Steinkirche - Scharzfeld
"Eine Geologische - Zusammenfassung"
Ein Ausschnitt aus der Facharbeit zum Diplom.
Tobias Flacke
Geologische Grundlagen und Einordnung
Die Steinkirche ist als natürliche, später vom Menschen künstlich erweiterte Höhle sehr viel stärker natürlichen Einflüssen ausgesetzt als reine Bauwerke. Es handelt sich ursprünglich um eine Klufthöhle im Ritterstein. Dieser besteht aus Zechsteindolomit, einer etwa 250 Millionen Jahre alten Gesteinsformation, und ist ein Teil des Südharzer Zechsteingürtels. Daraus ergeben sich für die Konservierung spezifische Probleme und Fragestellungen. Um diese angemessen bearbeiten zu können ist es notwendig, die Entstehung der Höhle und die Prozesse, die seither auf sie und ihre Umgebung einwirken, zu untersuchen und zu beschreiben. Daher sollen in den folgenden Kapiteln die regionalen und lokalen geologischen Gegebenheiten dargestellt und allgemein die Prozesse beschrieben werden, die zur Bildung von Klufthöhlen führen.
Die Steinkirche
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Der Harz
Für den gesamten niedersächsischen Raum gilt, dass über geologische Prozesse der ersten 4,5 Milliarden Jahre der Erdgeschichte keine Aussagen getroffen werden können. Erst die letzten ca. 400 Millionen Jahre sind geologisch nachvollziehbar, da sich in diesem Zeitraum Schichtgesteine mit mehreren Kilometern Mächtigkeit über die Gesteine des Kambriums und der Erdurzeit gelegt haben.
Die ältesten anstehenden Gesteine Niedersachsens finden sich im Harz. Sie entstammen dem Erdzeitalter Silur und sind damit über 400 Millionen Jahre alt. Dass sie überhaupt zutage treten, hängt mit der starken Hebung des Harzgebietes zusammen. Seit ca. 100 Millionen Jahren hebt sich mit dem Harz eine etwa 30 x 90 km große Platte weit stärker als die übrigen Schollen des niedersächsischen Berglandes. Insgesamt beträgt dieser Unterschied knapp 3000 m, allerdings vollzog sich die Anhebung allmählich. Durch die gleichzeitige Bodenabtragung erhebt sich daher der Harzrand um nicht mehr als etwa 400 m über sein Vorland.
Diese Abtragung betraf hauptsächlich die Gesteine des Mesozoikums, so dass darunterliegende, ältere Gesteinsschichten an die Oberfläche traten. Das so entstandene geologische/erdgeschichtliche "Fenster" ermöglicht nun die Rekonstruktion der Prozesse, die dem Harz und damit auch dem direkten Umfeld der Steinkirche ihre heutige Gestalt verliehen haben.
Im Devon (also vor etwa 400 Millionen Jahren) zog sich von Westfrankreich bis nach Schlesien die variskische Geosynklinale quer durch Europa, ein von einem tropischen Meer eingenommener Senkungsbereich der Erdkruste. In diesem Meer lagerte sich mit der Zeit eine Sedimentschicht mit einer Mächtigkeit von rd. 2500 m ab. Im Oberkarbon, also vor gut 300 Millionen Jahren, entstand daraus durch Auffaltung das Variskische Gebirge, welches sich von der Eifel bis nach Magdeburg erstreckte. In der darauf folgenden Periode (die Frühphase des Perms, die als Rotliegendes bezeichnet wird) wurde es durch Verwitterung bis fast auf Höhe des Meeresspiegels abgetragen. So entstand eine sogenannte Rumpffläche, eine die gefalteten Schichten schneidende Kappungsebene.
Gleichzeitig senkte sich ein weiträumiger Bereich nördlich der variskischen Auffaltung bis zum Skandinavischen Schild ab. Dieses Gebiet wird als Germanisches Becken bezeichnet.
