen Gehalts in Sedimenten in Abhängigkeit von der Tiefe. A und B: ausgewanderte Mengen (nach NEBUTSOHEW) PR. c

1,2 1,0

0,8

0,6 100 %

60 nicht

20 oxid. C

0

A b b . 3. O x y d a t i o n s k u r v e n n a c h KHALIFEH & LOUIS (1961)

P R : C ist Reduktionsvermögen zu Gesamtkohlenstoff, aufgetragen gegen Prozent des nichtoxydierten organischen Kohlenstoffs 1 und 2 — wahrscheinlich Mutfcergesteine; 3 — rezentes Sediment; 4 — Nichtmuttergestein

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4

171

MEINHOLD / Geochemie der K o h l e n w a s s e r s t o f f e TSCHEW 1 9 6 6 ,

SIMANEE; 1 9 6 7 ) ,

muß

das

entgegengesetzte

V e r h a l t e n auf e i n g e w a n d e r t e (sekundäre) Kohlenwasserstoffe hinweisen. D a r a u s h a t RODIONOWA K r i t e r i e n f ü r syngenetische u n d s e k u n d ä r e (gespeicherte) B i t u m i n a e n t wickelt. D a s V e r h ä l t n i s v o n • 100 ist ein solches org. b u b s t . K r i t e r i u m . Die Grenze zwischen s y n g e n e t i s c h e m u n d s e k u n d ä r e m B i t u m e n ergibt sich bei diesem V e r h ä l t n i s zu 5 bei d e t r i t i s c h e n Gesteinen, zu 13 bei K a r b o n a t e n . W e r t e d a r ü b e r zeigen s e k u n d ä r e B i t u m i n a a n . Ähnlich lassen sich die Verhältnisse saure B i t u m i n a zu n e u t r a l e n B i t u m i n a u n d saure H a r z e zu n e u t r a l e n H a r z e n v e r w e n d e n . W e r t e ü b e r eins zeigen p r i m ä r e B i t u m i n a an. Diese K r i t e r i e n sind a b e r n i c h t u n p r o b l e m a t i s c h ; d e n n es existieren dichte Tone, d e r e n B i t u m i n a d a n a c h s e k u n d ä r sein m ü ß t e n , w a s a b e r n i c h t m ö g l i c h i s t ( L E H M A N N U. a . 1 9 6 7 ) . IGNATOW ( 1 9 6 7 ) v e r s u c h t ,

zu einer q u a n t i t a t i v e n Aussage ü b e r M u t t e r g e s t e i n e zu k o m m e n , i n d e m er eine Menge v o n m e h r als 100 t t r o c k n e s organisches S e d i m e n t a t i o n s m a t e r i a l pro k m 2 u n d J a h r ford e r t . D a s b e g r ü n d e t er d a m i t , d a ß m i t steigender Menge a n o r g a n i s c h e m Kohlenstoff das R e d o x p o t e n t i a l a b n i m m t bis zu einem W e r t , der B i t u m i n i e r u n g g e s t a t t e t . Aus diesem G r u n d b e s t e h t a u c h eine A b h ä n g i g k e i t zwischen S e d i m e n t a t i o n s r a t e u n d B i t u m e n f ü h r u n g , die er in einer F o r m e l darstellt. W A S S O J E W I T S C H & ABRAMSON ( 1 9 6 4 ) v e r w e n d e n z u r

Kenn-

z e i c h n u n g s e k u n d ä r e r B i t u m i n a den B i t u m i n i e r u n g s k o e f f i zienten ß, der d e n Grad der U m w a n d l u n g der organischen S u b s t a n z zu Kohlenwasserstoff a n g i b t , seinerseits a b e r v o n der G e s a m t m e n g e der organischen S u b s t a n z a b h ä n g t . D a h e r b e n u t z t e n sie D i a g r a m m e ß gegen organische S u b s t a n z . Sind Chloroform- u n d Alkohol-Benzol-Auszüge v o r h a n d e n , d a n n ist das V e r h ä l t n i s der beiden bei p r i m ä r e n B i t u m i n a sehr klein. Aus der E l e m e n t a r a n a l y s e l ä ß t sich ein R e d u k t i o n s Q Jj koeffizient W = — — bilden, der bei s e k u n d ä r e n 0 + N + 5 B i t u m i n a hoch ist. WASSOJEWITSCH b e t o n t aber, d a ß sich wegen der vielen N e b e n u m s t ä n d e genaue Grenzzahlen n i c h t a n g e b e n lassen. A u c h SIMINEK (1967) ä u ß e r t die Meinung, d a ß die Menge der mobilisierbaren B i t u m i n a in der organischen S u b s t a n z n i c h t s ü b e r die P r o d u k t i v i t ä t a u s s a g t . W e i t e r e Versuche, a u s d e m V e r h ä l t n i s E x t r a k t zu G e s a m t kohlenstoff q u a n t i t a t i v e K r i t e r i e n f ü r M u t t e r g e s t e i n e abzul e i t e n , m a c h t e n BITTERLI (1963) u n d W E L T E (1960). RODIO-

NOWA (1967) r e c h n e t zu d e n g ü n s t i g e n M u t t e r g e s t e i n e n solche d e r sideritisch-sulfidischen u n d sulfidischen Fazies m i t i m M i t t e l 1 , 9 7 % org. S u b s t a n z u n d 0 , 0 8 4 % K o h l e n w a s s e r s t o f f e n , h ä l t a b e r a u c h noch f ü r g ü n s t i g Gesteine der sulfidischsideritischen geochem. Fazies m i t i m Mittel 0 , 0 1 9 % K o h l e n w a s s e r s t o f f . Gesteine u n t e r 0 , 0 2 % Kohlenwasserstoff geh ö r e n n i c h t zu d e n Muttergesteinen. Die Meinung v o n BAKER w u r d e einleitend e r w ä h n t . Ahnlich deutlich ä u ß e r t e sich COLOMBO (1967), er b e t r a c h t e t den Begriff „ M u t t e r g e s t e i n " als wenig f a ß b a r u n d h ä l t es f ü r unmöglich, eine Scheidelinie zwischen den h y p o t h e t i s c h e n M u t t e r - u n d N i c h t m u t t e r g e s t e i n e n zu ziehen. Viele S e d i m e n t e k ö n n e n z u r L a g e r s t ä t t e n b i l d u n g beit r a g e n ; w e n n wir u n s auf spezielle M u t t e r g e s t e i n e festlegen, d a n n s c h r ä n k e n wir unsere B e t r a c h t u n g e n ü b e r die E n t s t e h u n g des E r d ö l s u n n ö t i g ein. D a ß die Öle sicher n i c h t einem einzigen Prozeß e n t s t a m m e n , zeigen a u c h die m e h r f a c h e n Versuche, aus d e m t h e r m o d y n a m i s c h e n Gleichgewicht auf B i l d u n g s t e m p e r a t u r e n zu schließen. E i n neues Beispiel g a b e n SOKOLOW & TABER (1967). Die b e r e c h n e t e n T e m p e r a t u r e n s c h w a n k t e n bei d e n K o m p o n e n t e n gleicher Öle in einem d e r a r t großen Bereich (bei T e m p e r a t u r e n bis 2000°C!), d a ß v o n einem Gleichgewicht keine R e d e sein k a n n . E i n K a r d i n a l p r o b l e m f ü r die H y p o t h e s e v o n der Tiefene n t s t e h u n g des E r d ö l s ist die E r k l ä r u n g d e r p r i m ä r e n Migration. Zu den d a r ü b e r b e s t e h e n d e n I d e e n h a t POWERS (1967) eine n e u e geliefert. D a n a c h sind es der Verlust a n H y d r a t a tionswasser u n d die U m w a n d l u n g v o n Montmorillonit zu Illit, die zwischen 2000 u n d 3000 m vor sich geht, die n e u e p e r m e a b l e W e g e s c h a f f e n u n d gleichzeitig das W a s s e r f ü r L ö s u n g u n d A b t r a n s p o r t der Kohlenwasserstoffe liefern. D a h e r sollen n u r montmorillonitische Gesteine M u t t e r gesteine sein. D a es viele F o r s c h e r n i c h t f ü r möglich h a l t e n , wegen der Vielfältigkeit des Erdölbildungsprozesses Kriterien f ü r den 2*

M u t t e r g e s t e i n s c h a r a k t e r aufzustellen, ist m a n b e k a n n t e r m a ß e n seit langer Zeit den W e g gegangen, Ä h n l i c h k e i t e n zwischen S e d i m e n t b i t u m i n a u n d Erdölen h e r a u s z u f i n d e n u n d sie f ü r die E n t s c h e i d u n g , ob Muttergesteine oder nicht, heranzuziehen. Obgleich die Versuche bisher wenig f a ß b a r e Ergebnisse b r a c h t e n (die G r ü n d e w u r d e n im vorigen F o r t s c h r i t t s b e r i c h t MEINHOLD 1965 dargelegt), sind a u c h in den letzten J a h r e n wieder n e u e Versuche u n t e r n o m m e n worden. B e n u t z t w u r d e n z. B. P o r p h y r i n s p e k t r e n (VAN EGGELPOEL 1966), eine Reihe v o n K o m p o n e n t e n , die sich bei der Migration n i c h t v e r ä n d e r n , wie z. B. P o r p h y r i n e , Isoprenoide, S p u r e n e l e m e n t e (WELTE 1967). Die Isoprenoidverteilung w u r d e i m Gebiet des Gifhorner Trogs als geeignet f ü r die Parallelisierung v o n Erdölen g e f u n d e n ; ob sie a u c h die gew ü n s c h t e n K o r r e l a t i o n s m e r k m a l e M u t t e r g e s t e i n — E r d ö l lief e r t , m u ß sich noch erweisen. RODIONOWA U. a. (1967) n e h m e n als V e r w a n d t s c h a f t s k r i t e r i u m die m o n o a r o m a t i s c h e n Kohlenwasserstoffe, da die polyzyklischen bis b i a r o m a t i s c h e n V e r b i n d u n g e n im M u t t e r g e s t e i n verbleiben, die m o n o a r o m a t i s c h e n a b e r a u s w a n d e r n . LUDWIG & SCHMITZ (1966) v e r s u c h t e n , aus der Ähnlichkeit v o n D T A - S p e k t r e n Beziehungen zwischen M u t t e r g e s t e i n u n d Erdöl herzustellen, IWANZOWA u. a. (1967) b e n u t z t e n I n f r a r o t s p e k t r e n . RODIONOWA (1967) f i n d e t s t a r k e Ähnlichkeit in den Verhältnissen der h y b r i d e n M e t h a n - N a p h t h e n - zu den n a p h t h e n - a r o m a tischen K o h l e n w a s s e r s t o f f e n sowie in den A r t e n dieser K o h lenwasserstoffe zwischen G e s t e i n s b i t u m i n a u n d E r d ö l e n im Wolga —Ural-Gebiet. BARBAT (1967) b e r i c h t e t ü b e r solche chemischen Parallelisierungen aus W y o m i n g , U t a h u n d Colorado. I n s g e s a m t a b e r bleibt n a c h wie vor die F e s t s t e l l u n g gültig, daß wegen der verschiedenen Schicksale, die Öle u n d G e s t e i n s b i t u m e n e r f a h r e n k ö n n e n , eine gesicherte Z u o r d n u n g sehr schwierig ist. W e n n in einem E r d ö l b e c k e n eine solche Z u o r d n u n g nicht möglich ist, d a n n b e s a g t das noch nicht, d a ß das E r d ö l hier f r e m d ist. I n s g e s a m t ist a u c h noch viel A r b e i t nötig, ehe wir in bezug auf M u t t e r g e s t e i n e auf gesichertem Boden s t e h e n w e r d e n .

3. Die Metamorphose der Gesteinsbitumina Die V e r ä n d e r u n g e n i m C h e m i s m u s der G e s t e i n s b i t u m i n a m i t Tiefe u n d A l t e r sind viel u n t e r s u c h t worden, besonders i m Hinblick auf die Muttergesteinsfrage. Die m i t z u n e h m e n der Tiefe a u f t r e t e n d e n V e r ä n d e r u n g e n w u r d e n im K a p i t e l „ P r o b l e m der M u t t e r g e s t e i n e " bereits e r w ä h n t . Es wird n u n o f t b e h a u p t e t , d a ß m i t d e m Alter die aus Kohlenwasserstoffen b e s t e h e n d e Ö l k o m p o n e n t e z u n i m m t . U b e r b l i c k t m a n die neueren U n t e r s u c h u n g e n zu dieser Frage, d a n n k a n n m a n n u r m i t großen E i n s c h r ä n k u n g e n dieser B e h a u p t u n g zus t i m m e n . I m wesentlichen ist es der E i n f l u ß der T e m p e r a t u r , der die U m w a n d l u n g b e w i r k t , wobei a b e r das Ausgangsm a t e r i a l u n d die geochemische U m g e b u n g einen großen E i n f l u ß h a b e n . Das e r g a b e n die Versuche v o n WELTE (1967) m i t d e m Ölschiefer v o n Messel, die U n t e r s u c h u n g e n a m Papierschiefer des Toarce v o n L o u i s (1966), v o n TLSSOT (1967), v o n RODIONOWA i m W o l g a — U r a l - G e b i e t ( 1 9 6 7 ) , v o n W A S S O J E W I T S C H ( 1 9 6 7 ) u n d v o n SIMXNEK ( 1 9 6 7 ) a n P e l i t e n

in der ÖSSR u n d vielen a n d e r e n . MCIVER (1967) h a t auf die a u ß e r o r d e n t l i c h e V a r i a b i l i t ä t des „ K e r o g e n s " , also der organischen S u b s t a n z e n im Gestein hingewiesen, die den großen R a u m zwischen „ ö l a r t i g e r " u n d „kohleartiger" Zusammensetzung einnehmen und daher einer besseren Klassifizierung b e d ü r f e n . E n t s p r e c h e n d sind a u c h die d a r i n e n t h a l t e n e n B i t u m i n a v o n großer Verschiedenheit. E r b e n u t z t e d a h e r genetisch z u s a m m e n g e h ö r i g e P r o b e n u n d u n t e r s u c h t e die V e r ä n d e r u n g e n m i t z u n e h m e n d e r Tiefe. Die V e r ä n d e r u n g der organischen S u b s t a n z v e r l ä u f t bek a n n t l i c h in R i c h t u n g A b s p a l t u n g v o n Sauerstoff, d a n n in geringerem Maße v o n Wasserstoff u n d A n r e i c h e r u n g v o n C. Die A b s p a l t u n g k a n n in F o r m v o n Wasser (OH-Gruppe), von C 0 2 u n d schließlich v o n leichten K o h l e n w a s s e r s t o f f e n geschehen. I n A b b . 4 ist v o n den fünf Beispielen MCIVERS eines dargestellt. Es zeigt, d a ß f ü r die P r o b e n in geringen Tiefen die C 0 2 - A b s p a l t u n g v o r h e r r s c h e n d ist; in großen Tiefen m u ß aber eine A b s p a l t u n g v o n Kohlenwasserstoff erfolgen. A u c h die a n d e r e n Beispiele zeigen K o m b i n a t i o n e n aus den drei Möglichkeiten, wobei m i t z u n e h m e n d e r Tiefe die Kohlenw a s s e r s t o f f a b s p a l t u n g überwiegt. D a ß dies eine Folge

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MEINHOLD / Geochemie d e r K o h l e n w a s s e r s t o f f e

t h e r m i s c h e r Beeinflussung ist, zeigen U n t e r s u c h u n g e n in einem Schieferton (Pierre Shale) m i t A n n ä h e r u n g a n einen E r u p t i v g a n g : Die Ä n d e r u n g der Z u s a m m e n s e t z u n g g e h t eind e u t i g auf R e c h n u n g der K o h l e n w a s s e r s t o f f a b s p a l t u n g . Das ist eine weitere B e s t ä t i g u n g des bereits v o n NEBUTSCHEW (1962) v e r ö f f e n t l i c h t e n Forschungsergebnisses, wie sie in ähnlicher F o r m a u c h PHILIPPI (1956) u n d L o u i s & TISSOT (1967) erhielten. Der Diagenesegrad, bei d e m die Kohlenwasserstoffa b s p a l t u n g w i r k s a m wird, ist d u r c h eine ganze Reihe v o n A r b e i t e n b e k a n n t : E r liegt e t w a e n t s p r e c h e n d d e m I n k o h l u n g s s t a d i u m H a r t b r a u n k o h l e bis G a s f l a m m k o h l e (GuEABI

1967,

JAKOB

1966,

WASSOJEWITSCH

1967).

SWAIN 1 9 6 3 , HOLMQUEST 1 9 6 6 , G E D E N K 1 9 6 6 ) . G E D E N K z o g

folgende Schlüsse: Aus fossiler F a u n a e n t s t e h e n schon sehr f r ü h z e i t i g isoparaffinische u n d n a p h t h e n i s c h e Kohlenwasserstoffe, aus der fossilen Flora i m S p ä t s t a d i u m d u r c h t h e r m i s c h e Zersetzung h u m o s e r S u b s t a n z e n leichte Kohlenwasserstoffe m i t n o r m a l p a r a f f i n i s c h e m C h a r a k t e r sowie Gas. Die G r u p p e Cj bis C 5 in der feinverteilten organischen S u b s t a n z w u r d e v o n ROGOSINA (1967) u n t e r s u c h t . A u c h hier ergab sich eine A b h ä n g i g k e i t der Isomerenverteilung v o n der Fazies. W e n n m a n v o m M e t h a n absieht, d a n n überwiegen in den Sapropeliten P r o p a n u n d B u t a n , in den H u m o l i t e n u n d S a p r o h u m o l i t e n aber s t e h t Ä t h a n a n erster Stelle. Dies ber ü h r t die Vorstellungen einiger a n d e r e r Forscher, die spezielle G a s m u t t e r g e s t e i n e v o n vorwiegend h u m o s e m C h a r a k (z.B.

BOTNEWA & SOKOLOW 1 9 6 7 ) .

co 2 1050

Somit

scheint also h e u t e gesichert, d a ß sich die organische S u b s t a n z in den Gesteinen u n t e r W i r k u n g steigender T e m p e r a t u r in R i c h t u n g K o h l e n w a s s e r s t o f f e u m w a n d e l t , die d a n n als leicht mobile S u b s t a n z e n in einer gewissen Tiefe (ca. 1500 bis 2000 m) v o m Kerogen a b g e s p a l t e n werden, wobei d a n n a b e r gleichzeitig eine wachsende Menge h o c h k o n d e n s i e r t e r organischer V e r b i n d u n g e n als unlöslich im Gestein z u r ü c k b l e i b t . W a s chemisch geschieht, ist weniger g u t b e k a n n t . Folgende Beobachtungen wurden gemacht: Die n - A l k a n e n e h m e n m i t der Tiefe relativ zu den i-Alkan e n zu (BOGOMOLOW 1967 u . ältere Arbeiten), ebenso gegenü b e r den N a p h t h e n e n ; ferner n e h m e n zu die A n z a h l der a r o m a t i s c h e n Ringe gegenüber den n a p h t h e n i s c h e n R i n g e n u n d die A n z a h l der a r o m a t i s c h e n K o h l e n s t o f f a t o m e in bezug auf die G e s a m t m e n g e der C-Atome (TISSOT 1967). I n e t w a 750 m Tiefe (60°C) beginnen die großen n a p h t h e n i s c h e n Moleküle m i t fünf u n d sechs Ringen zu zerfallen, bis 1400 m n e h m e n sie auf 1 / 5 a b ; die m i t ein bis vier R i n g e n n e h m e n zu ( L o u i s & TISSOT 1967). Die n a p h t h e n - a r o m a t i s c h e n Verb i n d u n g e n w e r d e n ebenfalls bei e t w a 60°C reorganisiert, die großen Moleküle in kleinere u n d a r o m a t i s c h e r e K e r n e ges p a l t e n . Es ist b e m e r k e n s w e r t , d a ß n e b e n einfacheren Molek ü l e n gleichzeitig h o c h m o l e k u l a r e k o n d e n s i e r t e V e r b i n d u n gen e n t s t e h e n . B e t r ä c h t l i c h ist der E i n f l u ß der G e s t e i n s u m g e b u n g auf die U m w a n d l u n g der organischen S u b s t a n z . E r ist aus vielen A r b e i t e n b e k a n n t . Als Beispiel seien die W e r t e ü b e r die Z u s a m m e n s e t z u n g der niedermolekularen F r a k t i o n aus einer A r b e i t v o n DUNTON & HUNT (1962) a n g e f ü h r t . Die v o n diesen A u t o r e n g e m a c h t e n A n g a b e n ü b e r die Lithologie der Gesteine sind zwar l ü c k e n h a f t ; es lassen sich a b e r die in dieser Arbeit v e r ö f f e n t l i c h t e n H ä u f i g k e i t s v e r t e i l u n g e n in vier G r u p p e n ordnen, d e r e n A l t e r höchst verschieden ist, die a b e r Beziehungen z u r Lithologie zeigen (Abb. 5). U n t e r s u c h t w u r d e die Verteilung der n - P a r a f f i n c C 4 bis C8 u n d die der Z v k l o p e n t a n e (CP) u n d Z y k l o h e x a n e (CH). Die G r u p p e 1 in schwarzen u n d g r a u e n T o n e n zeigt ein M a x i m u m in den Z y k l o p e n t a n e n ; dies k ö n n t e auf k a t a l y t i s c h e C r a c k u n g hinweisen. G r u p p e 2 in K a r b o n a t e n h a t das M a x i m u m bei C 4 , was evtl. auf t h e r m i s c h e C r a c k u n g h i n d e u t e n k ö n n t e . G r u p p e 3 m i t d e m M a x i m u m bei C 8 u n d G r u p p e 4 k ö n n t e n m e h r s t u f i g e E n t s t e h u n g h a b e n . W e i t e r e Beispiele sind d e m v o r a n g e g a n g e n e n Fortsclirittsbericht zu e n t n e h m e n (MEINHOLD 1965). A u c h der E i n f l u ß der A u s g a n g s s u b s t a n z spielt sicher eine Rolle, da eine Reihe t y p i s c h e r E i g e n s c h a f t e n der Z u s a m m e n s e t z u n g e r h a l t e n bleibt (BORDOWSKY 1967,

ter annehmen

d a m i t , d a ß das R e d o x p o t e n t i a l m i t w a c h s e n d e m C org negat i v e r wird, das e r k l ä r t a u c h die A b h ä n g i g k e i t zwischen der S e d i m e n t a t i o n s r a t e u n d der E r d ö l f ü h r u n g p r o d u k t i v e r Serien, die parallelgehen. N e b e n d e m K l i m a b e t o n t a u c h NASARKIN (1967) die W i c h t i g k e i t der S e d i m e n t a t i o n s r a t e .

