Exkursion Erzlagerstätte Schauinsland
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<strong>Exkursion</strong> Erzlagerstätte <strong>Schauinsland</strong><br />
24.04.2010<br />
A. Danilewsky, J. Tonn, C. Haas<br />
1. Geologische Übersicht und Entstehung der Erzgänge<br />
1.1 Geologische Übersicht des Schwarzwaldes<br />
1.2 Grundgebirge des Bereichs <strong>Schauinsland</strong> - Kappler Tal<br />
a) Paragneis<br />
b) Amphibolite<br />
c) Gänge<br />
1.2 Entstehung der Erzgänge<br />
1.3 Erzgänge und Mineralbestand<br />
2. Historischer Überblick und Bergbauperioden<br />
3. Aufbereitung und Verhüttung<br />
4. Literatur<br />
Anlage A: Auszug TK 25 8013 Freiburg SE, Wanderweg<br />
Anlage B: Auszug Geologische Karte
2<br />
1. Geologische Übersicht und Entstehung der Erzgänge<br />
1.1. Geologische Übersicht des Schwarzwalds<br />
Prävariszisch:<br />
Variszisch:<br />
Mesozoisch:<br />
Tertiär:<br />
Bildung von Paragneisen aus Sedimenten (Arkosen, Grauwacken),<br />
Orthogneisen aus Graniten, Amphiboliten aus gabbroiden Gesteinen<br />
Anatexis, Intrusionen von Graniten und Ganggesteinen<br />
=> Grundgebirge<br />
Sedimentation des Deckgebirges (noch erhalten im Westen im Rheingraben<br />
und in der Vorbergzone sowie nach Osten: Schichtstufenland)<br />
=> Deckgebirge<br />
Aufwölbung und damit Abtragung der Sedimente, Rheingrabenbruch<br />
Gebiet <strong>Schauinsland</strong>: Heute nur noch Grundgebirge des "Zentralschwarzwälder<br />
Gneiskomplexes" und geringe quartäre Bodenbildung<br />
Abb. 1.1:<br />
Übersicht der Geologie des Schwarzwalds mit den wichtigsten<br />
Bergbaugebieten, aus [1]
3<br />
1.2 Grundgebirge des Bereichs <strong>Schauinsland</strong> - Kappler Tal<br />
a) Paragneis ("Renchgneis")<br />
Mineralbestand: Feldspat: Plagioklas (18-41% Anorthit)<br />
Orthoklas (nur 0-10, max. 17 Vol.-%)<br />
Quarz<br />
Glimmer: Biotit<br />
untergeordnet: Hornblende, Cordierit, Sillimanit<br />
akzessorisch: Granat, Apatit, Zirkon, Titanit<br />
Gefüge:<br />
Ursprung:<br />
Genese:<br />
deutlich lagig<br />
Arkosen (feldspatreiche Sandsteine),<br />
Grauwacken (reich an Glimmer, Tonminerale, feinkörnig),<br />
Schiefer<br />
prävariszische Regionalmetamorphose,<br />
Katazone: T > 600 °C, p > 4 kbar (Amphibolitfazies)<br />
danach variszische Absenkung mit Anatexis<br />
Anatexis:<br />
Diatexis:<br />
regionale Mobilisation in verschiedenen Stufen, zuerst die hellen<br />
Gemengteile (Sprossung der Feldspäte: Blastese, Bildung von<br />
