GeoZentrum NordbayernGeologische Blätter für NordostbayernKarsthydrogeologie im Lillachtal

östlich Dorfhaus/Ldkr. Forchheim


BAIER, Alfons (2007): Karsthydrogeologische Untersuchungen im Lillachtal östlich von Dorfhaus/Ldkr. Forchheim (Nördliche Frankenalb).- Geol. Bl. NO-Bayern 57, 1-4: 173-208, 13 Abb., 3 Taf., Erlangen 2007.

Einleitung

Am W-Rand der Frankenalb, rund 21 km ENE´ Erlangen, befindet sich in der idyllischen Landschaft des Albtraufs das landschaftlich reizvolle Lillachtal. Der namensgebende Karstbach entspringt im Lillinger Wald S´ des Dornberges 1800 m ENE´ der Ortschaft Dorfhaus bzw. 1000 m S´ der Gemeinde Lilling (Ldkr. Forchheim). Dieses heute der Gemeinde Gräfenberg zugehörige Dorf wurde bereits 1205 als "Luglingen" urkundlich erwähnt und bedeutet -- als altbaierische Besitzbezeichnung -- soviel wie "bei den Leuten des Lugilo" (MAAS 1995). Dieser Ortsname wurde später auf den benachbarten Bach übertragen, wobei das Grundwort "-ach"ein altes germanisches Wort darstellt und auf indogermanisch "akua" = "fließendes Wasser" zurückgeht.

Hydrografisches Einzugsgebiet der Schwabach bei Erlangen mit der Lillach an ihrem ENE-Rand

In einiger Entfernung W´ seiner Quelle baut das kleine Fließgewässer mächtige Kalktuffstufen und -terrassen von imposanter Ausprägung auf. Diese Bachkalke stellen ein für Nordbayern einzigartiges Naturschauspiel dar. Nach einer Fließstrecke von rund 4 km durch die Orte Dorfhaus und Weissenohe mündet die Lillach in die -- am Nordrand von Gräfenberg entspringende -- Kalkach, welche über den Aubach bei Igensdorf in die Schwabach eingeht, die wiederum im Stadtgebiet von Erlangen in den Hauptvorfluter Regnitz entwässert.

Lillachquelle und Kalktuffterrassen bei Dorfhaus/Ofr.

Die Kalktuffbildungen der Lillach werden von Naturfreunden als eine der schönsten in Deutschland angesehen und wurden aufgrund ihrer besonderen Ausprägung und morphologischen Einzigartigkeit bereits 1976 als Naturdenkmal ausgewiesen. Von 1995 ab ist das Lillachtal in die Schutzzone "Naturpark Fränkische Schweiz-Veldensteiner Forst" integriert.

Seit mehreren Jahrzehnten wird das Lillachtal von vielen Touristen und Naturfreunden als beliebtes Ausflugsziel aufgesucht. Die starke Besucherfrequenz und die hierdurch bedingte intensive Begehung des schmalen Ufersaums entlang von "Trampelpfaden" sowie Hochwässer im Frühjahr bzw. nach Starkniederschlägen führten zu Verlagerungen des Bachlaufs. Weiterhin bedingte das Einspülen von Erdreich aus dem parallel zur Lillach verlaufenden Schotterweg eine massive Veränderung der Bachsedimente und hatte auch eine starke Zunahme des Nährstoffdargebots im Bachwasser und -sediment zur Folge. Die Lillach verlagerte zunehmend ihren Lauf und das ursprüngliche Bachbett mit den beeindruckenden Kalktuffbecken wies eine immer geringer werdende Wasserführung auf. Im Jahre 1997 drohten die Kalktuffterrassen sogar endgültig auszutrocknen, was auch das nahe Ende der Bachkalkbildungen bedingt hätte. Daraufhin führte die Gemeinde Weißenohe eine Sanierung der Lillach mit ihren Kalktuffstufen durch. Das Bachufer wurde mit großen Steinen befestigt, ebenso erfolgte eine Reinigung der Kalktuffbecken.

Zum künftigen Schutz der Kalktuffe traf die Gemeinde Weisenohe umfangreiche Vorkehrungen: Die Wanderwege wurden ausgebaut und in ihrem Verlauf vom Bach getrennt sowie mit Holzstegen und Geländern gesichert. Diese sehr kostenaufwändige Umgestaltung wurde mit Mitteln der Europäischen Union gefördert und vom Landschaftspflegeverband Forchheim unterstützt. Im April 1998 konnte das Naturdenkmal Lillachtal wieder für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.

Nunmehr führt -- von Dorfhaus ausgehend -- ein bequemer, markierter Fußweg vorbei an Fischweihern hinein in den Lillinger Wald zum pituresken Karsttal mit der Lillachquelle. Entlang des Wanderweges wurde ein Lehrpfad eingerichtet, auf dessen Schautafeln die geologischen, biologischen und botanischen Besonderheiten des Lillachtals aufgezeigt werden.

Eingang in das Lillachtal östlich Dorfhaus/Ofr.

Das "Ökotop Lillachtal" stellt zum heutigen Zeitpunkt ein Rückzugsgebiet für viele seltene und vom Aussterben bedrohte Pflanzen- und Tierarten dar: Hierzu zählen beispielsweise Wasseramsel, Feuersalamander, Gelbbauchunke, die Grosslibellenart "zweigestreifte Quelljungfer" und das Moschuskraut. Weiterhin wurden 120 Schmetterlingsarten, darunter Schwalbenschwanz und Brombeerzipfelfalter sowie eine Vielzahl seltener Käferarten beobachtet, wobei rund die Hälfte dieser Tierarten auf der "Roten Liste" steht. Der "Karstbach Lillach" mit seinem relativ kühlen und -- unter naturnahen Bedingungen -- nährstoffarmen Wasser stellt den Lebensraum eigens an dieses Ökotop angepasster Spezialisten dar. So finden in Mitteleuropa etwa 1.500 Tiere und Pflanze ihren Lebensraum in unmittelbarer Nähe derartiger Quellwässer; hiervon sind mehrere Hundert Arten als extreme Spezialisten auf die spezifischen ökologischen Verhältnisse der Kalktuffquellen und -bächen angewiesen und haben als Krenophile oder Krenobionte besondere Anpassungsmechanismen an die konstant kühlen Temperaturen des ursprünglich oligotrophen Quellwassers entwickelt.

Die geologischen Verhältnisse im Lillachtal

Die Doggerschichten nehmen im Lillachtal große Flächen ein. Während die Opalinustone noch eine sehr sanfte Morphologie ausgebildet haben, verursachen die Eisensandsteine den ersten kräftigen Steilanstieg der Talhänge. Hierüber bilden die tonig-mergeligen Gesteine des Oberen Dogger eine schmale, jedoch ausgeprägte Verebnung, über welcher dann der markante Steilanstieg der Malmschichten folgt.

Geologische Karte des Lillachtales östlich Dorfhaus/Ofr.

Dogger

Die Doggersedimente erreichen im Lillachtal eine Gesamtmächtigkeit von rund 140 m, wobei auf den Opalinuston (Dogger alpha) und auf den Eisensandstein (Dogger beta) etwa 130 m entfallen.

Der Opalinuston mit einer mittleren Mächtigkeit von von 70 m bis 80 m baut den Untergrund von Dorfhaus auf. Lithologisch gesehen besteht er hauptsächlich aus braungrauen, feingeschichteten, kalkigen Mergeltonen mit eingeschalteten dunkelgrauen Toneisensteingeoden und Mergelkalklagen. Die Opalinustone neigen häufig zu Rutschungen; vor allem an der Grenze Opalinuston/Eisensandstein kommt es noch heute zu Abschlämmungen.

