Geologische Aspekte der lufterfüllten Verwahrung des ... - ercosplan

Geologische Aspekte der lufterfüllten Verwahrung des
Kalisalzbergwerkes Roßleben
Das Bergwerk Roßleben hat nach einer Betriebszeit
von 86 Jahren Ende 1991 die Kalisalzförderung endgültig
eingestellt. In dieser Zeit wurden etwa 109 Mio.
t Rohsalze gefördert und ein untertägiger Hohlraum
von etwa 50 Mio. m³ geschaffen, von dem zum Zeitpunkt
der Betriebseinstellung noch etwa 30 Mio. m³
unversetzt und lufterfüllt waren.
In den vergangenen Jahrzehnten gehörte das Bergwerk
Roßleben zu den wichtigsten Kalisalzbergwerken in
Mitteldeutschland. Gegenstand des Bergbaues war das
Kaliflöz Staßfurt an der Nordostflanke des Roßlebener
"Sattels". Die ausgedehnten Vorräte von Hartsalz mit
hohen Sulfatanteil bei gleichzeitig relativ einfachen Lagerungsbedingungen
boten hinreichende Ressourcen
für eine langfristige Perspektive der Produktion von
Kalidüngemitteln. Ausgehend von der veränderten
ökonomischen Situation nach der deutschen Wiedervereinigung
war eine Weiterführung der Produktion am
Standort Roßleben unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten
nicht mehr möglich, was die Stillegung der
Bergwerksanlagen nach sich zog.
Im Zusammenhang mit der Stillegung war es entsprechend
den Regelungen im Bundesberggesetz (BBergG)
erforderlich, unter Beachtung der standortspezifischen
Randbedingungen Konzepte für die Verwahrung des
Grubengebäudes zu entwickeln. Diese, verschiedene
Fachdisziplinen einschließende Aufgabe wurde von der
Gesellschaft zur Verwahrung und Verwertung von
stillgelegten Bergwerksbetrieben mbH (GVV) in Kooperation
mit einem interdisziplinär zusammengesetzten
Gutachtergremium unter der Leitung von Prof.
Dr. Natau federführend durch das Unternehmen
ERCOSPLAN Ingenieurgesellschaft Geotechnik und
Bergbau mbH bearbeitet. Nachfolgend sollen - dem
Anliegen der Tagungsveranstaltung Rechnung tragend
- aus dem Gesamtkomplex der damit verbundenen geowissenschaftlichen
und ingenieurtechnischen Untersuchungsarbeiten
ausgewählte geologische Gesichtspunkte
im Hinblick auf die lufterfüllte Verwahrung des
Bergwerkes Roßleben dargestellt werden.
HANS BURRHEE & HENRY RAUCHE
1 Regionalgeologischer Rahmen
Das Grubenfeld des Bergwerkes Roßleben liegt im Bereich
der Hermundurischen Scholle, die in diesem Abschnitt
eine Breite von ca. 12 km aufweist und hier --
in bezug auf die Strukturbildung irreführend -- auch als
Roßlebener "Sattel" bezeichnet wird (Abb. 1). Diese
schmale, NW-streichende Horststruktur wird maßgeblich
von zwei Bruchstörungen, der Kyffhäuser-Nordrandstörung
und der Finne-Störung beeinflußt. Beide
sind NW-SE orientiert und bauen im regionalen Maßstab
ein vom Nordrand des Thüringisch-Vogtländischen
Schiefergebirges bis in den Bereich der Leinetalgräben
in Niedersachen verfolgbares Störungssystem,
die Finne-Gera-Jachymov-Störungszone auf.
Dem allgemeinen Trend am NE-Rand des Thüringer
Beckens folgend, ist die permotriadische Schichtenfolge
der Bottendorfer Höhe zwischen der Kyffhäuser-
Nordrandstörung und der Finne-Störung asymmetrisch
verkippt. Analog zur tektonischen Situation am nur
wenige Kilometer nordwestlich gelegenem und besser
aufgeschlossenem Kyffhäuser, sind die größeren Dislokationsbeträge
am NE-Rand der Scholle akkumuliert.
Am Kyffhäuser selbst werden diese Versatzbeträge
ebenso wie auch an der Nordflanke der Bottendorfer
Höhe nicht durch einzelne Störungen mit großen
Bewegungsamplituden, sondern durch eine
Schollentreppe realisiert. Die Folge dieser im Zeitraum
spätes Mesozoikum bis frühes Känozoikum
abgelaufenen Verformungsprozesse sind unterschiedliche
Schichtneigungen, die eine insgesamt
flachwellige, aber deutlich asymmetrische Aufsattelung
der salinaren und postsalinaren Schichtenfolge, den
sog. Roßlebener "Sattel" aufzeichnen.
