Die hydrothermalen Lösungen stammen einerseits aus den feinen Poren und Rissen im Gestein, in welchen sie über lange Zeiträume eingeschlossen waren und durch tektonische Bruchbildung und einer dadurch verursachten lokale Druckentlastung „befreit “ und mobilisiert wurden.  Auch heute noch zirkulieren solche Wässer in der Kruste, die unterschiedliche Mengen verschiedener Metallionen, Salze und Kohlenwasserstoffe enthalten. Weitere Anteile der Wässer stammen aus dem angrenzenden Sedimentbecken des Oberrheingrabens sowie dem direkt ins Gebirge eindringe Oberflächen-/Niederschlagswasser.

Bei der Passage tiefliegender Gesteinskörper erwärmen sich die Wässer und können dann in aufgeheiztem Zustand auf anderen Wegsamkeiten wieder aufsteigen. Sie nehmen dabei die löslichen Bestandteile aus dem Nebengestein auf. Dabei werden v.a. solche chemischen Elemente und Verbindungen gelöst, die nur schwer in das Kristallgitter der gesteinsbildenden Minerale des Gesteinkörpers eingebaut werden können, dies sind meist Metallionen mit großem Radius.

Die mineralisierten heißen Wässer steigen dann in den geöffneten Segmenten (Spalten) von Störungen so weit auf, bis sich durch Zumischen kühlerer oder chemisch andersartiger Wässer das chemische Gleichgewicht verändert. Je nach dem Chemismus der neuen Lösung scheiden sich bestimmte Elemente in Form von Mineralen ab, andere bleiben noch in der Lösung zurück. Auch bereits früher gebildete Mineralisationen können wieder an- oder ganz aufgelöst werden.

Bedingt durch neuerliche tektonische Bewegungen folgen meist mehrere hydrothermale Ereignisse aufeinander, wodurch mehrere Generationen von Gangmineralisationen entstehen.

Wie die noch heute messbare Hebung des Schwarzwalds und die begleitende Einsenkung des Oberrheingrabens geht auch die Zirkulation hydrothermaler Lösungen und der Mineralabsatz auf Störungen in einigen 100 m bis 1.000 m Tiefe unvermindert weiter.

Wie Tiefbohrungen wie die die 9,1 km tiefe KTB (Windischeschenbach/Oberpfalz) belegen, treten selbst in tiefsten Abschnitten noch offene Klüfte und Porenräume auf, die von heißen, unter hohem Druck stehenden Lösungen erfüllt sind. Bei einem geothermischen Gradienten von 28 °C (Temperaturzunahme pro Kilometer Tiefe) weisen die durch die Gneise zirkulierende Lösungen in dieser Tiefe Temperaturen um 250 bis 260 °C auf.

Textquelle: Werner, W. & Dennert, V. (2004). Lagerstätten und Bergbau im Schwarzwald – Ein Führer unter besonderer Berücksichtigung der für die Öffentlichkeit zugänglichen Bergwerke. 334 S., Freiburg i. Br. (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg, Hrsg.). Das Buch wird im LGRB Shop als Printprodukt bzw. Download angeboten.

Eine grundsätzliche Frage ist die nach der Herkunft der erzbildenden Lösungen und das Bildungsalter der Hydrothermalgänge. Am Beispiel der größten Erzlagerstätte des Schwarzwalds, nämlich der am Schauinsland bei Freiburg i. Br., kann dies exemplarisch erläutert werden.

• Zwischen 1903 und 1925 wurde zunächst angenommen worden, dass während des Tertiärs Thermalwässer mit Metallen aus dem durchströmten Gebirge aufgestiegen sind und ihre Metallfracht in den Gangspalten des Schauinslands abgesetzt haben.
• Erst die Vorstellung, dass Erzgänge mit der Abkühlung der Granitintrusionen des Schwarzwalds verknüpft sein müssten, führte bis ca. 1996 zu der Annahme eines oberkarbonisch-permischen Alters dieser und aller anderen Erzgänge im Kristallin. Man sah sie als Produkt aus magmatischen Restlösungen an, die während der Abkühlung der Granitplutone frei geworden waren.

