Zusammenfassende Übersicht über fluviatile Sedimente in
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Bearbeitungsstand: 08.05.2014, V. 1 Forschungsprojekt FluviMag: Fluviatiler Transport von Magneto-Mineralen Michael Pirrung Institut für Geowissenschaften, Friedrich-Schiller Universität Jena, Burgweg 11, D-07749 Jena, E-Mail: [email protected] 5.5. Zusammenfassende Übersicht über fluviatile Sedimente in Deutschland In diesem Projekt werden Proben fluviatiler Sedimente aus verschiedenen Bereichen Deutschlands und angrenzender Regionen untersucht. Zu einigen Teilgebieten finden sich auf der website www.angeo.uni-jena.de Fallstudien, so bisher zum Unterengadin in der Schweiz, zur Insel Langeoog, zur Thüringer Saale, zum Saarländisch-Lothringischen Kohlerevier. Im Folgenden sollen einige generelle Ergebnisse vorgestellt werden, um deutschlandweite Daten der Magnetisierung von fluviatilen Sedimenten zusammenfassen, es werden auch stratigraphische Bezüge und mögliche Beziehungen zu Schwermetallgehalten vorgestellt. 5.5.1. Generelles zu Geologie und Erzlagerstätten in Deutschland 5.5.2. Magnetische Suszeptibilität fluviatiler Gesamtgesteinsproben 5.5.3. Magnetische Suszeptibilität fluviatiler Sedimente und ihrer Liefergesteine 5.5.4. Ausblick 5.5.5. Zitierte Literatur 5.5.1. Generelles zu Geologie und Erzlagerstätten in Deutschland Zusammenfassende Darstellungen zur Geologie Deutschlands finden sich u.a. bei (HENNINGSEN, D. 1981); (WALTER, R. & DORN, P. 2007). Geologische Übersichtskarten zeigen u.a. (DUPHORN, K., et al. 1971); (LAHNER, L. & TOLOCZYKI, M. 2004). Zur Stratigraphie geben (MENNING, M. & HENDRICH, A. 2002) eine ausführliche Übersicht. Im Folgenden werden nur einige allgemeine Aussagen hierzu gemacht. Der Teil Deutschlands, der nördlich der Mittelgebirge Rheinisches Schiefergebirge, Niedersächsisches Tektogen, sowie Harz liegt, wird vor allem durch flächenhaft verbreitete glaziofluviatile Lockersedimente des Quartärs in Mächtigkeiten von einigen 10er bis 100er Metern bedeckt. Dieser Teil ist weitgehend frei von oberflächennahen größeren Erzlagerstätten, wenn man von den prähistorisch genutzten, geringmächtigen Raseneisensteinen als Folge von Podsolierung absieht. Erst im Bereich des subherzynen Beckens treten Toneisenstein- und Eisenoolith-reiche Gesteine des Juras und der Kreide, z.T. auch Trümmererze durch den aufsteigenden Harz, auf (BOTTKE, H., et al. 1969), die vor allem im Raum Salzgitter bis in das 20. Jahrhundert abgebaut wurden. Der Bereich der, im Wesentlichen aus paläozoischen Metasedimenten und Sedimentiten des Grundgebirges aufgebauten, Mittelgebirge zeichnet sich durch umfangreichen Erzbergbau in 1 historischer Zeit aus, wie z.B. in Eifel (MEYER, W. 1994), Hunsrück, Taunus, Lahn-DillGebiet, Siegerland (ROTH, H.J. 1993), Harz (MOHR, K. 1993), Thüringer Wald und Thüringisch-Fränkisches Schiefergebirge (REH, H. & SCHRÖDER, N. 1974). Schichtkonforme Erzlagerstätten in paläozoischen Metasedimenten bzw. Sedimentiten, wie z.B. im Lahn-DillGebiet, sind in der Regel synsedimentär. Dagegen ist über die Entstehungszeit der häufigeren gangförmigen Lagerstätten meist relativ wenig bekannt. Die oberkarbonischen und rotliegenden Molasse-Sedimente im Saar-Nahe-Becken (SCHNEIDER, H. & JUNG, D. 1991), im Ruhrkarbon, sowie kleinräumiger auf dem Ibbenbürener Horst und Bramscher Horst, sind dort erzreicher, wo es permischen Vulkanismus in größerem Maße gab. Das gegenwärtige