Rund um den Kalk des Isteiner Klotzes EarthCache

Abstract:

Fährt man die Landstraße L137 aus Richtung Basel kommend nach Norden, so stößt man an dieser Stelle auf den Isteiner Klotz, der als auffallender Felsvorsprung wie ein Sporn nach Südwesten ragt und besonders in der nachmittäglichen Sonne in fast weißen Tönen entgegenleuchtet. Dieser Sporn stellt den markanten Abschluss eines ca. 170km² großen Areals mit geologisch einheitlicher Entstehungsgeschichte als Grabenbruchscholle dar. Auf dieser ca. 11.5km langen Runde kann man den Felsen erkunden und dabei seine geologische Geschichte mit einigen Besonderheiten kennenlernen.

Fig. 1: Felssporn des Isteiner Klotzes1

Der Fels...

Nicht immer ist man mit dem Isteiner Klotz gut umgegangen und eigentlich ist hier alles kaputt. Denn was Mutter Erde vor mehr als 150 Mio. Jahren begann aufzubauen, wurde in den letzten 6000 Jahren aus ganz unterschiedlichen Beweggründen durch den Menschen stark beschädigt. Allem Ungemach zum Trotz siedelt am Isteiner Klotz jedoch eine einzigartige Gemeinschaft aus seltenen Pflanzen und Tieren. Daher wurde die unmittelbare Felszone seit 1986 zum Naturschutzgebiet (NSG) erklärt. In 2006 wurde der Isteiner Klotz schließlich zum Geotop ernannt, das entsprechend einer gängigen Definition als erdgeschichtliches Gebilde in besonderem Maße Erkenntnisse über die Entwicklung der Erde und der Entstehung des Lebens vermittelt. So überrascht es dann nicht, dass auch Eilige auf der A5 durch eine Tafel auf die hier ansässige, einzigartige Besonderheit hingewiesen werden. Beim Besuch ist also eine entsprechende Sorgfalt nötig und natürlich müssen die Wege zum Lösen der Aufgaben nicht verlassen werden.

Geologisch und mineralogisch betrachtet, geht es am Isteiner Klotz jedoch in erster Linie „nur“ um Kalk, also Calciumcarbonat (CaCO₃), einem weißen Salz, das sich beim Erhitzen zwischen 800 und 900°C unter CO₂-Entgasung zersetzt und sich abgesehen von seiner eminenten wirtschaftlichen/ industriellen Bedeutung, chemisch auf den ersten Blick als sonst eher wenig spektakuläre Substanz präsentiert. Doch Kalk ist nicht gleich Kalk und kann spannende, ganz unterschiedliche Entstehungsgeschichten aufweisen. Auch der Isteiner Klotz ist nicht aus einheitlichem Kalk aufgebaut.

Einfach nur Kalk?

Gibt man reinem Calciumcarbonat Zeit, schöne Kristalle auszubilden, so stellt man fest, dass Kalk in drei Modifikation vorkommen kann. Es handelt sich um Calcit, Aragonit und Vaterit, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Calcit ist unter Normalbedingungen die thermodynamisch stabilste Modifikation und wird daher am häufigsten in der Natur angetroffen. Dabei machen zwei optische Eigenschaften Calcitkristalle physikalisch besonders interessant: ihr sehr hoher Brechungsindex von 1.66 ermöglicht die Fertigung von Linsen und ihre Fähigkeit zur Doppelbrechung die Herstellung von Polarisationsprismen.

Aragonit ist metastabil und nur tiefe Temperaturen und hoher Druck schützen ihn vor seiner Umwandlung in Calcit. Unter günstigen Bedingungen wie z.B. in Gegenwart von Magnesium kann jedoch die Umwandlung blockiert oder extrem verlangsamt werden, so dass man Aragonit auch in sehr altem Kalkgestein wie z.B. Tropfsteinen antreffen kann. Im UV-Licht fluoresziert Aragonit je nach Fundort in den Farben gelb-orange, rot oder auch blau.

Da Vaterit noch weniger stabil ist, findet man ihn in der Natur nur sehr selten. Je nach Bedingungen (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit) wandelt er sich in Aragonit oder Calcit um. Vaterit bildet nur sehr kleine, oft faserige Kristalle bis etwa 0.1mm Größe. Trotz ihrer thermodynamischen Benachteiligung werden jedoch gerade Aragonit und Vaterit von einigen Organismen im ersten Schritt der Biomineralisation bevorzugt aufgebaut.

Statt dieser schönen, symmetrisch aufgebauten Kalkkristalle aus Fig. 2 trifft man in der Natur jedoch meist auf hellen und mäßig harten Kalkstein, der sich in dicken Schichten mancherorts zu kilometerhohen Gebirgen aufgetürmt hat. Gerne werden im Calcit auch einige Calcium-Ionen gegen Magnesium ausgetauscht. Findet dies im Verhältnis 1:1 statt, so erhält man den ebenfalls weit verbreiteten und gesteinsbildenden Dolomit CaMg(CO₃)₂. Gesellen sich Spuren an Mangan oder Metalle der Seltenen Erden hinzu, so kann auch Calcit wie Aragonit bei UV-Bestrahlung gelborange bis rot fluoreszieren. Des Weiteren vermischt sich Kalk oft auch mit Tonmineralien, so dass man als Sedimentgestein je nach Mischungsverhältnis zwischen Kalk und Ton (5-85% Kalk, 95-15% Ton) unterschiedliche Mergelarten erhält.

Doch wo kommt der ganze Kalk überhaupt her und warum hat er sich hier zum Isteiner Klotz aufgetürmt?