Die rund 60 m mächtigen Eisensandsteine setzen sich im Liegenden aus fein- bis mittelkörnigen, rotbraunen, glimmerreichen Sandsteinbänken und Konglomeratlagen aus Kalksandsteingeröllen zusammen; zwischengeschaltet sind dunkelgraue, bisweilen sandige Tonlagen. Im Hangenden dieser Sandsteinfolge folgt der Hauptflözhorizont, in welchen mehrere 0,5 m bis 2 m mächtige oolithische Brauneisenerzflöze eingeschaltet sind (v. FREYBERG 1956). Darüber treten gelbbraune, feinkörnige und sehr mürbe Sandsteinlagen auf (DORN 1958). Vor allem die festen, gelbbraunen Doggersandsteine bilden morphologisch steile Gehängeformen aus.

Beim Doggersandstein wirkt der unterlagernde Opalinuston in seiner Gesamtmächtigkeit wasserundurchlässig und stellt die Sohle des Dogger-Aquifers dar. Der in die obersten Eisensandsteine eingeschaltete, mehrere Meter mächtige, graue, stellenweise sandige Discites-Tonhorizont wirkt regional als weitere Aquiclude und äußert sich als morphologische Verflachung und Quellhorizont im Gelände.

Aus dem Oberen Braunjura streicht im Lillachtal -- in einem schmalen Band entlang des Albtraufes -- eine Wechselfolge von harten, braungrauen bis rötlichen Kalksandsteinen, graubraunen Oolithmergeln und Tonschichten aus. Die Gesamtmächtigkeit dieser "Oolithkalke" des Dogger delta bis epsilon beträgt bei Lilling 6,4 m; die Schichten des Dogger gamma scheinen hier hingegen nicht ausgebildet zu sein (SCHMIDTILL 1953).

Die Sandsteine des obersten Dogger beta sowie die Oolithkalke besitzen grundwasserleitende Eigenschaften; sie werden -- obwohl durch den Disciteston vom unteren Doggersandstein getrennt -- formal noch zum Dogger-Aquifer gezählt.

Der Ornatenton des Dogger zeta besteht im Lillachgebiet aus rund 9 m mächtigen, dunkelgrauen, glaukonitischen Mergeltonen, in welche zahlreiche Phosphoritkonkretionen eingelagert sind.

Der Ornatenton bilden zusammen mit den Kalkmergeln des Malm alpha eine Aquiclude, die den Dogger-Grundwasserleiter vom überlagernden Malm-Karstaquifer hydrologisch trennt und als ausgeprägter Quellhorizont wirkt. Auf die feuchte Beschaffenheit der Böden des Oberen Doggers weist im Lillachtal das Vorkommen von Sumpfpflanzen und Sauergräsern sowie von Orchideen und von Erlenbüschen hin (DORN 1958).

Malm

Über der morphologisch nur flach ansteigenden Ornatentonterrasse setzen die Malmschichten mit den an der Basis dunkelgrauen, glaukonitischen, sandigen Mergeln und Mergelkalkknollen des Malm alpha ein ("Glaukonitschicht"). In deren Hangenden folgt eine Wechsellagerung von grauen, kompakten, bisweilen knollig ausgebildeten Mergelkalkbänken und geringmächtigen schiefrigen Mergellagen. Diese "Unteren Mergelkalke" erreichen im Lillachgebiet eine Mächtigkeit von rund 10 m.

Darüber folgen die geringmächtigen, grauen und dünnblättrigen Mergelkalke an der Basis des Malm beta. Über diesen stehen mit steilem Anstieg die harten und muschelig brechenden, grauweißen Werkkalke an; sie erreichen im Lillachtal eine Gesamtmächtigkeit von 16 bis 20 m. Diese Bankkalke enthalten bisweilen kleine Hämatitkonkretionen.

Im Hangenden der Werkkalkstufe folgen die 35 bis 40 m mächtigen, etwas weicheren, glaukonitischen Mergel und Kalke des Malm gamma ("Obere Mergelkalke"). Ihre liegenden Partien werden von der insgesamt rund 2 m mächtigen Wechselfolge fossilreicher Kalke und Kalkmergel der Platynotaschichten aufgebaut. Darüber folgen graue, grobbankige Kalke mit einer Gesamtmächtigkeit von 12 m. Die hangenden Bereiche der "Obere Mergelkalke" werden von einer bis 1,3 m mächtigen, sehr fossilreichen Schichtenfolge von Mergel- und Mergelkalkbänken sowie der darüber anstehenden, monotonen Abfolge von grauen Kalkbänken, Mergeln und Mergelkalken aufgebaut.

Hellgraue, massige Schwammkalke des Malm gamma stehen auf der Albhochfläche am Dornberg zwischen Lilling und dem Lillachtal an. Bisweilen sind in die oberen Malm-gamma-Kalke dunkelgraue Kieselkalkknollen eingelagert, welche häufig Fossilreste von Ammoniten, Muscheln und Brachiopoden enthalten (DORN 1958).

Die hellgrauen, massigen bis dickbankigen Schwammkalke des Malm delta streichen nur am Gipfel des Kohler-Berges ESE´ der Lillachquelle aus.

Geologisches und geomorphologisches Blockbild sowie Blockbild der Dogger-Malm-Grenze im Lillachtal zwischen Dorfhaus und Lillachquelle

Quartär

Die geringmächtigen Alblehme der "Albüberdeckung" entstanden infolge der Verkarstung der Karbonatgesteine. Bei diesen Vorgängen bleiben die unlöslichen Bestandteile der Karbonate als Rückstände übrig und werden somit an der Albhochfläche allmählich akkumuliert. Die sandig-lehmigen Verwitterungsschichten wirken lokal als wasserstauende Horizonte, auf denen sich das Niederschlagswasser in Tümpeln sammelt. Diese kleinen Stillgewässer ("Hüllen") dienten früher den Bewohnern der Albhochfläche als dürftige, hygienisch sehr problematische Wasserversorgung, waren für die Menschen in der Vergangenheit aber derart überlebensnotwendig, dass mehrere Dörfer auf der Karsthochfläche die Bezeichnung "Hüll" in ihren Ortsnamen führen.

Hydrogeologisch gesehen stellen die Alblehme die Karstgrundwasser-Deckschichten dar, was vordergründig als guter Schutz der Karstwasserressourcen vor direkten Eintrag kontaminierter Oberflächenwässer angesehen wird. Jedoch muss in praxi die Filterwirkung v.a. der sandigen Überdeckung aufgrund ihrer oftmals zu beobachtenden hohen Wasserdurchlässigkeiten als relativ gering eingeschätzt werden; auch die Böden aus Alb- und Lößlehm sind als "hydraulisch durchlässig" zu bezeichnen.

Da das Niederschlagswasser auf der Karsthochfläche rasch zur Versickerung kommt, erweist sich die Verkarstung in wasserwirtschaftlicher Hinsicht als sehr problematisch. Bedingt durch die denkbar schlechte Wasserfilterung im Karstgebirge können durch Niederschläge aus dem Boden ausgewaschene Schadstoffe -- wie Nitrate als Folge intensiver Felddüngung oder ausgebrachte Pestizide -- schnell und ohne wirksame Filterung in den Grundwasserkörper eingebracht werden. In diesem herrschen nicht wie bei Porengrundwasserleitern wohldefinierte Wasserwegsamkeiten, besteht also keine langsame Durchwanderung, sondern der unterirdische Abfluss findet in offenen Klüften, Gängen und Schlotten sehr rasch statt. Das Karstgrundwasser kann daher oft schon nach kurzer Zeit an Quellen ungefiltert wieder austreten.

Die bei Gräfenberg oder am Berghang SSE´ Dorfhaus ausgebildeten pleistozänen Bergrutsche und Bergstürze bestehen überwiegend aus Malmschollen und -scherben, vermengt mit tonigen Rutschmassen des Ornatentons. Bereits im Pleistozän war seit der Eintiefung der Karsttäler bis unter das Höhenniveau des ergiebigen Quellhorizonts der Dogger-Malm-Grenze die Voraussetzung zur Ausbildung von Felsstürzen und ausgedehnten Hangrutschen gegeben. Dies war dadurch bedingt, dass die auf der Albhochfläche in den zerklüfteten und verkarsteten Kalksteinen versitzenden Wässer auf dieser Aquiclude zum Auslauf kommen und somit für eine ständige Durchfeuchtung und Labilität der quellfähigen Tonschichten sorgen. Vor allem der Ornatenton wird an den Berghängen durch die Auflast der hangenden Malmschichten vielfach ausgequetscht, wodurch sich in den überlagernden Karbonaten häufig Hangabrisse und nachfolgende Felsstürze ausbilden (GOETZE et al. 1975).

