GEOCHEMISCHE PROZESSE BEIM STOFFTRANSPORT IN STOLLNSYSTEMEN GEFLUTETER GRUBENBAUE

D. Baacke, A. Kluge, M. Martin, P. Beuge

eingereichtes Vortragsabstract zur Jahrestagung der Fachsektion Hydrogeologie der DGG 1996 in Freiberg - veröffentlicht in: Merkel, B., Dietrich, P.G., Struckmeier, W u. Löhnert, E.P.: GeoCongress2: Grundwasser und Rohstoffgewinnung.- Verlag Sven von Loga.- Köln 1996.- S. 1-6.

Einleitung

Der untertägige Erzbergbau führt in sehr unterschiedlicher Weise fast stets zu einer erheblichen Beeinträchtigung und Belastung der natürlichen Umwelt. Begleiterscheinungen sind die Zerstörung landschaftlicher Güter durch Industrieanlagen, Halden und Tailings, die Gefährdung der geomechanischen Sicherheit der Erdoberfläche sowie die Freisetzung von Schwermetallen und anderer Elemente und Verbindungen in erhöhten Konzentrationen durch Grubenwässer sowie Sickerwässer von Halden und Absatzbecken für Aufbereitungsrückstände. Besondere Bedeutung besitzt auch die weitreichende Absenkung des Grundwasserspiegels und die damit verbundene Vergrößerung der Oxidationszone der Erzlagerstätte als Ursache eines erhöhten Potentials mobiler Schadstoffe.
Die mit der gleichzeitigen Flutung vieler Bergwerke im Erzgebirge verbundene besondere Situation führt zu schwer abschätzbaren Umweltbelastungen durch Grubenwässer. Es ergibt sich daraus die Notwendigkeit, theoretische Modelle über den Verlauf der Flutung sowie deren Konsequenzen auf die Wasserbeschaffenheit der Vorfluter und der Gewässersedimente zu erarbeiten. Extreme Belastungen werden erfahrungsgemäß vor allem in den ersten Jahren nach der Flutung erwartet.

Die Grube Freiberg

Die Freiberger Himmelfahrt Fundgrube (aufgefahren in der Freiberger Pb-, Zn-, Ag-Ganglagerstätte mit hydrothermaler Fe-, Zn-, Pb-, As, Cu-, Ag-Sulfidvererzung) bietet die Möglichkeit den zeitlichen Verlauf der Wasserbeschaffenheit nach der Flutung (von 1969 bis 1970) zu beobachten und gezielte Untersuchungen zur längerfristigen Entwicklung der Geochemie der Grubenwässer durchzuführen. Die Verallgemeinerung hier ablaufender Prozesse kann mit zu einer wichtigen Grundlage für die Abschätzung des Gefahrenpotentials bei Grubenflutungen sowie für die Einleitung von Maßnahmen zu dessen Abschwächung dienen.
Das hohe Oxidationspotential in der Sickerzone verursacht einen über Jahrzehnte bis Jahrhunderte anhaltenden erhöhten Elementaustrag. Die Grubensickerwässer (einzelne untertägige Quelläste) differenzieren sich im Verlauf der sich zeitlich verändernden Wasserwegsamkeiten stark (Mineralparagenese, Verbruch, Verockerung), so daß es zu einer spezifischen räumlichen Entwicklung hydrogeologische Teilsysteme und Stollnwässer kommt. Aufgrund der Befahrbarkeit der in der Freiberger Grube aufgefahrenen intakten Stollnsysteme können solche lokalen geochemischen Entwicklungen nachvollzogen werden.
Sauerstoffreiche Sickerwässer oxidieren die primären Sulfide der Resterze und tragen zur Versauerung durch Schwefelsäure bei, wodurch die Löslichkeit der Erze weiter erhöht wird. Dringt das im Verlauf dieses Prozesses sauerstoffärmer werdende Wasser in bewetterte Grubenbaue ein, bilden sich durch erneute Oxidation vor allem Eisen(hydro-)oxidkolloide, die zunächst als Schweb im Wasser transportiert werden und sich dann z.T. an der Sohle der Wasserläufe abscheiden oder in Form von Sinterbildungen fixiert werden. Die thermodynamischen Eigenschaften von Lösungs-, Fällungs- bzw. Redoxreaktionen sowie Koagulation und Dispersion von Kolloiden steuern die Fixierungs- und Mobilisationsprozesse. Einige Reaktionen werden (auto-)katalytisch und evtl. mikrobiell beeinflußt. Fließgeschwindigkeit, Turbulenz, Kontaktzeit und spezifische Oberflächen, Sorption und Gravitation stellen unmittelbar und parallel wirkende physikalische Bedingungen dar, die das Migrationsverhalten der Schwermetalle und anderer umweltrelevanter Elemente (Al, As) steuern.
Die Grube wird von drei wichtigen Stollnsystemen entwässert. Der bedeutendste Stolln, der Rothschönberger Stolln, entwässert mit 30 bis 50 m³/min (BAACKE 1995) die Grubengebäude der Reviere Brand-Erbisdorf, Zug, Freiberg, Halsbrücke und Großschirma auf einem Niveau um 200 m ü.NN in die Triebisch, einem kleinen Fluß, der bei Meißen in die Elbe mündet. Seine Zuläufe bestehen vorrangig aus homogenen Mischwässern der einzelnen gefluteten Gruben (Abb.1). Die Zuläufe, die die unterirdischen Reservoire speisen, bleiben größtenteils unzugänglich bzw. unbekannt.

