Mitt. Verb. dt. Höhlen- u. Karstforsch.
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München 2005

Ablagerungen in Karsthohlformen des West- und Südharzrandes als Archive der Umweltgeschichte

von
Matthias Deicke

 

Der westliche und südliche Harzrand

Entlang des westlichen und südlichen Harzrandes stehen verkarstete Gesteine des Zechsteins an. Beim Einsturz von unterirdischen Hohlräumen entstehen an der Oberfläche die häufig anzutreffenden trichterförmigen Erdfälle und Einsturzdolinen. Ihre Anzahl ist entlang des südlichen Harzrandes auf ca. 30.000 zu schätzen.
Im Laufe der Jahrtausende verflachen die anfangs steilwandigen Karsthohlformen, zunächst hauptsächlich durch hineinrutschendes Material aus den Flanken der Hohlformen. Bei Einsturzdolinen kann die Verflachung der Morphologie auch auf die Auslaugung der seitlich der Hohlform anstehenden Gesteine zurückzuführen sein.
Das bewegte Karstrelief wird jedoch hauptsächlich durch den fluviatilen und/oder atmosphärischen Eintrag von minerogenen und biogenen Materialien ausgeglichen. Hinzu kommt noch die Verfüllung von Erdfallseen und Erdfallmooren mit authigener Biomasse.
 

Erdfälle als Umweltarchive

Unter ungestörten Bedingungen können die Ablagerungen in Karsthohlformen regelrechte Umweltarchive für definierbare Zeiträume darstellen. Mittels der Pollenanalyse, der Geochemie sowie der Sedimentologie ist es möglich, die lokale Umweltgeschichte im Umfeld einer Karsthohlform zu rekonstruieren. Der meist hohe organische Anteil in den Ablagerungen erlaubt die Datierung mit der Radiocarbonmethode.
Aus der Vielzahl möglicher Ablagerungen in Karsthohlformen haben sich die Sedimente zuflussloser Erdfallseen sowie die Torfe aus Erdfallmooren als die am besten geeigneten Umweltarchive herausgestellt.
Folgende Kriterien belegen die hervorragende Eignung dieser Erdfallablagerungen für geochemisch-palynologisch kombinierte Untersuchungen zwecks Rekonstruktion der Umweltgeschichte:

  1. Durch das Fehlen oberirdischer Zuflüsse spiegelt sich in den Ablagerungen der rein atmosphärische Eintrag von biogenen (z.B. Pollen) und technogenen (Schwermetallen) Stäuben wider.
  2. Der hohe Anteil von organischer Substanz in Erdfallseesedimenten und Erdfallmooren, bewirkt äußerst niedrige natürliche Hintergrundwerte für zahlreiche umweltrelevante Elemente. D.h. es lassen sich auch sehr geringe technogene Elementeinträge identifizieren, da sie sich von den natürlichen Elementgehalten deutlich abheben.
  3. Durch den Kontakt mit dem Karstgrundwasser herrschen neutrale pH-Bedingungen. Daher ist eine pH-bedingte Verlagerung von Schwermetallen in den Erdfallablagerungen weitgehend auszuschließen. Von einem Schwermetalleintrag über das pH-neutrale Grundwasser ist dementsprechend ebenfalls nicht auszugehen.
  4. Hohe Gehalte an organischer Substanz unter permanenter Wasserbedeckung bedingen ein anoxisches Milieu in den Ablagerungen. Damit ist eine meist gute Pollenerhaltung gewährleistet.
  5. Der hohe Anteil an terrestrischer Biomasse ermöglicht die Datierung der Ablagerungen mit der 14C-Methode. (Limnische Biomasse kann aufgrund der zu erwartenden Hartwassereffekte in Erdfallseen nicht für die Datierung herangezogen werden).
Einschränkend muss aber betont werden, dass nur ein sehr kleiner Teil der Karsthohlformen im Zechstein des Harzrandes die o.g. Kriterien tatsächlich erfüllt. Die meisten der Hohlformen liegen trocken oder im Bereich des stark schwankenden Karstwasserspiegels. Bei Austrocknung kommt es zur Durchlüftung der Ablagerungen und damit zur Zersetzung von organischer Substanz.
 

