Deutschlands Bodenschätze: Geologie-Erkundung-Gewinnung

Von Heinrich Otto Buja

Die Bodenschätze unserer Mutter Erde sind natürliche Anreicherungen nutzbarer Rohstoffe, die als ober- und unterirdische Lagerstätten in der Erdkruste vorkommen. Sie sind Ausgangsstoffe für einen weiteren Verarbeitungsprozess. Die Gewinnung bzw. der Abbau erfolgt, wenn sie von volkswirtschaftlichem Nutzen sind. Die Erschließung (Prospektion) und Gewinnung (Förderung) der Rohstoffe aus den Lagerstätten sind Tätigkeitsbereiche des Bergbaus und der bergbaunahen Betriebe, wobei hierzu auch die Aufbereitung bestimmter Rohstoffe wie Kohle, Erze, Erdöl, Salze,Gesteine und Erden gehören.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Books on Demand
• Erscheinungsdatum: 4. Sept. 2015
• ISBN: 9783739276847

Heinrich Otto Buja

Geboren 1929 in einem kleinen Ort im Münsterland. Im November 1944 mit 15 Jahren als Flakhelfer verpflichtet, danach im Januar 1945 in eine SS-Einheit gezwungen, Ende April in Gefangenschaft geraten und im Oktober 1945 entlassen. Während der Berufstätigkeit 1950 die Hochschulreife nebenberuflich erworben, Studium der Bergbautechnik und des Bauingenieurwesens mit Schwerpunkt Tunnelbau und Geotechnik, 1956 Abschluss als Dipl.-Ing. Fachlehrgänge für Vertragsrecht im Baugewerbes, mehrere Informatik- und EDV-Lehrgänge. Gastdozent für den Bereich Geotechnik an Fach- und Fachhochschulen, Tätigkeit in Ingenieurbüros, Bauleiter, Oberbauleiter, Niederlassungsleiter und- Techn. Geschäftsleiter in Spezial-Tiefbaunternehmen. Seit 1990 Tätigkeiten als Publizist und Fachbuchautor anerkannter Fachliteratur im Bereich Spezialtiefbau und Geotechnik..

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INHALTSVERZEICHNIS

Vorwort

GRUNDLAGENDER GEOLOGIE

Allgemeines

Erdgeschichtliche Untergliederung

2.1 Das Erdaltertum (Paläozoikum)

2.2 Das Erdmittelalter (Mesozoikum)

2.3 Die Erdneuzeit (Känozoikum)

Aufbau des Erdkörpers

3.1 Die Erdkruste

3.1.1 Exogene (äußere) Kräfte

3.1.2 Endogene (innere) Kräfte

Die Festgesteine

4.1 Tiefen- und Ganggesteine

4.2 Ergussgesteine oder Vulkanite

4.2.1 Wichtige Vulkangesteine

4.3 Die Schichtgesteine

4.3.1 Allgemeines

4.3.2 Mechanische Schichtgesteine

4.3.3 Verfestigte Trümmergesteine

4.3.4 Verschiedene Trümmergesteine

4.3.5 Chemische Schichtgesteine

4.3.6 Organische Schichtgesteine

4.3.7 Umwandlungsgesteine

4.4 Gesteinsbildende Mineralien

4.5 Schlussbetrachtung

4.6 Lagerungsformen

4.6.1 Lagerungsformen der Erstarrungsgesteine

4.6.2 Lagerungsformen der Schichtgesteine (Sedimente)

4.6.3 Schichtenbiegungen (Falten)

4.6.4 Schichtenzerreißungen (Verwerfungen)

4.7 Zusammenfassung

Die Böden (Lockergesteine)

5.1 Allgemeines

5.2 Einteilung der Böden

Grundwasser und Quellen

6.1 Der Wasserkreislauf

6.2 Das Grundwasser

6.2.1 Grundbegriffe der Hydrologie

6.3 Die Quellen

6.3.1 Allgemeines

MINERALE

Allgemeines

Entstehung

2.1 Physikalische Eigenschaften

2.2 Magnetische Eigenschaften

2.3 Elektrische Eigenschaften

2.4 Die wichtigsten Minerale

2.4.1 Metalle

2.4.2 Metalloide und Nichtmetalle

2.4.3 Sulfide

2.4.4 Haloidsalze

2.4.5 Salze der sauerstoffhaltigen Säuren

2.4.6 Einige Erläuterungen zu den Edelsteinen

C LAGERSTÄTTEN

Allgemeines

Einteilung der Lagerstätten

2.1 Gliederung. nach Inhalt und Entstehung

2.2 Kennzeichnung nach der äußeren Form

2.3 Schlussbetrachtung

Die deutschen Lagerstätten

3.1 Der Torf

3.1.1 Entstehung

3.1.2 Vorräte

3.2 Die Braunkohle

3.2.1 Entstehung

3.2.2 Vorräte

3.3 Die Steinkohle

3.3.1 Entstehung

3.3.2 Steinkohlenvorräte

3.4 Salz und Kali

3.4.1 Entstehung

3.4.2 Der Mensch und das Salz

3.4.3 Entwicklung und Vorräte

3.4.4 Die Salzbergwerke und Salinen in Deutschland

3.4.5 Kalibergwerke in Deutschland

3.4.6 Näheres zu den genannten Salzstandorten

3.5 Erdöl und Erdgas

3.5.1 Entstehung

3.5.2 Muttergesteine

3.5.3 Biogene Gase

3.5.4 Gas aus Kohle

3.5.5 Wanderung der Kohlenwasserstoffe

3.5.6 Strukturen

3.5.7 Lagerstättenbildung

3.5.8 Tiefenlage der Lagerstätten

3.5.9 Unerwünschte Begleiter

3.5.10 Salzstöcke

3.5.11 Erdöl und Erdgas in Deutschland

3.5.12 Deutsche Erdgasprovinzen

3.5.13 Erdöl und Erdgas in der Nordsee

3.6 Gesteine, Minerale und Erden

3.6.1 Allgemeines

3.6.2 Gesteine

3.6.3 Nutzbare Erden

ERKUNDUNGSARBEITEN (EXPLORATION)