Abb. 1: Schematischer Schnitt durch die Grubenabteilungen der Freiberger Gangerzlagerstätte mit Sickerwasserzonen und gefluteten Grubenbereichen.

Auf einem höheren Niveau (ca. 320 bis 330 m ü.NN) führen der Hauptstolln Umbruch und der Verträgliche Gesellschaft Stolln etwa 3 m³/min (BAACKE 1995) Grubenwasser in die Freiberger Mulde ab. Der Verträgliche Gesellschaft Stolln entwässert den östlichen Teil der Freiberger Grube und wurde in einem Erzgang aufgefahren. Durch eine Vielzahl kleiner Sickerwasserzuläufe unterliegt er einer fast kontinuierlichen, sauren hydrochemischen Entwicklung. Im westlichen Teil der Grube treten differenzierte größere Zuläufe in den Hauptstolln Umbruch ein, der im Nebengestein aufgefahren wurde. Seine Entwicklung ist mit der eines Flusses mit kontaminierten Nebenflüssen vergleichbar. (Tab.1).

Tab. 1: Zusammensetzung der Grubenwässer an den Stollnmundlöchern 1992-1995 (nach MARTIN, 1992-1994 und BAACKE, 1995)

Die Sickerwässer auf der Stollnsohle sind durch den Kontakt mit Boden, Gneiszersatzkappe und größtenteils alten bergmännischen Auffahrungen oder Versatz geprägt. Der kürzeste zurückgelegte Weg entspricht der Entfernung zwischen der Tagesoberfläche und der Stollnsohle, ca. 30-100 m.
Der für die Mineralisation entscheidende Faktor ist die Migrations- bzw. Kontaktzeit der Wässer mit dem Resterzgehalt und den Sekundärmineralen der abgebauten Gänge und deren reaktiven Oberflächen. Bei punktförmig austretenden, wasserreichen Zuläufen müssen auch oberflächige Kontaminationsquellen mit in Betracht gezogen werden.

Geochemie der Freiberger Stollnwässer

Von der Gesamtwassermenge am Mundloch des Rothschönberger Stollns entstammen ca. 12 bis 16 % dem Freiberger Zentralrevier (BAACKE 1995, Abb.1). Dieses Wasser verläßt die Himmelfahrt Fundgrube fast ausschließlich über den Schacht der Reichen Zeche, dessen Überlauf zum Stolln die größte Depression der Grundwasseroberfläche des Reviers markiert. Das Wasser steigt durch das entstehende Druckgefälle in der Schachtröhre auf.

Abb. 2: Schema des grundwassererfülltenHohlraumes der Grube Freiberg (2,6 Mio m³) bzw. des Zirkulationsraumes auf ca. 200 km neueren Streckenauffahrungen (3 Hauptfördersohlen).

Das unterirdische Reservoir mit einem Volumen von ca. 2,6 Mio m³ (Abb. 2) wird zusätzlich durch die Wärmekonvektion in Bewegung gehalten. Die geothermische Tiefenstufe beträgt hier ca. 3,4 Grad pro 100 m (Autorenkollektiv). Die Hauptzuläufe dieses Reservoirs können nicht direkt beobachtet werden. Es werden vor allem Wasserzuläufe aus den Erzgängen Wilhelm Sth., Schwarzer Hirsch Sth., Erzengel Sth. sowie über Schächte vermutet. Ein starker Zustrom wird aus dem nicht mehr erreichbarem Überlauf des Muldenhüttener Reviers (Morgensterner Grubenfeld) angenommen (AUTORENKOLLEKTIV). Die Leitfähigkeit des aus dem Brander Revier anströmenden Wassers (s. Abb. 1) verdoppelt sich nach dem Zusammenfluß mit dem Schachtüberlauf der Reichen Zeche, obwohl 40 bis 60 % des Gesamtvolumens aus dem Brander Grubenfeld stammen. Die Temperatur steigt um ca. 2 ^oC an und der pH-Wert wird um ca. 0,4 abgesenkt. Visuell wahrnehmbar fallen nach dem Zusammenfluß Schwebstoffe aus. Die Schwermetallfrachten (außer Blei) erhöhen sich signifikant (Abb. 3).

