Maare - biotische und Sedimentationsentwicklung an Fallbeispielen

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1 Maare - biotische und Sedimentationsentwicklung an Fallbeispielen (BÜCHEL, G. & LORENZ, V.; aus: ZOLITSCHKA, B. & NEGENDANK, J.F.W., 1993) von Kerstin Fohlert

2 2 1. Einleitung Der aus der Eifel stammende Begriff Maar wird heute in der gesamten internationalen Literatur für einen besonderen Vulkantyp verwendet. Ursprünglich bezeichnete man in der Eifel seit Jahrhunderten kleine Weiher und feuchte Stellen mit diesem Wort. In der Westeifel, 50km südwestlich Koblenz zwischen den Orten Ormont und Bad Bertrich, sind ungefähr ein Viertel der Vulkanbauten Maare. Zwischen der Eifel und dem Egertalgraben (Zentraleuropäischer Vulkangürtel) kennt man heute ca. 30 Vorkommen paläogener Schwarzpelite, von denen einige als Maarseesedimente gedeutet werden. Bei vielen dieser Vorkommen ist jedoch die Genese umstritten. So zieht man unter anderem folgende Becken in Betracht: syn- oder postsedimentäre Gräben, vulkanotktonische Becken, Subrosionssenken, Dolinen oder Impaktstrukturen. Die erste Beschreibung von Maarstrukturen in Sachsen stammt von SUHR & GOTH, Bei Regionalvermessungen in den sechziger Jahren wurde im Gebiet von Kleinsaubernitz/ Lausitz eine auffällige Schwereanomalie festgestellt. Zunächst wurde diese als kleiner variszischer Stockgranit im Untergrund gedeutet. Später teufte man in diesem Gebiet Bohrungen ab und fand eine bis dahin unbekannte Sedimentfolge ( Kleinsaubernitzer Schichten ). SUHR & GOTH (1996) schreiben das der erbohrte Ölschiefer in vielen Merkmalen den anstehenden Gesteinen der Grube Messel entsprechen. Über einer zweiten, in diesem Gebiet (Baruth bei Bautzen) bekannten Schwereanomalie teufte man 1998 Bohrungen ab. Geophysikalische Voruntersuchungen zeigten einen schüsselförmigen Gebilde mit einem Durchmesser von 900m und einer Tiefe von 250m an. Die erbohrten Sedimente werden zur Zeit bearbeitet. Abb. 1: Maare in der Westeifel (aus: NEGENDANK & ZOLITSCHKA, 1997) Im folgenden wird vor allem das Mitteleozäne Eckfelder Maar bei Manderscheid (Abb. 1) in der Westeifel betrachtet. Seine seit dem letzten Jahrhundert bekannten fossilführenden Sedimente sind mit

3 3 dem Ölschiefer der Grube Messel bei Darmstadt vergleichbar. Wie in Messel werden auch hier jährlich wissenschaftliche Grabungen durchgeführt. Seltene Funde, wie die älteste bekannte Honigbiene (mit Pollenfracht!) und ein trächtiges Urpferdchen Palaeotherium, wurden hier gemacht. 2. Entstehung und Morphologie der Maare Maare sind in den Untergrund eingetiefte Vulkankrater. Sie entstehen durch heftige phreatomagmatische Explosionen, die durch den Kontakt von aufsteigendem Magma mit Grund- oder Oberflächenwasser hervorgerufen werden. Durch Explosionen in einigen 100m Tiefe entstehen Hohlräume in die das darüber liegende Material einsinkt. Maarkessel sind demnach häufig sowohl Explosions- als auch Einbruchstrukturen. (MURAWSKI, 1998) Der Durchmesser dieser Krater kann von einigen 10m bis zu 2km betragen. Der Maarkessel besitzt eine trichter- bis schüsselförmige Gestalt. Er ist häufig von einem Tuffwall umgeben (Abb. 2). An den steilen Kraterwänden treten Rutschungen auf, die den Krater bald verschütten können. Abb. 2: Schematische Skizze eines Maares (aus: NEGENDANK & ZOLITSCHKA, 1993) 3. Entwicklungsstadien eines Maares

