kungen zur Frage der Quellungshöhlen1) Von Fritz Reinboth (Braunschweig) Definition und Verbreitung Als Quellungshöhlen werden blasenartige Hohlräume unter Gips- bzw. Anhydritschichten bezeichnet, die der Volumenzunahme bei der Umwandlung des Anhydrits in Gips durch Aufwölbung nach oben ausgewichen sind. Ihr weltweit sehr seltenes, örtlich dagegen massenhaftes Auftreten macht komplexe Entstehungsbedingungen deutlich. Das bekannteste Vorkommen in Europa sind der Sachsenstein und der Hollstein bei Walkenried am Südharz, wo sie sich als „Zwerglöcher“ auf weniger als einem Quadratkilometer zu Dutzenden häufen (BIESE 1931: 45, 62). Die größeren dieser Höhlen mit 0,5 bis 2 m Firsthöhe und bis 10 m Länge sind im Harzer Höhlenkataster unter der Sammelnummer 1429/17 erfaßt (Abb. 1). |
Bei söhliger Lagerung führen sie zuweilen geringe Mengen Schichtwasser in Form winziger Tümpel oder episodischer, kleiner Rinnsale (Möppelloch (Abb. 2), Großes und Kleines Wasserloch), ohne daß deshalb von eventuellen Karstgewässern gesprochen werden kann. Lediglich am „Spatenborn“ tritt Wasser in nennenswerter Menge (max. einige l/s) aus einem Gerinne aus, das sich in ähnlicher stratigraphischer Situation zwischen den oberen Anhydritbänken gebildet hat 2). Nach 50 Metern Lauf auf blankem Anhydrit versinkt das Bächlein wieder in einer solchen Schichtfuge (REINBOTH 1992). Ein kleineres Gegenstück, der „Kleine Spatenborn“ am Grenzweg, ist leider durch Bodenbewegungen beim Forstwegebau fast unkenntlich geworden. Schon die älteste Beschreibung der Zwerglöcher vermerkt, daß „die Natur dieselben inwendig so glatt gemachet habe, als wenn solches mit Gips durch Menschenhand geschehen sei“ (BEHRENS 1703: 74), da das Höhlendach ja durch eine Schichtfläche gebildet wird. Eine Schichtfläche war auch die Firste völlig mit Letten erfüllter Hohlräume von max. 10 m Höhe und 25 m Durchmesser, die in einem Steinbruch im Basalanhydrit bei Osterode/Förste angefahren wurden.- HERRMANN (1953: 124; 1909: 6) führt ihre Entstehung deshalb ebenfalls auf Quellung zurück. Anders als bei den Walkenrieder Zwerglöchern war der Anhydrit hier vollkommen vergipst; die aufgewölbten Schichten waren mehrere Meter mächtig. Daß es sich nicht etwa um Primärhöhlen und bei der Höhlenfüllung um im Anhydrit eingeschlossene Salztone in primärer Lagerung handelt, belegen darin eingelagerte Buntsandsteingerölle (HERRMANN, a.a.O). 3) Sonstige aus dem Südharz beschriebene Vorkommen sind vergleichsweise unbedeutend (im Röseberg bei Walkenried, nördlich der Lochmühle bei Gudersleben; weitere Beispiele bei VÖLKER & VÖLKER 1988: 15), soweit sie nicht zu den unausrottbaren wissenschaftlichen Legenden gehören. Zahlreiche Gipshügel werden im Schrifttum als „Quellkuppen“ bezeichnet 4) (dazu kritisch VÖLKER & VÖLKER 1988). Nennenswerte Vorkommen sind aus New Mexico (BREISCH & WEFER 1981: 759) und Oklahoma (MYERS et. al. 1969: 7) dokumentiert; die dortigen „Gypsum bubbles“ sind jedoch mit max. 30 cm Wölbhöhe vergleichsweise klein. Verbruch und „geschachtelte Quellungshöhlen“
Zur Entstehung der Quellungshöhlen Die Entstehung dieser Höhlchen hat wohl zuerst E. BEYRICH mit der Volumenzunahme („Quellung“) der oberflächlichen Anhydritschichten bei der Aufnahme von Kristallwasser erklärt (BEYRICH 1870); die lineare Ausdehnung beträgt maximal etwa 17% (MOYE 1906: 42; REIMANN 1991: 25). Die verhältnismäßig plastischen Gesteinsbänke weichen dem Druck durch Ausbeulen nach oben aus. Darunter entstehen länglichovale, oft befahrbare Hohlräume. Die ältere Harzer Höhlenliteratur (HAEFKE 1953: 124f.; 1966: 100; 1969: 6), hat die Entstehungshypothese BEYRICHS und MOVES ohne weiterführende Untersuchungen übernommen. Als Voraussetzung für die Bildung von Quellungshöhlen werden söhlige Lagerung, geringe Klüftung und gute Bankung des Anhydrits ohne Gesteinsüberdeckung genannt (HERRMANN 1953: 124f.; 1966: 100; 1969: 6), wobei dünne, tonige Zwischenlagen die Oberflächenwasser stauen und als Ablösungsflächen und Gleitmittel bei der Verschiebung der Anhydritbänke gegeneinander dienen sollen (v. GÄRTNER 1932: 683). Der Aufschluss am Bahneinschnitt an der Sachsenburg, in unmittelbarer Nähe von Quellungshöhlen, zeigt den Anhydrit sehr homogen und kluftfrei, jedoch ohne „tonige Zwischenlagen“. Vielmehr löst sich das Gestein hier unter den atmosphärischen Einflüssen schalig ab. Neuerdings hat sich REIMANN (1987 und 1991) im Rahmen einer Dissertation u.a. mit den Quellungshöhlen gründlich auseinandergesetzt (vergl. REINBOTH 1993). Neue quantitative Aussagen gewann REIMANN durch die Untersuchung zweier beanchbarter Höhlchen im Sachsensteingebiet (Zwergenkirche und Zwergensakristei, Kat. Nr. 4429/13 - 14), wobei er die gestreckte Länge der aufgewölbten Schicht zwischen den Gewölbescheiteln (quer zu deren Längsachsen gemessen) mit der ursprünglichen Länge (d. h. also dem Abstand) verglichen hat (Abb. 4). Mit diesem Kunstgriff wird die Beteiligung der gesamten Sulfatbank, also nicht nur der Wölbung selbst, am Aufwölbungsprozeß erfaßt. Bei Betrachtung einer einzelnen Aufwölbung ist das ja nicht möglich, da man den beteiligten Schichtbereich nicht kennt.
