Rekonstruktion ehemaliger danubischer Landschaften und rheinische Abtragungsleistung im Zeitraum von einer Million Jahren : eine Modellierung und Berechnung am Beispiel von zwei süddeutschen Flusssystemen

Abstract

In Ostwürttemberg gibt es ausgedehnte Reliktflächen einer alten Landschaft, welche seit dem späten Obermiozän von der Donau bzw. ihren Zubringern gestaltet wurde. Weite Teile dieser alten Landschaft wurden durch rheinische Flüsse, die größtenteils der Orientierung der ehemaligen Donau-Zuflüsse folgten, erodiert. Die heutige Landschaft im Raum Geislingen an der Steige und Aalen ist wegen der danubischen Reliktflächen und ihrer Sedimente ein ideales Arbeitsgebiet zur Rekonstruktion ehemaliger danubischer Talböden und zur Modellierung und Berechnung von Landschaftsveränderungen über Zeiträume von mehreren 100 ka bis zu einer Million Jahren. Auf der Grundlage eines erstellten hochgenauen digitalen Höhenmodells (DHM) mit 5 m Auflösung wurden im Raum Geislingen und Aalen danubische Paläotäler rekonstruiert. Im Leintal bei Aalen konnte zusätzlich aus der Differenz zwischen der alten danubischen Landoberfläche und der heutigen Landschaft die Gesamterosionsleistung des rheinischen Systems berechnet werden. Im Arbeitsgebiet bei Geislingen a. d. Steige entspringt 15 km nördlich von Geislingen die Lauter, ein Nebenfluss der Fils. Entlang ihres Oberlaufs kann man auf beiden Talseiten in einer Höhe von 70 m Reste eines pliozänen Talbodens bis nach Treffelhausen verfolgen. Südlich von Treffelhausen wird dieser Talboden von der Eyb zerschnitten. Vom Spätpliozän bis zum Beginn des Pleistozäns wurde dieses Talniveau von einem Vorgänger der Eyb, der Ur-Eyb, gebildet. Mit dem digitalen Höhenmodell wurden die noch existierenden danubischen Oberflächenformen über Geländeschnitte und Hangneigungskarten numerisch analysiert. Es war eine exakte Abgrenzung zwischen den danubischen und rheinischen Tälern möglich. Der Übergang von danubischen zu rheinischen Talformen bewegt sich innerhalb einer horizontalen Distanz von 8 – 10 m. Das danubische Hangspektrum des Ur-Eybtals reicht von >0 – 4% für den Talboden und von 4–25 % für die Talhänge. Im Gegensatz dazu besitzen die rheinischen Täler Werte zwischen 2 und 180 %. Aus den danubischen Oberflächenparametern und aus dem ermittelten Paläogefälle der Ur-Eyb konnte durch Reinterpolation des DHM der ehemalige pliozäne Talboden rekonstruiert werden. Ein Knickpunkt im ermittelten Paläogefälle weist auf eine letzte Hebungsphase auf der Ostalb während des Pliozäns hin. Im Arbeitsgebiet zwischen Aalen, Abtsgmünd und Schorndorf sind entlang des Leintals die jüngsten Sedimente (Goldshöfer Sande) der danubischen Entwässerung aufgeschlossen. Dieses danubische Flusssystem wurde im Mittelpleistozän von Zuflüssen des Rheins angezapft. Anhand der Basishöhen der Goldshöfer Sande konnte das Paläogefälle der Ur-Lein ermittelt werden. Mit einer Digitalisierung des Paläogefälles als Bruchkante im DHM und einer Reinterpolation der bestehenden Datenpunkte wurde der danubische Talboden der Ur-Lein rekonstruiert. Subtrahiert man das DHM der heutigen Landschaft von dem der Paläolandschaft, so erhält man 1.39 km3 Gesteinsvolumen, das durch die Lein seit der rheinischen Anzapfung erodiert wurde. Über einen Zeitraum von 700 bis 600 ka gerechnet, in der die rheinische Erosion in diesem Gebiet aktiv ist, ergibt sich eine durchschnittliche Erosionsrate im Haupttal der Lein von 63 bis 74 mm/ka. Die berechnete Erosionsrate im Leintal liegt über der Durchschnittsrate heutiger Flüsse in Südwestdeutschland. Sie reflektiert den klimatischen Einfluss starker und häufiger Temperaturschwankungen und der damit verbundenen Oberflächenprozesse während der Kaltzeiten und während des Übergangs von Kalt- zu Warmzeiten im Mittel- und Spätpleistozän. Reine Nettowerte für die Kalt- und Übergangszeiten des Mittel- und Oberpleistozäns weisen mit 66 bis 77 mm/ka auf eine bis zu 3-mal höhere Erosionsleistung als im Holozän oder in den Warmzeiten hin. Vergleicht man die Einschneidungsrate innerhalb des danubischen Systems mit der Rate seit der Aktivität des rheinischen Systems, so wird der Einfluss der Flussanzapfung auf die Erosion deutlich. Der Wechsel vom danubischen in das rheinische System konnte in diesen Zeiten klimatisch kontrollierter erhöhter Erosion im Mittelpleistozän die Einschneidung maximal um das Fünffache beschleunigen. Bei der Berechung von Erosionsraten über digitale Höhenmodelle muss eine Volumenkorrektur hinsichtlich der Waldflächen und der abgetragenen Sedimentdecken durchgeführt werden. Eine Unterschlagung des abgetragenen Sedimentvolumens der Goldshöfer Sande und der nicht korrigierten Waldflächen hätte bei der Berechung der Erosionsrate eine Abweichung von 23 % verursacht und die Rate auf 49 – 57 mm/ka verringert, wobei schon allein das Sedimentvolumen eine Abweichung von 20,5 % bewirkt und die Rate auf 50 – 59 mm/ka senkt. Das numerisch ermittelte Volumen der Waldflächen hingegen macht im Leintal lediglich eine Abweichung von 2,5 % aus.