Die seit 1992 durchgeführten strukturgeologischen, geochemischen und geochronologischen Untersuchungen auf den durch die Besucherbergwerke wieder zugänglichen Lagerstättenaufschlüssen im Revier Freiamt-Sexau und am Schauinsland führten zu folgenden Ergebnissen:

• Die Hydrothermalgänge entstanden am Ostrand des Oberrheingrabens auf SSW–NNE streichenden Störungen, die entweder als links- oder als rechtsseitige Blattverschiebungen geöffnet wurden.
• Auslöser war der tektonische Druck des Alpenbogens auf sein nördliches Vorland mit einer zwischen dem Eozän und dem Obermiozän von ca. 190° auf 150° wandernden Richtung maximaler Kompression.
• Die Gangstörungen folgen bereits variszisch angelegten, d. h. vor ca. 340 bis 350 Mio. Jahren entstandenen Brüchen. Es handelt sich also um eine „Reaktivierung und Erweiterung “ bestehender Schwächezonen der Kruste.
• Die in der Zinkblende nachgewiesenen Erdöleinschlüsse, die wahrscheinlich aus den im Oberrheingraben abgelagerten Pechelbronner Schichten stammen, geben einen klaren Hinweis auf das Alter: sie deuten auf eine Vererzung im Jungtertiär.
• Strukturgeologische Daten erlauben eine Einengung auf das frühe Miozän (ca. 20 Mio. Jahre).
• In den Spalten erfolgte die Mischung von heißen, metallführenden Tiefenlösungen, hochsalinaren, kohlenwasserstoffführenden Formationswässern aus dem Oberrheingraben und sauerstoffreichen Oberflächenwässern. Zur Barytmineralisation kam es durch Zumischung sulfathaltiger Formationswässer, zur Sulfidfällung (also Erzmineralabscheidung) vermutlich durch thermochemische Sulfatreduktion, episodisch ausgelöst durch die in den Lösungen enthaltenen Kohlenwasserstoffe.

Die Untersuchungen der Verteilungen von Seltenerd- Elementen in Fluoritkristallen aus den Lagerstätten Käfersteige, Clara, Gottesehre, Menzenschwand und den Gängen im Untermünstertal hatten bereits gezeigt, dass diese großen Erz- und Mineralgänge nicht magmatischer Herkunft sind, wie man zuvor glaubte, sondern aus hydrothermalen Konvektionssystemen abgeleitet werden müssen, welche vor allem die Gneise und Granite gelaugt haben.

Neuere Untersuchungen an Proben aus 63 Fluoritvorkommen des Schwarzwalds konnten nun bestätigen, dass die stoffliche Quelle für die Fluoritmineralisationen die Gneise und Granite des Schwarzwalds sind, wobei die weiter verfeinerten Methoden der Geochemie es erlauben, granitische und metasedimentäre Herkunftsgesteine (Gneise, Diatexite usw.) zu unterscheiden.

Ferner konnte nachgewiesen werden, dass nicht die unmittelbaren Nebengesteine als Stofflieferanten anzusehen sind. Vielmehr bestätigen die Daten, dass die meisten hydrothermalen Gänge des Schwarzwalds durch großräumige Mischung von salinaren Tiefenlösungen mit den in das Gebirge eingedrungenen Niederschlagswässern entstanden sind. Dies könnte erklären, warum weit entfernt liegende Gangvorkommen eine sehr ähnliche geochemische Signatur aufweisen.

Textquelle: Werner, W. & Dennert, V. (2004). Lagerstätten und Bergbau im Schwarzwald – Ein Führer unter besonderer Berücksichtigung der für die Öffentlichkeit zugänglichen Bergwerke. 334 S., Freiburg i. Br. (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg, Hrsg.). Das Buch wird im LGRB Shop als Printprodukt bzw. Download angeboten.