Weitere 50 Millionen Jahre später wurde das Rotliegende von der Periode des Zechstein abgelöst. In dieser Zeit war das germanische Becken, also fast ganz Niedersachsen einschließlich der Rumpffläche des heutigen Harzgebietes, von einem stark salzhaltigen tropischen Flachmeer (Zechstein- Meer) überspült. Landnahe, abgeschnürte Becken wie eben die heutige Harzregion waren dabei einer enorm starken Verdunstung ausgesetzt. Dadurch entstanden bis zu 1000 m mächtige Abfolgen von Salzschichten, die im gesamten norddeutschen Raum zu finden sind. Dieser Raum lag seinerzeit in einer geographischen Breite etwa südlich der Kanarischen Inseln auf einem multikontinentalen Festland; der Atlantik existierte noch nicht.
In den folgenden Perioden Trias und Jura war das germanische Becken zumeist vom Meer überspült. Lediglich in einigen, in erdgeschichtlichen Dimensionen kurzen Zeiträumen zog sich das Meer zurück. In der gesamten Zeit zwischen Perm und Jura war die Erdkruste im niedersächsischen Gebiet verhältnismäßig ruhig geblieben, während die mitteleuropäische Kontinentalscholle allmählich nach Norden driftete. Dann, zu Beginn der Kreidezeit vor ca. 140 Millionen Jahren, hoben sich große Teile des Germanischen Beckens (darunter auch der heutige Harz) wieder über den Meeresspiegel und wurden vorübergehend Festland. Diese Hebung war eine Begleiterscheinung der Auffaltung der Alpen.
Durch Fernwirkung der starken tektonischen Aktivitäten während der Orogenese der Alpen kam es im Gebiet des heutigen südöstlichen Niedersachsen zu tiefgreifenden Bruchvorgängen in der Erdkruste. Die Gesteinsschichten zerbrachen in einzelne Schollen, die sich schräg stellten, anhoben oder absenkten. Diese Vorgänge werden unter dem Begriff Saxonische Bruchschollentektonik zusammengefasst.
In der Oberen Kreide vor etwa 100 Millionen Jahren begann die oben bereits erwähnte Anhebung des Harzgebietes. Diese gleichsam als Geburtsstunde des Harzes zu bezeichnende Periode trägt den Namen herzynische Phase. Diese Hebevorgänge waren das ganze Tertiär hindurch die bestimmende Landschaft gestaltende Kraft im Harzgebiet. Wie erwähnt hob sich die Harzscholle um mehr als 3000 m an. Gleichzeitig wurden jedoch die oberen Gesteinsschichten abgetragen, so dass sich der Harz nur etwa 400 m über sein Vorland erhob und alte Gesteinsschichten freigelegt wurden.
Erst mit Eintritt des Quartärs, der jüngsten und kürzesten erdgeschichtlichen Formation, änderten sich die maßgeblichen Einflüsse auf die Landschaft Norddeutschlands. Nachdem das Klima über einen langen Zeitraum sehr stabil tropisch/randtropisch geblieben war, änderte es sich nun in erdgeschichtlichen Relationen rasant. In rascher Abfolge wechselten sich warme und kalte Perioden ab. Vor allem die Eiszeiten hatten enorme Auswirkungen auf geologische Entwicklungen sowie auf Flora und Fauna. Nicht zuletzt die Ausbreitung des Menschen nach Europa vollzog sich in dieser Zeit.
So groß die geologischen Auswirkungen der Eiszeiten auf die norddeutsche Tiefebene waren, im Harz blieben sie relativ gering. Aufgrund seiner Höhe wurde das Gebiet nie von den Gletschern überrollt sondern diente vielmehr als natürlicher Wall. Hier, im periglaziären Raum dominierte geomorphologisch die rasche Abtragung und Taleintiefung auf den
ca. 100 m tief gefrorenen Böden (Permafrost).
