Lössablagerungen am Schwalbenberg EarthCache

Nur wenige Meter westlich der alten B9 kann man hier auf einen etwas versteckt gelegenen Aufschluss treffen. Er bietet einen imposanten Einblick in das Sedimentationsgeschehen von Löss und war in der Vergangenheit Ausgangspunkt für zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen. Die daraus gewonnenen Ergebnisse zum Thema „Lössablagerungen“ haben viel zum Verständnis über die jüngere Erd- und Klimageschichte in Mitteleuropa beigetragen. Darüber hinaus hat Löss sehr große agrologische Bedeutung und wurde daher vom Umweltbundesamt sogar zum Boden des Jahres 2021 ernannt. Weiterhin werden Löss-Wände von zahlreichen Tieren gerne als Zuhause genutzt. Besonders sind Wildbienen zu nennen und je nach Jahreszeit kann man ca. erbsengroße Löcher im Löss beobachten, die von Bienen angelegt wurden und ihnen Unterschlupf bieten. Achte also beim EC-Besuch bitte darauf, dass keine Pflanzen und Tiere belästigt werden. Doch was genau ist eigentlich „Löss“?

Der Begriff Löss leitet sich vermutlich vom mundartlichen Ausdruck "Lösch" für „lockerer Boden" ab und wurde 1821^[3] aufgrund entsprechender Ablagerungen im Rheintal geboren. Zwei Jahre später wurde der Begriff von Karl Cäsar von Leonhard in die geologisch-mineralogische Literatur eingeführt. Löss ist ein kalkhaltiger Mineralstaub, der in Mitteleuropa zum größten Teil in den quartären Kaltzeiten gebildet wurde. Er ist ein homogenes, ungeschichtetes, hellgelblich-braunes, gutsortiertes, steinfreies und unverfestigtes Lockersediment. Als charakteristisches Merkmal weist Löss eine sehr feine Korngröße im Bereich von nur 0.01-0.05 mm auf^[1]. Per Definition wird Material mit einer Körnung von <0.063mm als Schluff bezeichnet. Aufgrund seiner winzigen Korngröße kann Löss vom Wind transportiert und verfrachtet werden (äolischer Transport). Dies ist besonders gut möglich, wenn die Klimabedingungen trocken-kalt sind und wenn fixierende Wurzeln als Folge von nicht- oder nur spärlich vorhandenem Vegetationsbewuchs fehlen. Genau diese Klimabedingungen traten während der letzten Kaltzeit auf, die vor ca. 115.000 Jahren begann und vor etwa 11.700 Jahren endete. Diesen geologischen Zeitraum innerhalb des Quartärs bezeichnet man auch als Jungpleistozän. In dieser Zeit war ca. ein Drittel der Erde mit oft kilometerhohem Eis bedeckt. Nur die höchsten Gipfel der Alpen ragten daraus hervor und waren Ursprung von großen Gletscherflächen. Auf ihnen bildeten sich eisige Luftmassen, die als starke, kalte und trockene Fallwinde ins Tal strömten^[13].

Korngrößenvergleich. Links: Löss, etwa 60.000 Jahre alt bei ca. 50-facher Vergrößerung. Rechts: „gewöhnlicher“ Sand (Buntsandstein), etwa 250 Mio. Jahre alt bei ca. 25-facher Vergrößerung.

Die Entstehung des Mineralstaubs begann zunächst mit einer physikalischen Verwitterung durch starke Frostsprengungen, so wie sie für Kaltzeiten typisch sind. Dabei erfolgte eine Zerteilung der Felsen in Gerölle. Eine weitere Zermahlung bis zum Staub schloss sich dann durch Gletscherbewegungen und Transport in Flüssen an. Durch die glazialen Schmelzwässer kam es zu massiven Ablagerungen (Sander) in den Flusstälern des Gletschervorlandes (Periglazialgebiete), die stellenweise eine Höhe von einigen hundert Meter erreichten^{[3, 4, 14]}. Da aufgrund der frostigen Bedingungen eine Vegetation in den Gletscher-Vorlandgebieten praktisch völlig fehlte, war der Staub schutzlos der Erosion ausgesetzt. Transporteure, die für die Auswehungen des Mineralstaubs sorgten, waren besonders die vorherrschenden Westwinde und die erwähnten, in Kaltzeiten häufig vorkommenden, kalten Fallwinde des alpinen Eispanzers und des nordischen Inlandeises. Sie transportierten riesige Mengen an losem Sediment, das sich an anderer Stelle als Löss wieder absetzte. Der äolische Transport konnte sich dabei häufig über einige hundert km erstrecken, so dass heutige Lössvorkommen meist aus überregionalen Ausblasungsquellen stammen^[1].