Das unmittelbare Nebengestein der Erz- und Mineralgänge ist zwar nicht als Lieferant für den Metall- und Fluorgehalt der Gänge anzusehen, jedoch sind seine chemischen und mechanischen Eigenschaften von großer Bedeutung für die Mineralisation.

• Schwefel-, kohlenstoff- oder karbonatreiche Nebengesteine begünstigen die Ausfällung der hydrothermal angelieferten Stoffe.
• Plastisch deformierbare Gesteine wie Tonsteine im Deckgebirge oder tonmineralreiche Ruscheln im Grundgebirge verhindern die Bildung offener Spaltensysteme.
• spröde brechende, „harte“ Gesteine hingegen, wie quarzreiche Gneise oder verkieselte Sandsteine (wie z. B. im Nordschwarzwälder Deckgebirge), ermöglichen die Entstehung offener, gut durchlässiger Brüche.

Die heißen, chemisch aggressiven Hydrothermallösungen verändern aber auch das Nebengestein.

• Die Gneise des Schwarzwalds finden wir daher in Gangnähe häufig gebleicht oder vergrünt, was auf den Zersatz der Feldspäte und Glimmer und die Neubildung von Kaolinit, Illit, Montmorillonit, Chlorit usw. zurückgeht.
• Im Granit kam es in Gangnähe zumeist zur Serizitisierung und Hämatitisierung, weshalb hydrothermal zersetzte Granite oft auffallend ziegelrot gefärbt sind.

Ein weit verbreitetes Phänomen der Schwarzwälder Erz- und Mineralgänge ist, dass frühe Hydrothermallösungen durch ihren hohen Siliziumgehalt – man spricht oft von „kieselsäurereichen Lösungen “ – das Nebengestein für die weitere Spaltenbildung günstig beeinflussten. Die Verkieselung, d. h. Quarz- oder Chalcedonmineralisation, führte dazu, dass das Nebengestein in Störungsnähe besonders spröde auf weitere tektonische Beanspruchung reagierte. Stark verkieselte Nebengesteinskomponenten sind daher auch in vielen Schwarzwälder Erzgängen zu finden.

Textquelle: Werner, W. & Dennert, V. (2004). Lagerstätten und Bergbau im Schwarzwald – Ein Führer unter besonderer Berücksichtigung der für die Öffentlichkeit zugänglichen Bergwerke. 334 S., Freiburg i. Br. (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg, Hrsg.). Das Buch wird im LGRB Shop als Printprodukt bzw. Download angeboten.

Mineralgänge, die ihren Metallgehalt vor allem aus granitischen Gesteinen bezogen haben, unterscheiden sich in ihrer Erzparagenese teilweise von den Vorkommen, die in großen Gneisarealen auftreten.

Die überwiegende Zahl der Erz- und Mineralgänge im kristallinen Schwarzwald tritt in Gneisgebieten auf. Granit- oder Quarzporphyrkörper weisen hingegen recht selten oder zumindest nur geringmächtige Gangmineralisationen auf.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Gneisen und Graniten bzw. Quarzporphyren liegt im bruchmechanischen Verhalten und somit auch in den hydraulischen Eigenschaften dieser Gesteine.

Bei der Untersuchung tiefer Grundwasserströme im Kristallin (1999) konnte nachgewiesen werden, dass in den Gneisen des Grundgebirges noch in Tiefen von 3.000 bis 4.000 m und darunter stark mineralisierte Wässer auf offenen Spalten zirkulieren können.

Quarzporphyre und Granite, also Quarz-Feldspat-Gemenge mit wenig Glimmermineralen und ohne bevorzugte Mineralorientierung, weisen eine deutlich höhere Permeabilität auf als Gneise, für die ein ausgeprägt anisotropes Gefüge und ein hoher Glimmeranteil typisch ist.

