Schichtung, Klüftung, Störung – Die Bedeutung von Trennflächen
Trennflächen stellen in der Entstehung sowie der Entwicklung einer Lagerstätte oftmals eine tragende Rolle. Im Regelfall benötigt ein Element oder ein Mineral die Möglichkeit einer Anreicherung, um letztendlich eine wirtschaftlich interessante Konzentration zu erreichen, die in einer Mine profitabel gefördert werden kann.
Aus Sicht eines Geologen lassen sich vereinfachend drei Systeme nennen, die im Rahmen der Entwicklung eines Gesteins eine bedeutende Rolle spielen können. Im Folgenden sollen Trennflächensysteme anhand schematischer Beispiele sowie ihr möglicher Einfluss auf die Bildung von Lagerstätten erläutert werden.
Schichtung
Die Schichtung von Gesteinen stellt sowohl bei magmatischen Vorkommen als auch bei sedimentären oder sedimentgebundenen Lagerstätten oftmals einen begrenzenden Faktor der Ausdehnung dar. Ohne die Schichtung von Gesteinen mit verschiedenen Eigenschaften würde es jedoch auch keine entsprechenden Vorkommen geben.
Abbildung 1: Schematische Darstellung von Schichtmodellen. (A) zeigt horizontale Schichtung, (B) zeigt deformierte, gebogene Schichtpakete. (C) zeigt neben gebogenen Schichtpaketen auch zwei an einzelne Schichten gebundene Horizonte mit Mineralisation (rot) sowie im Bereich der Sattelstruktur eine mögliche Anreicherung von Öl und Gas (grün).
Als einfachstes Modell lassen sich horizontal gestapelte Schichtpakete wie in Abbildung 1A darstellen. Verschiedene Gesteine lagern dabei im Wechsel, so können z.B. Sandsteine, Tonsteine, Kalksteine oder auch Lockergesteine wie Kies und Sand geschichtet auftreten. Abbildung 1B zeigt deformierte Schichtpakete. Diese Verformung kann während oder auch lange nach der Ablagerung der einzelnen Schichten erfolgen, neben einer guten Kenntnis der regionalen Stratigraphie, also der Altersabfolge und Charakteristika der einzelnen Gesteinsschichten spielt hier ein Verständnis von tektonischer Beanspruchung (letztlich von mechanischer Verformung bedingt z.B. durch plattentektonische Bewegung) eine wesentliche Rolle.
Abbildung 1C zeigt in rot und grün mögliche Horizonte, die eine wirtschaftliche Bedeutung besitzen können. Die roten Bereiche, die schichtparallel lagern, können dabei eine große Variation an Elementen beinhalten. Als primäres horizontales Ablagerungssystem (also eine parallel zur Bildung der Gesteine stattgefundene Anreicherung der Wertelemente) lassen sich hier sowohl Industrieminerale wie Ton, Sand und Kies, als auch sedimentäre Vorkommen von z.B. Gold und Edelsteinen sowie Braunkohlevorkommen finden. Als ein Beispiel für magmatische Bildungen sind die PGE (Platingruppenelemente) Vorkommen des Bushveld Komplexes zu nennen.
Im Bereich von deformierten Schichten können in Kombination mit Klüften und Störungen zudem Lösungen und Flüssigkeiten zirkulieren, so kann es zu Anreicherungen von beispielsweise Gold (vgl. u.a. Carlin-Typ Goldvorkommen, Mississippi-Valley-Typ Pb-Zn-Ag-Vorkommen) als auch von Kohlenwasserstoffen (Öl, Erdgas) kommen.
Abbildung 2: Horizontal geschichteter Ton (grau) im Liegenden von hellbraunem Sand.
Abbildung 2 zeigt eine Tongrube. Auch der Abbau von Industriemineralen erfordert eine systematische Erkundung der Vorkommen, um einen wirtschaftlich sinnvollen Abbau zu gewährleisten. Gerade in Deutschland wird oft von einer Rohstoffarmut gesprochen, eine breit aufgestellte Industrie wird meist jedoch vergessen, da sie allgegenwärtig ist und wenig spektakulär erscheint. Denn hier spielt neben Industriemineralen wie Kies, Sand und Ton (oftmals als Baumaterial) auch der Abbau von Kohle (hauptsächlich Braunkohle im Ruhrgebiet und in der Lausitz) und Salz eine wichtige Rolle.
Abbildung 3: Geschichteter Sand- und Kies. Die blaue Färbung markiert sandig-kiesige Lagen, die bevorzugte Anreicherungen von Diamanten darstellen.
Das Foto von Abbildung 3 wurde an der Westküste Südafrikas in den Diamantfeldern aufgenommen. Ähnlich wie Gold reichern sich auch Edelsteine und Diamanten, die von Flüssen transportiert wurden, in kiesigen Lagen an, die im Rahmen des Abbaus ein bevorzugtes Ziel darstellen.