Zunächst überrascht REIMANNS Feststellung, daß die im Labor bestimmte Vergipsung der Schicht gerade im Bereich des Höhlengewölbes mit einem Restanhydritgehalt über 38% am geringsten, im flachliegenden Teil zwischen den Aufwölbungen hingegen stellenweise vollkommen ist. Die Bodenfeuchtigkeit als Kristallwasserlieferant ist tatsächlich an den steilen Flanken der Aufwölbungen geringer als in den dazwischen liegenden Senken, zumal das Gestein im Bereich der Aufwölbung auch von unten austrocknen kann. Die Korrelation zwischen dem mittleren Vergipsungsgrad, theoretischer Ausdehnung und gemessenem Längenzuwachs ergab gute Übereinstimmung. Feldbeobachtungen zur Entwicklung des Wölbprofils Im Verbreitungsgebiet der Zwerglöcher finden sich alle denkbaren Entwicklungsstadien von Quellhöhlen (BIESE 1931:45) (Abb. 5). REIMANN (1991: 96) unterscheidet Embryonalstadium, Jugendstadium, Reifestadium, Greisenstadium und Kollapsstadium. Bezeichnend für die relativ kurze Lebensdauer ist die Tatsache, daß die bei STOLBERG und BIESE abgebildeten Höhlchen inzwischen durchwegs verbrochen sind. Stetige Entwicklungen des Gewölbeprofils wurden trotzdem bisher nicht verfolgt. Günstigere Voraussetzungen für derartige quantitative Aussagen bietet eine ganz junge Quellungshöhle im Höllstein (Steinbruchhöhle, Abb. 5 und 7). Um 1950 war im Eingangsbereich des um 1930 aufgelassenen Steinbruches am Höllköpfchen bei Walkenried eine dort freigelegte Anhydritbank von 8 bis 10 cm Mächtigkeit durch Quellung um etwa 10 cm aufgewölbt. Die seitlich auskeilende Wölbung hatte einen Durchmesser von etwa 2 Metern. Das bekannte „Hohlklingen“ des Bodens hätte auch ohne Tagesöffnung beim Betreten die beginnende Aufwölbung verraten. Diese Aufwölbung ist bis 1995 auf knapp 30 cm Scheitelhöhe gewachsen; ihre Länge beträgt jetzt 4 m, die Breite 3 m. Die betroffene Gesteinsbank ist an der Tagesöffnung 8 cm bis 10 cm mächtig. Innerhalb weniger Jahrzehnte hat sich hier eine unscheinbare, flache Bodenwelle zur ausgewachsenen Quellungshöhle entwickelt. In der Nachbarschaft, ebenfalls im Steinbruchsbereich und unter ähnlichen Bedingungen, sind weitere junge Quellungshöhlen geringerer Größe und Höhe entstanden.
Der Anhydrit wurde erst bei der Anlage des Steinbruches 1924/1925 durch Abbau der hier etwa 3 m mächtigen Gipsüberdeckung freigelegt (Abb. 7); das Gleiche gilt für die von REIMANN (1991: 91f.) erwähnten rezenten Aufwölbungen in den Steinbrüchen Juliushütte und Meholz und die Quellungserscheinungen im Feldbahneinschnitt Rösetal. Dies ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber den „alten“ Quellungshöhlen, bei denen die Gesteinsoberfläche durch natürliche Abtragung, also in völlig anderen Zeiträumen, denundiert worden ist.