GTJLJA-

JEWA (1967) n i m m t den E i n f l u ß v o m Salzgehalt der Meere an. Sie e r k l ä r t die hohen B i t u m i n i e r u n g s g r a d e i m Visé des Wolga — Ural-Gebiets u n d a n d e r e n Meeresbecken m i t periodisch e r h ö h t e m Salzgehalt. IGNATOW (1967) e r k l ä r t die bek a n n t e T a t s a c h e , d a ß der B i t u m i n i e r u n g s g r a d m i t der Menge des organischen K o h l e n s t o f f s i m Gestein z u n i m m t ,

J000 .2750

lf^28.5B2 5 M .19!"

M

A b b . 4. V e r ä n d e r u n g des G e s t e i n s b i t u m e n s i m Mannvillcshale der Kreide v o n A l b e r t a (Canada) m i t der Tiefe

Zahlen: Versenkungstiefe der Probe in m. Gerissene bzw. strichpunktierte Linien: theoretische Veränderung der Bitumina bei Abgabe von CO„ CH4 und flüssigen Kohlenwasserstoffen. Ausgezogene Kurve: aus Beobachtung resultierende Veränderung (nach MCIVER 1967, umgezeichnet und umgerechnet)

Schließlich w u r d e a u c h der E i n f l u ß des D r u c k e s auf die U n i w a n d l u n g der organischen S u b s t a n z u n t e r s u c h t . SENJUKOW & TOLDYKINA (1967) k o n n t e n experimentell nachweisen, d a ß einige R e a k t i o n e n d r u c k a b h ä n g i g verlaufen. BOGOMOLOW & SCHIMANSKI (1966) bringen d a z u ein geologisches Beispiel: J u n g e , geosynklinale Mittelostöle weisen ein a n o m a l hohes Verhältnis n - P a r a f f i n e zu i - P a r a f f i n e n in der G a s o l i n f r a k t i o n auf, die Öle im Tafelgebiet des P e r m - B e c k e n s (USA) a b e r h a b e n sehr wenig n - P a r a f f i n e .

4. Die Herkunft der niederen Alkane und Naphthene Die E n t s t e h u n g der niederen A l k a n e ist b e k a n n t e r m a ß e n ein Schlüsselproblem der Erdölcntsüehung. Obgleich sich n - P a r a f f i n e bis C 6 in lebenden wie a b g e s t o r b e n e n P f l a n z e n finden, so sind doch deren Mengen a u ß e r o r d e n t l i c h klein, i m E r d ö l m a c h e n sie a b e r o f t einen ü b e r r a g e n d e n Anteil aus. Als Quellen f ü r P a r a f f i n e k o m m e n in F r a g e : F e t t s ä u r e n , Alkohole, freie Kohlenwasserstoffe, Steroide, Isoprenoide, A m i n o s ä u r e n , K o h l e h y d r a t e u n d ähnliche V e r b i n d u n g e n . EEDMANN (1967) h a t die verschiedenen t h e o r e t i s c h e n Möglichkeiten u n t e r s u c h t . Es sind dies: D e g r a d a t i o n v o n N a p h t h e n e n zu A r o m a t e n u n d A b t r e n n u n g v o n P a r a f f i n k e t t e n v o n R i n g v e r b i n d u n g e n . Solche d e g r a d i e r t e n P r o d u k t e f i n d e n sich tatsächlich i m E r d ö l ; die R e a k t i o n e n v e r l a u f e n in geologisch k u r z e r Zeit. F e r n e r k o m m e n in F r a g e : Z e r s e t z u n g v o n A m i n o s ä u r e n , die l a n g s a m vor sich geht, a b e r d u r c h Bentonite und Kernreaktionen katalysiert wird; ferner a n a e r o b e bakterielle F e r m e n t a t i o n , D e k a r b o x y l i e r u n g v o n organischen S ä u r e n u n d Crackung. I n allen Fällen ist die E r k l ä r u n g der H e r k u n f t der Kohlenwasserstoffe C 6 bis C 10 besonders schwierig. Die F o r s c h u n g bedient sich, d a die theoretische E r k l ä r u n g so schwierig ist, vielfach des E x p e r i m e n t s . LOUIS (1967) zeigte den großen E i n f l u ß des k a t a lytisch w i r k s a m e n Montmorillonits bei der U m w a n d l u n g n a p h t h e n i s c h e r Erdöle, wobei a b e r bei E r h i t z u n g auf 180° i m D a u e r v e r s u c h (70 Tage) die A r o m a t e n a b n a h m e n , H a r z e u n d leichte Kohlenwasserstoffe z u n a h m e n . Bei E r h i t z u n g allein der g e s ä t t i g t e n K o m p o n e n t e n m i t Montmorillonit erg a b sich jedoch eine Z u n a h m e der P a r a f f i n e u n d A r o m a t e n auf K o s t e n der N a p l i t h e n e . Es ist also ersichtlich, d a ß kein einfaches Gesetz v o r h e r r s c h t , sondern die R e a k t i o n e n sehr

Zeitschritt für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Hett 4

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MEINHOLD / Geochemie der Kohlenwasserstoffe s t a r k von der Ölart abhängen. I n keinem F a l l k o n n t e bei den V e r s u c h e n von L o u i s die Neubildung von gesättigten Verb i n d u n g e n b e o b a c h t e t werden. BESTOUGEFF (1967) stellte f e s t , daß F e t t s ä u r e n und F e t t a l k o h o l e vorwiegend Paraffine m i t längeren K e t t e n bildeten, dagegen ergaben die Seitenk e t t e n primärer fester Ringverbindungen die gewünschten kurzen K e t t e n bei milder thermischer Crackung. E r fand auch eine deutliche Verschiebung des V e r t e i l u n g s m a x i m u m s der P a r a f f i n k e t t e n l ä n g e n v o m T e r t i ä r (C 18 bis C 28 ) bis zum K a m b r i u m (C 6 ). Ähnliche „ R e i f e m e r k m a l e " fand auch WELTE (1967). Diese E r k e n n t n i s wird ebenfalls gestützt durch

die

Beobachtungen

von

SILVEBMAN

(1963)

an

den

C 1 3 : C 1 2 -Verhältnissen der Öle, aus denen er folgerte, daß die leichten Kohlenwasserstoffe abgespaltenen S e i t e n k e t t e n e n t s t a m m e n k ö n n t e n . B e i diesem Vorgang m ü ß t e n durch K o n d e n s a t i o n außerdem schwere, polyzyklische A r o m a t e n e n t s t e h e n . D a s wird durch B e o b a c h t u n g e n an „ g e r e i f t e n " Ölen

bestätigt.

BOGOMOLOW &

SCHIMANSKI

(1967)

unter-

s u c h t e n das t h e r m o d y n a m i s c h e Gleichgewicht verschiedener z u s a m m e n v o r k o m m e n d e r H e x a n e . E s ergaben sich W e r t e u m 1 0 0 0 ° C , die unmöglich sind, so daß m a n also von einem Gleichgewicht n i c h t sprechen kann. Sie fanden weniger eine A b h ä n g i g k e i t der Verhältnisse zwischen Normal- und Isoparaffinen v o m Alter, wohl aber von der t e k t o n i s c h e n B e anspruchung (Druck) her, was d a m i t erklärt wird, daß die als U r s p r u n g s m a t e r i a l angesehenen Lipidc und deren gesättigte F r a g m e n t e für die Umwandlung zu Normalparaffinen mehr E n e r g i e brauchen als für die n a c h Isoparaffinen. B e t r a c h t e t m a n einzelne B e c k e n , dann ergibt sich eine Z u n a h m e des Verhältnisses n - P : i - P mit der Lagerungstiefe (DADASCHEW 1 9 6 1 , MAKSIMOW u . a . 1 9 5 9 ) . TISSOT

(1966) h a t sich, wie schon DOBRJANSKI (1961), m i t

der theoretischen Seite dieser Vorgänge b e f a ß t . U m die möglichen R e a k t i o n e n zu ermitteln, gehen sie aus von der S t a b i l i t ä t der einzelnen Verbindungen, die eine F u n k t i o n (und z w a r gegenläufig) der freien E n t h a l p i e der Verbindungen ist. Dieses Gesetz erfordert Z u n a h m e der leichten K o h l e n wasserstoffe mit der Tiefe und T e m p e r a t u r . Thermische C r a c k u n g f ü h r t dabei zu den Endgliedern M e t h a n und Grap h i t , m ü ß t e also hauptsächlich n - P a r a f f i n c ergeben. K a t a l y t i s c h e Crackung ergäbe dagegen m e h r i-Paraffine und Z y k l o p a r a f f i n e . Die V o r m a c h t der n-Paraffine im E r d ö l weist daher auf thermische Crackung als bevorzugten Vorg a n g hin. D a ß keine Olefine gefunden werden, die eigentlich dabei entstehen m ü ß t e n , sieht TISSOT wegen deren geringer S t a b i l i t ä t n i c h t als gravierend an. Alle B e o b a c h t u n g e n zeigen also eine E n t w i c k l u n g parallel m i t physikalischen Bedingungen der Umgebung, was schwer e r k l ä r b a r ist m i t der Ansicht der Anorganiker, die eine Zufuhr aus der Tiefe während relativ kurzer Zeiträume annehmen. E I S M A & J U R G ( 1 9 6 7 ) e r h i t z t e n e i n e F e t t s ä u r e C 2 1 im. L a n g -

zeitversuch m i t T o n und W a s s e r . B e i Gegenwart von T o n

T o n . B e i Gegenwart von W a s s e r überwogen die n - P a r a f f i n e , ohne W a s s e r sehr stark die Isoparaffine; a b e r die R e a k t i o n s fähigkeit des T o n s (Kaolinits) war auch durch große Mengen W a s s e r n i c h t behindert. Mit steigender T e m p e r a t u r stiegen längeren K e t t e n als das Ausgangsmaterial. Das A u f t r e t e n der langen K e t t e n , längeren als die i m organischen Material vorhandenen, war bislang, wie b e k a n n t , auch noch ein umstrittenes Problem. I n großer Menge e n t s t a n d das A l k a n n-C 2 1 , gebildet vermutlich mittels eines freien H - A t o m s aus der Dekarboxylierung der F e t t s ä u r e . Die A u t o r e n b e t r a c h t e n diesen Vorgang als eine mögliche Ursache für das Verschwinden der V o r m a c h t der ungeraden C-Zahlen m i t der E n t wicklung. RESNIKOW ( 1 9 6 7 ) b e t r a c h t e t ä h n l i c h w i e DOBRJANSKI die

N a p h t h e n e als Ausgangsmaterialien für die leichten K o h l e n wasserstoffe. Sie gehen in A r o m a t e n und M e t h a n - K o h l e n wasserstoffe über. Das R e i f e m e r k m a l der Öle ist daher der Naphthenumwandlungsgrad. Die A r t des Öles und viele sekundäre Einflüsse spielten eine große Rolle bei der R e a k t i o n , die auch ganz anders ablaufen kann. GEDENK (1966) schließlich erklärt die Unterschiede der Isomerenverteilung bereits i m A u s g a n g s m a t e r i a l : Aus der F a u n a entstehen frühdiagenetisch Isoparaffinc uud Naphthene, aus der F l o r a durch thermische Crackung später Normalparaffine. Beide P r o d u k t e mischen sich während der Migration und geben die heutigen Gemenge. Schließlich liegen auch für die Möglichkeit biochemischer E n t s t e h u n g der leichten Kohlenwasserstoffe neue und interessante Ergebnisse vor (DAVIS 1967). F e t t e werden durch anaerobe Mikroorganismen in Glyzerine und F e t t s ä u r e n gespalten, erstere dienen als Nahrung, letztere können anaerob umgewandelt werden zu Methylketonen, die schließlich in Kohlenwasserstoffe übergehen. So ist die Bildung von Alkoholen bei Aspergillus rager und Chloslridium sicher b e o b a c h t e t (PHILIP u. a. 1963, WALKER U. a. 1963). Auch die Dekarboxylierung von Aminosäuren zu A m i n e n und ihre biologische Hydrierung zu K o h lenwasserstoffen wurde b e o b a c h t e t . Das V o r k o m m e n von einfachen Zykloparaffinen ist gleicherweise noch rätselhaft, Zyklopentane und Zyklohexane, wie sie in Ölen v o r k o m m e n , sind in der N a t u r höchst selten. Neuere Arbeiten darüber sind Verf. nicht b e k a n n t geworden, es bleibt n a c h wie vor die Möglichkeit der Zyklisierung durch die DLELS-ALDER-Reaktion oder die E n t stehung aus dem Zerbrechen komplizierter Ringverbindung e n , w i e es D O B R J A N S K I a n n a h m .

B e t r a c h t e t m a n die Ergebnisse insgesamt, so sieht man, daß für die H e r k u n f t der leichten Kohlenwasserstoffe S u b stanzen aus den Gest.einsbitumina, aus den Organismen direkt oder aus dem primären E r d ö l heranzuziehen sind. Sie zeigen auch, daß R e a k t i o n e n verschiedener A r t und verschiedener R i c h t u n g herangezogen werden können, die s t a r k von den Umgebungsbedingungen abhängen, und ein emsinniger Prozeß n i c h t zu erwarten ist. Der Vorgang, wie er v o n DOBRJANSKI

- Miss.

auch

Mississippian C4 -C5

C6

C7 C8

CP CH

^

Pennsylvan

^

• Miozän

\

~ Z -

Mississippian

Ci,

C 5 C5

Cy

Ce

CP CH

C4

C5

C6

u n d TISSOT v o r g e s t e l l t

wurde u n d der zu

t h e r m o d y n a m i s c h i m m e r stabileren Kohlenwasserstoffen und schließlich zu E r d g a s führt, ist n i c h t der einzige. D a s zeigten

C 7 C0

CP CH

A b b . 5. Häufigkeitsverteilung der Kohlenwasserstoffe aus der organischen S u b s t a n z C, bis C, : n-Paraffine, CP: Zyklopentane, CH: Zyklohexane 1 — tonige Gesteine, Eozän bis Mississippi, katalytische Crackung?; 2 — kalkige Gesteine, Präkambrium bis Mississippi, thermische Crackung»; 3 - kalkige und rote Tone, Devon bis Trias; 4 — Schiulfe und Kalke, Miozän bis Mississippi

die

Untersuchungen

von

KISIELOW &

RTJDKOWSKA

(1967) an polnischen Erdölen, wo sich auch statistisch k a u m Unterschiede zwischen tertiären und mesozoischen Ölen im Umwandlungsgrad n a c h DOBRJANSKI ergaben. Schließlich gibt es auch B e o b a c h t u n g e n , daß die Metamorphose der Öle n a c h schwereren T y p e n geht, wobei allerdings zunächst der B e s t a n d an Paraffinen und N a p h t h e n e n umgeschichtet, aber in der Masse nicht verändert wird, wo aber durch O x y d a t i o n kondensierte Verbindungen aus A r o m a t e n entstehen. Hinzu t r e t e n neu Schwefelverbindungen und andere schwere Neubildungen, wie i m K a p i t e l 5. dargestellt. Auch hier haben die neuen Forschungen die Vielschichtigkeit der Vorgänge k l a r g e m a c h t . W e l c h e r Vorgang i m einzelnen der vorherrschende ist, bleibt noch zu klären. Seitens der Anorganiker, die die Herkunft, der leichten Kohlenwasserstoffe aus dem Mantel und der tieferen K r u s t e herleiten, wurden ebenfalls einige neuere Forschungsergebnisse beigetragen. KRAWZOW (1967) fand in den Gasen der K i m b e r l i t - P i p e s Sibiriens CH 4 , höhere Kohlenwasserstoffe, CO und viel H 2 . E r erwartet in den Tiefenzonen eine R e a k tion 2 F e O + H 2 0 - > F e 2 0 3 + H 2 oder 3 F e 0 + H 2 0 - ^ F e 3 0 4 + H 2 . Sie wurde a m V u l k a n Awatschi in K a m t s c h a t k a

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4

MEINHOLD / Geochemie der Kohlenwasserstoffe

174 nachgeprüft, indem drei Andesitproben 1 km, 0,5 km und unmittelbar vom Vulkanschlot entnommen wurden. Die Analyse ergab tatsächlich, daß die Andesite unmittelbar am Schlot an FeO und H 2 0 verarmt waren, aber um das Doppelte angereichert an Fe 2 0 3 . In den Porengasen der Schlotandesite t r a t H 2 auf. Die weitere Reaktion soll dann so verlaufen: CO + 3 H ä = CH 4 + H 2 0 oder C0 2 + 4 H 2 = CH 4 4- 2 H 2 0 . Diese Reaktion wurde im Labor nachgeahmt. Eine anorganische Entstehung von CHj ist möglich, und auch einige „Organiker" (GLOGOCZOWSKI 1966) halten es für möglieh, daß solche anorganisch gebildeten Gase hydrierend und mobilisierend auf organisch gebildete Bitumina wirken und so eigentlich erst zum flüssigen Erdöl führen. Diese Möglichkeit kann nicht ausgeschlossen werden. Die große Masse der Erdölsubstanzen kann aber nicht diesen Tiefengasen entstammen, gerade weil die Beziehungen des Erdöls zu seiner lithologischen, physikalischen und geochemisehen Umwelt so vielfältig sind und es außerdem die bekanntermaßen zahlreichen Substanzen in den Erdölen gibt, die nicht synthetisierbar sind und nicht nur als „Verunreinigungen" des anorganisch gebildeten Erdöls betrachtet werden können. Das gilt auch noch dann, wenn, wie Zeitungsberichte erkennen lassen, mit ziemlich außergewöhnlichen Mitteln Porphyrinkerne anorganisch herstellbar sind.

6. Die Metamorphose der Erdöle Nach der Vorstellung, daß das Erdöl bei thermischkatalytisehen Vorgängen in ca. 1 500 bis 2000 m entsteht, in Gasphase auswandert und benachbarte Speichergesteine sättigt, müßten die Ähnlichkeiten zwischen Mutter- und emigrierter Substanz überwiegen. Das kann aber nicht behauptet werden. Andererseits besteht die Diskrepanz, auf die auch TLSSOT (1966) hingewiesen hat, daß nämlich die behaupteten thermisch-katalytischen Reaktionen in geringen Teufen mit vernachlässigbar kleiner Geschwindigkeit verlaufen, in Zonen, in denen also noch reichlich Wasser und Permeabilität für die Migration vorhanden sind. Dort aber, wo sie nach den physikalischen Bedingungen ablaufen könnten, also ab 1500 bis 2000 m Tiefe, ist die Permeabilität sehr klein. Diese Überlegungen zusammen mit den Tatsachen, daß in den Ölen solche thermischen Reaktionen vor sich gegangen sein müssen und daß es aber außerdem darin Bestandteile gibt, die wegen ihres Dampfdrucks nicht durch eine Gasphase gegangen sein können und nicht durch thermische Reaktionen entstanden sind, daß es Verbindungen komplizierter Art gibt, wie sie auch in lebenden Organismen vorkommen, daß fernerhin weite Migrationen im Wasser höchstwahrscheinlich sind, führen zu der Vorstellung, daß es ein frühdiagenetisch gebildetes Erdöl geben muß, das während seiner Wanderung im Gestein im Laufe der Zeit umgewandelt wird. Für diese Umwandlungen werden meist mechanische und physikalische Prozesse herangezogen. Mechanische und Grenzflächenkräfte sollen größere und verzweigte Moleküle und die Adsorption (chromatographischer Effekt) soll polare, aber auch polymorphe Komponenten zurückhalten. Die Forschungen der letzten Jahre haben folgende Ergebnisse gebracht: R E S N I K O W ( 1 9 6 7 ) nimmt ein naphthenisches Urerdöl an und vermutet, daß in der Zone der Katagenese (70 bis 110°C nach WASSOJEWITSCH) die Naphthene in Paraffine und Aromaten umgewandelt werden. Diese Naphthene entstammen nach den Vorstellungen von BOGOMOLOW ( 1 9 6 7 ) zyklisierten höheren Fettsäuren und Alkoholen, ein Vorgang, dem BOGOMOLOW große Bedeutung für die Erdölentstehung zumißt. Der Umwandlungsgrad soll sogar das Alter der Öle angeben, wofür R E S N I K O W die Formel T = 7140/^0,245 +

t s j angibt

(T in Mill.