Rezent zeigen sich diese überwiegend "fossilen" Bergrutschmassen und Hangrutschungen in der unruhig-buckeligen Geländemorphologie an den Talhängen unterhalb der "Ornatentonterrasse". Die meisten Bergrutschmassen am Albtrauf sind heute zwar zur Ruhe gekommen und mit Wald bestanden, können aber bei bei hohem Grundwasserdargebot (wie z.B. nach Starkniederschlägen) oder infolge größerer künstlicher Anschnitte wieder reaktiviert werden und in Bewegung geraten: Dies trat beispielsweise im Zuge der Baumassnahmen der Gräfenberger Umgehungsstrasse auf, wobei erst eine umfangreiche Entwässerung der labilen Sturzmassen die Bewegungen wieder abklingen ließ (DORN 1958). GOETZE et al. (1975) erwähnen in diesem Zusammenhang den im Februar 1972 abgegangenen Bergrutsch von Diepoltsdorf SE´ Lilling.

Die Talaue des Lillachtals besteht aus relativ groben Malm-Schuttmassen in einer feinkörnigen Grundmasse aus umgelagerten Verwitterungslehmen. Im Bereich des Doggersandsteins weisen die Auelehme stark zunehmende Sandgehalte auf.

Die Kalktuffe des Gräfenberger Gebietes haben aufgrund ihrer leichten Verwendbarkeit als Baumaterial schon früh die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich gezogen: So wurden die bei Gräfenberg vorkommenden Bachkalke noch in den Fünfziger Jahren als Werksteine gebrochen (DORN 1958). Im bergfeuchten Zustand erweisen sich die Kalktuffe als nur wenig feste, zerreibbare und löchrige Gesteine und lassen sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand zu Quadern behauen. Erst bei längerer Durchtrocknung werden die Steine sehr hart.

Für Kalktuffe typisch ist ihre Lage in den Nebentälern des Seichten Karstes: Die Gehängetuffe bilden hier Buckelformen, Talfüllungen ("Bachtuffe") oder amphitheaterähnliche Talschlüsse aus. In Nordbayern treten die quartären Kalktuffbildungen hauptsächlich am Albtrauf des Fränkischen Jura und in den einspringenden Tälern auf, finden sich also vorwiegend am Albrand.

Kalktuffe im Lillachtal östlich Dorfhaus/Ofr.

Die im Karstgebirge der Frankenalb aus dem mächtigen Malmkörper gelösten Karbonate werden im Karstwasserkörper unterirdisch weggeführt. Hauptsächlich an der Malm alpha/beta-Grenze, zum geringeren Teil an der Dogger-Malm-Grenze treten dann stark karbonathaltige Schichtquellen auf, deren Wässer die unterschiedlichen Formen der Karbonatablagerungen bedingen. Diese Kalktuffbildung ist gebunden an die Mitwirkung assimilierender Pflanzen und/oder verrottender Tier- und Pflanzenreste. Im Gegensatz hierzu tritt Kalksinter als lückenloses, aus Karbonatkristallen aufgebautes Gestein nur dort auf, wo assimilierende Pflanzen fehlen (BÖGLI 1978). Kalktuffe entstehen also unter Beteiligung von Algen und Moosen, während die Genese von Kalksinter abiogen als rein chemisch/physikalische Kalkfällung aus kalkhaltigen Wässern aufzufassen ist.

Die stark kalkabscheidenden Karstquellwässer liegen bevorzugt an der Peripherie der Frankenalb und stellen eine Leitform des seichten Karstes dar. Die abgesetzten Quell- und Bachkalklager sind an eine relativ konstante Schüttung der jeweiligen Quelle gebunden, weiterhin an eine große Verdunstungsoberfläche und an phytogene Kalkfällung vorwiegend durch Moose und Süßwasseralgen. Zeitlich gesehen erfolgte ihre Bildung hauptsächlich im postglazialen Klimaoptimum, dauert aber bis zum heutigen Tage unverändert an.

Kalktuffe im Lillachtal östlich Dorfhaus/Ofr.

Im Trubachtal N´ Egloffstein konnte LÜTTIG (1994) ein typisches holozänes Quellkalk-Torf-Profil beobachten. An dieser Lokalität überlagern bis 2,5 m mächtige Quellkalke boreale Bruchwaldtorfe, welche dem Ornatenton aufliegen. Die Quellkalke im Hangenden datieren (nach 14C-Untersuchungen von zwei eingelagerten Holzresten) in das ältere und das jüngere Atlantikum. Die Genese dieser Quellkalke fällt somit in den Abschnitt des postglazialen Klimaoptimums von 6000 bis 3000 v. Chr. Für diese Zeit ist in den meisten Quellkalkprofilen Mitteleuropas auch das Optimum der krenogenen Produktion gegeben, verursacht durch hohe Karstgrundwasserstände mit starken Quellschüttungen, maximaler Karbonatlöslichkeit und hoher Pflanzenproduktion. Während des Atlantikums waren in der Frankenalb klimabedingt die Karbonatlösung und die Quellwasserschüttung am höchsten; in diesem Abschnitt des Holozäns erreichten auch die oberirdische Quellkalkbildung und die unterirdische Versinterung ihren Höhepunkt. Auch PETZOLDT (1955) beschäftigte sich mit der Verbreitung und die Alterstellung von Kalktuffen in der Wiesent-Alb und ihrer Nachbarschaft. Für die Kalktuffvorkommen von Dorfhaus postuliert er eine "postglaziale Entstehung".

Die Vorgänge bei der abiogenen Kalkfällung sind hauptsächlich durch die Veränderungen des CO2-Gehaltes im Karstwasser bedingt. Das kalziumhydrogenkarbonatreiche Karstwasser erfährt durch die Druckentlastung beim Austritt aus dem Gebirge, seiner Erwärmung durch die Atmosphäre sowie durch die -- bei steigender Fließgeschwindigkeit stark zunehmende -- turbulente Verwirbelung und Durchmischung mit der Luft eine beträchtliche Veränderung seines CO2-Gehaltes. Dieser rein anorganische Vorgang verursacht die Bildung von Kalksinter. Die Veränderung des CO2-Druckes ist -- bei konstanter Wassertemperatur -- die wichtigste Ursache für die Störung des Gleichgewichtes und somit für die Karbonat-Ausfällung. Durch die CO2-Verluste stellt sich in der Lösung zunächst eine metastabile Übersättigung ein, welcher eine spontane Kalzit-, darauf Vateritausscheidung folgt (BÖGLI 1978).

Die zweite wichtige Ursache für Störungen des Lösungsgleichgewichts sind Temperaturänderungen des Wassers. Da kaltes Wasser wesentlich mehr Kohlendioxid aufzunehmen vermag als warmes Wasser, führt eine Temperaturerhöhung rasch zur Übersättigung an Kalziumhydrogenkarbonat. In den Bereichen des seichten Karstes, wo kaltes, mit Kalziumhydrogenkarbonat gesättigtes Wasser aus Quellen und Höhlengängen austritt, kann es sich beim Abfließen über Berghänge rasch erwärmen; hierdurch bedingt kommt es zur weiteren Ausscheidung von Kalktuffen.

Kalktuffe im Lillachtal östlich Dorfhaus/Ofr.

