5 Geologische Beschreibung des verwendeten Probenmaterials

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1 5 Geologische Beschreibung des verwendeten Probenmaterials Veränderlich feste Tonsteine kommen in unterschiedlichen stratigraphischen Positionen vor. Wegen ihrer flächenhaften Verbreitung haben für ingenieurgeologische Fragestellungen die Tonsteine des Oberen Buntsandsteins (Röt) und des Lias und Dogger eine besondere Bedeutung (Abbildung 1), weshalb sich diese Arbeit in erster Linie Röt-Tonsteinen sowie dem Opalinuston widmet. Um bestimmte experimentelle Einflüsse, z.b. in direkten Scherversuchen, zu testen, wurde zusätzlich ein im Wesentlichen aus Kaolin bestehender tertiärer Ton verwendet. Abbildung 11 Lage der Probenahmepunkte im Röt: A) Thüringer Becken 1: Deuna, 2:Spielberg, 3: Karsdorf, 4: Angersdorf, 5: Eisenberg, B) Süddeutschland 6: Dietenhahn, 7: Wüstenzell, 8: Wiesenfeld, und Dogger: 9: Essingen (Opalinuston). 24

2 5.1 Geologie und Petrographie der Röt-Tonsteine Es wurden Röt-Tone aus einer vergleichbaren stratigraphischen Position in verschiedenen Verwitterungszuständen von verschiedenen Lokalitäten im Thüringer Becken und dem Raum Würzburg untersucht (siehe Abbildung 11). Die untersuchten Röt-Proben stammen aus Aufschlüssen bei Spielberg in der Querfurter Mulde, aus Eisenberg nahe dem Hermsdorfer Kreuz der Bundesautobahnen A14 und A9, aus Deuna (Tongrube Zementwerk, Abbildung 15) in den Bleicheröder Bergen und aus Angersdorf bei Halle (Baugrube Feuerwehrhaus 2001) sowie aus Steinbrüchen in Dietenhahn (Fa. Frank Zeller), Wüstenzell (Fa. Hoffmann) und Wiesenfeld (Tongrube Bayrische Ziegelunion) westlich von Würzburg. Das Röt besteht aus einer Wechsellagerung litoraler, fluviatiler und limnischer Sedimente (HOPPE & SEIDEL 1974) und ist im Bereich der Eichsfeld-Schwelle, dem Ostthüringischen Randgebiet und Thüringer Senke zwischen 105 und 185 m mächtig. Die Unterteilung erfolgt nach SEIDEL 1965 in das Salinarröt, das Pelitröt und die Myophorienfolge (Abbildung 12). Im oberen Buntsandstein war die marine Verbindung im NW unterbrochen und es gab erstmals eine Verbindung zur Tethys. Während im Westen die salinaren Folgen dominierten, nahm der marine Einfluss und mit ihm die Ablagerung von Karbonaten nach Osten hin zu (BEUTLER & SZULC 1999). Die Röt-Tone wurden vor etwa 250 bis 240 Ma abgelagert, es folgte im Thüringer Becken eine mehr oder weniger kontinuierliche Sedimentabfolge bis in den Lias, so dass von einer maximalen Überlagerung von ca. 870 m als lithostatischer Druck auszugehen ist (Abbildung 14). Ab dem Dogger setzte im Thüringer Becken eine intensivere Erosion und damit eine allmähliche Entlastung der Röt-Tone ein, welche sich in der Zeit von Kreide und Paläogen vermutlich schon an der Oberfläche, bzw. etwa in ihrer rezenten Tiefenlage befanden. Lokal wurden im Verlauf des Tertiärs geringmächtige Sedimente abgelagert. Von der pleistozänen Eisbedeckung war nur der äußerste NE des betrachteten Ablagerungsgebietes betroffen. Von einem bedeutenden konsolidierenden Einfluss der Eislast ist jedoch angesichts der vormaligen hohen Überlagerungsmächtigkeit der Sedimentfolge nicht auszugehen. Die Sedimente des Röts bestehen aus grauen, rotbraunen bis violett gefärbten Ton- Mergelsteinen mit Einlagerungen von Sandstein, Dolomit und bis 10 m mächtigen Knollenund Fasergipsbänken (PUFF 1963). Vor allem im Salinarröt sind mächtige Gipse zu finden (Basisgipse). Auch im Pelitröt sind geringer mächtige Knollen- und Fasergipslagen enthalten (MORGENEYER 1963, SEIDEL 1992). Die Rötgipse sind wegen der Gipslagen subrosionsanfällig, so dass es durch Auslaugungsprozesse lokal zu Massendefiziten kommen kann. In dessen Folge entstehen zum einen atektonische Schichtdeformationen, die bis in den Wellenkalk reichen können. Zum anderen sind deshalb Erdfälle im Verbreitungsgebiet des Röts häufig zu finden. Die Tonsteine sind meist mit Kluftabständen < 0,1 m engständig geklüftet (WENZEL 1991). Die Klüfte sind oft horizontspezifisch und nur wenige Zentimeter lang ausgebildet. Die Röt-Tone haben einen Korngrößenanteil < 2 µm von 15 bis 75 % und einen Anteil < 0,7 µm von 9 bis 25 %. Die Kornverteilungskurven der unterschiedlich verwitterten Materialien und verschiedener Aufschlüsse verlaufen annähernd parallel. Proben des dekonsolidierten Typs 4 wiesen häufig einen geringfügig höheren Schluffanteil auf. Als Tonmineralbestandteile sind nach HOPPE & SEIDEL 1974 Illit und Glimmer vorhanden. Nach LIPPMANN 1956 und BRUNHOFF 1983 sowie BACKHAUS 1981 ist Corrensit (Wechsellagerung aus Chlorit und Smektit bzw. Chlorit und Vermiculit) für das Rötmeer charakteristisch. Wie sich in eigenen qualitativen mineralogischen Untersuchungen zeigte, wird der Tonmineralbestand in allen vier Typen deutlich von Illit dominiert, als Nichttonminerale sind Quarz und Feldspat zu finden. Haupttonmineral ist Illit mit Anteilen zwischen 87 und 89 % in der Ton- und 81 bis 83 % in der Schluffkornfraktion, daneben kommen zwischen 9 und 11 % (bzw % in der Schluffkornfraktion) Kaolinit und untergeordnet mit 2 bis 4 % ein nicht quellfähiges mixed-layer-tonmineral vor, welches ohne weitere mineralogische Untersuchungen nicht näher zu spezifisieren war (siehe Kapitel 25