Allgemeines

Aufgaben der Bodenerkundung

Umfang der Bodenuntersuchungen

Einfache Verfahren der Bodenerkundung

4.1 Allgemeines

4.2 Geologische Karten

4.3 Auskünfte von Nachbarn

4.4 Boden- und Wasserverhältnisse anzeigende Pflanzen

4.4.1 Allgemeines

4.4.2 Wasseranzeigende Pflanzen

4.4.3 Pflanzen, die Bodenarten anzeigen

4.4.4 Zusammenfassung

4.4.5 Rutengänger

4.4.6 Schürfgruben

4.4.7 Handbohrer und Schlitzsonden

Weiterführende Bodenuntersuchungen

5.1 Bohrungen

5.1.1 Spülbohrungen

5.1.1.1 Kernbohrungen

5.1.1.2 Seilkernbohrtechnik

5.2 Bohrgeräte

Sondierungen

6.1 Allgemeines

6.2 Rammsondierungen

6.3 Drucksondierungen

Explorationsbohrungen

7.1 Vorbemerkungen

7.2 Klassifikation der Erdöl- und Erdgasbohrungen

7.3 Bohraktivitäten

7.3.1 Untersuchungsbohrungen

7.4 Aufschluss- und Teilfeldsuchbohrungen

7.5 Erdgas- und Erdölspeicher

Geowissenschaftliche Untersuchungen

8.1 Vorbemerkungen

8.2 Seismische Untersuchungen

8.3 Erdmagnetische Messungen

8.4 Gravimetrische Verfahren (Schweremessungen)

8.5 Geologische Auswertung

8.6 Auswertung der Messergebnisse

Exploration in den Steinkohlenlagerstätten

9.1 Vorbemerkungen

9.2 Exploration

9.3 Exploration über Tage

9.4 Bohrexploration

9.5 Exploration unter Tage

9.6 Sondervermessungen

9.7 Stereo Photogrammetrie

9.8 Bohrexploration

9.9 Bohrtechnik

9.10 Horizontalbohrtechnik im Gestein

9.11 Horizontalbohrtechnik in der Kohle

9.12 Vertikalbohrtechnik

9.13 Seismik

9.14 Flözwellenseismik

9.15 Zusammenfassung

Bohrtechnik

Allgemeines

Arten von Bohrungen

2.1 Bohrungen auf Erdöl und Erdgas

2.2 Bohrungen in der Bauindustrie

2.3 Bohrungen im Bergbau, Tunnel- und Stollenbau

2.4 Bohrungen für Bergbau, Kalk- und Zementindustrie

2.5 Bohrungen für die Wasserversorgung, Brunnenbau

2.6 Bohrungen für Entsorgung von Abfällen und Altlasten

Tiefbohrungen im Off- und Onshorebereich

3.1 Rotary-Bohrverfahren (direktes Bohrverfahren)

3.1.1 Top-drive-Verfahren

3.1.2 Die Bohrwerkzeuge

3.1.3 Muti-Frac-Verfahren

3.1.4 Intelligentes Bohren

3.1.5 Spezielle Bohrtechniken

3.1.6 Sicherung des Bohrlochs

3.1.7 Feldesentwicklung

3.1.8 Meißelantriebe

3.1.9 Vorort-Antrieb

3.1.10 Bohrkosten

3.2 Weitere Tiefbohrverfahren

3.2.1 Counterflush-Bohrsystem (indirektes Verfahren)

3.2.2 Lufthebe-Bohrverfahren (indirektes Verfahren)

3.2.3 Strahlsaug-Bohrverfahren (indirektes Verfahren)

3.2.4 Saugbohrverfahren (indirektes Verfahren)

3.2.5 Bohrlochsicherung

3.2.6 Neue Verfahren in der Bohrtechnik

Zusammenfassung

Gewinnung der Bodenschätze

Allgemeines

Gewinnung von Festgesteinen

2.1 Vorbemerkung

2.2 Erkundung

2.3 Aufschluss

2.4 Besonderheiten

2.5 Abbautechnik

2.6 Bohrtechnik

2.7 Gerätebeispiele

2.8 Sprengtechniken

2.8.1 Kesselsprengungen

2.8.2 Lassensprengungen

2.8.3 Schnüren

2.8.4 Knäppersprengung

2.8.5 Gefährdung durch Steinflug

2.8.6 Mischladetechnologie

2.9 Laden und transportieren

2.10 Einige Beispiele von Hartgestein- und Tonabbau

2.11 Rekultivierung und Umweltschutz

Gewinnung von Kies und Sand

3.1 Allgemeines

3.2 Gewinnungsverfahren

3.2.1 Trockengewinnung

3.2.2 Nassgewinnung Kies und Sand

3.2.3 Gerätebeispiele

3.3 Quarzsandgewinnung

3.3.1 Allgemeines

3.3.2 Nassabbau

3.3.3 Rekultivierung

3.3.4 Trockenabbau

Torfgewinnung

4.1 Allgemeines

4.2 Historischer Rückblick

4.3 Wirtschaftliche Bedeutung

4.4 Verwendung heute

4.5 Kultursubstrat

Braunkohle

5.1 Allgemeines

5.2 Rheinisches Braunkohlenrevier

5.2.1 Allgemeines

5.2.2 Grundsätzliches zum Abbau

5.2.3 Wasserhaltungen

5.2.4 Tagebau Garzweiler

5.2.5 Tagebau Hambach

5.2.6 Tagebau Inden

5.2.7 Die Kraftwerke der RWE Power

5.2.8 Rekultivierung

5.2.8.1 Allgemeines

5.2.8.2 Gesetzliche Regelungen

5.2.8.3 Landwirtschaftliche Rekultivierung

5.2.8.4 Forstliche Rekultivierungen

5.2.8.5 Ökologie

5.3 Lausitzer Braunkohlenrevier

5.3.1 Allgemeines

5.3.2 Tagebau Wetzlow-Süd

5.3.3 Tagebau Nochten

5.3.4 Tagebaue Jänschwalde und Cottbus-Nord

5.3.5 Die Kraftwerke

5.3.6 Rekultivierung