Schließlich bewirkt auch die Verdunstung des Quellwassers die Einengung und somit Übersättigung der Lösung und hierdurch verursachte Karbonatausscheidung. Eine besonders rasche Kalktuffbildung findet infolge der hohen Evaporation von -- in dünnen Wasserfilmen, aber großflächig -- abfließenden Quellwasser statt, was zu tuffähnlichen, kaskadenförmigen Absätzen führt. Verstärkt werden die rein physikalisch bedingten Evaporationsvorgänge durch die hohe Transpirationsleistung assimilierender Pflanzen wie Moose, welche die Kalktuffe häufig flächendeckend überziehen.

Bereits frühzeitig wurde das Phänomen erkannt, dass auch Pflanzen bei der Karbonatausfällung eine wichtige Rolle spielen. So bemerkte GÜMBEL (1861), dass sich Kalktuffe an den Stellen bilden, "wo Quellwasser über Wände herabträufelt, wo Moos sich an denselben angesiedelt hat, mit dessen Überrindung häufig die Tuffbildung ihren Anfang nimmt". Die Vorgänge bei dieser biogenen Kalkfällung sind hauptsächlich darin begründet, dass speziell angepasste assimilierende Pflanzen ihr Kohlendioxid statt aus der Luft direkt aus dem Karstquellwasser beziehen. Dieser CO2-Verlust des Quellwassers führt zu einer sehr raschen und starken Karbonatausfällung, wodurch sich die porösen, zerreibbaren und zahlreiche Pflanzenteile umschließenden Kalktuff-Sedimente bilden.

Kalktuffe im Lillachtal östlich Dorfhaus/Ofr.

Die aktive Rolle der Algen bei der biogenen Kalkfällung wurde zuerst von WALLNER (1933, 1934, 1935, 1936) erkannt und beschrieben: Er stellte fest, dass in schnell bewegten Fließgewässern die Oberflächen von Kalkablagerungen von Algen bedeckt werden, wobei sich diese Algen primär auf anorganisch ausgefällten Kalzitkristallen im Gerinnebett ansiedeln. Das im Bachwasser gelöste Kalziumhydrogenkarbonat wird von den Algen aufgenommen und in Kalziumhydroxid und Kohlendioxid aufgespalten, wobei das CO2 zur Photosynthese verwendet wird und das Kalziumhydroxid wieder in das Wasser abgegeben wird. Dieses ausgeschiedene Kalziumhydroxid reagiert mit dem Bikarbonat des -- die Algen umgebenden -- Bachwassers und fällt als Kalk aus. Bei diesen Vorgängen müssen die Algen rasch nach oben und zur Seite hin weiterwachsen, um der Einschließung durch ihre eigene Kalkausfällung zu entgehen (WALLNER 1933, 1934, 1936). Andererseits werden die Algen durch die Karbonatbildungen vor den Turbulenzen des strömenden Wassers geschützt.

Bedingt durch die wechselnden physikalischen und hydrochemischen Bedingungen  (pH-Wert, CaCO3-, CO2- und O2-Gehalt, Temperatur und Fließgeschwindigkeit des Bachwassers), welchen die Algen unterschiedlich angepasst sind, ergibt sich eine Zonierung kalkfällender Pflanzen im Bachbett (STIRN 1964). In Bayern treten n. GLASSL & SCHIEBER (1990) als wichtige Kalktuffbildner auf: Eiherzalgen (Oocardium depressum), Schlauchalgen (Vaucheria geminata), Blaugrünalgen (Lyngbya) und Bauchfadenalgen (Rivularia haematites).

Eine weitere, sehr wichtige Rolle bei der biogenen Kalkausfällung spielen den Kalktuffen aufwachsende Moose wie das Astmoos (Cratoneurum commutatum), das Quellmoss (Philonotis fontana) und das Quellsintermoos (Eucladium verticillatum). Die Moose fangen einerseits den anorganisch gefällten Kalk auf: Da sie ein dichtes Netzwerk aus Seitenästen und Nebenblättern aufbauen, bleiben die kleinen Kalkkristalle, welche mit dem Spritzwasser auf die Blätter gelangen, an ihnen hängen. Unterstützt wird der Vorgang dadurch, dass oftmals noch Algen auf den Blättern sitzen und wiederum die Kristalle mit ihren Gallerthüllen festhalten. Zusätzlich entziehen die lebenden Moosanteile durch ihre CO2-Aufnahme dem sie umgebenden Wasser das Kohlendioxid und verursachen hierdurch weitere Karbonatausfällungen an ihren Pflanzenaußenseiten.

Die Kalktuffe wachsen durch diese Vorgänge derart schnell in die Höhe, dass sich alle dort vorkommenden Moose durch ein starkes Spitzenwachstum auszeichnen müssen, um nicht im Kalktuff zu ersticken. Die kalzitumkrusteten tieferen Pflanzenteile sterben ab und die Moose können nur durch beständiges Weiterwachsen nach oben überleben.

Kalktuffe im Lillachtal östlich Dorfhaus/Ofr.

Bei der Zersetzung der kalzitumkrusteten Pflanzenteile tritt noch eine dritte Form der Kalkfällung auf, die auch für sich allein zu einer hohen Kalktuff-Bildungsrate führen kann:  Beim Verwesen organischer Substanz entsteht durch bakterielle Tätigkeiten Ammoniak, welcher mit dem Hydrogenkarbonat des Karstwassers reagiert und wasserlösliches Ammoniumkarbonat bildet; bei dieser Reaktion wird Kalk ausgefällt (VOIGTLÄNDER 1967). Dieser Vorgang ist vor allem bei den terrassenförmig ausgebildeten Kalktufflagern im Lillachtal als sehr ausgeprägt zu beobachten.

Durch die hohe Biomassenproduktion, die hierdurch hervorgerufene große Oberfläche der "Moos-Rasen" und die bekannte hohe Transpirationsleistung der Moose ist die sehr hohe Wasserverdunstung im Bereich der Kalktuffe zu erklären. So ist die Kalkfällung an den Stellen des Lillachbaches am stärksten, wo entweder das abströmende Karstwasser infolge hoher Fließgeschwindigkeiten und entsprechend hoher Verwirbelung große Mengen CO2 an die Atmosphäre abgibt und/oder eine große Algen- und Moos-Population dem strömenden Wasser Kohlendioxid entzieht und durch seine hohe Evapotranspiration die Bachwassermenge reduziert.

Die tektonischen Verhältnisse im Großraum von Gräfenberg

Das Lillachtal liegt an der SW-Flanke der herzynisch streichenden Veldensteiner Mulde, welche als -- für das Gebiet der Nördlichen Frankenalb dominierendes -- Haupt-Senkungsgebiet der insgesamt über 200 km langen Frankenalbfurche anzusehen ist. Das Generaleinfallen der Schichten im Lillachgebiet geht nach NE zum Muldenzentrum bei Bronn. S´ des Lillachtales stößt der erzgebirgisch streichende Ittling-Betzensteiner Sattel zur Veldensteiner Mulde hin vor, während sich im N die Gräfenberger Mulde anschließt.

Die Höhenlage des variszischen "Alten Gebirges" im Untergrund des Lillachgebietes liegt auf rund 250 m unter NN (DORN 1958): Somit erreicht das überlagernde postvariszische Deckgebirge hier eine Gesamtmächtigkeit bis 780 m. Der sanfte Sattel- und Muldenbau des mesozoischen Deckgebirges wird von einer Vielzahl herzynisch streichender Längs- und erzgebirgisch verlaufender Querstörungen mit überwiegend nur geringen Sprunghöhen durchzogen. So konnten GOETZE et al. (1975) an der E´ Lilling auf Bl. Betzenstein liegenden Naifer-Quelle die herzynisch streichende Verwerfung von Großengsee beobachten: Diese steil einfallende Abschiebung erreicht hier eine Sprunghöhe von rund 15 m. Nahezu rechtwinklig durchquert wird diese von einer erzgebirgisch verlaufenden Störung (mit einem Verwurf von rund 7 m), welche als Fortsetzung des erzgebirgisch streichenden Grabens von Oberndorf (DORN 1958) angesehen wird.