Über permosilesischen Molassesedimenten lagert eine
mehrere Hundert Meter mächtige salinare Schichtenfolge,
die Evaporite und Tonsteine der Werra-,
Staßfurt-, Leine- und Aller-Folge sowie pelitische
Gesteine der höheren Zechsteinfolgen einschließt. An
der NE-Flanke des Roßlebener "Sattels" werden die
Zechsteinfolgen von Mittleren und teilweise auch
Oberen Buntsandstein bedeckt.
1

Sondershausen
Flexur
Kyffhäuser
Abb. 1: Tektonische Übersichtskarte, modifiziert nach FRANZKE, RAUCHE & HEISE (1986)
Mit zunehmender Annäherung an die im Zentralteil der
Hermundurischen Scholle am stärksten herausgehobenen
Teile, dem sog. "Scheitelbereich" des Roßlebener
"Sattels" fehlen die Steinsalzhorizonte in Folge
von Subrosion und der Obere sowie in weiten Teilen
auch der Mittlere Buntsandstein als Folge von Erosion.
2 Bau und Nutzung der
Lagerstätte
Schillingstedter
Mulde
Nadelharnische
Störungsbezogene
Faltenachsen
Söhlige Faltenachsen
ohne Störungsbezug
Geneigte Faltenachsen
ohne Störungsbezug
Kompressionsrichtung
Extensionsrichtung
Bewegungslineare auf Schichtflächen
(0-40° Neigung)
Bewegungslineare auf Schichtflächen
(41-90° Neigung)
Bewegungslineare auf Störungsflächen
0 10 km
Hermundurische Scholle
Finne -
Struktur
Burgwenden
Abgebaut wurden Teile des Kaliflözes „Staßfurt“, das
hier in Mächtigkeiten von wenigen m bis ca. 45 m
ausgebildet ist. Es lagert über dem bis zu ca. 700 m
mächtigem Staßfurtsteinsalz, das eine wirkungsvolle
liegende Barriere bildet. Das Kaliflöz wird von einem
zwischen 0,5 und ca. 2 m mächtigen Deckhalitit überlagert.
Darüber lagern Anhydritgesteine (Deckanhydrit)
und undurchlässige Tonsteine, der Oberer Staßfurt-
Ton, der Leine-Ton (Grauer Salzton), die insgesamt
Mächtigkeiten zwischen ca. 3 m und ca. 27 m aufweisen.
Das Leine-Karbonat (Plattendolomit) wurde in
Mächtigkeiten zwischen ca. 1,5 und ca. 25 m erbohrt.
Über dem Leine-Karbonat folgt der salzlösungsfüh-
Rastenberg
Ilmtal-Graben
Bottendorfer
Höhe
Bergwerk Roßleben
Eckartsberga
Apoldaer
Störungszone
Jena
Querfurter Mulde
Naumburger
Mulde
Camburg
Freyburg
N
Naumburg
rende Hauptanhydrit, der im Umfeld des Bergwerkes
Roßleben in Mächtigkeiten zwischen ca. 7 m und ca.
70 m nachgewiesen ist. Er wird von ca. 28 m bis ca. 62
m mächtigem Leine-Steinsalz überlagert. Die Aller-
Folge ist zwischen ca. 7 und ca. 55 m mächtig, wobei
das Aller-Steinsalz in Mächtigkeiten zwischen ca. 3
und ca. 20 m auftritt. Die höheren Zechsteinfolgen
(Friesland-Folge, Ohre-Folge; Obere Zechsteinletten)
sind pelitisch ausgebildet und gehen + kontinuierlich in
den Unteren Buntsandstein über.
Bedingt durch die tektonische Position an der NE-
Flanke der Hermundurischen Scholle, fällt die Schichtenfolge
und die darin eingebettete Lagerstätte im Bereich
der oberen Sohlen mit etwa 10° nach NE ein. Mit
zunehmender Entfernung vom „Scheitelbereich“ verflacht
das Einfallen in Richtung auf die Querfurter
Mulde. An den störungsbegrenzten Flanken der Hermundurischen
Scholle ist die frei zirkulierende Grundwasserführung
des Deckgebirges auf die klastischen
Gesteine des Unteren und Mittleren Buntsandsteins
beschränkt. In Richtung auf den Zentralteil des
Roßlebener "Sattels werden vom Erosionsniveau
immer tiefere stratigraphische Horizonte angeschnitten
und durch die dort mögliche Wasserzirkulation von der
Subrosion erfaßt. In dem am stärksten heraus-

gehobenen Gebiet südwestlich des Grubenfeldes
erreicht die Subrosion das stratigraphische Niveau des
Staßfurt-Steinsalz.
Die zum Teil erheblich schwankenden Mächtigkeiten
sind das Resultat primärer Sedimentationsunterschiede,
die zusätzlich durch die Subrosion überprägt wurden.
Die hangende Barriere wird von den Steinsalzschichten
und Tonsteinen der Zechsteinfolgen und den Tonsteinen
des darüber lagernden Unteren Buntsandstein
aufgebaut. In Subrosionsgebieten sind das Aller- und
das Leine-Steinsalz in ihrer Mächtigkeit reduziert, zum
Teil vollständig durch Auslaugungsrückstände ersetzt.
