книги / III. Internationales Kalisymposium 1965 Teil 2

durch der Broingehalt der Lösung relativ wenig, der KCl-Ge- halt dagegen deutlich erhöht. Bei fortschreitender Eindunstung geht eine Halitausscheidung der gemeinsamen SylvinHali t-Bildung voran. Es muß also eine paragenetische Brom­ verteilung auftreten. Die Sylvinbildung erfolgt jedoch im Vergleich zu rein progressiver Eindunstung bei niedrigerem Bromgehalt, aber erhöhtem Kaliumgehalt der Lösung und somit bei erhöhtem Kalium-Magnesium-Verhältnis. Die Anwendung der theoretischen Kurve für normale Eindunstungsfolge würde al­ so falsche, und zwar zu niedrige Temperaturen liefern.

Der starke Bromabfall innerhalb der untersuchten Schichten gegen das Ausgehende ist sehr wahrscheinlich auf die Ursache der synsedimentären Auflösung und Wiederausscheidung zurück­ zuführen. Dies gilt sowohl innerhalb des Bugginger Gruben­ feldes an der gut untersuchten Ostrandbegrenzung als insge­ samt für die am Beckenrand des Wittelsheimer Beckens liegen­ den Gruben "Theodor1* und "Rudolf-Alex”. Aus den randnahen Zonen, den Gruben "Am&lie" und "Marie-Louise", waren keine Proben vorhanden. Durch diese Umlagerung über die Lösungs­ phase geht übrigens kein Kalium verloren, im Gegenteil, es wird weiter angereichert auf kleinerem Raum.

Die ursprüngliche Arbeitshypothese eines dem Bromabfall ge­ gen das Ausgehende entsprechenden Temperaturgradienten von über 20 °C bei maximal 1/2 km seitlichem Abstand erfordert unwahrscheinliche geologische bzw. hydrologische Hilfsan­ nahmen, während die hier vorgelegte Erklärung durch synsedimentäre Auflösung und Wiederausscheidung durch weitere Kri­ terien gestützt werden kann.

Zunächst ist an die Tatsache der durchweg im eigentlichen Kalilager festgestellten zu niedrigen Bromverhältnisse zwi­ schen Halit und Sylvin zu erinnern (Baar und Kühn, 1962; Braitsch und Herrmann, 1964). Die bisherige, auf Baar und Kühn zurückgehende Erklärung führte diesen Tatbestand auf Nachflüsse zurück. Man muß die Art der Nachflüsse aber noch etwas genauer kennzeichnen. Wegen der auffällig niedrigen Bromgehalte im Halit kann es sich nicht um stark vorkonzen­ trierte Meerwasserlösungen handeln, etwa entsprechend der

von Baar und Kühn (1962) aufgestellten Bilanzrechnung (dortige

Lösung IV). Es kommen nur schwach vorkonzentrierte Meer­ wasserlösungen oder aber durch Auflösung von Halit in Rand­ zonen vorkonzentrierte oder gesättigte Nachflüsse in Betracht, seien es Festlandlösungen oder Meerwassernachflüsse. Aller­ dings ist der Bromgehalt der im Beckenzentrum vorhandenen Lösung, wie sich durch einfache Modellrechnungen verifizie­ ren läßt, in beiden Fällen groß gegenüber dem Bromgehalt der Nachflüsse, so daß die Art der Nachflüsse aus der Bromvertei­ lung allein grundsätzlich nicht zu bestimmen ist (vgl. Braitsch, 1962, S. 110).

Die Tatsache der innerhalb des Kalilagers annähernd konstant bleibenden Bromgehalte im Sylvin ist aber mit rein progressi­ ver Eindunstung nicht erklärbar. Innerhalb des Sylvinitflözes sollte nämlich in diesem Fall der Bromgehalt des Sylvins um etwa 20 % (bei 25 °C von 0,29 bis 0,35 Masse-%/Brom/Sylvin) ansteigen. Dieser Anstieg ist eindeutig größer als die Feh­ lergrenze der Messungen. Andererseits beweist der in Bank E im Elsaß erhaltene Carnallit insgesamt zunehmende Konzentra­ tion, was dem Verlauf der Bromgehalte scheinbar widerspricht. Die konstant bleibenden Bromgehalte sind aber erklärbar durch die Auflösung von Salzausscheidungen in Randgebieten oder Nebenbecken, wodurch der Bromgehalt der Lösung und dadurch auch der Bromgehalt der weiteren Ausscheidungen erniedrigt wird.