Umweltauswirkungen der Bergbauaktivitäten im Harz

Die Untersuchung von Umweltarchiven ist in der Harzregion von außerordentlichem Interesse. Durch die Existenz unterschiedlicher Erzlagerstättentypen auf relativ engem Raum entwickelte sich im Harz bereits ab dem frühen Mittelalter eine regelrechte Industrielandschaft mit entsprechend negativen Auswirkungen auf die Umwelt.
Der genaue Beginn des Harzer Montanwesens ist bisher unbekannt. Sicher ist lediglich, dass es ab dem frühen Mittelalter zu einer Intensivierung von Bergbau und Verhüttung kam und sich die Verhüttung nicht mehr ausschließlich auf die unmittelbaren Lagerstättenbezirke beschränkte.
Über die Harzregion existieren nur wenige schriftliche Überlieferungen aus der Zeit vor dem hohen Mittelalter. Insofern stammen die bisherigen Erkenntnisse über das frühe Montanwesen hauptsächlich aus montanarchäologischen Untersuchungen (z.B. Klappauf et al. 2000).

Abb. 1: Verteilung der bisher bekannten Schmelzplätze im niedersächsischen Harz, Stand 2003 (nach L. Klappauf, Niedersächsisches Landesamt für Denkmalpflege)

Die meisten der in Abb.1 dargestellten Verhüttungsplätze sind zeitlich in das hohe Mittelalter einzuordnen. Die weite Verteilung dieser Schmelzplätze ist darauf zurückzuführen, dass man das Erz nicht in der Nähe der Lagerstätte verhüttet hat, sondern die Verhüttung in den Wäldern durchführte, teilweise in großer Entfernung zur Lagerstätte.
Holzkohle und Holz waren neben Wasser die einzigen im mittelalterlichen Harz zur Verfügung stehenden Energieträger. Die benötigte Menge an Holzkohle überstieg die des zu verhüttenden Erzes um ein Vielfaches. Insofern war es wirtschaftlicher, das Erz in die Wälder zu transportieren. Da eine nachhaltige Forstwirtschaft erst Mitte des 18. Jh. im Harz eingeführt wurde, war es notwendig, das Erz auf immer größere Entfernungen in noch waldbedeckte Gebiete zu transportieren, was die weite Verteilung der Schmelzplätze erklärt.

Abb. 2: Schematisierte Freisetzung von Schadstoffen bei der mittelalterlichen Röstung und Verhüttung von polymetallischen Buntmetallerzen des Rammelsberges

Zusammen mit der weiträumigen Abholzung war es die Freisetzung von Schadstoffen bei der Verhüttung der sulfidischen Buntmetallerze, die sich nachhaltig auf die Umwelt auswirkte. Neben großen Mengen an Schwefeldioxid wurden bei Temperaturen von über 1100°C auch zahlreiche umweltrelevante Elemente wie z.B. Antimon, Arsen, Wismut, Blei, Cadmium, Kupfer, Thallium und Zink freigesetzt.
Die häufig exponierte Kammlage der mittelalterlichen Harzer Schmelzplätze begünstigte eine weite Verteilung der freigesetzten Schadstoffe.

Die Beeinträchtigung der Vegetationszusammensetzung sowie die Freisetzung von Schwermetallen durch das mittelalterliche Montanwesen zeichnet sich in den Ablagerungen der Südharzer Erdfälle deutlich ab.
Im Folgenden werden exemplarisch die Ergebnisse aus der Untersuchung der vermoorten Erdfallsenke „Silberhohl“ erläutert.
 

Der Erdfall Silberhohl bei Seesen

Am westlichen Harzrand nördlich der Stadt Seesen befindet sich der Erdfall Silberhohl. Er entstand vor ca. 5000 Jahren durch die Auslaugung von Salz im liegenden Zechstein. Der hangende Buntsandstein, in dem sich der Erdfall heute befindet, wurde beim Einsturz des Hohlraumes durchschlagen. Das Moor, das sich seit 5000 Jahren im Silberhohl entwickelt, weist mittlerweile eine Torfmächtigkeit von 11 m auf.