Vorwiegend wurde ein polyhalitisches bzw. langbeinitisches
Hartsalz gewonnen. Der Abbau von Carnallitit
erfolgte nur in sehr geringem Umfang. Insgesamt sind
im Bergwerk Roßleben 109,2 Mio. t Rohsalz gewonnen
und gefördert worden. Etwa 10 % dieser Masse
entfällt auf das ehemals selbständige Bergwerk
Georg/Unstrut. In den benachbarten Feldern Bad Bibra
und Steigra lagern noch erhebliche Rohsalzvorräte, die
sowohl vom K2O-Gehalt her als auch wegen der hohen
Sulfatanteile eine wertvolle Rohstoffbasis darstellen.
Zum Bergwerk Roßleben gehören die Schächte
Roßleben I, Roßleben II (Wendelstein), Georg und
Unstrut, wobei die beiden letztgenannten zum
ursprünglich selbständigen Grubenbetrieb Wangen
gehörten. Die Grubenfelder Orlas/Nebra (südlich des
Grubenfeldes Georg/Unstrut) bzw. Thüringen (westlich
des Grubenfeldes Roßleben) wurden durch die
Schächte Orlas, Nebra, Thüringen I und Thüringen II
aufgeschlossen. Von den 4 Schächten im Bergwerk
Roßleben war (seit 1966) der Schacht Roßleben I der
einzige Förderschacht und der Schacht Roßleben II
(Wendelstein) mit Großgestell als Materialschacht
ausgerüstet. Die Schächte Georg und Unstrut wurden
in den letzten Produktionsjahren im wesentlichen nur
noch als Wetter- und Seilfahrtschächte genutzt.
Auf den oberen, "steileren" Sohlen wurde bis in die
20er Jahre schwebender Etagenkammerbau mit
Abbaulängen bis ca. 200 m betrieben. Bedingt durch
den Einsatz von Schrappern als Fördermittel war der
Langkammerabbau bis etwa 1967 auf beiden damals
noch selbständigen Bergwerken die bevorzugte
Gewinnungstechnologie. Mit der Einführung von
Großgeräten im Bergwerk Roßleben in den Jahren
1967/68 erfolgte die stufenweise Umstellung auf Kurzpfeilerörterbau
zwischen der 6. und 7. Sohle, der sich
aber sowohl wettertechnisch und wegen der großen
Firstspannweiten auch vom Beraubeaufwand her als
nicht effektiv erwies. Seit 1970 wurde die Lagerstätte
überwiegend im Langkammerabbau gewonnen.
3 Zustand des Grubengebäudes
Die räumliche Ausdehnung des Grubengebäudes beträgt
im NW-SE-Streichen der Lagerstätte etwa 13 km
und etwa 8 km im Einfallen. Es schließt eine Gesamtfläche
von 32,25 km² ein, die sich aus den ehemals
selbständigen und ursprünglich nicht durchschlägigen
Gruben Roßleben und Georg/Unstrut zusammensetzt.
Der Abbau erfolgte bis Oktober 1991 auf insgesamt 30
Sohlen in einer Teufe zwischen 500 m und 800 m. Die
miteinander verbundenen Grubenhohlräume des Bergwerkes
Roßleben umfassen annähernd 30 Mio. m³.
Etwa 1 Mio. m³ des Grubengebäudes sind mit Salzlösungen
erfüllt, die von Zuflüssen aus dem
Hauptanhydrit und dem bis 1985 laufenden Spülversatzbetrieb
stammen.
Darüber hinaus sind gegenwärtig zwischen 500.000
und 1 Mio. m 3 hochkonzentrierte Salzlösungen im
Kluftvolumen des Hauptanhydrits gespeichert.
Der gebirgsmechanische Zustand der Hohlräume ist im
Vergleich zu anderen Gruben relativ gut, was sich auch
in den geringen, aus langjährigen Meßergebnissen gemittelten
Konvergenzgeschwindigkeiten äußert. Ein erheblicher
Anteil der Abbaue ist bereits während des
Gewinnungsbetriebes durch Spülversatz bzw. in den
oberen, "steileren" Sohlen auch durch Trockenversatz
mit bergbaueigenen Rückständen versetzt worden. Der
Verfüllungsgrad erreichte in den „steileren“
Abbaubereichen nahezu 100 % und ging beim
Spülversatz in Bereichen mit flacherer Lagerung auf
ca. 85 % zurück. Das hat sich auf die Standsicherheit
des Grubengebäudes insgesamt sehr günstig ausgewirkt
und in der Folge zu einer Verringerung der Senkungen
der Tagesoberfläche geführt.
Ausgehend von dieser - hier bewußt kurz gefaßten -
Situationsanalyse des Grubengebäudes und den
geologischen Randbedingungen des Standortes
gewährleistet die lufterfüllte Verwahrung des
Bergwerkes Roßleben eine effektive Erfüllung der
Schutzziele gem. § 55 BBergG.