D i e V a r i a t i o n d e r R u b i d i u m g e h a l t e

Das Rubidium liefert einen empfindlichen Indikator für die chemische Umlagerung von Salzen. Es ermöglicht deshalb eine Prüfung mit Hilfe eines unabhängigen Merkmals. Schon Kühn (1963) hatte nachgewiesen, daß speziell eine Carnallitprobe aus dem Elsaß einen anomal hohen Rubidiumgehalt von 0,18 % aufwies, und er hatte daraus die synsedimentäre Umlagerung ("Deszendenz”) abgeleitet. Diese Frage wurde an verschiede­ nen Carnallit-Profilen aus dem Elsaß geprüft. Obwohl in kei­ ner der über 90 Proben der von Kühn angegebene hohe Rubidium­ gehalt beobachtet wurde, was aber ein rein analytisches Pro­ blem ist, kann seine Angabe bestätigt werden. Diessoll an zwei Profilen durch das Gebiet relativ großer Carnallitmäch-

Bild 3. Rubidium-Gehalte in Bank WEM - Kaliwerk Amelie,

Elsaß

tigkeit gezeigt werden: Der Rubidiumgehält, bezogen auf rei­ nen Carnallit, nimmt innerhalb des mächtigsten Profils zu­ nächst langsam ab, bleibt dann annähernd konstant bei etwa 0,1 % Rubidium pro Carnallit. In dem 2. Profil mit deutlioh reduzierter Mächtigkeit des Zyklus "Ei" geht die Abnahme gleichmäßig bis etwa 0,08 % Rubidium im Carnallit. Im oberen

Teil des Carnallit-Lagers treten wieder etwas höhere Rubi­ diumgehalte auf (Bild 3).

Auch einige Sylvinit-Proben wurden untersucht, und zwar von

der Basis des Kalilagers, ferner von der Übergangszone zu

carnallitischer Ausbildung und von Sylvinit-Einschaltungen in den Carnalliten. Der mittlere Rubidiumgehalt in 12 unter­ suchten Sylviniten von der Basis des Kalilagers beträgt etwa 57 ppm Rb/Sylvin bei einem Streubereich von 47 bis 67 ppm. Er ist. nur etwa halb so hoch wie in den 6 untersuchten Syl­ viniten unmittelbar unter dem Carnallit, die im Mittel

117 ppm Rubidium enthalten, bei einem Streubereich von 93 bis 141 ppm« Sylvinite (5 Proben) innerhalb des Carnallitla­ gers enthalten nochmals etwa doppelt so viel Rubidium wie Sylvinite unmittelbar unter dem Carnallit, nämlich + 2 1 6 ppm bei einem Streubereich von 183 bis 252 ppm.

Diese Tatsachen lassen sich auf Grund neu erarbeiteter theo­ retischer Modelle der Rubidiumverteilung interpretieren. Bis zur Sylvinausscheidung, einschließlich dieser, verhält sich das Rubidium qualitativ ähnlich wie das Brom, obwohl natür­ lich andere Verteilungsfaktoren vorliegen. Während der Sylvinausscheidung steigt der Rubidiumgehalt bei normaler, progressiver Eindunstung in der Lösung und im Sylvin aller­

dings nur sehr wenig an, nämlich von 17 auf 20 ppm Rubidium im Sylvin 1) •

Das ist wesentlich weniger als der tatsächlich beobachtete Anstieg von etwa 60 auf 120 ppm. Überdies sind die beobachte­ ten absoluten Rubidiumgehalte schon an der Basis der Sylvin­ ausscheidung um den Faktor 3 zu hoch. In der Carnallitregion soll der 'Rubidiumgehalt, anders als der Bromgehalt, theore-

