Die Rotliegend-Vulkanite aus dem Norddeutschen Becken (NDB) sind in jüngster Zeit stärker in den Fokus geothermischer Betrachtung gerückt. Ein wichtiger Meilenstein war das Forschungsprojekt Groß Schönebeck, bei dem wider Erwarten die Vulkanite als sekundärer Zielhorizont die besten Voraussetzungen für eine geothermische Erschließung boten. Über die hydraulisch/mechanischen Eigenschaften der Vulkanite im Untergrund ist jedoch kaum etwas bekannt und auch die Oberflächenäquivalente sind hinsichtlich geothermisch relevanter Parameter weitgehend unerforscht. Aus den positiven Erfahrungen des Standorts Schönebeck entstand die Motivation einer umfangreichen Analyse der Rotliegend-Vulkanite mit Blick auf eine tiefengeothermische Nutzung. Es wurden thermische, felsmechanische und petrophysikalische Untersuchungen von sieben Oberflächenäquivalenten durchgeführt; drei der Oberflächengesteine sowie zwei Tiefenbohrungen wurden ferner hinsichtlich auftretender Kluftmuster analysiert. Die Daten fungieren als Eingangsparameter für hydraulische sowie hydromechanische numerische Modellierungen zur Potenzialabschätzung und zum Prozessverständnis. Die thermische Analyse der Gesteine ergab eine hohe Wärmeleitfähigkeit für die quarzreichen und dichten Vulkanitvarietäten. Durch die Wärmekapazität und die Reservoirtemperatur wurde das technische Strompotenzial für die Eruptionsstadien ermittelt. Das größte Potenzial liegt im explosiven Ignimbritstadium und im Post-Ignimbritstadium und wird auf einen Wert geschätzt, der allein dem 20-fachen des deutschen Jahresstromverbrauchs entspricht. Regional betrachtet ist das größte Potenzial bei Standortwahl im zentralen östlichen NDB zu erwarten. Die untersuchten Vulkanite sind überwiegend dicht und erfordern Stimulationsmaßnahmen für eine erfolgreiche Erschließung. Auch die stärker porösen Tuffe erreichen nicht die erforderliche Matrixpermeabilität für einen Porenleiter. Triaxiale Druckversuche unter in-situ Spannungsbedingungen haben jedoch gezeigt, dass es nur bedingt möglich ist, Risse im intakten Gestein zu erzeugen. Man ist folglich auf eine gestörte Kruste, also Klüfte im Gestein angewiesen. Sowohl die Oberflächengesteine als auch die Vulkanite im Untergrund sind nachweislich geklüftet. Das tektonische Grundmuster beschreibt Klüfte, die NW-SE bis NNW-SSE sowie NE-SW bis NNE-SSW orientiert sind und dabei steil einfallen. Die Scherfestigkeitskriterien der Kluftflächen liegen deutlich unterhalb derer für das intakte Gestein, so dass die Bedingung für eine Aktivierung der Klüfte im Spannungsfeld des NDB positiv bewertet wird. Die Kluftdaten wurden zum Zwecke numerischer Modellierungen in diskrete Kluftnetzwerkmodelle überführt. Hydraulische Modellierungen ergaben eine bevorzugte Fließrichtung in NW-SE. Die mit der Tiefe zunehmende Kluftschließung führt zu einer Durchlässigkeit, die für eine geothermische Nutzung nicht ausreichend ist, das Gestein muss hydraulisch stimuliert werden. Eine Stimulation der Kluftflächen zur Steigerung der Fließrate wurde mittels hydromechanischer Modellierungen erfolgreich dargestellt. Die wichtigsten Kriterien für eine erfolgreiche Stimulation sind die Geometrie des Kluftsystems und die Orientierung des Spannungsfelds. Aufgrund der überwiegend vertikalen Kluftflächen im Vulkanit und der hohen Vertikalspannung im tiefengeothermischen Reservoir wird eine Erschließung über das Multiriss-Konzept empfohlen. Durch den in der vorliegenden Arbeit dargestellten methodischen Ansatz kann mittels repräsentativer Eingangsparameter für einen Standort entsprechend der notwendige Injektionsdruck sowie die Art und Intensität der Verformung der Kluftflächen für eine hydraulische Stimulation prognostiziert werden.