Aus geologischer Sicht sind dabei zwei
Fragestellungen wesentlich, die nachfolgend in ihren
Grundaussagen erläutert werden sollen:
- Wird die Integrität der Barrieren durch rezente
tektonische Aktivitäten der Kyffhäuser-
Nordrandstörung beeinflußt ?
- Welche Auswirkungen haben die im
Hauptanhydrit gespeicherten Subrosionslösungen
auf die Nachbetriebsphase ?

4 Tektonik und rezente Dynamik
der Kruste
Im Hinblick auf die Langzeitsicherheit der Verwahrungsmaßnahmen
des Bergwerkes Roßleben kommt
den tektonisch bedingten Lagerungsverhältnissen
insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung der
hydrologischen Schutzschichten und der Intensität der
bruchtektonischen Zerteilung des Deckgebirges bzw.
des im Salinarkomplex eingelagerten Kluftspeichers
Hauptanhydrit besondere Bedeutung zu. Dabei ist die
randlich des Grubengebäudes lokalisierte Kyffhäuser-
Nordrandstörung hinsichtlich ihres Einwirkungsbereiches
und der von ihr ausgehenden Intensität der Lagerungsstörungen
zu bewerten. Darüber hinaus sind die
aus früheren Untersuchungsergebnissen (BANKWITZ &
BANKWITZ 1982, BANKWITZ, GROSS & BANKWITZ
1993) vermuteten Hinweise auf natürliche rezente
Verformungen der Erdkruste hinsichtlich ihrer
meßtechnischen Signifikanz und ihrer Bedeutung für
eine unter Langzeitaspekten sichere Verwahrung des
Grubengebäudes zu diskutieren.
4.1 Struktureller Bau des postsalinaren
Deckgebirges
Der strukturelle Bau der subsalinaren, salinaren und suprasalinaren
Schichtenfolge im Bereich des Bergwerkes
Roßleben ist durch die geologische Oberflächenkartierung,
durch zahlreiche Bohraufschlüsse der Kalisalzerkundung
(MAY 1956; KNAK 1962; SCHWANDT,
ELERT, JANTSCHKE 1964; KNAK 1967; ROCKEL 1978,
BURGHARD, HARTMANN, SCHRÖDER, PIELERT, ROCKEL
1985) sowie der Kupferschiefererkundung (KAUTZSCH
1942; JUNG 1958, 1959, 1960; JUNG, LORENZ 1964
u.a.), durch die mit diesen Explorationsaufgaben in
Verbindung stehenden reflexionsseismischen
Untersuchungen (FESSNER & KÜSTERMANN 1981),
durch Analysen fernerkundlicher Daten (ROSEMANN &
SCHMIDT 1983, FRANZKE et al. 1997, unpubl.) sowie
ergänzenden strukturgeologischen Felduntersuchungen
bekannt.
Auf der Bottendorfer Höhe treten nach den geologischen
Karten und den von den Bearbeitern in Zusammenarbeit
mit dem Institut für Geologie der
Technischen Universität Clausthal durchgeführten
Geländerecherchen NW-SE streichende und steil
(>65°) einfallende kleinere Störungen auf, deren
stratigraphisch kontrollierbare Versatzbeträge sich im
Bereich von einigen Metern bis max. Dekametern
bewegen. Um den Anschluß zwischen der am
Nordrand der Bottendorfer Höhe in ca. +140 mNN
liegenden Zechsteinbasis und der Zechsteinbasis im
westlichen Teil des Roßlebener Grubenfeldes in
mindestens 600 m bis 700 m unter NN ohne weiteren
Störungsversatz herzustellen, wäre eine durchschnittliche
Mindestschichtneigung der Basisfläche des
Salinars von über 40° nötig. Das ist nach der
geologischen Situation weder im Grubengebäude noch
in den Übertageaufschlüssen am Nordabhang der
Bottendorfer Höhe der Fall, wo die Schichten flach (0-
15°) nach Norden einfallen. Das bedeutet, daß eine
weitere Störung mit einem Versatz von mehreren
hundert Metern am Nordabhang der Bottendorfer Höhe
lokalisiert sein muß. Sie ist in ihrer Lage mit der
Störungszone identisch, die auf der geologischen Karte
1 : 100.000 über einen kurzen Abschnitt durch die
Ortslage Roßleben eingetragen ist und wahrscheinlich
zum Südrand des Wendelstein hin verläuft (Abb. 2a).
Nach Lineationskartierungen und der geologischen
Oberflächensituation ist für die Kyffhäuser-Nordrandstörung
im Raum Roßleben eine Aufsplitterung in drei
bis vier einzelne Störungen anzunehmen, die sich auf
eine Zone von ca. 3 km Breite verteilen. Die größten
Versatzbeträge werden durch die an den Flanken der
Bottendorfer Höhe lokalisierten Störungen verursacht.