• Granite reagieren auf tektonischen Druck zwar durch spröden Bruch, jedoch kommt es zur Bildung sehr zahlreicher gleichberechtigter Brüche (Klüfte), was zu der o. g. erhöhten Durchlässigkeit führt.

Daraus resultiert, dass die Zirkulation von hydrothermalen Lösungen in Graniten auf sehr zahlreichen Klüften in unterschiedlichen Richtungen erfolgen kann.

–> Eine gerichtete hydrothermale Konvektion entsteht in der Regel nicht.

• Gneise verhalten sich aufgrund von geregeltem glimmerreichem Gefüge eher duktil, Brüche sind seltener und folgen bestehenden Anisotropieflächen.

Der Lösungsstrom konzentriert sich in Gneisen auf wenige Trennflächen (z. B. Störungen), die bei hohen Fluiddrücken elastisch erweitert werden können.

–> Ein gerichtetes Fließsystem mit einer Konvektion auf einzelnen tiefreichenden Brüchen kann sich leichter ausbilden.

In Granitarealen treten daher wohl bedeutendere Gangmineralisationen nur dort auf, wo große und tiefreichende Scherzonen wie bei Pforzheim und im östlichen Kinzigtal reaktiviert wurden.

Textquelle: Werner, W. & Dennert, V. (2004). Lagerstätten und Bergbau im Schwarzwald – Ein Führer unter besonderer Berücksichtigung der für die Öffentlichkeit zugänglichen Bergwerke. 334 S., Freiburg i. Br. (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg, Hrsg.). Das Buch wird im LGRB Shop als Printprodukt bzw. Download angeboten.

Charakteristisch für Erz- und Minerallagerstätten ist, dass viele geologische Ereignisse, die über einen langen Zeitraum aufeinander folgten, zu ihrer Entstehung beitrugen. Dies gilt auch für den Schwarzwald, was sich anschaulich an einer kleinen Eisenvererzung erläutern lässt, die bei Friedenweiler im Revier Eisenbach in einer Baugrube aufgeschlossen war. Diese Eisen-Manganmineralisation im Bruckerwald gehört sehr wahrscheinlich zu einer NW–SE streichenden Scherzone im Granit, die südöstlich von Friedenweiler und 2,5 km weiter nordwestlich beim Hasenhof neben Hämatit und wenig Mangan- und Kupfererzen auch Gängchen von Fluorit, Baryt, Siderit und Quarz aufweist.

