5. Zusammenfassung und Ausblick

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1 5. Zusammenfassung und Ausblick Höhlenklima Das über die Jahre 2006 bis 2009 durchgeführte Monitoring bezieht sich auf die dynamisch bewetterte Bunkerhöhle (Sauerland/NRW), die mit ihrer konstanten Temperatur die außerhalb der Höhle herrschende Jahresdurchschnittstemperatur widerspiegelt. Die relative Luftfeuchtigkeit liegt konstant über 90% und schließt damit Evaporation in der Höhle weitgehend aus. Der Jahresgang des CO 2 -Gehalts der Höhlenluft ist mit einer einen Monat dauernden Transferzeit mit dem temperaturabhängigen CO 2 -Jahresgang der Vegetation über der Höhle gekoppelt. Die relativ niedrigen CO 2 -Werte, die besonders im Winter auftreten, begünstigen die Ausgasung von CO 2 aus dem Tropfwasser und damit das Tropfsteinwachstum. Tropfwässer Keine der untersuchten Tropfstellen zeigt eine direkte Reaktion auf Niederschlagsereignisse. Ein Anstieg der saisonal schwankenden Tropfraten ist erst einige Monate nach der Hauptinfiltrationsphase zu beobachten. Des Weiteren kann für jede Tropfstelle ein individuelles Modell des Durchflusses nach TOOTH & FAIRCHILD (2003) erstellt werden. Zwei Tropfstellen zeigen die Charakteristik des Sickerflusses, die anderen sieben Tropfstellen haben saisonal schwankende Tropfraten, welche durch eine Mischung aus Sickerfluss und einem größeren oder kleineren Anteil an Kluftfluss bedingt sind. Dadurch kommt es zur Mischung von jüngerem und älterem Wasser. Tropfsteine unter solchen Tropfstellen können Klimasignale auf multi-annueller Skala konservieren. Der ph-wert, der SI Calcit und der CO 2 -Gehalt der Tropfwässer sind abhängig vom CO 2 -Gehalt der Höhlenluft. SI Calcit und ph-wert zeigen einen antikorrelierenden Verlauf zum CO 2 -Gehalt des Wassers und der Höhlenluft. Die wasserchemischen Untersuchungen lassen Rückschlüsse auf Prozesse wie Verdünnung/Mischung, Prior Calcite Precipitation (PCP) oder eine andere Quelle des Tropfwassers zu. Tropfstelle 1 wird durch temporäre Zumischung einer zweiten Wasserquelle beeinflusst. Dies ist typisch für Tropfstellen mit hoher Tropfrate. Die meisten untersuchten Tropfstellen zeigen PCP, da eine positive Korrelation zwischen dem Mg/Ca- und Sr/Ca- Verhältnis, sowie eine negative Korrelation zwischen der Ca 2+ -Konzentration und dem Mg/Ca- bzw. Sr/Ca-Verhältnis zu beobachten ist. Prior Calcite Precipitation tritt verstärkt bei geringer Tropfrate auf, wodurch es zu einer CO 2 -Ausgasung und 176

2 Calcitausfällung in luftgefüllten Hohlräumen der Epikarstzone und am Stalaktiten kommt. Die Tropfstelle 5 scheint durch eine Quelle ohne PCP gespeist zu werden, oder sie ist durch die Auflösung von PCP durch untersättigtes Wasser geprägt. Tropfstelle 4 ist mit ihren leicht erhöhten Mg 2+ - und niedrigen Sr 2+ -Konzentrationen durch einen dolomitreichen Teil des Massenkalks als Quelle des Tropfwassers beeinflusst. Die Tropfstellen mit PCP-Hinweisen haben ein großes Potential, in den entstehenden Tropfsteinen die hydrologischen Bedingungen der Vergangenheit zu konservieren. Damit ist das Mg/Ca-Verhältnis eines solchen Tropfsteins ein Archiv für 2- die Tropfrate und daraus abgeleitet für die Niederschlagsverhältnisse. SO 4 und NO 3 - haben sich als Proxy für die Verweilzeit des Wassers erwiesen. Tropfstellen mit einem höheren Anteil an schnellerem Kluftfluss (Tropfstellen 1 und 5) zeigen niedrige SO und höhere NO Werte. SO 4 entsteht bei der Pyritoxidation, welche nach Verbrauch des Sauerstoffs gekoppelt mit einer Nitratreduktion weiter abläuft. Die konstanten δ 18 O- und δd-werte der Tropfwässer über den Monitoringzeitraum deuten auf ein Mischungsreservoir in der Boden- und Epikarstzone hin. Die Mittelwerte dieser Tropfwässer entsprechen dem infiltrationsgewichteten Jahresmittel des Niederschlags und liegen auf der Local Meteoric Water Line. Da das δ 18 O-Signal des Niederschlags temperaturabhängig ist, spiegeln die Tropfwässer im δ 18 O-Signal die Durchschnittstemperatur dieses Zeitabschnitts wider. Die δ 13 C-Werte des Bodenwassers sind mit dem leichten Endglied der Bodenluft weitgehend im isotopischen Gleichgewicht. Die Tropfwässer zeigen höhere δ 13 C-Werte bei einer geringen Tropfrate und vice versa. Bei niedrigen Tropfraten und geringen CO 2 -Gehalten der Höhlenatmosphäre kommt es zu kinetischen Effekten während der Ausgasung von CO 2 und zu einer Anreicherung des 13 C in der Lösung. Somit ist das δ 13 C-Signal der Tropfwässer abhängig von der Tropfrate. Rezente Calcitpräzipitate Die rezenten Calcitpräzipitate zeigen durch den Vergleich der C/O-Isotopie des Calcits mit der mittels Fraktionierungsfaktoren aus den Isotopiewerten des Tropfwassers berechneten C/O-Isotopie eine tropfratenabhängige kinetische Beeinflussung der Isotopie des Calcits. Die langsame Tropfrate begünstigt die CO 2 - Ausgasung, wodurch es zu einer Anreicherung von 13 C und 18 O in der Lösung kommt. Dadurch wird das im Tropfwasser enthaltene Temperatursignal der 177

3 Sauerstoffisotopie während der Ausfällung des Calcits bei langsamen Tropfraten kinetisch überprägt und es kommt zu einem Mischsignal aus Temperatur und Niederschlag. Die Kohlenstoffisotopie eines Tropfsteins ist in diesem Fall ein Niederschlagsproxy. Die Wachstumsrate der rezenten Calcitpräzipitate ist ebenfalls stark durch die verstärkte Ausgasung von CO 2 in den Wintermonaten beeinflusst. Des Weiteren haben die Tropfrate, die Ca 2+ -Konzentration und der SI Calcit einen Einfluss auf die Wachstumsrate. Die Kristalle der rezenten Calcitpräzipitate zeigen eine rhomboedrische Ausbildung, welche ein Anfangsstadium der in Tropfsteinen häufigen kolumnaren Kristallausbildung sein könnten. Die Oberflächen von Tropfsteinen zeigen Kristalle, welche denen der rezenten Calcitpräzipitaten recht ähnlich sind. Trotzdem ist eine Übertragbarkeit schwierig, da bei den rezenten Calcitpräzipitaten auf dem Glasuntergrund eine Keimbildungsenergie bei der Calcitausfällung aufgebracht werden muss. Auf einer Tropfsteinoberfläche muss diese nicht aufgewendet werden, da ein kristalliner Untergrund vorliegt. Holozäne Tropfsteine Die beiden in dieser Studie bearbeiteten Tropfsteine BU 1 und BU 4 lassen sich in die Fazieszonentypen A (dunkel, einschlussarme und kompakte Kristalle) und B (helle, einschlussreiche und poröse Kristalle) innerhalb verschiedener Hierarchien vom Dezimeter- bis Submillimeterbereich einteilen. Der BU 4 und der obere Teil des BU 1 werden dem Fazieszonentyp A und der untere Teil und ein Abschnitt des BU 4 dem Fazieszonentyp B zugeordnet. Der Fazieszonentyp A bildet sich bei einem dicken, kontinuierlichen Wasserfilm auf dem Tropfstein aus, welcher durch konstante Tropfraten und damit durch ausreichend Niederschlag bedingt