Bromidcharakteristika und Deformationsmechanismen von natürlich deformiertem Steinsalz des Deutschen Zechsteinbeckens

Die vorliegende Dissertation beinhaltet die Ergebnisse von vier Studien, die sich mit geochemischen Charakteristika und Deformationsmechanismen von Steinsalz befassten. Die Studien konzentrierten sich vor allem auf das Steinsalz der Staßfurt-Folge (Zechstein 2) und die Proben stammen aus verschiedenen Salzlagerstätten Deutschlands und der Niederlande. Die erste Studie untersuchte den Zusammenhang zwischen Deformationsintensität und Bromidcharakteristika im Steinsalz. Dazu wurde die Bromidverteilung eines definierten stratigraphischen Abschnitts (Hauptsalz) der Staßfurt-Folge (Zechstein 2) in drei Salzlagerstätten untersucht, wobei Salz aus flacher Lagerung (Teutschenthal) mit Salzen aus Salzdomen (Morsleben, Gorleben) verglichen wurden. Der Vergleich der verschiedenen Lokalitäten ergab folgende Ergebnisse: (1) Der charakteristische Verlauf des Bromidprofils ist sowohl in flach gelagerten Salzen als auch im stärker deformierten Salz der Salzdome zu erkennen. (2) Die Streuung der Bromidgehalte entlang der gleitenden Durchschnittskurve ist in den Salzen aus Morsleben und Gorleben geringer als in Teutschenthal, insbesondere im unteren Bereich des Hauptsalzes. (3) Im unteren Bereich des Hauptsalzes von Morsleben und Gorleben wurden keine Kristallbrocken beobachtet. Die geringere Streuung der Bromidgehalte im Salz von Salzdomen sowie das Fehlen von Kristallbrocken sind einerseits klare Anzeichen für den Einfluss von Verformungsprozessen während der Salzdomentstehung. Es zeigt, dass diese Prozesse mit einer Umverteilung von Bromid verbunden sind, was schließlich zu einer Homogenisierung der ursprünglich stärker variierenden Bromidgehalte führte. Andererseits zeigt der charakteristische Verlauf des Bromidprofils in allen drei Lokalitäten, dass großmaßstäbliche Brekziierung, Faltungsprozesse oder zirkulierende bromidreiche Fluide während der Entstehung der Salzdome nur eine untergeordnete Rolle gespielt haben können. Das Thema der zweiten und dritten Studie dieser Arbeit war der für die Staßfurt-Formation (Z2) charakteristische, laminierte Halit-Typ Kristallbrocken. Die Untersuchungen der beiden Studien sollten dazu beitragen, diesen Halit-Typ besser zu verstehen und bisher ungeklärte Fragen bezüglich Struktur, Bildung und Deformation beantworten zu können. Röntgentexturmessungen an 4 Kristallbrocken-Proben aus der Salzlagerstätte Teutschenthal zeigten, dass es sich bei diesem Halit-Typ um Einkristalle handelt und sie als Relikte von vormals größeren Einkristalllagen angesehen werden können. Detaillierte mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Internlamination der Kristallbrocken aus verschiedenen Arten von Sulfateinschlüssen (Anhydrit, Polyhalit) besteht. Besonders charakteristisch sind dabei Anhydritaggregate, die von Lösung umgeben sind. Durch die ursprüngliche Größe der Einkristalllagen, deren hohen Anteil an relativ großen Festeinschlüssen sowie ihre charakteristischen sedimentären Merkmale erscheint es sehr unwahrscheinlich, dass die laminierten Einkristalle direkt aus der Lösung gebildet worden sind. Viel wahrscheinlicher ist, dass ursprünglich ein feinkörniges, laminiertes Halitsediment vorhanden war, welches in einem postsedimentären Kornwachstumsprozess zu monokristallinen Kristallbrocken umgewandelt wurde. Eine plausible Erklärung für die Entstehung der charakteristischen Anhydritaggregate ist, dass zunächst Gipskristalle im Halitsediment eingeschlossen wurden, welche sich im später gebildeten Kristallbrocken in Anhydrit umwandelten. Die Volumenreduktion sowie die Freisetzung von Wasser bei einer vollständigen Gips-Anhydrit-Umwandlung erklären das heutige Aussehen dieser Festeinschlüsse im Kristallbrocken. Das bruchhafte Deformationsverhalten der monokristallinen Kristallbrocken kann durch die ursprüngliche Größe sowie die große Anzahl von Festeinschlüssen erklärt werden, denn dadurch verhält sich dieser Halittyp gegenüber der umgebenden fein- bis grobkörnigen Steinsalzmatrix rheologisch kompetenter. Die Ziele der vierten Studie waren die Untersuchung von Texturen in natürlich deformierten Salzgesteinen und deren Korrelation mit Mikro- und Makrostrukturen sowie der gesamten Salzstruktur. Die vorliegende Dissertation präsentiert die Ergebnisse der ersten Neutronentexturanalysen von vier Proben aus den Salzlagerstätten Teutschenthal, Morsleben und Gorleben. Die Proben aus Morsleben und Gorleben zeigen eine deutliche Kornformanisotropie, während die Proben aus Teutschenthal nur eine schwache Kornlängung aufweisen. Die Polfiguren aller Proben zeigen keine kristallographische Vorzugsorientierung (Textur). Das Fehlen einer Textur deutet darauf hin, dass intrakristalline Deformationsmechanismen keine oder nur eine untergeordnete Rolle bei der Deformation dieser Salze gespielt haben