Empirische Ermittlung des idealen Wölbprofils von Quellungshöhlen Für das Wölbprofil haben BREISCH & WEFER (1981) ein physikalisches Modell mittels des HOOKEschen Gesetzes entwickelt und mit realen Quellungshöhlen in New Mexico verglichen. Ein einfacher Versuch erlaubt seine Ermittlung und die dazu erforderliche Längenausdehnung ohne den von BREISCH & WEFER getriebenen mathematischen Aufwand. Dazu wird ein einseitig fest eingespannter, auf der anderen Seite durch einen waagerechten Schlitz geführter Karton seitlich zusammengeschoben, wobei der Karton nach oben ausbeult (Abb. 8). Die lineare Längenausdehnung dL entspricht dem nachgeschobenen Papierstück und bewirkt eine definierte Aufwölbung h zwischen Einspannung und Führungsschlitz. Die gemessenen Absolutwerte werden normiert, indem sie auf die ursprüngliche Länge L bezogen werden. Die so gewonnenen Relativwerte dL/L und h/L gelten entsprechend den Versuchsbedingungen für geringe Deckenstärken. Für die gemessene und auf ihren Durchmesser normierte Höhe einer Quellungshöhle h/L kann nun die vorausgegangene relative Längenänderung der aufgewölbten Gesteinsbank dL/L (in Prozent) mit Hilfe der im Versuch gewonnenen Kurve, welche die Beziehung zwischen h/L und dL/L (Abb. 8 unten) beschreibt, ermittelt werden. Für das Beispiel der Steinbruchhöhle ergibt sich aus den beobachteten Daten der wirkliche Längenzuwachs dL durch Multiplikation mit der jeweiligen Breite der Wölbung L (senkrecht zur Längsachse der Aufwölbung gemessen):
Abb. 8: Zur Ermittlung des Höhlenwachstums von Quellungshöhlen Der absolute Längenzuwachs dL gilt unabhängig davon, in welchem Bereich der betroffenen Gesteinsbank er enstanden ist. Er kann also ebenso auf Vergipsung innerhalb wie außerhalb der Aufwölbung zurückgehen (im Versuch wird ja auch von außen nachgeschoben). Da die vollständige Vergipsung eine Ausdehnung von 17% in einer Raumrichtung verursacht (REIMANN 1991: 87), entspricht der hier ermittelte Längenzuwachs dL von max. 2,5% einer Teilvergipsung von 2,5% / 17% = 15 %, wenn die Ausdehnung nur auf die Breite der Aufwölbung selbst (L = 3 m) bezogen wird. Da die Aufwölbung jedoch weniger auf die Vergipsung in ihrem unmittelbaren Bereich als in ihrer Umgebung zurückzuführen ist (REIMANN 1991: 88), muß man für den Vergipsungsgrad von einem weit geringerm Wert ausgehen. Eine genaue Abgrenzung der von der Vergipsung betroffenen und an der Aufwölbung beteiligten Fläche ist nicht möglich. In der Tat besteht der eigentliche Dachbereich der Steinbruchhöhle augenscheinlich aus Anhydrit.oben: Höhlenwachstum h durch seitlichen Schub dL Zur Wertung der Quellungshöhlen als Geotop Als im Dezember 1976 unter dem Richtungsgleis Walkenried - Bad Sachsa am Bahnkilometer 137.268, unweit der Waldschmiede, eine bis dahin unbekannte Quellungshöhle einstüzte und einen kleinen Erdfall hinterließ (Abb. 2), löste dies bei der Bahnverwaltung große Bestürzung aus. Senkungen und Erdfälle im Bereich des Bahnkörpers durch Karsterscheinungen im Gips werfen gerade auf der Südharzstrecke, seit jeher große Probleme auf: es sei an den eine große Gipshöhle kreuzenden Walkenrieder Tunnel und die Senkungen am Sachsenstein, bei Tettenborn und bei Cleysingen erinnert. Hier aber lag keine Karsterscheinung vor: der Verfasser wies daher in einem auf Wunsch der Bahnmeisterei Herzberg erstellten kleinen Gutachten ausdrücklich auf die entstehungsbedingt lokale Begrenzung des Höhlchens hin. Schrifttum: Anhang: Verzeichnis der Zwerglöcher Kat.-Nr. 4429/17 Von zwei Ausnahmen abgesehen liegen alle Höhlen im Naturschutzgebiet Priorteich - Sachsenstein. Trotz des Schutzstatus sind Verluste u.a. durch den Ausbau von Forstwegen zu beklagen. Mit * versehene Höhlen weisen bzw. wiesen innere Aufwölbungen auf. Es sind nur Höhlen angeführt, deren Größe eine Befahrung erlaubt(e) oder die in der älteren Literatur erwähnt sind. Die Katasternummer ist durch die jeweilige Jagenzahl gegeben und innerhalb des Jagens durchnummeriert. Jagen 126 (Blumenbergsköpfe) Jagen 138 (Höllstein) Jagen 139 (Zergenlöcher, Sachsenstein) Jagen 136 (Nordfuß des Röseberges)
REINBOTH, Fritz (1997): Die Zwerglöcher bei Walkenried am Südharz - Bemerkungen zur Frage der Quellungshöhlen.- Die Höhle 48, H.1, 1-13, Wien |