gangartigen Schlieren mit Feldspat und Quarz)<br />
vollständige Mobilisation einschließlich der dunklen Gemengteile führt<br />
zu schlierigen, granitartigen Gesteinen, inhomogen<br />
b) Amphibolite<br />
Mineralbestand:<br />
Gefüge:<br />
Ursprung:<br />
Amphibol:<br />
Hornblende Ca 2 (Na,K) 0.5-1 (Mg,Fe 2+ ) 3-4 (Fe 3+ ,Al) 2-1 [O,OH,F) 2 /Al 2 Si 6 O 22 ]<br />
(Alumosilikat, Zweierdoppelketten von SiO 4 -Tetraedern, C 2 - 2/m)<br />
Feldspat (Plagioklas, serizitisiert)<br />
akzessorisch: Granat, Biotit, Apatit, Titanit, Pyrit<br />
klein- bis mittelkörnig schiefrig bis schlierig<br />
magmatisch: Diabas, Gabbro, Basalt (also basische, Plagioklas-reiche<br />
Gesteine)<br />
sedimentär: dolomitische, eisenschüssige Mergel
4<br />
c) Gänge<br />
Lamprophyr<br />
Gefüge:<br />
Grundmasse:<br />
Einsprenglinge:<br />
Akzessorien:<br />
porphyrisch<br />
Plagioklas, wenig Quarz und Alkalifeldspat<br />
meist Biotit, wenig Pyroxen (Diopsid)<br />
Kalzit, Chlorit, Hornblende, Titanit, Apatit, Pyrit, Hämatit<br />
Aplitgranit<br />
Gefüge:<br />
Hauptbestandteile:<br />
Akzessorien:<br />
klein- bis mittelkörnig, wenig porphyrisch<br />
Plagioklas (An 5-15%), Orthoklas, Quarz und Biotit, Muskowit,<br />
Cordierit, z.T. Turmalin<br />
Titanit, Anatas, Apatit, Zirkon, Granat, Andalusit<br />
Ruscheln<br />
lockere Zerrüttungszonen längs von Bewegungsflächen (fest: Mylonite), sandig - tonig<br />
Letten<br />
vorwiegend tonig, sehr feinkörnig
5<br />
1.2. Entstehung der Erzgänge<br />
Abb. 1.2: Entstehung der Erzgänge schematisch aus [2,3]:<br />
(1) Oberkarbon: Ende der variszischen Tektonik<br />
(2) Oberkarbon - Perm: Intrusion von Ganggraniten, Bildung von Scherzonen<br />
(3) Jura - Kreide: Entstehung der Ruschelstörungen, linkslaterale Scherung<br />
(4) Tertiär: rechtslaterale Scherung, dreiphasige Hydrothermalmineralisation<br />
Die Herkunft der hydrothermalen Wässer ist in Abbildung 1.3 dargestellt. Die Ergebnisse<br />
stammen aus der Untersuchung der Flüssigkeitseinschlüsse hauptsächlich der<br />
Gangmineralien.<br />
Die chemisch Zusammensetzung der Flüssigkeitseinschlüsse gibt Auskunft über die<br />
Zusammensetzung der Ausgangsflüssigkeit. Vor allem die Salinität, und hier das Verhältnis<br />
von Br – Cl gestatten Aussagen über die Herkunft des Wassers: meteorisches Wasser,<br />
Süßwasser oder Meerwasser.<br />
Erdöleinschlüsse in Zinkblende zeigen die Signatur den Pechelbronner Schichten und deuten<br />
damit auf eine Vererbung im Jungtertiär hin [2].