Steinkohle

6.1 Allgemeines

6.2 Vorkommen und Entwicklung

6.3 Vorplanung

6.4 Aus- und Vorrichtung

6.5 Das Füllort und Strecken

6.6 Streckenvortriebe

6.7 Die Gewinnung

6.8 Transport vom Streb zum Schacht

6.9 Bewetterung und Kühlung

6.10 Hohlräume

6.11Wenn sich die Tagesoberfläche senkt

6.11.1 Allgemeines

6.11.2 Entstehung und Folgen der Bergschäden

6.12 Anthrazit Ibbenbüren

6.12.1 Allgemeines

6.12.2 Geologie und Lagerstätte

6.12.3 Gewinnung

6.12.4 Rekultivierung

6.12.5 Steinkohle-Kraftwerke

Salz und Kali

7.1 Allgemeines

7.2 Das Werra Kalirevier

7.2.1 Allgemeines

7.2.2 Die Gewinnung

7.2.3 Untertagewerkstatt

7.2.4 Bewetterung

7.3 Untertagedeponie von Abfällen

7.4 Aufbereitung und Verarbeitung

7.5 Besucherbergwerk Merkers

7.6 Umweltschutz und Rekultivierung

7.7 Das Südwestdeutsche Salzrevier

7.7.1 Allgemeines

7.7.2 Die Entdeckung des Vorkommens und der Abbau

7.7.3 Weiterverarbeitungen

7.7.4 Ein neuer Schacht wird abgeteuft

7.7.5 Abbau im Nassverfahren

7.7.6 Die alte Soleleitung

7.7.7 Natursolevorkommen Bad Reichenhall

7.7.8 Abfall- und Schadstoffentsorgung und Versatz

7.7.9 Besucherbergwerke

7.7.10 Traditionen

7.7.11 Historisches zum Salz

Erdöl und Erdgas

8.1 Allgemeines

8.2 Überwindung ungünstiger geol. Verhältnisse

8.3 Öl- und Gasreserven

8.4 Förderung

8.5 Horiontalbohrtechnik und Multi-Frac-Technik

8.6 Erdöl-Förderung

8.7 Sekundär- und Tertiärverfahren

8.8 Offshore-Förderung in der Nordsee

8.9 Erdölförderung im Wattenmeer

8.10 Erdöl-Aufbereitung

8.11 Exploration und Produktion 2007

8.12 Kurzfassung

8.13 Einleitung

8.14 Bohrtätigkeit

8.15 Explorationsbohrungen

8.16 Aufschlussbohrungen

8.17 Teilfeldsuchbohrungen im Gebiet Elbe-Weser

8.18 Feldesentwicklungsbohrungen

8.19 Bohrmeter

8.20 Aktuelle Kennzahlen der Erdöl- und Erdgasförderung

8.21 Erdgasspeicher

8.21.1 Allgemeines

8.21.2 Grundzüge der Untertage-Gasspeicherung

8.21.3 Lage und Kenndaten der Erdgas und Erdölspeicher

8.21.4 Speicher aus der Solegewinnung

8.21.5 Rekultivierung

8.21.6 Historik der Öl- und Gasgewinnung in Deutschland

GEOTHERMIE

Allgemeines

Geothermiequellen

2.1 Allgemeines

2.2 Niedertemperatur-Geothermiequellen

2.3 Mitteltemperatur-Geothermiequellen

2.4 Hochtemperatur-Geothermiequellen

Gewinnungsarten

3.1 Erdwärmesonden

3.1.1 Allgemeine

3.1.2 Systembeschreibungen

3.1.3 Funktion einer erdgekoppelten Wärmepumpe

3.1.4 Erdwärmesonden-Felder

3.2 Bohr- und Einbautechnik für Erdwärmesonden

3.2.1 Allgemeines

3.2.2 Bohrverfahren

3.2.3 Einbau der Sondenrohre

3.2.4 Verpressung der Sondenbohrung

3.2.5 Bohrdurchmesser und Sondenrohre

3.2.6 Bohrrohre, Innengestänge und Bohrköpfe

3.2.7 Auswahl der Bohranlage

3.3 Erdberührte Bauteile

3.3.1 Allgemeines

3.3.2 Energiepfähle

3.3.3 Energie-Spiralkörbe

3.3.4 Erdwärmekörbe

3.3.5 Erdwärmekollektoren

3.4 Neuere Entwicklungen

3.5 Energie aus dem Grundwasser

3.5.1 Voraussetzungen

3.5.2 Lage der Brunnen

3.6 Saisonale Wärmespeicher

3.7 Erdwärmegewinnung aus Tunneln und Bergbauanlagen

Genehmigungsverfahren

4.1 Gesetzliche Grundlagen

Zusammenfassung

WASSER – WALD – BODEN

Allgemeines

Das Wasser

2.1 Allgemeines

2.2 Wasserverbrauch

2.3 Wasserversorgung

2.3.1 Trinkwasserspeicher Europa

2.3.2 Einzugsgebiet

2.3.3 Wasserinhalt

2.3.4 Trinkwasser aus dem Bodensee

2.3.5 Durchfluss

2.3.6 Schichtung

2.3.7 Die Wassergewinnung

2.3.8 Die Wasseraufbereitung

2.3.9 Die Wasserverteilung

2.3.10 Die Wasserqualität

2.3.11 Das Pfahldorf am Bodensee

2.4 Wasservorräte bzw. -speicher in Deutschland

2.5 Flüsse und Kanäle

2.6 Derzeitige Entwicklung

Der Wald

3.1 Allgemeines

3.2 Die Bedeutung des Waldes

3.3 Waldboden filtert und reinigt das Wasser

3.4 Der Wald trägt wesentlich zum Landschaftsbild bei

Der Boden

4.1 Allgemeines

4.2 Entstehung und Entwicklung von Böden

4.3 Bedeutung des Humus

4.4 Schadstoffe im Boden

4.4.1 Schwermetalle

4.4.2 Organische Schadstoffe

4.5 Bodennutzung

4.6 Schlusswort

CO2-SPEICHERUNG

CCS – Was ist das?