Die geologische Entwicklung der Vorerzgebirgs-Senke war bereits mehrfach Gegenstand geowissenschaftlicher Arbeiten. Darauf aufbauend war es möglich, unter erstmaliger Verwendung von computergenerierten 3D-Modellen, die Kenntnisse über die Vorerzgebirgs-Senke unter Einbindung neuer Gesichtspunkte zu erweitern. Auf der Basis der entwickelten 3D-Modelle von Zwickau, Mülsenfeld und Oelsnitz und unter Berücksichtigung der Ergebnisse neuerer Kartierungen und Untersuchungen, vor allem innerhalb der ehemaligen Steinkohlenbergbaureviere von Lugau/Oelsnitz und Zwickau, werden Vorstellungen zur möglichen geologischen Entwicklung der Struktur dargelegt. Dabei wird ein vollständiges Bild der Beckenentwicklung, beginnend ab Westfal B/C (Flöha-Becken) bis rezent für den Senkungsraum zusammengetragen. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass die bruchtektonische Entwicklung der Vorerzgebirgs-Senke von einer präoberkarbonen Beckenanlage im Zuge der variszischen Falten-/Schuppentektonik und Deckenstapelung über eine tektonisch kontrollierte Anlage der Sedimentbecken, einer synsedimentären Tektonik, bis hin zu bedeutenden postsedimentären saxonischen Bewegungen reicht.

Die geologische Entwicklung der Vorerzgebirgs-Senke war bereits mehrfach Gegenstand geowissenschaftlicher Arbeiten. Darauf aufbauend war es möglich, unter erstmaliger Verwendung von computergenerierten 3D-Modellen, die Kenntnisse über die Vorerzgebirgs-Senke unter Einbindung neuer Gesichtspunkte zu erweitern. Auf der Basis der entwickelten 3D-Modelle von Zwickau, Mülsenfeld und Oelsnitz und unter Berücksichtigung der Ergebnisse neuerer Kartierungen und Untersuchungen, vor allem innerhalb der ehemaligen Steinkohlenbergbaureviere von Lugau/Oelsnitz und Zwickau, werden Vorstellungen zur möglichen geologischen Entwicklung der Struktur dargelegt. Dabei wird ein vollständiges Bild der Beckenentwicklung, beginnend ab Westfal B/C (Flöha-Becken) bis rezent für den Senkungsraum zusammengetragen. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass die bruchtektonische Entwicklung der Vorerzgebirgs-Senke von einer präoberkarbonen Beckenanlage im Zuge der variszischen Falten-/Schuppentektonik und Deckenstapelung über eine tektonisch kontrollierte Anlage der Sedimentbecken, einer synsedimentären Tektonik, bis hin zu bedeutenden postsedimentären saxonischen Bewegungen reicht.

Die einer unterschiedlichen Genese zuordenbaren tektonischen Strukturen, welche sich im Raum des Thüringer Waldes bündeln, formten in einem gerichteten Entwicklungsablauf das komplizierteste und vielseitigste hochoberkarbonisch-unterpermische Strukturgebäude Mitteleuropas. In dieser Arbeit wird der Versuch einer Synthese der strukturellen und der daran geknüpften vulkanogen-sedimentären Entwicklung innerhalb der permokarbonischen Thüringer Wald-Senke und ihres unmittelbaren mitteleuropäischen Umfeldes unternommen. Sie stützt sich dabei maßgeblich auf die Ergebnisse langfristig durchgeführter Kartierungsarbeiten, die in diskontinuierlichen Bearbeitungsphasen seit 1957 bis in die 90er Jahre des vergangenen Jahrhunderts erfolgten. Einbezogen werden die Ergebnisse von insgesamt 54 Forschungs- und Erkundungsbohrungen, die zu einem Großteil im Kontext dieser Arbeiten geteuft worden sind. 36 Bohrprofile werden hier erstmals vollständig beschrieben und publiziert. Neben einer nochmaligen Überprüfung der gesamten lithostratigraphischen Abfolge in der permokarbonischen Thüringer Wald-Senke besteht die Zielstellung der Arbeit in deren Einbindung in die regionale mitteleuropäische strukturelle Entwicklung während dieser Zeitspanne, beginnend bei den potenziellen variszisch-kollisional angelegten Wurzeln der permokarbonischen Strukturen, über ihre weitere tektono-magmatische Ausgestaltung bis hin zur Ausprägung der postvariszischen Großschollenfelderung Mitteleuropas am Ende des Permokarbons.