Abb. 1.3: Herkunft der hydrothermalen Wässer und Ausfällung (aus [2,3])<br />
6
7<br />
1.3 Erzgänge und Mineralbestand<br />
Gangstreichen: NNW - SSE (20 - 60°) (Literaturangabe, prüfen !!!)<br />
Fallen: steil W (70 - 80°)<br />
Mächtigkeit: stark schwankend 0,5 - 3,0 m<br />
Einordnung: Quarz –Schwerspat – Kalkspatgänge mit Pb – Zn – Erzen<br />
mit 3 Mineralisationsphasen, z.T. mit Brekzien-Bildung<br />
Paragenese Gangarten:<br />
1. Quarz (Grundquarz, Hornstein) SiO 2 D 3 - 32<br />
2. Älterer Kalkspat (derb) CaCO 3 D 3d - 3 m<br />
3. Älterer Schwerspat (Hauptschwerspat) BaSO 4 D 2h - mmm<br />
4. Braunspat (Ankerit) CaFe[CO 3 ] 2 C 3i – 3<br />
5. Jüngerer Schwerspat (fehlt häufig) BaSO 4 D 2h - mmm<br />
6. Jüngerer Kalkspat (XX) CaCO 3 D 3d - 3 m<br />
Paragenese Erze:<br />
1. Erste Generation Zinkblende, Bleiglanz<br />
2. Ältere Kiesgeneration (Kupferkies, Pyrit)<br />
3. Zweite Generation Zinkblende, Bleiglanz<br />
4. Dritte Generation Zinkblende, Bleiglanz<br />
5. Jüngere Kiesgeneration (Pyrit, Markasit)<br />
Zinkblende (Sphalerit) ZnS T d - 4 3m<br />
Bleiglanz (Galenit) PbS O h - m 3 m<br />
Kupferkies (Chalkopyrit) CuFeS 2 D 2d - 4 2m<br />
Pyrit FeS 2 T h – m 3<br />
Markasit FeS 2 D 2h - mmm<br />
(niedrigere Bildungstemperatur wie Pyrit)<br />
Abb. 1.4:<br />
Typischer Gang,<br />
I. Feldstrecke über Leopoldsohle:<br />
Zinkblende I, Kalkspat I,<br />
Zinkblende II, Quarz II<br />
(Schürenberger 1954) aus [2]
8<br />
Sekundäre Bildungen:<br />
a) Pb:<br />
Cerussit PbCO 3 D 2h - mmm<br />
Wulfenit PbMoO 4 C 4 – 4<br />
b) Zn:<br />
Pyromorphit Pb 5 (PO 4 ) 3 Cl C 6h - 6/m<br />
Hemimorphit Zn 4 Si 2 O 7 (OH) 2 x H 2 O C 2v - mm2<br />
Hydrozinkit Zn 5 [(OH) 3 /CO 3 ] 2 C 2 - 2/m (Krusten, bildet sich noch rezent)<br />
c) Sonstige:<br />
Limonit Fe – O – OH Krusten(meist feinkörniger Goethit FeOOH)<br />
Malachit Cu 2 [(OH) 2 /CO 3 ] C 2 - 2/m<br />
Silber Ag O h - m 3 m<br />
Lage der Haupterzgänge und das Grubengebäude<br />
Abb. 1.5: Seigerriß des Grubengebäudes und Erschließung der Erzgänge (aus [2,3])
9<br />
2. Historischer Überblick und Bergbauperioden<br />
- ab 12. Jh. auf den Höhen des <strong>Schauinsland</strong>s<br />
- 14. Jh. erste Blütezeit bei Haldenhof südl. Hofsgrund (Grube Dieselmuot)<br />
- 1340 Stiftung der "<strong>Schauinsland</strong>fenster" im Freiburger Münster<br />
- 1372 "Dieselmuoter Bergweistum" eine der ältesten Bergordnungen, erlassen durch Graf<br />
Egeno IV von Freiburg<br />
- 14. – 18. Jh. Abbau von Bleiglanz und Grünbleierz (Pyromorphit) im Bereich Willnau<br />
- 15. - 17. Jh. Rückgang des Bergbaus (Holzmange, 30-jähriger Krieg etc.)<br />
- ab 1724 Wiederaufnahme, hauptsächlich Pb von Bedeutung<br />
- 1803: 19 Stollen, aber nicht mehr befahrbar<br />
- ab 1876 Wiederaufnahme auf Zn, Verhüttung der alten Halden<br />
- 1889 Auffahrung des Kappler Stollens<br />
- 1899 Bau der 5,3 km Seilbahn bis Erzwäsche Kappel. Dort nur nassmechanische<br />