können. Es müssen daher alternative Deformationsmechanismen in Betracht gezogen werden wie z.B. Drucklösungsprozesse, Diffusionskriechen oder flüssigkeitsgestützte Korngrenzmigration.This dissertation includes four studies that were concerned with geochemical characteristics and deformation mechanisms of rock salt. The studies focused especially on the rock salt of the Stassfurt Formation (Zechstein 2) and samples were taken from different salt deposits of Germany and the Netherlands. The first study investigated the relationship between deformation intensity and bromide characteristics of the rock salt. For this, the bromide distribution of a defined stratigraphic section (Hauptsalz) of the Stassfurt Formation (Zechstein 2) was investigated in three salt deposits, with bedded salt (Teutschenthal) compared to domal salts (Morsleben, Gorleben). The comparison between the locations yielded the following findings: (1) The characteristic trend of the bromide profile can be observed in both the bedded and the more intensely deformed domal salts. (2) The dispersion of bromide contents along the running average curve is lower in Morsleben and Gorleben than in Teutschenthal, especially in the lower half of the Hauptsalz. (3) The Kristallbrocken are absent in the lower half of the Hauptsalz of Morsleben and Gorleben. On the one hand, the lower dispersion of the bromide contents in the domal salts and the absence of the Kristallbrocken are clear indications for the influence of salt migration-related processes on the bromide distribution characteristics. It shows that these processes are associated with a redistribution of bromide, which eventually results in a homogenisation of the originally varying bromide contents. On the other hand, preservation of the characteristic trend in all bromide profiles indicates that large-scale brecciation, folding processes, or circulating bromide-rich fluids could play only a minor role during the formation of the salt domes. The topic of the second and third study of this work was the laminated halite type Kristallbrocken that is characteristic for the Stassfurt Formation (Z2) rock salt. The investigations of both studies contributed to the understanding of the structure, the formation and the deformation mechanisms of this halite type. X-ray texture analyses on 4 Kristallbrocken samples from the salt deposit Teutschenthal demonstrated that the Kristallbrocken are single crystals and that they can be regarded as relics of formerly larger single crystal-layers . Microscopic investigations showed that the internal lamination of the Kristallbrocken consists of several types of sulfate inclusions (anhydrite, polyhalite). Especially characteristic are anhydrite aggregates with surrounding brine. The original size of the monocrystalline beds, their high amount of relatively large solid inclusions as well as the characteristic sedimentary features make it unlikely that these laminated single crystals were grown directly from a solution. A more probable scenario is that an originally fine-grained, laminated halite sediment was converted into monocrystalline Kristallbrocken in a post-sedimentary grain growth process. A plausible explanation for the formation of the characteristic anhydrite aggregates is that, initially, gypsum crystals were incorporated in the halite sediment, which converted into anhydrite within the later formed Kristallbrocken. The solid volume reduction as well as the release of water in consequence of a complete gypsum-anhydrite conversion explains the present appearance of the characteristic solid inclusions within the Kristallbrocken. The brittle deformational behavior of the monocrystalline Kristallbrocken can be explained by the originally large size and the high amount of solid inclusions forming the internal lamination, since these features make this halite type behave rheologically more competent compared to the surrounding fine- to coarse-grained polycrystalline rock salt. The aims of the fourth study were the investigation of textures in naturally deformed rock salt and their correlation with micro- and macrostructures as well as large scale salt structures. This dissertation presents the results of first neutron texture measurements on four samples from the salt deposits Teutschenthal, Morsleben, and Gorleben. The samples from Morsleben and Gorleben show a clear grain shape anisotropy, whereas the samples from Teutschenthal display only a weak grain elongation. The pole figures of all samples show no crystallographic preferred orientation (texture). The lack of texture indicates that Intracrystalline deformation mechanisms played no or only a minor role during the deformation of the salts. So, alternative deformation mechanisms have to be taken into account such as solution precipitation processes, diffusion creep, or fluid assisted grain boundary migration