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Lagerstättenerkundung

Die geologische Erkundung ist der erste Schritt einer komplexen Wertschöpfungskette, die im Ziegelwerk mit der Herstellung hochwertiger Produkte endet. Die Suche und Erkundung von Tonlagerstätten setzt Jahrzehnte lange Erfahrung voraus. Dies betrifft vor allem die Standortauswahl als auch die Art und Anzahl der Aufschlüsse/Bohrungen. Im Interesse eines optimalen Preis/Leistungsverhältnisses ist das Aufschlussverfahren individuell festzulegen.

Günstiges Verfahren für Lehme und Tone: Trockenbohrungen mit Schnecke (2019)
Günstiges Verfahren für Lehme und Tone: Trockenbohrungen mit Schnecke (2019)
Optimal für Tonsteine und Schiefertone: Das Rotary-Seilkernbohrverfahren (2017)
Optimal für Tonsteine und Schiefertone: Das Rotary-Seilkernbohrverfahren (2017)
Lukrative Alternative für Überlagerungshorizonte: Der Hydraulikbagger (2020)
Lukrative Alternative für Überlagerungshorizonte: Der Hydraulikbagger (2020)

Bei der Erkundung von Ziegeltonen hat sich ein Aufschlussraster von 100 m x 100 m bewährt. Sind die Bohrergebnisse gut korrelierbar, kann das Raster auf 200 m x 200 m erweitert werden. Ist der Untergrund heterogen, empfiehlt sich eine Verdichtung auf 50 m x 50 m. Ist die Geologie dann immer noch nicht klar, müssen Probeschürfe auf 25 m x 25 m angesetzt werden.

In mesozoischen Festgesteinen wie Schiefertonen muss das Streichen und Fallen der Schichten berücksichtigt werden. Dabei gilt prinzipiell: Im Streichen angesetzte Bohrungen erschließen dieselben Schichtfolgen und ergeben meist ähnliche Bohrprofile. Senkrecht zum Streichen angesetzte Bohrungen erfassen unterschiedliche Teile der Schichtfolge und erschließen die maximale Bandbreite des Rohstoffvorkommens.

 

Unser Leistungsangebot:

Alternative Standortsuche:

Systematische Vorerkundung höffiger Großräume. Bemusterung vorhandener Tagesaufschlüsse im regionalen Umfeld des geplanten Erkundungsgebietes. Orientierende Laborversuche zur Erfassung der Rohstoffcharakteristik. Erfassung und Bewertung konkurrierender Nutzungen.

Vorerkundung:

Sichtung und Auswertung geologischer Kartengrundlagen. Beschaffung von Leitungs- und Kabelplänen. Erstellung eines Untersuchungskonzeptes mit Art, Anzahl, Lage und Endteufen der einzelnen Aufschlüsse (Bohrungen und ggf. Schürfe).

Geologische Begleitung:

Ansatz von Aufschlüssen und geologische Begleitung der Bohrarbeiten sowie Aufnahme des Bohrgutes nach DIN 4022. Individuelle Anpassung des Bohrplanes in Abhängigkeit von den ersten Erkundungsergebnissen.

Probennahme und Transfer:

Qualifizierte Entnahme von Proben der Güteklassen 1-5 nach DIN 4021 und Transport ins Keramiklabor. Alternativ: Transfer der Kernkisten. Bei Auslandsaufträgen Abwicklung aller Formalitäten.

Eignungsprüfung im Labor:

Ermittlung der maßgebenden chemischen, mineralogischen und keramtechnologischen Kennwerte im Labor. Chemische Analyse, Mineralphasenanalyse, Simultan-Thermo-Analyse, Anmachwasser, Plastizität, Schwindung, Wasseraufnahme, Scherbenrohdichte, störende Bestandteile.

Lagerstättennachweis:

Georeferenzierte Darstellung der Erkundungsergebnisse in Lageplänen, Bohrprofilen, Schnitten und ISO-Plänen. Bewertung der Ergebnisse im Hinblick auf die spezifische ziegeleitechnische Eignung inklusive Mengennachweis.