4 4 Die posteruptive Entwicklung des Maares ist in Abb. 3 dargestellt. Bild A zeigt den gerade entstandenen Maarkessel mit seinem niedrigen Tuffring, der zu einem großen Teil aus Nebengesteinsfragmenten besteht. Da der Krater den Grundwasserspiegel unterschneidet, füllt sich das Maar mit Wasser (Abb. 3 B). Es entsteht ein Maarsee, der aufgrund von Massenbewegungen und Schlammströmen (Rutschungen der steilen Kraterwände), Deltaablagerungen einfließender Bäche, Eintrag atmosphärischer Last (Regen, Asche nahegelegener Vulkane, windtransportierte Sedimente) Produktion organischer Substanz im Maarsee und deren Sedimentation, immer mehr verfüllt wird. Maßgebend für die Geschwindigkeit der Verlandung des Sees (Abb. 3C) sind die Reliefenergie, die Vegetationsbedeckung und die Größe des Einzugsgebietes sowie die Temperatur- und Niederschlagsverhältnisse. Abb. 3: Darstellung der posteruptiven Entwicklung eines Maares (aus: NEGENDANK & ZOLITSCHKA, 1993) Die abseits größerer Täler entstandenen Seen verlanden aufgrund der geringen Fläche ihrer Einzugsgebiete meist langsam. Typische Beispiele sind in Deutschland einige Maare der Eifel, die

5 5 trotz ihres spättertiären oder pleistozänen Alters und ihrer geringen Größe bis heute überdauert haben. (BOHLE, 1995). Nicht nur durch natürliche Verlandung und Moorbildung kann das Stadium des Maarsees beendet werden. Beispielsweise beschreibt KÖHLER (1998) das sehr plötzlich Ende des Sees Enspel im Westerwald folgend: Mit dem Einfließen des bis zu 100m mächtigen Olivin-Basaltes aus einem bisher noch unbekannten Eruptionsort ist das Seestadium abrupt beendet worden.. Aber auch durch menschliche Tätigkeit kann ein See zeitweilig oder gänzlich trockengelegt werden. Nach Cipa war das Trautzberger Maar früher mit Wasser gefüllt und diente als Fischteich. In den zwanziger Jahren des vorigen Jahrhunderts wurde es durch einen Graben nach E trockengelegt. (MEYER, 1994). Der mit Sedimenten verfüllte Krater zeigt sich nur noch als eine leichte Depression an der Oberfläche, dabei ist der Tuffring zum größten Teil erodiert worden (Abb. 3 C). Unter günstigen Bedingungen kann die Erosion teilweise so effektiv sein, daß es zu einer Reliefumkehr kommt. Dabei werden die gesamte Sedimentfüllung des Kraters und der Tuffring vollständig erodiert bis das Diatremgestein freigelegt wird (Abb. 3 D und E). Nach NEGENDANK & ZOLITSCHKA (1993) erreichten einige sehr alte Maare der Westeifel dieses Stadium (Seiderath Maar, Wolfbeuel E Maar). 4. Der Maarsee 4.1. Die Schichtung des Wasserkörpers Seen werden nach unterschiedlichsten Merkmalen klassifiziert. Nach ihrer Entstehung unterteilt man sie beispielsweise in Stau von Seen durch Kalksinterbildung (Band-i-Amir Seen), Bergsturzseen (Hintersee, Berchtesgarden), Gletscherstauseen (Märjelensee, Schweiz), tektonisch entstandene Seen (Tanganjikasee, Ostafrika) Kraterseen (Laguna Quilotoa, Ecuador) usw. Eine andere Einteilung erfolgt nach der Art und Häufigkeit der Zirkulationen im See. So tritt in amiktischen Seen keine und in monomiktischen eine Zirkulation im Jahr auf. Dimiktische, oligomiktische und polymiktische Seen werden zweimal, mehrmals oder ständig durchmischt. Weiterhin wird bei einem holomiktischen See der gesamte Wasserkörper in die Zirkulation einbezogen. Dagegen greift in einem meromiktischen See (Abb. 4) die windinduzierte, vertikale Wasserzirkulation nicht bis zum Grund. Es bilden sich eine durchmischte obere (Mixolimnion) und eine nicht durchmischte untere Schicht (Monimolimnion) heraus. Im Monimolimnion herrschen permanent anoxische Bedingungen. Zweiwertiges Eisen, Hydrogenkarbonationen und hohe Konzentrationen von H 2 S und NH 4 + treten hier auf. Diese Verhältnisse reduzieren benthische Aktivitäten auf ein Minimum. Die zwischen Monimo- und Mixolimnion auftretende Sprungschicht nennt man Chemokline. Abb. 4: Schichtung des Wassers in einem meromiktischen See 4.2. Sedimentation im Maarsee

