Gneise und Anatexite des Schwarzwalds

Gneise und Anatexite entstehen durch die Umwandlung (Metamorphose) unterschiedlicher Ausgangsgesteine u. a. im Verlauf gebirgsbildender Prozesse. Dabei werden Mineralbestand und Gefüge an höhere Druck- und Temperaturbedingungen angepasst. Als Gneis wird ein Gestein bezeichnet, das vor allem aus den Mineralen Feldspat und Quarz besteht und das parallel zu den Foliationsflächen orientierte Glimmer und/oder Amphibole aufweist. Man unterscheidet generell zwischen den Paragneisen, früher als „Renchgneise“ bezeichneten, und den Flaser- bzw. Orthogneisen, früher „Schapbachgneise“ genannt. Während die Paragneise aus Sedimentgesteinen wie Grauwacken, Arkosen und Tonsteinen gebildet wurden, gehen die Flaser- bzw. Orthogneise aus magmatischen Gesteinen wie Granit und Granodiorit hervor (Werner & Dennert, 2004; Geyer et al., 2011). Para- und Orthogneise treten vorwiegend im nördlichen Zentralschwarzwälder Gneiskomplex auf.

Der südliche Zentralschwarzwälder Gneiskomplex besteht neben Paragneisen aus Anatexiten. Die insbesondere zwischen Kandel, Schauinsland und Feldberg vorkommenden Anatexite waren bei ihrer Metamorphose im Gegensatz zu den Gneisen so hohen Temperaturen ausgesetzt, dass es zur teilweisen bis vollständigen Aufschmelzung der Gesteine kam. Es können zwei Gruppen von Anatexiten unterschieden werden: Metatexite und Diatexite. Gesteine mit einer deutlichen Trennung zwischen hellen und dunklen Lagen sowie einem oftmals durch Schlieren und Falten dominierten Gefüge werden als Metatexite bezeichnet. Die Trennung in helle und dunkle Minerallagen kommt durch die partielle Aufschmelzung des ursprünglichen Materials zustande. Bei einer weitgehenden Aufschmelzung des Ausgangsgesteins entstehen Diatexite, die ein regelloses, granitähnliches Gefüge aufweisen, das nur stellenweise eine reliktische Foliation besitzt. Im Südschwarzwald werden die auftretenden Gneise als „Gneisanatexite“ bezeichnet. Es handelt sich hierbei um Gesteine, die meist eine straffe Foliation aufweisen und durch schlieriges bzw. lagig adriges, aufgeschmolzenes Material durchdrungen sind.

Die Gneise und Anatexite des Zentralschwarzwälder Gneiskomplexes werden im Norden durch das Nordschwarzwälder Granitmassiv und im Süden durch den Randgranit der Badenweiler–Lenzkirch-Zone sowie den Bärhalde-Granit begrenzt. In östlicher Richtung tauchen die Metamorphite mit einem flachen Winkel unter das Deckgebirge ab. Am westlichen Rand des Schwarzwalds sind die Gneise entlang der Schwarzwaldrandverwerfungszone und weiterer NNO–SSW-gerichteter Störungen während der Bildung des Oberrheingrabens in größere Tiefe abgesunken. Im Graben überlagern mächtige mesozoische und känozoische Sedimentgesteine das metamorphe Grundgebirge – im Raum Rastatt z. B. in einer Mächtigkeit von 5400 m (Rupf & Nitsch, 2008). Die variskischen Metamorphite treten in den Vogesen wieder zu Tage. Im zentralen und östlichen Teil des Südschwarzwälder Gneiskomplexes, von Schönau bis Laufenburg sowie von Wehr bis nordöstlich von Waldshut-Tiengen, treten metamorphe Gesteine im Wiese-Wehra-Komplex sowie in den Gneisanatexiten vom Typ Todtmoos und Murgtal auf.