Aufbereitung<br />
- 1908 Auffahrung Leopoldstollen als Hauptförderstollen (1 km Querschlag) zum<br />
Roggenbachsschacht (Blindschacht, Hauptförderschacht über 500 m)<br />
- 1930 Stilllegung<br />
- 1935 Stolberger Zink AG<br />
- 1937 Flotation in Kappel<br />
- 1945 -1946 kriegsbedingte Pause<br />
- 1947 Durchschlag Tiefer Stollen zum Roggenbachschacht zur Entwässerung<br />
- 31.10.1954 endgültige Stilllegung<br />
Zusammensetzung der Erze:<br />
SiO 2 : 52,5 – 75,5 %<br />
Zn: bis zu 25 %<br />
Pb: bis zu 2,3 %<br />
Karbonate untergeordnet<br />
Feinverteilte Fahlerze (Cu, Sb, As)<br />
Ag:<br />
Ag:<br />
0,03 % im Zinkerz<br />
0,08 % im Bleierz<br />
Zinkblende:<br />
Cd: 0,08 – 0,2 %<br />
Au, Pt: < 16 ppb<br />
In: 10 – 1730<br />
Ge: 100 – 1200 ppm<br />
Ga: 200 ppm<br />
Abb. 2.1:<br />
<strong>Schauinsland</strong>fenster im Freiburger<br />
Münster ca. 1320 - 1340<br />
Förderung 1953: 200 t Roherz mit 0,9 % Pb, 5,4 % Zn, ca. 0,04 % Ag<br />
Förderung im 20. Jh.: 1,2 mio t Roherz, 70.000 t Zn (5,7 %), 12.000 t Pb (1,0 %),<br />
12 t Ag (0,001%)<br />
Erschlossene Vorräte: ca. 500.000 t
10<br />
3. Aufbereitung und Verhüttung<br />
- Ab 1908 Transport des Roherzes mit Seilbahn zur "Erzwäsche"<br />
- Poche: mechanisches Zerkleinern des Roherzes, meist mit Wasserkraft<br />
- Schlämmen: Reinigung und z.T. Trennung von Erz und Gangarten, meist durch abseigern<br />
(hoher Wasserbedarf !)<br />
- Flotation: Trennung verschiedener Erze, hauptsächlich durch unterschiedliches<br />
Benetzungsverhalten nach Chemikalienzusatz und Seigerung<br />
(hoher Wasserbedarf !)<br />
a) Zn:<br />
- Hauptverunreinigungen Zinkerz aus ZnS: Fe, Cd, In, ....<br />
- Abrösten der sulfidischen Erze:<br />
ZnS + 1,5 O 2 → ZnO + SO 2 + 104,95 kcal<br />
- Trockenes Verfahren zur Reduktion (ca. 60% der Weltproduktion von Zn):<br />
bei ca. 1100 – 1300 °C: 56,82 kcal + ZnO + C ↔ Zn + CO<br />
Rohzink: 97 -98 % Zn<br />
- Nasses Verfahren zur Reduktion: Elektrolyse von ZnSO 4 - Lösung<br />
ZnO + H 2 SO 4 → ZnSO 4 + H 2 O<br />
- Fraktionierte Destillation: Feinzink 99,99 % Zn<br />
- Verunreinigungen wie In, Ge, Ga, Cd werden getrennt gereinigt und sind wichtige Rohstoffe<br />
z.B. Indium: als III-V-Verbindungshalbleiter InP unverzichtbar in der Glasfaser-<br />
Nachrichtentechnik als Halbleiter-Laser und Detektor (Wellenlänge ca. 1,6 µm: geringste<br />
Absorption und Dispersion in der Glasfaser)<br />
b) Pb:<br />
- Hauptverunreinigungen Bleierz aus PbS: Cu, As, Ag<br />
- Röstreduktionsverfahren:<br />
bei Rotglut durchblasen von Luft:<br />
PbS + 1,5 O 2 → PbO + SO 2 (Röstarbeit)<br />
dann im Schachtofen mit Koks:<br />
PbO + CO → Pb + CO 2 (Reduktionsarbeit)<br />
- Röstreaktionsverfahren:<br />
unvollständiges rösten:<br />
3 PbS + 3 O 2 → PbS + 2 PbO + 2 SO 2 (Röstarbeit)<br />
weiteres erhitzen im "Herd" unter Luftabschluß:<br />