Tektonische Karte des Einzugsgebietes der Lillach

Im Gebiet von Gräfenberg beobachte DORN (1958) als dominierendes tektonisches Bruchelement die hauptsächlich herzynisch streichende und steil nach NE einfallende "Schwabachtal-Verwerfung". Diese große Störung verläuft von Benzendorf im S her kommend über das Schwabachtal bis nach Walkersbrunn im NW, zieht hier über den Rangener Berg hinweg und findet ihre Fortsetzung im Ehrenbachtal E´ des markanten Zeugenberges der Ehrenbürg ("Walberle") bei Forchheim. Diese große Bruchzone hat sowohl die Talbildung des Ehrenbaches bedingt als auch die Schwabach zu ihren subsequenten Lauf veranlasst. Die durchschnittliche Sprunghöhe der Verwerfung beträgt im Ehrenbachtal an der Rohrmühle bei Kirchehrenbach rund 50 m (KRUMBECK 1953), geht im Bereich von Gräfenberg auf nur wenige Meter zurück und steigt erst wieder bei Benzendorf auf über 20 m an (DORN 1958).

Bei Oberndorf kartierte DORN (1958) einen erzgebirgisch streichenden, flachen Grabenbruch aus, an dessen NE´ Verwerfungslinie eine stark schüttende Quelle entspringt. Weiterhin beobachte er in den großen Malmkalkbrüchen der Firma ENDRESS in Gräfenberg acht flachherzynisch bis herzynisch verlaufende und mit 50° bis 80° einfallende Störungen mit Sprunghöhen von 0,2 m bis über 1 m. Die in diesem Steinbruch aufgenommenen Kluftsysteme weisen hauptsächlich erzgebirgische und herzynische Streichwerte auf, werden jedoch von stark ausgeprägten und weithin zu verfolgenden rheinisch sowie eggisch verlaufenden Klüften mit nahezu senkrechten Einfallswerten überlagert.

Für den engeren Bereich des Lillachtals zeigt sich das tektonische Bild einer Vielzahl von erzgebirgisch und flachherzynisch streichenden Kleinabschiebungen im Verbund mit den zugehörigen Kluftsystemen, welche den flexurartigen Bau am SW-Rand der Frankenalbfurche in Staffelbrüchen zerlegt haben; überlagert wird diese Bruchtektonik  von einem rheinisch bis eggisch verlaufenden Trennflächengefüge.

Tektonische Karte des Lillachtales mit Kluftrosen und den Haupt-Talstreichrichtungen

Die im Lillachtal beobachteten Kluftscharen weisen ein eindeutiges Maximum bei den erzgebirgisch streichenden Querklüften (im Bezug zum übergeordneten tektonischen Bau der Frankenalbfurche) auf. Ein zweites, etwas schwächer ausgebildetes Maximum zeigt die herzynisch verlaufenden Längsklüfte an. Überlagert wird dieses Hauptkluftsystem von Diagonalklüften mit rheinischen bis eggischen Streichwerten.

Grosskreise der Maximumflächen aller beobachteten Kluftflächen im Lillachtal.

Diesem tektonischen  Bauplan des Gebirges folgt auch die morphologische Ausbildung des Lillachtales sowie der einmündenden Trockentäler. Die Übereinstimmung zwischen diesem System und den tektonischen Großstrukturen deutet auf einen genetischen Zusammenhang hin. Wie eng die Beziehungen zwischen dem Kluftbild und der Entwicklung der (Trocken-) Talsysteme sind, lässt die topographische Feinstruktur des Lillachgebiets erkennen: es ist von einem System erzgebirgisch und flachherzynisch streichender Bruchlinien durchzogen, überlagert von rheinisch bis eggisch streichenden Diagonalklüften.

Kluftrose aller im Malmkarst des Lillachtales beobachteten Klüfte (links) sowie Streichrose der Talverläufe im Gebiet des Lillachtales (rechts).

Lediglich im Bereich der Lillachquelle treten auch Trennflächen mit Streichwerten um 90° auf: Diese scheinen durch Störungsflächen bedingt zu sein, welchen der Quellaustritt der Lillach seine karsthydrographische Entstehung verdankt; auch die unterschiedlichen Höhenlagen des tektonischen Bezugshorizonts der Dogger-Malm-Grenze am N-Hang und am S-Hang des Lillachtales deuten auf die bruchtektonische Vorzeichnung der Talgenese hin.

Karte des tektonischen Bezugshorizontes der Dogger/Malm-Grenze im Lillachtal.

Für die unterirdischen Karstwasserbewegungen ist die räumliche Anordnung und Ausprägung des Trennflächengefüges bedeutsam, da die Scharungsdichte und die bevorzugten Streichrichtungen der wassererfüllten Trennflächen im Gebirge entscheidend das Ausmaß und die Orientierung der Wasserwegsamkeiten im Malmkarst bestimmen. So ist im Bereich von dominanten Kluftscharen sowie von Störungszonen der Anteil von korrosiv erweiterten, wasserführenden Trennflächensystemen wesentlich höher als in tektonisch nicht beanspruchten Gebieten. Gegenüber den Poren- und Kluftgrundwasserleitern ist ein Karstgrundwasserleiter vor allem durch bevorzugte Wasserwegsamkeiten entlang dieser Lösungsformen gekennzeichnet; diese ermöglichen oftmals ein rasches Voll- und Leerlaufen des Systems, was zwar eine hohe Durchlässigkeit, aber auch ein geringes Rückhaltevermögen bedingt.

Die Lillachquelle ist eindeutig an die tektonisch vorgezeichnete Wasserwege im Karstgebirge gebunden und weist ein großes, an unterirdische Wegsamkeiten gebundenes Einzugsgebiet im Gebiet des mächtigen, NE´ des Lillachtals gelegenen Karstwasserkörper auf. So erbrachten Markierungsversuche des GLA (1995) die Nachweise von hydraulischen Verbindungen zwischen zwei Dolinen bei Hiltpoltstein und dem Quellaustritt der Lillach).

Karstwassermächtigkeiten im Einzugsgebiet der Lillach

Hydrogeologie des Gräfenberger Gebietes

Im Raum von Gräfenberg entspringen -- im Hangenden der als Aquiclude wirkenden Opalinustone (Dogger alpha) -- aus den Dogger-Beta-Eisensandsteinen zahlreiche perrenierende und überwiegend stark schüttende Quellen.

Der Ornatenton (Dogger zeta) bildet zusammen mit den hangenden "Unteren Mergelkalken" des Malm alpha den zweiten bedeutenden Wasserhorizont des Gräfenberger Gebietes. So schütten vor allem aus den überlagernden Werkkalken des Malm beta zahlreiche wasserreiche Karstquellen, aus welchen auch die Stadt Gräfenberg ihr Trinkwasser gewann ("Kalkbrunnen"). Im Abstrombereich dieser kalkreichen Quellwässer mit ihren konstanten Wassertemperaturen um +9°C konnte DORN (1958) fast überall Kalktuffablagerungen beobachten.

DORN machte weiterhin die Beobachtung, dass mehrere auf Blatt Gräfenberg entspringende Quellen auf Störungslinien liegen und somit als tektonische Quellen anzusehen sind: Hierzu zählen die oberhalb der Schlucht gelegene starke Quelle in Oberrüsselbach, weiterhin der Quellaustritt am N´ Dorfausgang von Unterrüsselbach, eine stark schüttende Quelle am Bergfuß des Fuchsbichl bei Oberndorf sowie einige Quellen am Rangener Berg. Vor allem die aus dem unteren Malm entspringenden Karstquellen weisen oftmals bereits nach einzelnen starken Niederschlägen eine durch Sedimenteintrag hervorgerufene weissgraue Trübung auf, was den schnellen Wasserdurchsatz und die unzureichende Grundwasserfilterung im Gebirge v.a. des Seichten Karstes veranschaulicht.