Lediglich durch die Anhäufung von Löß bis in eine Höhe von 300-400 m über Null in Schichtdicken von 1-3 m und durch die Akkumulation der großen Kiesflächen der Flussterrassen im Gebirge, vor allem aber am Gebirgsfuß, wie hier im Pöhlder Becken, wurde die Gestalt des Harzes beeinflusst. Sehr viel schwächer wirkten sich morphologisch die interglazialen Warmphasen aus. Das Quartär führte gerade im Gebiet des Südharzer Zechsteingürtels zu massiven Veränderungen.
Der Südharzer Zechsteingürtel
Der Südharzer Zechsteingürtel bildet das bedeutendste Gipskarstgebiet der Bundesrepublik Deutschland. Es erstreckt sich auf einer Länge von etwa 100 km zwischen Seesen im Westen und Mansfeld im Osten entlang des südlichen Harzrandes. Der Zechsteingürtel hat eine Breite von etwa 2-6 km und eine Höhe von 300-350 m über dem Meeresspiegel.
Die Steinkirche und ihre Umgebung
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Wie in ihrem Namen und in Kapitel 3.1. bereits angedeutet, liegen die Ursprünge dieser Formation im Zechstein, einer Abteilung des Perms und die Endphase des Paläozoikums vor etwa 258 Millionen Jahren. Zu dieser Zeit war das Harzgebiet, das etwa auf der Breite südlich des heutigen Ägypten lag, von einem flachen, stark salzhaltigen tropischen Meer überspült. Im Laufe von etwa 10 Millionen Jahren verdampften periodisch große Mengen des Meerwassers. Dadurch kam es zu einer Erhöhung der Salzkonzentration und schließlich zur Ausfällung der unterschiedlichen Salze. Diese Ausfällungen geschahen gestaffelt nach der Löslichkeit der unterschiedlichen Salze.
Zunächst lagerten sich festländische Einschwemmungen (Konglomerate, Sande oder Tone) ab, gefolgt von schwerlöslichen Verbindungen wie Kalk und Dolomit, die bei Konzentrationszunahme im Wasser als erstes ausgefällt werden. Schließlich folgen die leichtlöslichen Salze wie Sulfate (Anhydrit / Gips; CaSO4), Steinsalz (Halit; NaCl) und Kalisalze (hauptsächlich KCl). Insgesamt werden vier große Eindampfungszyklen während der Zechsteinperiode unterschieden, die alle die soeben beschriebene Abfolge in unterschiedlichen Ausprägungen aufweisen. Sie sind benannt nach ihren Hauptverbreitungsgebieten: Werra-, Straßfurt-, Leine- und Aller-Serie. Analog dazu ist sind auch die Bezeichnungen Zechstein 1 (Z1; Werra), Zechstein 2(Z2; Straßfurt), Zechstein 3 (Z3; Leine) und Zechstein 4 (Z4; Aller) gebräuchlich. Drei spätere, kleinere Eindampfungszyklen sind am Südharz nicht ausgeprägt.
Im Zuge der saxonischen Bruchschollentektonik und vor allem während der herzynischen Hebung wurden diese Schichten auf- und schräggestellt, wobei die darauf lagernden Schichten mit der Zeit abgetragen wurden und die Zechsteinschichten mit markanter Schichtstufe freilegten.
Der so entstandene Zechsteingürtel erfuhr dann gerade während der interglazialen Wärmephasen im Quartär tiefgreifende, das heutige Erscheinungsbild bestimmende Veränderungen. Große Schmelzwassermengen führten zu Lösungsprozessen und damit zur Verkarstung der Region, die sich unter dem Einfluss der Niederschläge mit - am Südwestharz - 700 - 900 mm/a seither fortentwickelt.
Scharzfeld, der Steinberg und der Ritterstein
Karte von Scharzfeld, der Steinberg und der Ritterstein
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Die Gegend um Scharzfeld nimmt innerhalb des Südharzer Zechsteingürtels eine Sonderstellung ein. Während der für die Ausprägung des Südharzer Zechsteingürtels maßgeblichen Periode des Zechsteins lag hier eine Untiefenregion. Daher wurden an dieser Stelle sehr viel weniger Salze ausgefällt und abgelagert. Vielmehr wuchsen in diesem Bereich vornehmlich von Riffsanden umgebene Bryozoenriffe.