Zutagetreten großer Mittelgebirgsregionen nach Abtragung jüngerer mesozoischer Gesteine steht in Zusammenhang mit dem känozoischen Mantelplume unter der Eifel einerseits, sowie den Fernwirkungen der herzynischen und saxonischen Tektonik, die nach (KLEY, J. & VOIGT, T. 2008) mit der kreidezeitlichen Auffaltung der Pyrenäen und nur untergeordnet mit dem Alpenorogen zusammenhängen. Diese Heraushebungen waren in vielen Gebieten mit Bildung mächtiger mesozoisch-känozoischer Verwitterungsdecken verbunden, die lokal in z.T. randlichen Senkungsgebieten als paläogene bis neogene Tone und Sande zusammengespült wurden, wie z.B. im Westerwald. Im Oberrheingraben, im Neuwieder Becken und in der Niederrheinischen Bucht lagern mächtige känozoische Sedimente, die den Abtragungsschutt der aufsteigenden Mittelgebirge aufgenommen haben. Auf der süddeutschen Großscholle liegen im Wesentlichen mesozoische Gesteine, die nur abschnittsweise, z.B. im Dogger Beta Sandstein, erzreicher sind, dazu kommen lokal erhaltene kreidezeitliche Verwitterungslagerstätten (GUDDEN, H. 1984). Ähnlich ist die Situation im Saar-Lothringischen Raum am Ostrand des Pariser Beckens. Erst im Alpenorogen treten wieder paläozoische kristalline Gesteine dort zutage, wo sie nicht von mesozoischen Decken überlagert werden. In tektonischen Fenstern, wie dem Unterengadiner- oder Tauernfenster, sind Reste der penninischen Ozeankruste mit MetaUltrabasiten aufgeschlossen. Zurück zur Übersicht 5.5.2. Magnetische Suszeptibilität fluviatiler Gesamtgesteinsproben In Abb. 5.5-1 wird für sandige und in Abb. 5.5-2 für siltig-tonige Gesamtgesteinsproben aus Fließgewässern und einigen stehenden Gewässern bis hin zu litoralen Ablagerungen von Nord- bzw. Ostsee die magnetische Suszeptibilität gezeigt. Sieht man von der naturgemäß nicht flächendeckenden Beprobung ab, die auch in absehbarer Zeit so ähnlich bleiben wird, so ist zunächst die unterschiedliche Anzahl von Proben beider Kornfraktionen deutlich: nur relativ selten konnten tonig-siltige Proben entnommen werden. Grund dafür ist vor allem, daß die Proben mit wenigen Ausnahmen von den Ufern der Gewässer aus entnommen wurden und nur relativ selten frische Überflutungsebenensedimente beprobt werden konnten. 2 Abb. 5.5-1: Masse-spezifische magnetische Suszeptibilität fluviatiler, lakustriner und litoraler rezenter Sedimente, hier vorwiegend sandige Proben bzw. Sandfraktion; Proben aus größeren Vorflutern sind mit größeren Symbolen dargestellt; Stand Juli 2013. © der Kartengrundlage: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, http://www.bkg.bund.de. 3 Abb. 5.5-2: Masse-spezifische magnetische Suszeptibilität fluviatiler, lakustriner und litoraler rezenter Sedimente, hier vorwiegend siltig-tonige Proben bzw. Fraktion <63 µm; Proben aus größeren Vorflutern sind mit größeren Symbolen dargestellt; Stand Juli 2013. © der Kartengrundlage: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, http://www.bkg.bund.de. 4 Beim Vergleich beider Fraktionen fällt weiterhin auf, dass es kaum siltig-tonige Proben niedriger Magnetisierbarkeit, etwa <100 * 10-9 m3kg-1, gibt und daß diese sich vorwiegend im Bereich des Weser-Ästuars, mit den Ufern vorgelagerten Flußwattbereichen, befinden, jedoch neben auch stärker magnetischen Proben. Dies überrascht zunächst wenig, da die meisten umweltmagnetischen Studien tonige Partikel als primäre Träger des Signals der Magnetisierbarkeit ansehen. Betrachtet man die