Auch im Untergrund des Gräfenberger Gebietes scheinen die tektonisch bedingten Gegebenheiten Einfluss auf die Tiefengrundwässer zu nehmen: So berichtet BIRZER (1975) von einer in den Jahren 1969/70 am Bahnhof von Gräfenberg abgeteuften Tiefbohrung, welche ihren Ansatz in den -- dem Opalinustonen auflagernden -- quartären Gehängeschuttablagerungen hatte und mit einer Gesamttiefe von rund 250 m bis zur Basis des Oberen Burgsandsteins vorstieß. Diese Versuchsbohrung lieferte ein kohlesäurereiches, +23°C warmes Thermalwasser, dessen erhöhte Grundwassertemperatur von BIRZER auf eine lokale geothermische Anomalie zurückgeführt wird. Auch POLL (1979) beschreibt einem Thermalwasserfund in der Bohrung Haidhof 5,5 km NW´ Gräfenberg, welche -- von den Kimmeridgekalken der Albhochfläche ausgehend -- mit einer Gesamtteufe von 117 m bis in die Opalinustone abgebohrt wurde: Hier wurde ein +23°C warmes Thermalwassers erschlossen. POLL vermutet aufgrund der beobachteten, relativ kleinen geothermischen Tiefenstufe eine -- ihres exakten geophysikalischen Nachweises noch harrende -- anormale tektonische Tiefenstruktur in diesem Gebiet.

Die Lillachquelle

Die Lillach entspringt -- auf einem Höhenniveau von 460 m NN -- am E-Ende des gleichnamigen Karsttales aus einer kleinen Höhle in einer Felswand, welche von geschichteten Werkkalken des Malm beta aufgebaut wird. Die nahezu lineare Ausrichtung der Quellhöhle deutet auf ihre Anlage an einer tektonisch bedingten Trennfläche, wohl einer Störung, hin. Unmittelbar im Liegenden des Quellaustritts befindet sich die Grenze Malm alpha/beta. N´ und S´ des Quellaustrittes schließen zwei rheinisch bis erzgebirgisch streichende Trockentäler an, welche nur nach Starkniederschlägen oder infolge der Schneeschmelze sporadisch Wasser führen.

Die Lillachquelle östlich von Dorfhaus/Ofr.

Das E´ des Lillachtales gelegene unmittelbare Einzugsgebiet der Quelle wird von Bank- und Schwammkalken sowie Mergeln und Mergelkalken des Malm alpha bis delta aufgebaut. Diese Kalke stellen innerhalb des Malm-Aquifers -- aufgrund ihrer starken Klüftung, ausgeprägten Bankung und der durch die Verkarstung geschaffenen Hohlraumsysteme -- einen sehr stark durchlässigen Grundwasserleiter mit hohem Speichervermögen dar. In den Malmschichten liegt ein weitreichendes, überwiegend zusammenhängendes Karstgrundwasser-Stockwerk vor. Hierbei sind einzelne Kluftscharen, welche den jeweiligen Haupt-Trennflächengefügen folgen, durch die Verkarstungsvorgänge zu teils beträchtlichen Gerinnen erweitert worden, durch die  das Grundwasser -- dem hydraulischen Gefälle folgend -- hauptsächlich im Bereich des Seichten Karstes rasch zu den Quellen strömt.

Im N-Teil des Lillachgebietes liegt die Grundwasseroberfläche der Malmwässer auf  rund 470 m NN und fällt bis zur Lillachquelle auf 460 m NN ab; die Grundwasserfließrichtung ist somit hauptsächlich von N nach S gerichtet; auch aus E´ und S´ Richtungen ist ein gerichteter Karstgrundwasserabstrom zur Lillachquelle hin festzustellen. Die Quelle stellt somit einen – wohl durch tiefreichende Trennflächen bedingten – Haupt-Grundwasseraustritt in diesem Gebiet dar.

Modell der Grundwassergleichen im Malmaquifer des Lillachtals.

Auf der Hochfläche E´ der Lillachquelle befinden sich mindestens 12  teilweise verfüllte Dolinen. Diese wirken als punktuelle Eintrittstellen des Niederschlagswassers in den Karstuntergrund, was problematisch erscheint, da dieses Gebiet auch viele landwirtschaftliche Nutzflächen aufweist.

Auf Grund der relativ offenen Lösungshohlräume und hohen Durchlässigkeiten im Karstgebirge erfolgt oft ein rascher Durchsatz des infiltrierten Niederschlagswassers. Hieraus resultieren bei Karstquellen oft stark schwankende Wasserführungen, die nach Niederschlägen rasch zu Schüttungsmaxima ansteigen, aber bald danach wieder erheblich zurückgehen oder überhaupt nach längeren niederschlagsfreien Perioden vollständig versiegen. So weisen Karstquellen häufig ein Schüttungsverhältnis von maximaler zu minimaler Schüttung von 10:1 und mehr auf. Auch die Quellschüttung der Lillach variiert -- einer mittleren Schüttung von 50 L/s -- von 24 L/s bis 108 L/s (WANDELT 1990). Das Schüttungsverhältnis beträgt hier also 4,5 : 1.

Das Quellwasser der Lillachquelle erwies sich in jüngerer Vergangenheit als zeitweise stark verschmutzt. Die Ende der Achtziger Jahre von WANDELT (1990) getätigten hydrochemischen Untersuchungen des Quellwassers erbrachten, dass damals alle typischen anthropogenen Verschmutzungsindikatoren über den Normalwerten lagen, wobei vor allem Kalium, Ammonium, Nitrat, Phosphat, Sulfat, Kaliumpermanganatverbrauch und der Gehalt an Schwermetallen überhöhte Werte aufwiesen. Weiterhin konnten relativ hohe Metallfrachten beobachtet werden. So erreichte Bor im Oktober 1988 mit 1,0 mg/L den amtlich zugelassenen Grenzwert. Phosphat als Hinweis auf Dünger konnte nur im Juni 1988 nachgewiesen werden. Die Nitratkurve erreichte ihren Höhepunkt im Juni 1988 sowie in den Wintermonaten infolge der Auswaschung organischer Dünger, welche zu dieser Zeit von der Vegetation nicht als Nährstoff eingebaut werden konnten.

Da im unmittelbaren E´ Einzugsgebiet der Lillachquelle der "Lillinger Wald" liegt, kann die Landwirtschaft bei einer derartigen Kontamination nicht allein verantwortlich gemacht werden. WANDELT (1990) vermutet hingegen mehrere, zum Teil erheblich verschmutzte Dolinen als Verursacher der Quellwasserkontaminationen, wofür das Auftreten von Bor und die relativ hohen Metallkonzentrationen hinweisen könnten.

Geogen bedingt ist  im Quellwasser der hohe Gehalt an Calciumhydrogenkarbonat, welcher durch die Verkarstungsvorgänge in den karbonatischen Speichergesteinen verursacht wird. Gelöstes Magnesium tritt in nur geringen Konzentrationen auf, was als ein Hinweis auf die überwiegend kalkig und nicht dolomitisch ausgebildeten Karbonatgesteine im Einzugsgebiet angesehen werden mag.

Hydrochemie der Lillach

Zur hydrochemischen Untersuchung des Quell- und Bachwassers der Lillach wurden  am 29. Juli 2004, am 11. August 2006 sowie am 31. August 2007 mit tatkräftiger Unterstützung engagierter Studentinnen und Studenten des GeoZentrums Nordbayern der FAU Erlangen/Nürnberg an jeweils neun Messpunkten der Lillach Wasserproben entnommen:

Messpunkt

Fließstrecke [m]

Lokalität

M 1

0 m

Lillachquelle

M 2

300 m

Feuchtwiese

M 3

500 m

Auewald

M 4

580 m

Beginn Kalktuffterrassen

M 5

660 m

Kalktuffterrassen

M 6

730 m

Kalktuffterrassen

M 7

870 m

Bacheinmündung

M 8

1170 m

Kalktuffterrassen

M 9

1500 m

Fischweiher E´ Dorfhaus

Karte der Wasserproben-Entnahmepunkte im Lillachtal.