Die einer unterschiedlichen Genese zuordenbaren tektonischen Strukturen, welche sich im Raum des Thüringer Waldes bündeln, formten in einem gerichteten Entwicklungsablauf das komplizierteste und vielseitigste hochoberkarbonisch-unterpermische Strukturgebäude Mitteleuropas. In dieser Arbeit wird der Versuch einer Synthese der strukturellen und der daran geknüpften vulkanogen-sedimentären Entwicklung innerhalb der permokarbonischen Thüringer Wald-Senke und ihres unmittelbaren mitteleuropäischen Umfeldes unternommen. Sie stützt sich dabei maßgeblich auf die Ergebnisse langfristig durchgeführter Kartierungsarbeiten, die in diskontinuierlichen Bearbeitungsphasen seit 1957 bis in die 90er Jahre des vergangenen Jahrhunderts erfolgten. Einbezogen werden die Ergebnisse von insgesamt 54 Forschungs- und Erkundungsbohrungen, die zu einem Großteil im Kontext dieser Arbeiten geteuft worden sind. 36 Bohrprofile werden hier erstmals vollständig beschrieben und publiziert. Neben einer nochmaligen Überprüfung der gesamten lithostratigraphischen Abfolge in der permokarbonischen Thüringer Wald-Senke besteht die Zielstellung der Arbeit in deren Einbindung in die regionale mitteleuropäische strukturelle Entwicklung während dieser Zeitspanne, beginnend bei den potenziellen variszisch-kollisional angelegten Wurzeln der permokarbonischen Strukturen, über ihre weitere tektono-magmatische Ausgestaltung bis hin zur Ausprägung der postvariszischen Großschollenfelderung Mitteleuropas am Ende des Permokarbons.

Die Sedimente des Halleschen Permokarbonkomplexes gaben schon immer Raum für Spekulationen. Aufgrund ihrer Dominanz an rhyolithischen Geröllen wurden sie über einen langen Zeitraum einheitlich als Postporphyrschutt ausgehalten. Vielfältig wechselnde Faziesbedingungen machten es jedoch notwendig, die Sedimente aufzugliedern. Neuere Erkenntnisse in der Erforschung des Halleschen Permokarbonkomplexes erfordern eine Überprüfung v. a. der nach KUNERT (1995) aufgestellten allgemeinen stratigraphischen Gliederung der Unterrotliegendsedimente in Halle,- Hornburg,- Sennewitz- und Brachwitz-Formation anhand einiger ausgewählter Beispiele. Der ursprüngliche Gedanke der Diplomarbeit bestand darin, eine Fazies- und eine Geröllanalyse der unterpermischen Abtragungsprodukte des Halle-Vulkanitkomplexes anzufertigen. Zur Verfügung standen zwei Kernbohrungen und zwei Aufschlüsse, sowie diverse Unterlagen zu angrenzenden Bohrungen in der Saale-Senke. Die beiden Oberflächenaufschlüsse Riveufer und Teichgrund sollten stratigraphisch aufgenommen werden, so dass eine Fazieszuordnung möglich ist. Die Bohrung Brachwitz 2/62 wurde mit dem Ziel aufgenommen, neuere Theorien über den Ablagerungszeitraum der Rotliegend-Sedimente in Bezug auf den permokarbonen Vulkanismus zu widerlegen oder zu bekräftigen. Die zweite Bohrung (Kb Lochau 7/65) wurde am Rande mit in die Diplomarbeit einbezogen, da sie das immense Spektrum der spätvulkanischen Aktivitäten im Halle Permokarbonkomplex erweitert. Ergebnis ist eine Neugliederung des Rotliegend im Halleschen Permokarbonkomplex, in der nur noch die Halle-Formation mit ihrem ausgeprägten Vulkanismus und die Hornburg-Formation, stellvertretend für alle jüngeren Abtragungsprodukte des Halle Vulkanitkomplexes, unterschieden werden. Mit einem großen Hiatus folgt anschließend die Eisleben-Formation.