Jahren;

ts Schichttemperatur; Pn Umwandlungsgrad = A • ili 3 /iV 4 , wobei A = Aromatengehalt, M = Paraffingehalt, jV = Naphthengehalt sind). Benutzt wird dabei die Fraktion bis 200 °C Siedetemperatur. Die Frage ist nur, wie man dabei alle anderen „störenden" Einflüsse berücksichtigen will. Solche können z. B. die umbildenden Wirkungen der Tonkolloide sein. Viele Untersuchungen dazu wurden angestellt. Sie beruhen meist auf der Vorstellung des wandernden Erdöls als mehr oder weniger porenfüllenden Mediums. So such-

ten B O T N E W A & SCHULOWA (1967) im Westkuban-Becken den Zusammenhang zwischen dem Tongehalt der Speichergesteine und der Erdölqualität, der an anderen Stellen positiv gewesen sein soll. Der Erfolg war sehr gering, ein deutlicher Zusammenhang war nicht erkennbar. Daß aber ein Zusammenhang zwischen gebildeter Kohlenwasserstoffmenge und Montmorillonitgehalt der Schichtfolgen besteht, ist aus mehreren anderen Arbeiten (z. B. W E A V E R 1960, Nosov 1964) bekannt. In synsedimentären Bitumina (z. B. im polnischen Zechstein, K A B P I N S K I 1967) wächst die Ölfraktion mit dem Tongehalt an. Aber diese Beobachtungen dürften Vorgänge im Muttersediment (Erhaltung der organischen Substanz wegen Adsorption, Katalyse, große Wassermengen für Lösung) widerspiegeln und nicht mit den Tongehalten der Speichergesteine zusammenhängen. Die katalytisehen Vorgänge brauchen einen engen Kontakt zwischen Katalysator und reagierenden Stoffen; im Speichergestein, in dem die Ölkomponenten in einem Vielfachen an Wasser migrieren, ist das selten gegeben. Daß die Stoffe in gelöster Form wandern, findet eine neue Stütze in den Untersuchungen von N E U M A N N & J O B E L I U S (1966). Sie fanden Phenole und Alkalinaphthenate im Erdöl, die imstande sind, Emulsionen zu stabilisieren. Ein weiterer Versuch von N E U M A N N (1966) zur Klärung des chromatographischen Effekts ergab, daß Ol, durch trockenes Marmorpulver gedrückt, den gewünschten Effekt ergab, nicht aber, wenn das Pulver vorher mit Wasser benetzt war. Viele Versuche früherer Zeit zum Nachweis des chromatographischen Effekts erfolgten meist mit trockenen Gesteinen, diese sind unter natürlichen Verhältnissen kaum vorhanden. Damit bliebe nur eine Lösungschromatographie, die nicht sehr wirksam zu sein scheint. GTOGOCZOWSKL (1967) macht neben der Chromatographie auf einen weiteren Effekt aufmerksam. Wenn ein Kohlenwasserstoffgemisch durch ein Gestein strömt, werden in ihm vorhandene organische Bestandteile herausgelöst, die in der Lage sind, das Erdöl in Richtung auf einen schwereren Typ zu verändern. Wandert das Öl dann durch ein bitumenfreies Gestein, dann bewirkt die Adsorption den umgekehrten Effekt. Der genannte Autor hat auch versucht, die Vorgänge während der Migration mittels Dünnschicht- und Papierchromatographie zu modellieren. Aber auch diese modellierten Vorgänge können erst auf ein spätes Migrationsstadium angewendet werden, wenn das Erdöl schon die Poren weitgehend füllt. Das ist aber für den größten Teil des Weges, den es zurücklegt, nicht der Fall. Oxydation und Sulfurierung während der Migration fanden erneut W O R O N O W (1967) und B Ü L E K B A J E W (1967). Schließlich ist auch die biochemische anaerobe Oxydation von Kohlenwasserstoffen durch Mikroben von D A V I S u. a. (1966) mittels radioaktiv markierter Kohlenwasserstoffe bündig nachgewiesen worden. Bei der Oxydation durch Desulfovibrio desulfuricans entstehen gleichzeitig hochaktive Schwefelverbindungen, welche die Schwefelung der Öle bewirken. Die verschiedenen Möglichkeiten der rein chemischen Oxydation in den Porenwässern können hier nicht wiederholt werden, sie finden sich z. B. bei K A B Z E W (1964). Sie f ü h r t allgemein zu einer Anreicherung mit schweren Komponenten. Weitere Beobachtungen zu diesem Fragenkreis: In Grosny (A. A. K A R Z E W 1963) enthalten die Wässer über 70 °C und unter 15 °C Sulfate, die dazwischenliegenden sind sulfatfrei. In dem genannten Temperaturbereich liegt aber auch der Lebensbereich der Desulfurizierer. Ahnliche Beobachtungen gibt es auf Apscheron. Daß die chemische Zusammensetzung der Wässer gesetzmäßige Beziehungen zur Zusammensetzung der Öle zeigt, ist bekannt. Als weiterer Einfluß kommt die Trennung der Komponenten durch Diffusion hinzu, welche die gasförmigen Bestandteile betrifft. W I T H E E S P O O N & SARAF (1967) haben nachgewiesen, daß der Diffusionskoeffizient von der Molekülgröße abhängt, was zu einer weiteren Fraktionierung führt. Überblickt man diese vielfältigen Prozesse, deren Aufzählung durchaus noch nicht vollständig ist, dann ergibt sich folgendes Bild: Das gebildete Urerdöl verändert sich im Speichergestein durch thermodynamische Vorgänge, katalytische Prozesse, Einfluß der geochemischen Umgebung, physikalische Kräfte, sekundäre Vorgänge während der Migration, wie Oxydation, Diffusion, biochemische Einwirkung, chromatographische Fraktionierung und vielleicht auch radioaktive Strahlung. Dieser letztere Vorgang ist allerdings noch nicht gesichert.

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4

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MEINHOLD / Geochemie der K o h l e n w a s s e r s t o f f e Die t h e r m o d y n a m i s c h e M e t a m o r p h o s e , a m b e s t e n beg r ü n d e t d u r c h DOBRJANSKI u n d KARZEW, f ü h r t z u m allm ä h l i c h e n V e r s c h w i n d e n der p r i m ä r e n p o l y m o r p h e n K o m p o n e n t e n u n d z u r A n r e i c h e r u n g v o n einfacheren Kohlenwasserstoffen. I m weiteren Verlauf der E n t w i c k l u n g gehen die leichten K o m p o n e n t e n in R i c h t u n g M e t h a n , die schwereren a b e r w e r d e n k o n d e n s i e r t u n d bewegen sich in R i c h t u n g der s e k u n d ä r e n H a r z e u n d schließlich G r a p h i t . D a i m s p ä t e n S t a d i u m M e t h a n d i f f u n d i e r t , bleiben schwere Ö l t y p e n z u r ü c k . Diesem Vorgang, der als „ p r i m ä r e r " bezeichnet w e r d e n k a n n , ü b e r l a g e r n sich s e k u n d ä r e . Sie k ö n n e n sowohl zu leichteren Ölen f ü h r e n , a b e r a u c h zu schwereren m i t Anr e i c h e r u n g v o n H a r z e n u n d A s p h a l t e n e n . Dabei k o m m t es sehr darauf an, ob sich das 01 n o c h in L ö s u n g b e f i n d e t oder das Gestein bereits p o r e n f ü l l e n d e i n n i m m t . Darauf w u r d e bereits in einer f r ü h e r e n A r b e i t hingewiesen (MEINHOLD 1964). D o r t w u r d e a u c h der V e r s u c h g e m a c h t , a n h a n d geologischer Beispiele nachzuweisen, d a ß in vielen Fällen die s e k u n d ä r e n Prozesse ü b e r die p r i m ä r e n dominieren. Insges a m t w ä r e es also vermessen, aus rein chemischen K r i t e r i e n e t w a s ü b e r die M i g r a t i o n s r i c h t u n g auszusagen, w e n n geologische Hinweise fehlen.

6. Isotopengeochemie I n d e n l e t z t e n J a h r e n sind viele Versuche g e m a c h t w o r d e n , die I s o t o p e n v e r h ä l t n i s s e des K o h l e n s t o f f s ( 12 C : 13C) u n d des Schwefels ( 32 S : 34 S) f ü r A u s s a g e n in der Erdölgeologie zu benutzen. F o l g e n d e G e s e t z m ä ß i g k e i t e n scheinen n u n m e h r g e s i c h e r t : Die I s o t o p e n v e r t e i l u n g des K o h l e n s t o f f s wird weitgehend v o m Ausgangsmilieu b e s t i m m t (ALEXEJEW 1967, LEBEDEW u . a . 1967, HUNT & DEGENS 1967). Bakterielle U m w a n d l u n g e n erzeugen V e r b i n d u n g e n m i t s t a r k a n g e r e i c h e r t e m l e i c h t e m K o h l e n s t o f f , die isotop schwersten V e r b i n d u n g e n sind m a g m a t i s c h e r E n t s t e h u n g (LEBEDEW U. a. 1967). Der schwere Kohlenstoff n i m m t v o m Meer bis z u m L a n d a b . E n t s c h e i d e n d ist d a b e i das A n g e b o t a n C 0 2 . I m Süßwasser ist das A n g e b o t a n C 0 2 hoch, i m Meere ist dagegen m e h r HCO :) v o r h a n d e n (HUNT & DEGENS 1967), dessen á 1 3 C-Wert u n g e f ä h r Null ist, w ä h r e n d er i m gelösten C 0 2 ca. 7%0 ist. I s o t o p leichter Kohlenstoff wird v o n K a l t w a s s e r o r g a n i s m e n w e s e n t l i c h s t ä r k e r b e v o r z u g t als v o n W a r m w a s s e r o r g a n i s m e n . Vergessen darf m a n d a b e i n i c h t die B e o b a c h t u n g e n v o n SLLVERMAN & WEEKS (1958), d a ß sich schon in r e z e n t e n S e d i m e n t e n die I s o t o p e n v e r h ä l t n i s s e auf ganz k u r z e E n t f e r n u n g ä n d e r n k ö n n e n . HOLSER & KAPLAN (1966) f a n d e n , d a ß sich das S - I s o t o p e n v e r h ä l t n i s in a n o r g a n i s c h e n S t o f f e n v o m K a m b r i u m bis P e r m s y s t e m a t i s c h in R i c h t u n g Verm e h r u n g des leichten Schwefels v e r ä n d e r t e . E i n ähnliches V e r h a l t e n t r i t t noch einmal v o n Trias bis r e z e n t auf. W ä h r e n d der Migration k o m m t es d a n n h ö c h s t w a h r s c h e i n lich zu F r a k t i o n i e r u n g e n . MÜLLER & WIENHOLZ (1967) stellten fest, d a ß sich bei der Migration in n o r m a l porösen Gesteinen schwerer Kohlenstoff a n r e i c h e r t . I n k l ü f t i g e n Gesteinen a b e r b e f i n d e t sich das leichte M e t h a n in höherer L a g e als das schwere. Sie k o n n t e n das d u r c h E x p e r i m e n t e e r h ä r t e n , die allerdings kein allgemeingültiges geologisches Modell d a r s t e l l e n u n d weitere Versuche erfordern, die n o c h durchgeführt werden. SACKETT (1968) e r k l ä r t als E r g e b n i s seiner E x p e r i m e n t e die U n t e r s c h i e d e in der I s o t o p e n v e r t e i l u n g des M e t h a n s h a u p t s ä c h l i c h d u r c h die T e m p e r a t u r bei t h e r m i s c h e r Spalt u n g des A u s g a n g s m a t e r i a l s u n d d u r c h die Zeit. Die Migration soll n u r eine u n t e r g e o r d n e t e Rolle spielen. D a h e r sind die wirklichen V o r g ä n g e bei der F r a k t i o n i e r u n g w ä h r e n d der Migration n o c h i m m e r strittig. Die m e i s t e n B e o b a c h t e r f a n d e n eine Z u n a h m e v o n 12 C in M i g r a t i o n s r i c h t u n g (CoLOMBO 1967, GALIMOW 1967, STAHL 1967), a b e r in einem h o c h p o r ö s e n S a n d s t e i n aus einem U n t e r g r u n d s p e i c h e r ausg e w a n d e r t e s M e t h a n zeigte A b n a h m e v o n 12 C (GALIMOW 1967). Diese w i d e r s p r e c h e n d e n Ergebnisse liegen v e r m u t l i c h d a r i n b e g r ü n d e t , d a ß die Migration ein z u s a m m e n g e s e t z t e r V o r g a n g ist, b e s t e h e n d aus freier S t r ö m u n g , Kapillarosmose, Diffusion, Sorption, L ö s u n g u n d E n t l ö s u n g . Bei völlig freier S t r ö m u n g scheint 13 C in M i g r a t i o n s r i c h t u n g r e l a t i v a b z u n e h m e n , bei den a n d e r e n V o r g ä n g e n (außer Sorption) scheint der u m g e k e h r t e E f f e k t zu überwiegen. D a n u n im einzelnen die V o r g ä n g e bei der Migration n u r schwer a n a l y -

sierbar sind, ist a u c h die A r t d e r I s o t o p e n f r a k t i o n i e r u n g schwer v o r a u s z u s c h a u e n . I n bezug auf Schwefelisotopen liegen ähnliche B e o b a c h t u n gen vor. N a c h PANKINA (1967) ist die I s o t o p e n v e r t e i l u n g abhängig v o m Ablagerungsmilieu, das Verhältnis 3 2 S : 3 4 S der Meeresorganismen liegt n a h e a n d e m j e n i g e n der S u l f a t e i m Meerwasser (PANKINA & MECHTIWA 1967). Die Erdöle verschiedenen Alters u n t e r s c h e i d e n sich d a h e r wegen der verschiedenen A b l a g e r u n g s b e d i n g u n g e n und Genese (PANKINA & BERLJAWSKI 1968). Diese U n t e r s c h i e d e k ö n n e n a b e r a u c h d u r c h verschiedene s e k u n d ä r e Einflüsse e r k l ä r t werden, wobei Mikroben eine entscheidende Rolle spielen (MECHTIEWA 1967). F r a k t i o n i e r u n g e n w ä h r e n d der Migration sind möglich. A u c h bei Stickstoff ist das wahrscheinlich, wobei der leichtere Stickstoff v o r a n g e h t (MÜLLER & WIENHOLZ 1967). A n d e r e Forscher v e r n e i n e n diese Möglichkeit, besonders in bezug auf Schwefelisotope. Angesichts der n o c h vielen o f f e n s t e h e n d e n F r a g e n ist bisher aus den I s o t o p e n v e r h ä l t n i s s e n v o n S, C u n d N eine bündige Aussage ü b e r A b l a g e r u n g s b e d i n g u n g e n w ä h r e n d der Erdölgenese u n d das weitere Schicksal der gebildeten Kohlenwasserstoffe n o c h nicht möglich. Diese Methode ist a b e r n a c h wie v o r geeignet, in vielen Fällen Schlüsse ü b e r die Z u s a m m e n g e h ö r i g k e i t v o n K o h l e n w a s s e r s t o f f v o r k o m m e n zu ziehen.

7. Hydrogeochemie N e b e n vielen R o u t i n e u n t e r s u c h u n g e n auf dem Gebiet der H y d r o g e o c h e m i e , die Material f ü r die S t ü t z u n g b e s t e h e n d e r H y p o t h e s e n zu liefern vermögen, ist als b e m e r k e n s w e r t e Verö f f e n t l i c h u n g der letzten J a h r e eine neue Monographie v o n KREJCI-GRAF U. a. (1966) ü b e r die Geochemie der W ä s s e r i m W i e n e r Becken zu n e n n e n . Die v o n den A u t o r e n gegebene I n t e r p r e t a t i o n besagt, d a ß zwar die A r t des Salzgehalts der W ä s s e r des W i e n e r Beckens m i t der Salinitätsfazies des Abl a g e r u n g s r a u m s i m Z u s a m m e n h a n g s t e h t , es h a n d e l t sich a b e r n i c h t u m eingeschlossene Sedimentationswässer, sond e r n u m F r e m d w ä s s e r verschiedener H e r k u n f t , die d u r c h die Z e r s e t z u n g s p r o d u k t e der organischen Materie s t a r k modifiziert w u r d e n . Das Verhältnis N a : C1 ist b r a u c h b a r f ü r die B e s t i m m u n g der Salinitätsfazies; Bor zeigte hingegen keinen Z u s a m m e n h a n g . E r g ä n z u n g e n zu diesen U n t e r s u c h u n g e n gibt die A r b e i t v o n KV£T (1967). N a c h WOLJASCHKO (1965) eignet sich B r o m z u r U n t e r scheidung v o n eingeschlossenem Meerwasser, A b l a u g u n g s wasser und R e s t l a u g e n , weil sich B r o m in den R e s t l a u g e n a n reichert. Ähnliche Ergebnisse v e r ö f f e n t l i c h t e RITTENHOUSE (1967). I n t e r e s s a n t ist der V e r s u c h v o n SHIGALIN (1967) m i t t e l s des H e : Ar-Verhältnisses der i m W a s s e r gelösten Gase das „ A l t e r " der W ä s s e r zu b e s t i m m e n , was f ü r ein Beispiel im Gebiet v o n S t a w r o p o l gezeigt wird. Die Ergebnisse zeigten geologisch n i c h t i m m e r e r k l ä r b a r e s t a r k e S t r e u u n g e n , verm u t l i c h wegen F r e m d q u e l l e n f ü r H e oder Ar. Z u s a m m e n g e f a ß t k a n n m a n die gegenwärtigen Ansichten ü b e r d e n Z u s a m m e n h a n g zwischen Geochemie der W ä s s e r u n d E r k u n d u n g s p r o b l e m e n so f o r m u l i e r e n : Geschlossene h y d r o m e c h a n i s c h e S y s t e m e werden d u r c h N a t r i u m c h l o r i d w ä s s e r charakterisiert, die im Verlauf der M e t a m o r p h o s e einen s t a r k e n K a l z i u m c h l o r i d a n t e i l e r h a l t e n , d u r c h I o n e n a u s t a u s c h u n d - f i l t r a t i o n weit ü b e r das N i v e a u des Meerwassers mineralisiert w e r d e n k ö n n e n u n d so gewisse Aussagen ü b e r die Salinitätsfazies zulassen. Der Urs p r u n g der W ä s s e r k a n n sowohl in eingeschlossenem Sedim e n t a t i o n s w a s s e r oder s p ä t e r e i n g e d r u n g e n e m m e t e o r i s c h e m W a s s e r liegen. Das k a n n h e u t e n i c h t m e h r entschieden werden. Offene S y s t e m e e n t h a l t e n geringer k o n z e n t r i e r t e N a t r i u m b i k a r b o n a t w ä s s e r m i t m e h r oder weniger h o h e m Anteil a n S u l f a t e n . Beide T y p e n w e r d e n i m Z u s a m m e n h a n g m i t E r d ö l l a g e r s t ä t t e n v e r ä n d e r t , die V e r ä n d e r u n g g e h t in R i c h t u n g k r ä f t i g e r R e d u k t i o n u n d Z u s c h u ß biogener Stoffe. D a K o h l e n w a s s e r s t o f f l a g e r s t ä t t e n m i t o f f e n e n u n d geschlossenen h y d r o m e c h a n i s c h e n S y s t e m e n v o r k o m m e n k ö n n e n , sind K r i t e r i e n f ü r L a g e r s t ä t t e n n i c h t n u r der W a s s e r t y p , sondern a u c h die gelösten Kohlenwasserstoffgase, die löslichen E r d ö l b e s t a n d t e i l e , wie N a p h t h e n s ä u r e n , Phenole, Ölsäuren.

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MEINHOLD

MaM reoxHMHH neijtTH. B oßjiacTH reoxHMHiecraix noHCKon

8. Schlußfolgerungen 1. Die geochemische Prospektion hat ihre Nützlichkeit erwiesen, wenn auch viele Störfaktoren noch nicht genau untersucht sind und die Interpretation weiterhin schwierig ist. 2. Die Bedeutung der Muttergesteine im Sinne von bituminösen Sedimentgesteinen, die unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen Erdöl abgeben, ist nicht geklärt. Die Abgrenzung dieser Art Muttergesteine von Nichtmuttergesteinen ist nach wie vor schwierig. Ungenau bekannt ist auch noch die Rolle, die das frühdiagenetisch gebildete Öl gegenüber dem spätdiagenetisch aus Muttergesteinen gebildeten spielt. 3. Bezüglich der Metamorphose der Bitumina ist es erwiesen, daß in ca. 1500 bis 2000 m Tiefe eine Umwandlung der Gesteinsbitumina in Richtung Kohlenwasserstoffe erfolgt, vermutlich durch thermisch-katalytische Prozesse. Diese so gebildeton Kohlenwasserstoffe bilden sicherlich einen Zuschuß zu dem frühdiagenetisch gebildeten Ol. Die Bilanz dieser Vorgänge ist nicht bekannt. 4. Bezüglich der Herkunft der niederen Alkane und Naphthene geht aus Experimenten und Beobachtungen in der Natur hervor, daß durch chemische und biochemische Vorgänge aus organischem Sedimentmaterial niedere n-Paraffine entstehen können. Der wahrscheinlichste Vorgang ist die Abspaltung von Seitenketten zyklischer Moleküle. Aber auch die thermische Spaltung langer Ketten ist möglich. Obgleich die anorganische Entstehung der niederen Alkane möglich ist, besteht keine Notwendigkeit für eine solche Annahme. 5. Daß sich Öle während der Migration verändern, kann als erwiesen gelten. Im einzelnen sind aber die chemischen und biochemischen Vorgänge noch nicht hinreichend erforscht. 6. Die Isotopengeochemie enthält noch zuviel ungelöste Probleme, so daß der ursprüngliche Enthusiasmus in der Beurteilung dieser Verfahren merklich abgekühlt ist. Für Zwecke der Parallelisierung (G-Isotopen) und der Temperatur und Salinitätsbestimmung (O-Isotopen) sind sie gut brauchbar. Für Aussagen über die Kohlenwasserstoffgenese reichen die bisherigen Forschungen noch nicht aus. 7. In der Hydrogeochemie sind die gelösten organischen Komponenten die wichtigsten für die Erkundung von Lagerstätten brauchbaren Kriterien. Zusammenfassung Anhand geochemischer Forschungen der letzten Jahre in verschiedenen Teilen der Erde wird der gegenwärtige Stand der Erkenntnis bei verschiedenen Problemen der Erdölgeochemie dargestellt. Auf dem Gebiete der geochemischen Prospektion wurden besondere Fortschritte bei der mathematischen Interpretation gemacht. Viele Versuche zielten auf die Abgrenzung von Muttergesteinen gegen Nichtmuttergesteine. Dieses Problem ist noch nicht befriedigend gelöst, insbesondere ist die Rolle des frühdiagenetisch gebildeten Erdöls gegenüber dem spätdiagenetisch aus Gesteinsbitumen gebildeten noch nicht geklärt. Andererseits ist es jetzt ziemlich sicher, daß in 1500 bis 2000 m Tiefe eine stark gesteigerte Umwandlung von Gesteinsbitumina in Kohlenwasserstoffe stattfindet, vermutlich durch thermisch-katalytische Prozesse. Zum Problem Herkunft der niederen Alkane und Zykloalkane haben theoretische und experimentelle Untersuchungen eine Reihe von Mechanismen erkennen lassen, die vielleicht eine endgültige Lösung ermöglichen. Es kann ferner als erwiesen gelten, daß sich die Erdöle während der Migration im Speichergestein weiter umbilden, die Vorgänge sind aber noch nicht hinreichend erforscht. In der Isotopengeochemie haben sich die Hoffnungen, Aussagen über die Genese von Kohlenwasserstoffen machen zu können, noch nicht erfüllt. Pe3H>Me Ha

0CH0Be

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/ Geochemie der Kohlenwasserstoffe