An diesen Messpunkten erfolgten analytische Untersuchungen der Wasserinhaltsstoffe; sie umfassten die Bestimmungen der:

Zeitgleich wurden an den Beobachtungspunkten die "Vor-Ort-Parameter":

gemessen.

Der Nitrat-Gehalt ist ein Maß für die Stickstoffbelastung eines natürlichen Wassers. An allen drei Messterminen konnten an diesen Sommertagen im Quellwasser der Lillach Nitratgehalte von 8 mg/L bis 15 mg/L bestimmt werden. Nitrat-Gehalte <10 mg/l sind i.a. durch geogenen Ursprung bedingt. Ein Teil des Nitratgehaltes stammt aus dem Abbau pflanzlicher Eiweiße, wobei zunächst Ammonium entsteht, welches kurzfristig zu Nitrat oxidiert wird und dann in das Grund- und Oberflächenwasser gelangt. Nitrat-Gehalte von 15 mg/l bis 50 mg/l deuten bereits auf anthropogene Beeinflussung hin. Als Nitrat-Haupteinträge gelten organische und anorganische Stickstoffdünger (Gülle, Ammoniumnitrat), Deponiesickerwässer sowie die Abwasserversickerung.

Auffällig waren die im Quellwasser im Juli 2004 und im August 2007 beobachtete Ammonium-Gehalte von 0,1 mg/L bzw. 0,2 mg/L (der Trinkwassergrenzwert von Ammonium liegt bei 0,5 mg/L NH4+).

Da die Lillachquelle am Rande des ausgedehnten Waldgebietes "Lillinger Wald" entspringt, lässt das Auftreten selbst von sehr leicht abbaubaren Schadstoffen wie Ammonium auf einen schnellen unterirdischen Transport von weit entfernten Eintragsorten schließen. Die Ursachen für diese Ammoniumfracht können direkt im landwirtschaftlichen Gülle-, Stallmist- und Kunstdüngeraustrag sowie in der Versickerung häuslicher Abwässer auf der weiter E´ der Quelle gelegenen Karsthochfläche begründet sein. Ein Nachweis von Ammonium-Ionen im Quellwasser deutet prinzipiell auf hygienisch bedenkliche Verunreinigungen im Einzugsgebiet hin. Nach dem Quellaustritt kann das -- von den landwirtschaftlichen Nutzflächen in höheren Konzentrationen ausgeschwemmte -- Ammonium im weiteren Bachverlauf teilweise in Ammoniak übergehen, welcher -- beim Überschreiten kritischer Grenzen -- auf Fische und Kleinlebewesen tödlich wirkt.

Bei geringeren Belastungen werden nach dem Quellaustritt die Ammonium-Ionen im sauerstoffreichen Bachwasser durch Stickstoffbakterien über das metastabile Nitrit zu Nitrat oxidiert, welches aus dem Bachwasser teilweise von Pflanzen als Nährstoff aufgenommen wird. Dieses Abfallen der Nitratkonzentrationen im Bachverlauf der Lillach bis Dorfhaus war hauptsächlich während der ersten beiden Beobachtungstermine gut zu beobachten.

Nitrat- und Chloridgehalte im Quell- und Bachwasser der Lillach.

Im Gegensatz hierzu werden die Wasserinhaltsstoffe Sulfat und Chlorid im fließenden Wasser nicht abgebaut. Die an den drei Messterminen in der Lillach bestimmten Sulfat-Konzentrationen betrugen bis 87 mg/L; sie zeigen die anthropogene Beeinflussung der Lillachquelle deutlich an. Sulfat gilt als das "Leit-Ion" für Auslaugungen aus Bauschutt-Ablagerungen, wobei aus Putz und Gips das Sulfat herausgelöst und in das Grundwasser eingebracht wird. Ein weiterer Eintrag kann aus sulfathaltigen Düngern und Spritzmitteln erfolgen.

Auch die im Lillachwasser beobachteten Chlorid-Werte von 12 mg/L bis 21 mg/L  weisen auf eine anthropogene Belastung des Quellwassers hin, wobei die Ursachen überwiegend in der landwirtschaftlichen Düngung zu suchen sind.

Die beobachteten Konzentrationen dieser beiden Wasserinhaltsstoffe liegen jedoch weit unterhalb der Trinkwassergrenzwerte und deuten -- für diese Beobachtungstermine -- auf nur geringe anthropogene Beeinflussungen hin. Phosphat konnte an den drei Messtagen nicht nachgewiesen werden. Alle drei Parameter zeigen jedoch die typische Vulnerabilität einer Karstquelle gegenüber dem Eintrag von Schadstoffen exemplarisch auf.

Die Messergebnisse der "Vor-Ort-Parameter" sowie die Bestimmungen der Carbonathärten und der Gesamthärten im Lillachwasser erlauben Rückschlüsse auf die komplexen hydrochemischen Vorgänge, welche letztlich die Ausbildung der imposanten Kalktuffterrassen ermöglicht haben.

Für alle drei Messtermine zeigt sich ein starker Einfluss der Lufttemperaturen auf die Bachwassertemperaturen, welcher bei zunehmend räumlicher Distanz vom Quellaustritt immer stärker wird: Während an der Quelle die Wassertemperaturen mit konstant +8,6°C in etwa dem Jahresmittel der Lufttemperatur in diesem Gebiet und somit den normalen Temperaturverhältnissen im Karstgrundwasser entsprachen, betrugen sie in der Mitte der Messstrecke bereits von +10,1°C bis +11,1°C und stiegen am Ende der 1500 m langen Fließstrecke auf +12,7°C bis +14°C an.

Messwerte der Wassertemperaturen im Quell- und Bachwasser der Lillach.

Die Veränderung dieses Wasserparameters ist eine der Voraussetzungen für die Bildung der Kalktuffterrassen, da der Kohlendioxid-Gehalt des Wassers hauptsächlich durch dessen Temperatur bestimmt wird. So nimmt beispielsweise bei einer Temperaturerhöhung des Wassers von 0°C auf +20°C sein Gehalt an freier Kohlensäure um etwa die Hälfte ab.

Die Wasserhärten Gesamthärte und Karbonathärte sind in Karstwässern meist sehr hoch. Die Gesamthärte ist definiert als die Summe aller Erdalkali-Ionen, hier v.a. Kalzium und Magnesium. In Lösung sind diese "gepaart" mit Chloriden, Sulfaten, Karbonaten und anderen Anionen. Die Karbonathärte umfasst hingegen nur die Karbonate dieser Ionen, in der Regel ist sie also niedriger als die Gesamthärte. Im Wasser des Lillachbaches sanken die Messwerte der Wasserhärten an allen drei Messterminen mit zunehmender Karbonatausfällung deutlich ab.

Die Gesamthärten waren zu allen drei Beobachtungsterminen am Quellaustritt der Lillach mit Werten von 18°dH bis 23°dH am größten und nahmen mit zunehmender Fließstrecke generell ab. Die Minima waren im unteren Bachdrittel mit 10°dH bis 17°dH zu beobachten.

Auch die Werte der Karbonathärte zeigten mit zunehmender Fließstrecke zwar eine generelle Abnahme; am Quellaustritt war im August 2007 jedoch mit 16°dH ein noch relativ niedriger Wert festzustellen, welcher beim Durchrinnen der groben Kalkschotter in den ersten 300 m des Bachbettes auf 19°dh ansteigt. An diesen Termin hatte also das beim Quellaustritt infolge Druckentlastung freiwerdende Kohlendioxid aus den Kalksedimenten des Bachbettes zusätzliches Karbonat gelöst.

Im weiteren Bachverlauf fielen an allen drei Terminen die Karbonathärtegrade generell auf 10°dH bis 16°dH ab; lediglich im August 2006 konnte auf den letzen 300 m der Messstrecke wieder ein leichter Anstieg um 1°dH beobachtet werden, was auf das erneute Auftreten von karbonataggressiven Kohlendioxid schließen lässt.

Messwerte der Carbonat- und der Gesamthärten im Quell- und Bachwasser der Lillach.