Abb.3 : Schematisierter Schnitt durch eine vermoorte Erdfallsenke im Buntsandstein des westlichen und südlichen Harzvorland (aus Deicke 2003)

Die vermoorten Erdfallsenken des westlichen und südlichen Harzes beschränken sich ausschließlich auf Erdfälle, die oberflächlich im Buntsandstein liegen. Diese Beobachtung kann darauf zurückzuführen sein, dass der tonige Buntsandstein eine wasserstauende Basis bildet und damit einen konstanten Wasserspiegel im Erdfall ermöglicht.
In den unmittelbar im Zechstein liegenden Karsthohlformen ist eine Moorbildung nicht möglich, da diese meist zu trocken sind oder im Bereich des stark schwankenden Karstwasserspiegels liegen.
Der hier vorkommende Moortyp ist anhand seines Habitus, seiner Genese und seiner Vegetation dem Moortyp „Kesselmoor“ sehr ähnlich (vgl. Succow & Joosten 2001), dessen mitteleuropäisches Vorkommen sich hauptsächlich auf Toteislöcher in Jungmoränenlandschaften beschränkt.
Bei der Untersuchung der Karsthohlformen im Buntsandstein konnten Vermoorungen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien beobachtet werden (Deicke 2003). Demnach entwickeln sich die Karstmoore zunächst aus einer schwimmenden Vegetationsdecke (Schwingrasen), die permanent nach oben aufwächst. Abgestorbenes Material wird unter den Wasserspiegel gedrückt, bleibt aber schwimmfähig, da es mit der lebenden Vegetationsschicht einen zusammenhängenden Moorkörper bildet. Gasblasen im Torf sorgen ebenfalls für Auftrieb.
Das primär saure Milieu in der Vegetationsschicht gelangt beim Absinken in den pH-neutralen Bereich des Grundwassers. Eine pH-bedingte Schwermetallverlagerung im Moorkörper wird damit unterbunden.
Zwischen dem schwimmenden Torfkörper und der Erdfallbasis befindet sich zunächst ein Wasserkörper, der im Laufe der Zeit langsam von oben zugedrückt wird. Die Moorentwicklung kommt zum Stillstand, sobald der Wasserkörper komplett geschlossen ist und die abgestorbene organische Substanz nicht mehr weiter nach unten gedrückt werden kann. Die Vegetationsschicht verliert dadurch den Kontakt zum Grundwasser und kann in trockenen Jahren absterben. Für eine ombrotrophe Weiterentwicklung dieser Moore ist das Klima des südlichen Harzvorlandes nicht feucht genug.
Die geochemischen Untersuchungen am Silberhohl erfolgten im Rahmen einer Diplomarbeit am Geowissenschaftlichen Zentrum der Universität Göttingen (Hettwer 1999, Hettwer et al. 2002). Die palynologischen Untersuchungen am Silberhohl wurden bereits 20 Jahre zuvor durchgeführt (Chen 1982, 1988). Die Parallelisierung der beiden Bohrkerne wurde durch eine markante Ton/Schlufflage im Torfprofil des Silberhohls ermöglicht.

Abb. 4: Verteilung ausgewählter Elemente und Pollenanteile in der vermoorten Erdfallsenke Silberhohl. Geochemie: Hettwer (1999); Pollenanalysen: Chen (1982)

Im Gegensatz zu den in Abb.4 dargestellten Schwermetallen Blei, Cadmium, Kupfer und Zink sind erhöhte Konzentrationen des Leichtmetalls Aluminium nicht auf den Eintrag von Schadstoffen zurückzuführen. Aluminium repräsentiert den Eintrag von minerogenem Material in die Torfe des Silberhohls. Die erhöhten Al-Gehalte in 365 cm und 460 cm Tiefe sind auf schluffige Lagen zurückzuführen, die vermutlich bei kurzfristigen Starkregenereignissen eingeschwemmt worden sind.
Bereits für die vorrömische Eisenzeit (bei 580 cm) lässt sich eine geringe, aber eindeutige anthropogene Anreicherung von Blei, Cadmium, Kupfer und Zink nachweisen als sicheres geochemisches Indiz für die Verhüttung von Buntmetallerzen in der Harzregion während der Eisenzeit.
Ab der Völkerwanderungszeit (ab 380 cm) beginnen die Schwermetallgehalte erneut leicht anzusteigen. Stärkere Einträge sind ab dem frühen Mittelalter erkennbar (300 cm). 
Im späten Mittelalter erreichen die Schwermetallgehalte im Silberhohl ihren Höhepunkt mit einem zeitgleichen Niedergang der Rotbuchenpollen-Anteile (Fagus), was durch den hohen Holzverbrauch in der Verhüttung erklärt werden kann (230 cm). Auf den Kahlschlägen siedelten sich Pioniergehölze wie die Birke (Betula) wieder an.
Als ebenso markantes Ereignis zeichnet sich die spätmittelalterliche Wüstungsperiode (200 cm) ab, mit einem plötzlichen Rückgang der Schwermetallgehalte sowie der Roggenpollen-Anteile (Secale). Auch die durch den Aluminium-Gehalt repräsentierte Bodenerosion ist deutlich rückläufig.
Mit Ausnahme des Cadmiums wurden die mittelalterlichen Schwermetallanreicherungen im Silberhohl auch in der jüngeren Neuzeit nicht übertroffen.