Aus diesem Grund ist die Gegend um Scharzfeld und mit ihr der Steinberg kaum von den starken Karstprozessen im Gips des Zechsteingürtels betroffen.
Entscheidender für die Gestaltung der Landschaft waren dementsprechend nicht die interglazialen Warmzeiten des Quartär, sondern vielmehr die periglaziären Phasen des Quartärs, in denen der Formenbildungsprozess der saxonischen Bruchschollentektonik bzw. der herzynischen Hebung während der Kreidezeit vielfach folgte. Die in diesem Bereich vergleichsweise dünnen Zechsteinablagerungen wurden angehoben. Gleichzeitig wurden die obersten Schichten durch Wind und Wasser abgetragen, so dass hier keine Salze (Gips, Anhydrit) mehr anstehen wie in den benachbarten Bereichen des Zechsteingürtels. Beim verwitterungsresistenten Dolomitgestein verläuft die Abtragung vergleichsweise langsamer.
Eine Folge der starken tektonischen Aktivitäten waren zahlreiche Kluftrisse und Salzeinlagerungen, die sich durch die Spannungen und Verschiebungen in der Erdkruste gebildet hatten. Diese Verwerfungen sind die Grundlagen für die Bildung der Höhlen, für die Scharzfeld heute bekannt ist.
Den "Sockel" des Steinberges bilden paläozoische Grauwacken, die von den Ablagerungen des Zechsteinmeeres überdeckt wurden. Die Abfolge beginnt hier mit einer bis zu 0,5 m mächtigen Kalksteinbank, dem sogenannten Mutterflöz. Darüber liegt Kupferschiefer mit einer Mächtigkeit von bis zu 1 m. Ihm folgen der Zechsteinkalk und schließlich der Dolomit.
Der Steinberg bildet einen Oberterrassen- und Erosionsrest zwischen Mönchetal im Westen und Bremketal im Osten. Diese den Steinberg flankierenden Täler verlaufen etwa entsprechend dem ca. 258 Millionen Jahre alten Relief der ausgehenden Rotliegendzeit. In den Tiefenlinien dieses Reliefs begannen im frühen Quartär eine unter- und oberirdische Entwässerung, die im Laufe der Zeit zu den Taleintiefungen führte, die die Zechsteinschichten des Steinberges anschnitten.
Die Steinkirche als natürliche Klufthöhle
Der Steinberg
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In den vorangegangenen Kapiteln wurde aufgezeigt, dass es sich beim Steinberg bzw. Ritterstein um eine Untiefenregion des Zechsteinmeeres handelt. Daher wurden an dieser Stelle weit weniger Salze wie Anhydrit abgelagert als in den anderen Bereichen des Südharzer Zechsteingürtels.
Wohl schon während der Kreidezeit bildeten sich auch am späteren Steinberg Kluftrisse, durch die besonders während der interglazialen Warmzeiten bedeutende Massen Wassers flossen. Dieses Wasser enthielt gelöste Kohlensäure und war daher besonders aggressiv gegenüber den löslichen Schichten, die es durchfloss. Auch im Bereich der heutigen Steinkirche befanden sich solche tektonischen Risse. Sie sind heute noch deutlich zu erkennen. Die höhlenbildende "Hauptkluft" führt, betrachtet man die Höhle vom Portal aus, von rechts oben nach links unten in den Steinberg hinein. Er ist vor allem an der östlichen hinteren Höhlenwand zu erkennen. Gerade auch durch die Tatsache, dass sich die mittelalterlichen Ausmeißelungen stark an den Klüften ausrichten.
Neben der Hauptkluft finden sich noch mehrere weitere tektonische Risse im anstehenden Fels. Der größte von ihnen ist heute noch im Bereich des "Oberlichtes" (=Erdfall) zu erkennen. Seine Fortsetzung findet er bis hinunter in den sogenannten Schacht, der vermutlich bis auf die paläozoischen Grauwacken hinunterreicht.