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o c o ö e H H L i e y c n e x H 6HJIH ß o c T u r H y T t i n p a MaTeMaTHiecKOft HHTepnpeTaijHH. MHOroTOCJieHHbie OIIHTH 6HJIH HanpaBJXGHBI Ha pa3rpaHHHeHHe MaTepHHCKHX nopon. 9Ta npo-

6neMa noKa He pemeHa y^OBacTBopHTejitHO, ocoöeinio He BLiHCHeHa nona pont paHHen,wareHCTimecKH 0ßpa30BaBHieüCH He$TH no oTnomeHHio K nosÄHejjHareHeTJraecKH H3 6HTyMHH03H0r BemecTBa nopo/i; 06pa30BaBineficH n e $ T H . G apyroü eropoHH, ceäiac HOBOJIBHO TOHHO H3BecTHO, HTO Ha rjiyßHHax of 1 5 0 0 JJO 2 0 0 0 M npoiicxo^HT pe3KO n o B H u i e H H o e n p e ß p a m e H H e ÖHTyMHH03H0r0 BemecT-

Ba nopoa; B yrjieBOßopoßki, npennonoatiiTejibHo noepenCTBOM TepMO-KaTanHTHiecKHX npoijeccoB. n o npoöjieivre npOHCXOHtfleHHH HH3KHX H qHKJIHHeCKHX ajIKaHOB TeopeTHqecKHe H 3KcnepHMeHTani>HHe HcciieAOBaHHH no3BOJIHJIH BHHenHTb

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6y«yT C0fl;eitCTB0BaTb OKomaTeubHOMy peuieHHio. KpoMe T o r o , M O » H O CTHTaTb P|0Ka3aHHtIM, 0 , 2 die Abhängigkeit r — f(t0) die Gleichung tn einer geraden Linie darstellt und bei t 2,5 tn der berechnete Wert des Schichtparameters nicht von den Zwischenwerten t0 im Abschnitt (i0 , tn) abhängt. So ergibt die vorgeschlagene Methode zur Bestimmung der hydrogeologischen Schichtparameter nach den Angaben der Veränderung des Sohlendrucks in einer abgesperrten Zentralsonde, die einfacher als einfach ist, weil sie keine graphischen Konstruktionen und arbeitsaufwendigen Berechnungen erforderlich macht, das-

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selbe Resultat wie andere Methoden ohne Berücksichtigung des zusätzlichen Flüssigkeitszustroms auch. Literatur BAIi, A., A. R. BOGOMOLOWA u . a . : Einfluß der Gesteinseigenschaften auf die Bewegung der Flüssigkeit in ihnen. — Gostoptechisdat (1962) (russ.). KLIMENTOW, P . P . : Methodik der hydrogeologischen Untersuchungen. — Gosgeoltechisdat (1961) (russ.). KLIMENTOW, P . P . , & G. B . PYCHATSOHEW: Dynamik der unterirdischen Wässer. — Gosgeoltechisdat (1961) (russ.). MATAJEW, G. A., 1000°C gebläht (oder wie Aggloporit — ein weiterer Leichtzuschlagstoff — gesintert) werden und eine Rohdichte von < 1 , 0 0 kg/ dm 3 erlangen. In Abhängigkeit vom Blähvermögen und den Ausgangssubstanzen kann man folgende Gruppen unterscheiden: 2.1. s e l b s t b l ä h e n d e R o h s t o f f e , wie z. B. verschiedene Tone und Tonschiefer, Betonite, Kieselgur und vulkanische Gläser (Perlit, Pechstein), aber auch z. T. Glimmer (Vermiculit); 2.2. natürliche Rohstoffe, die n u r u n t e r V e r w e n d u n g v o n Z u s ä t z e n ein befriedigendes Blähvermögen zeigen, wie z. B. verschiedene Tone, Lehme und auch Löß; 2.3. i n d u s t r i e l l e A b f a l l s t o f f e , wie verschiedene Aufbereitungsrückstände (Waschberge) u. a. Von den verschiedenen Formen der Leiclitzuschlagstoffe soll im weiteren nur der Porensinter interessieren. Dafür gibt es in den einzelnen Ländern sehr unterschiedliche Be-

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Schulz / Natürliche Rohstoffe zur Herstellung von Porensinter Die Konturierung der Anomalie erfolgt nach dem ermittelten niedrigsten Gehalt des Hofes. Die richtige Bestimmung dieses niedrigsten Wertes entscheidet folglich über die fehlerfreie Konturierung. Es ist ein Verdienst der Verfasser, die für diese Arbeiten gebräuchlichsten Verfahren und methodischen Überlegungen systematisch dargelegt zu haben. Wenn vieles davon auch als verstreute Information bekannt war, sind die zusammenfassende Darstellung und das Ineinandergreifen dieser Methoden außerordentlich instruktiv. Wie nützlich sind z. B. für den Praktiker die angegebenen Tabellen der Analysencnipl'indlichkeit (für verschiedene Analysenverfahren). Äußerst wichtig ist ferner die Interpretation der erhaltenen Ergebnisse, die Deutung festgestellter Anomalien. Hier entstehen in der Praxis oft bedeutende Schwierigkeiten. Obwohl

187 zu diesen Fragen die Wißbegier des Lesers meist den Rahmen jedes Buches übersteigt (die Natur stellt immer neue und oft immer andere Aufgaben), können die Darlegungen der Verfasser durchaus befriedigen. Sicher ist es auch am anschaulichsten, wenn die Anwendung der beschriebenen Methoden für die Suche verborgener Lagerstätten an Beispielen (5) erläutert wird. Allerdings wäre es nach Meinung des Rezensenten vorteilhafter gewesen, wenn dieses und das folgende Kapitel vereint worden wären, den Beispielen ferner eine instruktive Systematik der Arbeiten vorausgeschickt worden wäre, unter Berücksichtigung der konkreten natürlichen Bedingungen ihre Variation aufgezeigt und schließlich Beispiele und Erfolg dargelegt worden wären. Alles in allem eine sehr wertvolle Arbeit, der man recht viele Leser un ter unseren Geologen wünscht. F. Stammbekger

Geologische und verfahrenstechnische Voraussetzungen für die Prognose und Suche von natürlichen Rohstoffen zur Herstellung von Porensinter1) Heinz Schulz, Dresden (Mitteilung aus dem VEB Geologische Forschung und Erkundung Halle, Betriebsteil Dresden) hl den letzten Jahren hat die Verwendung von Leiehtzuschlagstoffen in der Bauindustrie zunehmend an Bedeutung gewonnen und ist heute bereits nicht mehr aus ihr wegzudenken. Diese Entwicklung erscheint nicht verwunderlich, da Leichtzuschlagstoffe und besonders Porensinter als ihr wichtigster Vertreter verschiedene im folgenden näher-erläuterte Bedingungen erfüllen, die an ein modernes Bauwesen gestellt werden. In diesem Zusammenhang ist besonders die Entwicklung in der UdSSR interessant, die den ersten Platz in der Erzeugung einnimmt und wo Versuche zur Herstellung von Leichtzuschlagstoffen bis in die 30er Jahre zurückreichen (Onazkij 1967). In den Nachkriegsjahren hat hier die Erzeugung von Leichtzuschlagstoffen eine stürmische Entwicklung genommen und erreichte durch den Bau von zahlreichen Werken (bis700000 m3/a) im Jahre 1965 ein Volumen von 6300000m 3 Keramsit, das sind etwa 85% des Gesamtumfangs an den hergestellten porigen Leichtzuschlagstoffen. Bis 1970 ist in der UdSSR infolge der großen Nachtrage eine weitere Steigerung bis auf 30—35 Mill. m 3 vorgesehen. Die langjährigen Erfahrungen der UdSSR haben natürlich auch ihren Niederschlag in einer umfangreichen Literatur gefunden. Im folgenden soll versucht werden, die wichtigsten Erkenntnisse in Verbindung mit den eigenen Erfahrungen auszuwerten und die notwendig erscheinenden Schlußfolgerungen für ihre Anwendung bei der prognostischen Einschätzung und der Suche entsprechender natürlicher Rohstoffe in der DDR zu ziehen. Letzteres erscheint um so notwendiger, da Leiclitzuschlagstoffe z. Z. einen Defizitrohstoff darstellen. Auf dem VII. Parteitag der SED stellte W. Ulbricht fest, daß „die proportionale Entwicklung der Volkswirtschaft erfordert, entsprechend prognostischen Einschätzungen, die Erhöhung der Bauproduktion bis 1980 auf das 2,5fache zu steigern . . . Die Produktion hochwertiger Baustoffe im Bauwesen und in anderen Zweigen ist wesentlich zu erhöhen . . . , gleichzeitig muß die Ausnutzung der vorhandenen Reserven zur Steigerung der Arbeitsproduktivität und Senkung der Kosten durch die komplexe sozialistische Rationalisierung der Bau- und Baumaterialproduktion erfolgen ..." Die Erfüllung dieser zweifelsohne hohen Forderung ist nur bei Einsatz aller Kräfte und unter Ausnutzung aller vorhandenen Reserven möglich. Besondere Bedeutung Eingang des Manuskripts in der ltedaktion: 18. 11.1968. ') I m vorliegenden Artikel wird die Bezeichnung Porensinter als Sammelbegriff für Blähton und Blähschiefer verwendet.

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dürfte hierbei dem Einsatz neuer materialsparender Methoden und Verfahren im Bauwesen zukommen, die allgemein unter der Bezeichnung Leichtbau zusammengefaßt werden. Hierzu gehört aber auch der Einsatz neuer Baustoffe, mit z. T. neuen, für die großtechnische Fertigung günstigen Eigenschaften und hoher Effektivität. Eines der wichtigsten und wie es scheint für die DDR attraktivsten Baumaterialien stellen hierbei die Porensinter dar, deren Erzeugung bei Nachweis entsprechender Rohstoffe sich auch in den nördlichen Gebieten der DDR organisieren läßt, wo zur Zeit ein erhebliches Defizit an Zuschlagstoffen besteht und vorhandene Lücken geschlossen werden könnten. Nicht unwesentliche Bedeutung erlangen Porensinter und andere Leichtzuschlagstoffe durch ihre wärme- undsclialldämmenden Eigenschaften sowie ihre geringe Dichte, die durch die daraus resultierende Reduzierung der Transportkosten und die generell leichteren Konstruktionen und Hilfsmittel (wie z. B. Hebezeuge) bei ihrer breiten Anwendung eine Senkung der Baukosten gestatten. In Abhängigkeit vom Ausgangsmaterial und seinen spezifischen Eigenschaften kann man die Leichtzuschlagstoffe wie folgt gliedern: 1. N a t ü r l i c h e L e i c h t z u s c h l a g s t o f f e umfassen in erster Linie Gesteine geringer Dichte. Hierzu rechnet man vulkanische Schlacken (Bimsstein), Kieselgur, Diatomeenschiefer, Tuffe, Muschelkalk usw. 2. K ü n s t l i c h e L e i c l i t z u s c h l a g s t o f f e erhält man aus Gesteinen und industriellen Abfallprodukten, die nach verschiedenen Verfahren bei Temperaturen von >1000°C gebläht (oder wie Aggloporit — ein weiterer Leichtzuschlagstoff — gesintert) werden und eine Rohdichte von < 1 , 0 0 kg/ dm 3 erlangen. In Abhängigkeit vom Blähvermögen und den Ausgangssubstanzen kann man folgende Gruppen unterscheiden: 2.1. s e l b s t b l ä h e n d e R o h s t o f f e , wie z. B. verschiedene Tone und Tonschiefer, Betonite, Kieselgur und vulkanische Gläser (Perlit, Pechstein), aber auch z. T. Glimmer (Vermiculit); 2.2. natürliche Rohstoffe, die n u r u n t e r V e r w e n d u n g v o n Z u s ä t z e n ein befriedigendes Blähvermögen zeigen, wie z. B. verschiedene Tone, Lehme und auch Löß; 2.3. i n d u s t r i e l l e A b f a l l s t o f f e , wie verschiedene Aufbereitungsrückstände (Waschberge) u. a. Von den verschiedenen Formen der Leiclitzuschlagstoffe soll im weiteren nur der Porensinter interessieren. Dafür gibt es in den einzelnen Ländern sehr unterschiedliche Be-

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188 Zeichnungen. Während in der D D R nach dem vorliegenden TGL-Entwurf „Blähton" und „Blähschiefer" empfohlen werden, gebraucht man in der UdSSR, ÖSSR, Polen und Bulgarien den Namen Keramsit. In den westlichen Ländern sind weitere, z. T. sehr unterschiedliche Bezeichnungen eingeführt, die teilweise nur Firmenbezeichnungen darstellen. So spricht man von Leca (Dänemark), Rocklite, Herculite (USA), Laydag (Großbritannien), Hollith (Niederlande), Argex (Belgien) usw. Unter Porensinter versteht man ein leichtes, poröses Material, das beim schnellen Brennen von geeigneten Rohstoffen unter bestimmten physiko-chemischen Bedingungen durch Blähen entsteht. Man erhält dadurch einen Baustoff mit zelliger Struktur, der bei geringer Dichte eine bedeutende Festigkeit und hohe wärme- und schalldämmende Eigenschaften aufweist. Die Porengröße schwankt zwischen einigen Mikrometern und wenigen Millimetern, wobei die Poren überwiegend durch Stege aus Gesteinsglas voneinander getrennt werden. Porensinter erhält man allgemein in rundlichen Formen, sogenannten Granalien (oder pellets); eine Ausnahme machen nur die Blähschiefer, für die stückige und ± kantengerundete Formen kennzeichnend sind. Darüberhinaus kann Porensinter aber auch direkt in Formen gebläht werden und bedarf dann nur noch geringer Nachbehandlung. Zur Erläuterung der technischen Anforderungen an Porensinter seien einige Werte aus der sowjetischen Norm für Keramsit (GOST 9759—65, verbindlich eingeführt ab 1. 7. 1967) genannt: 1. Danach teilt man die Keramsit-Granalien in Abhängigkeit von der Schüttdichte in 12 Sorten ein, beginnend mit der Sorte „ 1 5 0 " (mit < 1 5 0 kg/m 3 ) bis zu „ 8 0 0 " (mit einer Schüttdichte von 701 — 800 kg/m 3 ). 2. Die Keramsit-Granalien dürfen nach 15 Frost-TauZyklen nicht mehr als 8 % Gewichtsverlust aufweisen. 3. Die Anzahl der beschädigten Granalien darf 15 Gew.-% nicht übersteigen. 4. Nach der Festigkeit werden die Keramsit-Granalien in die Klassen A und B unterteilt. Für die verschiedenen Fraktionen dürfen bei der Festigkeitsprüfung nach GOST 97 58-61 in Abhängigkeit von der Klasse nachstehende Werte nicht überschritten werden (siehe Tab.). Tabelle Sorte „150" „200" „250" „300" „350" „400"

Festigkeit in kp/cm2 A

B

4 5 8 10 14 17

3 4 é 8 10 14 (12)

Sorte „450" „500" „550" „600" „700" „800"

Festigkeit in kp/cm2 A 20 25 30 35 45 60

B 17 20 (17) 23 30 (25) 30 40

5. Die Gehalte an sulfidischen und sulfatischen Verbindungen in den Granalien dürfen (umgerechnet auf S0 3 ) 1 % nicht übersteigen. 6. Die Wassersättigung der Granalien (in Gew.-%) darf in Übereinstimmung mit GOST 9758-61 nach 1 h die nachstehenden Werte nicht überschreiten: 25% für die Sorten 1 5 0 - 4 0 0 , 20% für die Sorten 450—600 und 15% für die Sorten 700 und 800. Angaben über die wärme- und schalldämmenden Eigenschaften sind, wie auch in den beiden TGL-Entwürfen, nicht enthalten. Diese bis jetzt leider noch nicht bestätigten T G L (für Leichtzusehlagstoffe niedriger Dichte und gesondert für hohe Festigkeiten) unterscheiden sich in einigen Punkten vom sowjetischen Standard. Größere Abweichungen gibt es besonders bei der Art der vorgeschriebenen Festigkeitsprüfung. In der DDR wird nach T G L 0 — 52109 der umstrittene Druckzertrümmerungsgrad gefordert, dessen Anwendung einen direkten Vergleich der angegebenen Werte erheblich erschwert. Allgemein gilt, daß man Porensinter in Abhängigkeit vom Blähvermögen der eingesetzten Rohstoffe mit Dichten zwischen 150 und 1300 kg/m 3 herstellen kann. Den größten

Wert für das Bauwesen besitzen aber die leichteren Porensinter ( < 5 0 0 kg/m 3 ), die einen hocheffektiven Zuschlagstoff für die Herstellung von Leichtbetonen darstellen. Porensinter hoher Dichte ( > 8 0 0 - 1 0 0 0 kg/m 3 ) sind für normale und Schwerbetone geeignet, zweckmäßigerweise werden sie aber nur in den Gebieten hergestellt, die keine ausreichenden Mengen an natürlichen Zuschlagstoffen (Sand, Kies, Splitt) aufweisen. Unter derartigen Bedingungen erscheint ihre Erzeugung auch wirtschaftlich vertretbar. In der DDR werden z. Z. Porensinter nur an wenigen Orten hergestellt. Hier ist an erster Stelle das Porensinterwerk des V E B Vereinigte Thüringische Schiefergruben Unterloquitz zu nennen, das seit 1959 auf der Grundlage von Schiefersclmtt (Abraum und Rückstände der Dachschieferverarbeitung) Blähschiefer hergestellt und eine Leistung von etwa 80000 m 3 /a erreicht hat (nach BOLLEK 1966). Weiterhin muß das seit 1960 produzierende Porensinterwerk des V E B Baustoffkombinat Grimmen genannt werden, das auf der Basis von Lias-Tonen jährlich etwa 60000 m 3 produziert (nach FBLLMEB 1967). Weiterhin ist die Einrichtung einer weiteren Produktionsstätte für die Erzeugung von Blälischiefer in der Rennanlage des V E B Maxhütte, Unterwellenborn, beabsichtigt, da Versuche zur Verarbeitung ordovizischer Lederschiefer günstig verliefen (DECKER & HOEFMANN 1968). Der Aufbau weiterer Produktionskapazitäten in verschiedenen Teilen der Republik ist in Vorbereitung, da der rasch steigende Bedarf der Bauindustrie nicht gedeckt werden kann. Verfahrenstechnische Grundlagen der E r z e u g u n g von Porensinter Die Herstellung von Porensinter ist nach verschiedenen Verfahren möglich. Das häufigste ist das auch in der D D R angewandte Drehrohrofen-Verfahren. 2 ) Hierbei werden zu Granalien geformte tonige R o h s t o f f e (oder auch Schiefersplitt) eingesetzt und gelangen nacheinander v o m kalten Ofenende zur Zone der maximalen T e m p e r a t u r . Die mittlere Verweilzeit der Granalien b e t r ä g t nach E n o f s o N & WINOGBADOW (1966) in einem Ofen v o n 40 m L ä n g e etwa 30—40 Minuten. Während der ersten 24—26 Minuten erfolgt die Erw ä r m u n g bis zu Temperaturen von etwa 600 °C. In den folgenden 2 — 4 Minuten steigt sie bis auf 1 2 0 0 — 1 2 5 0 °C, dort verbleiben die Granalien etwa 10—15 Minuten. U m das Z u s a m m e n b a c k e n der Granalien zu vermeiden, muß die Ofenatmosphäre — in Abhängigkeit von den bereits genannten Bedingungen — einen schwach oxidierenden Charakter besitzen. Bei diesen Temperaturen verlaufen verschiedene Prozesse, wie der Dehydration, der Glasphasenbildung und des Zusammensinterns sowie des Schmelzens. Das Blähvermögen, die Größe, F o r m und der Charakter der ausgebildeten S t r u k t u r e n in den Granalien hängt von der Viskosität und der Oberflächenspannung der pyroplastischen Phase sowie von der Menge der entweichenden und der in den Granalien verbleibenden Gase ab. Das größte Volumen der Granalien erhält m a n dann, wenn die eingesetzten Tone vollständig in den pyroplastischen Zustand übergehen. Unter diesen Bedingungen entsteht auch die optimale Porensinterstruktur, die durch eine gleichmäßige Porosität im Inneren und eine dicht abschließende Außenhülle der Granalie gekennzeichnet wird. D a z u ist aber außer der schwach oxidierenden Ofenatmosphäre ein reduzierendes Milieu i m . I n n e r e n der Granalien, bei einer etwa 1 0 0 — 2 5 0 ° C ') Ein anderes, außerordentlich effektives Verfahren stellt das sogenannte Zirkulationsströmungs- (ZS- oder Thermoschock-)Verfahren dar (BENNERT 1966, 1968).

