Original paper

The impact of finite strain on deformation mechanisms of Permian Stassfurt rock salt at the Morsleben site (Germany): constraints from microfabric studies and EBSD analyses

[Deformationsverhalten von permischem Staßfurt-Steinsalz aus Morsleben (Deutschland) bei unterschiedlichem finitem Strain: Abschätzungen aus Mikrogefüge-Studien und EBSD-Analysen]

Kneuker, Tilo; Zulauf, Gernold; Mertineit, Michael; Behlau, Joachim; Hammer, Jörg

Abstract

The present study is dealing with microstructures and deformation mechanisms of Zechstein rock salt (Upper Permian) exposed in the Morsleben salt mine in Northern Germany. Variously deformed rock salt of the Stassfurt-Folge (Streifensalz z2HS2, Kristallbrockensalz z2HS3, Hangendsalz z2HG) was investigated using optical microscopy, fluorescence microscopy, and electron backscatter diffraction (EBSD). The rock salt investigated mainly consists of halite (?90 wt%) and anhydrite (0.1?10 wt%). Anhydrite is present in form of mm-thick relicts or intracrystalline clusters and single crystals. All samples show numerous fluid inclusions but only a small amount of fluorescent hydrocarbons. EBSD analyses prove that subgrain rotation recrystallisation played only a minor role and therefore fluid-assisted grain boundary migration (GBM) was the dominant recrystallisation mechanism, as indicated by lobate grain boundaries and numerous grain boundary fluid inclusions. The presence of subgrains in halite indicates thermally activated dislocation climb and related recovery. Palaeopiezometry based on the size of halite subgrains revealed a tendency in the calculated differential stress from the relatively undeformed eastern part, where the obtained differential stress is 1.2 MPa, towards the sheared western flank of the salt structure, where the maximum differential stress has been determined at 2.9 MPa. Based on these differential stress values and on common creep laws for dislocation creep, strain rates with a magnitude of 1 x 10 to 1 x 10 s were calculated. There is evidence for a strong impact of fluids in the high-strain domains, e.g.increased bromide content in halite. Possible pathways for fluids are deformed anhydrite layers and the potash seams, as is indicated by (i) elevated concentration of fluid inclusions next to anhydrite grains and layers, (ii) GBM activity in samples adjacent to potash seams. In contrast to halite, a brittle-ductile regime for the anhydrite deformation is indicated by microcracks, fracture-related boudinage, twins and lobate grain boundaries.

Kurzfassung

In der vorliegenden Studie wurde das Deformationsverhalten von Zechstein-Steinsalz (Ober-Perm) aus dem Salzbergwerk Morsleben in Norddeutschland untersucht. Unterschiedlich stark deformierte Proben des Hauptsalzes der Staßfurt-Folge (Streifensalz z2HS2, Kristallbrockensalz z2HS3, Hangendsalz z2HG) wurden mittels Lichtmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie und ,,electron backscatter diffraction? (EBSD) analysiert. Das untersuchte Steinsalz besteht hauptsächlich aus Halit (?90 Gew.-%) und Anhydrit (0,1?10 Gew.-%), welcher in Form von mm-mächtigen Lagen, intrakristallinen Clustern und einzelnen Kristallen auftritt. In sämtlichen Proben wurden zahlreiche Fluideinschlüsse beobachtet, fluoreszierende Kohlenwasserstoffe treten nur in geringen Mengen auf. EBSD-Analysen zeigen, dass Subkornrotationsrekristallisation nur eine untergeordnete Rolle gespielt hat. Fluidgestützte Korngrenz-Migration (GBM) war der dominante Rekristallisationsmechanismus, was durch lobate bzw. suturierte Korngrenzen mit zahlreichen Fluideinschlüssen im Halit belegt wird. Deutlich ausgebildete Subkörner im Halit implizieren zudem thermisch aktiviertes Klettern von Versetzungen und damit verbundene Erholung des Kristallgitters. Subkorngrößen-Paläopiezometrie ergab einen zunehmenden Trend in der gemessenen Differentialspannung vom schwächer deformierten östlichen Teil, der eine Differentialspannung von 1,2 MPa aufweist, in Richtung der stark gescherten, westlichen Flanke der Salzstruktur, mit einer maximalen Differentialspannung von 2,9 MPa. Basierend auf experimentell ermittelten Gesetzen für Dislokationskriechen sowie für Lösungs-Fällungs-Kriechen wurde eine Strainrate in der Größenordnung von 1 x 10-12 bis 1 x 10-10 s-1 ermittelt. Hinweise auf erhöhten Fluideinfluss wurden in den stärker deformierten westlichen Bereichen gefunden, was durch einen erhöhten Bromidgehalt im Halit in den stärker deformierten Gesteinen angezeigt wird. Mögliche Wegsamkeiten für Fluide bilden die deformierten Anhydritlagen bzw. lokal deren Relikte sowie Bereiche, in denen leicht lösliche Kaliflöze auftreten. Hinweise darauf sind (i) höhere Konzentrationen von Fluideinschlüssen neben Anhydritkristallen und -lagen und (ii) eine erhöhte GBM-Aktivität in Proben aus der Nähe der Kaliflöze. Mikrorisse, Bruchboudinage, Zwillingsbildung und lobate Korngrenzen dokumentieren im Gegensatz zur Halitmatrix ein spröd-duktiles Deformationsverhalten für Anhydrit.

Keywords

anhydriteebsdhalitemicrofabricmorslebenzechstein rock salt