Petrographical and petrophysical properties of tight siliciclastic rocks from the Ibbenbueren coal mine with regard to mine flooding

In the course of raw material depletion, uneconomic production, climate change, and the energy transition, Eu-ropean hard coal mining areas are subject to change. Besides social and economic consequences for mining sites, these changes also involve the rebound of ground water that changes the local stress state and may induce ground movements, microseismicity, and gas anomalies. In order to contribute to the understanding of the geomechanical coupling of subsur-face stress changes and surface ground movements, we present and discuss petrographic and petrophysical data of Upper Carboniferous (Westphalian B-C), fluvial, tight (most porosities <10%, most permeabilities <1 mD) sandstones and silt-stones from the former Ibbenbueren coal mine in NW Germany where mine flooding currently proceeds. Varying and comparatively high compressional (3,809-6,656 m/s) and shear wave velocities (2,126-3,723 m/s), and Young's moduli (31.3-80.9 GPa) are associated with Cretaceous maximum burial by which the textural framework was predominantly mechanically compacted and subordinately cemented by syntaxial quartz overgrowths. Grain size (0.008-1.1 mm) as a function of the depositional environment controls wave velocities and Young's moduli. In contrast, the range of Poisson's ratios (0.09-0.31) is typical for sandstones and depends on stress history, depositional and diagenetic mineralogy. Conse-quently, the textural and mineralogical heterogeneities of the sample set result in variations in wave velocities, Young's moduli, and Poisson's ratios. These petrophysical properties are crucial for the poroelastic behaviour of the subsurface and need to be considered in case studies, which model post-mining ground movements as a result of mine flooding. Kurzfassung: Im Zuge der Erschopfung von Rohstoffen, unwirtschaftlicher Forderung, des Klimawandels und der Ener-giewende unterliegen die europaischen Steinkohlereviere einem Wandel. Neben sozialen und okonomischen Folgen umfasst dieser Wandel auch den Wiederanstieg des Grundwassers, welcher anderungen im lokalen Spannungszustand hervorruft und Bodenbewegungen, Mikroseismizitat und Gasanomalien verursachen kann. Um einen Beitrag zum Verstandnis der geomechanischen Kopplung von Spannungsanderungen im Untergrund mit Oberflachenbewegungen zu leisten, untersu-chen wir in dieser Studie petrographische und petrophysikalische Daten dichter (Porositaten uberwiegend <10%, Permeabi-litaten uberwiegend <1 mD), fluviatiler Sand-und Siltsteine des Oberkarbons (Westfal B-C) aus dem ehemaligen Steinkoh-lerevier Ibbenburen in Nordwestdeutschland, wo der Grundwasserspiegel aktuell ansteigt. Variierende und vergleichsweise hohe Elastizitatsmoduln (31,3-80,9 GPa), Primar-(3.809-6.656 m/s) und Scherwellengeschwindigkeiten (2.126-3.723 m/s) stehen im Zusammenhang mit kreidezeitlicher Versenkung, wodurch die Gesteine vor allem mechanisch kompaktiert und nachrangig durch syntaxiale Quarzuberwuchse zementiert wurden. Die Korngrosse (0,008-1,1 mm) als Resultat der Ablage-rungsumgebung bestimmt die Elastizitatsmoduln und Wellengeschwindigkeiten. Im Gegensatz dazu hangen die sandstein-typischen Poissonzahlen (0,09-0,31) von der Spannungsgeschichte und der detritischen sowie diagenetischen Mineralogie ab. Variationen in den Elastizitatsmoduln, Primar-und Scherwellengeschwindigkeiten liegen daher in der Heterogenitat des Gefuges und der Mineralogie begrundet. Diese petrophysikalischen Eigenschaften sind entscheidend fur das poroelastische Verhalten des Untergrundes und mussen in Fallstudien, die Bodenbewegungen in Folge einer Bergwerksflutung modellie-ren, berucksichtig werden.