6 6 Die Sedimentationsvorgänge im Maarsee hängen maßgeblich von der Morphologie (Reliefenergie), dem Klima, der Art und Anzahl der Zuflüsse bzw. deren Liefergebiete, sowie von der Art des Maarsees (holo- oder meromiktisch) ab. Für die jüngeren Maare kommt der anthropogene Einfluß hinzu. In Maarseen vorkommende (Haupt-) Sedimenttypen sind vulkanische Brekzien (Diatrembrekzie), grobe Rutschmassen vom Kraterrand (debris flows), Trübe- bzw. Suspensionsströme (Turbidite), laminierte Feinklastika sowie pyroklastische Lagen benachbarter Vulkane. Diese Sedimenttypen zeigen eine charakteristische horizontale und vertikale Verbreitung. Im randlichen Bereich (Litoral) treten vor allen grobe Rutschungsmassen (debris flows) auf, zum Beckeninneren (Profundal) gehen diese über in Trübe- bzw. Suspensionsströme bis hin zur Ablagerung feiner klastischer Sedimente. Dabei tritt im Profundal die klastische Sedimentation gegenüber der biogenen Sedimentation und der chemischen Ausfällung zurück. Eine typische zeitliche Sedimentabfolge zeigt beispielsweise das mitteleozäne Eckfelder Maar. Es entwickelte sich von einem initialen grobklastischen Stadium (Diatrembrekzie und debris flows) über vorwiegend biogene Sedimentation (laminierte Schwarzpelite mit eingeschalteten Tubiditen) bis zu einem klastischen Endstadium (NEGENDANK & ZOLITSCHKA, 1993). Abb. 5: Laminierte Sedimente aus dem Holzmaar (aus: NEGENDANK & ZOLITSCHKA, 1993) Das Eckfelder Maar

7 7 Das Eckfelder Maar befindet sich nördlich des Ortes Manderscheid im Vulkangebiet der Westeifel. (Abb. 1). Es liegt auf einer NNE-SSW streichenden Hauptstörung und ist in unterdevonische Sandsteine eingetieft. Die ursprüngliche Größe des Maarkraters wird auf 900m im Durchmesser und ca. 150m Tiefe geschätzt. Für die im Krater abgelagerten Seesedimente, die seit dem letzten Jahrhundert bekannt sind, nimmt man heute nach palynologischen und Säugetierstratigraphischen Untersuchungen ein Mitteleozänes Alter (49 Ma) an wurden mehrere Bohrungen im Beckeninneren und in randlichen Bereichen abgeteuft. Eine Bohrung im Beckenzentrum mit einer Endteufe von 123m erreichte im Liegenden eine aus unterdevonischen Gesteinen bestehende Brekzie. Nach FISCHER et al. handelt es sich hierbei um eine Kollapsbrekzie. Darüber lagern Schuttstromsedimente und sandig-kiesige Turbidite. Diese Ablagerungen eines initialen Maares resultieren aus Rutschungen an den steilen und instabilen Hängen des Kraters. Eine wenige Meter mächtige Übergangszone aus feinkörnigen Sedimenten deutet auf die Stabilisation der Kraterwände hin und leitet in die Hauptphase der lakustrinen Ablagerungen über. Das Hangende besteht vorwiegend aus laminierten Tonsteinen mit einem hohen Anteil organischer Substanz. Sie werden häufig als Ölschiefer bezeichnet. Die Tonsteine bestehen aus den Tonmineralen Illit, Montmorillonit und Kaolinit, außerdem enthalten sie Quarz, mineralischen Detritus, Reste terrestrischer Pflanzen und Lagen von Grünalgen (Tetraedron und Botryococcus) und Siderit. Abb. 6: Diatomeen aus dem Polierschiefer. Bohrung Rott II (aus: MÖRS, 1995) (die Länge des Maßstabs beträgt 10µm) Neben den Ölschiefern treten auch bituminöse Schluffsteine, gradierte Schichten (Turbidite) und diatomitische Lamenite auf. Die Diatomite bestehen aus z.t. mm-dicken Lagen der Diatomee Melosira. Die beschriebene Abfolge der Sedimente wird als Füllung eines Maarkraters gedeutet, wobei die Verlandungssedimente und der obere Teil der bituminösen Laminite abgetragen wurden und somit nicht erhalten geblieben sind. Die Herausbildung der laminierten Sedimente, die hauptsächlich ungestört vorliegen, deuten auf einen ruhigen Ablagerungsraum hin. Nur gelegentlich wurden sie durch Rutschungsereignisse zerrüttet. Dabei entstanden slumping-strukturen und Abrißmarken im Sediment. Der hohe Gehalt an organischem Kohlenstoff, das Auftreten von Siderit im Sediment und das Fehlen bioturbaten Gefüges deuten auf ein anoxisches Milieu und damit einen meromiktischen See hin. Nach MINGRAM (1997) war das Eckfelder Maar, mit seiner charakteristischen Morphologie eines kleinen Maar- oder Kratersees eine ideale Sedimentfalle und ein günstiger Ort zu Ausbildung von Warven. Jedoch gibt es noch keinen endgültigen Beweis für die jahreszeitliche Schichtung der Sedimente. ZOLITSCHKA (1990) definiert Warven als laminierte Sedimente stehender Wasserkörper, die im jahreszeitlichen Rhythmus aus dünnen, horizontalen Lagen wechselnder Zusammensetzung aufgebaut sind. Dabei können 3 verschiedene Typen unterschieden werden:

8 8 Die klastischen oder physikalischen Warven werden im wesentlichen durch unterschiedlich starken Zuflüsse gebildet. Während in der regenreichen Jahreszeit (z.b. im Frühjahr durch die Schneeschmelze) die Transportkraft des Zuflusses erhöht ist, kann eine dementsprechende größere Menge an klastischem Material transportiert werden. Dagegen wird in der regenarmen Zeit (z.b. Wintermonaten) vergleichsweise weniger und feineres Material eingetragen. Es entsteht wie in Abb. 6 schematisch dargestellt eine Laminierung der Sedimente. Die organischen oder biologischen Warven werden hauptsächlich in Seen mit hohem Nährstoffgehalt und geringen klastischen Eintrag gebildet. Es treten hier im Frühling und Sommer lagenbildende Algenblüten (Diatomeen) auf, die eine oder mehrere helle Sublamina bilden. Die kontrastierende dunkle Sublamina wird aus amorpher autochthoner organischer Substanz bzw. aus allochthonen Teilen höherer Pflanzen aufgebaut, die im Herbst im See absterben oder aus dem Litoral durch Umlagerungsprozesse in das zentrale Becken verfrachtet werden. (ZOLITSCHKA, 1998). Die chemischen oder evaporitischen Warven entstehen durch rhythmische Ausfällung von Aragonit, Kalzit, Gips und Halit. Die drei verschiedenen Warventypen treten selten in Reinform auf. Meistens handelt es sich um Misch- oder Übergangstypen. (ZOLITSCHKA, 1998) Abb. 7: Warven Modelle (aus: NEGENDANK & ZOLITSCHKA (EDS.), 1997) Pyroklastische Einschaltungen benachbarter Vulkane sind im Eckfelder Maar nicht beschrieben. Jedoch treten sie in den Sedimenten anderer Maare häufig auf. So kann man in den Sedimenten des Holzmaars zwei markante Tephralagen aushalten. Die mm mächtige Laacher See Tephra und die 1,5mm mächtige Ulmener Maar Tephra sind im Holzmaar-Profil enthalten. Sie dienen unter anderem als Markerhorizonte und sind bei der Überprüfung der Warvenchronologie behilflich Biota Die Freiwasserzone (Pelagial) und die Bodenzone (Benthal) sind die zwei grundsätzlichen Lebensräume eines Sees. Beide Bereiche lassen sich vertikal weiter untergliedern. Das Pelagial wird in eine photische und eine aphotische Zone (ohne photosynthetische Primärproduktion) unterteilt. Parallel dazu gliedert man das Benthal in einen flachen Uferbereich (Litoral) und den aphotischen Tiefenbereich (Profundal). Aufgrund der steilen Morphologie ist ein eigentlicher Litoralbereich bei Maarseen oft nicht ausgebildet oder nur sehr schmal.