Wo wird das Verfahren angewandt?

Wie gefährlich ist CO2?

Die CO2-Speicherung

Speicherungsforschung in Deutschland

Beispiel aus Norwegen

ERG-Pilotprojekt Altmark

Weitere Forschungen und Entwicklungen

8.1 Postcombustion – Rauchgaswäsche

8.2 Precombustion – Kohlevergasung

8.3 Oxyfuel-Verfahren

Die Rolle der Politik

RESÜMEE

Allgemeine Situation

Preis-Situation Kohle und Erz

Rohstoffsituation und Vorräte

Schlussfolgerung aus der Sicht des Autors

Literaturverzeichnis

Quellenverzeichnis

Hinweis zum Inhalt

Vorwort

Die Bodenschätze unserer Mutter Erde sind natürliche Anreicherungen nutzbarer Rohstoffe, die als ober- und unterirdische Lagerstätten in der Erdkruste vorkommen. Sie sind Ausgangsstoffe für einen weiteren Verarbeitungsprozess. Die Gewinnung bzw. der Abbau erfolgt, wenn sie von volkswirtschaftlichem Nutzen sind. Die Erschließung (Prospektion) und Gewinnung (Förderung) der Rohstoffe aus den Lagerstätten sind Tätigkeitsbereiche des Bergbaus und der bergbaunahen Betriebe, wobei hierzu auch die Aufbereitung bestimmter Rohstoffe wie Kohle, Erze, Erdöl, Salze, Gesteine und Erden gehören. Der Abbau erfolgt

bei ob erflächennahen Lagerstätten im Tagebau und

bei tiefer liegenden im Untertagebau.

Neben den Grundlagen der Geologie und Mineralogie wird die Erkundung (Exploration) und Förderung bzw. Gewinnung der Bodenschätze ausführlich beschrieben. Weitere Themen sind die Bohrtechnik, die Geothermie, der Bereich Wasser-Wald-Boden und die Speicherung von CO2 im Untergrund.

Die Bodenschätze und damit der Bergbau haben nicht mehr die wirtschaftliche Bedeutung in Deutschland als Basis für ein Industrieland. Bei vielen Rohstoffen hat Deutschland die Förderung – insbesondere von Erzen – aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt, obwohl z. T. noch große Vorkommen vorhanden sind. Hier sind wir inzwischen vollkommen auf Importe angewiesen. Dazu gehören insbesondere die Erze und mit der Steinkohle ist ähnliches geplant. Die Förderung soll hier 2018 ebenfalls gänzlich eingestellt werden.

Trotz etwas sinkender Fördermengen ist Deutschland mit Abstand weltweit der größte Produzent von Braunkohle mit modernster Abbautechnik und modernen Kraftwerken.

Die Stromproduktion aus Braunkohle deckt einen wesentlichen Teil des Gesamtbedarfs. Große Anstrengungen werden hier in Hinblick auf die Rekultivierung gemacht. Besonders in den deutschen Braunkohlerevieren besteht erheblicher Nachholbedarf durch den Raubbau des ehemaligen Regimes.

Bei Kalisalz und sonstigen Salzen – dem weißen Gold – stehen wir an dritter Stelle in der Weltproduktion.

Anders verhält es sich bei der Steinkohle, die sich in älteren geologischen Schichten befindet und aus Tiefen bis 1.500 m gefördert werden muss. Trotz ständig steigender Förderleistung und einer der modernsten Anwendungstechniken der Welt, konnten die Produktionskosten nicht auf das Niveau der Kosten auf dem Weltmarkt gebracht werden. Wegen der hohen Staatssubventionen wurden laufend modernste Förderzechen nicht nachvollziehbar geschlossen. Die wirtschaftliche Bedeutung der vorhandenen Bodenschätze hängt jedoch nicht nur von Massenproduktionen ab. Deutschland ist bei vielen Rohstoffen vom Import unabhängig. Hierzu gehören die Steine und Erden (Quarzsand, Kies, Basalt, Sandstein, Kalkstein und Ton). Über 7.66 Mio. Tonnen Quarzsand werden z. B. jährlich exportiert und sind somit an der Exportleistung Deutschlands maßgeblich beteiligt.

Eine Besonderheit sei hierzu erwähnt. Es ist das Bergwerk der „Staatlichen Porzellan-Manufaktur Meißen in Seilitz. Das kleinstes Bergwerk Deutschlands und die älteste noch in Betrieb stehende Untertage-Kaolingrube in Europa ist von großer Bedeutung für die regionale Wirtschaft. Im engeren Sinne bietet die Grube heute Arbeit für drei Bergleute, im weiteren Sinne jedoch für etwa 900 Meißener Manufakturisten in der „Staatlichen Porzellan-Manufaktur Meißen, in der das weltberühmte „Meißener Porzellan" hergestellt wird. Hier zeigt sich, dass es nicht unbedingt große Massenproduktionen sind, die die Bodenschätze Deutschlands ausmachen.

Die großen Tuffvorkommen in der Eifel erlauben eine umfangreiche Bausteinindustrie und sichern viele Arbeitsplätze.

Im Westerwald prägen die Ton-Kaolinvorkommen eine ganze Region, das Kannebäcker Land. Durch modernste Bohr- und Fördertechnik wird versucht, den Anteil der Gewinnung von Rohöl und Gas in Deutschland zu steigern. Die deutsche Gasförderung deckt z. B. mit 20 % des Gesamtverbrauchs.

Die rohstoffgewinnenden Unternehmen sichern etwa 220.000 Beschäftigte direkt sowie 500.000 indirekt ihren Arbeitsplatz.

Zu den Bodenschätzen müssen auch die fruchtbaren Böden gezählt werden, die eine umfangreiche Landwirtschaft und weltbekannte Weinproduktion ermöglichen.

Die großen Waldgebiete liefern nicht nur Holz, sondern speichern und filtern auch das Wasser. Deutschland verfügt über etwa 400 Stauseen. Insgesamt 13 natürliche Seen haben eine Fläche von etwa 1100 km². Von großer Bedeutung ist dabei der Bodensee (das „Badische Meer") mit einer Fläche von 535,9 km²und einer jährlichen Trinkwasserleistung von 130 Mio. m³.