Im Zuge der Eintiefung des Mönchtals wurde die Westseite des Steinberges angeschnitten, wobei der Hohlraum freigelegt wurde und die Steinkirche als natürliche Klufthöhle in ihrer heutigen Gestalt entstanden war. Gesichert ist, dass diese Vorgänge spätestens zur Zeit des Alt-Magdalénien (etwa vor 15.000-8.000 Jahren) abgeschlossen waren, da die Höhle zu dieser Zeit bereits nachweislich von Menschen und Tieren aufgesucht wurde.
Der Scharzfelder Dolomitstein
Die Steinkirche und ihre Umgebung
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Als Dolomit wird ein Mineral bezeichnet, das Doppelsalz CaMg(CO3)2. Im Gegensatz zum Kalkspat (CaCO3) wird hierbei Magnesium in die Struktur eingebaut. Dabei verringert sich das Volumen um etwa 13%.
Es ist nach wie vor umstritten, ob es zu einer Primärbildung von Dolomit durch Ausfällung aus einer wässrigen Lösung kommen kann oder ob der Prozess erst erfolgt, wenn bereits ausgefällter Kalkspat im Wasser gelöstes Magnesium aufnimmt und einbaut. Wie die weiteren Ausführungen zeigen werden ist dies jedoch im Zusammenhang mit dem am Ritterstein anstehenden Dolomitstein nicht relevant.
Dolomit ist in Wasser kaum löslich. Es bedarf Säure, um Lösungserscheinungen auszulösen. In der Natur erfolgt dies zumeist durch biogene, wässrig gelöste Kohlensäure. Dennoch ist Dolomit, verglichen mit Gips oder Anhydrit, als verhältnismäßig verwitterungsresistent zu bezeichnen.
Dolomitstein gehört allgemein zu den Sedimentgesteinen. Man spricht von Dolomit- oder auch Dolostein statt Kalkstein, wenn mindestens 90% des Calciumcarbonats in Dolomit umgewandelt sind. Durch die Bildungsbedingungen sind jedoch alle Abstufungen des Dolomitgehaltes möglich, wobei man bei einem Dolomitanteil 90% von dolomitischem Kalkstein spricht. Mit einem Dolomitgehalt von ~99% (bei ~1 Calciumcarbonatanteil) gehört der Werra-Dolomit des südlichen Harzes aber eindeutig in die Gruppe der Dolomitsteine.
Durch die mit der Dolomitisierung einhergehende Volumenabnahme ist der Dolomitstein geringfügig poröser als vergleichbare Kalksteine. Nichtsdestotrotz weisen Dolomitsteine die relative große Rohdichte von 2,6-2,9 g/cm3 auf. So erscheint das Gestein optisch sehr dicht.
Im Bezug auf ihre Färbung, Korngrößen und Gefüge sind kaum Unterschiede zu Kalksteinen auszumachen. Das schwache, von weiß-gelblich über rosa bis bräunlich reichenden Farbspiel der Dolomitsteine ist einheitlich, es weist kaum Texturen auf. Die Farben entstehen durch einen geringen Anteil an Eisenoxyden.
Die Umgebung vom Steinberg und der Ritterstein
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Weitere allgemeine Eigenschaften der Dolomitsteine sind ihre hohen mechanischen Kennwerte, ihre Frostbeständigkeit und ihre geringe thermische Dehnung. Dies gilt natürlich auch für den im Raum Scharzfeld anstehenden Dolomitstein.