3 7.12). Im Rahmen der Genauigkeit der verwendeten Methode zur quantitativen Bestimmung mittels Peakflächen und Massenschwächungskoeffizienten sind somit keine Unterschiede in der tonmineralogischen Zusammensetzung festzustellen. Qualitative tonmineralogische Untersuchungen im Pelitröt eines Massenverlagerungsgebietes am Dün (südöstlich der Ortschaft Leinefelde, BEYER 2002) zeigten Quarz, Dolomit, Illit, Montmorillonit, Corrensit und Kaolin als mineralische Bestandteile. Zu ähnlichen Feststellungen kommen BÜHMANN & RAMBOW 1979 sowie WENZEL Abbildung 12 Stratigraphisches Profil des Röts nach Seidel (1965). 5.2 Geologie und Petrographie des Opalinustons Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Opalinuston-Proben wurden in der Tongrube der Trost-Ziegelwerke Essingen bei Aalen (Abbildung 11 und Abbildung 16) gewonnen. Abbildung 13 Stratigraphisches Profil des Jura an der Grenze zwischen Schwarzem und Braunem Jura nach Dt. Stratigraphische Kommission (2002). Der Opalinuston besteht aus einer 90 bis 110 m mächtigen monotonen Schichtenfolge aus dunklen, zum Teil schiefrigen Tonen und Tonmergeln. Der Braune Jura ist durch Zunahme des Sand- und Kalkgehalts, von Schwefelkies- und Mergelkalk-Konkretionen nach oben hin gekennzeichnet (Abbildung 13). Der Name Opalinuston beruht auf dem im Liegenden des Dogger leitenden Ammoniten Leioceras opalinum. Durch Verwitterung des relativ harten klüftigen feinschichtigen dunkelgrauen Tonsteins erfolgt die Zunahme der Klüftigkeit. In Oberflächennähe ist eine Plastifizierung mit ockerbrauner bindiger Litho-Relikte enthaltender Bodenbildung zu beobachten. 26