 

Allgemeine Hinweise zu Bohrverfahren

Bohrverfahren und Bohrdurchmesser richten sich in erster Linie nach Art und Qualität der benötigten Rohstoffproben. Grundsätzlich sind Bohrverfahren vorzuziehen, bei denen das Bohrgut möglichst ungestört gewonnen wird und bei denen eine lückenlose Aufnahme der Schichtfolge gewährleistet ist. Die Bohrlöcher sind grundsätzlich zu verrohren, damit kein Bohrlochnachfall in das Probengut gelangt.

Um Setzungen und Umweltschäden zu vermeiden, müssen die Bohrlöcher mit dem abschließenden Ziehen der Verrohrung sorgfältig verfüllt werden. Insbesondere beim Antreffen von gespantem Grundwasser oder dem Durchteufen mehrerer Grundwasserstockwerke muss die hydraulische Sperrwirkung des ursprünglichen Schichtverbandes durch Verfüllung mit Tonpellets wieder hergestellt werden. Weitere Kriterien, die bei der Wahl des Bohrverfahrens entscheidend sind, beziehen sich vor allem auf die Festigkeit und Konsistenz des Untergrundes.

Bohrsondierungen / Kleinbohrungen

Bohrsondierungen mit Bohrkerndurchmessern von 32–80 mm zählen zu den Kleinbohrungen, die mit Hilfe eines Motor- oder Elektrohandbohrgerätes abgeteuft werden. Dabei wird eine geschlitzte Sonde meterweise in den Untergrund geschlagen. Sondierbohrungen können nur in geologischen Formationen der Klassen 1–4 nach DIN 18.300 niedergebracht werden, sofern diese breiige, weiche bis maximal steife Konsistenz aufweisen. Das bedeutet für den Ziegler: Tone können aufgrund der hohen Kohäsionskräfte nicht erkundet werden. Sehr wohl aber Lehme und Sande, die häufig den Überlagerungsabraum von Tonvorkommen darstellen. Die erreichbaren Endteufen hängen vom Eindringwiderstand in den Untergrund ab. Sie betragen ungefähr 6-12 m.

Der wesentliche Vorteil der Sondierbohrungen liegt darin, dass in weichen Schichten zwar geringe, aber weitgehend durchgehende und vollständige Proben der Güteklassen 2-3 gewonnen werden können. Vorzüge liegen ferner in den geringen Flurschäden, der guten Erreichbarkeit der Bohrpunkte und in dem vergleichsweise geringe Zeit-/Kostenaufwand. Insbesondere in Kombination mit Kernbohrungen sind engmaschige Sondierbohrungen grundsätzlich zu empfehlen, sofern lehmartige Schichten geringer Konsistenz und Mächtigkeit erkundet werden sollen.

Drehbohrverfahren ohne Spülung

Bohrverfahren mit Schappe sind geeignet für Lockergesteine oberhalb des Grundwasserspiegels. Dabei löst eine zylindrische Bohrschappe den Untergrund mit Schneiden oder Spiralspitzen. Das Mantelrohr nimmt das gestörte Bohrgut auf. Zur besseren Entleerung ist es durchbrochen. Der Antrieb erfolgt über ein Bohrgestänge drehend-drückend. Die Probenqualität entspricht den Güteklassen 3-4 und ist damit für eine erste Rohstoffbeurteilung ausreichend. Der Gefügeverband ist gestört. Wichtige Schichtgrenzen sind aber erkennbar.

Alternative Standortsuche für ein neues Dachziegelwerk in Covasna/Rumänien (2008)
Alternative Standortsuche für ein neues Dachziegelwerk in Covasna/Rumänien (2008)
Geologische Aufnahme der Trockenbohrungen mit Schappe bis 20 m Endteufe (2008)
Geologische Aufnahme der Trockenbohrungen mit Schappe bis 20 m Endteufe (2008)
Luftdichtes Verpacken des Transsilvanischen Tons für den Transport nach Deutschland (2008)
Luftdichtes Verpacken des Transsilvanischen Tons für den Transport nach Deutschland (2008)

Trockenbohrverfahren mit Schnecke sind bei der Erkundung von bindigen Lockergesteinen wie Lehmen und plastischen Tonen weitverbreitet und relativ kostengünstig. Sie können in geologischen Formationen der Klassen 1-5 nach DIN 18.300 eingesetzt werden. Die erreichbaren Endteufen liegen meist bei 30-40 m. Die Bohrschnecke löst den Untergrund mit einer Schneide am Ende der Spirale. Der Antrieb erfolgt über ein Bohrgestänge drehend-drückend.