^Der Anstieg wird durch eine von Boeke (1908) zurückgehende

worin p den Rubidiumgehalt der Lösung, a die Menge der Lö­ sung, q den Anteil an rubidiumaufnehmendem Salz an der Ge­ samtaus schei düng von Salz und Wasserdampf, b das Vertei­ lungsverhältnis des Rubidiums zwischen Kristallen und Lö­ sung bedeuten. Da während der Sylvinausscheidung q etwa 0,1 beträgt, b dagegen annähernd gleich 2 ist (Braitsch, 1965), muß der Rubidiumgehalt während der Sylvinausschei­

dung noch zunehmen, da — immer <1 ist. a_

tisch stark abnehmen; da der Carnallit als Rubidiumsammler wirkt, und zwar von 200 bis auf 13 ppm Rubidium im Carnallit, Auch hier treten erhebliche Abweichungen von der Theorie auf, indem die beobachteten Anfangswerte etwa um den Faktor 7 bis 8 zu hoch sind. Überdies tritt innerhalb des Carnallitprofils noch zweimal ein anomaler Anstieg der Rubidiuragehalte auf. Diese Erscheinungen zeigen, daß während der Abscheidung der Kalisalze synsedimentäre Umlagerung aus Randgebieten oder aus weiteren Nebenbecken wesentlich beteiligt war. Für die starke Erhöhung der Rubidiumgehalte im Sylvin muß man sogar die Auf­ lösung älteren Carnallits annehmen (Braitsch, 1965).

Die geochemischen Befunde sind also so zu deuten, daß bis zum Beginn der Kalisalzausscheidung rein progressive Eindunstung herrschte. Der bereits um den Faktor 3 zu hohe Rubidiumgehalt des Sylvins an der Kalilagerbasis kann vorerst nicht erklärt werden. Die Bromgehalte der zentralen Beckenteile stimmen mit theoretischen Modellen der Bromverteilung so gut überein, daß sie sogar plausible Bildungstemperaturen ergaben. Dies spricht dafür, daß die zugrunde gelegten Modelle ebenfalls richtig sind. Hieraus folgt: 1.,daß die Sylvinite primär entstanden und wenigstens in stofflicher Hinsicht primär erhalten sind, ferner 2.,daß die ursprüngliche Lösung nicht durch Auflösung älterer Salze, sondern im wesentlichen durch Eindunstung von Meerwasser entstanden ist, wobei die Einzelheiten der Erklä­ rung des Magnesiumsulfatdefizits, die sogenannte Metamorphisation der Lösung,in der Terminologie der Kurnakovschule für

die Bromverteilung ohne Belang sind. In dieser ersten Stufe der Eindunstung ist das Oberrheinbecken wesentlich ursprüng­ licher als etwa das Voruralbecken von Solikamsk oder das Bek-

ken von Saskatchewan, die nach bisheriger Kenntnis beide deut­ lich niedrigere Bromgehalte im Sylvin und in den übrigen Ha­ logeniden besitzen,. Erst während der Kalilagerbildung treten auch im Oberrheinbecken ausgedehnte chemische Umlagerungen

auf.

W a c h s t u m s - u n d A n l a g e r u n g s g e f ü g e

Es sollen nun die Bildungsbedingungen der rhythmisch ge­ schichteten Kalisalze im einzelnen betrachtet werden, auf Grund auffälliger Gefügemerkmale.