Abb. 3:Einfluß des Grundwasserüberlaufs des Freiberger Reviers an der Reichen Zeche (RZ6) auf die Schwermetallfrachten des Rothschönberger Stollns.

Kinetische Effekte verzögern die Reaktionen im Wasser ca. 15 min bis sich nach einer Fließstrecke von 200 bis 300 m die Leitfähigkeitswerte stabilisieren und die Einstellung hydrochemischer Teilgleichgewichte signalisieren. (BAACKE 1995)

Am Mundloch wurden Schwermetallfrachtverluste festgestellt, die auf eine Barrierewirkung vor allem des fiskalischen Teils des Stollns (ca. 13 km), auf das mit ca. 1 km/h fließende Stollnwasser hindeuten (geringe Schwebfrachten, s. Abb. 3). Durch vermutlich zeitweise auftretenden, schubartigen Austrag, z.B. während Niederschlagsperioden, findet man jedoch keine ausgeprägte Sedimentmächtigkeiten.
Die Zuläufe aus der Roten Grube, dem Ludwig Sp., dem Westquerschlag und dem Kobschacht haben nur sehr untergeordneten Einfluß auf die Wasserbeschaffenheit (BAACKE 1995). Größere Einflüsse werden von den Zuläufen aus dem Halsbrücker und Großschirmaer Revier erwartet.

Der Verträgliche Gesellschaftstolln wird von hochmineralisierten Wässern des Kirschbaum Sth. (pyritreiche Vererzungen der kiesig-blendigen Bleierzformation) beeinflußt. Der Ausbiß des bis in Oberflächennähe mit alten Abbauen durchzogenen Gangzuges befindet sich im Abstrombereich der Davidschächter Halden und Absetzteichen der Flotationsaufbereitung (Abb. 4).

Abb. 4: Vermutete Migrationswege stark mineralisierter Halden- und Gangsickerwässer im Einzugsbereich des Verträgliche Gesellschaft Stolln.

An einem wasserreichen, gering mineralisierten Zulauf (pH 3,9) beginnt die Versauerung des im Anstrombereich pH-neutralen Stollns. Partikuläre Schwebfrachten und bereits sedimentierte Teilchen aus dem Thurmhofschächter Bereich gehen dadurch in Lösung. Zahlreiche kleinere Zuläufe setzen mit pH-Werten um 3 bis 4 und Leitfähigkeiten um 4,5 bis 5 mS/cm den Versauerungsprozeß fort, so daß der Stolln am Mundloch einen pH-Wert um 4,5 aufweist. Diese Sickerwässer sind auch für die Schwermetallanreicherung verantwortlich. Hohe Konzentrationen werden vor allem bei den umweltrelevanten Inhaltsstoffen Sulfat (0,8 g/l), Zink (> 0,04 g/l), Cadmium (> 0,4 mg/l), Aluminium (16 mg/l) und Mangan (um 15 mg/l) am Mundloch erreicht (MARTIN 1992-94, BAACKE 1995). Auffällig sind erhöhte Kalium- und Magnesiumwerte der Zuläufe bzw. des Stollnwassers im Vergleich zu anderen Freiberger Grubenwässern, die für lagerstättenunspezifisch gehalten werden. Kupfer und Blei lösen sich im Verlauf der räumlichen Entwicklung aus der partikulären Fracht des Stollnwassers heraus und gehen in lösliche Species über. Arsen hingegen wird zunehmend an die Eisen(hydr-)oxidkolloide adsorbiert. Aluminium geht aufgrund der Instabilität seiner Hydroxokomplexe im sauren Milieu zunehmend in Lösung. Trotz der geringen Wassermengen am Mundloch reichen die Frachten von Zn und Cd durch die hohe Konzentration an die des viel wasserreicheren Rothschönberger Stollns heran.Der Hauptstolln Umbruch besitzt durch seine geringe Neigung das größte Sedimentationspotential. Bei der Bildung der Sedimente kann man zwischen zwei Teilbarrieren unterscheiden. Beide Prozesse können räumlich getrennt dominieren. Erstens kommt es durch die Veränderung chemischer und physikochemischer Bedingungen an den Zuläufen zur Bildung fixierungsfähiger Teilchen durch Fällung oder Flockung. Im Roten Graben z.B., außerhalb des Grubengebäudes, fließen das hochmineralisierte, saure Wasser des Verträgliche Gesellschaft Stollns und das geringmineralisierte (um 0,8 mS/cm), neutrale (pH um 7) Wasser des Hauptstolln Umbruchs zusammen. Es kommt zur Fällung der Schwermetalle. Auch das bis dahin im saurem Stollnwasser gelöst transportierte Aluminium wird fixiert (MARTIN 1995).
In einem zweiten Schritt sedimentieren die Partikel an Stellen, die ein Herabsetzen der Migrationsintensitäten durch modifizierte physikalische Bedingungen zulassen. Dies geschieht praktisch an einem zum Betrieb der Wärmepumpe eingebauten Verspünden (Holzstauwand) in der Nähe des Schachtes der Reichen Zeche. Die Gravitation ist im Zusammenwirken mit dem Nachlassen der Turbulenz die entscheidende Ursache für die auf die (Kondensations-) Kolloide in Langsamfließstrecken wirkende geochemische Barriere (Abb.5).