Neben NW-SE orientierten Bruchstörungen setzen
auch NE und untergeordnet E-W bis ENE-WSW
gerichtete Störungszonen quer bzw. diagonal über die
Hermundurische Scholle hinweg, was auch im kleintektonischen
Inventar benachbarter Übertageaufschlüsse
zu beobachten ist (Abb. 2b). Diese Zonen sind
im postsalinaren Deckgebirge nicht durch große vertikale
Bewegungsamplituden gekennzeichnet, sondern
als Zonen höherer Bruchdichte und/oder lateraler Bewegungsanteile
zu charakterisieren, deren Entwicklung
auf polyphase Reaktivierung zurückzuführen ist (Abb.
2c). Sie schaffen eine Quer-Segmentierung der
Hermundurischen Scholle in kleinere, kinematisch
autonome Krustensegmente. Bezogen auf den subsalinaren
Schollenbau (JUNG 1962) sind sie Voraussetzung
und im Hinblick auf das Postsalinar Folge der unterschiedlichen
Hebungsamplituden im Streichen der
Horste. Gemeinsam mit den NW-gerichteten Abschiebungen
schließen sie Areale mit + intakter
Schichtenfolge ein und kontrollieren die
Fluidwegsamkeiten im Gebirgsverband.
4.2 Bedingungen für eine rezente Dynamik
der Erdkruste im Raum Roßleben
GRÜNTHAL (1988) hat auf der Grundlage ausgedehnter
historischer Recherchen eine Datenbasis zur
Seismizität im Gebiet der ehemaligen DDR vorgelegt,
die auch als Grundlage zur Beurteilung der natürlichen
seismischen Aktivität im Umfeld des Bergwerkes
Roßleben herangezogen werden kann. Nach
GRÜNTHAL (1988) sind für den Bereich Bottendorfer
Höhe - Querfurter Mulde bis zur Saale und ebenso für
das südöstliche Harzvorland keinerlei natürliche, auf
Störungsaktivitäten hinweisende seismische Ereignisse
bekannt.

a
c
SSW
y
su
z3-z5
z2
z1
ro
Bruchstörungen sicher/ vermutet
Quartär
Unterer Buntsandstein / su
Zechstein 3 bis 5 / z3-z5
Zechstein 2 / z2
Zechstein 1 / z1
Oberrotliegendes / ro
Gips / y
BOTTENDORFER
HÖHE
BOTTENDORF
Uplift
im
Fundament
y
y
y y y y
y
Abb. 2: Bruchtektonik im postsalinaren Deckgebirge, a - Geologischer Schnitt durch die Hermundurische Scholle im Bereich
der Bottendorfer Höhe (Lage der Bruchstörungen nach fernerkundlichen Untersuchungen von FRANZKE et
al. 1997, unpubl.; b - Synoptische Darstellung der in Übertageaufschlüssen beobachteten Kleinstörungen
(stereographische Projektion, Untere Halbkugel); c - Kinematik der Kleinstörungen. In der Lagenkugel und im
Diagramm kennzeichnen die grauen Symbole reaktivierte Scherflächen.
ro
b
z3-z5
NNE
0 m NN
0 0,5 1,0 1,5 km
su
z2
z1
ro
-500 m NN

BANKWITZ & BANKWITZ (1982) bzw. in einer publizierten
Fassung BANKWITZ, GROSS & BANKWITZ
(1993) berichten über geodätisch abgeleitete Indikationen
für rezente Aktivitäten der Kyffhäuser-Nordrandstörung
sowie des gesamten Finne - Gera - Jachymov -
Störungssystems. BANKWITZ, GROSS UND BANKWITZ
(1993) postulieren zu diesem Gebiet, daß "ungeachtet
der Fehler bei Modellauswahl und Bearbeitung der Originaldaten
.... Tendenzen des Bewegungsverhaltens
und der Rotationskomponente rezenter Horizontalbewegungen
..." ableitbar sind. „Der geringeren
Bewegungsintensität der Finne-Störung hinsichtlich
der Horizontalkomponente entspricht eine gleiche
Tendenz bei den vertikalen Bewegungen, während die
Kyffhäuser-Störung als Nordrand der FGJZ (Finne-
Gera-Jachymov-Zone; Anm. des Verf.) in beiden
Bewegungsformen stärker aktiv zu sein scheint. .... So
scheint trotz methodischer Einschränkungen bei der
geodätischen Auswertung an der Kyffhäuser-Störung
eine sinistrale Verschiebungstendenz möglich zu sein,
..." (S. 14).
Die von GROSS, MINKLEY UND PENZEL (1986, vgl.
auch BANKWITZ, GROSS & BANKWITZ 1993) mit Hilfe
von Hydrofrac-Messungen bestimmten Spannungszustände
im Umfeld der geodätischen Meßprofile lassen
rezente tektonische Aktivitäten entlang der Störungsflächen
dagegen eher ausschließen. Unter Ansatz der
von GROSS, MINKLEY & PENZEL (1986) publizierten
Meßergebnisse zum Spannungszustand können die für
eine rezente Aktivität erforderlichen Porenfluiddrücke
mit Hilfe von lithologisch unabhängigen, universellen
Versagenskriterien (BYERLEE 1967, 1978; JAEGER &
COOK 1976) im MOHR´schen Kreis abgeschätzt werden
(Abb. 3).