9 9 Wie aus Ablagerungen fossiler Maarseesedimente bekannt ist, fehlen benthische Organismen fast vollständig. Mit Ausnahme einiger chemoautothropher Organismen ist der Bereich unterhalb der Chemokline unbelebt. Damit sind die Bodenlebewesen auf die schmalen, gut durchlüfteten Randbereiche des Sees beschränkt. Die steilen und rutschungsgefährdeten Hänge aber stellen einen ungünstigen Lebensraum für die meisten Benthoner dar. Die Einwanderung der aquatischen Organismen in den See erfolgt hauptsächlich über das Gewässernetz. Eine andere Möglichkeit ist die Windverdriftung, die aber nur kleine und leichte Organismen nutzen können. Die wichtigsten Primärproduzenten in einem Maarsee sind Algen. In den Seesedimenten treten z.t. massenhaft Diatomeen (Kieselalgen) (Abb. 7), Chrysophyceencysten (Goldalgen) und die Grünalgen Tetraedron und Botryococcus auf. Die Ursache für diese Häufungen sind die saisonalen Algenblüten. Sie entstehen wenn nährstoffreiche und sauerstoffarme Wässer aus dem Monimolimnion in die oberen Schichten gelangen. Dies setzt eine verstärkte und auf die unteren Wassermassen ausgedehnte Vertikalzirkulation voraus, wie sie beispielsweise im Frühjahr und Herbst auftreten. Zusammen mit den feinen Sedimentlagen, die während der Sommer- und Winterstagnation entstehen, bilden diese Algenablagerungen die feinlaminierten organischen Warven. Zu den Konsumenten in einem See zählen vor allem die Fische, aquatisch lebende Schnecken und Frösche. Nach dem Tod sinken sie auf den Grund des Sees. Gelangen sie rasch unter Sauerstoffabschluß, können sie wenig zersetzt in das Sediment eingebettet werden. Das sauerstofffreie Monimolimnion ist deshalb eine ausgezeichnete Voraussetzung für die Konservierung von organischen Resten. Die Laminite und Turbidite im Beckenzentrum des Eckfelder Maares sind sehr fossilreich. Bis heute wurden mehr als Fossilien aufgenommen. Es wurden bakterielle Matten, Pilze, Algen, Moose, Farne und verschiedene Reste höherer Pflanzen, wie Pollen, Blätter, Früchte Samen und sogar Blüten gefunden (Abb. 8). Abb. 8: Blütenklech aus dem Eckfelder Maar, (die Länge des Maßstabs beträgt 1mm) (aus: NEGENDANK & ZOLITSCHKA, 1993) Die Invertebraten umfassen Süßwasserschwämme, Bryozoen, Gastropoden, Bivalven, Ostrakoden, Spinnen und Insekten. Die Insekten werden hauptsächlich von Käfern dominiert (ungefähr 90%), seltener ist die Riesenameise Formicium. Unter den Vertebraten finden sich vor allem Fische, wenige Vögel und Amphibien, Reptilien (Schildkröten und Krokodile) und Säugetiere, wie das Urpferdchen Propalaeotherium. Die Fossilien sind außergewöhnlich gut erhalten. So erkennt man bei Blättern noch die Kutikula und feine Haare, Blüten enthalten ihren Pollen, Insekten zeigen farbliche Pigmentierungen und einige Säugetiere findet