Für die Untertage-Speicherung von CO2 laufen mehrere Pilotprogramme, die wesentlich zur CO2-Austoßminderung im Kraftwerkbereich beitragen werden. Diese Technik und neue Kraftwerksentwicklungen mit wesentlich geringeren CO -Belastungen der Umwelt sind ebenfalls Teil des Buches.

Deutschland darf sich glücklich schätzen, über so vielseitige Ressourcen zu verfügen, wodurch viele kleine und mittelständige Betriebe vom Export unabhängig produzieren können. Ohne seine Bodenschätze wäre Deutschland nie zu dem Industrieland geworden, das wir kennen. Der Zweck des Buches ist, auf die einzelnen Bodenschätze näher einzugehen. Es soll Schülern der fortbildenden und berufsbegleitenden Schulen, Berufsschulen und Studenten der Fachrichtungen Geo- und Naturkundetechnik eine Studienhilfe sein.

Den Bewohnern unseres schönen Landes soll dieses Buch aber auch näher bringen, wie aufwendig die Gewinnung der Bodenschätze ist und wie wichtig Wasser, Wald und Boden sind. Es soll aber auch zeigen, welch gewaltige Aufwendungen für die Rekultivierung der Abbauflächen gemacht werden, um die Schäden des Abbaus zu minimieren.

Ein Wort zum Schluss: Bekannte und Freunde, mit denen ich über mein Buchprojekt gesprochen habe, stellten mir die Frage: „Haben wir den überhaupt Bodenschätze in Deutschland?" Viele Mitmenschen verstehen leider unter Bodenschätze nur Gold, Silber und Edelsteine.

Der Chemiker Justus von Liebig hat den folgenden Satz geprägt:

„Unter allen Edelsteinen ist Salz der kostbarste."

Murrhardt im Juli 2015

Heinrich Otto Buja

A Grundlagen der Geologie

1 Allgemeines

Wie die Geschichte aller Völker und Zeiten lehrt, hängt die Entwicklung eines Volkes, sein wirtschaftliches Leben sowie sein geistiger und kultureller Aufstieg weitgehend von der Beschaffenheit des Bodens, insbesondere den Mineralvorkommen und den Energiequellen seines Landes, ab. Auf dem Boden wachsen die für seine Ernährung und das Leben notwendigen land- und forstwirtschaftlichen Erzeugnisse. Die Gesteinsablagerungen bergen die für die Volkswirtschaft wertvollen mineralischen Rohstoffe, wie Brennstoffe, Salze und Erze. Die Erdkruste selbst baut sich aus verschiedenartigen Gesteinen auf, die Bau- und Industriezwecken dienen. In ihren Schichten fließt das zur Erhaltung des Lebens unentbehrliche Grundwasser. Auch die für die Gesunderhaltung so wichtigen Heilquellen und Mineralwässer entspringen dem Boden. Schon daraus geht hervor, welche Bedeutung eine genaue Kenntnis des Erdbodens und zwar seiner äußeren Oberflächenformen, seiner gesteinsmäßigen Zusammensetzung, seines inneren Aufbaus, seiner Mineralvorkommen und ihrer Bildungsgeschichte besitzt. Von ganz besonderem Wert sind diese Kenntnisse für den Bauingenieur, dessen Aufgabe es ist, auf bzw. in diesem Boden Gebäude, Verkehrswege (z. B. Gleisanlagen, Straßen, Tunnel) und Versorgungseinrichtungen (z. B. Trink- und Abwasserversorgung, Strom- u. Telefonleitungen) zu planen und zu bauen. Dieses Wissen soll die Geologie, d. h. die Lehre von der Erde im Sinne der Erforschung. der Erdgeschichte vermitteln. Genauer gesagt, ist unter Geologie die Lehre von der stofflichen Zusammensetzung, dem Aufbau und der Entwicklungsgeschichte unserer Erde sowie des Lebens auf der Erde zu verstehen.

Die Geologie¹ ist zwar eine beschreibende und erklärende, letzten Endes aber eine „historische" Wissenschaft.

In engster Verbindung mit der Geologie als Kernwissenschaft steht eine Reihe von Hilfswissenschaften, wie die Mineralogie, als Lehre von den Mineralen, d. h. den einzelnen Bausteinen der festen Erdkruste (Kohlen, Erze, Salze, Edelsteine und Bestandteile der Gesteine).

Weiterhin gehören zur Geologie die Gesteinslehre oder Petrographie² bzw. Petrologie und Petrochemie; d. h. Lehre von den Gesteinen (am Aufbau der Erdkruste beteiligte, aus Mineralen zusammengesetzte Mineralmassen), ferner die Versteinerungslehre oder Paläontologie³, die Lehre von den pflanzlichen und tierischen Lebewesen früherer Zeiträume, und schließlich die Lagerstättenkunde als Lehre von dem Auftreten und den Entstehungsursachen der Anhäufungen nutzbarer Bodenschätze.

Für das Verständnis über Entstehung und Aufbau der Fels- und Bodenformationen ist ein kurzer Einblick in die Geologie unerlässlich. Diese Kenntnisse unterstützen nicht zuletzt die richtige Auswahl der Bohrverfahren und Werkzeuge und damit deren Effektivität.

Als Baugrund kommt dabei nur ein ganz geringer Teil der bis zu 60 km mächtigen Erdkruste in Frage. Davon sind gerade knapp 10 km durch Bohrungen oder Bergbau erschlossen. Für den Grundbau und damit den Baugrundaufschluss sind Tiefen bis zu 100 m möglich. Bedingt durch vulkanische Tätigkeiten, Verwerfungen, Faltungen usw. muss bei den Bohrarbeiten mit den unterschiedlichsten Gesteinsarten gerechnet werden. Daher ist eine kurze Betrachtung der in diesem Bereich vorkommenden Gesteine von Vorteil. Die Beschaffenheit der festen Gesteine ist durch unmittelbare Beobachtungen an der Oberfläche und in der Tiefe (Bergbau und Bohrlöcher) bekannt.