Ausgehend von einer gemittelten Lage der Kyffhäuser-
Nordrandstörung (Abb. 3a) lassen sich für die verschiedenen
Hauptspannungsebenen unterschiedliche Winkel
zwischen der Flächennormalen und den Orientierungen
der größeren Hauptnormalspannung (Winkel Θ) für die
einzelnen Meßpunkte ableiten. Unter Ansatz der
konkreten Bruchflächenorientierung und der beim hydraulisch
induzierten Bruchexperiment ermittelten Anisotropie
der Spannungszustände lassen sich im MOHR´
schen Diagramm die zur Reaktivierung im Störungsvolumen
minimal erforderlichen Porenfluiddrücke
bestimmen (Abb. 3c). Zur Vergleichbarkeit der für die
einzelnen Meßpunkte in verschiedenen Teufen ermittelten
Spannungszustände wurde in Abb. 3b eine Referenzteufe
z von 600 m gewählt.
Die zur Überschreitung der Reibungsfestigkeit entlang
der Störungsflächen notwendigen Porenfluiddrücke
variieren in Abhängigkeit von den Verhältnissen der
Spannungskomponenten zueinander zwischen 10,6 und
15,6 MPa (Abb. 3b) und liegen damit für alle vier in
der Nachbarschaft des Bearbeitungsgebietes liegenden
Meßpunkte weit über dem für das postsalinare Deckgebirge
typischen hydrostatischen, einzelne sogar nahe
dem lithostatischen Gradienten (Abb. 3c). Aufgrund
der aquiferen, in den tieferen Abschnitten der Schichtenfolge
auch aquicluden Eigenschaften der Gesteine
des Buntsandsteins können derartig hohe Porenfluiddrücke
im Gebirge aber ausgeschlossen werden.
Daraus wird deutlich, daß eine rezente Aktivität der
Kyffhäuser-Nordrandstörung mit Hilfe mechanischer
Konzepte nicht zu erklären ist. Grundsätzlich ist die
meßtechnische Signifikanz der aus Triangulationen und
regionalen Nivellements abgeleiteten geodätischen
Signalreihen nicht eindeutig belegbar (vgl. WITTEN-
BURG 1991, BANKWITZ et al. 1995). Darüber hinaus
räumen BANKWITZ, GROSS & BANKWITZ (1993) selbst
"Fehler bei Modellauswahl und Bearbeitung der
Originaldaten" sowie "methodische Einschränkungen
bei der geodätischen Auswertung an der Kyffhäuser-
Störung" (S. 14) ein.
Wegen dieser methodisch und hinsichtlich der meßtechnischen
Signifikanz zweifelhaften Ergebnisse und
insbesondere wegen der fundierten gebirgsmechanischen
Argumente gegen rezente Bewegungen, können
rezente tektonische Bewegungen entlang der Kyffhäuser-Nordrandstörung
im Bereich des Bottendorfer Höhenzuges
ausgeschlossen werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß für
das Umfeld des Bergwerkes Roßleben keine Anzeichen
für natürliche seismische Verformungsprozesse bekannt
und die Hinweise auf rezent wirksame aseismische
Krustenbewegungen einer kritischen Prüfung
nicht standhalten. Ein aus rezenten Verformungsprozessen
der Erdkruste ableitbares Risiko für die Integrität
der geologischen Barrieren und damit für den Erfolg
der Verwahrungsmaßnahmen des Bergwerkes Roßleben
ist daher nicht zu begründen.
5 Montanhydrogeologie
Die hydrogeologischen Verhältnisse im Umfeld des
Bergwerkes Roßleben sind durch das Subrosionsgeschehen
am Roßlebener "Sattel" geprägt. Die vom
Ausgehenden und infolge der Bruchpermeabilität auch
an Störungen ansetzende Ablaugung der chloridischen,
sulfatischen und untergeordnet auch karbonatischen
Gesteine hat u.a. auch dazu geführt, daß der Kluftspeicher
Hauptanhydrit im weiteren Umfeld des
Bergwerkes Roßleben erhebliche Mengen von Subrosionslösungen
führt. Die Folge für den Grubenbetrieb
waren mehrere Zuflüsse, die zu Beeinträchtigungen des
Gewinnungsbetriebes bis hin zur Produktionsunterbrechung
führten.