Abbildung 4: Wechselfolge von Kalkstein und Sandstein. Neben einer horizontalen Schichtlagerung treten hier steile Klüfte auf.
Abbildung 4 zeigt eine Wechselfolge von geklüfteten Kalksteinen und stärker verwitterten Sandsteinen. Das verschiedene Verhalten der Gesteine im Bezug auf Verwitterung verdeutlicht zusätzlich unterschiedliche Eigenschaften der stratigraphischen Einheiten. Je nach Bedingungen (Temperatur, pH-Wert, Menge an Flüssigkeit) erweisen sich unterschiedliche Gesteine als veränderlich oder resistent gegenüber äußeren Einflüssen. Sandsteine besitzen zudem in der Regel einen großen Porenraum und eignen sich damit als Speichergestein für Wasser, Öl und Gas. Lagen von Tonstein oder auch tonigem, dichtem Kalkstein können als stauende Horizonte auftreten, die in Kombination mit den richtigen Strukturen potentielle Fallenstrukturen darstellen.
Und wie bereits in Abbildung 4 angedeutet, stellt neben der Schichtung auch ein weiteres System einen relevanten Faktor zur Beschreibung eines Gebirges dar, die Klüftung.
Klüftung
Im Rahmen der Abkühlung von Magmen sowie bei mechanischer Beanspruchung (z.B. durch tektonische Bewegung, Aufstieg von Magma, Faltung von Gesteinsschichten) bilden sich oftmals orientierte Risssysteme, die als Kluftscharen bezeichnet werden. Eine Kluft beschreibt folglich einen Riss bzw. Bruch in einem Gestein, der üblicherweise zahlreiche nahezu parallele Brüche aufweist. Zudem ist bei einer Kluft keine relative Verschiebung der Gesteinspakete zu beobachten, es kann jedoch durchaus zu einer Öffnung der Kluft kommen. Selbst geschlossene Klüfte ermöglichen einen Durchfluss von Fluiden (z.B. Wasser, Gas, Schmelze), je größer die Öffnung ist, desto schneller und intensiver kann allerdings eine Durchströmung stattfinden.
Abbildung 5: Horizontale Schichtung (A), Bruchstrukturen im Gestein aufgrund von tektonischer Beanspruchung (B), Alteration entlang der Klüftung (C).
In Abbildung 5 ist eine schematische Entwicklung eines Schichtpakets illustriert. Im Bild (A) sind die intakten Schichtpakete abgebildet, Bild (B) zeigt zwei Kluftscharen, die das Gestein in Kluftkörper zerlegen. Je nach Abstand der einzelnen Klüfte handelt es sich dabei um eine Zergliederung in Blöcke von mehreren Metern, bei intensiver Klüftung mit Abständen von wenigen Zentimetern bewirkt die Zerrüttung überwiegend splittrige Kluftkörper. Je kleiner der Abstand einzelner Klüfte ist, desto größer wird letztendlich die gesamte Oberfläche der Kluftkörper und desto stärker kann eine Reaktion der Fluide mit dem Gestein ausfallen.
Abbildung 6: Senkrechte Klüfte die sich zu den typischen hexagonalen Säulen eines abgekühlten Basaltes verschneiden.
Ein bekanntes Beispiel für Klüftung stellen Basaltsäulen dar. Bei der Abkühlung eines Basaltes kommen unter den richtigen Rahmenbedingungen hexagonale (sechseckige) Kluftsysteme zustande, im Profil sieht man wie in Abbildung 6 die senkrechten Klüfte, die einzelne Säulen abgrenzen.
Abbildung 7: Schräg stehende Kluftscharen im Bereich einer Intrusion.
Im Gegensatz zu den senkrechten Kluftscharen in Abbildung 6 sind die Klüfte in Abbildung 7 schräg orientiert. Am rechten Bildrand befindet sich eine Intrusion, die Klüfte zeigen in Ansätzen eine konzentrische Orientierung.
Auch hier zeigen die Bruchstrukturen keinen Versatz, also keine Verschiebung der einzelnen Blöcke, damit handelt es sich auch hier um Klüfte und nicht um Störungen.
Störung
Störungen stellen das aus mechanischer Sicht wohl interessanteste Trennflächensystem dar. Zusätzlich zu einem Bruch im Gestein, entlang dem sich Fluide bewegen können, kommt es auch zur Bewegung größerer Blöcke und zu einer horizontalen und/oder vertikalen Verschiebung. Diese Versätze können von wenigen Millimetern bis in den Kilometermaßstab reichen. So ermöglichen Störungen sowohl den Aufstieg von Fluiden aus größeren Tiefen, als auch die Hebung ursprünglich tief liegender geologischer Einheiten.