sandige Fraktion, so ist die Variabilität der Werte deutlich größer, wobei sich ein ausgedehnter Bereich vorwiegend niedriger Werte im Flachland nördlich der Mittelgebirge befindet, wo im Wesentlichen quartäre glazio-fluviatile Lockersedimente verbreitet sind. Hier treten besonders niedrige Werte auf: auf den ostfriesischen Inseln Langeoog und Wangerooge, auf der nordfriesischen Insel Amrum, mit z.T. äolischen Sanden, ferner das Ostseeufer der Lübecker Bucht und um den Darß in einer Jungmoränenlandschaft bzw. einem Nehrungshaken. Dagegen finden sich neben einzelnen Proben mit hohen Werten, in deren näherer Umgebung auch niedrigere Werte auftreten, auch größere Bereiche mit hohen Werten: dies sind von Süden nach Norden der Inn im Unterengadin, mit z.T. kristallinen Liefergesteinen; die mittlere und untere Saar sowie ihre Zuflüsse im Bereich N´ und NE´Saarbrücken, wobei letzteres etwa mit dem Ausbiß oberkarbonischer Gesteine und dem ehemaligen Steinkohlenbergbau zusammenfällt; die Loquitz im Thüringer Schiefergebirge, wo unter anderem Magnetitquarzite auftreten und ehemals Bergbau auf Erze umging; die Elbe im Bereich des Elbsandsteingebirges, möglicherweise stärker anthropogen beeinflußt; sowie der Westharz mit ehemals intensivem Erzbergbau. Von Rhein und Elbe liegen bisher zu wenig Proben vor, um Trends zu analysieren. Zurück zur Übersicht 5.5.3 Magnetische Suszeptibilität fluviatiler Sedimente und ihrer Liefergesteine Stellt man die Magnetisierbarkeit nur von den fluviatilen Proben dar, die ohne heute erkennbaren menschlichen Einfluß – von Landnutzungsformen wie Landwirtschaft und Forstwirtschaft abgesehen - abgelagert worden sind, so lassen sich unter Umständen Bezüge zu den Liefergesteinen ziehen. Dafür müssen von diesen Proben nur diejenigen ausgewählt werden, deren Liefergebiet aus Gesteinen einer stratigraphischen Einheit besteht. Logischerweise handelt es sich bei diesen Proben um Fließgewässer im Oberlauf bzw. geringer Ordnung. Zusätzlich sollte auch die Gesamtheit der Proben, also einschließlich offensichtlich anthropogen beeinflußter, betrachtet werden. Hierfür wurden deutschlandweit Proben aus nicht weiter untergliederten paläozoischen Sedimentiten bzw. Metasedimenten einerseits und aus meso- und känozoischen Formationen andererseits betrachtet. Da von oberkarbonischen Sedimenten relativ viele Proben vorliegen, wurden auch diese getrennt betrachtet. Vergleicht man in der Tab. 5.5-1 die Werte für magnetische Suszeptibilität von Liefergesteinen und fluviatilen Sedimenten, so fällt zunächst auf, dass die Werte für die bisher beprobten Liefergesteine generell niedriger liegen als die der daraus resultierenden fluviatilen Sedimente. Offenbar reichern sich Magnetominerale also in den fluviatilen Sedimenten gegenüber den Ausgangsgesteinen um etwa einen Faktor 5 bis 10 an! Als Gründe geogener Natur kommen hierfür u.a. die pedogene Bildung von Eisenoxiden bzw. -hydroxiden oder die pedogene Lösung von diagenetischem Karbonat und im Gegenzug Anreicherung paramagnetischer Tonminerale, evtl. mit ferntransportierten Magnetiten, in Frage. 