τ
τ
τ
τ
20 MPa
10
σ h
σ h
σ v
σ h
σ h
σ H
p = 10,62 MPa
f
zur Reaktivierung der
Störungsflächen
minimal erforderlicher
20 Spannungszustand
MPa
10
20 MPa
10
20 MPa
10
Teufe 600 m
σ v = 15,89 MPa
σ
σ
σ Wallhausen
H
30 40 MPa
σ
σ Oberheldrungen
H
30 40 MPa
p = 13,98 MPa
f
σ
Niederröblingen
H
30 40 MPa
p = 15,52 MPa
f
Reinsdorf
30 40 MPa
p = 13,89 MPa
f
Reibungsgleiten
τ = 0,85 σ
crit n
BYERELEE (1978)
σ
b
Richtungen der
kleineren horizontalen
Hauptnormalspannung
σ h
Reinsdorf
Θ = 60°
Η
Θ = 78°
h
Wallhausen
Θ = 45°
Η
Niederröblingen
Polpunkt der
Θ = 22° Flächennormalen
Η
auf der Kyffhäuser-
Nordrandstörung
Θ = 35°
Η
Θ = 60° Θ = 85°
h h
Oberheldrungen
Θ v = 60°
Abb. 3: Spannungszustände an der Kyffhäuser-Nordrandstörung a - Stereographische Projektion der
Störungsparameter und der Orientierungen der Hauptnormalspannungen (flächentreue Darstellung, Untere
Halbkugel), b- Darstellung der mit Hilfe von Hydrofrac-Messungen (Gross, Minkley &Penzel 1986) bestimmten
(gelbe Mohr´sche Kreise) und der unter Ansatz eines universellen Reibungskoeffizienten (Byerlee 1978)
ermittelten, zum Reibungsgleiten auf der Störungsfläche minimal erforderlichen Spannungszustände (weiße
Mohr´sche Kreise) im Mohr´schen Diagramm; c - Darstellung der für Reibungsgleiten minimal erforderlichen
Porenfluiddrücke im Störungsvolumen
Teufe z
200 m
400 m
mittlere Dichte
“Wasser”
= 1,10 g/cm
ρ fluid
600 m
800 m
σ v
N
Richtungen der
größeren
horizontalen
Hauptnormalspannung
σ H
Kyffhäuser-Nordrandstörung a
Porenfluiddruck pf
3
hydrostatisch
lithostatisch
10 20 30 MPa
mittlere Dichte
Deckgebirge
= 2,70 g/cm
ρ cover
zum Versagen durch
Reibungsgleiten
minimal erforderliche
Porenfluiddrücke
3
c

Der Schacht Roßleben I ist in Unkenntnis der lokalen
hydrogeologischen Situation in den Jahren 1903 bis
1905 nahe dem Salzspiegel abgeteuft worden. Seine
horizontale Entfernung zum Ablaugungsrückstand
beträgt ca. 150 m. Als Folge der Ablaugungsprozesse
fehlt in diesem Bereich die Steinsalzüberdeckung, was
auch für weite Bereiche der 1. und 2. Sohle zutrifft.
Eine vollständige Steinsalz-Überdeckung ist erst ab
etwa der 4. Sohle gegeben.
Bereits wenige Jahre nach Aufnahme der Förderung im
Grubenfeld Roßleben traten im Jahre 1909 die ersten
Zuflüsse von Salzlösungen aus liegenden und hangenden
Strecken der 1. Sohle unmittelbar westlich von
Schacht I auf. Im Jahre 1921 setzte auf der 2. Sohle
östlich von Schacht II nach einem Firstbruch ein
zweiter Zufluß ein.
Der größte Zufluß von Salzlösungen ereignete sich am
21.03.1939 auf der 4. Sohle im Westfeld in einem
Abbaublock, in dem ca. 1 Jahr nach Abschluß der der
Gewinnungsarbeiten durch einen großflächigen
Firstbruch mit Pfeilerzusammenbrüchen der Leine-
Tonstein freigelegt wurde. Die Zuflußmengen betrugen
anfangs 50 m 3 /min. Binnen weniger Wochen ist die
Lauge bis zur Schachtröhre oberhalb der 2. Sohle
(=Fördersohle) angestiegen, so daß die Grube
aufgegeben werden mußte
Die bereits 1939 begonnene Sümpfung, die mit einer
lukrativen Bromproduktion verbunden war, wurde
Ende 1945 abgeschlossen. Insgesamt wurden ca. 1,8
Mio. m 3 Lauge gehoben. Spätere Zuflüsse traten im
Westfeld 1982 und 1986 auf. Trotz Zuflußmengen in
ähnlicher Größenordnung zu Beginn der Ereignisse
führten sie u.a. wegen der raschen Abnahme und
technischer Vorsorgemaßnahmen (Stapelräume) nicht
zu Produktionseinschränkungen. Die Gesamtmenge an
Salzlösungen, die aus dem Hauptanhydrit zugeflossen
sind, beträgt ca. 4 bis 4,5 Mio. m³, ca. 0,5 bis 1 Mio m³
sind in den tieferen Bereichen noch gespeichert. Etwa
die Hälfte trat über den Zufluß der 4. Sohle im Westen
in das Grubenfeld ein. Die Gesamtmineralisation der
zusitzenden Salzlösungen beträgt ca. 350 g/l, was einer
Dichte von 1,25 bis 1,35 g/cm 3 entspricht.