Zur Wiederansiedlung des ausgeblasenen Löss bedurfte es dann großer Becken mit Vegetation, die zusätzlich vorzugsweise noch von Mittelgebirgen geschützt wurden^[3]. Folglich findet man Löss überwiegend entlang des Rheins, Mains und der Donau, sowie auf einem Gürtel von Belgien bis in die Ukraine. In diesen Lössgebieten Mitteleuropas tritt Löss mit durchschnittlichen Mächtigkeiten zwischen 3 und 10 m auf. Er kann aber in günstigen Windschatten-Lagen auch mehrere zehn Meter mächtig werden und sich zu Wänden auftürmen^[1]. Obwohl er ein Lockersediment ist, ist Löss also offensichtlich standfest. Diese Eigenschaft wird durch die einzelnen Mineralpartikel im Löss ermöglicht, die eine vorherrschend eckige Form besitzen und durch Kalk und Ton zu Aggregaten diagenetisch verkittet werden. Erst wenn der Mineralstaub so „verklebt“ wurde, darf er sich dann auch Löss nennen. Sonst ist er durch Wasser sehr leicht erodierbar. Aus chemischer Sicht dominieren im Löss generell Quarz und Silikate, insbesondere Feldspat (Gerüstsilikate) und

Glimmer (Aluminiumschichtsilikate). Dazu gesellen sich Tonminerale, Kalkanteile und Eisenhydroxide als farbgebende Komponenten. Als Regel kann für mitteleuropäischen Löss eine Zusammensetzung aus etwa 60% Quarz, 20% Silikat und 20% Kalk angenommen werden^{[1, 4]}. Während in Kälteperioden Löss angeweht wurde, konnte er in wärmeren Klimaphasen, besonders an der Oberfläche, auch verwittern. Es entstand ein Paläoboden, der sich im Laufe der Zeit schließlich bis zu einem der besten und fruchtbarsten Böden weiterentwickeln konnte. Dabei bildet Löss/Lösslehm einen locker gela-gerten, geringverfestigten Boden aus, der sich besonders durch seinen hohen Mineralgehalt auszeichnet. Eine weitere, sehr wertvolle Eigenschaft ist seine hohe Porösität und Kapillarität. In der Folge ergibt sich ein gutes Wasserspeicher- und Wasserhaltevermögen. So kann in grund-wasserfernen Böden oft der gesamte Jahresniederschlag gespeichert werden^[1]. Dürren können somit relativ gut überstanden werden. Die Summe dieser Eigenschaften macht Löss/Lösslehm zu einem sehr wichtigen Ackerboden, auf dem 80% der heutigen Getreideproduktion stattfindet und archäo-logische Fundstellen beweisen, dass er schon seit vielen tausend Jahren vom Menschen genutzt wurde. Löss bedeckt etwa zehn Prozent der Erdoberfläche und ist vor allem in der gemäßigten Klimazone verbreitet. Auch heute noch findet Lössbildung aktiv in China statt, wo Mineralstaub aus den innerasiatischen Steppen ausgeweht wird und sich seit über einer Million Jahren ablagert. Dort trifft man mit bis zu 400m^[3] auf die mächtigsten, bekannten Lössablagerungen der Erde.

Schichtabfolge am Schwalbenberg und ihre Zuordnung durch marine Sauerstoffisotopen-Stratigraphie (MIS)[2].