Erkundung von plastischem Lauenburger Ton bis 30 m Endteufe/Oldenburger Land (2019)
Erkundung von plastischem Lauenburger Ton bis 30 m Endteufe/Oldenburger Land (2019)
Abteufen von Trockenbohrungen mit Schnecke auf Raupenfahrgestell (2019)
Abteufen von Trockenbohrungen mit Schnecke auf Raupenfahrgestell (2019)
Ausreichende Mengen an Probenmaterial aus der Schnecke (2019)
Ausreichende Mengen an Probenmaterial aus der Schnecke (2019)

Das Probenmaterial ist durch den Bohrvorgang gestaucht, entsprechend der Güteklassen 3-4 nach DIN 4021. Der Gefügeverband ist gestört. Schichtgrenzen sind aber gut erkennbar. Qualität und Menge des Probenmaterials sind für eine einwandfreie Beurteilung des Rohstoffs ausreichend. Moderne Anlagen verfügen über die Möglichkeit zur Entnahme von Sonderproben der Güteklasse 1 nach DIN 4021.

Rotary-Druckspülverfahren

Für das Abteufen von tiefen Aufschlussbohrungen in geologischen Formationen der Klassen 1-7 (alle Locker- und Festgesteine) wird das Rotary-Druckspülbohrverfahren eingesetzt. Es ist das gängige Verfahren in der Erdöl- und Erdgasindustrie und ermöglicht Endteufen von mehreren Tausend Metern. Beim Druckspülen wird der Untergrund durch Drehbewegungen des Bohrwerkzeugs (Stufenmeißel, Rollenmeißel) zunächst von der Bohrlochsohle gelöst und dann an die Erdoberfläche gefördert. Dazu wird mit Kolben- oder Kreiselpumpen aus einem Spülteich das Spülungsmedium durch einen Druckschlauch und durch das Bohrwerkzeug an die Bohrlochsohle gepumpt. Dort tritt das Spülungsmedium zusammen mit dem Bohrklein in den entstehenden Ringraum zwischen Bohrlochgestänge und Bohrlochwand ein und wird so zutage gefördert.

Schema des Rotary-Druckspülbohrverfahrens / nach Homrighausen (1997)
Schema des Rotary-Druckspülbohrverfahrens / nach Homrighausen (1997)

In Spülteichen oder Spülwannen setzt sich das in Suspension geförderte Bohrgut ab und steht dort zur Bemusterung bereit. Durch einen Saugschlauch wird die feststoffbereinigte Spülflüssigkeit dann erneut in Umlauf gebracht. Da mit Hilfe solcher Spülbohrungen nur bedingt teufengerechte, gestörte und vor allem unvollständige Proben der Güteklasse 5 nach DIN 4021 gewonnen werden können ist von diesem Verfahren für die Ziegelindustrie abzuraten. Um wichtige geologische Schichtgrenzen zu erfassen müssen ergänzende bohrlochphysikalische Messungen durchgeführt werden.

Rammkernbohrverfahren

Um durchgehend ungestörte, vollständige und teufengerechte Rohstoffproben aus geologischen Formationen der Klassen 1-5 nach DIN 18.300 (Ton, Schluff, Sand, Kies) zu erhalten, wird das Rammkernbohrverfahren eingesetzt. Dabei wird zunächst ein 168 mm Standrohr gesetzt und das Rammkernrohr mit einem PVC-Inliner bestückt. Anschließend wird das Kernrohr mit einem Freifallhammer in den Untergrund gerammt. Dabei werden die zum Vortrieb benötigten Rammschläge aufgezeichnet um Hinweise auf die Festigkeit des Untergrundes zu erhalten. Die so in den PVC-Inliner gekernte Strecke ist meistens 1,0 m lang. Wenn das Kernrohr komplett in den Untergrund gerammt ist, wird nach dem Ausbau des Rammbären das Kernrohr mit einer 168 mm Rohrtour überbohrt und so die Bohrlochwand gesichert. Um das Rammkernrohr leichter zu ziehen und den Bohrkern zu schonen, erfolgt das Überbohren meist mit Wasser als Spülhilfe.