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niedrigeren Temperatur als ander Außenhülle, erforderlich. In diesem notwendigen Bereich des pyroplastischen Zustandes (etwa 30—100 °C umfassend) erlangen die eingesetzten Rohstoffe die Eigenschaften hochviskoser Flüssigkeiten und verhindern das Entweichen der im Inneren der Granalien freiwerdenden Gase, die ihrerseits zum Blähen führen. Daraus ergibt sich als Grundlage für das Blähen der Porensinter das Zusammenwirken von mehreren Vorgängen, deren wichtigste sind: a) die Bildung eines pyroplastischen Zustandes mit optimaler Viskosität (experimentell mit 10 8 —10 6 Poise bestimmt); b) das Entstehen von Gasen in den Granalien während des vollständig ausgebildeten pyroplastischen Zustandes (dadurch wird ihr Entweichen verhindert und das Blähen ermöglicht). Diese Gase bestehen nach ONAZKIJ ( 1 9 6 7 ) u n d POHLHAKDT ( 1 9 6 6 ) z u > 9 0 %

aus

C0 2 , H 2 0 und CO; c) die Beständigkeit der erreichten optimalen Viskosität der pyroplastischen Massen innerhalb eines ausreichend großen Temperaturbereiches (von > 5 0 ° C ) . Wie verhalten sich nun die eingesetzten Rohstoffe beim Brennen, und welche Vorgänge finden hierbei statt? Im Intervall von 100—180°C wird aus dem Ausgangsmaterial das gesamte freie und adsorbierte Wasser entfernt, bei weiterer Temperaturerhöhung bis etwa 900 °C auch der Hauptteil des mineralogisch gebundenen Wassers. Gleichzeitig damit erfolgt in diesem Intervall unter Abspaltung von C 0 2 die Dissoziation der Karbonate (Siderit bei 300—400 °C, Mg-haltige Karbonate zwischen 600 und 700°C, aber von Kalzit erst bei etwa 900°C). Die flüchtigen Komponenten organischer Substanzen entweichen zwischen 200 und 600 °C, aber das S 0 2 infolge der Oxydation von Sulfiden (Pyrit) und der Dissoziation von Gips erst bei Temperaturen von > 7 0 0 ° C . Mit zunehmender Temperatur erlangen durch das ständige Entweichen sauerstoffreicher Verbindungen Reduktionsvorgänge, durch die Anreicherung von Magnetit und anderen Fe(II)-Verbindungen ersichtlich, größere Bedeutung. Durch die Dehydratisierung der Tonminerale kommt es beim Brennen zu einem allmählichen Abbau ihrer Kristallgitter, so von Kaolinit bei 400—650 °C und von Montmorillonit und Hydroglimmer im Bereich von 300—900 °C. Der vollständige Abbau der Gitter und die Amorphosierung der Tonminerale, bei gleichzeitiger Abgabe der letzten Reste von Konstitutionswasser, erfolgt im Temperaturintervall von 900—1050°C. Bei noch höheren Temperaturen entsteht Mullit, und es kommt (unter Beteiligung von Eisenoxiden und anderen Flußmitteln) zur Bildung der Glasphase. Dadurch ist im Temperaturintervall von 1050—1200°C der Hauptteil des eingesetzten Rohstoffes durch Bildung verschiedener Eutektika und besonders unter Einbeziehung anderer feindisperser Bestandteile geschmolzen; gleichzeitig damit erfolgt die Herausbildung des bereits erwähnten pyroplastischen Zustandes. Der Ordnungsgrad kristalliner Phasen besitzt einen großen Einfluß auf die Bildung der Schmelze. Nach ELIKSON & WMOGRADOW (1966) gilt als Regel, daß ungeordnete amorphe Phasen bedeutend schneller, d. h. bei niedrigeren Temperaturen, schmelzen als kristalline

189 Phasen mit defektem Gitter, demgegenüber besitzen defektfreie, vollkristalline Phasen den höchsten Schmelzpunkt. Tonminerale mit maximalen Gehalten an Flußmitteln und größter Dispersität, wie montmorillonitische und beidellitische Tone schmelzen deshalb am leichtesten, während illitische und hydrochloritische Tone erst bei höheren Temperaturen die Ausbildung der Schmelzphase ermöglichen. Beim Brennen der Porensintergranalien werden praktisch nur die feinsten Fraktionen mit einem Durchmesser von < 5 [im restlos geschmolzen, soweit sie vorherrschend aus Mineralien der Montmorillonit-, Beidellit- und Illit-Serizit-Gruppe bestehen. Schwerschmelzende Minerale, wie Kaolinit, Halloysit und Monothermit, schmelzen dagegen nur, wenn sie sich in feindisperser Form in einem dichten Gemenge mit leichtschmelzenden Mineralien befinden. Damit werden gleichzeitig in der entstehenden Schmelze auch verschiedene feindisperse Beimengungen, wie Eisenhydroxide, Glimmerblättchenu.a,, geschmolzen. Größere (auch hydratisierte) Glimmerblättchen mit 5—10 /um Durchmesser werden bei den genannten Temperaturen amorph, aber schmelzen nicht, sie werden nur randlich in 1—3 /im Tiefe teilweise gelöst. Aus diesen Tatsachen ist bereits erkennbar, daß die Korngrößenverteilung der Rohstoffe von erheblicher Bedeutung für die Erzeugung von Porensinter ist. So dienen die leichtschmelzenden Tonminerale der Fraktion < 5 [im als Grundlage für die Entstehung der pyroplastischen und blähenden Schmelzen, während die 5—10 /um großen Ton- und Glimmerteilchen nur in geringem Umfang geschmolzen werden. Die Fraktion der Tone > 1 0 /im, bestehend aus Quarz, Feldspäten, Pyroxenen, Amphibol usw., ist dagegen an der Schmelze praktisch unbeteiligt. In geringem Umfang werden lediglich serizitisierte Feldspäte und Glaukonite von der Schmelze aufgenommen, wobei erstere bis zu 1 — 2 /im Tiefe randlich gelöst werden können. Besondere Aufmerksamkeit ist dem Verhalten der K a r b o n a t e zu widmen, die unter der Abspaltung von C 0 2 dissoziieren. Die zurückbleibenden Ca- und MgOxide werden aber nur zu geringen Teilen (8—10 [im Tiefe) aufgenommen, z. T. unter Bildung von Parawollastonit, Cordierit und Anorthit in den randlichen Teilen der Glasphase. Aus diesen Gründen werden Karbonatteilchen der Größenordnung > 0 , 0 6 mm nur unvollkommen aufgenommen, wobei in ihren zentralen Teilen freies CaO und MgO verbleiben, die beim Zutritt von Feuchtigkeit unter starker Volumenzunahme zur Hydratisierung führen. Die erforderliche Zeit bis zur vollständigen Wasseraufnahme der genannten Oxide hängt von ihrer Verteilung und der Dichte der erhaltenen Porensinterstruktur ab. Oberflächennahe Einschlüsse hydratisieren meist schon bei Zutritt der Luftfeuchtigkeit, während sich im Inneren der Granalien vorhandene Ca- und Mg-Oxide einige Wochen lang halten können und erst nach der Verarbeitung zu Betonfertigteilen hydratisiert werden. Besondere Bedeutung kommt weiterhin den o r g a n i s c h e n S u b s t a n z e n als Blähgasbildner bei praktisch allen Bedingungen der Porensinter-Herstellung zu, gleichzeitig dienen sie zur Erhaltung des notwendigen reduzierenden Milieus im Inneren der Granalien. Die organischen Beimengungen und die durch sie beim

Zeitschritt für angewandte Geologie, Bd. lg (1969), Heft 4 190 Brennen weitgehend kontrollierten Redox-Reaktionen besitzen doppelte B e d e u t u n g : a) Erniedrigung des Erweichungspunktes der Tone durch die Bildung leichtschmelzender Fe(II)-Oxide, b) wichtigste Quelle für die Bildung der B l ä h g a s e in den meisten Tonen. Bei zu hohen Gehalten an organischen Substanzen ( > 5 % ) blähen Tone allerdings nur unbefriedigend, da dann keine Porensinterstrukturen mit geschlossener, zusammengesinterter Außenhülle entstehen. F ü r die zur Porensinter-Herstellung a m besten geeigneten hochplastischen Tone ist ein langsames Ausbrennen der enthaltenen organischen Substanzen charakteristisch, dieser Vorgang soll beim Abschluß des Brennvorganges noch nicht beendet sein. Anders gesagt, für das Blähen von Tonen gilt die E x i s t e n z einer Gasphase während des entscheidenden Teiles des Brennprozesses als notwendige Bedingung. Zur Steuerung des B l ä h v o r g a n g s und vor allem auch zur E r h ö h u n g des Blähvermögens von mäßig bis schlecht blähenden tonigen Rohstoffen ist die Verwendung von Z u s ä t z e n üblich, die dem eingesetzten Material möglichst gleichmäßig zugemischt werden müssen und besonders bei großer Oberflächenaktivität die Intensivierung der beim Brennen ablaufenden physikalischchemischen Prozesse bewirken. N a c h BERTOLDI (1964) unterscheidet m a n hierbei Blähaktivatoren, die zur Stimulierung des B l ä h v o r g a n g s führen oder auch die Verwendung schlechterer R o h s t o f f e zur E r z e u g u n g hochwertiger Porensinter ermöglichen. D a f ü r verwendet m a n beispielsweise Sulfitablaufe (ein Abfallprodukt der Papierindustrie), Eisenoxide und H y d r o x i d e (wie Raseneisenerze und Kiesabbrände), B i t u m i n a und minderwertige Schweröle (besonders stark schwefelhaltige), aber auch Dieselöl und Altöle jeder Art sowie Kohlengrus und K o h l e n s t a u b usw. Weiterhin kennt m a n sogenannte Rohstoffverlängerer, die die Verwendung von Abfallprodukten und damit die billigere Herstellung gestatten, hierzu rechnet beispielsweise der E i n s a t z niedrigschmelzender Schlakken, Aschen usw. Von den zahlreichen bekannten Arten von Zusätzen werden im wesentlichen folgende P a r a m e t e r beeinflußt: Verringerung der Porensinter-Dichte, E r h ö h u n g der Festigkeit, S e n k u n g der Brenn-(BIäh-)Temperatur, Erweiterung des Blähbereiches, Vermeidung des Zusammenbackens der Granalien. F ü r die Verwendung von Zusätzen gibt es offensichtlich noch keine ausreichend gesicherten Grundlagen, so daß in der P r a x i s , in Abhängigkeit von den Rohstoffeigenschaften, den gemachten E r f a h r u n g e n besondere B e d e u t u n g z u k o m m t . Gleichzeitig muß m a n darauf hinweisen, daß die Verwendung von Zusätzen stets eine zusätzliche finanzielle B e l a s t u n g des E n d p r o d u k t e s darstellt. Substantielle A n f o r d e r u n g e n an P o r e n s i n t e r - R o h s t o f f e Aus dem Vorangehenden ergeben sich sehr konkrete Anforderungen an die Zusammensetzung von Porensinter-Rohstoffen (Tonen und Tonschiefern), sie sich vorwiegend auf die mineralogische und chemische Zusammensetzung sowie die Korngrößenverteilung beziehen. Auf die große Bedeutung

SCHULZ / Natürliche Rohstoffe zur Herstellung von Porensinter dieser Faktoren kann nicht genug hingewiesen werden, da mangelnde Bewertung der Rohstoffe in der Vergangenheit schon mehrfach zu ernsten Schäden in der Produktion von Porensintcrwerlcen führte und durch die notwendigen Rekonstruktionen und z. T. auch Umstellungen der Produktion erhebliche volkswirtschaftliche Verluste bewirkte (ELINSOW & WINOGRADOW 1 9 6 6 ) .

a) M i n e r a l o g i s c h e Z u s a m m e n s e t z u n g Leichtschmelzendc Tone (und Tonschiefer) zur Herstellung von Porensinter bestehen nach den bisher gemachten Erfahrungen vorwiegend aus Montmorillonit, Beidellit, Hydroglimmern (Illiten) und Hydrochlorit. Andere Minerale, wie Quarz, Karbonate, Glaukonit, Feldspäte, können bei entsprechenden Korngrößen ohne Störungen in geringen Mengen enthalten sein. Schwerschmelzende Minerale, speziell der Kaolinit-Gruppe, wirken dagegen auf den Blähvorgang stark hemmend. b) K o r n g r ö ß e n v e r t e i l u n g Für leichtschmelzende Tone ist bekanntlich der Grad der Dispersion eine sehr entscheidende Kenngröße und nimmt einen sehr großen Einfluß auf das Blähvermögen. Neben der weitgehenden Homogenität ist in erster Linie der Anteil der feinsten Fraktionen ( 1 0 um) 30% nicht übersteigen dürfen. c) C h e m i s c h e Z u s a m m e n s e t z u n g Sie soll als letzter, aber bei weitem nicht als unwichtigster Faktor genannt werden, der das Blähvermögen wesentlich beeinflußt. Als optimal kann man für blähende Tone zur Porensinter-Erzeugung folgende Zusammensetzung angeben : Si02 50 - 6 5 % A1 2 0 3 16 - 2 4 % F e 2 0 3 + FeO 5 -10 % MgO 1,5- 4 % CaO 0,5- 3 % K 2 0 + Na a O 2 - 7 % org. Subst. 1 - 3,5% Für die wichtigsten genannten Komponenten kann man zusammenfassend folgende Erklärung geben: S i O a ( b e s o n d e r s a l s Q u a r z ) wird nur in geringen Mengen gelöst und verringert infolge Erhöhung der Oberflächenspannung das Blähvermögen ganz erheblich. A 1 2 0 3 verringert die Oberflächenspannung (ONAZKIJ 1967),

demgegenüber

vertritt

POHLHARDT

(1966)

die

An-

sicht, daß A1 2 0 3 die Oberflächenspannung erhöht. Unbestrittene Tatsache ist aber, daß das Blähvermögen von Tonen mit zunehmenden Al a 0 3 -G ehalten (bis zu einem Op timum von etwa 24%) ansteigt. Die G e h a l t e a n F l u ß m i t t e l n (Summe der Oxide FeO + Fe 2 0 3 , K 2 0 , N a 2 0 sowie von CaO und MgO) sollen nach POHLHARDT (1966) 15—20% erreichen, um ein gutes Blähen zu bewirken. Im einzelnen gilt, daß N a 2 0 u n d K 2 0 die Viskosität der Schmelze erniedrigen und das Temperaturintervall der Blähung vergrößern, während MgO die entgegengesetzte Wirkung aufweist. Komplizierter ist der Einfluß von C a O , da es in seinem Verhalten durch die Temperatur und sein Verhältnis zur Liquidus-Linie bestimmt wird. So gilt nach ONAZKIJ (1967), daß die Ca-Oxide bei Temperaturen unterhalb der Liquidus-Linie die Viskosität der Schmelze erhöhen, aber bei den darüberliegenden Temperaturen erniedrigen. In diesem Zusammenhang sei gleichzeitig darauf hingewiesen, daß die häufig verwendeten Blähfelder nach RLLEY und WILSON (angegeben in einem ternären System mit den Koordinaten für Si0 2 , A1 2 0 3 4- T i 0 2 und der Summe aller Flußmittel) zur Entscheidung, ob sich ein Rohstoff zur Erzeugung von Porensinter eignet, keine oder nur sehr ange-

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. lä (1969), Heft 4 SCHULZ / Natürliche Rohstoffe zur Herstellung von Porensinter näherte Aussagen gestattet. Das wird dadurch bedingt, daß wei Lere für den Blähvorgang wesentliche Faktoren und Bedingungen im Blähfeld keine Berücksichtigung finden. An dieser Stelle sei nachdrücklich betont, daß die Beurteilung eines Tones auf seine Eignung als Porensinterrohstoff außerordentlich komplex ist und die ausreichende Beachtung aller hierbei wirksamen variablen Größen erfordert. Auf die Kompliziertheit dieser Erscheinungen kann nicht deutlich genug aufmerksam gemacht werden. Die einzelnen Parameter stehen fast alle miteinander in kausalen Zusammenhängen und sind nicht durch einfache Beziehungen zu charakterisieren. Geologische Voraussetzungen der Prognose und Suche von Porensinter-Rohstoffen A u f b a u e n d auf den e r l ä u t e r t e n v e r f a h r e n s t e c h n i s c h e n u n d s t o f f l i c h e n A n f o r d e r u n g e n ergeben sich wichtige V o r a u s s e t z u n g e n z u m Nachweis v o n R o h s t o f f e n f ü r die Porensinter-Erzeugung. Die g e f o r d e r t e n h o m o g e n e n S e d i m e n t e , v o r w i e g e n d b e n t o n i t i s c h e r bis illitischer Z u s a m m e n s e t z u n g u n d m i t geringen G e h a l t e n a n organischen S u b s t a n z e n , wie sie b e v o r z u g t z u r E r z e u g u n g v o n P o r e n s i n t e r n Verwend u n g f i n d e n , w e r d e n u n t e r v e r s c h i e d e n a r t i g e n geologischen B e d i n g u n g e n gebildet. B e k a n n t l i c h wird die Z u s a m m e n s e t z u n g d e r T o n e d u r c h m e h r e r e u n t e r s c h i e d l i c h e F a k t o r e n b e s t i m m t , so u. a. d u r c h d e n S t o f f b e s t a n d des N ä h r g e b i e t e s , den B i l d u n g s r a u m , die T r a n s p o r t b e d i n g u n g e n der Tonsuspensionen, die k l i m a t i s c h e n V e r h ä l t n i s s e u . a. Besondere B e d e u t u n g k o m m t a b e r hierbei d e n physikoc h e m i s c h e n B e d i n g u n g e n zu (Abb. 1). W e i t e r h i n ist zu b e a c h t e n , d a ß f ü r die T o n e die U m w a n d l u n g der prim ä r e n Minerale d u r c h d e n l a n g a n h a l t e n d e n E i n f l u ß Abrasions-pH [Si.AI,K.Na.Ca )

Si.AI, Mg.Ca.Fe)

9-

^Vermikulit

^

Montmorillonit • • ' (2:1) • • '

191 v e r ä n d e r l i c h e r U m w e l t b e d i n g u n g e n zu stabileren Mineralen sehr k e n n z e i c h n e n d ist. Die B i l d u n g v o n P o r e n s i n t e r - R o h s t o f f e n stellt einen ganz speziellen Fall der B i l d u n g t o n i g e r A b l a g e r u n g e n d a r , die d u r c h b e s t i m m t e geologische F a k t o r e n k o n t r o l liert wird. PERFILJEW (1966) n e n n t h i e r f ü r : 1. D i e t e k t o n i s c h e

Position

Die T e k t o n i k ist u. a. b e s t i m m e n d f ü r das V e r h ä l t n i s zwischen der p h y s i k a l i s c h e n u n d der c h e m i s c h e n Verw i t t e r u n g , a b e r a u c h f ü r die D a u e r , die T r a n s p o r t b e d i n g u n g e n bis z u r A b l a g e r u n g u n d letztlich a u c h f ü r die Größe u n d Z u s a m m e n s e t z u n g der s e d i m e n t i e r t e n Teilchen. Auf diese Weise h ä n g e n v o m C h a r a k t e r u n d der I n t e n s i t ä t d e r t e k t o n i s c h e n B e w e g u n g a b e r a u c h F o r m , Größe u n d M ä c h t i g k e i t der t o n i g e n A b l a g e r u n g e n ab. Zur V e r d e u t l i c h u n g des Einflusses der T e k t o n i k auf die S e d i m e n t a t i o n m u ß m a n z w e c k m ä ß i g e r w e i s e zwischen P l a t t f o r m - u n d G e o s y n k l i n a l - B e d i n g u n g e n u n t e r scheiden : a) P l a t t f o r m e n , die d u r c h geringe epirogenetische B e w e g u n g e n u n d große zeitliche K o n s t a n z gekennzeichnet w e r d e n , besitzen b e s o n d e r s in d e n s o g e n a n n t e n Syneklisen b e s t e V o r a u s s e t z u n g e n f ü r die A n s a m m l u n g feinster u n d g u t s o r t i e r t e r toniger V e r w i t t e r u n g s p r o d u k t e , die hier i m E r g e b n i s einer l a n g a n h a l t e n d e n Verw i t t e r u n g u n d n a c h i l a n g e n T r a n s p o r t w e g e n abgel a g e r t w e r d e n . Infolgedessen w e r d e n die t o n i g e n Abl a g e r u n g e n der P l a t t f o r m e n d u r c h h o h e D i s p e r s i t ä t u n d Homogenität der Zusammensetzung gekennzeichnet. T r o t z großer V e r b r e i t u n g b e s i t z e n sie a b e r m e i s t n u r geringe M ä c h t i g k e i t e n . E i n e weitere k o n t i n e n t a l e (allerdings n i c h t n u r a n P l a t t f o r m e n g e b u n d e n e ) A b l a g e r u n g s f o r m stellen die glaziogenen B i l d u n g e n d a r , die w e i t g e h e n d in i h r e r Morphologie d u r c h das alte Relief k o n t r o l l i e r t w e r d e n (z. B . B ä n d e r t o n e ) u n d bei r t geringen M ä c h t i g k e i t e n größere E r s t r e c k u n g aufweisen. Geosynklinalgebiete

>a

Halloysit |/.(1:1) V

9-,

Chlorit (2:2)

>b i

(Si,AI) (Si, AI,K) (Si.AI, Mg)(Si. AI. Fe) Die wichtigsten Metallkationen in den Tonmineralen Abb. 1. Die wichtigsten Milieubedingungen für die Bildung von Tonmineralen (nach DEGENS 1965)

b) I n d e n G e o s y n k l i n a l g e b i e t e n m i t einer s t a r k e n v e r t i k a l e n Beweglichkeit u n d größerer h o r i z o n t a l e r Gliederung w e r d e n T o n e in u n t e r s c h i e d l i c h e m U m f a n g a b g e l a g e r t . So t r e t e n in die m a r i n e n R a n d z o n e n u n d Zwischengebirgssenken sowohl die t o n i g e n V e r w i t t e r u n g s p r o d u k t e aus d e n w e i t g e h e n d e i n g e e b n e t e n P l a t t f o r m e n der U m g e b u n g als a u c h aus den s t a r k gegliedert e n Geosynklinalbereichen ein. Deshalb sind die d o r t a b g e l a g e r t e n t o n i g e n S e d i m e n t e r e l a t i v schlecht s o r t i e r t u n d n u r wenig h o m o g e n , w ä h r e n d g u t s o r t i e r t e u n d ü b e r größere F l ä c h e n a u s h a l t e n d e m ä c h t i g e T o n a b l a g e r u n g e n n u r in d e n u f e r f e r n e n Meeresteilen e n t s t e h e n . I n d e n Meeren d e r Zwischengebirgssenken w e r d e n dagegen vorherrschend klastische Komponenten abgelagert, infolgedessen t r e t e n hier z u r P o r e n s i n t e r - H e r s t e l l u n g geeignete T o n e in b a u w ü r d i g e m U m f a n g p r a k t i s c h nicht auf. Die i m A n f a n g s s t a d i u m d e r E n t w i c k l u n g einer Geos y n k l i n a l e in g r ö ß e r e n Mengen a u f t r e t e n d e n v u l k a n i schen P r o d u k t e des initialen M a g m a t i s m u s , sowohl in F o r m g r o b k l a s t i s c h e r A b l a g e r u n g e n als a u c h v u l k a n i scher Aschen — h ä u f i g in W e c h s e l l a g e r u n g m i t T o n e n —, k ö n n e n i m L a u f e d e r s u b m a r i n e n V e r w i t t e r u n g zu m ä c h -