Fig. 2: Von links oben nach rechts unten: Calcit, Aragonit, Vaterit2 (Rasterelektronen- mikroskop) und normaler Kalkstein vom Isteiner Klotz

Fig. 3: Isteiner Klotz, Westseite

Kalk-Genese

Der Kalk des Isteiner Klotzes wurde nicht durch chemische Fällungsreaktionen abgelagert, sondern die Gesteinsbildung erfolgte an dieser Stelle biologisch (biogen). Schon seit dem Archaikum vor 3.5 Milliarden Jahren werden Ca-Ionen gerne aus dem Wasser gefischt. Anfänglich geschah dies durch die anionischen Molekülzentren von Polysacchariden und Proteinen in schleimartigen Biofilmen. Später konnten frühe Cyanobakterien (Blaualgen) bereits die Photosynthese verwirklichen, entzogen auch das anfallende Kohlendioxid dem Hydrogencarbonat/ Carbonat-Gleichgewicht und verstoffwechselten es zur Produktion ihrer Biomasse. Cyanobakterien waren sehr gute Baumeister und lagerten den Kalk als heute noch erhaltene typische Stromatolithe ab.

Ca(HCO₃)₂ (gelöst) ⇌ CaCO₃ (Sedimentierung) + H₂O + CO₂

6CO₂ + 6H₂O + Photon → C₆H₁₂O₆ (Zucker, Biomasse) + 6O₂

Erst im Kambrium entdeckten die damaligen Erdenbewohner, dass man durch Kombination von Ca- und Carbonat-Ionen seine empfindlichen Weichteile schützen und den Zellverband in einer wohldefinierten Form stabilisieren kann. Sie konnten in membranumschlossenen Organellen und Vesikel die Konzentration an Calcium-Ionen so stark erhöhen, dass Kristallisation eintrat. Winzigste, nur nanometergroße Kalkkriställchen fielen an, die in eine formgebende, organische Matrix eingebettet werden konnten und so als schützendes Exoskelett dienten. Manche Organismen bildeten dabei im ersten Schritt dieser Biomineralisation bevorzugt Vaterit und Aragonit, die sich dann erst später in Calcit umwandelten. Dies kann man auch heute noch z.B. an Perlmutt und Perlen beobachten, die in der Regel aus Aragonit aufgebaut werden. Zeitgleich erschienen im Kambrium erste kalkbildende Korallenformen und parallel begannen auch andere Tiere den Kalk zum Aufbau von Schalen, Panzer und Stacheln zu nutzen. Besondere Baumeister waren in dieser Zeit Archaeocyathiden, Trilobiten und die besonders artenreichen Brachiopoden, deren harte Komponenten nach dem Absterben in tropischen Meeren schließlich Riffe aufbauten. Die Fähigkeit Außenskelette aufzubauen, wurde im Laufe der Evolution über Muscheln und Schnecken perfektioniert. Manche Wesen waren dabei besonders kreativ und stellten mit Kalk noch ganz andere Experimente an. So nutzten manche Trilobiten und Seesterne den hohen Brechungsindex des Calcits, um mehrere tausend linsenähnliche Konstrukte aufzubauen, die sie als Augen auf ihrem ganzen Körper verteilten.

Fig. 5: Stromatolith, ein biogener, archaischer Kalkstein4

Altersbestimmung

Ist das Auftreten eines bestimmten Organismus für eine bestimmte Zeitperiode charakteristisch, so kann er als sog. Leitfossil zur Altersbestimmung einer Gesteinsformation dienen. Idealerweise kommt ein Leitfossil dabei weltweit verbreitet vor, um möglichst überregional Gesteinsformationen vergleichen und datieren zu können. Außerdem darf die Art nur über eine relativ kurze, charakteristische Zeitspanne vorgekommen sein, um so bei einer Datierung eine möglichst gute zeitliche Auflösung zu ermöglichen. Archaeocyathiden sowie zeitlich definierte Vertreter der artenreichen Trilobiten und Brachiopoden stellen häufig genutzte Leitfossilien dar und der Vorgang, Gestein mit bestimmten Markern zeitlich einzuordnen nennt sich (Bio)-Stratigraphie. Sie ist ein sehr wichtiges Arbeitsgebiet zur Altersbestimmung innerhalb der Geopaläontologie.

Fig. 6: Von links nach rechts: Archaeocyatha bis ca. 15cm groß (590-516 Mio. Jahre), Trilobit (521-251 Mio. Jahre) und Brachiopode5, 6 (530-251 Mio. Jahre). Diese Tiere zeigten eine sehr große Artenvielfalt und das Vorkommen von bestimmten Arten war oftmals nur auf einen schmalen, charakteristischen Zeitraum begrenzt, so dass sie gute Leitfossilien darstellen.

Leitfossilien am Isteiner Klotz⁷

Am Isteiner Klotz türmen sich unterschiedliche Lagen von Kalkgestein übereinander auf. Dies ergaben wissenschaftliche Untersuchungen des nur wenige hundert Meter vom Isteiner Sporn entfernten und seit einigen Jahren aufgelassenen Kalksteinbruchs, der sich dabei als überaus aufschlussreiche geologische Spielwiese erwies. Durch mineralogisch-chemische Analyse der Gesteine und Identifizierung der darin enthaltenen Leitfossilien, konnte das Alter der Schichten bestimmt werden. So findet sich die Ammonitenart cardioceras cordatum als Leitfossil für den Zeitraum von etwa 161–156 Mio. Jahren im untersten Fundamentbereich I des Isteiner Klotzes (s. Fig. 9). Diese Zone ordnet sich damit innerhalb der Erdgeschichte in die Stufe „unteres Oxfordium“ ein. Hier mischen sich bis auf etwa 5m Höhe Kalk mit Tonmineralien in wechselnden Verhältnissen und bilden unterschiedliche Mergel- und Tonmergel-Lagen aus. Die Muschel pholadomya exaltata war hier zusammen mit Korallen hauptsächlich als Kalkbildner tätig, so dass sie namensgebend ist und man von Pholadomyen-Mergel spricht. Aufgrund ihres zeitlich unspezifischen Auftretens von ca. 200 Mio. Jahren, ist sie darüber hinaus als Leitfossil jedoch nicht geeignet. Vereinzelt stößt man in diesen Schichten auch auf Kalk- und Kieselknollen, die im Fundament des Isteiner Klotzes im umgebenden, feinkörnigen Material aussintern konnten.