Bis Ende 2003 wurden in der Karstregion des Südharzes die Ablagerungen aus bisher 6 Erdfällen sowohl geochemisch als auch palynologisch an der Universität Göttingen bearbeitet. Mehrere Publikationen befinden sich z.Zt. in konkreter Vorbereitung.
Im Vergleich zu Sedimenten aus Seen mit einer relativ großen Seeoberfläche dominieren im Stoffbestand der Erdfallablagerungen – aufgrund der relativ geringen Ausdehnung der Erdfalloberfläche – jedoch nur die Staubeinträge aus dem unmittelbaren Umfeld der Erdfälle. Daher spiegelt sich in den Erdfällen der Südharzregion die regionale Umweltgeschichte wider. In großen Seen mit entsprechend großer Oberfläche wird der regionale Staubeintrag von der ubiquitären atmosphärischen Staubfracht wesentlich stärker überlagert.
Die Montanarchäologie des Harzes erfährt durch die Untersuchung der Erdfallablagerungen eine sinnvolle Ergänzung. Erstmals wird ersichtlich, in welchem Umfang und wie nachhaltig die frühe Metallgewinnung die regionale Umweltgeschichte beeinträchtigte.
Abschließend bleibt festzustellen, dass die mittelalterlichen Schwermetallgehalte in den untersuchten Erdfallablagerungen in ihrer Intensität europaweit unübertroffen sind.
 

Literatur
CHEN, S. H. (1982): Neue Untersuchungen über die spät- und postglaziale Vegetationsgeschichte im Gebiet zwischen Harz und Leine.-  Diss. Univ. Göttingen, 102 S., Göttingen

CHEN, S. H. (1988): Neue Untersuchungen über die spät- und postglaziale Vegetationsgeschichte im Gebiet zwischen Harz und Leine (BRD).- Flora 181:147-177

DEICKE, M. (2003): Erdfallablagerungen des südlichen Harzvorlandes – Archive der Umweltgeschichte der letzten Jahrtausende.- Diss. Universität Göttingen, 105 S., Göttingen

HETTWER, K. (1999): Stoffbestand und Schwermetall-Anomalien eines Moorprofiles der Erdfallsenke „Silberhohl“ bei Seesen (Westharz).- Geol. Dipl.-Arb. Univ. Göttingen, 97 S., 23 Abb., 7 Tab., Anhang, Göttingen [unveröff.]

HETTWER, K., DEICKE, M. & RUPPERT, H. (2002): Fens in Karst Sinkholes – Archives for Longlasting „Immission“ Chronologies.-& Water, Air, and Soil Pollution 149:363-384, 4 Abb. 2 Tab., Kluwer, Niederlande

KLAPPAUF, L., BROCKNER, W., BINGENER, A., BRAMANTI, B., DEICKE, M., FABIG, A., FINKE, T., HEGERHORST, K., HERRMANN, B., LINKE, F.-A., RUPPERT, H., SCHULZ, R., SCHUTKOWSKI, H. & WILLERDING, U. (2000): Der Harz als frühmittelalterliche Industrielandschaft.- Abschlußbericht des Forschungsprojektes Az II/70 959, 102 S., 33 Abb., Kt., Hannover [unveröff.]

SUCCOW, M. & JOOSTEN, H. (2001): Landschaftsökologische Moorkunde, 2. überarb. Aufl..- 622 S., Stuttgart (Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung)



Anschrift des Autors: Dr. Matthias Deicke, Geowissenschaftliches Zentrum der Universität Göttingen (GZG), Abt. Sedimentologie/Umweltgeologie, Goldschmidtstr. 3, 37077 Göttingen, mdeicke@gwdg.de


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