Schema des kombinierten Rammkern-/Seilkernbohrverfahrens / nach Homrighausen (1997)
Schema des kombinierten Rammkern-/Seilkernbohrverfahrens / nach Homrighausen (1997)

Anschließend wird der Fänger in das Bohrloch eingefahren und mit dem Kernrohr verbunden. Danach wird das Rammkernrohr von der Bohrlochsohle gelöst und über eine Seilwinde gezogen. Eine Kernfangfeder am unteren Ende des Kernrohres verhindert das Herausfallen des Bohrkerns beim Ziehen. Nach dem der Bohrkern im PVC-Inliner aus dem Kernrohr entnommen worden ist, wird er zur späteren Begutachtung luftdicht versiegelt und in Kernkisten abgelegt.

Erkundung von plastischen Rhättonen und Schiefertonen/Nordrhein-Westfalen (2007)
Erkundung von plastischen Rhättonen und Schiefertonen/Nordrhein-Westfalen (2007)
Bohrkerne 101 mm aus dem Rammkernverfahren mit Kernverlusten (2007)
Bohrkerne 101 mm aus dem Rammkernverfahren mit Kernverlusten (2007)
Bohrkerne 101 mm aus dem Seilkernverfahren ohne Kernverluste (2007)
Bohrkerne 101 mm aus dem Seilkernverfahren ohne Kernverluste (2007)

Ein Kerndurchmesser von 101 mm hat sich allgemein durchgesetzt, weil relativ große Probenmengen gewonnen werden können. Je nach Festigkeit des Untergrundes sind Bohrtiefen von bis zu über 100 m möglich. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es mit dem Seilkernbohrverfahren auf einer Bohranlage kombiniert werden kann. Das bedeutet in der Praxis: Nach Durchteufen der Lockergesteinsdecke kann die Rammkernbohrung problemlos im Seilkernverfahren vertieft werden. Ideal auch für die Erkundung von Verwitterungsprofilen.

Rotary-Seilkernbohrverfahren

In Festgesteinen der Klassen 6-7 werden Kerne mit Spülbohrtechnik rotierend gewonnen. Für die Erkundung von verfestigten Tongesteinsfolgen jeglicher Art (Playaton-Wechselfolgen, Tonsteine, Schiefertone, Tonschiefer Phyllitschiefer) stellt das Seilkernbohrverfahren mit Doppelkernrohr die mit Abstand beste Aufschlussmethode dar. Vor allem weil Sedimentstrukturen und die tektonischen Lagerungsverhältnisse (Schichteinfallen, Trennflächengefüge, Kluftmineralisationen) gut erfasst werden können. Das Doppelkernrohr bietet den entscheidenden Vorteil, dass beim Kernen nur aus äußere Rohr rotiert, während das Innenrohr nicht rotiert. Dadurch ist der Bohrkern keiner permanenten mechanischen Belastung ausgesetzt. Der allgemein übliche Bohrdurchmesser ist 146 mm bei einem Kerndurchmesser von 101 mm.

Erkundung von Liastonen und Schiefertonen bis 45 m Endteufe/Thüringer Becken (1999)
Erkundung von Liastonen und Schiefertonen bis 45 m Endteufe/Thüringer Becken (1999)
Gewinnung der Bohrkerne aus dem Seilkernbohrverfahren in PVC-Inlinern (1999)
Gewinnung der Bohrkerne aus dem Seilkernbohrverfahren in PVC-Inlinern (1999)
Goswin Thonnard: Ein wahrer Meister im Rammkern-/Seilkernbohrverfahren (1999)
Goswin Thonnard: Ein wahrer Meister im Rammkern-/Seilkernbohrverfahren (1999)

Der Spülungsfluss bei dieser Bohrmethode erfolgt über Kolbenpumpen aus einer Spülwanne oder einem Spülteich durch das Bohrgestänge. Dabei fließt die Spülung zwischen Innenrohr/Außenrohr, so dass eine stetige hydraulische Beeinflussung des Bohrkerns vermieden wird. Nur im Bereich der Bohrkrone, wo der Spülungsstrom den Zwischenraum Innenrohr/Außenrohr verlässt wird der Kern kurzzeitig auf einer Länge von etwa 10 cm umspült. Wesentliche Aufgaben der Spülung liegen in dem Kühlen der Bohrkrone, dem Reinigen der Bohrsohle von Bohrklein sowie dem Stabilisieren der Bohrlochwandung.

