Ergebnisse der Schwermineraluntersuchungen von eozänen Sand- und Kiessandvorkommen in den Tagebauen Prießnitz, Schkölen-Nautschütz, Osterfeld, Grana, Klausa und Profen (Sachsen-Anhalt und Thüringen)

Abstract

In der vorliegenden Bearbeitung liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung schwermineralhaltiger stratigraphischer Einheiten der sechs Abbaugebiete Profen, Grana, Klausa, Prießnitz, Osterfeldund Schkölen-Nautschütz. Die Tagebaue befinden sich im Süden Sachsen-Anhalts bzw. im Norden Thüringens. Im Rahmen einer Bachelor- und zweier Master-Arbeiten wurden in Profen die ZeitzerSchichten und die Domsener Sande sowie in den übrigen Tagebauen eozäne Kiessandschichten mit dem Ziel beprobt, das enthaltene Schwermineralspektrum zu analysieren. Die Untersuchungen wurdenals Kooperation zwischen dem Landesamt für Geologie und Bergwesen Sachsen-Anhalt (LAGB) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ausgeführt. Die Domsener Sande (Begleitschicht im Braunkohlentagebau Profen) wurden mittels Gamma-Ray-Log untersucht, um das Vorkommen von Schwermineralen mit Hilfe der von ihnen ausgehenden natürlichen Strahlung zu ermitteln. Mit dieser Technik konnten einzelne Schwerminerallagen exakt identifiziert und separat beprobt werden. Aus der stratigraphischen Abfolge wird in Profen eine Zuordnung der Proben zu den Zeitzer Schichten als gesichert angenommen. Aus den Kiessanden wurde dahingegen je eine Großprobe entnommen, um nach anschließender Probenteilung einen Überblick über den gesamten Schwermineralinhalt der entsprechenden Schicht zu erhalten. Um die Kiessandproben miteinander korrelieren zu können, wurden in diesen Tagebauen Tonproben aus angrenzenden Sedimentschichten für biostratigraphische Analysen entnommen. Für die Vorkonzentratherstellung kam ein Holman-Wilfley-Herd zur Anwendung (Dichtetrennung durch Wasser und Bewegung). Eine weitere Aufkonzentration erfolgte teils durch magnetische Trennung mit einem Frantz-Magnetscheider (Domsener Sande), teils durch Dichtetrennung mit Natriumpolywolframat-Lösung (Kiessandproben aus Prießnitz, Schkölen-Nautschütz, Osterfeld, Grana, Klausa sowie Zeitzer Schichten). In den Domsener Sanden wurden die Schwermineralspektren mit REM (Raster- Elektronenmikroskopie) ermittelt. Der Gesamtgehalt Profile innerhalb der 0,5 m bis 4,0 m mächtigen Schwerminerallagen liegt zwischen 1,18 Gew.-% und 3,25 Gew.-%. Die Kiessande wurden dahingegen hauptsächlich mit QEMSCAN analysiert. Im Resultat ergab sich ein geringer Schwermineralgehalt der Proben zwischen 0,02 Gew.-% (Schkölen-Nautschütz) und 0,07 Gew.-% (Prießnitz) für das westliche Untersuchungsgebiet gegenüber einem erhöhten Schwermineralgehalt der Proben aus dem östlichen Teil zwischen 0,24 Gew.-% in Grana über 0,48 Gew.-% in Profen bis zu 0,64 Gew.-% in Klausa. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Zusammensetzung der Schwermineralspektren gelegt. Die am häufigsten vorkommenden Schwerminerale sind Topas, Rutil/Anatas, Turmalin, Staurolith, Ilmenit und Leukoxen, Aluminiumsilikate und Zirkon. Der Großteil der Proben enthält geringe Mengen an Xenotim, Monazit, Dravit, Kassiterit und Chromit. Aus wirtschaftlichen Gründen wurden SEEPhosphate/- Arsenate sowie Kassiterit detaillierter untersucht. Minerale mit einem hohen SEE-Gehalt enthalten in den meisten Fällen Spuren von Uran und Thorium. Insgesamt wurde jedoch in den meisten Schwermineralkonzentraten keine hohe Anreicherung an SEE-Mineralen angetroffen (< 1 Gew.-%). Lediglich die Domsener Sande zeigen höhere Gehalte dieser Minerale aufgrund natürlicher Anreicherungsprozesse (Schwermineralseifen). Ein relativ hoher Kassiteritanteil tritt in den Schwermineralkonzentraten aus Grana (1,93 Gew.-%) und Klausa (2,77 Gew.-%) auf. Außerdem zeigen die Kassiterite einen hohen Freiheitsgrad. Um eine mögliche Wirtschaftlichkeit zu bestätigen, wurden zusätzliche ICP-ES-Analysen veranlasst, die die Gehalte jedoch nicht bestätigen konnten. Die Konzentrationen der einzelnen Minerale innerhalb der ermittelten Schwermineral-spektren derKiessande bestätigten eine Teilung des Untersuchungsgebietes in einen östlichen und einen westlichen Teil. Die Schwermineralkonzentrate der östlichen Probenahmestellen (Klausa, Profen, Grana)werden von Topas dominiert wohingegen die der westlichen Probenahmestellen (Prießnitz, Schkölen-Nautschütz, Osterfeld) von Ilmenit dominiert werden. Schlussfolgernd wird angenommen, dass dieKiessande der westlichen Tagebaue durch das Vogtländisch-Thüringische Flusssystem transportiert wurden und Einflüsse ilmenithaltiger Sedimente des Fichtelgebirges und des thüringischen Buntsandsteingebietes aufzeigen. Für die Sedimente der östlichen Tagebaue hingegen wird ein Transport durch das Zwickau-Altenburger Flusssystem vermutet, das Topas aus vergreisten Gesteinen des Erzgebirges transportierte. Die Analyse der Kornformen der auftretenden, sehr stabilen Minerale ergab, dass das sedimentierte Material verschiedene Quellen aufweisen muss. Dafür werden das Erzgebirge, das Böhmische Massiv sowie das Sächsische Granulitgebirge auf Grundlage der spezifischen Indikatorminerale im Schwermineralspektrum angenommen.