Besonders charakteristisch für das untere Kalilager im Ober­ rheinbecken ist der zyklische Aufbau, wobei manche Zyklen noch durch Rhythmen, d.h. Wiederholungen von Einzelschichten, gegliedert sind. Die vollständigen Zyklen beginnen meist mit einer Tonhaut (oft mit Dolomit und Anhydrit). Darüber folgt eine Halitbank, oft mit einem mittelbis grobkörnigen Pflaster einheitlicher Korngrößen an der Basis, das nicht selten übergeht in grobkörnige Kristallaggregate und Roset­ ten, wobei die Raumdiagonale der Halitwürfel radialstrahlig nach oben bzw. nach außen zeigt, erkennbar an der Anordnung der Lösungseinschlüsse. Die Lösungseinschlüsse sind parallel den Würfelflächen angeordnet und oft entlang den Raumdiagona­ len des Würfels angereichert, wobei die sogenannte Tressen­ struktur entsteht (Baar und Kühn, 1962). Besonders eindrucks­ volle Beispiele wurden in der C-Bank (nach Sturmfels1 Be­ zeichnung) festgestellt. Sie sind aber sehr verbreitet. Ein­ zelne dieser Rosetten können sich mehrere Zentimeter in die folgende Sylvinitschicht hinein oder sogar bis in die nächste Halitschicht fortsetzen. Hierdurch kommt es zu den bereits

von Görgey (1912) und Sturmfels (1943) beschriebenen unregel­ mäßigen, buckligen Grenzflächen zwischen den meisten Halitund Sylvinschichten. Den Abschluß eines Zyklus bildet der Sylvin. Er füllt die Zwickel und Vertiefungen zwischen den Einzelkristallen des Halits der Rosetten als feinkörniges, durch Hämatit kräftig dunkelrot gefärbtes Gemenge. Oft nimmt die Korngröße des Sylvins von unten nach oben etwas zu

(Bild 4, siehe Bildtafel III), in anderen Fällen dagegen ab (Bild 5 - Sylvinit Cd -, siehe Bildtafel IV), und manohmal sind dünne, feinkörnige Halitbänkchen darin eingeschaltet.

In auffälligem Gegensatz zur Unterseite ist die Oberseite der Sylvinbänke immer glatt und ebenflächig.

Über die Bedeutung der orientiert eingelagerten Lösungseinschlüsse im Halit gehen die Meinungen auseinander. Kühn (in Baar und Kühn, 1962) betrachtete sie als Kriterien für Ober­ fläche nkristallisate, d.h. Zeugen reliktischer Trichterkri­ stalle. Auch Hiller und Keller (1965) beobachteten diese Strukturen und erörterten verschiedene genetische Deutungs­

möglichkeiten. Sie lehnten Kühne Deutung ab und führten

die zonaren Einschlüsse auf die diagenetische Umkristallisation der Salze zurück. Offenbar gibt es verschiedene Fälle, Für die besonders charakteristischen und häufigen Wachetumsrosetten des Halits trifft aber keine der genannten Erklärun­ gen zu. Für die Deutung ist nämlich die Gesamtform maßgebend. Diese ist aber in Dünnschliffbeobachtungen, auf die sich

die bisherigen Deutungen stützen, wegen der beträchtlichen Größe der Wachstumsrosetten nicht überschaubar. Es handelt sich um typisches, polares Wachstum in Richtung der größten

Korn gegen Korn. Obwohl der Halit seine Kristallgestalt ge­ genüber Sylvin besser durchzusetzen vermag (auf Grund seiner Stellung in der "idioblastischen Reihe", Braitsch 1962), sind die häufig beobachteten Wachstumsrosetten sicher nicht hierauf zurückführbar. Immerhin erwähnen Hiller und Keller ausdrücklich, daß die "unregelmäßigen, buckligen Oberflächen der Steinsälzschichten" durch Wachstum am Boden erklärbar seien. Die grobkörnigen Halitrosetten entsprechen durchaus den von Gottesmann (1963) und Wardlaw (private Mitteilung, 1964) beschriebenen Wachstumsgefügen. Zwar handelt es sich im Falle der Oberrheinsalze nicht um paralleletrahliges Wachstum mit {111} senkrecht zur Unterlage als vielmehr um

radialstrahliges Wachstum in Halbsphäroiden. Die Unterschiede gegenüber den von Gottesmann und auch Wardlaw beschriebe­ nen Gefügen sind aber sicher nicht grundsätzlicher Art, son­ dern wohl bereits durch geringere Übersättigung erklärbar. Die Entstehung dieser Strukturen wurde von Gottesmann und Wardlaw zu Recht durch Wachstum am Boden der Lösung erklärt.