In keinem Zusammenhang mit den Laugenaustritten
aus dem Hauptanhydrit steht ein lokales Vorkommen
im Grenzflachen im Staßfurtsteinsalz, ca. 30 m unter
dem Kaliflöz. Hierbei handelt es sich um „alte“
Restlaugen, die NaCl-gesättigt und H2S-führend waren.
Die Mengen waren begrenzt und kaum meßbar. Ein
gleiches Vorkommen wurde bei Bohrarbeiten im Feld
Georg/ Unstrut in einem gleichen stratigraphischen
Niveau angetroffen.
Nach dem Austritt der Salzlösungen auf der 4. Sohle
war ein Rückgang der Schüttungsmengen auf der 2.
Sohle östlich vom Schacht Wendelstein und auf der 1.
Sohle westlich Schacht Roßleben zu beobachten
(SCHWANDT 1978), woraus eine hydraulische Kommu-
nikation der Zuflüsse über das Reservoir
geschlußfolgert werden muß.
In der Vergangenheit traten aus dem Hauptanhydrit in
das Grubengebäude insgesamt ca. 4 – 4,5 Mio m 3 Salzlösungen
ein, was zu einer Entlastung des
Kluftreservoirs führte. Die Verbreitung der
Salzlösungen im Hauptanhydrit des Grubenfeldes
wurde durch Bohrungen erkundet. Gegenwärtig ist das
Kluftreservoir zwischen der 5. und 11. Sohle mit konzentrierten
Salzlösungen erfüllt. In diesem tieferliegenden
Teil des Hauptanhydrits treten weniger Klüfte
auf, die geringere Öffnungsweiten als in den höher
gelegenen Bereichen aufweisen (STÄUBERT 1986). Das
hier gespeicherte Salzlösungsvolumen wird mit 0,5 bis
1 Mio m 3 abgeschätzt, was bezogen auf den zur
Verfügung stehenden Grubenhohlraum ein geringes
Volumen darstellt.
Die Ursachen für einen erneuten Laugenaustritt aus
dem Hauptanhydrit sind zudem nicht mehr vorhanden,
d.h. geomechanisches Versagen (Zutritte 1909, 1921,
1939) und Spülversatz im Carnallit (Zutritte 1982,
1986). Damit ist ein erneuter Laugenaustritt sehr
unwahrscheinlich.
Durch isotopenhydrogeochemische Untersuchungen
( 3 H, 18 O, 14 C) wurde nachgewiesen (SCHWANDT et al.
1986, SCHMIEDL 1987), daß selbst bei konservativen
Ansätzen zur Verdünnungsberechnung der Salzlösungen
Einflüsse tagesnaher Wässer auszuschließen
sind, die Speisung des Reservoirs folglich aus fossilen
Subrosionswässern erfolgt sein muß.
Zusammenfassung
Die Standortsicherheit in der Nachbetriebsphase des
Bergwerkes Roßleben wird von einer Reihe von
Faktoren beeinflußt, die hinsichtlich ihrer
Wirkungsmechanismen und ihrer quantitativen Aspekte
durch ein interdisziplinäres Gutachtergremium
untersucht wurden. Im Rahmen des vorliegenden Beitrages
wurden als Teilaspekte zwei geologische Fragestellungen
ausgewählt.
Für natürliche tektonische Aktivitäten fehlen im Umfeld
des Grubenfeldes Roßleben die geomechanischen
Voraussetzungen. Ein Versagen der geologischen
Barrieren durch derartige Prozesse kann daher ausgeschlossen
werden.
Die im Bereich des Hauptanhydrits gespeicherten Salzlösungen
stellen für die Verwahrungsaufgabe aufgrund
ihres, am gesamten Grubenhohlraum gemessenen
relativ geringen Volumens, keine Beeinträchtigung dar.

Danksagung
Die Autoren danken der Geschäftsführung der Gesellschaft
zur Verwahrung und Verwertung von stillgelegten
Bergwerksbetrieben mbH (GVV) Sondershausen
für die Möglichkeit der Publikation der Untersuchungsergebnisse.
Den Kooperationspartnern, Institut für Gebirgsmechanik
GmbH, Leipzig, Herrn Dr. Arnold
Schwandt, Erfurt und insbesondere Herrn Prof. Otfried
Natau, Karlsruhe sei an dieser Stelle noch einmal für
die angenehme Zusammenarbeit gedankt. Herrn Dr.
Hans Joachim Franzke, Clausthal danken wir für die
Überlassung fernerkundlicher Untersuchungsergebnisse.
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Anschrift der Autoren
Dr. Henry Rauche, ERCOSPLAN Ingenieurgesellschaft
Geotechnik und Bergbau mbH, Arnstädter
Strasse 28, 99096 Erfurt, email: erctb@aol.com
Dipl.-Min. Hans Burrhee, Gesellschaft zur Verwahrung
und Verwertung von stillgelegten Bergwerksbetrieben
mbH (GVV), Am Petersenschacht,
99706 Sondershausen