• Die Baugrube zur Errichtung eines Wasserhochbehälters im Gewann Bruckerwald erschließt zuunterst den Eisenbach-Granit. Der Granit ist engständig geklüftet. Der vor ca. 332 Mio. Jahren, h. im Unterkarbon, intrudierte Granit ist stark alteriert, die Feldspäte sind zersetzt. Auf den Korngrenzen und feinen Rissen hat sich Hämatit gebildet, der dem Gestein eine rotgraue Farbe verleiht.
• Im Südwestteil ist eine alte Störungszone angeschnitten, in welcher der Granit engständig zerschert ist. Solche Scherzonen treten im Grundgebirge häufig auf, können jedoch aufgrund der Tatsache, dass sie nachfolgend oft bewegt wurden und vielfältige Stoffumsätze erfuhren, selten genau zeitlich eingeordnet werden.
• Die im Perm, d. h. vor ca. 300 Mio. Jahren, einsetzende kräftige Verwitterung des sich emporwölbenden Grundgebirges hat Granit und Scherzone teilweise abgetragen, wodurch belegt ist, dass diese Störung vor dem Perm entstanden ist.
• Nachdem der Eisenbach-Granit zuerst lange Zeit der Abtragung ausgesetzt war, wurde er noch während der Zeit des Mittleren Buntsandsteins zu einem Sedimentationsgebiet, in dem sich der Abtragungsschutt aus anderen Teilen des Gebirges ablagerte. Dabei wurde auch der stark geklüftete und gestörte Granit durch Sande und Tone überdeckt, die sich bei zunehmender Überlagerung durch 1.500 bis 2.000 m mächtige Sedimente zu Sand- und Tonsteinen verfestigten. Der einst an der Oberfläche gelegene Granit wurde also wieder in große Tiefe versenkt.
• Gegen Ende der Jurazeit, etwa vor rund 140 bis 135 Mio. Jahren, begann sich das Schwarzwälder Grundgebirge erneut herauszuheben – die Kollision von afrikanischer und eurasischer Platte hatte eingesetzt. Sie leitete die Entstehung des alpinen Gebirgsgürtels und die Herauswölbung des Rheinischen Schildes ein. Durch den Druck des Alpenbogens kam es während der Heraushebung des nördlichen Vorlandes und der Abtragung von Jura- und schließlich auch von Triasgesteinen zur Bildung unzähliger Störungen. Im Aufschluss ist diese Phase durch eine Abschiebung repräsentiert, an der die Sand- und Tonsteine versetzt werden. Sie gehört zu einer rechtsseitigen Schrägabschiebung.
• Kennzeichnend ist, dass diese junge Störung, die durch die vorpermische Scherzone vorgegebene Schwächezone nutzte – die alte Störung wurde „reaktiviert “. Bei dieser Tektonik wurden auch hydrothermale Lösungen freigesetzt, die das im Eisenbach-Granit reichlich vorhandene Eisen aufnahmen. Dort, wo grobkörnige, kalkig gebundene Sandsteine an die Störung grenzen, konnten die eisenreichen Lösungen einwandern und im Austausch gegen Karbonate Hämatit absetzen.

Textquelle: Werner, W. & Dennert, V. (2004). Lagerstätten und Bergbau im Schwarzwald – Ein Führer unter besonderer Berücksichtigung der für die Öffentlichkeit zugänglichen Bergwerke. 334 S., Freiburg i. Br. (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg, Hrsg.). Das Buch wird im LGRB Shop als Printprodukt bzw. Download angeboten.

Warum aber enthält gerade der Schwarzwald im Vergleich zu seinem weiteren Umfeld so viele Hydrothermalgänge?

Vor allem drei Faktoren scheinen hierfür verantwortlich zu sein:

• Die am Rande des Oberrheingrabens herausgehobenen Kristallingesteine und die auflagernden, oft stark verkieselten Sandsteine von Perm und Trias bieten, im Gegensatz zu den jüngeren Ton- und Karbonatfolgen des Deckgebirges, geeignete mechanische Eigenschaften zur Bildung tiefreichender Brüche.
• Der mindestens seit der Kreide fortgesetzt wirkende Druck des Alpenbogens auf sein nördliches Vorland bewirkte die wiederholte Öffnung alter Bruchsysteme in diesen spröden Gesteinen und ermöglichte so die mehrfache Mobilisation aufgeheizter Tiefenlösungen.
• Der Wärmefluss aus dem Erdmantel ist im Gebiet des Oberrheingrabens und seiner Randgebirge deutlich erhöht gegenüber der weiteren Umgebung. Die Kruste ist hier nur rund 25 km mächtig, während sie sonst in Mitteleuropa Mächtigkeiten zumeist zwischen 30 und 36 km Dicke aufweist.

Vor allem diese drei Faktoren führten dazu, dass die im Gestein vorhandenen geringen Metallmengen

• gelöst
• transportiert
• und in der oberen Erdkruste auf Mineralgängen angereichert wurden.

Hierdurch wurde die Basis für eine intensive Rohstoffnutzung gelegt.

Textquelle: Werner, W. & Dennert, V. (2004). Lagerstätten und Bergbau im Schwarzwald – Ein Führer unter besonderer Berücksichtigung der für die Öffentlichkeit zugänglichen Bergwerke. 334 S., Freiburg i. Br. (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg, Hrsg.). Das Buch wird im LGRB Shop als Printprodukt bzw. Download angeboten.