14 FORSCHUNG Im Sonnenbrenner-Basalt-Tagebau (A) ist dieser mit Werten bis zu 3 % geringer. In keinem der Tagebaue kann ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Glühverlust und der magnetischen Suszeptibilität festgestellt werden. Der Glykol- und der Methylenblau- Test weisen im Sonnenbrenner-Basalt- Steinbruch (B) und im Alkali-Basalt- Steinbruch einen wesentlichen Zerfall bzw. einen höheren Anteil an Tonmineralen für Proben mit höherer magnetischer Suszeptibilität und LOI nach. Der Langzeitverwitterungstest weist für den Alkali-Basalt-Tagebau und den Sonnenbrenner-Basalt-Tagebau (B) einen zeitabhängigen Gefügeverlust für die Proben nach, die höhere magnetische Suszeptibilität aufweisen. Proben mit einer geringen magnetischen Suszeptibilität sind nach dem Testzeitraum weiterhin intakt, wohingegen die Proben mit einer hohen Suszeptibilität Verwitterungserscheinungen wie Risse aufweisen und teilweise sogar komplett zu feinen Körnungen zerfallen sind. Im Foto auf dieser Seite unten ist das Ergebnis des Langzeitverwitterungstest, nach zwölf Monaten für Sonnenbrenner-Basalt (B) dargestellt. Der Langzeitverwitterungstest weist im Sonnenbrenner-Basalt-Tagebau (A) keinen Zusammenhang zwischen Gefügebeständigkeit und magnetischer Suszeptibilität nach. Das Gestein im Alkali-Basalt-Tagebau ist ein effusiv geförderter Alkali-Basalt, dessen abgelagerte Schlackedecken verschiedene Grade hydrothermaler Alteration aufweisen. Die hydrothermale Alteration ist makroskopisch und mikroskopisch am Zersetzungsgrad der Matrix-stützenden Minerale und an der Alteration von Foiden zu Zeolith-Mineralen feststellbar. Durch höhere Grade hydrothermaler Alteration steigt der Anteil an Zeolith-Mineralen im Gestein. Die hydrothermale Alterationsbedingungen sind nach Smith et al. (2017) [2] als propylitisch für alkalische Gesteine zu definieren. In diesem Zusammenhang kann auch Magnetit stabil bleiben bzw. neu gebildet werden. Ein höherer Alterationsgrad bedeutet hier also mehr Magnetit, aber auch mehr Zeolith-Bildung und höhere Grade der Mineralzersetzung. Die unterschiedlichen Grade hydrothermaler Alteration und der damit zusammenhängenden Zersetzung des Gesteins durch die Zerstörung der strukturerhaltenden Minerale und der Neubildung von quellfähigen Mineralen stehen mit der magnetischen Suszeptibilität in keinem linearen bzw. proportionalen Zusammenhang. Dennoch lässt sich feststellen, dass die magnetische Suszeptibilität des Gesteins mit zunehmender Alteration steigt. Dieses Phänomen steht im Widerspruch zu der in der Arbeitshypothese getätigten Aussage, dass bei zunehmender Alteration und Hang zum Gefügeverlust die magnetische Suszeptibilität das Gesteines abnimmt. Dennoch lässt sich, aufgrund der besonderen Art der vorliegenden Alteration, durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität eine Einschätzung über den Hang zum Gefügeverlust treffen, nur dass in diesem Fall eine höhere magnetische Suszeptibilität für eine fortgeschrittene Alteration steht. Das Gestein im Sonnenbrenner-Basalt-Tagebau (B) ist ein Nephelin-haltiger Alkali-Basalt bzw. phonolithischer Basanit. Geringe SiO 2 -Gehalte und relativ hohe Alkaligehalte im Gestein sind verantwortlich für die Bildung von Feldspatvertretern (Nephelin). Infolgedessen kommt es durch die Aufnahme von Wasser zur Umwandlung von Nephelin in Analcim (Mineral der Zeolith-Gruppe) und zu einer Volumenausdehnung von bis zu 5%. Das Gestein kann infolge dessen aufplatzen und zu Basaltgrus zerfallen. Dieser Zerfall wird als Sonnenbrennereffekt bezeichnet. Das Gestein enthält neben Nephelin auch Analcim. Analcim liegt als Umwandlungsprodukt