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Helt 4

192 tigen Folgen hochwertiger bentonitisoher Tone umgebildet werden, die zur Herstellung von Porensinter geeignet sind. Im anschließenden Stadium der Geosynklinale führt die mit der Ausfaltung verbundene Dynamometamorphose zur Umbildung der tonigen Ablagerungen und zur Entstehung von Tonschiefern, Phylliten, Gneisen usw. Die niedriger beanspruchten Schiefer gestatten unter bestimmten Umständen noch ihre Verwendung zu Leichtzuschlagstoffen (Blähschiefer). Dagegen beeinflussen die Kontakt- und die hydrothermale Metamorphose (Hornfelsbildung, Verquarzung usw.) das Blähvermögen toniger Sedimente zu sehr negativ und machen ihre Verwendung zur Herstellung von Leichtzuschlagstoffen praktisch unmöglich. 2. Ein weiterer Faktor, der die Bildung toniger Ablagerungen kontrolliert, ist u. a. die M o r p h o l o g i e des Meeresbodens, die besonders Einfluß auf die Korngrößenverteilung der Tone sowie auf ihre Mächtigkeiten nimmt. Analog gilt das ebenfalls für die kontinentalen Ablagerungen. Praktisch wirkt sich das z. B . so aus, daß an der Oberfläche submariner Erhebungen (Rücken, Untiefen usw.) vornehmlich schlecht sortierte tonige Sedimente geringer Mächtigkeit, aber in den Beckengebieten mächtige Folgen feindisperser toniger Ablagerungen sedimentiert werden. Dieser Vorgang wird zusätzlich durch die W a s s e r s t r ö m u n g beeinflußt, die zu zeitlichen Auswaschungen in den erhöhten Teilen des Reliefs führt, während die beckentiefsten Teile durch eine kontinuierliche Sedimentation gekennzeichnet werden. Die Verringerung

SCHULZ / Natürliche R o h s t o f f e zur Herstellung v o n Porensinter

der Wasserströmung in den Trögen und Becken besitzt aber noch einen weiteren interessanten Aspekt, da sie hier eine Zunahme der H 2 S- und C0 2 -Konzentration bewirkt und infolgedessen zu einem stark reduzierenden, basischen Milieu durch die langsame Zersetzung der hier angereicherten organischen Substanzen führt. Tonige Sedimente mit syngenetischem Pyrit und fein dispers verteilten organischen Substanzen, das Fehlen einer benthonischen F a u n a sowie die große Feinkörnigkeit der homogenen Ablagerungen sind so für die Bildungen in den Tiefseebecken charakteristisch, aber gleichzeitig auch in Flachwassergebieten mit einem sehr ausgeglichenen Relief unter den Bedingungen einer schwachen oder fehlenden Wasserbewegung in den bodennahen Gewässern (z. B . in Lagunen) möglich. Infolge des höheren Druckes in den tieferen Gewässern enthält hier das Wasser meist größere C0 2 -Mengen als an der Wasseroberfläche. Die tonigen Tiefseesedimente sind deshalb auch nicht karbonatisch, können aber größere SiO a -Mengen enthalten. 3. Einen weiteren wichtigen kontrollierenden Faktor für den Stoffbestand von Sedimentgesteinen stellt das K l i m a dar (Abb. 2), das hat in erster Linie für die Bildung der Tonminerale und Karbonate Bedeutung. Bekanntlich wird die Ausfällung der für die Porensinter-Erzeugung störenden Karbonate durch die pund «-empfindliche Kohlensäure bestimmt. Mit der Temperaturerhöhung nimmt die Sättigung des Meereswassers mit Kalziumkarbonat bis zur Ausfällung zu. Das erfolgt meist in Ufernähe, auf Untiefen und Barren, teilweise unter Mitwirkung wärmeliebender Organismen, wie Korallen usw., d. h. dort, wo es bei entspre-

A b b . 2. Die Verteilung von Mineralen und sedimentären Bildungen in Abhängigkeit von den klimatischen B e d i n g u n g e n (nach BUSCHINSKIJ)

SCHULZ / Natürliche Rohstoffe zur Herstellung von Porensinter

chendem Klima bevorzugt zur schnellen Erwärmung kommt. In den fließenden Gewässern feucht-kalter Klimate werden dagegen allgemein keine Karbonate ausgefällt, da die entsprechenden physiko-chemischen Bedingungen nicht erreicht werden. Besonders deutlich ist das in den tonigen Ablagerungen glazialer Gewässer, wie in den Schmelzwasserbecken von Gletschern, wo in erheblichen Mächtigkeiten kalkarme, vorwiegend illitische Bänder- und Warventone abgelagert werden. Gleichzeitig bilden sich im kalten Klima auch keine schwerschmelzenden kaolinitischen Tone (bzw. nur als Ausnahme), sondern hier herrschen illitische Bildungen vor. Verallgemeinert man die verschiedenen geologischen Faktoren, so kann man folgende wichtigste g e o l o g i s c h e B i l d u n g s b e r e i c h e von Porensinter-Rohstoffen unterscheiden : A) Im m a r i n e n B i l d u n g s b e r e i c h gewinnen vorwiegend die (Schelf-, Intra- und Epikontinental-)Meere aus gemäßigten und kalten Klimaten die Hauptbedeutung. Man muß hierbei aber noch zwischen ufernahen und uferfernen Gebieten unterscheiden. 1. In den u f e r n a h e n T e i l e n der M e e r e werden die vom Festland kommenden Tonsuspensionen beim Eintritt in das elektrolytreiche Meereswasser zu erheblichen Teilen koaguliert und ausgefällt, parallel dazu erfolgt die Ablagerung der gröberen klastischen Komponenten. In dessen Ergebnis entstehen hier (auch tonige) Bildungen, die durch erhöhte Absätzigkeit in der stofflichen Zusammensetzung und ungeeignete Korngrößenverteilungen gekennzeichnet werden. 2. In den u f e r f e r n e n T e i l e n der m a r i n e n B e k k e n kommt es dagegen zu einer sehr langsamen Ausfällung der restlichen tonigen Substanzen, als letztes Glied der mechanischen Differentiation der Sedimente. Innerhalb großer Zeiträume entstehen hierbei gut sortierte, sehr feinkörnige, weit ausgedehnte und sehr mächtige, homogene tonige Ablagerungen. In Bereichen mit geringer Wellenbewegung (entweder in tieferen Meeresteilen oder in Flachwasserbecken mit günstigen morphologischen Eigenschaften, wie z. B. Lagunen) kommt es zur Anreicherung organischer Substanzen und gelegentlich damit verbunden zu Bereichen mit einer Schwefelwasserstoffvergiftung mit ^ geringen Mengen an dispers verteilten Sulfiden und geringen Karbonatgehalten. B) Unter k o n t i n e n t a l e n B e d i n g u n g e n kann man ebenfalls verschiedene genetische Typen der Bildung toniger Sedimente unterscheiden, die für die Porensinter-Herstellung praktische Bedeutung gewinnen können. Die wichtigsten sind: 1. L i m n i s c h e T o n e , die meist reich an organischen Substanzen sind und besonders in den glazial geformten Gebieten (z. B. des Pleistozäns) größere Verbreitung finden, wo sie an örtliche Senken (Typ der Bänder- und Beckentone) gebunden sind. Derartige Ablagerungen sind meist ausreichend homogen, enthalten aber nur selten, besonders im Vergleich zu marinen Ablagerungen, große Vorräte. 2. E l u v i a l e , a l l u v i a l e u n d p r o l u v i a l e T o n e sind infolge ihrer erheblichen Heterogenität und den nur geringen Vorräten kaum für die praktische Nutzung zur Herstellung von Porensinter geeignet.

Zeitsehritt für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4

193 3. D e c k l e h m e u n d T o n e (Löß- u n d L ö ß l e h m ) sind außerordentlich weit verbreitet, besonders in der Umgebung glazialer Gebiete. Sie enthalten allerdings teilweise hohe Quarzgehalte und sind deshalb trotz großer Homogenität, Feinheit und Erstreckung nur bedingt für die Porensinter-Herstellung geeignet. Zum Blähen sind nur die plastischsten Bildungen mit den geringsten Sandgehalten und den größeren Mächtigkeiten brauchbar und bedürfen zur Herstellung von Porensinter geringer Dichte meist eines Zusatzes. Von den genannten Bildungsbereichen besitzen nach ihrer Erstreckung und den Vorräten besonders die marinen Tone größere Bedeutung. Da sich die Sedimentationsbedingungen in der marinen Fazies häufig in größeren Zeiträumen nicht änderten, entstanden so homogene Schichtenfolgen bis zu über hundert Meter Mächtigkeit. Aus diesen Gründen ist es zweckmäßig, die prognostischen und Sucharbeiten vorrangig auf den Typ der marinen Porensinter-Tone zu konzentrieren. Zur Bemusterung der Porensinter-Rohstoffe Die praktischen Arbeiten zur Prognose und Suche von Porensinter-Rohstoffen besitzen, bedingt durch die Eigenarten dieser Substanzen, einige Besonderheiten, wobei besonders der Bemusterung große Aufmerksamkeit zu schenken ist. Die Bemusterung von Porensinter-Rohstoffen erfolgt üblicherweise durch Bohrungen und Schurfgräben, wobei jeweils einzelne Intervalle zu Proben vereinigt werden. Die Einteilung der einzelnen Proben erfolgt unter spezieller Berücksichtigung des Sandgehalts, der K a r b o n a t f ü h r u n g , Feinheit der Tone oder der Plastizität und weiterer makroskopischer Eigenschaften. Die geringste Schichtmächtigkeit sollte 1 m nicht unterschreiten. Liegen mächtige homogene Tonablagerungen vor, werden 3—5 m mächtige Intervalle zu einer Probe vereinigt. Danach erfolgt die weitere Behandlung der Proben in Übereinstimmung mit den geltenden Bestimmungen (Zerkleinern, Vierteln usw.). E s ist darauf zu achten, daß ausreichend Probematerial für die verschiedenen Untersuchungsformen (5—6 Probebrände, chemische und granulometrische Analyse) entnommen wird. Wertvolle Hinweise für die Eignung von Tonen und Lehmen zur Herstellung von Porensinter liefern Bläherscheinungen in den Ziegeleien. Da quantitative Abhängigkeiten zwischen der chemischen, mineralogischen und granulometrischen Zusammensetzung und dem Blähvermögen fehlen und die direkte B e s t i m m u n g des Blähvermögens — als wichtigster Eigenschaft der Porensinter — relativ einfach und billig ist, erfolgt die Bemusterung entsprechender Rohstoffe vornehmlich durch die direkte B e s t i m m u n g des Blähvermögens (SYROMJATNTKOW 1966). I m einzelnen empfiehlt es sich zu untersuchen: 1. Das B l ä h v e r m ö g e n d e r T o n e hängt außer der Zusammensetzung von den angewandten Brenntemperaturen ab, deshalb sind die optimalen Brenntemperaturen für ein maximales Blähen zu ermitteln. Notwendige Angaben sind: B e s t i m m u n g des Blähkoeffizienten, der Dichte des Porensinters im Stück (in kg/m 3 ) sowie der angenäherten Schüttdichte. Dazu ist der mehrfache B r a n d des Ausgangsmaterials, sowohl nach Zugabe verschiedener Zusätze als auch bei unterschiedlicher Feuchtigkeit und verschiedenen Temperaturen, vorzunehmen. Die näherungsweise B e s t i m m u n g der Schüttdichte erfolgt durch Multiplikation der Rohdichte mit dem F a k t o r 0,6. 2. C h e m i s c h e A n a l y s e n , wobei S i 0 2 , A1 2 0 3 , F e 2 0 3 , CaO, MgO, N a 2 0 , K 2 0 , S 0 3 , S g e s . und die Gehalte an organischen Substanzen bestimmt, werden. Außerdem ist besonders auf die Gehalte an K a r b o n a t e n und freiem Q u a r z in den Tonen zu achten.

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SCHULZ / Natürliche Rohstoffe zur Herstellung v o n Porensinter

3. Als. zusätzliche Untersuchungen empfehlen sich zur Ergänzung: 3.1. die B e s t i m m u n g d e r F e s t i g k e i t (Druckfestigkeit bzw. des Druckzertrümmerungsgrades) der Granalien erfolgt infolge der notwendigen Materialmenge allgemein erst nach Abschluß der Untersuchungen und des notwendigen halbtechnischeri Versuchs; 3.2. Prüfung auf F r o s t b e s t ä n d i g k e i t ; 3.3. Prüfung auf H y d r a t i o n s f e s t i g k e i t gegenüber CaO. Diese Prüfung macht sich erforderlich, wenn die untersuchten Tone Kalk enthalten; 3.4. h a l b t e c h n i s c h e V e r s u c h e zur Ermittlung technologischer Parameter. Sie werden allgemein erst im Stadium der Erkundung in direkter Zusammenarbeit bzw. nach Absprache mit. dem späteren Nutzer durchgeführt. Von der Bemusterung (bzw. den zusätzlichen Untersuchungen) auszunehmen sind nur Tone, die nach ihrer Zusammensetzung ganz erheblich von den für PorensinterTonen angegebenen Parametern abweichen. Das gilt für stark sandige, karbonatischc sowie feuerfeste (kaolinitische) Tone. Nach SYROMJATNIKOW (1966) werden dafür folgende Werte genannt: Anteil der Teilchen < 1 0 (im SiO„ A1 2 0, l ? c»0 3 COj (Karbonate) organische Substanzen

78% < 8% < 3,5% > 6% > 5%

Außerdem gilt das auch für alle durch klastische Komponenten stark verunreinigten Tone (z. B. durch Konkretionen Gipskristalle, Pyrit, Siderit, Phosphorit und besonders von Kalken — „Lößkindl"), aber auch durch größere Faunenreste, die zur Herstellung von Porensinter nicht geeignet sind.

Allgemeine Schlußfolgerungen für die Prognose und Suche Die geologischen Arbeiten bei der Prognose und Suche von Porensinter-Rohstoffen sind nach Möglichkeit aus ökonomischen Gründen auf den Nachweis von Lagerstätten zu orientieren, die nach ihrer Qualität und den vorhandenen Vorräten ( > 1 Mill. t) die Herstellung von Porensinter ohne Verwendung von Zusätzen mit einer Schüttdichte von < 5 5 0 kg/m 3 ermöglichen. Fehlen geeignete Tonebzw. andersartige Rohstoffe, um die vorgenannten Bedingungen zu erfüllen, so ist in jedem einzelnen konkreten Falle auf der Grundlage geologisch-ökonomischer Berechnungen zu entscheiden, ob es an dem betreffenden Orte ökonomisch vertretbar und zweckmäßig ist, auf ausreichend vorhandene örtliche Tone minderer Qualität unter Zugabe blähender Zusätze zurückzugreifen oder hochwertige Tone aus weiter entfernten Gebieten heranzuschaffen. In diesem Zusammenhang soll noch darauf hingewiesen werden, daß es infolge des großen Volumens von Leichtzuschlagstoffen und der hohen Transportkosten zweckmäßig ist, bei der Suche jeweils vom künftigen Verbrauchszentrum auszugehen, da aus den genannten Gründen Porensinterwerke generell am Bedarfsort errichtet werden. Zusammenfassend ergeben sich für die Prognose und Suche natürlicher Rohstoffe zur Herstellung von Leichtzuschlagstoffen in der DDR einige vorläufige Schlußfolgerungen, die nachstehende Aussagen gestatten: 1. M a r i n e T o n e geeigneter mineralogischer Zusammensetzung sind bisher aus dem Lias im Norden der DDR bekannt, wo sie als Rohstoff des Porensinterwerkes Grimmen abgebaut und verarbeitet werden.

Die weitere Verfolgung dieser und anderer mesozoischer Tone zur Herstellung von Leichtzuschlagstoffen steht noch aus. Der Nachweis weiterer Vorkommen erscheint wahrscheinlich. Weitere marine Tone sind aus verschiedenen Teilen des Tertiärs bekannt, so u. a. aus dem Oligozän („Septarientone" des Rüpel), und werden auf ihre Eignung untersucht. In diesem Zusammenhang ist besonders auch auf die in den Braunkohlentagebauen aufgeschlossenen Tone der Deckgebirgsschichten zu achten. 2. Von den v e r f e s t i g t e n m a r i n e n T o n g e s t e i n e n (Tonschiefern, Phylliten und Schiefertonen) werden z. Z. die paläozoischen Tonschiefer aus dem Unterkarbon zur Herstellung von Blähschiefer in Unterloquitz genutzt, während andere, so z. B. die ordovizischen Lederschiefer Ostthüringens, ihre Eignung zur Erzeugung von Blähschiefern erkennen ließen. Mit der Existenz weiterer Vorkommen ist auch in den schwach metamorphen Teilen aus der Umgebung des Erzgebirges, dem Thüringischen Schiefergebirge, aber auch dem Harz zu rechnen. 3. Von den l i m n i s c h e n T o n e n haben nach ihrer Zusammensetzung und den Vorräten besonders die glazialen Beckentone größere Bedeutung, die vorwiegend in den Urstromtälern Mittel- und Norddeutschlands in größeren Mächtigkeiten lagern. Vorläufige Untersuchungsergebnisse lassen die Eignung der sandärmeren Partien zur Herstellung von Porensinter erwarten. 4. Als weiterer Rohstoff müssen die vorwiegend im Süden der DDR in größeren Mächtigkeiten anstehenden L ö ß - u n d L ö ß l e h m e betrachtet werden, die bei weitgehender Verwendung von Zusätzen — wie in anderen Ländern — die Herstellung von Porensinter gestatten. 5. Schließlich soll noch an verschiedene Rohstoffe für die Erzeugung von Leichtzuschlagstoffen erinnert werden, die direkt oder indirekt mit v u l k a n i s c h e n B i l d u n g e n in Verbindung stehen. Hierzu gehören bei den Vorkommen saurer Vulkanite die Bildungen blähender vulkanischer Gläser, wie die sächsischen Pechsteine und einzelne Varietäten von Porphyren, während bei den basischen Vulkaniten vor allem die Verwitterungsprodukte von Tuffen und Tuffiten, die in Form bentonitischer Verwitterungskrusten vorkommen, Rohstoffe für die Erzeugung hochwertiger Leichtzuschlagstoffe ergeben können. Die Hauptverbreitungsgebiete befinden sich im Süden der DDR, wo sie sich in der Lausitz und der Rhön konzentrieren. 6. Untergeordnete Bedeutung besitzen darüber hinaus die aus verschiedenen Teilen der DDR bekannten d i a t o m e e n f ü h r e n d e n A b l a g e r u n g e n (z. B. aus dem Holstein-Interglazial), deren Verwendung zur Herstellung von Porensinter mit außerordentlich hoher Festigkeit führen kann. Abschließend einige allgemeine Hinweise für die Durchführung der notwendigen Arbeiten. Es ist zweckmäßig, bei der Prognose und Suche von Rohstoffen zur Erzeugung von Leichtzuschlagstoffen nicht nur auf die Blähfähigkeit der angetroffenen Rohstoffe in natürlichem Zustand zu achten, sondern es ist bei ausreichender Vorratslage und günstigem Standort von vornherein eine Veredlung der primären Rohstoffe (in wirtschaftlich vertretbarem Umfang) mit in die Betrachtungen einzubeziehen. In gleichem Umfang gilt das

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/ Natürliche Rohstoffe zur Herstellung von Porensinter

a u c h f ü r die V e r w e n d u n g v e r s c h i e d e n e r industrieller R ü c k s t ä n d e (wie A s c h e n , S c h l a c k e n , H a l d e n - u n d Vera r b e i t u n g s r ü c k s t ä n d e sowie n i c h t z u l e t z t f ü r S c h l ä m m e a u s b e s t i m m t e n A u f b e r e i t u n g e n ) . Aus d e n g e n a n n t e n G r ü n d e n ist es a b e r n o t w e n d i g , die v e r f a h r e n s t e c h n i schen u n d geologischen U n t e r s u c h u n g e n parallel zueina n d e r v o r z u n e h m e n , d a beide einen u n t r e n n b a r e n Bes t a n d t e i l der P r o g n o s e u n d S u c h e auf P o r e n s i n t e r - R o h s t o f f e darstellen. Als n o t w e n d i g e r A u s g a n g s p u n k t f ü r die D u r c h f ü h r u n g d e r g e n a n n t e n A r b e i t e n ergibt sich, d a ß prinzipiell g e e i g n e t e R o h s t o f f e z u r H e r s t e l l u n g v o n P o r e n s i n t e r in j e d e r g r ö ß e r e n r e g i o n a l e n Einh e i t d e r D D R infolge der Vielzahl v o r h a n d e n e r geologischer u n d t e c h n i s c h e r Möglichkeiten z u e r w a r t e n sind. Allerdings ist der n o t w e n d i g e A u f w a n d zu ihrer Gewinnung und zur Herstellung der Leichtzuschlagstoffe, in A b h ä n g i g k e i t v o n d e n n a t ü r l i c h e n Vorauss e t z u n g e n sowie d e m M a ß d e r erforderlichen V e r e d l u n g , sehr v e r ä n d e r l i c h . E i n gewisser, in j e d e m Falle u n t e r schiedlich großer v e r f a h r e n s t e c h n i s c h e r A u f w a n d z u r V e r e d l u n g des R o h s t o f f e s ist, b e s o n d e r s u n t e r B e r ü c k s i c h t i g u n g des die E f f e k t i v i t ä t u n d die K o s t e n v o n Leichtzuschlagstoffen stark belastenden Transportes, infolge d e r z. Z. r e c h t u n g l e i c h m ä ß i g v e r t e i l t e n wenigen S t a n d o r t e z u r P o r e n s i n t e r - E r z e u g u n g in der D D R g e g e n ü b e r d e n vielen B a u s c h w e r p u n k t e n n o t w e n d i g .

195 B aaKJiKweHHe HeJiaeTCH n o n t i T K a «aTt n e p B y i o rpyöyio oueHKy MecTopoHtaeHHfi n p u r o A i i o r o ecTecTBenHoro c u p b a Ha TeppHTOpHH r f l P . flOKa8HBaeTCH, HTO n p H COOTBeTCTByromHX TexHOJioraqecKHx H3itep?KKax, BO B c e x p e r i i o HajiBHHx e / ; n H i m a x ( H a n p m i e p , paiiOHax) T ^ P HMeioTCH HeoöxonHMtie npennocbiJiKH HJIH np0H3B0ji;cTBa nopHCToro arjiOMepaTa H HJIH coKpameHHH B ßonbuiHHCTBe c j i y i a e B HENPONOPMIOHANBHO HJIHHHHX H nopornx nyTeft noCTaBKH.