5 Formation MS Lieferg. MS Sand MS Pelite Cd {ppm} Pb {ppm} Zn {ppm} g:17 {54} g: 188 {8} 0.6{13917} 21 {13918} 39 {13918} a: 31 {80} a: 161 {14} Flusssedimente 0.5 {412} 34 {412} 86 {412} Neo- +Paläogen 0.1 {1063} 24 {1064} 38 {1064} Kreide 0.3 {509} 31 {509} 67 {509} 0.5 {2028} 31 {2029} 57 {2029} 0.3 {3693} 24 {3700} 47 {3700} 0.5 {866} 44 {866} 68 {867} 0.8 {2743} 16 {2743} 40 {2743} 0.8 {601} 24 {601} 64 {601} 1.2 {872} 70 {872} 173 {872} 1.0 {2699} 45 {2700} 112 {2698} 1.0 {54} 47 {54} 1 {54} 0.9 {1550} 23 {1550} 55 {1550} 0.9 {2108} 24 {2108} 78 {2108} Quartär Jura g: 59 {4} a: 67 {5} Keuper* Muschelkalk* Buntsandstein* 4, Saaletal {48} g: 25 {1} g: a: 210 {13} a: 151 {3} 7, Saaletal {109} g: 50 {6} g: 253 {1} a: 68 {34} a: 244 {5} Perm Karbon** 38, Saarland {49} Devon 11, Saarland {5} Paläozoikum, siliziklastisch 87, Thür. Schieferg. {10} g: 302 {13} g: 89 {5} a: 359 {26} a: 156 {11} b: 176 {1} b: 105 {1} g: 202 {5} g: 195 {6} a: 414 {35} a: 459 {28} b: 584 {9} b: 706 {14} Basische Magmatite Saure Magmatite 201, Brocken, Thür. Wald {6} Metamorphite Tab. 5.5-1: Median der masse-spezif. magnetischen Suszeptibilität, in 10-9 m3kg-1, von Liefergesteinen, mit Angabe der beprobten Region, sowie rezenter fluviatiler Sedimente für Proben vorwiegend <63 µm bzw. der pelitischen Fraktion und vorwiegend von 63-2000 µm bzw. der Sandfraktion. Ergänzt ist der Median für Schwermetallgehalte in Bachsedimenten für Pb, Cd, Zn aus (FAUTH, H., et al. 1985), wobei hier zwar menschliche Umwelteinflüsse dokumentiert, diese Proben aus den Daten aber offenbar nicht herausgenommen wurden, allerdings sind Gebiete größerer Städte und Industriezonen nicht beprobt worden. Symbolik: Die Anzahl der Proben ist in {} angegeben; * Nur Germanisches Becken; ** bei magnet. 6 Suszept. nur oberkarbonische Sedimente nur des Saarlandes, Geochemie auch Unterkarbon; g: geogene fluviatile Proben, a: alle fluviatilen Proben, b: erzbergbaulich beeinflußte Proben. Außerdem gibt es die anthropogenen, nicht unbedingt immer offensichtlichen Effekte, wie z.B. ortsfremdes Material in Uferböschungen, Zutritt von mit Metallpartikeln kontaminierten Abwässern u.ä.. Geogene und anthropogene Anteile bei der Interpretation dieser Daten zu trennen läßt sich vermutlich nur kleinräumig durchführen. Außerdem liegen Werte für paläozoische Liefergesteine und daraus hervorgehende fluviatile Sedimente höher als analog in mesozoischen Gesteinen. Weiterhin zeigen – auch wenn immer nur wenige Proben vorliegen – die geogenen Bachsedimente aus paläozoischen Sedimenten ähnlich hohe Magnetisierbarkeiten für Sand- und Pelitfraktion, allerdings ist für das Oberkarbon die sandige Fraktion stärker magnetisch, während in Buntsandstein und Quartär die pelitische Fraktion höhere Werte als die Sandfraktion aufweist. Zumindest für den Buntsandstein ist es nachvollziehbar, dass die Quarz- und Feldspat-reiche Fraktion niedrige Werte der Magnetisierbarkeit aufweist, da diese Minerale diamagnetisch sind, während die Feinfraktion offenbar Schwerminerale aus kristallinen Gesteinen als Fernkomponente enthalten. Dagegen müssen in den saarländischen Siliziklastika des Oberkarbons Magnetitreiche Sande präsent sein, während die tonreicheren Sedimente hier offenbar nicht stärker an Magnetit angereichert sind. Für die drei ausgewählten Schwermetalle, Daten aus (FAUTH, H., et al. 1985), weisen karbonische Sedimente die höchsten Gehalte auf, was mit den Werten der Magnetisierbarkeit der Sandfraktion konform wäre. Betrachtet man die gesamten fluviatilen Proben, so sind ähnliche Tendenzen sichtbar, wobei dann die Werte der Magnetisierbarkeit generell höher liegen als nur bei dem geogenen Anteil der Proben. Für Regionen mit ehemaligem Erzbergbau zeigen wie zu erwarten bereits die wenigen vorliegenden Proben deutlich erhöhte