des Nephelins neben stabilem und nicht alteriertem Magnetit vor. Hydrothermale propylitische Alterationsbedingungen haben die Alteration von Nephelin zu Analcim verursacht. Aufgrund der speziellen Gesteinschemie wurde dabei Magnetit neu gebildet. Aus diesem Grund kann Gestein in diesem Tagebau alteriert sein und keinen Hämatit beinhalten. Für den Sonnenbrenner-Basalt-Tagebau (A) ergibt sich folgender Befund: Im Gestein sind Foide (Nephelin) enthalten, welche durch die Aufnahme von Wasser zu Mineralen der Zeolith-Gruppe unter einer Volumenzunahme von bis zu 5 % alterieren. Dabei wird Nephelin in Analcim umgewandelt. Aus der Volumenzunahme resultiert dabei ein Gefügeverlust. Dieser Prozess wird in der Fachliteratur als Sonnenbrand bezeichnet (Kühnel et al. 1994) [3]. Es ist festzustellen, dass Magnetit bei allen untersuchten Proben nicht alteriert vorliegt. Des Weiteren lässt sich keine Alteration von Feldspat- oder Muskovit erkennen, welche eine Umwandlung von Magnetit zu Hämatit zur Folge haben kann. Da keine der Proben signifikante Spuren einer hydrothermalen Alteration aufweist, ist davon auszugehen, dass die Gesteine nicht hydrothermal alteriert LANGZEITVERWITTERUNGSTEST nach zwölf Monaten für Sonnenbrenner-Basalt (B).
FORSCHUNG 15 Literaturverzeichnis [1] A. Tayebi, Development of a new method for aggregate quality control in civil engineering applications, Clausthal-Zellerfeld: Papierflieger Verlag, 2015. [2] D. J. Smith, J. Naden und G. R. T. Jenkin, „Hydrothermal alteration and fluid pH in alkaline-hosted epithermal systems“, Ore Geology Reviews, pp. 772–779, 2017. [3] R. Kühnel, S. V. d. Gaast und J. Brych, „The role of clay minerals in durability of rocks observations on basaltic rocks“, in Applied Clay Science 9, 1994, p. 225–237. sind, obwohl ein Gefügeverlust auftritt. Die Petrografie weist keinen Zusammenhang zwischen einer Alteration und dem Zerfall von Magnetit nach. Die Geochemie weist hydrothermale propylitische Alterationsbedingungen nach, welche die Alteration von Nephelin zu Analcim verursacht haben. Aufgrund der speziellen Gesteinschemie kann es dabei zur Neubildung von Magnetit kommen (wie auch im Sonnenbrenner-Basalt-Tagebau (B) und Alkali-Basalt-Tagebau). Aus diesem Grund kann Gestein in diesem Tagebau alteriert sein und keinen Hämatit beinhalten. Dies lässt sich aber nicht eindeutig anhand der Messwerte der magnetischen Suszeptibilität festmachen. Daher ist das Prüfverfahren für den Sonnenbrenner-Basalt-Tagebau (A) nicht geeignet. Zusammenfassung des Vorhabens Das zweijährige Forschungsprojekt wurde mit der Zielsetzung durchgeführt, ein neues Verfahren zur Bestimmung der Gefügebeständigkeit magmatischer Natursteinprodukte zu entwickeln. Basierend auf einer Arbeitshypothese, welche auf wissenschaftlicher Grundlage des geochemischen Phänomens der Alteration aufgestellt wurde, sind über 9000 Versuche an zehn verschiedenen magmatischen Gesteinen durchgeführt worden. Die Untersuchungen umfassen neben der Begehung und strukturgeologischen Bewertung der Tagebaue eine gezielte Probennahme sowie mikroskopische und geochemische Analysen. Basierend auf der Grundlage der geochemischen Veränderungen von Gesteinen infolge von Alterationsprozessen wurden die Proben hinsichtlich ihrer Verteilung der magnetischen Suszeptibilität und des Anteils an flüchtigen Bestandteilen untersucht. Diese Indikatoren lassen sich recht einfach messen. Insbesondere die Messung der magnetischen Suszeptibilität ist mit einem tragbaren Messgerät sowohl im Feld als auch im Labor möglich. Die Messung dieser Indikatoren am Bohrmehl von Sprengbohrungen erlaubt die Erfassung