Dem Fundament liegt im Folgenden eine insbesondere von thamnasteria arachnoides gebildete Lage auf. Im Laufe der Zeit bauten diese Korallen in vielen Schichten einen großflächigen, in die Breite wuchernden Korallenrasen (Biostrom) aus tellerförmigen Korallenkolonien auf. Sie besaßen einen Durchmesser von bis zu 25cm und hinterließen schließlich eine bis zu sechs Meter dicke Schicht Korallenmergel (Thamnastreen-Mergel). Oberhalb dieses Korallenmergels sinkt mit zunehmender Höhe der Gehalt an Tonmineralien und der Reinheitsgrad des Kalks steigt. Es folgt eine ca. 40m mächtige Lage aus riffartigem Korallenkalk (Thamnastreen-Kalk), in dem Leitfossilien nahezu fehlen. Nur vereinzelt findet man Perisphincten, eine Ammonit-Klasse, die für das Zeitfenster zwischen etwa 165-145 Mio. Jahre als Leitfossil dient. Auch ihre Lage oberhalb des Pholadomyen-Mergels spricht somit dafür, diese Schichten erdgeschichtlich etwas jünger ins untere bis mittlere Mitteloxfordium einzuordnen.

Fig. 7: Isteiner Klotz, Südseite

Dieser Bereich III (s. Fig. 9) lässt sich aufgrund von Auffälligkeiten im Erscheinungsbild des Korallenriffs in einen oberen, mittleren und unteren Bereich gliedern. Im etwa 8m hohen unteren Abschnitt des Kalksteinriffs ist die Dichte der Korallenkolonien hoch und sie bilden einen nahezu geschlossenen Verbund. Beim Übergang in die etwa 20m hohe mittlere Kalksteinzone steigt der Kalkgehalt sprunghaft an und der Korallenverbund lockert zunehmend auf. Der Artenreichtum steigt und die Korallenwuchsform wird vielseitiger. So findet man hier neben fladigen auch kugelige und ästige Wuchsformen. Großen Anteil an der Riffbildung haben in diesem Bereich auch Mikroorganismen, die aus dem Wasser feines Sediment einfingen, es fixierten und krustenförmig ähnlich den Stromatolithen zu sog. Mikrobolithen aufbauten. Stellenweise erreichten sie dabei über 60% Volumenanteil und übertrafen als Kalkbildner selbst die Korallen. Im ca. 7m mächtigen oberen Korallenkalk gibt es keine einheitliche Korallenverteilung mehr und die Korallenarten sind hier noch diverser. Je nach Art formten sie z.B. fladige, kugelige, trichterförmige oder birnenförmige Kolonien aus. Hier waren auch ästige Korallen sehr zahlreich und bildeten charakteristische, großflächige Korallendickichte. Stellenweise ist der Kalkstein aber auch korallenfrei und inzwischen ausgestorbene Rotalgen-Spezies (solenoporaceae) waren riffbildend tätig.

Fig. 8: Cardioceras cordatum 7, 8 Perisphinctes 7, 8 Leitfossil: 161–156 Mio. Jahre Leitfossil: 166-145 Mio. Jahre

Auf den Korallenkalk folgen im ca. 20m mächtigen vierten Abschnitt Kalkschichten, in denen Korallen immer weiter abnehmen und schließlich vollständig fehlen. In diesem Bereich wurde das Riffwachstum beendet und man trifft auf muschelartige Brachiopoden, die dieser Kalkformation den Namen gaben, sowie auf Gastropoden (Bauchfüßer, Schnecken) und Foraminiferen. Diese artenreichen Einzeller, von denen auch heute noch ca. 10000 Arten existieren, trugen ein winziges Kalkgehäuse mit sich. Manche Arten verklebten dazu Kalkkörnchen aus ihrer Umgebung, während andere den benötigten Kalk selbst als zunächst Vaterit herstellten. Foraminiferen konnten aber auch um einen zentralen Kern unregelmäßige Kalkschichten auftragen. Als Kerne kamen dabei z.B. Bruchstücke von Muscheln oder Korallen in Frage. Mit der Zeit entstanden so Gebilde mit einer Größe von einigen cm, die Onkoide genannt werden. Onkoide findet man zunehmend in den oberen Schichten von Abschnitt IV des Isteiner Klotzes, in denen das Riffwachstum abgeschlossen wurde. Diese Schichten gehen schließlich in einen sehr homogenen und extrem feinkörnigen Kalkstein über, der als (Bio)-Mikrit bezeichnet wird. Er wurde aus sehr feinkörnigem Kalkschlamm mit Korngrößen <63µm unter hohem Druck mit der Zeit verfestigt. Da er beim Zerschlagen glasähnlich-muschelig bricht, wird er auch als Splitterkalk bezeichnet. Mit diesen Schichten ist dann das Zeitalter des Mitteloxfordiums (alt: Rauracium) abgeschlossen und die überliegenden entstanden vermutlich erst im Oberoxfordium (alt: Sequanium). Sie sind nur noch vergleichsweise dünn erhalten, denn an dieser Stelle trifft man auf eine sog. Diskordanz bzw. Diskontinuitätsfläche. Eigentlich sollten sich dem erdgeschichtlichen Zeitkontinuum folgend nun Schichten des Oberjuras und der Kreidezeit anschließen, doch die dafür typischen kalkbildenden Leitfossilien (Korallen, Muscheln, Schnecken, Krebse, Foraminiferen und Diatomeen) findet man in den nächst aufliegenden Schichten nicht. Sie wurden nach Anhebung der Landmassen am Ende der Kreidezeit erodiert, so dass die letzten