Die mehrstufige Metamorphose im Zentralschwarzwald begann im Unterkarbon vor 350 Mio. Jahren mit einer eklogitfaziellen Überprägung, die heute nur noch in Relikten vorhanden ist (Geyer et al., 2011). In dieser ersten Metamorphosephase wurden Hochdruckbedingungen bei niedrigen Temperaturen (1–2 GPa, 600–750 °C) erreicht, was auf eine Versenkungstiefe von 35–60 km schließen lässt. Bei ihrem nachfolgenden Aufstieg in höhere Krustenbereiche um ca. 340 Mio. Jahre wurden die Gesteine unter granulitfaziellen Bedingungen, Drücken um 1 GPa, was einer Tiefe von ca. 30–35 km entspricht, und gestiegenen Temperaturen (wahrscheinlich bis 850 °C) überprägt. Ihr heutiges Erscheinungsbild erhielten die metamorphen Gesteine des Schwarzwalds vor 330–335 Mio. Jahren. Bei Temperaturen um 575–700 °C und Drücken von 0,2–0,8 GPa (8–25 km Tiefe) kam es zur Vergneisung und teilweisen Aufschmelzung der Gesteine, wodurch sich die typischen Wechsel zwischen hellen und dunklen Lagen bildeten. Die Ursache für die Metamorphose der Ausgangsgesteine im Zentralschwarzwald war die Kollision zweier Kontinente während der variskischen Gebirgsbildung (Werchau et al., 1989; Kalt et al., 2000; Geyer et al., 2011; Hann & Zedler, 2011).

Tabelle: Mineralbestand metamorpher Gesteine im Gebiet Freiburg und Umgebung nach Groschopf et al. (1996)

Die Korngrößen der Gesteine reichen von fein- bis mittelkörnig. Grob- bis riesenkörnige Mineralaggregate sind selten. Hierbei handelt es sich meist um während der Metamorphose aufgeschmolzene Gesteinsanteile aus Quarz und Kalifeldspat. Häufig ist eine Wechsellagerung von hellen und dunklen Lagen zu erkennen, die auf eine Konzentration von körnigem Quarz und Feldspat und blättrigem bis nadeligem Biotit und Sillimanit zurückzuführen ist. Typisch für alle metamorphen Gesteine ist die Foliation. Die Foliationsflächen weisen Abstände im Milli- bis Zentimeterbereich auf. Paragneise und Anatexite mit hohem Biotitgehalt besitzen meist eine straffe, engständige Foliation. Die Schichtsilikate sind in die Foliationsebene eingeregelt und behindern die Kornverzahnung der Quarze und Feldspäte. Eine Gewinnung großer Werksteinblöcke ist aus Paragneisen und anderen biotitreichen Metamorphiten des Schwarzwalds daher nicht möglich.

Ein Hauptproblem bei der Gewinnung von Schwarzwälder Gneisen und Anatexiten für Werksteinmaterial ist die engständige Durchklüftung der Gesteine. Sie ist einmal auf die junge Tektonik am Oberrheingraben und die rasche und starke Heraushebung des Grundgebirges zurückzuführen. Das Gesamtausmaß der vertikalen Bewegungen zwischen der tiefsten Grabensohle und den gehobenen Schultern auf beiden Seiten des Grabens beträgt rund 5000 m (Groschopf & Villinger, 1998; Villinger, 2011). Da die Hebung nicht gleichmäßig stattfand, zerbrachen die Gesteine der Grabenschultern in viele Einzelschollen. Zum anderen stehen die Grundgebirgsgesteine unter Druck- und Zugspannungen, die auf die Kollision großer tektonischer Platten (Afrikanische und Eurasische Platte) zurückgehen. Man könnte es auch – strukturgeologisch nicht ganz korrekt – so sagen: Der aufsteigende Alpenbogen drückt auf sein nördliches Vorland und verursacht besonders in den harten und spröden Gesteinen des Grundgebirges intensive Zerbrechung.

Technische Eigenschaften: Aufgrund dieser häufigen Trennflächen in den Metamorphiten ist es schwer, große Rohblöcke für die moderne Werksteinbearbeitung zu gewinnen. Derzeit werden, wie eingangs ausgeführt, Gneise und Anatexite hauptsächlich zur Erzeugung von Verkehrswegebaumaterial gewonnen. Daher liegen nur wenige gesteinsphysikalische Analysen für Naturwerksteine vor. Eine Auswertung von Prüfzeugnissen der Fa. Porphyrwerk Detzeln (D, ein Unternehmen der Schweizer Eberhard Bau AG) von 2008, der Fa. Uhl (U) von 1999 und weiteren bei Betriebserhebungen des LGRB erhaltenen Angaben sowie eines LGRB-Gutachtens (Az. Nr. III/6a‑520/65 vom 24.09.1965), lieferte folgende Werte für Paragneise, Metagrauwacken, Gneisanatexite und Flaser- bzw. Orthogneise:

¹⁾ Im Allgemeinen sind die Gneise und Anatexite frostbeständig und polierfähig.

Für die Anatexite des Schwarzwalds liegen keine technischen Daten vor.