Since Late Miocene times Danubian tributaries formed the landscape in eastern Württemberg. Following former Danubian directions tributaries of the River Rhine captured and incised this ancient Danubian land surface. Especially in the surroundings of Geislingen an der Steige and Aalen relics of this former Danubian surface, locally covered by Danubian river sediments, still exist. Therefore this study area offers good conditions to reconstruct former Danubian valley bottoms and to model and calculate landscape changes over one million years. Using stereoscopic surface modelling software a high-resolution model (DEM) was generated with a resolution of 5 m. Modifying this model Danubian palaeovalleys in the surroundings of Geislingen and Aalen could be reconstructed. In the Lein valley near Aalen subtraction of the DEM of the actual landscape from the DEM of the ancient Danubian land surface yields a model presenting the rock volume eroded by the Rhenish system. In the study area of Geislingen an der Steige, the Rhenish tributaries Lauter, Eyb, and Rohrach are in the process of eroding ancient Danubian landforms produced by the Pliocene Ur-Eyb, the predecessor of the Eyb. South of the Furtlepass symmetrical strath terraces are situated 70 m above the actual (Rhenish) Lauter valley floor. Towards the South (in ancient downstream direction, e.g., near Treffelhausen) these terraces merge into a wide, smooth valley formerly occupied by the Ur-Eyb. Starting from a high-resolution digital elevation model (DEM) I created terrain sections and slope-angle maps providing the data for a numerical reconstruction of ancient Danubian landforms. The high resolution of the model allowed an exact classification of Danubian and Rhenish valleys. The switch from Danubian to Rhenish valley forms ranges between 8 and 10 m in horizontal distance. Slope angles of the Danubian Ur-Eyb valley vary from >0 – 4% for the valley bottom and between 4 and 25 % for the valley slope. On the other hand, Rhenish valleys possess values between 2 and 180 %. On the basis of Danubian values, which also provide the palaeogradient of the Ur-Eyb, a reinterpolation of the DEM resulted in a reconstruction of the ancient Pliocene valley bottom. A prominent knickpoint in the palaeogradient of the Ur-Eyb correlates with the last uplift pulse on the eastern Swabian Alb at the end of the Pliocene. In the study area confined by the cities Aalen, Abtsgmünd, and Schorndorf the Lein valley possesses well-preserved Pliocene to mid Pleistocene land surfaces featuring a gentle relief and sediments accumulated by former tributaries of the Danube (Goldshöfer Sande). During the Middle Pleistocene this Danubian system was captured by Rhenish tributaries In a photogrammetric approach I calculated the volume of material extracted by Rhenish erosion providing a first quantification of the effects of stream piracy on timescales of about 1 Ma. From borehole data, literature, geological maps, and own field observations I determined the morphometric parameters of the ancient Danubian Ur-Lein valley. The gradient was imported as a 3D-breakline into the model where it controls the reinterpolation of surrounding data points. The result is a high-resolution DEM of the valley of the Ur-Lein. Subtraction of the DEM of the actual landscape from the DEM of the ancient Ur-Lein valley yields a model representing the rock volume eroded by the Rhenish Lein which totals 1.39 km3 and converts into a rate of erosion between 63 and 74 mm/ka over a period of 700 to 600 ka, respectively. This is in accordance with figures obtained elsewhere in Central Europe through cosmogenic nuclides. It reflects the dominance of frequent fluctuations in climate and is considered to be mainly a product of strong changes in temperature and related processes during the transitional times between mid to late Pleistocene warm and cold states. A filtering procedure applied to cold and transitional state erosion rates of the Middle and Late Pleistocene yielded peak values between 66 and 77 mm/ka, up to 3 times higher than the modern rate or the rate of warm-state episodes. An assessment of the contribution of Rhenish stream piracy on long-term mid Pleistocene denudation under changing climate conditions resulted in a maximum 5-fold acceleration. For correct calculation of an eroded rock volume using DEM in a last step the volume of forests must be deduced and the volume of removed sediment cover must be added. Ignoring the eroded sediment volume of the Goldshöfer Sande and the non-corrected forest in the DEM would have caused a difference in volume of 22.7%; accordingly, erosion rates would lower to 49 – 57 mm/ka. The volume of removed sediment has the strongest influence on the error margin resulting in a difference in volume of 20.5 % and a corresponding erosion rate of 50 – 59 mm/ka. In contrast, a non-corrected forest volume would only account for a difference in volume of 2.5 %.