der Gesteinsqualität noch vor der Gewinnung und Aufbereitung. Somit ist das Verfahren für Untersuchungen der gesamten Produktion im Vorfeld repräsentativ anwendbar. Von den untersuchten magmatischen Gesteinen waren lediglich andesitische Basalte, Trachyt-Andesit, Diabas und phonolithische Basanite mit der Problematik des Zerfalls nach einem zweijährigen Witterungstest im Freien behaftet. Diese Gesteine wurden basierend auf den Untersuchungsergebnissen wie beschrieben in zwei Gruppen unterteilt. Die Alterationsprozesse bei allen untersuchten Proben der Gruppe 1 (andesitische Basalte, Trachyt-Andesit und Diabas) können als chloritisch bis serizitisch bezeichnet werden. Bei diesen tritt einerseits eine Martitisierung der Magnetit- Komponente und eine Serizitisierung bis Chloritisierung der Feldspäte/Plagioklase auf. Es kommt zur Abnahme der magnetischen Suszeptibilität durch die Reduzierung des Magnetitanteils und zur Zunahme von Tonmineralen im Zuge der Serizitisierung bzw. Chloritisierung. Diese bewirkt die Abnahme der Gefügefestigkeit. Das Prüfverfahren mittels Messung der magnetischen Suszeptibilität des Bohrmehls ist folglich für diese Betriebe zur Online-Qualitätsüberwachung geeignet. Die Alterationsprozesse in allen untersuchten Tagebauen der Gruppe 2 (Alkali-Basalt und phonolithische Basanite) können als propylitisch bezeichnet werden. Bei diesen Alterationsprozessen kann es zur Neubildung von Magnetit kommen, obwohl zur gleichen Zeit Tonminerale (Nephelin, Zeolithe), die für den Gefügeverlust verantwortlich sind, gebildet werden. Die Neubildung von Magnetit bei einer Abnahme der Gefügefestigkeit lässt sich für den Alkali- Basalt anhand der Labortests bestätigen. Im Sonnenbrenner-Basalt-Tagebau war kein Zusammenhang zwischen der magnetischen Suszeptibilität und der Gefügebeständigkeit erkennbar. Die petrografischen Untersuchungen weisen hier nach, dass Magnetit bei der Alteration intakt bleibt und sogar neu gebildet werden kann. Die Neubildung von Magnetit durch Alterationsprozesse kann durch die petrografischen Untersuchungen für den Alkali-Basalt nachgewiesen werden. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass in Betrieben, in denen Alkali-Basalte oder phonolithische Basanite abgebaut werden, das Prüfverfahren mittels Messung der magnetischen Suszeptibilität am Bohrmehl begrenzt Anwendung finden kann. Im Widerspruch zur Arbeitshypothese kann es während der Alteration zur Neubildung von Magnetit kommen, welche sich in einer erhöhten magnetischen Suszeptibilität bemerkbar macht. Für die praktische Anwendung des Verfahrens wird empfohlen, die Messung der magnetischen Suszeptibilität am Bohrmehl für die Qualitätsbestimmung von Gesteinen der Gruppe 1 erst nach einer Kalibration unter Verwendung der Verteilung der Werte der magnetischen Suszeptibilität und deren Korrelation mit dem Wert der flüchtigen Bestandteile zu verwenden. Da sich die Art der Alteration mit dem Gewinnungsfortschritt verändern kann, sollte von Zeit zu Zeit die Korrelation zwischen LOI und magnetischer Suszeptibilität überprüft werden. Für Gesteine der Gruppe 2 kann die Messung des Anteils an flüchtigen Bestandteilen hilfreich sein. Auch in diesem Fall ist zunächst die statistische Verteilung der Werte innerhalb des Aufschlusses zu ermitteln. Ein Beitrag von Prof. Dr.-Ing. habil. Hossein Tudeshki; Prof. Dr. rer. nat. habil. Bernd Lehmann; Msc. Constantin Weigel; Msc. Kai-Christopher Vogler und Msc. Alexander Ploch, Technische Universität Clausthal www.bergbau.tu-clausthal.de www.ielf.tu-clausthal.de 3 | 2020 GESTEINS Perspektiven
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