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Die Mansfelder Schlotten – Verbreitung und Genese der größten mitteleuropäischen Anhydrit-Schichtgrenzhöhlen

Kupetz, Manfred; Knolle, Friedhart

Abstract

Unter der Bergmannsbezeichnung "Mansfelder Schlotten" sind seit dem 16. Jh. durch den Kupferschieferbergbau in der Mansfelder Mulde bei Eisleben (Landkreis Mansfeld-Südharz, Sachsen-Anhalt, Deutschland) tief liegende, phreatische, eingangslose Höhlen im Anhydritgestein des Zechsteins (Oberes Perm) bekannt. Es sind die größten Anhydrithöhlen Europas. Die bekanntesten von ihnen sind die Wimmelburger Schlotten. Die Mansfelder Schlotten bilden sich, wenn vier geologisch-hydrochemische Bedingungen orts-und zeitgleich erfüllt sind: (1) Zufluss karbonatreicher Grundwässer aus einem Karstgrundwasserleiter, (2) Überdeckung mit einem impermeablen Gestein, hier Anhydrit, (3) Möglichkeit des linienhaften Wasserflusses an einer wasserpermeablen, steilstehenden Bruchstörungszone im Anhydrit und (4) Ausbildung einer sekundären Lösungskapazität im karbonatreichen Karstgrundwasser an der Schichtgrenze durch Ausfällung von Karbonaten. Der Wasserzufluss erfolgt durch das Versickern meteorischer Wässer in einem Kalkstein-Kluftgrundwasserleiter. Der Anhydrit bildet als leicht wasserlösliches, aber impermeables Gestein i. d. R. die Überdeckung dieser Höhlen, sodass sich zwischen Kalk- und Anhydritgestein ein Druckwasserleiter ausbildet. Die Impermeabilität des Anhydrits wird durch rasches Schließen von Klüften und Spalten verursacht, das durch die Volumenzunahme bei der Vergipsung von Anhydrit auftritt. Der Beginn der Großhohlraumentwicklung erfolgt an Bruchstörungen, die als Scherzonen mit horizontaler Bewegungskomponente ausgebildet sind und als Fiederspalten in Erscheinung treten. Beim Zusammentreffen des kalkreichen Karstgrundwassers mit dem Sulfatgestein verändert sich das Lösungsgleichgewicht. Das Wasser erhält eine sekundäre Calciumsulfatlöslichkeit, und es bilden sich durch langsame Konvektion hypogene Großhöhlen. Dolomit und Calcit sind die wichtigsten Komponenten der für die Schlotten charakteristischen Höhlensedimente, die traditionell als "(Dolomit-) Aschen" bezeichnet werden. Petrografisch sind es Dolomitschluffe und -feinsande, deren Entstehung diskutiert wird. Die Höhlensedimente bestehen aus einem Gemisch von Residualsedimenten, sekundären Neubildungen von Dolomit, Calcit und Gips sowie allochthonen Komponenten. Mansfelder Schlotten treten auch andernorts im Zechstein auf, doch sind die Wimmelburger Schlotten die am besten untersuchten Höhlen dieses Typs und haben eine große wissenschaftliche Bedeutung. Since the 16 th century, copper shale miners have known deep phreatic anhydrite caves without natural entrances in the deep subsurface and named them "Mansfelder Schlotten". They are situated in the Mansfeld Basin (District Mansfeld- Südharz, Country Saxony-Anhalt, Germany) within anhydrite rock from the Zechstein (Upper Permian). The Schlotten-type caves are the largest anhydrite caves in Central Europe. The most famous of them are the "Wimmelburger Schlotten". Four geological and geochemical preconditions are required to form these caves: (1) Inflow of carbonate-rich groundwater via a limestone karst aquifer, (2) superposition by an impermeable rock (in this case anhydrite), (3) presence of steeply inclined fault zones in the anhydrite yielding the initial permeability, and (4) development of a secondary calcium-sulphate solubility due to carbonate precipitation near the boundary between limestone and anhydrite. The water input derives from meteoric precipitation sinking into a limestone joint aquifer. The easy soluble, but impermeable anhydrite forms the upper boundary of the caves and induces the formation of a pressurised aquifer between limestone and anhydrite. The impermeability of anhydrite is caused by the quick closing of joints and fissures due to gypsification accompanied by a volume increase. The Mansfelder Schlotten can be classified as strata-boundary caves between limestone and anhydrite rock. The cavities start to develop along horizontal shear zones with sigmoidal joints. When the carbonate-rich water meets the anhydrite rock at such a fault, the solubility equilibrium changes, and fine-grained carbonates precipitate. By this process, the water gains a secondary calcium-sulphate solubility and large hypogene cavities develop by slow, density-driven convection. The karst water regime is a siphon-drainage system. Dolomite and calcite crystals are the most important components of the fine-grained silty or sandy cave sediments, traditionally named "(dolomite) ashes". They were previously regarded to be residues of anhydrite dissolution. We show that these cave sediments are actually a mixture of residues, secondarily precipitated dolomite, calcite and gypsum as well as allochthonous components. The Mansfelder Schlotten caves are not restricted to the type locality of the Mansfeld Basin. The Wimmelburger Schlotten are the best examples of their type and of high scientific value.

Keywords

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