Summary The most important parameters of process engineering for the manufacture of porous sinter are discussed on some general bases of its uses and properties. Requirements to be satisfied by suitable raw materials are mentioned and mainly refer to the chemical and mineralogical composition and grain-size distribution. Raw materials for manufacturing porous sinter can be formed under very different conditions in part in both the exogenic and endogenic range, but also occur in the form of industrial residues. Therefore, a considerable variety of porous sinters is known (with the first place occupied by marine clays in conformity with their suitability and reserves). Finally, an attempt is made to give an early rough estimate of the occurrence of suitable raw materials in the territory of the G. D. R. Provided process-engineering facilities are adequate, prerequisites necessary for manufacturing porous sinter are given in all regional units of the G. D. R. (for example in the districts). This means that transport distances, for the most part inadequately long and expensive, can be reduced.

Zusammenfassung Ausgehend von einigen allgemeinen Grundlagen der Anwendung und der Eigenschaften von Porensinter werden die wichtigsten verfahrenstechnischen Parameter ihrer Herstellung erläutert. Darauf aufbauend ergeben sich die Anforderungen an geeignete Rohstoffe, die sich im wesentlichen auf die chemische Zusammensetzung, den mineralogischen Stoffbestand und die Korngrößenverteilung beziehen. Entsprechende Rohstoffe für die Herstellung von Porensinter können unter verschiedenen, voneinander z. T. sehr abweichenden Bildungsbedingungen, sowohl im exogenen als auch im endogenen Bereich, gebildet werden, aber auch in Form industrieller Rückstände auftreten und sind deshalb in erheblicher Vielfalt bekannt (wobei marinen Tonen nach Eignung und Vorräten der erste Platz zukommt). Abschließend wird versucht, eine erste grobe Einschätzung des Vorkommens geeigneter natürlicher Rohstoffe auf dem Territorium der DDR zu geben. Es wird nachgewiesen, daß bei entsprechendem verfahrenstechnischem Aufwand in allen regionalen Einheiten (z. B. den Bezirken) der DDR die notwendigen Voraussetzungen zur Herstellung von Porensinter und damit zur Verkürzung der meist unverhältnismäßig langen und teuren Transportwege gegeben sind.

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r e H H H x , T a u H B oii^orcHiibix y i a c T K a x , a Taitwte MomeT BCTpeqaTbCH B Hoe Miioroo6pa3He (npHHeM MopCKHM RJIHHAM n o CTeneHH N P N R O A H O C T H H 3anacaM O T B O HHTCH n e p B o e MecTo).

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Wittmanns-

gereuther Gebietes und ihre Eignung zur Herstellung von Leichtzuschlagstoffen in der Rennanlage des VEB Maxhütte Unterwellenborn. - Der Leichtzuschlagstoff, 4, 1/2, 4 - 8 (1968). DEGENS, E. T.: Geochemistry of sediments, a brief survey. — Prentice Hall, Inc., New Jersey 1965. DENNERT, H.: Herstellung von Blähton nach dem Zirkulations-Strömungsverfahren. - Aufbereitungstechnik, 6, 314-318 (1966). — Das Zirkulationsströmungsverfahren. — Der Leichtzuschlagstoff, 4, Sh., 2 9 - 3 0 (1968). ETLNSON, M . P . , &

S . N . WLNOGRADOW: Z u r

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Rohstoffen

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Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 1 5 ( 1 9 6 9 ) , Helt 4 196

PATZER & GRASSL / R e f l e x i o n s s e i s m i s c h e M e s s u n g e n i m V o r f e l d e i n e s B r a u n k o h l e n t a g e b a u s

Reflexionsseismische Messungen mit Transversalwellen zur Erkundung der Lagerungsverhältnisse im Vorfeld eines Braunkohlentagebaus ULRICH PATZER & STEFFEN GRÄSSL, L e i p z i g

In immer größerem Umfang werden Transversalwellen hinsichtlich ihrer Verwendungsmöglichkeiten bei geologischen Erkundungsarbeiten untersucht (Sammelband, Verlag „Nedra", Moskau). In der D D R konnten die ersten Erfahrungen mit Transversalwellen bei der seismischen Untersuchung der Lagerungsverhältnisse im Bereich einer Braunkohlenlagerstätte gesammelt werden. Zur Abschätzung der Einsatzmöglichkeiten der Seismik für derartige Aufgabenstellungen erfolgten zunächst in verschiedenen Braunkohlenfeldern Untersuchungen der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung sowohl für P-Wellen als auch für S-Wellen (PATZER & GRÄSSL, in Vorbereitung, s. Lit.). Die Messungen wurden dabei mit Hilfe der umgekehrten seismischen Vertikalprofilierung ausgeführt, bei der die Wellenanregung durch das Zünden kleiner Ladungen im Bohrloch und der Empfang an der Erdoberfläche in drei Komponenten geschehen. Da eine Bestimmung der als erste Einsätze auftretenden direkten P-Wellen von vornherein als sicher angesehen werden konnte, wurde besonderes Augenmerk auf eine bevorzugte 5-Wellenerzeugung gelegt. Durch Verwendung kleinstmöglicher Ladungsmengen und Erzeugung einer Richtwirkung der abgestrahlten Energie konnten deutliche Einsätze der direkten S-Wellen erhalten werden. Die Ergebnisse wurden in Form eines vertikalen Laufzeitprofils dargestellt, das die Vertikallaufzeiten der korrelierbaren Einsätze als Funktion der Schußteufe enthält. Abb. 1 zeigt ein derartiges typisches Laufzeitprofil aus dem Vorfeld des Braunkohlentagebaus Schleenhain südlich Leipzig (siehe auch PATZER & GRÄSSL).

P-Wellengeschwindigkeit Es ist zu erkennen, daß die vp außer dem markanten Sprung an der Basis der Langsamschicht in ca. 24 m Tiefe keine deutliche Differenzierung aufweist. Für die 5-Wellengeschwindigkeit vs lassen sich deutlich mehrere Bereiche unterschiedlicher v 5 -Werte ausgliedern. Der Flözkomplex weist mit 280 m/s die geringste Schichtgeschwindigkeit auf. Das Geschwindigkeitsverhältnis y = vp lvs erreicht im Mittel etwa den Wert 5, für Braunkohle liegt er bei 6,6. Bei den anderen im Laufzeitprofil dargestellten korrelierten Einsätzen, auf die in diesem Zusammenhang nicht näher eingegangen werden soll, handelt es sich um multiple, reflektierte bzw. Wechselwellen. In allen weiteren untersuchten Bohrungen auch anderer Meßgebiete ergaben sich prinzipiell ähnliche Gesetzmäßigkeiten in der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung der P- und S-Wellen. Eingang des Manuskripts in der Redaktion: 28.11.1968. Vortrag, gehalten auf dem X I I I . Internationalen Geophysikalischen Symposium vom 2 4 . - 2 7 . 9.1968 in Budapest.

Die erheblich stärkere Differenzierung von vs gegenüber von vp bedeutet, daß bei Anwendung der Transversalwellenmethode von einer größeren Anzahl von Schichtgrenzen Reflexionen zu erwarten sind. Besonders günstige Schallhärtesprünge für Transversalwellen treten an der Grenze Braunkohle/Nebengestein auf. Infolge der erheblich geringeren Geschwindigkeit und Dichte der Kohle gegenüber dem Nebengestein — die Dichte verringert sich um 30—40 Prozent — ergeben sich für S-Wellen Reflexionskoeffizienten von etwa 40 Prozent. Auf Grund der merklich geringeren Geschwindigkeit der S-Wellen im Verhältnis zu denen der P- Wellen läßt sich prinzipiell eine wesentlich größere Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung erreichen, und zwar sowohl bei bohrlochseismischen Untersuchungen als auch bei reflexionsseismischen Profiluntersuchungen. Namentlich durch die genauere Bestimmbarkeit von vs aus den Reflexionshyperbeln wird eine sicherere Erfassung horizontaler Geschwindigkeitsänderungen bei Verwendung reflektierter S- anstelle PWellen ermöglicht. Des weiteren dürfte bei einer Erkundung mit SWellen eine weitaus größere Genauigkeit der Tiefenbestimmung reflektierender Schichtgrenzen erreichbar sein. Für das Auflösungsvermögen ergeben sich, obwohl die vorherrschenden Frequenzen von S-Wellen im allgemeinen geringer sind als die entsprechender P-Wellen, ebenfalls günstigere Verhältnisse. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß sich das Geschwindigkeitsverhältnis mit zunehmender Teufenlage der Schichten deutlich verringert. So konnte beispielsweise durch Ultraschallmessungen an wassergesättigten Sandproben nachgewiesen werden, daß sich der y-Wert bei Vergrößerung der Belastung von 1 t auf 3 1 von y = 6,5 auf y = 3,5 verringert. Zum anderen ergaben Auswertungen fotografischer Registrierungen von Akustiklogmessungen z. B . für in ca. 2 0 0 0 m Teufe lagernden Hauptdolomit y-Werte von 1,8—1,9. Das Zentralproblem bei praktischen Messungen mit der S-Wellen-Methode besteht in einer sauberen Anregung hinreichend intensiver S-Wellen. Dem Untergrund muß durch eine gerichtete Anregung eine bevorzugte Schwingungsrichtung aufgeprägt werden. Diese notwendige gerichtete Anregung führt dazu, daß bei einer Umkehr der Anregungsrichtung auch die auf dem Seismogramm erscheinenden Transversalwellen eine Phaseninversion erfahren. Diese Erscheinung stellt das wichtigste Kriterium zur Identifizierung von S-Wellen dar. Bei einer derartigen Anregung werden auf Grund vorhandener Inhomogenitäten nahe der Quelle und nicht

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4 PATZEB & GRÄSSL / Reflexionsseismische Messungen im Vorfeld eines Braunkohlentagebaus 197

ideal elastischer Eigenschaften der Gesteine sowie der schwer realisierbaren idealen Richtwirkung der Anregungsquelle stets noch andere, störende Wellen (z. B. P- Wellen) erzeugt, die nicht die Eigenschaft der Phaseninversion bei einer Umkehrung der Anregungsrichtung besitzen. Derartige Störwellen lassen sich durch Subtraktion zweier am gleichen Schußpunkt mit entgegengesetzt gerichteter Anregung registrierter Einzelseismogramme eliminieren. Dieses durch Subtraktionsstapelung entstandene Seismogramm wird im allgemeinen als Differenzseismogramm bezeichnet. Mit Hilfe eines durch entsprechende Additionsstapelung gewonnenen Summenseismogramms kann der Anteil der Wellen ohne Phaseninversion abgeschätzt werden. Zur gerichteten Anregung von 5-Wellen bei den später beschriebenen Feldmessungen wurde folgendes Verfahren

(in GRÄSSL & PATZER a u s f ü h r l i c h

behandelt)

benutzt: An die sorgfältig geglättete vertikale Wand eines Schurfes wurde eine Spezialstahlplatte mit konzentrisch eingefrästen Rillen angebracht. Diese Rillen dienten zum Einlegen von Sprengschnur, die zur besseren Haftung noch mit feuchter Erde verschmiert war. Um den Wirkungsbereich der bei der Detonation entstehenden Stoßwellen nur auf die sogenannte „Arbeitsfläche" des Schurfes zu beschränken, wurde das Schurfloch vor der Sprengung mit lockerem, stark absorbierendem Boden aufgefüllt. Damit bei diesem Verfahren neben einer guten Richtwirkung (und damit einer hinreichend sauberen SWellenabstrahlung) eine größtmögliche Energieübertragung gewährleistet werden kann, erfolgten spezielle Untersuchungen über die optimalen Anregungsparameter durch quantitative Bestimmung des Richtwirkungskoeffizienten dieser Quelle. Als günstige Anregungstiefe ergab sich ein Wert von 1 m. Weiterhin konnte festgestellt werden, daß für alle untersuchten Plattengrößen ein gemeinsamer Optimalwert existiert,

wenn die verwendete Sprengstoffmenge auf die Größe der Anregungsfläche bezogen wird. Dieser Optimalwert liegt bei 7 m Sprengschnur pro m 2 Anregungsfläche. Abb. 2 zeigt im oberen Teil zwei Einzelseismogramme, die entgegengesetzten Anregungsrichtungen am gleichen Schußpunkt entsprechen. Das geringe Amplitudenniveau des Summenseismogramms belegt, daß bei dieser Anregung tatsächlich fast ausschließlich Transversalwellen erzeugt werden. Das ist auch der Grund dafür, daß auf dem Differenzseismogramm keine wesentliche Qualitätsverbesserung mehr festzustellen ist. Die praktischen Profilmessungen erfolgten im Vorfeld des Braunkohlentagebaus Schleenhain, in dem auch die Geschwindigkeitsverteilung und die optimalen Anregungsparameter untersucht worden waren. Als Beobachtungsschema wurde YY gewählt, das bedeutet Anregung und Aufnahme in der Horizontalkomponente senkrecht zum Beobachtungsprofil. Zur Anregung wurden stets zwei jeweils mit der optimalen Ladungsmenge von 1,4 m Sprengschnur belegte Stahlplatten mit 50 cm Durchmesser verwendet. Die Anregung erfolgte an jedem Schußpunkt in den beiden entgegengesetzten Richtungen -j- Y und —Y. Der Schußpunktabstand betrug 55 m. Die Vermessung geschah mit Zentralaufstellungen bei öfacher Bündelung von Geophonen des Typs SPM—16. Zur Registrierung wurde eine im V E B Geophysik Leipzig entwickelte 24spurige Transistorfeldapparatur Rx 24 TA mit Magnetbandzusatzgerät verwendet; die Aufnahme erfolgte mit Programmregelung und ARA, bei offenen Filtern und ohne Mischung. Die Feldmagnetogramme wurden auf einer französischen Auswertezentrale CS 621 dynamisch korrigiert und einer Subtraktionsstapelung unterworfen. Abb. 3 enthält den Zeitschnitt eines vermessenen Profilstücks. Es zeigt sich, daß durch die Subtraktionsstapelung nicht alle Störwellenanteile beseitigt werden können.

Zeitschrift tür angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heit 4

198

PATZKB & GKÄBSL / Reflexionsseismisehe Messungen im Vorfeld eines Braunkohlentagebaus

Deutlich ist eine auf allen Aufstellungen mit mehr oder weniger starker Intensität auftretende Oberflächenwelle erkennbar. Ihre Phasengeschwindigkeit liegt unter 300 m/s, die Frequenz b e t r ä g t ca. 20 Hz. Durch starke Mischung läßt sich der Einfluß dieser Störwelle erheblich vermindern. Abb. 4 zeigt den Zeitschnitt eines vermessenen Profils in Flächenschrift. Die entsprechende Abspielung erfolgte mit lOOprozentiger Mischung über fünf Spuren, bei offenen Filtern und ohne Regelung. Die Korrelation der Reflexionseinsätze weist teilweise erhebliche Unsicherheiten auf. Die Ursachen hierf ü r sind in folgendem zu suchen: 1. Durch den komplizierten geologischen A u f b a u der tertiären Schichtenfolge und den geringen A b s t a n d zahlreicher seismisch wirksamer Schichtgrenzen herrscht allgemein ein recht kompliziertes, mit zahlreichen Interferenzen durchsetztes Schwingungsbild vor. 2. Die vor allem im Hangenden der Flöze teilweise feststellbaren rasch veränderlichen Intensitäten der Reflexionen sind u. a. durch Änderungen der Mächtigkeiten und der lithologischen Z u s a m m e n s e t z u n g dünner Schichten bedingt. 3. Durch den Einfluß der sehr energiestarken Oberflächenwellen treten i m schußpunktfernen Bereich Korrelationsunterbrechungen auf. 4. Auf Grund des relativ großen Reflexionskoeffizienten an den Grenzen Kohle/Nebengestein sind verschiedene T y p e n relativ starker multipler Reflexionen zu erwarten, die durch ihre Überlagerung mit den Nutzreflexionen größerer L a u f z e i t das Schwingungsbild zusätzlich komplizieren. Durch die Anschlußmöglichkeit der verfolgten Horizonte an die zahlreichen Erkundungsbohrungen konnte die Richtigkeit der Korrelation ständig überprüft werden. Die vorherrschenden Frequenzen der Transversalwellenreflexionen aus der tertiären Schichtenfolge liegen bei 40 bis 45 Hz. Durch Anschluß an die einzelnen Bohrungen ergab sich folgende stratigraphische Zuordnung der einzelnen

0

20

40

60

80

100-10Js

Abb. 2. Überprüfung der Anregungsgüte am ScliuGpunkt 10 des in Abb. 4 und 5 dargestellten Profils Einzelseisinogrammc — j + y u n d —Y), Summenseismogramm — (£), Differenzseismogramm — (A)

Abb. 3. Zeitsehnitt eines Profilstücks in Flächenschrift (ohne Filterung und Mischung) Reflexionshorizonte: Die mit T bezeichneten Horizonte schließen an verschiedene durch Bohrungen ausgewiesene Toneinlagerungen an. Erschwerend auf die Korrelation besonders dieser Horizonte wirkt sich in schußpunktfernen Bereichen die Oberflächenwelle aus, deren Einfluß selbst durch die starke Mischung der Spuren nicht vollständig verschwindet. Die m i t B bezeichneten Horizonte wurden verschiedenen Schichtgrenzen im Flözbereich zugeordnet. So entspricht z. B . der als markanter Schwingungszug im gesamten Meßgebiet a m sichersten verfolgbare Leithorizont B3 der Oberk a n t e des obersten Kohleflözes. Die an verschiedene andere Grenzen zwischen Kohle und Nebengestein anschließenden Reflexionshorizonte mit größerer Laufzeit als B3 weisen mehr oder weniger ausgedehnte Korrelationsunterbrechungen auf. Der bei der Konstruktion der Tiefenprofile verwendete allgemeine Geschwindigkeitsansatz basiert auf der in drei Bohrungen ermittelten Geschwindigkeitsverteilung: 0 20 in OberkanLe Flöz I I I Unterkante Flöz II ab 100 m

20 m OberkanLe Flöz III . Unterkante Flöz II . 100 m

320 420 280 370 440

m/s m/s m/s m/s m/s

F ü r die Geschwindigkeit in Tiefen über 100 m standen keine bohrlochseismischen Angaben zur Verfügung. Der angesetzte Wert berücksichtigt eine teufenbedingte Zunahme der S-Wellengeschwindigkeit. F ü r die zur K o n s t r u k t i o n der Tiefenprofile benötigte Phasenkorrektur (Zeitdifferenz zwischen wahrem Eins a t z p u n k t und korreliertem E x t r e m u m des Schwingungszuges) konnte der in der normalen (P-Wellen-) Reflexionsseismik gebräuchliche Wert von 30 ms nicht schematisch übernommen werden. Bei der B e s t i m m u n g der bei der seismischen Braunkohlenerkundung zu verwendenden Phasenkorrektur wurde von folgender Überlegung a u s g e g a n g e n : D a als erster ausgeprägter Schallhärtesprung im Kohlefeld Schleenhain nur die Hangendgrenze von Flöz I I I in F r a g e k o m m t , ist als erster m a r k a n t e r Schwingungszug im entsprechenden Laufzeitbercich eine Reflexion von dieser Schichtgrenze zu erwarten. Der Anschluß des korrelierten energiestarken Maxim u m s an das in Abb. 1 dargestellte Geschwindigkeitsprofil ergab einen K o r r e k t u r b e t r a g von rund 40 ms.

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4 PATZER & GRÄSSL / Reflexionsseismisehe Messungen im Vorfeld eines B r a u n k o h l e n t a g e b a u s 199

Dieser Wert wurde einheitlich bei der Konstruktion aller im Tiefenprofil dargestellten Reflexionshorizonte berücksichtigt. Geringfügige Abweichungen von diesem empirisch bestimmten Näherungswert sind möglich. Die Abb. 5 enthält das entsprechende nach der Tangentenmethode konstruierte Tiefenprofil. Das Deckgebirge der Kohle besteht im Meßgebiet aus einer unregelmäßigen Wechsellagerung von Sanden und Tonen, dem sogenannten Haselbacher Komplex. Die im allgemeinen nur über kurze Erstreckungen verfolgbaren Reflexionen von Tonhorizonten aus dem Hangenden der Kohle belegen, daß die einzelnen erbohrten Tone im Deckgebirge tatsächlich nur linsenförmige Einlagerungen relativ geringer horizontaler Erstreckung darstellen. Lediglich im Bereich der größten Flözabsenkung lassen sich die in den Bohrungen B und C im Hangenden von Flöz III erbohrten Tone durch den Reflexionshorizont 1 \ bei teilweise sehr guter Reflexionsqualität miteinander verbinden. Demgegenüber konnte der Leithorizont B3 fast auf dem ganzen Tiefenprofil mit guter, teils sehr guter Reflexionsqualität erfaßt werden. Die tieferliegenden Horizonte weisen bei steigender Anzahl der darüberliegenden seismischen Grenzen mit ausgeprägtem Schallhärtesprung der Grenzen Kohle/ Nebengestein eine zunehmende Verschlechterung der Reflexionsqualität auf. Die in den Tiefenprofilen nicht bezeichneten Horizonte wurden keiner geologischen Schichtgrenze zugeordnet. Es ist möglich, daß sie nicht in jedem Fall einen separaten Reflexionshorizont repräsentieren. So ist z. B. schwierig zu entscheiden, ob der unmittelbar unter dem Leithorizont B3 gelegene Re-

flexionshorizont der Unterkante von Flöz III entspricht oder eine Nachphase des Schwingungszuges B3 darstellt. Auf dem Tiefenprofil tritt zwischen den Bohrungen D und E eine nach den Unterlagen des 200-m-Bohrnetzes nicht feststellbare Hochlage des gesamten Flözkomplexes mit etwa 5-m-Amplitude auf. Im westlich anschließenden Abschnitt läßt sich im Tiefenprofil eine durch die Erkundungsbohrungen festgestellte deutlich ausgeprägte Flözabsenkung bestätigen. Das Muldentiefste ist nach dem seismischen Tiefenprofil etwa 50 m östlich der Bohrung B im Bereich des Schußpunkts 11 zu erwarten. Zur besseren Ausschöpfung des Informationsgehalts der seismischen Registrierung wurde versucht, eine Bestimmung der Mächtigkeit des oberen Kohleflözes an Hand der Spektralcharakteristik seiner Reflexionseinsätze vorzunehmen. Bei geringer Mächtigkeit zwischen dem oberen Flöz III und dem Hauptflöz II stellen die Einsätze von diesen seismischen Grenzen ein breites Schwingungsband dar, in dem die Ausgliederung separater Einsätze nicht möglich ist. Die Spektralcharakteristiken dieser Schwingungszüge, die sich aus mindestens drei Einzelimpulsen zusammensetzen, zeigten ein sehr kompliziertes Verhalten und gestatteten keine quantitativen Aussagen. Günstige Verhältnisse ergaben sich in den übermessenen Profilabschnitten, wo sich der zu untersuchende Schwingungszug nur aus zwei an einem dünnen Kohleflöz reflektierten Wellen zusammensetzt. Abb. 6 zeigt ein Beispiel eines derartigen Amplitudenspektrums, nach dem sich eine Flözmächtigkeit von 3 m berechnen ließ. Das erbohrte Scliichtcnprofil hatte

Abb. 4. Zeitschnitt eines Profils in Flächenschrift

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 (1969), Heft 4 200

PATZER & GRÄSSL / Reflexionsseismische Messungen im Vorfeld eines B r a u n k o h l e n t a g e b a u s

an dieser Stelle eine Flözmächtigkeit von 3,1 m ausgewiesen. Abschließend sollen einige Angaben über die bei diesen Messungen erreichte Genauigkeit der Teufenbestimmung gemacht werden. Die verschiedenen Toneinlagerungen zugeordneten Reflexionshorizonte lassen sich bei maximalen Abweichungen von 1—2 m den Ober- oder Unterkanten der erbohrten Tone zuordnen. Da bei diesen meist sehr geringmächtigen Tonhorizonten nicht verläßlich anzugeben ist, ob die korrelierten Phasen den Ober- oder Unterkanten entsprechen, erfolgte hierfür keine Bestimmung der mittleren Abweichungen. Beim Anschluß des Leithorizonts B 3 an die durch die Bohrungen ermittelten Teufen der Oberkante von Flöz III treten maximale Abweichungen von 1 m auf. Für die übrigen Horizonte aus dem Flözbereich ergaben sich, wenn berücksichtigt wird, daß die Reflexionshorizonte B2 und tí'2 jeweils 2 m über den ihnen zugeordneten stratigraphischen Grenzen liegen, maximale Abweichungen von 2 m.