In der letzten Kaltzeit vor etwa 60.000-30.000 Jahren, lagerte sich am Schwalbenberg ca. 28 m über dem Rheinlevel, gelblich-beiger, fein-körniger Löss in einer Schichtstärke von etwa 13m auf den Rheinschottern der unteren Mittelterrasse ab und bezeugt die bewegte Klimageschichte der Region^[1]. Während es in warmen Phasen zur Bodenbildung kam, wurde in kalten Klimaphasen Löss abgela-gert. Die Lössschichten des Schwalbenbergs sind somit ein wertvolles Klimaarchiv und spiegeln den Wechsel von Warm- und Kalt-phasen in Mitteleuropa wider. Der Schwal-benberg war daher Ziel von akribischen, wissenschaftlichen Untersuchungen^[2]. Syste-matisch wurde die 13m hohe Lösswand in über 200 horizontale Bänder unterteilt, aus denen Proben entnommen wurden. Diese wurden anschließend mit einer ganzen Palette an Analysenmethoden untersucht und ihre jeweiligen Daten verglichen. Die Gehaltsbestimmung von Carbonat und organischem Kohlenstoff, die Ermittlung des Verhältnisses von Sand/Schluff/Ton anhand der Korngrößen-Verteilung, die ¹⁴C- und δ¹⁸O-Isotopenbestimmung, die Messung der magnetischen Suszeptibilität und der Daten-vergleich mit marinen Sedimenten kamen als Methoden zur Anwendung. Dazu gesellten sich visuelle Beobachtungen wie Farbe, Dicke und Fossiliengehalt der Schichten. In ihrer Summe charakterisieren diese Untersu-chungsmethoden einen Bodenhorizont fast wie ein Fingerabdruck. So lassen sich regio-nal unterschiedliche Proben vergleichen und zeitlich einordnen. Beispielsweise deutet ein auffallend hoher Anteil an organischem Kohlenstoff auf eine ausgeprägte Vegeta-tionsphase und somit auf eine Warmzeit hin, in der die Bodenschicht entstand. Untersu-chungen dieser Art sind innerhalb der Geologie spannendes Forschungsziel der Stratigraphie.

So konnten in der Lössabfolge am Schwalbenberg z.B. acht fossile, standorttypische (authochtone) Bodenhorizonte unterschieden werden. Ihr erhöhter Anteil an organischem Kohlenstoff (Corg) und Ton bei gleichzeitig reduziertem Kalk spricht für ihre Genese in einer wärmeren Klimaphase. Gestützt wird diese These im Zuge der weiteren Analyse durch eine gute Korrelation von Anzahl und räumlichem Abstand der Bodenhorizonte mit Warmphasen (sog. Interstadialen), die aus Eiskern-Bohrungen in Grönland gewonnen wurden. Zusätzlich kann man im Schwalbenberg-Aufschluß in bestimmten Horizonten auch Schnecken (Weichtiere) entdecken. Ihr Auftreten spricht dann ebenfalls übereinstimmend für eine Molluskenfauna der Böden, wie sie für wärmere Klimabedingungen typisch ist. Auf diese Weise konnten weitere sieben braune, fossile und mit organischem Material angereicherte Interstadial-Horizonte aus der Mittelwürm-Kaltzeit festgelegt werden. So wurde das Lössprofil am Schwalbenberg zu einem der am besten untersuchten Schauplätze von eiszeitlichen Lössablagerungen in Europa^{[1, 2]}.

