Original paper

Clay mineral content of Quaternary sediments at the Gorleben salt dome (Northern Germany)

[Tonmineralbestand quartärer Sedimente aus dem Umfeld des Salzstocks Gorleben (Norddeutschland)]

Brockamp, Olaf; Pache, Tadeus; Clauer, Norbert

Abstract

The clay fraction of Pleistocene and Holocene sediment samples from seven cores drilled into former subglacial erosion channels at the Gorleben salt dome (N-Germany) was analysed mineralogically and geochemically to discriminate the sources of the detrital clayey particles and to identify postsedimentary clay mineral reactions. A total of 33 samples were collected from glacial and interglacial sequences with marine and limnic interlayers. The related ground waters are mostly fresh or brackish, whereas highly saline waters and brines are present at the bottom of the deepest, the so-called Gorleben Channel resulting from cap rock dissolution of the salt dome below. The study is based on X-ray diffraction, X-ray fluorescence spectrometry, infrared spectrometry and K-Ar dating. The Pleistocene glacial sediments outline from bottom (Elsterian) to top (Weichselian) an increase in illite, chlorite and kaolinite at the expense of smectite and random I/S mixed layered clay minerals. The K-Ar age data of illite are also increasing from the Elsterian (360 Ma) to Weichselian (450 Ma) series. The distribution is triggered by a supply of changing glacial material from the Fennoscandian Shield being initially smectite-rich and later smectite-poor. The Holocene sediments (flood plain deposits) of the Elbe River yield K-Ar ages of about 260 Ma and K/Rb ratios of about 110, the latter being significantly lower than the K/Rb ratios from the Pleistocene glacial sediments (160). This general trend is superimposed by two local processes: 1. K-Ar data of the Late-Elsterian Lauenburger Clay Complex decrease systematically from 365 Ma (bottom) to 297 Ma (top) and similarly the K/Rb ratio changes from 161 to 143. This modification occurs contemporaneously with the onset of an interglacial stage and is assumed to result from mixing of glacial detritus with an increasing amount of fluvial suspensions delivered by an early Elbe River. Stratigraphically above, the coastal-marine clays of the Holsteinian Interglacial consist exclusively of fluvial Elbe material showing the same K-Ar age data and K/Rb ratios as the present Holocene Elbe flood plain deposits. 2. The marine Holsteinian Interglacial sediments are underlain by limnic sediments containing K-smectite. Due to the marine transgression K-bearing sea water is assumed to have infiltrated the limnic sediments and the K is likely to have reacted with some smectite to form this K-smectite. In contrast, smectite from basal series of the deepest channel (Gorleben Channel) did not react with the saline brines because of their high Na/K ratios preventing any alteration into illitic material. These smectites are expected to have a long-term stability in this environment, as the related brines are existing since the late Pleistocene at least. Under invariable chemical conditions like here, smectite appears therefore to be a suitable sealing material for geotechnical barriers in salt formations.

Kurzfassung

Die Tonfraktion pleistozäner und holozäner Sedimentproben von sieben Kernbohrungen aus dem Umfeld des Salzstocks Gorleben wurde mineralogisch-geochemisch untersucht. Als Analysenverfahren wurden Röntgen diffraktometrie, Infrarotspektrometrie, Röntgenfluoreszenz spektrometrie und K-Ar-Datierungen eingesetzt, um unterschiedliche Detritusquellen und postsedimentäre Ver änderungen im Mineralbestand zu erfassen. Die 33 Proben stammen aus drei benachbarten ehemaligen Subrosionsrinnen mit glazial/interglazialen Abfolgen und einer marinen Zwischenschicht. In diesen Sedimenten zirkulieren überwiegend Süß- und Brackwasser. Nur im unteren Bereich der tiefsten sog. Gorlebener Rinne treten durch unmittelbaren Kontakt der Grundwässer mit dem Zechsteinsalinar hochkonzentrierte Salzwässer und Solen auf. Als übergeordneter Trend ergibt sich in den pleistozänen glazialen Serien von unten (Elsterglazial) nach oben (Saaleund Weichselglazial) eine Zunahme der Illit-, Chlorit- und Kaolinitanteile auf Kosten von Smectit und unregelmäßiger Illit/Smectit-Wechsel lagerungsminerale. Außerdem steigen nach oben die K-Ar-Alter der detritischen Illite von 360 Ma auf 450 Ma an, denn mit der Eisfracht wurde vom Fennoskandischen Schild zunächst verwitterter smectitreicher und später frischer smectitarmer Detritus zugeführt. In den holozänen Sedimenten (Auelehme der Elbe) verringern sich die K-Ar-Alter auf 260 Ma. Auch sind die K/Rb-Relationen im holozänen Auelehm mit 110 signifikant niedriger als im pleistozänen Glazialmaterial mit 160. Überlagert wird die allgemeine Entwicklung von zwei lokalen Aspekten: 1. In der Abfolge des spätelsterzeitlichen Lauenburger Ton-Komplexes belegen eine systematische Verjüngung im K-ArAlter von 365 Ma auf 297 Ma und eine Verringerung im K/Rb-Verhältnis von 161 auf 143 der illitischen Bestandteile, dass Glazialmaterial mit einer zunehmenden Menge an fluviatiler Suspensionsfracht einer frühen Elbe vermischt wurde. Im Hangenden bestehen die marinen küstennahen Ablagerungen des Holstein-Interglazials sogar ausschließlich aus fluviatilem Elbe-Detritus, der hier dieselben K-Ar-Alter und K/Rb-Relationen hat wie die o. g. Auelehme. 2. Die marinen Sedimente des Holstein-Interglazials werden von limnischen Sedimenten unterlagert, in denen ein Teil der Smectite in K-haltigen Smectit übergegangen ist. Offensichtlich sickerte während der marinen Transgression das Khaltige Meerwasser in die limnischen Sedimente, sodass eine Reaktion zwischen Smectit und K zu K-Smectit möglich wurde. Dagegen ließen sich keine Verände rungen im Tonmineralbestand der tiefen Rinnensedimente durch die Solen aus dem abgelaugten Zechsteinsalinar nachweisen. Ihre Na/K-Relationen sind für eine Illitisierung der Smectite zu hoch. Daher dürften die Smectite in diesem Milieu eine hohe Langzeitstabilität haben, denn die umgebenden Salzwässer existieren mindestens seit dem späten Pleistozän. Bei ähnlichen chemischen Randbedingungen kommen Smectite als Barrierematerial in Salzlagerstätten infrage.

Keywords

quaternaryclay mineralogysmectite alterationgorlebennorthern germany