Abb. 5:Räumliche geochemische Entwicklung im Hauptstolln Umbruch.

Die trotz geringer Mineralisation relativ hohe Fracht an partikulärer Substanz erklärt sich aus dem pH-neutralen Milieubedingungen, die durch einen ausreichenden Gehalt an Hydrogenkarbonat stabilisiert werden. Die höheren Hydroniumkonzentrationen der Zuläufe am Glück Auf Sp. und der Aufschlagrösche (pH < 4) werden abgepuffert. Der Zulauf des Geharnischt Männer Sp. bringt dem Stolln trotz geringen Schüttungsvolumens erhöhte Schwermetallen; etwa ein Drittel der Zinkfracht, relativ viel Mangan und Cadmium. Diese Schwermetalle findet man auch im Sediment angereichert, neben einer hohen Konzentration des durch die Eisen(hydr-)oxide gebundenen Arsens (BAACKE 1995).

Zusammenfassung

Die wichtigen Entwässerungsstolln für die Freiberger Grube wurden auf weiten Teilen befahren und die geochemische Entwicklung im Zusammenhang mit den nacheinander zusitzenden Teilzuläufen dokumentiert und typisiert. Die Einzugsgebiete für die Stollnwässer können (hydro-)geochemischen Teilsystemen zugeordnet werden. Wesentliche geochemische Prozesse konnten in zeitlichem und räumlichen Verlauf erfaßt werden. Desweiteren wurden eigendynamische geochemische Barrieren lokalisiert und untersucht, die eine wichige Rolle als Schwermetallfallen spielen.

Ausblick

Die wasserdurchströmten Grubenbaue, insbesondere der geflutete Grubenbereich bietet sich als Modell- und Versuchsraum zur Entwicklung und Erprobung von In-Situ-Sanierungsverfahren für stillgelegte Grubengebäude an. Nach MILDE (1973) gelten 25 % des Grundwasservolumens als (relativ gut) durchströmt. Dieser Raum kann vermutlich Jahrhunderte lang zur einer eigendynamischen oder induzierten Sedimentation der Schwermetallfrachten dienen. Für den Einbau künstlich induzierter geochemischer Barrieren zur Schwermetallfixierung eignen sich Streckenabschnitte zwischen der Stollnsohle und der Rothschönberger Sohle. Im Verlauf begonnener Arbeiten sollen geochemische Stoffumsätze in den hydrogeologischen Teilsystemen bilanziert werden. Ziel ist dabei die naturnahe Fixierung, Sedimentation und Langzeitstabilisierung der Schwermetalle in der Grube sowie die Ableitung verallgemeinerbarer Ergebnisse, vor allem zur Übertragung auf die zur Zeit in Flutung befindlichen Grubenbaue des Erzgebirges.

Literatur

AUTORENKOLLEKTIV: Chronik der Grube Freiberg.- Technische Dokumentation.- VEB Berg- und Hüttenkombinat "Albert Funk" Freiberg 1972.
BAACKE, D.: Geochemie untertägiger Stoffflusse in Stollnwässern der Grube Freiberg.- Diplomarbeit.-TU Bergakademie Freiberg 1995.
KLUGE, A., MARTIN, M., BAACKE, D. UND HOPPE, TH.: Das Lehrbergwerk "Himmelfahrt Fundgrube" der TU Bergakademie Freiberg - ein Naturlabor für hydrogeologische und umweltgeochemische Forschungen.- TU Bergakademie Freiberg 1995.
MARTIN, M.: Geochemie der Stollnwässer des Erzgebirges.- Dissertation in Vorbereitung.- TU Bergakademie Freiberg.
MARTIN, M., BEUGE, P., KLUGE, A., HOPPE, Th.: Grubenwässer des Erzgebirges - Quelle von Schwermetallen in der Elbe.- Spektrum der Wissenschaften, 102-107, 5, 1994.
MILDE, G.: Gutachterliche Stellungnahme zur Qualität der Wässer des Rothschönberger Stollns und sich andeutenden Tendenzen.- unveröff. Gutachten.- Freiberg 1973.