Erkundung von Mergeltonsteinen im Rotary-Seilkernbohrverfahren/Eggegebirge (2008)
Erkundung von Mergeltonsteinen im Rotary-Seilkernbohrverfahren/Eggegebirge (2008)
Einsatz von Wasser als Spülhilfe in festen Schichten des Oberen Buntsandstein (2008)
Einsatz von Wasser als Spülhilfe in festen Schichten des Oberen Buntsandstein (2008)
Ziehen des Kernrohres bei 20 m Endteufe, Bohrdurchmesser 146 mm (2008)
Ziehen des Kernrohres bei 20 m Endteufe, Bohrdurchmesser 146 mm (2008)

Kernmarschlängen liegen bei diesem Verfahren standardmäßig bei 1,5 oder 3,0 m, selten bei 6,0 oder gar 9,0 m. Nach Beendigung des Kernvorgangs wird das Innenrohr mit dem gewonnen Kern über eine Seilwinde geborgen, während der Gestängestrang samt Bohrkrone im Bohrloch verbleibt. Nach Abdrehen des Kernfangrings und vorsichtiger Entnahme des Kerns kann das Innenrohr wieder über die Seilwinde in das Bohrloch eingefahren werden. Wesentliche Voraussetzung für einen möglichst vollständigen Kerngewinn ist ein guter Kernerhalt. Lose Gesteinsbrocken werden von der Kernfangfeder nicht gehalten, es entstehen Kernverluste.

Erkundung einer Tonfläche im Oberen Buntsandstein/Nordrhein-Westfalen (2017)
Erkundung einer Tonfläche im Oberen Buntsandstein/Nordrhein-Westfalen (2017)
Nicht präparierte Bohrkerne 101 mm aus dem Seilkernbohrverfahren (2017)
Nicht präparierte Bohrkerne 101 mm aus dem Seilkernbohrverfahren (2017)
Typischer Erkundungsfehler: Bohrkerne werden aus Unwissenheit nicht präpariert (2017)
Typischer Erkundungsfehler: Bohrkerne werden aus Unwissenheit nicht präpariert (2017)

Die Kernqualität und der Kerngewinn hängen auch maßgeblich von der Wahl der richtigen Bohrkrone ab. Bei der Erkundung von heterogenen Tongesteinsfolgen sind Hartstiftkronen und corboritbesetzte Kronen zu empfehlen. Bei sehr schwierig zu kernenden Formationen, empfiehlt sich auch hier der Einsatz eines PVC-Inliners um den Kern zusätzlich vor dem Einfluss der Bohrspülung zu schützen. Mit der Rotary-Seilkernbohrmethode sind vom Standrohr abgesehen, unverrohrte Kernbohrungen bis zu mehreren 100 m möglich. Die bisher tiefste vertikale Seilkernbohrung erreichte eine Teufe von 3.500 m.

Probeschürfe mit Hydraulikbagger

Mit Hilfe eines tieflöffelbestückten Hydraulikbaggers können geologische Formationen der Klassen 1-5 nach DIN 18 300 bis in Teufen von rund 5,0 m unter Gelände erkundet werden. Voraussetzung ist jedoch, dass die zu erkundenden Schichten oberhalb des Grundwasserspiegels liegen. Die Vorteile liegen vor allem in der großdimensionierten Aufschlussgeometrie und der Möglichkeit diese Aufschlüsse unter Beachtung entsprechender Vorsichtsmaßnahmen auch direkt zu begehen.