ist. Der Fazieszonentyp B bildet sich bei dünnem Wasserfilm aus, welcher durch geringe und/oder stark schwankende Tropfrate hervorgerufen wird. Verursacht durch stark saisonalen oder geringeren Niederschlag. Die unterschiedliche Ausbildung der Kristalle lässt Rückschlüsse auf ihre Bildungsbedingungen zu. Nach FRISIA et al. (2000) ist eine Kombination von Tropfrate, SI Calcit, Menge an Verunreinigungen und möglicherweise auch das Mg/Ca- Verhältnis für die verschiedenen Ausbildungen der Kristalle (kolumnar, dendritisch) verantwortlich. Die Tropfrate ist einer der wichtigeren Faktoren bei der Ausbildung 178

4 der Kristallmorphologie, indem sie die Wasserfilmdicke auf der Tropfsteinoberfläche, sowie die Kontinuität dieses Wasserfilms und damit die Entstehungsbedingungen der Kristalle beeinflusst. Somit ermöglicht die Kristallmorphologie erste Rückschlüsse auf die klimatischen Bedingungen der Vergangenheit. Der Tropfstein BU 1 zeigt eine stärkere Ausprägung in den Wechseln der Kristallmorphologie als der BU 4. Wahrscheinlich spielen hier die lokalen Bedingungen an der jeweiligen Tropfstelle eine Rolle, wie stark sich die Umweltbedingungen in der Kristallmorphologie durchpausen. Der Tropfstein BU 4 ist, soweit es aus dem Altersmodell ersichtlich ist, kontinuierlich von 8600 a bis heute gewachsen. Der Tropfstein BU 1 ist von 8200 bis ca a vor heute gewachsen, weist dann einen längeren Wachstumshiatus auf und ist a vor heute weiter gewachsen. Die Ergebnisse des Höhlenmonitorings liefern die Grundlage für die Interpretation der gemessenen Stalagmitenparameter. Die Tropfstelle 8 (BU 4) zeigt PCP und eine tropfratenabhängige kinetische Beeinflussung der Isotopie. Daher sind die δ 13 C- Werte und das Mg/Ca-Verhältnis Niederschlagsproxies. Hohe Mg/Ca- und δ 13 C- Werte deuten auf trockenere Bedingungen, niedrigere Werte auf feuchtere Klimabedingungen hin. Die Tropfstelle 5 (BU 1) zeigt keinen Einfluss von PCP, aber eine kinetisch beeinflusste Kohlenstoffisotopie, welche somit ein Niederschlagsproxy ist. Beide Tropfsteine zeigen eine, wenn auch nur schwache Korrelation zwischen der δ 13 C- und δ 18 O-Isotopie. Dies spricht für eine kinetische Beeinflussung der Isotopenfraktionierung. Das δ 18 O-Archiv beider Tropfsteine ist ein Mischsignal aus Temperatur und Niederschlag, welche sich nicht trennen lassen. Aus den makroskopischen und mikroskopischen Auswertungen der Dünnschliffe, den δ 13 C- Weten und dem Mg/Ca-Verhältnis (BU 4) lässt sich eine relative Niederschlagsrekonstruktion ableiten. Demnach herrschten im Atlantikum trockenere Bedingungen, welche dann im Subboreal in zunehmenden Niederschlag übergingen. Das Subatlantikum war im Allgemeinen feuchter als das Atlantikum und geringfügig feuchter als das Subboreal. Die Mittelalterliche Warmzeit zeichnete sich durch eher feuchtere Bedingungen aus, wohingegen die Kleine Eiszeit generell trockener war. Ausblick Im Laufe des Monitorings haben sich weitere Fragestellungen und Modifikationsmöglichkeiten des Monitorings ergeben. Diese sind zum Großteil in der zweiten 179