3 PbS + 2 PbO → 3 Pb + 2 SO 2 (Reaktionsarbeit)<br />
=> Werkblei ca. 98 - 99 % Pb<br />
- Silberabtrennung von Ag durch Parkesieren, Pattinsonieren, Treibarbeit
11<br />
Parkesieren:<br />
Schmelzpunkt T S für Ag: 961 °C Dichte: 10,5 g/cm 3<br />
Schmelzpunkt T S für Pb: 327 °C Dichte: 11,3 g/cm 3<br />
Schmelzpunkt T S für Zn: 419 °C Dichte: 7,1 g/cm 3<br />
Siedepunkt von Zn: 908 °C<br />
- t < 400 °C: Pb und Zn sind flüssig, aber praktisch nicht mischbar<br />
- 2 flüssige Phasen trennen sich: Pb mit größerer Dichte unten, Zn oben<br />
- Ag in Zn leicht löslich => Anreicherung im "Zinkschaum" oben<br />
- Abtrennung des Ag-haltigen Zn-Schaumes<br />
- beim Abkühlen Bildung von Zn-Ag- Mischkristallen, verunreinigt durch anhaftendes<br />
"Armblei"<br />
- Erhitzen bis knapp über T S von Pb: abseigern des Armbleis<br />
- Reichschaum von Zn enthält 75 % Pb und bis zu 10 % Ag<br />
- durch Erhitzen über den Siedepunkt des Zn (908 °C) wird Zn abdestilliert<br />
- Reichblei mit 8 – 12 % Ag<br />
=> Treibarbeit<br />
Pattinsonieren:<br />
- bei 304 °C und 2,5 % Ag eutektischer Punkt im Phasensystem Pb – Ag<br />
- beim Abkühlen kristallisiert oberhalb 304 °C Ag-armes Pb<br />
- dauerndes Abschöpfen der reinen Pb-Kristalle mit gesiebten Löffeln führt zu einer Ag-<br />
Anreicherung im Reichblei von bis zu 2,5 %<br />
=> Treibarbeit<br />
Treibarbeit:<br />
- Im Flammofen (Treibherd) im Windstrom wird Pb oxidiert, nicht aber das edlere Ag<br />
- Bleiglätte PbO (T S = 884 °C) läuft durch seitliche Rinnen ab, ein Teil verdampft oder wird<br />
von Ofenfütterung aufgenommen<br />
- Ag bleibt unter PbO zurück<br />
- wenn das letzte PbO – Häutchen aufreißt, lässt es das hochglänzende flüssige Ag<br />
durchblicken<br />
=> Silberblick<br />
Blicksilber (Rohsilber) ca. 95 % Ag<br />
- weitere Reinigung elektrolytisch (Möbius-Verfahren)<br />
aus [5]
12<br />
6. Literatur<br />
[1] K. Walenta<br />
Die Mineralien des Schwarzwaldes und ihre Fundstellen<br />
Weise 1992<br />
[2] W. Werner, H. J. Franzke, G. Wirsing, J. Jochum, V. Lüders, J. Wittenbrink<br />
Die Erzlagerstätte <strong>Schauinsland</strong> bei Freiburg im Breisgau<br />
Berichte der Naturforschenden Gesellschaft zu Freiburg i.Br. Bd. 92(1) 2002<br />
[3] W. Werner und V. Dennert<br />
Lagerstätten und Bergbau im Schwarzwald. - Ein Führer unter besonderer<br />
Berücksichtigung der für die Öffentlichkeit zugänglichen Bergwerke<br />
Sonderveröffentlichung des Landesamtes für Geologie, Rohstoffe und Bergbau<br />
BW, 2004<br />
[4] B. Steiber<br />
Der <strong>Schauinsland</strong>. Geschichte - Geologie - Mineralisation<br />
Haltern (Bode) 1986<br />
[5] Hollemann-Wiberg<br />
Lehrbuch der Anorganischen Chemie<br />
de Gruyter, x.te Aufl.<br />
Geologische Karte 1 : 25000 Blatt 8013 Freiburg SE<br />
+ Erläuterungen von W. Wimmenauer und R. Hüttinger (1967),<br />
Geol. Landesamt BW<br />
TK 25 Blatt 8013 Freiburg SE