Probeschurf in Überlagerungstonen von Zechsteinkalk/Westliches Harzvorland (2020)
Probeschurf in Überlagerungstonen von Zechsteinkalk/Westliches Harzvorland (2020)
Deponiebautechnische Eignungsprüfung an Überlagerungstonen/Revier Halle-Leipzig (2012)
Deponiebautechnische Eignungsprüfung an Überlagerungstonen/Revier Halle-Leipzig (2012)
Möglichkeit zur Entnahme ausreichend großer Probenmengen aus dem Eozän (2012)
Möglichkeit zur Entnahme ausreichend großer Probenmengen aus dem Eozän (2012)

So können Sedimentstrukturen nicht nur in der Tiefe, sondern auch in ihrer horizontalen Verbreitung und Ausbildung sehr gut beschrieben werden. Beispielsweise das Schichteinfallen oder die Art und Intensität des Trennflächengefüges. Vorteilhaft ist auch der vergleichsweise geringe Zeit- und Kostenaufwand. In kurzer Zeit können viele Aufschlüsse niedergebracht, geologisch aufgenommen und bemustert werden.

Vorerkundung einer Tonfläche auf Bockhorner Ton mit Minibagger/Niedersachsen (2017)
Vorerkundung einer Tonfläche auf Bockhorner Ton mit Minibagger/Niedersachsen (2017)
Was Zeit und Kosten betrifft ist der Bagger unschlagbar: 18 Schürfe an einem Tag (2017)
Was Zeit und Kosten betrifft ist der Bagger unschlagbar: 18 Schürfe an einem Tag (2017)
Der verwitterte Ton geht schlagartig in schwarzen unverwitterten Ton über (2017)
Der verwitterte Ton geht schlagartig in schwarzen unverwitterten Ton über (2017)

Begrenzend ist neben der relativ geringen Erkundungstiefe vor allem das Ausmaß der Flurschäden anzusehen. Unabhängig davon sind die Schürfe nach der Aufnahme wieder sorgfältig und horizontgerecht zu verschließen. Probeschürfe mit dem Bagger sind vor allem zur Verdichtung des Aufschlussrasters zu empfehlen. Insbesondere bei der Erkundung von Überlagerungshorizonten.

Geophysikalische Messungen

Geophysikalische Messungen an der Geländeoberfläche basieren methodisch auf der Verfolgung von Grenzflächen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Untergrundes, wie der Fortpflanzungsgeschwindigkeit für seismische Wellen oder dem elektrischen Widerstand. Voraussetzung ist, dass der Untergrund möglichst nur zweischichtig aufgebaut ist und dass sich diese Schichten in ihren Wellengeschwindigkeiten bzw. in ihrem elektrischen Widerstand möglichst deutlich voneinander unterscheiden.

Vorteile der Methode liegen vor allem im flächendeckenden Aufschluss und im vergleichsweisen geringen finanziellen Aufwand. Begrenzungen resultieren aus der zwingenden Korrelation der Messergebnisse mit den Ergebnissen direkter Aufschlussmethoden, in der Regel mit Kernbohrungen. Geophysikalische Erkundungen können zur Verdichtung des Aufschlussrasters empfohlen werden, sofern Befunde aus direkten Aufschlüssen positiv sind. Während Hauptrohstoffarten wie etwa Sand von Ton voneinander abgegrenzt werden können, gelingt dies bei unterschiedlichen Tonqualitäten nicht. Es können keine Proben gewonnen werden.

Lagerstättennachweis

Lagerstättenerkundungen sind mit einem hohem finanziellen Aufwand und Risiko verbunden. Daher sollten alle Arbeitsergebnisse sorgfältig dokumentiert werden. Zu diesem Zweck sind alle Aufschlusspunkte und Probenahmestellen zu georeferenzieren und in entsprechenden Kartenunterlagen darzustellen. Zur Erstellung des behördlich geforderten Lagerstättennachweises müssen Schichtenverzeichnisse und Bohrprofile durch Laborversuche untersetzt werden. Es muss nachgewiesen werden, dass das erkundete Vorkommen in ausreichender Qualität und Menge zur Verfügung steht.

Die Dauer der Abgrabungsverfahren ist von Land zu Land und auch regional sehr unterschiedlich. Tendenziell werden die Verfahren immer aufwendiger und langwieriger. In der EU sind mittlerweile Zeiten um die 10 Jahre und länger anzusetzen. Immer wieder werden diese Vorlaufzeiten seitens der Ziegelwerke unterschätzt. Bei Tongruben-Restlaufzeiten von weniger als 15 Jahren sollte bereits mit der Suche eines neuen Vorkommens begonnen werden.