Die Entstehung des zyklischen Aufbaus

Die Ursache dieses Kristallwachstums wurde bisher nicht er­ klärt.

Es ist wohl einleuchtend, daß es nicht durch Verdunstung er­ folgen kann, da diese ja an der Lösungsoberfläche stattfindet. Die nächstliegende Erklärung ist die Annahme der Abkühlung

der Bodenlösung, Wie bereits früher gezeigt (Braitsch, 1962), hat der Halit in den in Betracht kommenden Lösungen einen positiven Temperaturkoeffizienten der Löslichkeit, er muß also bei Abkühlung ausfallen. Trotzdem ist im vorliegen­ den Pall gesättigter Salzlösungen des Carnallitsystems diese Erklärung in dieser einfachen Form nicht voll befriedigend. Bei den herrschenden Dichteverhältnissen befinden sich näm­ lich die wärmeren Lösungen auf dem Beckenboden (Braitsch und Herrmann, 1964 und 1965). Die Abkühlung selbst wird von der Lösungsoberfläche ausgehen. Sie ergibt aber in dem vorlie­ genden System keine dichteren Lösungen, so daß diese auch nicht absinken. Außerdem ließe sich durch Temperaturschwan­ kungen allein die weitgehende Trennung von Halit und Sylvin nicht erklären. So sind es also vermutlich andere Faktoren,

die das Wachstum von Halitkristallen am Boden der Lösung ver­ ursachen.

In erster Linie zu berücksichtigen ist wahrscheinlich die sogenannte Aussalzung. Im vorliegenden Fall kommen wohl nur zwei Möglichkeiten in Betracht. Einerseits Ausscheidung von Halit infolge der Auflösung von Sylvin, andererseits infolge der Auflösung von Carnallit. Für die erste Möglichkeit ge­ nügt die Annahme einer an NaCl gesättigten, an KCl jedoch nicht ganz gesättigten Bodenlösung. Bestand in der Nahe der Lösungsoberfläche eine thermische Sprungschicht (Thermokline), wie sie für die Oberrheinlagune ebenso wie für andere Salz­ seen anzunehmen ist, so kann es durch starke Abkühlung im Bereich dieser Thermokline zur Sylvinausscheidung kommen. Dieser Sylvin wird sich aber beim Absinken in die KCl-unter- sättigte Bodenlösung wieder auflösen und hierbei die Aus­ scheidung von Halit verursachen. Die zweite Möglichkeit der Halitauesalzung infolge von Carnallitauslösung erfordert kompliziertere geologische Voraussetzungen, die ziemlich spekulativen Charakter haben und deshalb nicht dargelegt wer­ den sollen. Das zweite Modell wäre allerdings bezüglich der Halitaussalzung wirkungsvoller, so daß es nicht rundweg ignoriert werden soll. Beide Hypothesen vermögen die an­ schließende Sylvinbildung zu erklären, da ja im Verlauf bei­ der Vorgänge die KCl-Sättigung auch in der Bodenlösung er-

reicht wird* Der Sylvin wächst demnach frei in der Lösung schwebend, füllt aber nach dem Absinken wie ein klastisches Sediment die Unebenheiten der Unterlage aus. Hierdurch ent­ steht ein geopetales Anlagerungsgefüge, woraus die Ausfüllung der Unebenheiten der Unterlage und auch die glatte Oberflä­ che der Sylvinitbänkchen verständlich wird, die weder durch primäre noch durch sekundäre Kristallisationsvorgänge er­ klärbar wäre. Das Aufhören der Sylvinausscheidung wird durch äußere Faktoren verursacht, wofür in erster Linie Tempera­ turanstieg in der Thermokline in Betracht kommt, evtl, in Verbindung mit verdünnteren Nachflüssen. V/egen der vielfachen Y/iederholung der genannten Halitrosetten im Profil ist eine geringfügige Verdünnung der gesamten Lösung nach jeder Sylvin­ ausscheidung, also nach jedem Zyklus, anzunehmen. Überdies

