Original paper

Inkohlung und Inkohlungsgradienten im Permokarbon der Saar-Nahe-Senke

[Coalification and Gradients of Coalification of the Permo-Carboniferous in the Saar-Nahe Basin (West Germany)]

Teichmüller, Marlies; Teichmüller, Rolf; Lorenz, Volker

Kurzfassung

Aufgrund von 80 Proben (Kohlen und kohlenführende Gesteine) wurde ein regionales Inkohlungsbild der Saar-Nahe-Senke entworfen (Abb. 12). Es zeigt die Änderung der Vitrinit -Reflexion (% Rm), bezogen auf Flöz Breitenbach am Top des Stefans in der Nahe-Senke und auf Flöz Kallenberg des Westfal D in der Saar-Senke. Danach ist der Inkohlungsgrad des stratigraphisch viel jüngeren Flözes Breitenbach in der Nahe-Senke etwas höher als derjenige des Flözes Kallenberg in der Saar-Senke. Ursache dafür ist die starke Absenkung der Schichten in der Nahe-Senke zur Zeit des Rotliegenden (Abb. 3) und wahrscheinlich auch ein höherer geothermischer Gradient, der in Zusammenhang stehen dürfte mit dem stärkeren Vulkanismus im Rotliegenden der Nahe-Senke. Im Bereich von Rhyolith-Kuppeln der Nahe-Senke wurde jedoch nur ein lokaler Anstieg des Inkohlungsgrades beobachtet. Sowohl der Saarbrücker Sattel als auch der Pfälzer Sattel zeichnen sich durch eine relativ geringe Inkohlung gegenüber den ihnen benachbarten Mulden aus. Es ist deshalb sehr unwahrscheinlich, daß sich unter den Hauptsätteln größere magmatische Diapire verbergen, wie gelegentlich angenommen worden ist. In der Saar-Senke wurden frühere Ergebnisse bestätigt, nach denen die Inkohlung hier zwar vorwiegend präkinematisch, zum Teil jedoch auch synkinematisch ist (Abb. 7, 9, 10). Die Inkohlung im Saargebiet ist älter als die letzte Phase der Saarbrücker Überschiebung und bekanntlich auch älter als die Brüche und Blattverschiebungen. Aufgrund von 150 Bohrproben wurden in 6 Bohrungen der Saar-Senke und 2 Bohrungen der Nahe-Senke die Inkohlungsgradienten ermittelt. In der Saar-Senke betragen sie für den Inkohlungsbereich Flammkohlen- bis Gaskohlen-Stadium (0,72-1,10% Rm) im Mittel 0,032 % Rm/100 m und sind damit nur wenig kleiner als in Bohrungen des Ruhrgebiets (0,042% Rm/100 m), die den gleichen Inkohlungsbereich durchteuft haben. Dasselbe gilt für die Gaskohlen, die im Stefan der Bohrung Saar 1 in den oberen Teufen angetroffen wurden. Im Inkohlungsbereich der Anthrazite und Meta-Anthrazite (2,5-5,5% Rm) nimmt die Inkohlung im Westfal der Tiefbohrung Saar 1 in größerer Tiefe sehr viel schneller zu (Abb. 6). Hier beträgt der Inkohlungsgradient 0,175 % Rm/100 m und ist damit etwa der gleiche wie in den Tiefbohrungen Versmold 1 (Abb. 8) und Münsterland 1 in der subvariscischen Vortiefe des Rhenoherzynikums. Die starke Inkohlung im Westfal der Bohrung Saar 1 ist in erster Linie auf die tiefe Absenkung dieser Schichten in der Vorhaardt-Mulde, südöstlich des Saarbrücker Sattels, zurückzuführen. Die Vorkommen von Naturkoksen und Basalt-Gängen in der gleichen Bohrung deuten auf einen Vulkanismus permokarbonischen Alters und damit auf die Möglichkeit einer zusätzlichen Erwärmung durch einen Magmenkörper in größerer Tiefe. Auch das Auftreten von Skapolith in den Feldspat-Grauwacken des Oberdevons dürfte u.E. mit einem permokarbonischen Magmatismus zusammenhängen. Wegen der großen Bohrtiefe (5857 m) und des großen Inkohlungsbereiches, der in der Bohrung Saar 1 angetroffen wurde, lassen sich hier die Bereiche der Diagenese, Anchi-Metamorphose und Epi-Metamorphose aufgrund des Inkohlungsgrades (Vitrinit-Reflexion) gegeneinander abgrenzen (Abb. 6). Die Grenze Anchi-/Epi-Zone harmoniert mit den mineralogischen Befunden früherer Bearbeiter. In 2 Bohrungen der Nahe-Senke wurde im Inkohlungsbereich von Gas- bis Esskohlen (0,93-1,92 % Rm) ein Inkohlungsgradient von 0,064 % Rm/100 m festgestellt. Dieser Gradient ist doppelt so groß wie derjenige von Flamm- bis Gaskohlen in der Saar-Senke - jedoch kleiner als der von Gas- bis Fettkohlen des gleichen Inkohlungsbereiches (0,9-1,9% Rm) im Ruhrkarbon. Insgesamt zeigen die Untersuchungen in der Saar-Nahe-Senke, daß sich die Inkohlungsgradienten im Permokarbon der Rücktiefe des Rhenoherzynikums nicht wesentlich von denen in der subvariscischen Vortiefe unterscheiden. Sie sind dagegen viel größer als die Inkohlungsgradienten in der Molasse der subalpidischen Vortiefe. Aufgrund der paläogeographischen und tektonischen Entwicklung der Saar-Nahe-Senke wurde versucht, die maximale Versenkungstiefe der kohleführenden Schichten in den verschiedenen Aufschlüssen zur Zeit des Permokarbons, d. h. zu der Zeit als die Inkohlung stattfand, zu ermitteln (Tab. 7, 8). Diese Daten dienen, zusammen mit den Inkohlungsgradienten - als Grundlage für die Berechnung des Wärmeflusses im Permokarbon der Saar-Nahe-Senke (siehe die anschließende Arbeit von G. BUNTEBARTH "Zur Paläogeothermie im Permokarbon der Saar-Nahe-Senke").

