Lorenz Dobler

Der Einfluß der Bergbaugeschichte im Ostharz auf die Schwermetalltiefengradienten in historischen Sedimenten und die fluviale Schwermetalldispersion in den Einzugsgebieten von Bode und Selke im Harz

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 15.07.1999

Abstract
In Flusseinzugsgebieten mit altem Bergbau sind historische Auensedimente mit Schwermetallen angereichert und spiegeln in ihren Tiefengradienten die Umweltgeschichte im Einzugsgebiet wider. Heute stellen diese Sedimente die Hauptquellen der Schwermetallbelastung für die betroffenen fluvialen Systeme dar. Anhand montanhistorischer Befunde, Beprobung geeigneter Auen-/Gerinnesedimente, 14C-Datierungen und geochemisch-hydrochemischen Untersuchungen wurde in den Tälern der Bode und Selke (Ostharz) der Einfluss des historischen Bergbaus auf Tiefengradienten und Verbreitung von Schwermetallen (Eisen, Mangan, Blei, Zink, Kupfer, Cadmium, Silber) und Arsen untersucht.
Erste Hinweise auf Bergbau im Westharz stammen aus dem 4./5. Jh. und im Ostharz aus dem 8./9. Jh.. Im Einzugsgebiet der Bode lag seit dem Mittelalter bis in die 60er Jahre der Schwerpunkt dabei in der Gewinnung von Eisen. Das Einzugsgebiet der Selke wurde bis zur Mitte des 18. Jh. vorwiegend durch Gewinnung und Verarbeitung von Silbererzen und Galenit im 19. und 20. Jh. von Eisenerzen und Flussspat geprägt. Die Blütezeiten der lokalen Bergbaugeschichte bzw. die Zeiten maximaler Schwermetallfreisetzung in die Umwelt decken sich weitgehend mit den bekannten Trends im Harz und Mitteleuropa (16./18. Jh.).
In den Tälern der Warmen Bode, Kalten Bode und Bode sind junge, humose Auensedimente flächenhaft verbreitet. Sie enthalten variable Gehalte an hellblauen Silikatschlacken, die aus der Verhüttung von Eisenerzen in Hochöfen (seit dem 16. Jh.) stammen. Die Schwermetallanreicherung ist im Vergleich zum lokalen Hintergrund nur schwach bis mässig ausgeprägt und geht flussabwärts zurück. In den Tälern der Warmen Bode und Kalten Bode sind die Blei- und Kupfergehalte höher als im Tal der Bode und steigen leicht mit der Tiefe an. Historische Verhüttungsaktivitäten im Westharz sind daher als Hauptbelastungsquelle und atmogene Deposition sowie Erosion im Einzugsgebiet als die wichtigsten Prozesse für die erhöhten Schwermetallgehalte in jungen Auensedimenten zu betrachten. Vereinzelt vorkommende hohe Kupfer- und Bleikonzentrationen an der Basis der jungen Auensedimente sind dagegen lokalen Kupferhütten aus dem hohen Mittelalter zuzuordnen.
Lithologisch und geochemisch sind die Sedimente im Tal der Selke komplexer aufgebaut, wobei Rückstände der Erzaufbereitung (Pochsande) eine wichtige hinsichtlich der Flussmorphologie und Schwermetallanreicherung spielen. Von der Quelle bis zum Austritt aus dem Harz können vier Flussabschnitte mit charakteristischen sedimentologisch-geochemischen Eigenschaften unterschieden werden. Die Schwermetalltiefengradienten spiegeln dabei die lokale Bergbaugeschichte, insbesondere die Betriebszeiten von Aufbereitungsanlagen (Nasspochwerke) wider. Flussaufwärts des Agezucht-Baches (Flussabschnitt A) sind die Sedimente kaum durch Bergbau beeinflusst. Flussabwärts nimmt die Schwermetallbelastung abrupt zu und erreicht zwischen Strassberg und Mägdesprung/Alexisbad (Flussabschnitt B) ihr Maximum.. Die höchsten Schwermetallgehalte treten unterhalb der jungen Auensedimente in fluviatil verlagerten Relikten der Erzaufbereitung (Pochsandlagen) aus dem 18. Jh. auf (Blei > 20.000; Cadmium > 50; Zink > 5.000, Arsen > 200 mg/kg). Hohe Schwermetallgehalte in älteren Sedimenten und 14C-Daten weisen darauf hin, dass der Bergbau hier schon im 13. Jh. umging und eventuell schon im 7. Jh. begann. Flussabwärts der Chemischen Fabrik Fluor (1888 - 1927) sind die jungen Auensedimente überdurchschnittlich stark mit Kupfer angereichert. Mit zunehmender Entfernung von den Quellen des Eintrages nimmt die Schwermetallbelastung ab (Flussabschnitt D und E) und die maxinalen Schwermetallgehalte treten in jüngeren Sedimentschichten auf. Dies ist mit der Mobilisierung älterer Pochsandlagen zu erklären.
Die Grössenordnung und das räumliche Muster der Schwermetallbelastung in rezenten Gerinnesedimenten entspricht weitgehend den Verhältnissen in den Auensedimenten. Mit Ausnahme von Eisen und Mangan sind die Gehalte in der Schlufffraktion (< 63 Ám) etwas höher als in der Sandfrraktion (2000 - 63 Ám). Die Auswertung hydrochemischer Daten zeigte, dass im Flusslängsverlauf zwei lokale Anomalien auftreten, die mit dem Eintrag an potentiellen, komplexbildenden Liganden und extrem erhöhten Konzentrationen in Gerinnesedimenten erklärt werden können.
In Wässern aus alten Stollen im Selketal sind die Schwermetallgehalte normalerweise sehr niedrig. Ausnahmen davon sind der Schwefelstollen und der Katharinenstollen bei Alexisbad, die typische Anzeichen von sauren Lösungswässern aufweisen, d.h. niedrige pH-Werte, hohe SO4- und Metallkonzentrationen (v.a. Eisen, Kupfer, Arsen). Wegen Ockerbildung, Mitfällungsreaktionen und Verdünnungseffekten sind im Selkewasser jedoch keine erhöhten Gehalte festzustellen. Die Ockerbildungen an der Mündung von Schwefel- und Katharinenstollen bewirken lokal stark erhöhte Eisen-, Kupfer und Arsengehalte in den Gedrinnesedimenten.