5 Projektphase der DAPHNE-Forschergruppe (Beginn im August 2009) umgesetzt worden. Der Eingangsbereich der Bunkerhöhle ist stark durch die Außenatmosphäre beeinflusst. Daher sind die Messungen der Höhlenluft dort beendet worden. Ebenso sind die Luftmessungen im Martinsdom eingestellt worden, da sich die Ergebnisse der Messungen nicht von denen der Halle 2 unterscheiden. Das enge Profil der Bodenluftmessungen hat ergeben, dass die bisher ermittelte Anzahl an Messpunkten nicht notwendig ist. Da die Ergebnisse homogen sind, wurden die Bodenluftmessungen auf zwei Stationen in zwei verschiedenen Tiefen reduziert. Die Bewetterung der Höhle könnte noch besser untersucht werden, wenn ein hochempfindliches Anemometer eingesetzt würde. Damit ließen sich sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung der Höhlenbewetterung feststellen. Bei der Messung der Tropfraten wird empfohlen, sehr langsame Tropfraten mit automatischen Tropfratenzählern zu messen, um die Veränderungen genauer erfassen zu können. Zwar besteht über die Menge des in einem bestimmten Zeitraum gesammelten Wasser die Möglichkeit zur Berechnung der Tropfrate, aber ein Tropfratenzähler zeichnet auch kurzfristige Schwankungen auf. Trotzdem sollte eine manuelle Messung und/oder Berechnung der Tropfrate zur Überprüfung stattfinden. Das Bodenwasser hat sich bei der Auswertung der Ergebnisse als Epikarstwasser herausgestellt, da es nicht wie für Bodenwasser zu erwarten unter- oder nur gesättigt, sondern an Calcit übersättigt ist. Aus diesem Grund ist für die zweite Projektphase eine zweite Saugsonde eingebaut worden, welche sich in 40 cm Tiefe und damit in der Mitte der Bodenschicht befindet. Weiterführende Messungen des δ 18 O der Tropfwässer und des Regenwassers zeigen möglicherweise Langzeittrends, welche innerhalb von drei Jahren nicht oder nur annähernd erfasst werden konnten. Außerdem sind mehr δ 13 C-Daten der Tropfwässer nötig, da aufgrund der nach eineinhalb Jahren erfolgten Umstellung von Monats- auf Sofortproben nur ein kurzer Datensatz zur Verfügung steht. Mit einem längeren Datensatz ließe sich dann auch die Tropfratenabhängigkeit der δ 13 C-Werte genauer erfassen und quantifizieren. Weiterhin sollten die Datensätze der rezenten Calcitpräzipitate ausgedehnt werden, um die Korrelation zwischen kinetischen Effekten und der Tropfrate im 180

6 Bezug auf die δ 13 C und δ 18 O-Werte bestätigen zu können, sowie diese Prozesse quantifizieren zu können. Möglicherweise ließe sich hierüber die Temperatur- und Niederschlagskomponente im δ 18 O-Signal trennen. Dies wäre hilfreich für die Interpretation der δ 18 O-Signale der kinetisch beeinflussten Tropfsteine. Der Datensatz der Wachstumsrate der rezenten Calcitpräzipitate sollte ebenfalls fortgeführt und erweitert werden. Damit könnte die Abhängigkeit der Wachstumsrate vom CO 2 -Gehalt der Höhlenatmosphäre untermauert und die möglichen Einflüsse der Tropfrate, der Ca 2+ -Konzentration und des SI Calcit auf das Wachstum der Tropfsteine herausgearbeitet werden. Bezüglich der Kristallmorphologie wären Tests mit kristallinen Untergründen wie Massenkalk oder ein Stück Tropfstein wichtig, um einen Vergleich zu den auf den Uhrgläsern beobachteten Kristallen zu erhalten. Die Tropfsteine wurden weiterhin auf ihren Sr-Gehalt untersucht, welcher in dieser Arbeit nicht verwendet wurden. Spezifisch relevant ist hier die Frage, ob das Sr/Ca- mit dem Mg/Ca-Verhältnis korreliert und ebenfalls als Niederschlagsproxy verwendet werden kann. Eine Kombination der in dieser Arbeit nicht untersuchten Tropfsteine aus der Bunkerhöhle (BU 2, BU 3, BU 5, BU 6 und BU-UWE) wäre ein weiterer folgender Schritt. 181