Die Sedimente des Halleschen Permokarbonkomplexes gaben schon immer Raum für Spekulationen. Aufgrund ihrer Dominanz an rhyolithischen Geröllen wurden sie über einen langen Zeitraum einheitlich als Postporphyrschutt ausgehalten. Vielfältig wechselnde Faziesbedingungen machten es jedoch notwendig, die Sedimente aufzugliedern. Neuere Erkenntnisse in der Erforschung des Halleschen Permokarbonkomplexes erfordern eine Überprüfung v. a. der nach KUNERT (1995) aufgestellten allgemeinen stratigraphischen Gliederung der Unterrotliegendsedimente in Halle,- Hornburg,- Sennewitz- und Brachwitz-Formation anhand einiger ausgewählter Beispiele. Der ursprüngliche Gedanke der Diplomarbeit bestand darin, eine Fazies- und eine Geröllanalyse der unterpermischen Abtragungsprodukte des Halle-Vulkanitkomplexes anzufertigen. Zur Verfügung standen zwei Kernbohrungen und zwei Aufschlüsse, sowie diverse Unterlagen zu angrenzenden Bohrungen in der Saale-Senke. Die beiden Oberflächenaufschlüsse Riveufer und Teichgrund sollten stratigraphisch aufgenommen werden, so dass eine Fazieszuordnung möglich ist. Die Bohrung Brachwitz 2/62 wurde mit dem Ziel aufgenommen, neuere Theorien über den Ablagerungszeitraum der Rotliegend-Sedimente in Bezug auf den permokarbonen Vulkanismus zu widerlegen oder zu bekräftigen. Die zweite Bohrung (Kb Lochau 7/65) wurde am Rande mit in die Diplomarbeit einbezogen, da sie das immense Spektrum der spätvulkanischen Aktivitäten im Halle Permokarbonkomplex erweitert. Ergebnis ist eine Neugliederung des Rotliegend im Halleschen Permokarbonkomplex, in der nur noch die Halle-Formation mit ihrem ausgeprägten Vulkanismus und die Hornburg-Formation, stellvertretend für alle jüngeren Abtragungsprodukte des Halle Vulkanitkomplexes, unterschieden werden. Mit einem großen Hiatus folgt anschließend die Eisleben-Formation.:Inhalt Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitender Teil 1 1.1 Einleitung 1 1.2 Aufgabenstellung und Problematik 1 1.3 Geographischer Überblick über die Bohrungen und Aufschlüsse 2 2. Regionalgeologischer Teil 4 2.1 Aufbau des Halle Vulkanitkomplexes 4 2.2 Beckenentwicklung des Permokarbons im Bereich des Halle- Vulkanitkomplexes 5 2.3 Historischer Rückblick über die Einstufung der Rotliegend-Formationen im Halle Vulkanitkomplex 10 2.4 Neueste Entwicklungen in der Erforschung des Saale-Beckens 15 2.4.1 Die Ablagerungen der Halle-Formation 15 2.4.2 Die Ablagerungen der Sennewitz-Formation 16 2.4.3 Die Ablagerungen der Hornburg-Formation 17 2.4.4 Die Ablagerungen der Brachwitz-Formation 19 2.4.5 Die Ablagerungen der Eisleben-Formation 20 2.4.6 Aktuelle Stratigraphische Gliederung 22 2.5 Die späte Phase des Halle Vulkanitkomplexes und ihr Bezug zur Diplomarbeit 23 3 Arbeitsmethodik 24 3.1 Aufnahme der Bohrungen Brachwitz 2/62 und Lochau 7/65 24 3.2 Aufnahme des Aufschlusses am Teichgrund bei Döblitz 26 3.3 Aufnahme des Aufschlusses am Riveufer im Stadtgebiet von Halle 26 4. Vulkanische und sedimentäre grobklastische Transport- und Ablagerungssysteme 27 4.1 Vulkanische Massentransporte 