ist die Annahme von Nachflüssen für jede neue Steinsalz­ schicht nicht zu umgehen, da sonst weder die zu niedrigen Bromgehalte des Halits im Vergleich zum Sylvin (Baar und Kühn, 1962; Braitsch und Herrmann, 1964) noch die deutliche Trennung der Halitund Sylvinausscheidung zu erklären wären. Auch deutet das kleinkörnige, unorientierte Gefüge an der Basis vieler Halitschichten darauf hin, daß zunächst Halit aus der Oberflächenlösung ausgeschieden wurde und erst un­ mittelbar vor der Sylvinausscheidung langsames Wachstum der grobkörnigen Rosetten erfolgte.

Es muß aber betont werden, daß zusätzlich (früh-?) diagenetische Umkristallisation unter Verringerung des Porenraumes wirkte, wodurch Verschiebungen der primären Grenzflächen im Ausmaß der Korngrößen erzeugt wurden. Dieser von Hiller und Keller als gefügebildend betrachtete Vorgang beeinflußt und verändert aber nur das Kleingefüge.

Eine spezielle chemische Schlußfolgerung dieser Deutung der Gefüge soll ausdrücklich hervorgehoben werden. Wie ist es möglich, jeweils nach Beendigung der Sylvinausscheidung die Bodenlösung zunächst soweit zu verdünnen, daß sie wieder KCl-ungesättigt wird und durch die anschließende Sylvin- (oder Carnallit-) Auflösung NaCl auszusalzen vermag? Die Hauptschwierigkeit liegt nämlich in der geringeren Dichte der verdünnteren Lösungen, so daß diese sich nach sonstigen

ozeanographischen Erfahrungen über die konzentrierteren Lö­ sungen Überschichten müßten. Man kann allerdings eine sehr geringe Tiefe der Salzlagune von wenigen Metern zur Zeit der Kalisalzbildung annehmen, so daß eine Durohmischung infolge der Wasserbewegung sehr erleichtert wird.

Diese Hilfsannahme ist geologisch nicht unvernünftig. Sie nä­ hert sich, allerdings nur für die Zeit der Kalisalzabscheidung Walthers Wüstentheorie und auch Waljaschkos Hypo­

these des sogenannten Trockensees, wenn auch wegen der re­ gelmäßigen Schichtungsrhythmik von einem echten Trockensee keine Rede sein kann. Da aus den geochemischen Untersuchun­ gen die Auflösung von Salzen in Randgebieten der Lauge ge­ schlossen werden muß, kann weiter gefolgert werden, daß der heute im Bereich des Kalilagers vorhandene Salzinhalt aus einem ursprünglich größeren Areal gesammelt wurde. Wegen

des hohen Anteils an Ton-, Anhydritund Dolomiteinschaltun­ gen sind als Ursache der chemischen Umlagerungen festländi­ sche Zuflüsse etwas wahrscheinlicher als Meerwasserzuflüsse. Es liegt nahe, diese Periodizität von Verdünnung und Eindunstung, Erwärmung und Abkühlung dem jährlichen Klimarhyth­ mus zuzuordnen. Eindeutige Beweise für diese Zuordnung konn­ ten aber noch nicht erbracht werden.

Gegenüber der Auffassung von Baar und Kühn (1962) wird also vor allem das Wachstumsgefüge des Halits grundsätzlich anders interpretiert. Auch hinsichtlich der Art der Nachflüsse und der Tiefe der Lösung bestehen unterschiedliche Auffassungen. Die ausschlaggebenden Grundzüge primärer Entstehung werden aber bestätigt und weiter präzisiert.

Schlußfolgerungen

Es ergibt sich somit aus den geochemischen und textureilen Daten folgende Entwicklungsgeschichte der Oberrheinsalzla­ gune 2

1• Bis zum Beginn der Kalilagerbildüng bestand progressive Eindunstung ohne erkennbare Auflösung und Wiederausschei­ dung.

2. Mit Beginn der Kalisalzausscheidung erfolgte wohl weitge-