Schichten des Oberjuras unmittelbar von Schichten des Paläogens überlagert werden und eine Schichtlücke (Diskordanz) von ca. 90 Mio. Jahren klafft. Nach dieser Erosionsfläche trifft man hier im Hangenden (Bereich VII) Schichten aus Melanienkalk, die insbesondere von Turmschnecken (Melanoiden) im Obereozän vor etwa 35 Mio. Jahren angehäuft wurden. Darüberliegend findet man Steinmergel aus dem Unteroligozän (etwa 30 Mio. Jahre), der vor allem Turmschnecken (Hydrobien) und Muscheln (Cyrenen) enthält. Während Melanien Süsswasserschnecken sind, tolerieren Hydrobien und Cyrenen auch Brackwasser. In Kombination indizieren die Schichten dieser Tiere, dass das jurassische Korallenmeer zu diesem Zeitpunkt längst verschwunden war und nur noch temporär und in weiterer Entfernung ein Meereszugang bestand. Als oberste Deckschicht des Isteiner Klotzes tritt stellenweise schliesslich Löss ans Tageslicht, der eiszeitlich im Pleistozän vor etwa 2 Mio. Jahren ganz frisch als sehr feinkörnige Windablagerung hier deponiert wurde.

Das Korallen-Wohlfühlklima am Isteiner Klotz vor 150 Mio. Jahren

Wie die Leitfossilien verrieten, stammt das Fundament des Isteiner Klotzes aus der Zeit des Oberjuras und ist über 150 Mio. Jahre alt. Zu dieser Zeit verursachte eine andere Gaszusammensetzung der Atmosphäre ein global deutlich wärmeres Klima. So war der Sauerstoffgehalt etwa um Faktor 1.5 und der CO₂-Gehalt um Faktor 5 höher als heute (Treibhauseffekt). Die Polkappen waren daher eisfrei und der Meeresspiegel lag etwa 150m höher. Auf lokaler Ebene befand sich gleichzeitig das Stück Erdkruste, auf dem der Aufbau des Isteiner Klotzes begann, viel weiter südlich in tropischen Gefilden auf einem paläogeographischen Breitengrad von etwa N30°. Bereits ca. 80 Mio. Jahre früher begann der Superkontinent Pangäa in das nördliche Bruchstück Laurasia und den verbleibenden südlichen Rest Gondwana zu zerbrechen. Gleichzeitig drang in den zunehmend breiter werdenden Graben der Panthalassa-Ozean von West nach Ost immer weiter vor. In umgekehrter Richtung weitete sich die Tethys immer weiter aus, bis schließlich etwa Anfang des Juras eine durchgehende Meeresstraße entstand. Während sich so die Erdkruste dehnte, sanken in diesem Bereich die Landmassen ab und durch den hohen Meeresspiegel in dieser Zeit, kam es zur Bildung von flachen, stark lichtdurchfluteten, tropisch warmen Schelfflächen besonders entlang der nordwestlichen Tethys und zu ausgedehnten Überflutungen, die über viele Millionen Jahre bis in die Kreidezeit anhielten. Bis weit in den Norden überflutet die Tethys dabei große Landstriche Laurasias und innerhalb der Erdgeschichte begann unter diesen Wohlfühlbedingungen die Hochphase der Korallenriffbildung.

Fig. 10: Istein vor 150 Mio. Jahren: Erdkrustenverteilung im Jura13

Fig. 11: Urzeitliche Siedler am Korallenriff des Isteiner Klotzes 9, 10, 11, 12: Zeile 1: actinaraea, actinastrea, bryozoa Zeile 2: calamophylliopsis, dimorpharea, dimorphastrea Zeile 3: isastrea (Sternkoralle), stylosmilia, stylina Zeile 4: pholadomya exaltata, Seelilien (Crinoiden), Seesterne (Paracidaris)

Im Laufe der Zeit entstanden zwischen Riffbildnern, Riffbewohnern und auch Riffzerstörern komplexe Lebensgemeinschaften, wie sie auch heute als empfindliche Ökosysteme vorkommen. So konnten am Isteiner Klotz besonders die Korallenarten isastrea, actinaraea, stylosmilia und dimorpharaea nachgewiesen werden. Besiedelt und bewohnt wurde das Riff außerdem bevorzugt von Muscheln, Serpeln (Kalkröhrenwurm), Kalkschwämmen, Bryozoen (Moostierchen), Foraminiferen, Seeigel, Seelilien (Crinoiden) und zerstörerischen Bohrmuschelarten. Wie auch heute, lebten viele Korallen in Symbiose mit Mikroorganismen und anderen Tieren. Ihr Verteilungsmuster gewährt Einblicke in die Entstehung und den Aufbau eines Riffs. Auch am Isteiner Riff konnten einzelne Zonen aufgrund des Auftretens bestimmter Arten, ihrer Koloniedichten und Wuchsformen unterschieden werden (s. Fig. 9). Nach dem Absterben der Riffbewohner fiel Kalk als marines Sediment in Form von Lockermaterial oder extrem feinkörnigem Kalkschlamm mit Korngrößen <63μm an. In den folgenden Jahrmillionen verfestigte der zunehmende lithostatische Druck der immer weiter anwachsenden Sedimentschichten das Lockermaterial zu den festen Korallenkalkbänken, wie sie heute am Isteiner Klotz anzutreffen sind.