Wie bereits angedeutet bildeten sich in dem Untiefenbereich des Zechsteinmeeres während der Werra-Serie (Z1), das den heutigen Steinberg bildete, Bryozoenriffe. Bryozoen (auch Moostierchen) sind mikroskopisch kleine, vielzellige Wasserlebebewesen. Sie bilden meist Kolonien aus mehreren Einzeltieren (Zooiden). Das einzelne Zooid besteht aus einem Weichkörper und einer schützenden, kalkhaltigen Schale, dem es umgebenden extrazooidalen Skelett. Abgestorbene Kolonien hinterließen diese Kalkskelette und wurden von neuen Kolonien überlagert, bis sich Bänke mit einer Mächtigkeit von bis zu 25 m gebildet hatten. Gleichzeitig wurde im flachen Wasser des Zechsteinmeeres Kalk ausgefällt, der sich ebenfalls auf diesen Bänken ablagerte und die Hohlräume innerhalb der Bryozoenskelette verfüllte. Fossile Strukturen der Bryozoen finden sich im Bereich des Rittersteins allerdings nicht mehr.
Darüber hinaus waren die Bryozoenbänke von Riffsanden umgeben, die ebenfalls in die Petrogenese des Dolomitsteins einbezogen wurden.
Dementsprechend gab es bereits riffsandhaltige Kalkbänke, die in der Folgezeit durch im Meerwasser gelöstes Magnesium dolomitisiert wurden.
Der Scharzfelder Dolomitstein weist eine leichte, grau-gelbliche Färbung auf. Sie ist bedingt durch einen geringen Anteil an Eisenoxiden. Das Korngefüge ist feinkörnig, homogen und dicht erscheinend. Der Stein weist eine undeutliche Parallelschichtung auf.
Im Zuge dieser Arbeit wurde versucht, an am Ritterstein entnommenen Proben die kapillare Wasseraufnahme zu bestimmen. Die Ergebnisse der Messungen sind leider nicht sehr aussagekräftig. Wie überall am Ritterstein wiesen die verwendeten Prüfkörper zahlreiche tektonische Haarrisse, Klüfte und Störungsflächen auf, durch die das Wasser sehr viel schneller als durch den ohnehin recht geringen Porenraum transportiert wurden. Da jedoch der für die Lösungsvorgänge im Gestein verantwortliche Wassertransport eben hauptsächlich durch diese Risse und Klüfte erfolgt ist die Porosität im Zusammenhang mit der Gesteinsschädigung durch Karstprozesse zu vernachlässigen.
In der Literatur finden sich für den Harzer Dolomit folgende Werte aufgeführt:
- Dichte, rein: 2,85 ccm/g.
- Dichte, roh: 2,74 ccm/g.
- Porosität: 3,85 Vol.%.
- Wasseraufnahme unter Atmosphärendruck: 1,07 Gew.%.
- Wasseraufnahme unter Vakuum: 1,41 Gew.%.
- Sättigungsgrad: 0,77.
- Luftpermeabilität: 0,018 mD.
- Spezifische Oberfläche: 0,46 qm/g.
Der Dolomitstein wird in Scharzfeld heute in einem Steinbruch südlich des Ortsgebietes abgebaut. Das gewonnene Material dient jedoch nicht als Bauwerkstein. Die Dolomitwerke Scharzfeld stellen sowohl rohe als auch gebrannte Dolomiterzeugnisse her, die unter anderem in der chemischen Industrie, in der Glas- und Baustoffindustrie, in der Futtermittelindustrie und Landwirtschaft sowie in der metallerzeugenden Industrie Verwendung finden.
Die Steinkirche und ihre Umgebung
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Dolomitstein als Werkstein wurde in nennenswertem Umfang in der Region um Scharzfeld z.B. in Nüxei abgebaut. Ein einziger Werksteinbruch ist noch in Betrieb. Der Nüxeier oder auch Harzer Dolomit wurde und wird vielseitig verwendet. Er eignet sich ausgesprochen gut für bildhauerische Arbeiten, als Fassadenstein oder als Fußbodenbelag. Hierbei werden die geringe Wasser- und Frostempfindlichkeit, die schwache thermische Dehnung sowie die hohen mechanischen Kennwerte des Materials deutlich. Der Harzer Dolomit war ein verbreiteter Werkstein in der Harzregion. Beispiel dafür sind z.B. das Kloster in Walkenried oder der Dom zu Nordhausen.
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