Der weitere Aufbau des Erdkörpers, insbesondere des Erdkerns, beruht auf seismologischen sowie geophysikalischen Beobachtungen und Untersuchungen, so dass die Erkenntnisse zum Teil noch als „Hypothese" gelten müssen, kennen wir doch nicht einmal 1/1000 des Abstandes der Erdoberfläche zum Erdmittelpunkt.

Fest steht nur, dass die Wärme mit der Tiefe zunimmt, dass das Erdinnere eine hohe Wichte hat und zum Teil glutflüssig ist. Beweise für die ständige, wenn auch bisweilen unregelmäßige Zunahme der Wärme nach der Tiefe liefern uns u. a. Beobachtungen in Bohrlöchern, Bergwerken, Tunnels sowie heiße Quellen und die Vulkanausbrüche.

Aus entsprechenden Messungen in Mitteleuropa ergibt sich, dass hier im Allgemeinen eine Temperaturerhöhung von 1 °C auf je 30 m Tiefenzunahme eintritt (gegenüber um etwa 1 °C auf 50 - 120 m Tiefenzunahme z. B. auf dem amerikanischen Kontinent). Die „geothermische Tiefenstufe" ist aber durchaus nicht überall gleich.

Beachtlich ist, dass sich in etwa 25 m Teufe um die ganze Erde eine neutrale Zone (mit gleich bleibender Temperatur von + 9 °C) hinzieht. Die erheblichen Schwankungen der Außentemperatur im Sommer und Winter reichen nicht bis zu dieser Zone, sondern halten sich im Gleichgewicht. Erst von hier ab kann man von der absoluten Gebirgstemperatur sprechen, die durch die geothermische Tiefenstufe bestimmt wird.

Deutschlands tiefste Bohrung, die so genannte „Kontinentaltiefbohrung" in der Oberpfalz, musste bei 9101 m aufgegeben werden, da die plastische Zone erreicht wurde. Die tiefste Bohrung ist zurzeit noch eine Ölbohrung in Oklahoma, USA, mit 9558 m Endtiefe.

Die „Allgemeine Geologie" untersucht den stofflichen Aufbau und die Struktur der Erde, die geologischen Kräfte, Prozesse und Phänomene sowie die dahinter stehenden Gesetzmäßigkeiten. Sie unterscheidet dabei zwischen exogenen und endogenen Kräften.

Mit den Platten und ihren Bewegungen befasst sich die Plattentektonik.

Gewissermaßen als Weiterentwicklung der „theoretischen Geologie, die sich mit der Entstehung der Erde befasst, hat im Laufe der Zeit die „praktische Geologie, zu der auch die „Ingenieurgeologie" gehört und die u. a. auch für den Bereich der Bauwirtschaft maßgebend ist, an Bedeutung zugenommen. Man versteht darunter den Zweig der Geologie, der sich auf die Bedürfnisse des praktischen Lebens erstreckt.

Hierzu gehört die Beschaffenheit der Erdkruste für die Sonderzwecke der Technik und Wirtschaft (Lagerstättenkunde, Grundwasserverhältnisse, Bauwesen, Wasserwirtschaft usw.). Sie liefert für den Bereich der Bauindustrie sowie den planenden und berechnenden Ingenieuren die notwendigen Grundlagen und Parameter.

2 Erdgeschichtliche Untergliederung

2.1 Das Erdaltertum (Paläozoikum)

Vor 530 bis 245 Millionen Jahren.

Abb. A-1: Steinkohlenwald des Karbons [RWE Power]

2.2 Das Erdmittelalter (Mesozoikum)

Vor 245 bis 65 Millionen Jahren. „Zeitalter der Dinosaurier"

Abb. A-2: Dinosaurier des Erdmittelalters [V]

2.3 Die Erdneuzeit (Känozoikum)

Vor 65 Millionen Jahren bis heute

Abb. A-3: Tiere der Eiszeit (Mammut)

Folgende Seiten:

Tafel 1-A: Erdgeschichtliche Untergliederung nach „Dachroth" Teil 1

Tafel 2-A: Erdgeschichtliche Untergliederung nach „Dachroth" Teil 2

3 Aufbau des Erdkörpers

Aufgrund der vorgenannten Feststellungen und Annahmen kam man zu einer Einteilung des gesamten Erdkörpers in vier Kugelschalenzonen. (Abb. A-4).

Abb. A-4: Kreisausschnitt des Erdkörpers – Klammerwerte = Dichte (t/m³) [V]

a) Erdkruste, etwa 29 bis 56 km mächtig, aus sauren und basischen Gesteinen mit einer mittleren Wichte von etwa 26 bis 30 kN/m³.

b) Erdmantel, etwa 1200 km mächtig, aus den kieselsauren Verbindungen der Leicht- und Schwermetalle mit einer mittleren Wichte von etwa 34 kN/m³.

c) Zwischenschicht (Chalkossphäre⁴), etwa 1700 km mächtig, aus verschiedenen Eisenverbindungen mit einer mittleren Wichte von 64 kN/m³.

d) Eisen-Nickel-Kern (Barysphäre⁵), etwa 3500 km mächtig, vorwiegend aus Eisen (etwa 90 %) sowie Nickel, Platin, Gold und anderen Bestandteilen. Die mittlere Wichte wird mit 90 bis 100 kN/m³ angenommen.

3.1 Die Erdkruste

Aufbau und Form der Erdkruste werden bestimmt durch exogene (äußere) und endogene (innere) Kräfte.

3.1.1 Exogene (äußere) Kräfte

Exogene Kräfte wirken von außen; dazu gehören Luft (Wind), Wasser, Eis, die Sonneneinstrahlung. Exogene Vorgänge sind u. a. Erosion, Verwitterung und Sedimentation; sie sind maßgebend für die Entstehung der Böden.

Die an einer Freilegung der Festlandsoberfläche durch Verwitterung bzw. flächenhafte Erniedrigung der Geländeformen beteiligten Abtragungskräfte werden unter dem Begriff der Denudation zusammengefasst. Ihr Endziel ist die Einebnung von Hochflächen zu Rumpfflächen. Sie erfolgt durch die zwar langsam, aber pausenlos fortschreitende Ausräumung und Wegführung des verwitterten Gebirgsschuttes durch Regen, Eis und Wind (Erosion).