27 4.1.1 Pyroklastische Ablagerungen 27 4.1.1.1 Pyroklastische Fallablagerungen 28 (1) Aschefallablagerungen 28 (2) Bimsführende Fallablagerungen 29 (3) Scoriaführende Fallablagerungen 29 4.1.1.2 Pyroklastische Stromablagerungen 29 (1) Bimsführende pyroklastische Stromablagerungen oder Ignimbrite 29 (2) Block- und Aschestromablagerungen 31 (3) Scoriaführende pyroklastische Stromablagerungen 32 4.1.1.3 Pyroklastische Surge-Ablagerungen 32 (1) Surgeablagerungen durch Aschewolken 32 (2) Ablagerungen am Boden der pyroklastischen Surge 33 (3) Ablagerungen an der Basis der pyroklastischen Surge 33 4.1.2 Explosive vulkanische Eruptionen 33 (1) Hawaiianische Eruptionen 34 (2) Plinianische Eruptionen 34 (3) Strombolianische Eruptionen 35 (4) Vulkanianische und Surtseyanische Eruptionen 35 4.1.3 Produkte phreatomagmatischer Eruptionen 36 (1) Maare 37 (2) Tuffkegel und Tuffringe 37 4.1.4 Tephraablagerungen 38 4.2 Sedimentäre Massentransporte 39 4.2.1 Alluviale Fächer 40 4.2.2 Schichtfluten 42 4.2.3 Flußsyteme 42 4.2.4 Überflutungsebenen 43 4.2.5 Deltas und Ästuare 44 5. Lithologien und Faziestypen 45 6. Aufschlüsse und Bohrungen 45 6.1 Aufschlußkomplex am Riveufer im Stadtteil Giebichenstein in Halle 48 6.1.1 Allgemeine Aussagen 48 6.1.2 Das Faziesmodell eines verflochtenen Flußsystems 48 (1) Ausbildung von Rinnen 48 (2) Einfallen der Rinnen 50 (3) Prallhänge 50 (4) Seitenanschnitte an beiden Enden des Aufschlusses 51 6.1.3 Ein tuffgefülltes Spaltensystem als syn- bis postsedimentäres Ereignis 52 6.1.4 Interpretation 53 6.2 Aufschluß am Teichgrund bei Döblitz 55 6.2.1 Allgemeine Aussagen 55 6.2.2 Sedimentäre Lithofaziestypen und -assoziationen 56 6.2.3 Dokumentation der einzelnen Aufschlüsse 56 6.2.3.1 Aufschluß T1 56 (1) Detaildarstellung Aufschluß am Teichgrund T1-1 56 6.2.3.2 Aufschluß T2 59 6.2.3.3 Aufschluß T3 59 6.2.4 Fazielle Diskussion 59 6.3 Kernbohrung Brachwitz BrwSk 2/62 südöstlich der Ortschaft Friedrichsschwerz 61 6.3.1 Allgemeine Informationen 61 6.3.2 Erläuterungen zu den Lithofaziestypen 61 (1) SFT-B1 Konglomerat der Eislebenformation 61 (2) SFT-T1 Sedimentäre Brekzie 61 (3) SFT-T4 Mittel- bis Grobsandstein 62 (4) SFT-B2 Schluffstein 62 (5) VFT-T0 Rhyolith, brekziös/ VFT-T1 Porphyrbrekzie, monomikt 63 (6) VFT-B12 Porphyrbrekzie mit Obsidianmatrix 64 (7) VFT-B2 Porphyrbrekzien, oligomikt und polymikt 64 (8) VFT-B3 Mittelsand, vulkanogen 65 (9) VFT-B5 Schluffstein, brekziiert 66 6.3.3 Auswertung 66 6.4 Kernbohrung Lochau 7/65 südöstlich Halle 68 6.4.1 Allgemeines 68 6.4.2 Erläuterungen zu den Vulkanischen Faziestypen 68 (1) VFT-L1 Aschentuff 68 (2) VFT-L2 Surges 69 (3) VFT-L3 Surge oder Explosionsbrekzie 70 (4) VFT-L4 Explosionsbrekzie mit Tuffzwickelfüllung 71 (5) Tuff mit einzelnen Ballistischen Bomben 72 6.4.4 Beispiel Ha-Lo7/17 73 6.4.5 Diskussion 74 7. Zusammenfassung und Ausblick 76 8. Literatur- und Quellenverzeichnis 78 9. Anhang Anlage 1: Allgemeines Anlage 2: Teichgrund bei Döblitz Anlage 3: Riveufer im Stadtzentrum von Halle (Saale) Anlage 4: Kb Brachwitz 2/62 Anlage 5: Kb Lochau 7/65