Fig. 12: Felsdurchbruch am Isteiner Klotz

Mineralogische Silikatspezialitäten am Isteiner Klotz

Manche Organismen wie Kieselalgen (Diatomeen) oder Hornkieselschwämme bauen ihre Zellhüllen oder ihr Skelett aus Silikat auf, das sie als Orthokieselsäure Si(OH)₄ aus dem Meerwasser filtern. Sind solche Organismen während der Riffbildung vor Ort, so mischen sich ihre Skelettreste mit dem Korallenkalk und es entstehen innerhalb der Riffschichten Bereiche mit erhöhter Silikatkonzentration. Im Laufe der Zeit kann dann das Silikat aus gesättigten Lösungen auskristallisieren und langsam durch Druck und Hitze während des Sedimentationsprozess diagenetisch zu Quarz verbacken werden. Begleitend kann sich dabei mit unterschiedlichem Anteil auch die metastabile Quarz-Modifikation Mogánit, bilden. Dies ist auch am Isteiner Klotz geschehen, doch statt den bekannten, eindrucksvollen Quarzkristallen fiel der Quarz hier in so winzigen Körnchen oder dünnen Fasern an, dass man Kristallflächen selbst im Lichtmikroskop kaum erkennen kann (mikro- bzw. cryptokristallin). Im Gesteinsgefüge können die meist nur 1 bis 3μm langen Fasern völlig ungeordnet vorliegen oder sich z.B. um einen Kristallisationskeim radialsymmetrisch anordnen, so dass man je nach Anordnung sog. Gefügevarietäten des Quarzes unterscheiden kann. In Verbindung mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zwischen Quarz und Mogánit, sowie Spuren an verschiedenen farbgebenden Verunreinigungen wie Eisen-, Aluminium-, Mangan- oder Nickeloxiden, können sehr viele Quarzvarietäten verwirklicht werden. Lange Zeit wurden sie unter dem Oberbegriff Chalcedon zusammengefasst. Mikrokristalline Beispiele sind Feuerstein, Achate und Opal. Des weiteren Hornstein und Jaspis, die man auch am Isteiner Klotz finden kann. Besonders in einem ca. 4m breiten Band im Bereich der Splitterkalke kann man diese Silikatknollen entdecken. Hornstein ist wie Jaspis eine Gefügevarietät des Chalcedons und zeigt statt Mikrofasern mikroskopisch kleine Körnchen im Gefüge. Strukturell sind beide sehr verwandt, so dass die Namen sprachlich oft als Synonyme benutzt werden. Mit einer Mohshärte von 6.5-7 ist er deutlich härter als das umgebende Kalkgestein. Da Hornstein beim Bearbeiten zudem muschelig bricht und dabei scharfe Kanten bildet, wurde sein Nutzen bereits vor 6000 Jahren in der Jungsteinzeit erkannt. So findet man am Isteiner Klotz Höhlen und Gänge, in denen die Kieselknollen abgebaut und zu Werkzeugen und Pfeilspitzen verarbeitet wurden.

Fig. 13: Beispiel zweier Quarzvarietäten: Hornstein vom Isteiner Klotz (links)2, Jaspis aus dem nahegelegenen Auggen2

Der Klotz auf Wanderschaft

Bereits Ende der Trias ist das Stück Erdkruste auf dem später der Isteiner Klotz aufgebaut wurde, etwa am Äquator gestartet und hat sich während des Zerbrechens von Pangäa in nördliche Richtung in Bewegung gesetzt. Die im Jura und der Kreidezeit vorhandenen Schelfmeer- und Überflutungsflächen der Tethys verschwanden langsam, als Gondwana auf dem weiteren Weg nach Norden mit der europäischen Platte kollidierte. Als sich Anfang der Oberkreide dabei langsam die Alpen aufwölbten, fielen die zuvor angelegten Korallenriffe trocken. Auch der Isteiner Klotz tauchte aus den Fluten auf und aus der ursprünglichen Inselwelt formte sich zunehmend das europäische Festland. Erst im Paleogen erreichte der Isteiner Klotz schließlich in etwa die heutige Position auf der Landkarte.

Fig. 14: Istein im Oligozän/Miozän (30 bis 13 Mio. Jahre)13

Vor ca. 55 Mio. Jahren begann dann an der Alpennordseite die Erdkruste langsam um bis zu 4000m einzubrechen und bildete den Rheingraben. Zeitgleich wurde an den Grabenrändern im Osten und Westen der Schwarzwald und die Vogesen als Grabenschultern um bis zu 2500m angehoben. Da diese Reliefbildung allerdings fortwährend von Erosion begleitet wurde, ergab sich in der Summe eine deutlich ausgeglichenere Topografie und der in den Höhenlagen erodierte Gesteinsschutt füllte den Graben praktisch vollständig wieder auf. Auch der Isteiner Klotz ist eine solche Grabenbruch-Randscholle mit Erosionsfläche aufgrund der erodierten obersten Schichten aus der Kreidezeit und dem Oberjura. In den folgenden Jahrmillionen kam es im Oligozän/Eozän immer wieder zu starken Meeresspiegelschwankungen um bis zu ±150m im Vergleich zum heutigen Pegel, so dass der Grabenbruch je nach Zufluss durch das nördliche oder südliche Meer mehrfach geflutet wurde. Zeitweise gab es auch eine durchgehende Meerestrasse von Nord nach Süd. Die wechselnden Wasserstände spiegeln sich in den für Salz-, Brack- und Süßwasser typischen Wechselfolgen an Melanien-, Hydrobien- und Cyrenenschichten wider, wie man sie im obersten Bereich des Isteiner Klotzes findet (s. Fig. 9).