Der Sauerstoffgehalt an der Quelle betrug an den drei Beobachtungsterminen von 9,5 mg/L bis 12,5 mg/L und entsprach mit O2-Sättigungsgraden von 85 % bis 110 % einem Karstwasser aus der vadosen Zone. Beim Durchfließen der ersten 300 m des hier noch gering geneigten Bachlaufes stiegen die Sauerstoffsättigungswerte -- trotz ansteigender Wassertemperaturen -- infolge kleiner Wasserfälle und hierdurch bedingter Durchmischung auf 92 % bis 127 % an, wobei der eben genannte Messwert einer Sauerstoff-Übersättigung entspricht.

Im weiteren Bachverlauf nahm die Sauerstoffsättigung -- trotz der vielen Kaskaden und Wasserfälle -- wieder signifikant ab, was neben der schnellen Entgasung des überflüssigen Sauerstoffs und den O2-verbrauchenden Abbauvorgänge von organischer Substanz auch auf die relativ starke Erwärmung des Wassers zurückzuführen ist. Erst im -- nur noch ein geringes Gefälle aufweisenden -- Unterlauf der Lillach E´ Dorfhaus stieg die O2-Sättigung des Lillachwassers wieder auf Werte um 100 % an.

Sauerstoffgehalte und Sauerstoffsättigungsgrade im Quell- und Bachwasser der Lillach.

Die -- auf eine Wassertemperatur von +25°C bezogene -- spezifische elektrische Leitfähigkeit ist ein Maß für die Gesamtheit der in einer Probe gelösten Elektrolyte. Sie gestattet somit eine temperaturunabhängige Betrachtung der im Wasser gelösten Ionen. Die LF-Meßwerte sind auf der 1500 m langen Messstrecke einer ständigen Abnahme unterworfen. Die LF-Werte betrugen an den drei Beobachtungsterminen von 625 µS/cm bis 646 µS/cm an der Lillachquelle und zeigten auf der ersten, rund 500 m langen Fließstrecke des Oberlaufes eine nur geringe Abnahme um 8 µS/cm bis 40 µS/cm .

Erst mit dem Einströmen in die Kalktuffterrassen sinken die Leitfähigkeitsmesswerte -- auf kurze Distanz -- um 30 µS/cm bis 70 µS/cm ab und zeigen die starken Ausfällungsvorgänge des gelösten Calciumhydrogenkarbonats deutlich an. Bis zum Ende der 1500 m langen Beobachtungsstrecke ist ein weiteres, jedoch überwiegend nahezu lineares Abfallen der LF-Werte zu beobachten, so dass sich schließlich eine Gesamtdifferenz von rund 150 µS/cm zwischen den Messwerten an der Lillachquelle und jenen des Lillachbaches in der Talaue E´ Dorfhaus bestimmen lässt.

Auch die pH-Werte des Lillachwassers sind von der Quelle bis nach Dorfhaus einer bemerkenswerten Veränderung unterworfen: An den drei Terminen konnte ein Anstieg der Messwerte von pH=6,8 bis pH=7,6 im Quellwasser bis pH=8,4 im Unterlauf der Lillach E´ Dorfhaus festgestellt werden. Dies ist zunächst ursächlich bedingt durch die CO2-Entgasung infolge der Druckentlastung, der Durchmischung mit Luft und dem Temperaturanstieg des Bachwassers sowie dem CO2-Entzug des Wassers durch Algen und Moose.

Messwerte der spez. elek. Leitfähigkeiten und der pH-Werte im Quell- und Bachwasser der Lillach.

Bei diesem Vorgang wirkt in den kalkhaltigen Karstwässern das Kohlensäure-Calziumbikarbonat-Gemisch als Puffer und gleicht den CO2-Entzug durch Zerfall aus. Wenn der CO2-Entzug jedoch sehr stark ist, wird auch das hierbei entstandene Calziumkarbonat aufgespalten, wodurch der pH-Wert des Wassers bis pH=11 ansteigen kann.

Schlussbetrachtung und Ausblick

Karstwasseraustritte wie die Lillachquelle zählen heute zu den gefährdeten Biotopen. Vermüllung, Trockenlegung, Verrohrung oder Fassung sind Ursachen für deren Beeinträchtigung oder Zerstörung. Bei den Karstquellen der Frankenalb stellt -- bedingt durch die intensive Verkarstung der Karbonatgesteine -- der Eintrag von Nährstoffen und Pflanzenschutzmitteln aus der landwirtschaftlich genutzten Albhochfläche generell ein großes Problem dar. So sind mit der Verschlechterung der Quellwasserqualität und der Zerstörung der Quellstrukturen auch die eng an die konstanten Quellbedingungen angepassten Quellorganismen gefährdet.

Im Tal der Lillach sind die Quell-, Bach- und Kalktuff-Ökotope in einer für Nordbayern einmaligen Ausprägung erhalten beblieben. Aufgrund der guten Ausprägung des prioritären Lebensraumes Kalktuffquelle und -bach, Schlucht- und Auwald wurde das Lillachtal als Flora-Fauna-Habitat-Gebiet "Lillinger Wald" ausgewiesen und ist somit Teil des europaweiten "Natura 2000-Schutzgebietsnetzes". Im Jahr 2004 startete zudem das EU-Programm "LIFE.Natur" mit dem Projekt "Optimierung von Kalktuffquellen und deren Umfeld in der Frankenalb": Hier sollen an 56 Quellstandorten in der Mittleren und Südlichen Frankenalb Schutz- und Renaturierungsmaßnahmen durchgeführt werden. Schließlich startete im Sommer 2006 die Zeitschrift GEO zusammen mit dem "Landesbund für Vogelschutz in Bayern e.V." den "GEO-Tag der Artenvielfalt im Lillachtal", in dessen Rahmen im wissenschaftlichen Austausch und unter Beteiligung der Öffentlichkeit auf die Gefährdung der Quellen und Quellgewässer hingewiesen und der Öffentlichkeit deren Bedeutung näher gebracht werden und somit die Rettung, Sanierung und Optimierung der Kalktuffquellen in der Frankenalb vorangebracht werden sollte.

Die Gefährdung der einmaligen Kalktuffterrassen im Lillachtal ist jedoch weniger in möglichen mechanischen und somit visuell wahrnehmbaren Beschädigungen gegeben, sondern vielmehr durch den Schad- und Nährstoffeintrag über das, aus dem großen Einzugsgebiet im E´ gelegenen Karstgebirge stammende Quellwasser begründet. Aufgrund des hierdurch temporär, aber in beachtlichen Mengen eingebrachten Dargebots an pflanzenverfügbaren Nährstoffen werden die -- auf nährstoffarmes Wasser angewiesenen -- Quell- und Astmoose, welche die Karbonatausfällungen und somit den Aufbau der Kalktuffterrassen entscheidend steuern, zunehmend von Gräsern und Kleinvegetation verdrängt.

Die grossen Kalktuffterrassen der Lillach bei Dorfhaus/Ofr. im Sommer und im Winter

Vor allem aufgrund des Nährstoffeintrages in die Sedimente der Kalktuffbecken können sich hier rasch Pioniervegetationen wie Gräser- und Strauchpopulationen entwickeln; auch feuchtigkeitsliebende Baumschößlinge siedeln sich in diesen ursprünglich oligotrophen Kleinökotopen an. Diese Sekundärvegetation verdrängt zunehmend die -- auf den Rändern der Kalktuffbecken aufwachsenden -- Astmoose, welche hier hauptsächlich die Bildung der Bachkalke steuern. Eine zwar nur  latent zu beobachtende, bei näherer Betrachtung jedoch immer mehr fortschreitende Beeinträchtigung und Zerstörung der imposanten Bachkalke ist somit festzustellen; derartigen Vorgängen sollte aufgrund der überregionalen Bedeutung des Naturdenkmals „Kalktuffterrassen Lillachtal“ unbedingt entgegen gewirkt werden.


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* Dr. Alfons Baier, last Update: Dienstag, 29. Juli 2014 19:58

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