Höhlen der Schwäbischen Alb als Pegelschreiber für Flussgeschichte und Tektonik in Südwestdeutschland seit dem Miozän

Abstract

Die verkarsteten oberjurassischen Kalksteinabfolgen der Schwäbischen Alb enthalten zahlreiche Höhlen, Dolinen, Karstwannen und Trockentäler. Ebenso sind in diesem Gebiet Felsterrassen, Schotterablagerungen, Vulkanschlote und Meteoritenkrater bekannt, die für die Rekonstruktion der Landschaftsgeschichte wertvolle Zeitmarker darstellen. Die räumliche Anordnung der meisten Karsterscheinungen ist nach der gängigen Auffassung eng an eine fortschreitende, diskontinuierliche Tieferlegung des Karstwasserspiegels gebunden. Aufgrund der Lage am Nordrand des Nordalpinen Vorlandbeckens und östlich des Oberrheintalgrabens ist es wahrscheinlich, dass Karstwasserspiegelbewegungen auf Hebungsvorgänge der Schwäbischen Alb und Meeresspiegelschwankungen beruhen. Viele Höhlen können nach bisherigem Verständnis direkt als Pegelschreiber für Paläokarstwasserspiegel herangezogen werden, in der Annahme, dass sich ausgedehnte horizontale Höhlenetagen nur dann bilden konnten, wenn der Karstwasserspiegel über relativ lange Zeiträume hinweg annähernd stabil auf einem Höhenniveau verweilte, während bei rapidem Absinken des Karstwasserspiegels weniger Hohlräume oder nur senkrechte Schächte entstanden. Im Widerspruch dazu wurde für bestimmte Höhlentypen in den letzten Jahren verstärkt über eine vom Karstwasserspiegel unabhängige, von unten nach oben ablaufende Höhlenbildung (hypogene Speläogenese) berichtet, die hier auch für Höhlen der Schwäbischen Alb diskutiert werden muss.

Als Beispiel für ein komplexes 3-D-Labyrinth mit mehreren Etagen wird in dieser Arbeit die Laierhöhle bei Geislingen an der Steige beschrieben und interpretiert. Ganganordnung und bestimmte Lösungsformen in der Höhle stimmen mit typischen Merkmalen (feeder, Wandkanäle, outlets und Deckenrinnen) für die hypogene Höhlenbildung überein, jedoch sind wichtige Bedingungen wie artesische Grundwasserverhältnisse, geringleitende Schichten über und unter der verkarstungsfähigen Formation oder hydrothermale Wässer nicht erfüllt. Andere Merkmale wie deutliche horizontale Etagen, Wasserspiegelmarken, Schlüssellochprofile und mächtige Sedimentverplombungen sprechen für eine epigene (nahe am Karstwasserspiegel ablaufende) Höhlenentwicklung. Daher stelle ich ein Mischmodell zwischen den beiden Endgliedern der hypogenen und epigenen Höhlenentstehung auf, bei dem die Höhle nach einer starken initialen Raumerweiterung ihre entscheidende Etagenform durch unterschiedlich lange stabile Phasen des Karstwasserspiegels erhielt. Dadurch ist es gerechtfertigt, Korrelationen zwischen horizontalen Höhlenetagen, Talböden, Felsterrassen, lokal vorkommenden Schottern und anderen Höhlen aufzustellen, was neue und präzisere Daten über Flussgeschichte, Wandel des Abflussmusters und Hebungsvorgänge von Teilen Südwestdeutschlands lieferte.

Im Verlauf der Höhlensedimentanalyse kamen metallische kugelförmige Partikel zum Vorschein. Diese Sphärulen entstanden beim Eintritt von Meteoriten in die Erdatmosphäre durch Ablation, regneten ab und wurden nach und nach in damalige Karsthohlräume eingespült, wo sie bis heute archiviert sind. Sphärulen aus Laierhöhle, Laichinger Tiefenhöhle und Mordloch entstanden vermutlich beim Einschlag des Steinheim- und/oder des Nördlingen-Meteoriten und sind daher 14,59 Ma alt. Neben den allgegenwärtigen Titanmagnetiten, die dem Urach-Kirchheimer Vulkanismus zugeordnet werden können, bilden die Sphärulen einen weiteren Zeitmarker für eine mittelmiozäne Landoberfläche.