Fig. 15: Istein und Korallenriff heute

Der Rhein trat am Isteiner Klotz erst ganz zum Schluß in Erscheinung, denn mangels ausreichendem Gefälle floss er anfänglich in die Ur-Donau, die zeitweise im mittleren Neogen noch westwärts ins Rhônetal floss¹⁴. Doch die Alpenregion wurde weiter angehoben und parallel brach der Grabenbruch auch weiter ein, so dass im Laufe der Zeit ein zunehmendes Gefälle nach Norden aufgebaut wurde. Als schließlich das Gefälle groß genug wurde, bog vor erst ca. 2.9 Mio. Jahren mit beginnender Eiszeit der neue Ur-Hochrhein nach Norden ab und zum ersten Mal dürfte dann der Isteiner Klotz mit dem Rhein in Kontakt gekommen sein. Fortan fand der Rhein am Isteiner Klotz ein Hindernis, an dem er seine Kräfte messen konnte. Noch heute sind die Auswaschungsspuren am Isteiner Klotz deutlich zu erkennen, denn nach der Eiszeit umfloss der Rhein als Flussschleife den Isteiner Klotz, der fortan als Prallhang fungierte. Dies änderte sich erst nach der Rheinbegradigung ab 1840 durch Tulla, durch die der Rhein sein jetziges Bett etwas abseits vom Isteiner Klotz fand.

Zusammengefasst verdankt der Isteiner Klotz seine Existenz und heutige Erscheinungsform also dem Zusammentreffen folgender Faktoren:

• eine Erdkruste in tropischen Gefilden auf tektonischer Wanderschaft
• ein seichtes, warmes, lichtdurchflutetes Meer
• Korallen, Muscheln, Schnecken, Seeigel und Mikroorganismen, die Kalk verarbeiten konnten
• viele Millionen Jahre Zeit für die Sedimentation, Verfestigung und Diagenese des Kalkschlamms
• Aufwölbung und Erosion, die den Isteiner Klotz für uns zugänglich ans Tageslicht beförderte
• ein Fluss für die finale Modellierung

Da hat Mutter Erde ordentlich in die Trickkiste gegriffen, um einen Felsen zu schaffen, an dem wir oft so gedankenlos vorbeifahren.

Fig. 16: Istein mit Kalksteinbruch

…ist eigentlich ganz einfach: folge den Reference Points sowie den Virtual Stages mit ihren Aufgaben und erfreue Dich auch ab und zu an den Ausblicken, die Dir dieses Korallenriff bietet. Ein geeigneter Parkplatz ist angegeben. Topografie sowie Hindernisse in Form von Bahngleis, Steinbruch, Werksgelände und den besonderen Wegeregeln in einem Naturschutzgebiet/Geotop machen es zur Vermeidung von zusätzlichen Umwegen erforderlich, dass stellenweise der Rückweg für ein kurzes Stück dem Hinweg entspricht. Manchmal folgt der Weg auch der Grenze zum eingezäunten Werksgelände. Das Überklettern von Zäunen ist verboten und „Exkursionen“ darüber hinaus sind lebensgefährlich. Beachte auch die Sprengsignale, die hier ab und an zur Anwendung kommen (s Bildergalerie).
Auf der Strecke werden Dir immer wieder einige Merkwürdigkeiten und Besonderheiten auffallen, denn am Isteiner Klotz wurde schon seit einigen hunderttausend Jahren genagt. Zuerst war es der Rhein, während er den Klotz unmittelbar umfloss und einige hundert Höhlen ausspülte. Später waren es Steinzeitmenschen, die vor etwa 12000 Jahren darin willkommenen Unterschlupf fanden. Seit der Jungsteinzeit hat man dann vor etwa 6000 Jahren auf der Suche nach Hornstein weitere Gänge in den Felsen getrieben. Um 1100 entstand auf dem Felsen eine schwer zugängliche Burganlage, von der man heute nur noch schlecht erhaltene Reste erkennen kann und die Felsenkapelle St. Veit, die erstmals 1233 urkundlich erwähnt wurde. 1410 fiel die Burg Zerstörungen zum Opfer. Um 1840 durchbohrte man den Klotz im Rahmen von Gleis- und Tunnelarbeiten beim Einrichten der Bahntrasse Mannheim-Basel entlang des Rheins. Die größte Zerstörung erlitt der Isteiner Klotz jedoch während des Festungsausbaus im ersten und zweiten Weltkrieg. Mehrere Geschütztürme, Bunker und einige hundert Meter lange unterirdische Verbindungsgänge durchlöchern den Isteiner Klotz entlang mehrerer Etagen. Entsprechend große Verwüstungen entstanden als die Anlagen nach Kriegsende gesprengt wurden. Die Einstiege wurden vor ein paar Jahren versiegelt, so dass nun nur noch Fledermäuse legalen Zugang ins Berginnere finden.
Unterwegs kannst Du bequem noch einige weitere Döschen besuchen. Außerdem gibt es entlang der Strecke immer wieder ganz unterschiedliche Info-Tafeln sowie Rastgelegenheiten und wenn Du möchtest, kommst Du auch an einen Grillplatz mit Zusatzinformation zu Rebsorten (s. WP-Liste). Die T-Wertung ergibt sich aus der Streckenlänge und einigen etwas anspruchsvolleren Bereichen und ist bewusst vielleicht etwas höher angesetzt. Auch besteht stellenweise ausgeschilderte Steinschlaggefahr wie im Hochgebirge. Sei dort besonders vorsichtig und aufmerksam. Wähle das Schuhwerk weise, auch wenn der Weg oft Flip-Flop tauglich erscheint. Und denke daran, dass Du auf dem Weg nach oben eine Zeitreise mit Zeitsprung über viele Millionen Jahren vollführst.