Werte der magnet. Suszeptibilität fluviatiler Sedimente. Zurück zur Übersicht 5.5.4. Ausblick Weitergehende, statistisch besser abgesicherte Aussagen lassen sich mit zunehmendem Umfang der beprobten fluviatilen Sedimente und ihrer Ausgangsgesteine treffen. Perspektivisch vorgesehen ist 1. die statistische Auswertung seiner Proben im Saaletal durch Stefan Möller, Institut für Allg. und Anorg. Chemie, Abt. Analytische Chemie der FSU Jena, die derzeit von ihm zusammen mit Suszeptibilitätsdaten bearbeitet wird; 2. die Verdichtung der Proben von Liefergesteinen des Muschelkalks im Saaletal, die derzeit in einer B.Sc. Arbeit von Marcus Schubert erfolgt; 3. die Beprobung vom Siebengebirge am Südrand der Köln-Bonner Bucht, am Übergang des Mittelrheins zum Niederrhein-Gebiet, mit sauren, intermediären und basischen Vulkaniten des Paläogens in einem weitgehend waldbestandenen Liefergebiet; 4. die Verdichtung von Proben im Harz, wo Hannes Grobe, Alfred-WegenerInstitut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven, eine gute Probenbasis zur Verfügung gestellt hat; 5. die Präzisierung von Schachtstandorten im Saarrevier nach Unterlagen, die von Delf Slotta, Saarländisches Institut für Landeskunde, Reden, veröffentlicht wurden; 6. die weitere Erfassung von Standorten ehemaliger Erzbergwerke in Sachsen nach Literaturangaben; 7: langfristig weitere Schwermetallgehaltsbestimmungen an fluviatilen Sedimenten zusammen mit Dirk Merten, Institut für Geowissenschaften der FSU Jena. Zurück zur Übersicht 7 5.5.5. Zitierte Literatur BOTTKE, H., DENGLER, H., FINKENWIRTH, A., GRUSS, H., HOFFMANN, K., KOLBE, H., SIMON, P., THIENHAUS, R., FREITAG, K.-P., HOFMEISTER, E., KNEUPER, G., MEYER, W., NOWAK, H. & SCHÖNE-WARNEFELD (1969): Sammelwerk Deutsche Eisenerzlagerstätten - II. Eisenerze im Deckgebirge (Postvaristikum). 1. Die marinsedimentären Eisenerze des Jura in Nordwestdeutschland. Geologisches Jahrbuch, Beihefte, 79: 1-391, 9 Tafeln. DUPHORN, K., VON GAERTNER, H.-R., GANNS, O., GRAHLE, H.O., REUM, H., ROHDE, P., BAUTZ, F., MUSOLD, W. & UNGER, H. (1971): Geologische Karte von Mitteleuropa 1 : 2 000 000. 2. ed.; Geologische Landesämter der Bundesrepublik Deutschland, Niedersächsisches Landesamt für Bodenforschung, Hannover. FAUTH, H., HINDEL, R., SIEWERS, U. & ZINNER, J. (1985): Geochemischer Atlas der Bundesrepublik Deutschland - Verteilung von Schwermetallen in Wässern und Bachsedimenten. 1. ed.; 1-79; Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover. GUDDEN, H. (1984): Zur Entstehung der nordostbayerischen Kreide-Eisenerzlagerstätten. Geologisches Jahrbuch D, 66: 1-49, 1 Taf. HENNINGSEN, D. (1981): Einführung in die Geologie der Bundesrepublik Deutschland. 2. ed.; 1-123, 20 Tafeln; Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart. KLEY, J. & VOIGT, T. (2008): Late Cretaceous intraplate thrusting in central Europe: Effect of Africa-Iberia-Europe convergence not Alpine collision. Geology, 36: 839-842. LAHNER, L. & TOLOCZYKI, M. (2004): Geowissenschaftliche Karte der Bundesrepublik Deutschland 1 : 2 000 000 - Geologie. 1. ed.; Koordinatensystem: EPSG:4326 Lambert-Koordinaten (Lambert Conformal Conic,WGS84 ) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover. MENNING, M. & HENDRICH, A. (2002): Stratigraphische Tabelle von Deutschland. 1. ed.; Deutsche Stratigraphische Kommission; GeoForschungsZentrum Potsdam, Potsdam. MEYER, W. 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