10 10 man noch mit Mageninhalt. Außerdem sind Weichteile in Form von Hautschatten erhalten. Es sind dichte Bakterienmatten die den Kadaver bedeckten und später durch Siderit oder Apatit fossilisiert wurden. 5. Zusammenfassung Maare sind vulkanisch entstandene Krater. Sie werden bald nach ihrer Entstehung mit Wasser gefüllt. In tiefen Maarseen bildet sich eine anoxische nicht in die Wasserzirkulation eingebundene Zone, das Monimolimniom aus, in der nur wenige Organismen leben können. Die Sedimentation ist in diesem Milieu sehr ruhig. Es bilden sich fein laminierte, bituminöse Tonsteine, die sogenannten Ölschiefer (Schwarzpelite), in denen Tier- und Pflanzenreste besonders gut erhalten sind. In den Gesteinen des Eckfelder Maares und des Messeler Sees sind sehr gut erhaltene Blätter, Früchte, Pollen, Insekten (Käfer, Bienen), Gastropoden, Schwämme, Frösche, Fische, Schildkröten, Krokodile, Haie, Vögel und Säugetiere (Fledermäuse, das Urpferdchen Propaleotherium), z.t. mit Erhaltung der Weichteile zu finden. Selbst zarteste Organismenreste wie Blütenkelche sind von der Überlieferung nicht ausgeschlossen (Abb. 8). Über die jahreszeitlich laminierten Sedimente ist es möglich eine hochauflösende Klimaforschung zu betreiben. Es werden u.a. Aussagen über Temperatur- und Niederschlagsverhältnisse getroffen, außerdem ist es durch den Reichtum an Fossilien möglich Pflanzen- und Tiergemeinschaften des Einzugsgebietes und des Sees zu rekonstruieren. 6. Literatur BOHLE, H. W. (1995): Limnische Systeme S., Berlin; Heidelberg; New York: Springer- Verlag. FELDER, M., HARMS, F.-J. & WUTTKE, M. (1998): Faziesvergleich dreier Paläogener SeesystemeMitteleuropas anhand lithologischer Bohrprofile.- In: Geowissenschaften in Ökonomie und Ökologie-Das System Erde-Programm und Zusammenfassungen der Tagungsbeiträge: Geo-Berlin 98, Terra Nostra 98/3, Köln: Selbstverlag der Alfred-egener- Stiftung. FISCHER, C., PIRRUNG, M. & GAUPP, R. (1998): Lithofazies im Eckfelder Maar.- In: Geowissenschaften in Ökonomie und Ökologie-Das System Erde-Programm und Zusammenfassungen der Tagungsbeiträge: Geo-Berlin 98, Terra Nostra 98/3, Köln: Selbstverlag der Alfred-Wegener-Stiftung. GOTH, K. & SUHR, P. (1994): Oligozäne Maarsedimente von Kleinsaubernitz (Lausitz).- In: Niedermeyer, R.-O. et al.: Sediment 94: 9. Sedimentologen-Treffen vom 25. bis 27. Mai in Greifswald.- Greifswalder Geowissenschaftliche Beiträge, Reihe A, Bd.2, Seite 59. GOTH, K. & SUHR, P. (1998): Forschungsbohrung Baruth (Ostsachsen): Erste Ergebnisse.- In: Geowissenschaften in Ökonomie und Ökologie-Das System Erde-Programm und Zusammenfassungen der Tagungsbeiträge: Geo-Berlin 98, Terra Nostra 98/3, Köln: Selbstverlag der Alfred-Wegener-Stiftung. HARMS, F.-J. (1998): Die Eozän-Vorkommen des Sprendlinger Horstes.- In: Geowissenschaften in Ökonomie und Ökologie-Das System Erde-Programm und Zusammenfassungen der Tagungsbeiträge: Geo-Berlin 98, Terra Nostra 98/3, Köln: Selbstverlag der Alfred- Wegener-Stiftung. KÖHLER, J. (1998): Die Fossillagerstätte Enspel: Vegetation, Vegetationsdynamik und Klima im Oberoligozän S., Dissertation. KOENIGSWALD, W. v.(1982): Die erste Beutelratte aus dem mitteleozänen Ölschiefer von Messel bei Darmstadt.- In: Natur und Museum, 112 (2), KOENIGSWALD, W. v. [Hrsg.] (1996): Fossillagerstätte Rott bei Hennef im Siebengebirge. Das Leben an einem subtropischen See vor 25 Millionen Jahren S., Siegburg: Rheinlandia- Verlag (2. erweiterte Auflage).

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12 12 Maare - biotische und Sedimentationsentwicklung an Fallbeispielen von Kerstin Fohlert Inhalt

13 1. Einleitung Entstehung und Morphologie der Maare 3. Entwicklungsstadien eines Maares 4. Der Maarsee 4.1. Die Schichtung des Wasserkörpers 4.2. Sedimentation im Maarsee 4.3. Biota 5. Zusammenfassung 6. Literatur