Viel Spaß auf der Runde und viel Erfolg beim Lösen der Aufgaben!

Logbedingungen und Aufgaben:

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

Du solltest in Besitz folgender Tools sein:

Outdoor:
Zollstock, Probensäckchen (Gefäß) ca. 100ml, Kamera, Lupe, Hammer (ca. 300g), Meißel, kleines Schäufelchen oder altes Messer zur Probenentnahme, Ausdruck vom „Magic Tool“ im Anhang, 10%ige Salzsäure, Schutzbrille.

Indoor:
Geeignete Ritzwerkzeuge nach Mohs, Waage mind. 1g Genauigkeit (ggf. Obstwaage im Supermarkt oder Schraubenwaage im Baumarkt ).

Sicherheitshinweise:
Beim Umgang mit Säuren ist wegen der Spritzgefahr beim Verdünnen und dem teilweise sehr reaktiven Verhalten bei Kontakt mit bestimmten Materialien eine Schutzbrille Pflicht. Bei Hautkontakt mit Wasser spülen. In der Regel findest Du etwa 20%ige Salzsäure im Baumarkt, so dass Du die Säure vorher erst noch auf 10% verdünnen musst. Da Säure bei Wasserkontakt so heiß werden kann, dass sie wie Wasser in heißem Öl spritzt, gilt generell streng die Regel, immer die Säure in kleinen Portionen zum Wasser zu geben (nie umgekehrt) und zu verrühren. Willst Du eine 10%ige Säure aus einer 20%igen machen, so füllst Du also x ml Wasser ab und verrührst in kleinen Portionen ebenfalls x ml der 20%igen Säure, um am Ende 2x ml der 10%igen Salzsäure zu erhalten (genügend genau für unsere Bedürfnisse). Zum Transport empfiehlt sich ein unzerbrechliches Plastikfläschchen, das natürlich entsprechend beschriftet sein muss. Ein Etikett findest Du im Anhang.

Aufgabe 1:
Kalkstein hat große wirtschaftliche Bedeutung und wird zu diversen Produkten weiterverarbeitet. Fasse in eigenen Worten den sog. Kalkkreislauf zusammen, der Dir auch auf der Strecke immer wieder begegnet.

Aufgabe 2:
Finde auf der Strecke den Kalksteinblock (s. Bildergalerie). Berechne sein Volumen (es darf großzügig gerundet werden) und bestimme dann unter der Annahme „reiner Kalkstein“ die Masse des Felsblocks.

Aufgabe 3:
Am Isteiner Klotz ist das Gestein großflächig praktisch überall nur aus Kalk aufgebaut, doch auf Deinem Rundgang begegnet Dir zumindest eine auffällige Ausnahme (>400kg). Finde sie und bestimme ihre Koordinaten. Dann betrachte das Objekt genau (Lupe) und sammle Argumente, die im Zuge der Gesteinsunterscheidung Kalkstein ausschließen. Vielleicht hast Du auf der Strecke ja auch einige Fotos von Kalkstein-Musterexemplaren (s. z.B. Aufg. 4) gesammelt, die Dich hier unterstützen könnten.

Aufgabe 4:     Allee der Kalksteine     N47 39.909     E007 32.923
Entlang des Wegs triffst Du hier auf eine Reihe aus Kalksteinblöcken. Suche Dir drei Steine aus, beträufle sie vorsichtig mit ein paar Tropfen Salzsäure (Schutzbrille!) und beschreibe Deine Beobachtung.
Mit 10%iger Salzsäure lässt sich Calciumcarbonat (Calcit, Aragonit, Vaterit) von Calcium-magnesiumcarbonat (Dolomit) unterscheiden. Dolomit reagiert mit 10%iger Salzsäure praktisch nicht. Wie viele Deiner untersuchten Steinblöcke hältst Du für Dolomit?
Wenn Du Glück hast, kannst Du auch die eine oder andere Koralle entdecken. Dann wäre ein Foto zum Zeigen super.

Aufgabe 5:     N47 39.430     E007 32.816
Von hier hast Du einen sehr guten Einblick in den Steinbruch. Beschreibe die Kalkschichten an der Ostseite.
Ganz in der Nähe bei Ref.11 gibt es anschließend eine erste Rastmöglichkeit, bevor es dann ca. 200 m den Weg zurück und über Ref.12 weitergeht.

Aufgabe 6: N47 40.160 E007 33.195
Finde hier den Kalkstein der Bildergalerie und betrachte ihn genau (Lupe). Beschreibe was Du entdecken kannst.

Aufgabe 7: N47 40.284 E007 33.356
Eine wichtige und einfach zu bestimmende Größe zur Charakterisierung von Mineralien ist die Mohs’sche Härte, die auf einer nichtlinearen Skala von 1 bis 10 Mineralien entsprechend ihrer Härte gruppiert. Finde unter dem hier am Boden liegenden Kalksteinbruch einen leicht spaltbaren, extrem feinkörnigen und homogenen Kalkstein (bis ca. 6cm) und spalte ihn mit Hammer und Meißel. Mache ein Foto von den beiden Bruchflächen und lade es mit Deinen Antworten hoch.
Ritze nun die Bruchflächen mit Deinen Werkzeugen und versuche die Mohs’sche Härte zu ermitteln. Wie brauchbar und sinnvoll schätzt Du Dein Ergebnis ein und begründe.

Aufgabe 8: N47 40.320 E007 33.467
Hier kannst Du eine größere Kalksteinwand aus nächster Nähe betrachten. Benutze auch Deine Lupe und untersuche einige Stellen in Augenhöhe. Beschreibe was Du vorfindest.
Verlasse dann das Areal über Ref.20 wie Du gekommen bist und folge den weiteren WPs.