Deposits of alluvial (floodplain) sediments contaminated by heavy metals derived from mining provide an opportunity to reconstruct the environmental and fluvial history of mineralised catchments. Nowadays historical sediments are a main source of contamination in these fluvial systems. A combination of historical/archaeological evidence, sampling of historical (floodplain)/recent (channel) sediments, 14 C-dates and geochemical-hydrochemical analysis is used to investigate the influence of old mining activities in the valleys of the rivers Selke and Bode (Eastern Harz Mountains) on vertical (time) and horizontal (space) variation of heavy metal concentrations (iron , manganese, lead, zinc, copper, cadmium, silver) and arsenic.
First indications for mining acitivities are from the 4th / 5th century in the Western Harz Mountains and from the 8th / 9th century in the Eastern Harz Mountains. In the catchment of river Bode mining and processing of local iron ores are dominant since the middle age. Until the middle of the 18th century the catchment of river Selke is more influenced by mining and processing of local silver ores and galena. During the 19th and 20th century feldspar and iron ores became dominant. Heydays of historical mining activities and heavy metal release are similar to the general trend in the Western Harz Mountains and in Central Europe (16th / 18th century). In the valleys of Warme Bode, Kalte Bode and Bode young floodplain sediments are widespread. The variable contents of blue slags are due to smelting of iron ores in blast furnaces since the 16th century. Respecting the local background values the enrichment of heavy metals is rather low and decreases downvalley. In the valleys of Warme Bode and Kalte Bode lead and copper concentrations are higher than in the Bode valley and slightly increase with depth. Smelting operations in the Western Harz Mountains can therefore be regarded as the main source and atmospheric deposition and subsequent erosion as the main process of contamination in young floodplain sediments. High lead and copper concentrations at the bottom of young floodplain sediments can be related to local smelting activities during the middle age.
Valley sediments of the river Selke are more complex and mine tailings play an important role in fluvial morphology and enrichment with heavy metals. Between the source and the northern margin of the Harz Mountains there are four distinct reaches (A - E) with characteristic sedimentological and geochemical properties. Vertical variation of heavy metal contents reflect local mining history, especially of processing plants (Naßpochwerke). Upstream of Agezucht Creek (reach A) sediments are nearly unaffected by mining. Downstream heavy metal contamination increases and is worst between Strassberg and Alexisbad/Mägdesprung (reach B). Here peak metal concentrations (lead > 20.000; cadmium > 50; zinc > 5.000, arsenic > 200 mg/kg) were found in mine tailings (Pochsande) deposited during maximum of local mining activitiy (18th century) at the bottom of young floodplain sediments. High metal concentrations in older sediments and 14C-dates indicate that mining could have been active since the 13th century and might have already begun in the early middle age (7th century). Downstream of Chemische Fabrik Fluor (1888 - 1927) young floodplain sediments are rich in copper. Downstream of the sources of input heavy metal contamination decreases and peak concentrations appear in the upper parts of floodplain sediments (reach E). The reason is mobilization and reworking of older mill tailings in the upper reaches.
The order and spatial pattern of heavy metal contamination of recent channel sediments is similar to the older floodplain sediments. Except iron and manganese the concentrations in the silt fraction (< 63 Ám) are slightly higher than in the sand fraction (2000 - 63 Ám). The evaluation of hydrochemical data along the river Selke indicates two local anomalies that could be related the input of potential complexing ligands and to the release of metals from extremely contaminated channel sediments.
Metal concentrations in waters discharging from old mines in the Selke valley usually are very low. Only mine waters of Schwefelstollen and Katharinenstollen near Alexisbad are similar to acid mine drainage systems with low pH and high SO4-/metal concentrations (especially iron, copper and arsenic). Because of ochre deposition, coprecipitation and dilution effects they have no influence upon heavy metal concentrations in the water of the river Selke. Channel sediments near the entries of Schwefelstollen and Katharinenstollen are affected by ochre deposits and therefore are enriched in iron, copper and arsenic.

Keywords:
Umwelt, Bergbau, Harz, Schwermetalle, Flussauen, fluviale Sedimente

environment, mining , Harz, heavy metals, floodplain, fluvial sediments

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Inhaltsverzeichnis
Inhalts-, Abbildungs-, Tabellen- und Abkürzungsverzeichnis (I-IX)
1 Problemstellung und Zielsetzung (1)
2 Stand der Forschung (2-12)
3 Einführung in das Untersuchungsgebiet (13-23)
4 Untersuchungsmethoden (24-27)
5 Ergebnisse (28-101)
6 Zusammenfassung (102-106)
7 Literaturliste (107-118)
8 Kartenverzeichnis (119-120)
9 Anhang