Obwohl Gneise und Anatexite in einer Vielzahl von Steinbrüchen im Schwarzwald abgebaut wurden, fand eine Nutzung der Gesteine als Naturwerksteine auch früher nur in geringem Maße statt. Man nutzte diese hauptsächlich für Fundamente, Sockelgeschosse und Stützmauern (Groschopf et al., 1996), wie sie heute noch an einigen Schwarzwaldhäusern und entlang der Bahnlinien im Schwarzwald zu sehen sind. Metz (1980), Thürach (1897, 1901) und Sauer (1894) geben für die Verwendung von Gneisen des Hotzenwalds und des Kinzigtals vor allem den Verkehrswegebau, wie z. B. Straßen- und Eisenbahnbau, an.

(1) Im Kinzigtal findet in den Steinbrüchen Steinach und Hausach (RG 7714‑1 und ‑2) der Abbau von Biotit-Flasergneisen statt. Dort stehen sie mit einer nutzbaren Mächtigkeit von 100–115 m an. Die Gneise sind fein- bis mittelkörnig und setzen sich aus Quarz, Feldspat und Biotit zusammen. Biotitaggregate sind straff in die z. T. stark gefaltete Foliation eingeregelt und liegen als „Flasern“ (nicht durchgängige Biotitlagen) vor, wodurch eine gute Kornverzahnung und Härte gewährleistet ist. Nur in den biotitreichen Partien nimmt die Festigkeit ab. Im Bereich von tektonischen Störungen ist das Material für eine Nutzung als Naturwerkstein nicht geeignet. In diesen Störungszonen ist der Gneis tektonisch zerschert und zeigt meist rote bis grünliche Färbungen durch Hämatit und Chlorit. Im Gegensatz dazu sind auf den Kluftflächen die Minerale Kalzit und Quarz vorherrschend. Untergeordnet kommen Hämatit, Chlorit, Limonit, Dolomit und Pyrit vor. Die Hauptkluftrichtungen in den Steinbrüchen Steinach und Hausach streichen NNO–SSW, NO–SW, O–W, SO–NW und NNW–SSO und fallen mit 40–90° in alle Himmelsrichtungen ein. Diese Vielzahl von Kluftrichtungen ist vor allem auf die oben erwähnten tektonischen Bewegungen am Rand des Oberrheingrabens zurückzuführen. Die Abstände der Trennflächen schwanken zwischen wenigen Zentimetern und 1–2 m, wodurch die Rohblockgröße limitiert wird.

(2) Im Steinatal, nordöstlich von Waldshut-Tiengen, liegt ein weiteres Vorkommen naturwerksteinfähiger Gneise und Anatexite. Im Steinbruch Detzeln, auch unter dem Namen Steinbruch Krenkingen bekannt (RG 8315‑1), stehen neben Granitporphyrgängen Gneisanatexite vom Typ Murgtal an. Der auf ca. 60 m Mächtigkeit aufgeschlossene Gneisanatexit von Detzeln ist ein mittelgrauer, metatektisch überprägter Paragneis aus den Hauptbestandteilen Plagioklas, Orthoklas, Quarz, Biotit und Cordierit. Das Gestein besitzt ein fein- bis mittelkörniges, straff geregeltes Gefüge. Besonders auffällig ist der Wechsel zwischen 1 mm bis 15 cm breiten, hellen, quarz- und feldspatreichen sowie dunklen, biotitreichen Lagen. In das Gestein ist während der Metamorphose aufgeschmolzenes Material eingedrungen, welches heute als helle, quarz- und feldspatreiche, unregelmäßige Einschaltung vorliegt. Dünnschliffanalysen des Mineralogisch-Petrographischen Expertisenbüros Dr. F. Röthlisberger zeigen eine gute Verzahnung der Minerale, welche dem Gestein eine besonders gute Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchung sowie Verwitterungsbeständigkeit verleiht. Da sich die Gneisanatexite vom Typ Murgtal zur Herstellung von Gleisschottern eignen, ist eine Verwendung als Naturwerkstein bei günstigen Kluftabständen ebenfalls möglich. Gegenüber den Granitporphyrgängen sind die Gneisanatexite aber engständiger geklüftet (durchschnittliche Kluftabstände ca. 1 m). Die Hauptklüfte sind NNO–SSW- und O–W-orientiert. Untergeordnet treten NW–SO und NO–SW Kluftrichtungen auf. Die Trennflächen bilden ein polygonales Kluftsystem.