Das Ende einer Warmphase vor ca. 2.6 Mio. Jahre markiert auch das Ende des Pliozäns und den Beginn der Eiszeiten im Pleistozän mit seinen charakteristischen Wechseln aus Kalt- und Warmzeiten^[5]. Über 20 solcher Wechsel werden diskutiert und besonders bekannt sind unter den Kaltzeiten die Elbe- (800.000-600.000 Jahre), Elster- (460.000-320.000 Jahre), Saale- (300.000-126.000 Jahre) und Weichsel-Kaltzeit (115.000-10.000 Jahre)^{[8, 12]}. Je nach Region sind sie auch unter ihrem alternativen Namen Günz-, Mindel-, Riß- und Würm-Eiszeit bekannt. Dazwischen fügen sich jeweils die Cromer- (600.000-480.000 Jahre), Holstein- (335.000-300.000 Jahre) und Eem-Warmzeit (128.000-117.000 Jahre) ein^[9]. Die wechselnden kalten und warmen Perioden waren klimatisch keineswegs nur Bagatellen, sondern waren durchaus dramatisch. So sank der Meeresspiegel durch Vereisung um bis zu 130m ab, es bildeten sich Landbrücken aus und die mittlere Jahrestemperatur war 10° kälter. In Warmphasen dagegen, war die Temperatur gegenüber heute ca. 2° wärmer^{[12, 14]}. Diese klimatischen Wechsel verursachten parallel auch unterschiedliche Wasserführungen, die immer wieder das Aussehen des Flussbetts veränderten. In dieser Zeit war der Rhein noch stark verzweigt und die vielen Seitenarme änderten immer wieder ihre Lage. In Kaltzeiten führten sie vergleichsweise wenig Wasser, so dass meist die Sedimentation überwog. Entlang des verzweigten Flusslaufs konnten sich dann oft, an beiden Ufern gleichzeitig, terrassenförmig Sedimente festsetzen, die überwiegend als Schotterfelder erhalten blieben. In Warmphasen nahm die Wassermenge aufgrund der Schmelzwässer stark zu und der Fluss konnte die zuvor abgelagerten Sedimente nicht nur wieder entfernen, sondern sich auch erneut ein Stück tiefer in den Untergrund einschneiden^{[6, 12]}. Parallel hob sich die Landmasse nach Druckentlastung durch das Abschmelzen des Eismantels um anfänglich bis zu 7 cm pro Jahr (postglaziale Landhebung)^[10]. Dieser Vorgang dauert bis heute mit noch ca. 1-2cm pro Jahr an und lieferte dem Rhein genügend Profil, um sich einzuschneiden. So kam es mit der Zeit zur Talbildung.

Die wechselnden Kalt- und Warmzeiten waren also entscheidend an der Landschaftsmodellierung beteiligt. Die Sedimentation in Kaltzeiten und Erosion während Warmzeiten sorgte für die treppenförmige Terrassen- und gleichzeitige Talbildung, so wie man sie heute antrifft. Sprachlich unterscheidet man dabei innerhalb der Terrassen zwischen Haupt- (alt), Mittel- und Niederterrassen (jung). Niederterrassen liegen aber genügend hoch, um von Hochwasser nicht mehr erreicht zu werden^{[7, 13]}. Auch bei Tälern gibt es je nach Talform begriffliche Unterscheidungen. Dabei hängt die Form des sich bildenden Tals z.B. vom Material und der Stabilität des Untergrunds, der Steilheit des Hangs (Seitenerosion durch Hangrutsch und Felssturz) und der Wasserführung an der Talsohle ab. So lassen sich z.B. Kerb- oder V-, Sohlen-, Kasten-, Mulden- und Trogtäler unterscheiden.

Vor Ort liefert der Wegpunkt 3 einen schönen und aufschlussreichen Ausblick auf die Landschaft des Mittelrheintales, welche von den verschiedenen Terrassenniveaus des Rheins geprägt ist. Der Blick reicht hier über die “Goldene Meile” und Sinzig hinweg weit in das enge Kerbtal hinein, dessen geomorphologische Gestalt so besonders deutlich wird. Die "goldene Meile" ist eine flache, fruchtbare, durch Hochflutlehm bedeckte Ebene im Rheintal. Sie entstand durch die Ahr, die um ihr Mündungsgebiet herum, den Rhein immer weiter nach Osten drängte. Dies hat die Ahr erst kürzlich wieder beim katastrophalen Ahrhochwasser im Juli 21 in erschreckender Weise demonstriert. Gleichzeitig bewirkte sie durch ihr mitgebrachtes Material die Entstehung einer großen Ebene westlich des Rheins. Im Schutze der Mittelterrassentreppe blieb Löss in Lee-Lage (vorherrschende Westwinde) im Rheintal relativ geschützt sowohl links- als auch rechtsrheinisch erhalten. Bereits der Name "Goldene Meile" ist Indikator für den entscheidenden, sehr fruchtbaren Löss(lehm)-Boden, der hier eine intensive landwirtschaftliche Nutzung ermöglicht^[1]. Aber auch in den eiszeitlichen Terrassenablagerungen des Rheins verbirgt sich die Geschichte der Klimaveränderungen während der letzten Jahrmillionen. Immer tiefer hat sich der Rhein während der verschiedenen eiszeitlichen Phasen in das durch tektonische Kräfte aufsteigende Rheinische Schiefergebirge eingeschnitten. So entstand das tiefe Kerbtal als Einschnitt in das devonische Grundgebirge, welches heute wichtige Verkehrsachsen und einen engen Siedlungsraum beherbergt.