This article focuses on heavy mineral bearing stratigraphic units of the six mining areas Profen, Grana, Klausa, Prießnitz, Osterfeld, and Schkölen-Nautschütz. The workings are located in the south ofSaxony-Anhalt and the north of Thuringia in Central Germany. Within the scope of one bachelor and two master theses the Eocene Zeitzer Schichten and the Eocene-Oligocene Domsener Sande were sampled in Profen and Eocene gravel sand layers in the other open pit mines to analyse the contained heavy mineral assemblages. The investigations were conducted as part of a coorperation of the Landesamt für Geologie und Bergwesen (LAGB, Federal State Office for Geology and Mining) Saxony-Anhalt and the Martin-Luther-University Halle-Wittenberg (MLU). The Domsener Sande were investigated by gamma ray logging using the natural heavy mineral (HM) radiation for discovering. The technique allowed an exact identification of individual heavy mineral layers which could be sampled separately in this way. A bulk sampling method was preferred to analyse the gravel sands and to obtain an overview of the whole heavy mineral content. Due to correlation purposes of the investigated gravel sands, clay samples from adjoining layers from all open pit mines apart from Profen served for bio-stratigraphical analyses. In Profen, the age of the sampled layers is considered to be known due to sufficient former analyses in this area. For pre-concentration a Holman-Wilfley table (water and movement controlled density splitting) was applied. For further concentration, either a magnetic separation with the Frantz-Magnet-Separator (Domsener Sande) or a heavy liquid separation with Sodium-Polytungsten (gravel sands from Prießnitz, Schkölen-Nautschütz, Osterfeld, Grana, Klausa as well as Zeitzer Schichten) was used. The heavy mineral assemblages in the Domsener Sande were analysed with SEM (Scanning Electron Microscopy). The content within 0.5 m up to 4.0 m thick profiles containing heavy mineral layersvaries between ca. 1.18 wt% and 3.25 wt%. The gravel sands were primarily analysed by QEMSCAN (Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electron Microscopy). The results reveal a low content of heavy minerals between 0.02 wt% (Schkölen-Nautschütz) and 0.07 wt% (Prießnitz) in the western part of the research area in contrast to elevated HM contents in the eastern part ranging from 0.24 wt% in Grana to 0.48 wt% in Profen and up to 0.64 wt% in Klausa. A special focus lies on the heavy mineral compositions of each analysed sample location. The main heavy minerals observed are topaz, rutile/anatase, tourmaline, staurolite, ilmenite and leucoxene, aluminium silicates, and zircon. Most of the samples contain low amounts of xenotime, monazite, dravite, cassiterite, and chromite. For economic reasons, rare earth element (REE) bearing phosphates/arsenates as well as cassiterite were investigated in a more detailed way. Minerals with a high content of REE commonly contain traces of thorium and uranium. However, in total, the heavy mineral concentrates of most localities did not show high enrichments in REE-bearing minerals (< 1 wt%). In contrast, the Domsener Sande showed higher amounts of these minerals due to natural enrichment processes (heavy mineral placer deposit). The heavy mineral concentrates of Grana (1.93 wt%) and Klausa (2.77 wt%) were relatively rich in cassiterite. Moreover, a significant release of the mineral grains was detected. To ensure a possible economic exploitation, additional ICP-ES analyses were carried out which could not confirm such high Sn-contents.The quantification of the HM assemblage of the gravel sands confirmed a division of the study area in an eastern and a western part with regard to their HM contents. The heavy mineral concentrates of the eastern locations (Klausa, Profen, Grana) are dominated by topaz, whereas the western locations (Prießnitz, Schkölen-Nautschütz, Osterfeld) are dominated by ilmenite. In conclusion, it can be assumedthat the gravel sands of the western deposits were transported by the Vogtland Thuringian river system influenced by ilmenite-bearing sediments from Fichtelgebirge and the Thuringian red sandstonearea. However, the sediments of the eastern part are supposed to be deposited by the Zwickau Altenburg river system carrying topaz from Erzgebirge greisen lithologies. The analysis of grain shapes ofvery resisting minerals leads to the conclusion that there are different sources of the deposited material. Material contribution from the Erzgebirge, the Bohemian Massif, and the Saxon Granulite Mountainsis assumed because of the occurrence of very specific indicator minerals.