Durch die Erosion werden Gesteine und Minerale der Erdoberfläche, besonders die durch Verwitterung entstandenen Lockermassen und Böden, abgetragen und in ein tieferes Niveau verfrachtet. Unterschieden wird Erosion durch fließendes Wasser, durch Gletscher (Exaration⁶, durch Wind (Deflation, Ablation) und durch die Brandung an Meeresküsten (Abrasion).

Die Erosion hat die Tendenz – im Gegenspiel mit den erdinneren Kräften – die Relief- und Niveauunterschiede der Erdoberfläche auszugleichen und Gefälle zu verflachen (Abb. A-5).

Abb. A-5: Durch Sandschliff (Deflation) entstandene Gesteinsreliefs [V]

Neben der abblasenden und transportierenden Tätigkeit (z. B. Dünen) leistet der Wind auch noch eine ausnagende Arbeit (Deflation, Ablation). Er greift den durch die Wirkung der Sonnenbestrahlung zermürbten Felsen durch den ständigen Anprall der von Wind bewegten Sandkörnchen (gleichsam wie ein Sandstrahlgebläse) mehr oder weniger stark an und schleift ihn dabei ab.

Auf diese Weise entstehen ausgeprägte Gesteinsreliefs, besonders, wenn härtere und weichere Gesteinsbänke miteinander wechsellagern.

Die Meeresbrandung (Abrasion) hat einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung der Küste und anschließender Landgebiete. Hierbei wirkt sowohl die Kraft der Meereswogen als auch der Angriff der der Küste vorgelagerten und durch die Wellen bewegten Gesteinstrümmer auf diese ein.

Die Wirkung des Meeres setzt vielfach mit der Herausbildung einer Brandungshohlkehle (Abb. A-6a) ein. Je nach der Beschaffenheit des Gesteins kommt es dabei nicht selten zu merkwürdigen Bildungen wie Felsentore (Abb. A-6b), Grotten, Felsnadeln u. a. Im Laufe der Zeit kann die gesamte Steilküste landeinwärts rücken. Gleichzeitige Senkung des Landes unter den Meeresspiegel beschleunigt diese Vorgänge.

Eindrucksvoll ist die Arbeit von fließendem Wasser, die unter anderem zu sonderbaren Erscheinungen führt. So hat das Wasser Am Ritten bei Bozen Erdpfeiler „Erdpyramiden" herausgewaschen (Abb. A-7).

Abb. A-6a: Durch Abrasion (Einfluss der Meeresbrandung) entstandene Gesteinsreliefs

Abb. A-6b: Durch Abrasion entstandene Hohlkehle

Abb. A-7: Erdpyramiden bei Bozen [V]

3.1.2 Endogene (innere) Kräfte

Endogene Kräfte wirken aus dem Erdinneren. Sie gehen auf thermische Energie zurück, denn die Erde wird durch radioaktiven Zerfall aufgeheizt, und sie enthält Restwärme ihres ehemals glutflüssigen Urzustandes. Wärmeunterschiede bewirken Dichteunterschiede. Diese versuchen sich durch Bewegung auszugleichen. Die dadurch hervorgerufenen Kräfte sind für Plattenbewegungen, Vulkanismus und Platonismus, für Erdbeben sowie Hebungen und Senkungen der Erdkruste verantwortlich.

Die Tektonik untersucht speziell die Strukturen, Deformationen und Störungen der Erdkruste (z. B. Schichten, Falten, Verwerfungen). Mit den Platten und ihren Bewegungen befasst sich die Plattentektonik.

Die Vulkane sind eine Landschaftsform, die auf dem Festland oder auf dem Meeresboden durch vulkanische Aktivitäten, insbesondere durch die Förderung von Lava, vulkanischen Lockermassen und Gasen entstanden ist. Das Magma dringt aus dem Erdinneren durch einen oder mehrere Schlote oder durch Spalten an die Erdoberfläche. Aus der erstarrten Lava und dem vulkanischen Lockermaterial (Vulkanite) baut sich der flache, deckenförmige oder kegelförmige Vulkan auf (Abb. A-10). Je nach der Zusammensetzung der Lava kann diese relativ ruhig ausfließen oder aber explosionsartig ausbrechen.

Am Ort der Eruption bildet sich meist ein Krater (Abb. A-8), der vielfach als Kratersee (Maar) ausgebildet ist (Abb. A- 9).

Nach Form und Aufbau des Vulkans werden u.

a. unterschieden in Schildvulkan, Schichtvulkan und Stratovulkan. Die Zahl der heute oder in historischer Zeit aktiven Vulkane wird auf etwa 500 geschätzt, wobei untermeerische Vulkane oder gletscherbedeckte Vulkane nicht berücksichtigt sind. Vulkane sind besonders zahlreich an den aktiven Rändern von Platten.

Abb. A-8: Schematische Darstellung eines Vulkans [V]

Abb. A-9: Schematischer Querschnitt durch ein Maar der Eifel [V]

Für die weiteren Betrachtungen wollen wir uns nur mit der Erdkruste befassen. Diese besteht aus den zwei Gesteinsarten-Hauptgruppen, und zwar:

Festgesteine und Lockergesteine

4 Die Festgesteine

Die Festgesteine werden unterteilt in:

Erstarrungsgesteine oder Eruptivgesteine

Kristalline Schiefer oder metamorphe Gesteine

Schichtgesteine oder Sedimentgesteine

Die Erstarrungsgesteine lassen sich weiter unterteilen in die

Tiefen- und Ganggesteine (hierzu gehören: Granit, Gabbro, Diorit)

Ergussgesteine (hierzu gehören: Quarz, Basalt, Diabas)

Kristalliner Schiefe (hierzu gehören: Gneis, Glimmerschiefer)

Schichtgesteine.