Abbildung 8: Profilansichten einer schematischen Bildung einer Störung.
In Abbildung 8 ist die Entwicklung einer Störung im Profil schematisch dargestellt, in Bild A ist das Schichtpaket noch ungestört. Bild B zeigt einen Bruch des Systems, in Bild C ist eine relative Verschiebung der einzelnen Blöcke skizziert. Entlang der Störung können sich Fluide bewegen, die bei Druckentlastung und Abkühlung relevante Mengen an Elementen ausfällen können. Schematisch sind Bereiche in rot markiert, wo diese Fluide im Kontaktbereich mit bestimmten geologischen Einheiten eine Anreicherung von wirtschaftlichem Interesse bewirken können. Durch die Hebung besteht zudem die Möglichkeit, die mineralisierten Bereiche in die Nähe der Oberfläche zu verlagern.
Abbildung 9: Schematische Kartenansicht zur Entwicklung eines Störungssystems.
Aber nicht nur in der vertikalen Entwicklung können Störungen ein relevanter Faktor für die Bildung von Lagerstätten sein, auch im horizontalen Verlauf können Störungen die Entstehung und Ausprägung von Lagerstätten beeinflussen. In Abbildung 9 Bild A ist die Kartenansicht eines theoretischen Gebietes dargestellt. Bild B zeigt eine NNW-SSE orientierte Störung in dem Gebiet, die roten Markierungen stellen mineralisierte Bereiche dar. Besonders am Schnittpunkt von geologischen Kontakten und der Störung sind höffige Gebiete, also Ziele für die Exploration vorhanden. Allgemein sind die mineralisierten Bereiche hier wie Perlen an einer Schnur aufgereiht, wie es auch in der Realität entlang größerer Störungen des öfteren zu beobachten ist (z.B. Carlin-Trend). Bild C zeigt zwei größere und eine kleine Störung mit WSW-ENE Orientierung. Auch hier treten perlschnurartig Mineralisationen auf. An Schnittpunkten von Störungen treten oftmals Mineralisationen auf, je nach Alter der einzelnen Störungen und dem Zeitpunkt der Mineralisation kann ein entsprechender Schnittpunkt auch die wichtigsten Ziele der Exploration darstellen. Ein weiterer Faktor, der bei Störungen zu berücksichtigen ist, ist die Verschiebung, die eine bestehende Lagerstätte zerteilen kann. So kann zum einen die Ausdehnung eines Vorkommens an der Störung abrupt enden, zum anderen kann im weiteren Verlauf der Störung ein weiterer Teil der Lagerstätte auf seine Entdeckung warten.
Abbildung 10: Störung im Marmor mit ca. 20 cm Versatz.
Ein Beispiel für eine kleine Störung ist in Abbildung 10 dargestellt. Mit der blauen Markierung sind zwei weiße Linsen im Marmor hervorgehoben, die rote Linie markiert die Störung.
Abbildung 11: Verschnitt von zwei Störungen mit jeweiligem Versatz von wenigen Zentimetern.
In Abbildung 12 sind zwei Störungen mit unterschiedlicher Orientierung abgebildet, die drei Feldspatgänge (zwei etwa vertikal, einer SW-NE orientiert) schneiden. Bewegungen entlang von Störungen finden durchaus in drei Dimensionen statt, eine detaillierte Betrachtung und Interpretation von Aufschlüssen ist erforderlich, um durch Anschnitteffekte (also scheinbare Strukturen einer willkürlichen Schnittebene) nicht getäuscht zu werden.
Die in den Abbildungen 10 und 11 gezeigten Störungen sind mit Versätzen von wenigen Zentimetern sehr klein. Große Störungssysteme können mehrere Kilometer tief in die Erde reichen sowie bis zu 100 Kilometer und mehr an Ausdehnung erreichen und damit ganze Lagerstättendistrikte prägen.
Die Kenntnis von Schichtung, Klüftung und von vorhandenen Störungssystemen erlaubt im Rahmen der Exploration sowohl ein besseres Verständnis der Entstehung der Mineralisation als auch der Geometrie und Ausdehnung der Vorkommen. Dieses Wissen wird benötigt, um Bohrungen richtig zu platzieren und zu orientieren, um möglichst die wahre Mächtigkeit der mineralisierten Bereiche zu erfassen.
Trennflächensysteme stellen somit sowohl einen relevanten und wichtigen Baustein in der Entstehung einer Lagerstätte, als auch in der Erkundung dieser Vorkommen dar. Am Ende ist dieser Baustein jedoch nur ein weiterer Teil des Mosaiks, das das komplexe System der Lagerstätte darstellt.