Abstract

Based on microscopic reflectance measurements on vitrinite of 80 samples (coal or coal bearing rocks) a coalification map of the Saar-Nahe Basin was developed (fig. 12). Regional rank variations are displayed for 1) the Breitenbach seam (top of the Stephanian) in the Nahe Basin and 2) the Kallenberg seam (Westphalian D) in the Saar Basin. The stratigraphically much younger Breitenbach seam of the Nahe Basin is slightly higher in rank than the Kallenberg seam of the Saar Basin. This higher rank was caused by deeper burial of the Breitenbach seam (fig. 3) and probably also by a higher geothermal gradient during the Permian. Only local increases of rank were observed in the vicinity of rhyolite intrusions. Both the Saarbrücken and the Pfalz anticlines are characterized by a relatively low rank of the reference seams as compared to the adjacent synclines. Thus it seems unlikely that large magmatic intrusions are hidden beneath the two anticlines as has been assumed occasionally. In the Saar Basin Coalification is mainly prekinematic, but partly also syn-kinematic (figs. 7, 9, 10) which confirms earlier results. Coalification is older than the last phase of thrusting along the Saarbrücken overthrust fault and was completed before normal and strike-slip faulting happened. Coalification gradients were estimated for six bore holes in the Saar Basin and two bore holes in the Nahe Basin (total of 150 bore hole samples). In the Saar Basin a mean gradient of 0.032 % Rm/100 m (Rm = random reflectance) was found for the Coalification range of 0.72-1.10% Rm (high volatile A and B bituminous, extending slightly into medium volatile bituminous coal). This gradient is slightly lower than in bore holes of the Ruhr Basin for the same rank range (0.042 % Rm/100 m). The same is true for high volatile A bituminous coals of Stephanian age of the Saar 1 bore hole which were encountered in its upper pan. In its deeper part, where anthracites and meta-anthracites (2.5-5.5% Rm) were encountered in the Westphalian, the Coalification gradient rises to 0.175 % Rm/100 m (fig. 6); this is almost the same as in bore holes Versmold 1 (fig. 8) and Münsterland 1 of the subvariscan foredeep to the north. The high rank of coals of Westphalian age in Saar 1 was mainly caused by deep burial of the rocks within the Vorhaardt syncline southeast of the Saarbrücken anticline. The occurrence of natural cokes and basaltic dykes in Saar 1 indicate Permo-Carboniferous volcanic activity and thus the possibility of additional heating by a magmatic intrusion at depth. The occurrence of scapolite in the Upper Devonian feldspar-greywackes probably is related to Permo-Carboniferous magmatism as well. Due to the great depth (5857 m) and the wide range of coal rank encountered in Saar 1 diagenesis, anchi-metamorphism and epi-metamorphism can be defined on the basis of coal rank (% Rm) in this borehole (fig. 6). The boundary between the anchi-zone and the epi-zone is in accordance with earlier mineralogical findings. The coalification gradient of the two bore holes of the Nahe Basin averages 0.064% Rm/100 m for the rank range of 0.93-1.92 % Rm (high volatile A bituminous coal to semianthracite). This gradient is twice that in lower rank coals in bore holes of the Saar Basin, but less than that in coals of the same rank range (0.9-1.9 % Rm) in the Ruhr Basin. Thus the coalification gradients in the back deep of the Rhenohercynicum (the Saar-Nahe Basin) do not differ much from those in the subvariscan foredeep (Ruhr Basin). But they are much higher than the coalification gradients in the molasse basin of the subalpidic foredeep. The maximum burial and the timing of burial of the coal bearing strata in the different bore holes during the Permo-Carboniferous (i.e. during the time when coalification took place) was estimated based on the known palaeogeographic and tectonic development of the Saar-Nahe Basin. These data, together with the determined coalification gradients, provided the basis for the calculation of heat flow during the Permo-Carboniferous in the Saar-Nahe Basin (compare the following paper of G. BUNTEBARTH on the palaeogeothermics of the Saar-Nahe Basin during the Permo -Carboniferous).

Keywords

Coalcoal-bearing rockWestphalianStephanianRotliegendescoalification rankreflectancevitrinitecoalification gradientgeothermal gradientburial metamorphismdepthpressionsynclinevolcanic rock Saar-Nahe BasinSaarlandRhineland Pal