Se 1/6

JS

B f (Hz) Abb. 6. F l ö z m ä c h t i g k e i t s b e s t i m m u n g an H a n d der S p e k t r a l charakteristik

Der relative Fehler in der Teufenbestimmung der den Flözbegrenzungen entsprechenden seismischen Horizonte beträgt, bei Mittelung über 20 verfügbare Anschlußwerte, knapp 2 Prozent. Die hier vorgelegten Ergebnisse von Versuchsmessungen im Vorfeld eines Braunkohlentagebaus zeigen, daß reflektierte Transversalwellen erfolgreich zur Klärung der Lagerungsverhältnisse eingesetzt werden können. Die Verwendung der hier benutzten Methodik auch bei anderen, z. B. hydrogeologischen Erkundungsaufgaben im Lockersedimentbereich erscheint aussichtsreich. Darüber hinaus dürften die hier gewonnenen Erfahrungen bei der Verwendung von Transversalwellen für erdölgeologische Probleme ebenfalls von Bedeutung sein. Die hier beschriebenen Untersuchungen wurden im VEB Geophysik als Vertragsforschung durchgeführt. Für die Genehmigung zur Veröffentlichung der Ergebnisse sei dem Auftraggeber, dem Zentralen Geologischen Institut, Berlin, an dieser Stelle gedankt.

Zusammenfassung A n H a n d der v e r t i k a l e n Geschwindigkeitsverteilung f ü r P - u n d S-Wellen werden die Vorteile der Transversalwellenm e t h o d e bei der seismischen E r k u n d u n g in LockersediM e n t e n d i s k u t i e r t . Die P r o b l e m a t i k bei E r k u n d u n g s a r b e i t e n m i t Transversalwellen wird a m Beispiel v o n erstmals in der D D R a u s g e f ü h r t e n reflexionsseismischen Profilmessungen ü b e r einer B r a u n k o h l e n l a g e r s t ä t t e e r l ä u t e r t . I n diesem Zus a m m e n h a n g wird u. a. ein spezielles V e r f a h r e n z u r Schußa n r e g u n g v o n S-Wellen beschrieben sowie auf einige d y n a mische Besonderheiten der Transversalwellen u n d dio erreichte Genauigkeit eingegangen.

Zeitschritt f ü r angewandte Geologie, Bd. 1 5 ( 1 9 6 9 ) , Heft 4

RICHTER / Abstandsermittlungen von Brunnengruppen und Einzelbrunnen Pe3ioMe Ha 0CH0Be BepTHKamnoro pacnpeneneHHH cnopocTeft

P- H S-BOJIH OÔCYWRAIOTCH npeHMymecraa MeTo/i;a nonepeiHLix BOJIH npii ceftCMnnecKoii paase^Ke B TeppHreHHbix

ocaHKax. IIpoôiieMaTHKa npH pasBesoMHtix paCoTax c nonepeHHHMH BOJIH aMH paccMaTpHBaeTc« Ha npHMepe BnepBtie npoBe^eHHHx B r ^ P ceiicMH^ecKHx npo$HJii>HHx ctGMOK MOB na SypoyrojitHOM MecTopoHffleiiHH. B 3T0fl CBH3H

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B036y>KHeHHH

201

light of the vertical velocity distribution forP and S waves. The problematic character of exploratory works using transverse waves is illustrated by reflection-seismic profile measurements carried out for the first time in the G. D. R. above a brown-coal deposit. In this regard, a special method for the shot incitement by S waves is described and some dynamic peculiarities of transverse waves as well as the accuracy obtained arc discussed.

B3PTIBAMH S-BOJIH, a Tanme Hji;eT pe^B o jiHHaMHqecKHx

Literatur

0C06EHHOCTHX HOCTH.

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Summary Advantages presented by the use of transverse waves in the seismic exploration in loose sediments are discussed in the

Abstandsermittlungen netzförmig angeordneter Brunnengruppen und Einzelbrunnen bei Tagebauentwässerungen LOTHAB, R I C H T E R ,

Berlin

1. Einleitung Die nachfolgend erläuterten Berechnungsverfahren werden nach praktischen Gesichtspunkten dargestellt. Generell können mit (quadrat-)netzförmig angeordneten Filtern oder Filtergruppen günstigere Entwässerungseffekte erzielt werden als mit parallelen Filterreihen. Bei Abstandsermittlungen von Filtern wird man jedoch auch häufig auf Verfahren zurückgreifen müssen, mit denen Abstände von parallelen Filterreihen ermittelt werden können, da für die endgültige Festlegung der Fassungselemente nicht in jedem Fall allein die hydrogeologischen Verhältnisse ausschlaggebend, sondern auch technologische und ökonomische Faktoren zu beachten sind. Die Berechnungsmethoden zur Ermittlung von Abständen parallel angeordneter Fassungselemente (RICHTER 1968) sowie die nachfolgend dargestellten Verfahren über Abstandsermittlungen netzförmig angeordneter Filter ergänzen sich in der hydrogeologisch-entwässerungstechnischen Projektierung des Braunkohlenbergbaus gleichermaßen. Da bereits die grundlegenden hydrogeologischen Gleichungen für radiale Grundwasserfassungsanlagen als bekannt vorausgesetzt werden dürfen (RICHTER 1968), erübrigt sich eine nochmalige Darstellung der allgemeinen Berechnungsgrundlagen. Zum Verständnis der nachfolgenden Abhandlungen sei auf die in der Literatur angegebenen Veröffentlichungen verwiesen. 2. Allgemeine Betrachtungen und Festlegungen Prinzipiell gelten ebenfalls die für die parallelen Entwässerungssysteme genannten Festlegungen (RICHTER 1968). Es werden (quadrat-)netzförmig angeordnete Brunnengruppen und Einzelbrunnen (Filter) betrachtet bzw. Entwässerungssysteme, die auf eine (quadrat-)netzförmige Anordnung zurückzuführen sind. Die Berechnungsmethoden sollen wiederum für den ungesteuerten und den gesteuerten Absenkungsvorgang erläutert werden (RICHTE» 1968). Bei der Berechnung des Grundwasserabsenkungsvorganges (Vorfeldentwässerung) sind folgende hydrogeoEingang des Manuskripts in der Redaktion: 1. 7. 1968.

logisch-grundwasserhaushaltliche Verhältnisse zu berücksichtigen : a) Die Entnahmemengen resultieren ausschließlich aus den statischen Grundwasservorratsmengen. b) Die Entnahmemengen resultieren aus den statischen Grundwasservorratsmengen und der vertikalen Zusickerung (versickerndes Niederschlagswasser), die innerhalb des Entnahmebereichs vorhanden ist. Unter Berücksichtigung dieser grundwasserhaushaltlichen Verhältnisse lassen sich die für die Abstandsermittlungen erforderlichen bekannten hydrogeologischen Gleichungen der Berechnungsfälle I und I I a ableiten (SIEMON 1958, RICHTER 1968). Wird vorausgesetzt, daß sich die einzelnen Fassungsgruppen bzw. Einzelbrunnen gleichermaßen beeinflussen und eine Uberlagerung der Spiegelflächen in der Art auftritt, daß sich zwischen den Entnahmebereichen (bzw. -punkten) Kulminationslinien herausbilden, können die Berechnungen jeweils für einen herausgelösten „Entwässerungsquader" durchgeführt werden (Abb. 1). Die vollkommene Abriegelung der Grundwasserzuflüsse soll als wichtigste Randbedingung nochmals hervorgehoben werden (RICHTER 1968). Die sich ausbildende Absenkungsreichweite reicht bis zur Kulminationslinie und bleibt mit fortschreitender Absenkung konstant. 3. Hydrogeologische Gleichungen Wie einleitend hervorgehoben, werden die allgemeinen Berechnungsgrundlagen als bekannt vorausgesetzt (RICHTER 1968). 3 . 1 . E n t n a h m e - und Spiegelgleichungen

Als Ubersicht seien die bekannten Spiegelgleichungen

gegeben (SIEMOST 1 9 5 8 , RICHTER 1 9 6 8 ) :

S = i/• (fe •:ln T.

±*• ^

± * • ^f1) (i)

+

Zeitschritt f ü r angewandte Geologie, Bd. 1 5 ( 1 9 6 9 ) , Heft 4

RICHTER / Abstandsermittlungen von Brunnengruppen und Einzelbrunnen Pe3ioMe Ha 0CH0Be BepTHKamnoro pacnpeneneHHH cnopocTeft

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201

light of the vertical velocity distribution forP and S waves. The problematic character of exploratory works using transverse waves is illustrated by reflection-seismic profile measurements carried out for the first time in the G. D. R. above a brown-coal deposit. In this regard, a special method for the shot incitement by S waves is described and some dynamic peculiarities of transverse waves as well as the accuracy obtained arc discussed.

B3PTIBAMH S-BOJIH, a Tanme Hji;eT pe^B o jiHHaMHqecKHx

Literatur

0C06EHHOCTHX HOCTH.

GRÄSSL, S., & TJ. PATZER: Zum Problem der Energieanregung bei seismischen Untersuchungen mit Transversalwellen. — Geophysik und Geologie, Folge 14, Teubner Verlagsges. Leipzig (im Druck). PATZER, U., & S. GRÄSSL: Möglichkeiten der seismischen Erkundung von Braunkohlenlagerstätten. — Sammelband „Geophysik in der Braunkohlenerkundung". — Wiss.-Techn. Inform.-Dienst, Zentr. Geol. Inst., Berlin (in Vorbereit.). Sammelband: PopereCnye i obmennye volny v sejsmorazvedke. — Verlag Nedra, Moskau 1967.

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TOH-

Summary Advantages presented by the use of transverse waves in the seismic exploration in loose sediments are discussed in the

Abstandsermittlungen netzförmig angeordneter Brunnengruppen und Einzelbrunnen bei Tagebauentwässerungen LOTHAB, R I C H T E R ,

Berlin

1. Einleitung Die nachfolgend erläuterten Berechnungsverfahren werden nach praktischen Gesichtspunkten dargestellt. Generell können mit (quadrat-)netzförmig angeordneten Filtern oder Filtergruppen günstigere Entwässerungseffekte erzielt werden als mit parallelen Filterreihen. Bei Abstandsermittlungen von Filtern wird man jedoch auch häufig auf Verfahren zurückgreifen müssen, mit denen Abstände von parallelen Filterreihen ermittelt werden können, da für die endgültige Festlegung der Fassungselemente nicht in jedem Fall allein die hydrogeologischen Verhältnisse ausschlaggebend, sondern auch technologische und ökonomische Faktoren zu beachten sind. Die Berechnungsmethoden zur Ermittlung von Abständen parallel angeordneter Fassungselemente (RICHTER 1968) sowie die nachfolgend dargestellten Verfahren über Abstandsermittlungen netzförmig angeordneter Filter ergänzen sich in der hydrogeologisch-entwässerungstechnischen Projektierung des Braunkohlenbergbaus gleichermaßen. Da bereits die grundlegenden hydrogeologischen Gleichungen für radiale Grundwasserfassungsanlagen als bekannt vorausgesetzt werden dürfen (RICHTER 1968), erübrigt sich eine nochmalige Darstellung der allgemeinen Berechnungsgrundlagen. Zum Verständnis der nachfolgenden Abhandlungen sei auf die in der Literatur angegebenen Veröffentlichungen verwiesen. 2. Allgemeine Betrachtungen und Festlegungen Prinzipiell gelten ebenfalls die für die parallelen Entwässerungssysteme genannten Festlegungen (RICHTER 1968). Es werden (quadrat-)netzförmig angeordnete Brunnengruppen und Einzelbrunnen (Filter) betrachtet bzw. Entwässerungssysteme, die auf eine (quadrat-)netzförmige Anordnung zurückzuführen sind. Die Berechnungsmethoden sollen wiederum für den ungesteuerten und den gesteuerten Absenkungsvorgang erläutert werden (RICHTE» 1968). Bei der Berechnung des Grundwasserabsenkungsvorganges (Vorfeldentwässerung) sind folgende hydrogeoEingang des Manuskripts in der Redaktion: 1. 7. 1968.

logisch-grundwasserhaushaltliche Verhältnisse zu berücksichtigen : a) Die Entnahmemengen resultieren ausschließlich aus den statischen Grundwasservorratsmengen. b) Die Entnahmemengen resultieren aus den statischen Grundwasservorratsmengen und der vertikalen Zusickerung (versickerndes Niederschlagswasser), die innerhalb des Entnahmebereichs vorhanden ist. Unter Berücksichtigung dieser grundwasserhaushaltlichen Verhältnisse lassen sich die für die Abstandsermittlungen erforderlichen bekannten hydrogeologischen Gleichungen der Berechnungsfälle I und I I a ableiten (SIEMON 1958, RICHTER 1968). Wird vorausgesetzt, daß sich die einzelnen Fassungsgruppen bzw. Einzelbrunnen gleichermaßen beeinflussen und eine Uberlagerung der Spiegelflächen in der Art auftritt, daß sich zwischen den Entnahmebereichen (bzw. -punkten) Kulminationslinien herausbilden, können die Berechnungen jeweils für einen herausgelösten „Entwässerungsquader" durchgeführt werden (Abb. 1). Die vollkommene Abriegelung der Grundwasserzuflüsse soll als wichtigste Randbedingung nochmals hervorgehoben werden (RICHTER 1968). Die sich ausbildende Absenkungsreichweite reicht bis zur Kulminationslinie und bleibt mit fortschreitender Absenkung konstant. 3. Hydrogeologische Gleichungen Wie einleitend hervorgehoben, werden die allgemeinen Berechnungsgrundlagen als bekannt vorausgesetzt (RICHTER 1968). 3 . 1 . E n t n a h m e - und Spiegelgleichungen

Als Ubersicht seien die bekannten Spiegelgleichungen

gegeben (SIEMOST 1 9 5 8 , RICHTER 1 9 6 8 ) :

S = i/• (fe •:ln T.

±*• ^

± * • ^f1) (i)

+

Zeitschrift für angewandte Geologie, Bd. 15 ( 1 9 6 9 ) , Heft 4 RICHTER / A b s t a n d s e r m i t t l u n g e n v o n B r u n n e n g r u p p e n u n d E i n z e l b r u n n e n

202

und l n ^ ± c x

Rl — : ± c 3

2

Rl - x 3 '

(2) Die Entnahmegleichung für Q ergibt sich im 1. Fall für die Bedingungen y — H und x — Rx und im 2. Fall für y = h0 und x = r0. Die Größen c l f c3 und c3 werden entsprechend den grundwasserhaushaltlichen Bedingungen festg e l e g t (SIEMON 1 9 5 8 , RICHTEK 1 9 6 8 ) u n d i n die B e z i e h u n g e n

(1) und (2) eingesetzt. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß von RICHTEK die Entnahmebedingungen aus dem statischen Grundwasservorrat für die Stadien 1 und 3 gegenüber SiKMON präzisiert und teilweise neu festgelegt wurden, so daß es sich empfiehlt, mit diesen Beiwerten zu rechnen. Die Formeln (1) und (2) sowie die entsprechenden Entnahmegleichungen besitzen gleichermaßen Gültigkeit sowohl für radial angeordnete Mehrbrunnenanlagen als auch für Einzelbrunnen. Bei der Anwendung der Gleichungen für Einzelbrunnen können die Glieder in den Gleichungen mit r0 vernachlässigt werden. Dadurch ergeben sich für Einzelbrunnen gegenüber den Mehrbrunnenanlagen wesentlich einfachere Beziehungen. Es können nachfolgende Substitutionen gewählt werden:

+

Rl

CC^ ~Cg • X'

Qx = ci - < b) Fall I l a

Qx = nqsRl + Qr-

¡ ^

+ n9s)

. x2 +

2 Qv m

Qx = CI - C2 • X 2 + C3 • X 3

a) F a l l i

Qx = C1 b) Fall I l a

**

C2

•

Qv Qx = 7iqsR\ + Qv ~ ( RI + nqs: ) . X 2 Qx — C1

C2

'

3. Absenkungsstadium a) Fall I Qx = Qv - ^ Qx =

01

1 9 5 8 , RICHTER 1 9 6 8 ) , w i e d e r g e g e b e n .

Die Trichterwassermengen oberhalb der Absenkungsspiegelfläche errechnet sich, wobei die Innenfigur unberücksichtigt bleibt, zu

Unterhalb der Spiegelfläche wird wu = vu-p

(4)

Mit Berücksichtigung der Innenfigur lauten die Gleichungen : W0 = \n(Rl -H-ri-

h0)

-Vu]-p

Wu = (» rl .h0 +

Vu)-p

(6)

Die nachfolgenden Gleichungen zur Bestimmung der Trichterwasservolumina werden unter Vernachlässigung der Innenfiguren angegeben. Bei den Berechnungen sind die Innenfiguren (außer bei Ermittlungen für Einzelbrunnen) entsprechend zu berücksichtigen. Die Beziehungen lauten (dabei soll sich die Wiedergabe auf die Beziehungen für Wu beschränken) für den Berechnungsfall I: 1. Absenkungsstadium -

[n-H(Rl-rl)

2

-krH

X

P oa I -a i n Rl - 3Rx • rl + 2r§ [M +

x

1°. + A . j L \ l . n

X

RI ^ 1 5

Rl)\

r«

R.

I

+

1

r2

3

3

4 (7)

P

2. Absenkungsstadium Wu = \ti-H(RI - i " 2 -kj-H Rl ¡Rl _ * Rl-4 U + r ° inRx

j4_\1 4i? 2 /J

(8)

'

Wu = | n . H ( R * - r l )

C3" x3

Q

~ 2 -krH + Qv - ila •

(3)

W„=[n(Rl-rl)-H-Vu]-p

3. Absenkungsstadium

• a*

b) F a l l i l a Qx =

Berechnungsmethoden als bekannt vorausgesetzt werden dürfen, sollen obige Literaturhinweise genügen. Für den Fall, daß elektronische Großrechenanlagen (NE 503 u. a.) nicht zur Verfügung stehen und die Abstandsermittlungen mit Handrechenmaschinen durchgeführt werden müssen, seien die für grobe Überschlagsrechnungen anwendbaren nachfolgenden Beziehungen, die sich auf der Grundlage von Reihen entwickeln lassen (SIEMON

Wn=

2. Absenkungsstadium

Q* = Qv~%-

w e n d e t (RICHTER u . a . 1 9 6 6 , 1 9 6 7 ; RICHTER 1 9 6 8 ) . D a diese

und

1. Absenkungsstadium a) Fall 1 3 Qv Qx - Qv - RI il

für die Voluminabestimmungen ausschließlich auf der Basis der SlMPSONschen Regel entwickelte Beziehungen ange-

Qv - ^r •3:3

PL R3 I 12 R r 2 + 1 x 0 + r3 [ 5

'2.Rl-3Rlr0 r

3

1

99

r5"|\

¡9)

Qx = Ci — ct • x 2 — c3 • X3 3.2. Gleichungen zur Bestimmung der Trichteiwasservolumina

Im allgemeinen ist die Anwendung numerischer Näherungsmethoden zu empfehlen. Sie liefern gegenüber den bisher bekannten Gleichungen, die auf der Grundlage von Reihen entwickelt wurden, weitaus bessere mit der Praxis übereins t i m m e n d e E r g e b n i s s e (RICHTER 1 9 6 S ) . D e r R e c h e n a u f w a n d

ist jedoch sehr groß. Da derartige Ermittlungen in der Regel mittels programmgesteuerter Rechenautomaten durchgeführt werden, ist ihre Anwendung und Durchsetzung in der Praxis gerechtfertigt. In den vom ehemaligen V E B P K B „Kohle", Berlin, aufgestellten Rechenprogrammen werden

Die Formeln für den Berechnungsfall I I a lauten: 1. Absenkungsstadium Wr« u=\n= [ » • H(Rl •

,

Q

-nq6(Rl~rl)

Rl

X

M

+

l5Rli

2 .krH\i

+

0

Rx