4 Die Sedimente des Dogger α erreichten maximal eine Sedimentüberdeckung von etwa 400 m, was einer Überlagerungsspannung von 4-8 MPa entspricht (Abbildung 14). Es erfolgte eine kontinuierliche Sedimentation vom braunen Jura an bis in den Oberjura, dann begann langsam die Verlandung. Das heißt während Kreide und Tertiär setzte eine andauernde durch festländische Verwitterung geprägte Periode ein, die nur auf der Ostalb im Eozän und Pliozän teilweise durch alpine Schüttungen von Sanden unterbrochen wurde. Abbildung 14 Versenkungspfade der Röt-Tone im Thüringer Becken und dem Opalinuston der Ostalb (schematisiert). Die untersuchten Proben hatten einen Anteil von 28 bis 35 % < 2 µm und enthielten im dispergierten Zustand Partikel > 63 µm in verschwindend geringen Anteilen. Der Kalkgehalt liegt in der Regel zwischen 2,9 und 9,5 %. Im nahezu unverwitterten bergfrischen Zustand sind natürliche Wassergehalte von 6 bis 8 % üblich. Als Hauptgemengteile beschrieb MERKLEIN-LEMPP (1985) analog zu HENKE & HILLER (1985) Illit, Kaolinit und Chlorit und als Nebengemengteile Quarz sowie eine quellfähige Wechsellagerung aus Illit und Montmorillonit, die letztere nicht nachweisen konnten. Mineralogische Verwitterungserscheinungen sind die Abnahme des Kalkgehaltes mit zunehmender Verwitterung, die Zunahme des Chloritanteils sowie die Oxidation von feinverteiltem Pyrit einhergehend mit der Erhöhung der Kationenaustauschkapazität mit zunehmender Verwitterung (HENKE & HILLER 1985). Nach eigenen Untersuchungen dominiert Illit mit 70 bis 80 % den Tonmineralbestand (siehe Kapitel 7.11), daneben kommt Kaolinit vor. Chlorit konnte nicht nachgewiesen werden. Der Opalinuston enthält fein verteilten Gips. 5.3 Geologie und Petrographie des tertiären Tons Der aufgrund seiner Homogenität mit klassisch bodenmechanischen Methoden untersuchbare mittelplastische Ton stammt aus einer auflässigen Tongrube im eozänen Kapselton am NW-Rand von Halle / Saale. Das Alter des Kaolins beträgt etwa 50 Mio. Jahre (KRIEBEL & MARTIKLOS 1995). Es handelt sich um Verwitterungsmaterial des Halleschen Rhyoliths, der durch das zu Beginn des Tertiärs feuchtwarme Klima tiefgründig kaolinitisiert wurde. Nördlich von Halle setzen die Sedimente des Tertiärs im höheren Eozän über dem kaolinitischen Kapselton mit klastischer Sedimentation und dem zwischengelagerten Halleschen Unterflöz in schwankender Mächtigkeit von 0 bis 9 m ein. Nach einer Schichtlücke folgen im Oligozän die Stubensande mit dem Halleschen Oberflöz. Im Mitteloligozän erfolgte die Transgression des Rupeltonmeeres mit geringmächtigen Sandschüttungen an der Basis und einer zwischen 0 und 15 m mächtigen Tonfolge (BLUMENSTENGEL & KRIEBEL 1995). Ob das maximal 340 m mächtige Schichtenprofil von 27

5 Geologische Beschreibung des verwendeten Probenmaterials Eozän, Oligozän und Quartär über dem Kapselton an dieser Stelle vollständig ausgebildet war, d.h. die tatsächliche Mächtigkeit der Lockersedimentsüberdeckung, ist nicht bekannt. Durch die Eisbedeckung während der quartären Vereisung unterliegt das Material zusätzlich einer geringen Überkonsolidation. Der Mineralbestand wird von Kaolinit dominiert. Es handelt sich um einen schluffigen Ton mit hellgrauer bzw. im trockenen Zustand weißer Farbe. Das Material hat bei einer Korngrößenanalyse mit dem Lasergranulometer einen Anteil von 25 % mit einem Durchmesser < 2 µm. Der Hauptteil der Kornverteilungskurve liegt im Feinschluffbereich. Der mittlere Korndurchmesser ist 4,4 µm und 90 % der Partikel sind < 15,2 µm. Teilweise sind Quarz und Feldspäte als Sand-Nebengemengteil vorhanden. Bei Austrocknung bildet sich ein unregelmäßiges Trennflächengefüge aus, welches an die Bröckchenbildung der Tonsteine erinnert (Abbildung 7). Abbildung 15 Tongrube des Zementwerkes Deuna. Abbildung 16 Auflässige Tongrube der Trost-Ziegelwerke in Essingen. 28