Abb. A-10: Verschiedenartige Gesteinsablagerungen der Erstarrungsgesteine im Hinblick auf ihre Entstehung [V]

4.1 Tiefen- und Ganggesteine

Bei den Tiefen- und Ganggesteinen handelt es sich um Erstarrungsgesteine, die aus der Erdtiefe in Form lavaartiger Gesteinsschmelzen von hoher Temperatur unter Luftabschluss erkaltet und erstarrt sind. Vielfach ist das begrenzende Kontaktgestein durch die Hitzewirkung verändert. Zu den wichtigsten Vertretern gehören Granit (Abb. A-11), Syenit, Diorit, Gabbro, Diabas, Quarzporphyr und Piridoit.

Hiervon ist der Granit wohl der bekannteste und am weitesten verbreitete Vertreter. Er hat ein sehr feines Gefüge und besteht vorwiegend aus Feldspat, Quarz und Glimmer. Kennzeichnend für den Granit ist seine besonderen Gesetzen unterworfene Teilbarkeit und Klüftung. Er bildet den Kern vieler deutscher Mittelgebirge und der Alpen.

Abb. A-11: Beispiel für Granit mit deutlich großen Feldspatanteilen [V]

4.2 Ergussgesteine oder Vulkanite

Die Ergussgesteine stellen aus der Tiefe hochgestiegene und an der Erdoberfläche (bzw. am Meeresboden) schnell ohne Luftabschluss erstarrte Eruptivmassen dar, die meist ausgedehnte Decken bilden. Infolge des stark verminderten Druckes konnten die Gase schneller entweichen, so dass die Ausbildung der Einzelkristalle eine sehr unvollkommene war.

Abb. A-12: Vulkanische Basaltsäule in Wyoming [TMA]

Ergussgesteine und Vulkanite sind der beste Baugrund. Sie haben die größte Tragfähigkeit und geben unter den Bauwerkslasten so gut wie nicht nach. Außerdem sind sie hervorragend als Baustoff verwendbar (Straßenbau, Stützmauern usw.). Zu den Ergussgesteinen zählen ebenfalls die so genannten Tuffe. Diese sind aus lockeren Auswurfmassen (Vulkanasche) entstanden, die nach ihrem Absatz durch plötzliche Entgasung bzw. Quellung wieder zu festen Gesteinen wurden und sehr häufig geschichtet sind (Abb. A-12). Je nach Ursprungsgestein werden die Tuffe unterteilt in: Porphyr-, Diabas-, Trachyt-, Phonolith- und Basalttuffe. Große Vorkommen von Die Gesteine zeigen daher meist eine feste kristalline Grundmasse oder Einzelkristalle als Einsprenglinge. Bei noch schnellerer Erstarrung wird ihre Beschaffenheit „glasig oder „schaumig. Zu den Ergussgesteinen zählen u. a. Basalt (Abb. A-12 + A-13), Quarz, Trachyt, Diabas, Porphyr, Leparit, Dolerit und Andesit.

Abb. A-13: Basaltstirnflächen [V]

Tuffen, die ebenfalls größtenteils schichtartig gelagert sind, kann man in der Eifel antreffen.

Abb. A-14: Tuffgestein (Vorkommen in der Eifel) [V]

4.2.1 Wichtige Vulkangesteine

Granit (Abb. A-11) ist ein fein- bis grobkörniges, kristallinisch gemengtes, magmatisches Gestein mit richtungslos-körniger Struktur. Es setzt sich aus Feldspat, Quarz und Glimmer sowie kleinen Anteilen weiterer Minerale wie Zirkon, Apatit, Magnetit, Ilmenit und Titanit zusammen. Er ist hell, meist grau oder leicht rötlich, und mit dunkleren Kristallen gesprenkelt. Granit ist ein Tiefengestein, das in größeren Tiefen der Erdkruste aus einem Magma erstarrt. Vom Magmaherd können Gänge ausstrahlen, in denen sich der grobkörnige Pegmatit bildet. Granit gehört zu den verbreitetsten Gesteinen der Erdkruste.

Die Dichte von Granit beträgt 2,63 bis 2,75 g/cm³. Seine Bruchfestigkeit reicht von 7 bis 30 kN/cm². Granit hat eine höhere Festigkeit als Sandstein, Kalkstein und Marmor und ist folglich schwieriger abzubauen.

Da er äußerst widerstandsfähig gegen Witterungseinflüsse ist, dient er als vielseitiges Baumaterial, z. B. für Pflastersteine, Brückenpfeiler o. ä. Er kommt hauptsächlich in geologisch älteren Gebirgen vor, z. B. im Schwarzwald oder im Bayerischen Wald, und bildet dort das so genannte Grundgebirge.

Basalt ist das verbreitetste vulkanische Gestein. Es ist ein feinkörniges, dichtes und dunkles, graues bis schwarzes Gestein. Es enthält Feldspat, Quarz und Foide sowie Spuren von Hornblende, Pyroxene, Biotit, Olivin, Magnetit, Ilmenit und Apatit. Basalt sondert oft bei der Erstarrung der Lava schöne polyedrische (vielflächige) Säulen ab (Abb. A-12 + A-13), die senkrecht zur Abkühlungsfläche stehen. Er bildet Kuppen und mächtige Decken und Plateaus. Basalt ist ein besonders zähes und wetterfestes Gestein; es wird u. a. zu Gleisschotter und Splitt verarbeitet. Basalt kommt in Deutschland u. a. im Siebengebirge, Westerwald, Vogelsberg und in der Rhön vor.

Diorit (Abb. A-15), ein klein- bis mittelkörniges Tiefengestein von meist grauer oder dunkelgrauer Farbe, wird in Form von Nadeln oder Körnern sowie beigemengter Hornblende auch Grünstein genannt. Diorit besteht vorwiegend aus Feldspat, Quarz und geringeren Mengen Hornblende, Augit, Biotit, Titanit, Apatit, Zirkon und Granat.

Abb. A-15: Quarz-Diorit [V]

Porphyr (griechisch porphyros: purpur), ist ein Eruptivgestein, das große, gut ausgebildete, in einer feinkörnigen Masse eingebettete Kristalle besitzt, die in einer dichten, gleichartigen bis glasartigen Grundmasse abgelagert sind. Die feinkörnige Matrix nennt man Grundmasse