Am Schwalbenberg erzielten Grabungen frühe Funde des anatomisch modernen Menschen (Homo sapiens), der vor 45.000-30.000 Jahren in der archäologischen Epoche des Aurignacien erstmals in Europa auftauchte. Es war der Übergang vom Mittel- zum Jung-Paläolithikum und eine Zeit großer kultureller Umbrüche in Kunst (Elfenbeinschnitzereien, Höhlenmalerei), Musik, Bestattungsriten und Religion. Parallel wurde auch der Neandertaler verdrängt und starb aus. In den Lösssedimenten am Schwalbenberg fanden sich Überreste von Siedlungsplätzen und Feuersteinartefakte eiszeitlicher Jäger. So stieß man auf Steinwerkzeuge und Reste einer Feuerstelle mit calcinierten Knochen und verbrannten Steinartefakten. Weiterhin wurden Steinwerkzeuge aus ortsfremden, rundlichen, grau-braunen Feuersteinen gefertigt, die aus dem Aachener Raum vom Lousberg importiert wurden. Es wurde ein Schlagplatz mit charakteristischen Schlagabschlägen, unfertigen Blattspitzen, Schaber und ein Levalloiskern entdeckt. Er wurde nach der sog. Levalloistechnik erzeugt, einer für den Neandertaler typischen Schlagtechnik bei der Herstellung von Werkzeugen aus Feuerstein. Später ließen sich auch die ersten Ackerbauern in der Jungsteinzeit vor ca. 7500 Jahren auf den Lössböden nieder^{[1, 11]}.

Um diesen EC zu loggen, sollst Du auf Deinem Weg die folgenden Aufgaben lösen und per email/message beantworten. Anschließend kannst Du natürlich gleich loggen. Bei gröberen Unstimmigkeiten werde ich mich melden. Entsprechend den EC-Bestimmungen werden Logs ohne übermittelte Antworten gelöscht.

• Beschreibe die sichtbaren Schichten in eigenen Worten. • Wieviele sind es? • Wie dick schätzt Du die sichtbare Lössschicht? • Worum könnte es sich bei der untersten Schicht handeln?

	• Schätze die Dicke der hier sichtbaren Lössschicht. • Was fällt Dir hier noch auf?

Aufg. 3:  Wegpunkt 3 (N 50° 33.683, E 007° 14.381)

• Hier hast Du eine tolle Panaroma-Aussicht auf das Rheintal. Schaue in Richtung 140°. Nach dem         oben Erwähnten, kannst Du nun bestimmt erklären, welche Besonderheiten in der Geländeform Du    siehst. Ein Foto von Dir/Euch und/oder Eurem GPS an diesem Wegpunkt wäre schön (optional).

Aufg. 4:

• Begutachte das Korngrößen-Foto im Listing und beschreibe Unterschiede zwischen Löss und     „gewöhnlichem“ Quarz-Sand in eigenen Worten.

Acknowledgement: Ein ganz herzlicher Dank geht an Herrn Dr. Thomas Tütken vom Steinmann-Institut für Geologie, Mineralogie und Paläontologie in Bonn für die Unterstützung, die vielen Infos und schönen Zeichnungen.

Refs.: generell www.google.com & www.wikipedia.org; [1] Razi Rad, Schwermineraluntersuchungen, Geol. Institut Univ. Köln, 1976; [2] W. Schirmer, Rhine Loess at Schwalbenberg, Quaternary Science Journal2012; [3] Löss, Wiki; [4] Löss, Geographie Infothek, Klett 2012; [5] Pleistozän, Wiki; [6] (Fluss) Terrassen, Geograph. Inst. Univ. Köln; [7] Flussterrassen, Wiki; [8] Kaltzeit, Wiki; [9] Warmzeit, Wiki; [10] Landhebung, Wiki; [11] Levallois, Wiki; [12] Pleistozän, FAZ, 2004; [13] Glazial, Wiki; [14] Würmzeit, Wiki.