Mit dieser Arbeit korreliere ich speläogenetische und geomorphologische Erscheinungsformen und kam so zu einer Chronologie der wichtigsten landschaftsgeschichtlichen Ereignisse. Die Laierhöhle dokumentiert fünf Phasen eines stabilen Karstwasserspiegels über einen Gesamtzeitraum vom späten Mittelmiozän bis zum Übergang vom Pliozän ins Pleistozän. Die ersten beiden stabilen Phasen fanden im späten Mittelmiozän und dem Spätmiozän statt (Horizontalniveaus 1 und 2a). Die stabile Episode, die für die Bildung des Niveaus 2b verantwortlich war, fällt in das frühe Pliozän. Die Niveaus 3a und 3b sind räumlich deutlich getrennt, müssen sich aber innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne gegen Ende des Pliozäns gebildet haben. Im Arbeitsgebiet beträgt die Gesamttiefe der zu danubischen Zeiten abgelaufenen penetrativen Verkarstung 120 m. Die dafür notwendige Zeitspanne betrug ungefähr 12 Ma, woraus sich eine durchschnittliche Hebungsrate der Kruste von 0,01 mm/a ableiten lässt.

In south western Germany the karstified plateau of the Swabian Alb consisting of Upper Jurassic limestones hosts numerous caves, dolines, and dry valleys. Known strath terraces, conglomerates, volcanoes, and impact craters within the study area already provided important time stamps for former studies reconstructing landscape history. It is widely understood, that spatial distribution of most karst features is closely related to the palaeo-water-table and its discontinuous lowering over time, which in turn is the result of incision and/or uplift. The situation of the Swabian Alb at the northern rim of the Northern Alpine Foreland Basin and east of the Rhine Graben valley is the reason for this uplift. Many caves can be used as gauge for vertical displacement, considering horizontal cave passages as product of a stationary palaeo-water-table and vertical sections as result of falling base level. In contrast recent studies deal with a different type of speleogenesis independent of base level. This hypogenic speleogenesis must be discussed for the caves of the Swabian Alb.

The recently discovered cave named Laierhöhle near Geislingen/Steige is a typical 3d-maze providing several horizontal levels. Passage pattern and distinctive corrosion features match with morphologies (feeders, rising wall- and ceiling channels, outlets) characteristical for hypogenic speleogenesis. However, artesian situations, hydrothermal water or confined aquifers as critical conditions for hypogenic speleogenesis can not be verified. Other features like horizontal passages, water table markers, key-hole-features, and massive stratified sediment bodies are pointing to an epigenic, water-table related speleogenesis. In this study therefore a mixed model for speleogenesis of Laierhöhle is presented, assuming a strong initial deep-phreatic corrosion along fractures and fissures, followed by intensive widening at the palaeo water-table resulting in the formation of horizontal passages. Correlations between horizontal cave-levels, valley-bottoms, strath-terraces, local conglomerates and other caves lead to new and more precise data on the fluvial history, changing drainage pattern, and the uplift of parts of southwest Germany.

In the course of Examinations of cave sediments spherical metallic particles were detected. These magnetic spherules are ablation-products from meteorites during impact. After fallout and flushing into karstic voids and caves the spherules got archived till today. Spherules within Laierhöhle, Laichinger Tiefenhöhle and Mordloch are supposed to originate from the impact event producing the impact craters Steinheimer Becken and/or the Nördlinger Ries 14.59 Ma ago. Within most of the cave sediments spherules are accompanied by crystals of titano-magnetite, which built during volcanic activity of the Urach-Kirchheim volcanic field. Both spherules and titano-magnetites are proxies for re-deposited Mid Miocene Sediments.

In this study I could correlate speleogenetic with dated geomorphic features and thus came to a chronology of events. The Laierhöhle records five episodes of long-term stability of the karst water table covering the time-span from late Middle Miocene until the Pliocene/Pleistocene transition. The first two stable episodes can be dated to the late Middle Miocene and Late Miocene (horizontal levels 1 and 2a). An episode responsible for the formation of level 2b falls within Early Pliocene time. Levels 3a and 3b are spatially well separated but must have formed within a relatively short time-span towards the end of the Pliocene. In the working area, total depth of penetrative karstification was in the order of 120 m. This penetration has been accomplished over a period of approximately 12 Ma resulting in an average uplift rate of 0.01 mm/a.