Aufgabe 9a: N47 39.979 E007 31.773
An diesem Wegpunkt triffst Du auf vom Wind abgelagerten, eiszeitlichen Löss. Er stellt zeitlich die modernste Bodenschicht am Isteiner Klotz dar und findet sich demzufolge ganz oben. An der Lössstelle sorgt die Natur regelmäßig in Form von Brennnesseln und Brombeerranken für Tarnung. Schützende Kleidung ist dort von Vorteil. Je nach Jahreszeit sieht man hier auch vereinzelt Wildbienen fliegen, die gerne in den weichen Löss Höhlen für ihre Gelege bauen. Bitte darauf achten und nichts zerstören. Danke für den Tipp und die Entdeckung an Waldi40 im April/Mai 22. Nimm eine Lössprobe (ca. eine Handvoll), achte dabei auf Homogenität und sortiere ggf. Steinchen oder organische Verunreinigungen aus.
Bestimme dann die Schüttdichte der Lössprobe in g/cm³. Wie der Name sagt, ist es die Dichte, die durch bloßes Schütten generiert wird, ohne dass die Probe dabei gepresst, gerüttelt oder sonst wie verdichtet wird. Dabei ist die Schüttdichte eine charakteristische Kenngröße, mit der sich generell schüttfähiges Material beschreiben lässt und aus der Aussagen bzgl. weiterer wichtiger Größen wie z.B. die Porenziffer und Wasserspeicherfähigkeit gewonnen werden können. Denke aber bei Deiner Bestimmung auch an den Wassergehalt einer frisch gesammelten Bodenprobe, der Deinen Wert verfälschen wird und treffe entsprechende Vorkehrungen!
9b) Fülle zur weiteren Untersuchng eine Messerspitze Deiner Bodenprobe in ein Schnapsglas (oder Ähnlichem). Fülle dann das Glas vorsichtig (Schutzbrille) ca. 2cm hoch mit Deiner 10%igen Salzsäure auf und beobachte. Lasse alles 10min ruhen und gieße anschließend die Säure unter fließendem Wasser vorsichtig ab (Achtung: Salzsäurespritzer können Chrom- und Edelstahlteile irreversibel verfärben). Beschreibe den Rückstand und erkläre was Du während des Versuchs beobachten konntest.

Aufgabe 10:     N47 39.773     E007 31.847
Hier stehst Du auf dem südwestlichsten Punkt der Grabenbruchscholle und vor Dir liegt das Becken, das vor 150 Mio. Jahren von Meer überflutet war. Man kann sich gut vorstellen, wie nach und nach die umgebenden Gipfel bei der Anhebung der Landmassen aus den Fluten aufgetaucht sind. Ganz im Westen findest Du die Vogesen, die sich erst viel später bildeten, aber weiter im Südwesten wird Dein Blick durch ein Mittelgebirge begrenzt, das seinen Namen dem Erdzeitalter verdankt, in dem es gebildet wurde. Stratigraphisch entspricht sein Gestein in etwa der unteren Basis des Isteiner Klotzes und auch seine korallenbasierte Entstehungsgeschichte sowie das strukturelle Aussehen der Kalkschichten sind sehr verwandt mit ihm. Peile leicht links am auffälligen, bereits auf französischer Seite liegenden Schleusenbauwerk vorbei über das Jura-Becken hinweg und bestimme Namen und Entfernung des höchsten vor Dir liegenden Gipfels.

Aufgabe 11:     N47 39.674     E007 31.825
An dieser Stelle versperrte der Isteiner Klotz dem Rhein den Weg nach Norden bis er von Tulla Ende des 19. Jahrhunderts ein neues Bett erhielt. Doch bis zu diesem Zeitpunkt war der Felsen für einige hunderttausend Jahre lang Prallhang und die Auswaschungen erinnern seitlich betrachtet an die Bugnase eines Schiffs.
Um wie viele Meter lag der Wasserspiegel des Rheins hier vor 600.000 Jahren höher? Wann schaute der Rhein an dieser Stelle in jüngerer Zeit besonders intensiv vorbei?

Aufgabe 12:     N47 39.701     E007 31.744
Von diesem Wegpunkt aus gesehen liegt der höchste Punkt des Felsens bei etwa 65° und in 96m Entfernung. Falte nun das „Magic Tool“ wie skizziert, damit es für Deine Messung stabil genug wird. Setze die Spitze zwischen den Augen an die Nasenwurzel, halte eine Kathete waagerecht, peile die obersten Schichten an und markiere sie auf dem Tool. Wiederhole die Messung fünf Mal und verwende dann den Mittelwert für die Höhenberechnung des Felsens.

Damit ist alles geschafft!
Wenn Du möchtest, darfst Du nach getaner Arbeit nun die Kalkbildner in Dein Profil einbauen.

Code:
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Refs & Pics: generell www.google.com & www.wikipedia.org, [3] www.geosociety.org, [4] www.unser-planet-erde.de, [5] www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften, [7] R. Laternser, Oberjurassische Korallenriffe von Nordostfrankreich und Südwestdeutschland, Univ. Stuttgart, 2000, [14] S. Wälti: aarelauf.ch/flussgeschichte-der-aare
und mit freundlicher Genehmigung zur Verwendung als Anschauungsmaterial für die nichtkommerzielle Nutzung:
[1] Google Earth Pro, [2] www.mineralienatlas.de, [6] www.paleontica.org, [ 8] www.thefossilforum.com, [9] fossilworks.org, [10] www.steinkern.de, [11] www.researchgate.net, [12] www.palaeontologische-gesellschaft.de, [13] Colorado Geosystems: deeptimemaps.com.