Magnetische Charakterisierung der Böden in der antiken Bergbauregion Ferrum Noricum (Raum Knappenberg/Kärnten) Masterarbeit von Alexandra Lafner Betreuung Dr. Robert Scholger Lehrstuhl für Geophysik, Montanuniversität Leoben Ich versichere an Eides statt, die vorliegende Arbeit selbständig unter Verwendung der angegebenen Literatur durchgeführt zu haben. Alexandra Lafner Leoben, Februar 2009 Danksagung Ich bedanke mich bei Herrn Dr. Robert Scholger, Institut für Geophysik, Montanuniversität Leoben, für die Idee und den Auftrag zu dieser Diplomarbeit sowie für die hervorragende Betreuung und Korrektur dieser Arbeit. Ein großes Dankeschön gilt meiner Familie, die mir während meiner Ausbildung viel Kraft geschenkt hat. Ihrer Unterstützung ist es zu verdanken, dass ich diesen Weg ohne größere Hindernisse bewältigen konnte. Meinem Lebenspartner Mario danke ich für sein Verständnis und sein Vertrauen in den von mir gewählten Weg. Ich möchte allen danken, die mir bei der Entstehung dieser Arbeit behilflich waren. Für meine Familie Ernst und Monika, Tamara und Mario Zusammenfassung Seit einigen Jahren verwendet man die Messung der magnetischen Suszeptibilität als eine rasche und flächendeckende Methode zur Kartierung von Schwermetallbelastungen von Böden. Aufgrund der Tiefenverteilung der magnetischen Suszeptibilität ist es möglich eine Abgrenzung zwischen geogen und anthropogen belasteten Böden zu machen. Ziel der Arbeit war die Erfassung einer möglichen Belastung von Böden im Raum Hüttenberg, wo praktisch über zweitausend Jahre hinweg Eisenbergbau stattfand. Hierbei ging es nicht nur um die Verbreitung der anthropogen gebildeten Partikeln mittels Wind aus den bereits bekannten Verhüttungsstandorten, sondern auch um die Möglichkeit der Erfassung von römischen bzw. mittelalterlichen Schlackenplätzen. Außerdem konnten Anomalien in einigen Bereichen des Gebietes auf anstehendes Erz (den Eisernen Hut) zurückgeführt werden. Im Zuge der Geländearbeit wurde ein Messfeld von 16 km² in einem Raster von 250 x 250 m untersucht. Mit Hilfe der in situ-Werte, der spezifischen Suszeptibilität und der Frequenzabhängigkeit ergaben sich drei große Anomalien im Bereich von Heft, Hüttenberg und der Kreuzung Görtschitztal – Löllinggraben, welche teilweise auf menschliche Aktivitäten zurückgehen, und vier kleinere punktuelle Anomalien in Lölling, Untersemlach, Knappenberg und am Großkoll. Außerdem wurde über das gesamte Arbeitsgebiet ein Profil ausgewählt, entlang dessen siebzehn 30 cm lange Bodenkerne entnommen wurden, an welchen die Tiefenverteilung der Suszeptibilität gemessen wurde. Diese Kerne dienten der Identifikation der magnetischen Phasen mit Hilfe der mineralmagnetischen Untersuchungen, der Mikrosonde und der Ramanspektrometrie. Um einen möglichen Zusammenhang zwischen bestimmten Schwermetallen und der Suszeptibilität zu erhalten, wurden chemische Analysen (RFA) durchgeführt. Die Identifizierung der eisenhältigen Minerale erfolgte mittels Röntgendiffrakometrie. Aufgrund der Messergebnisse konnte im südlichen Teil des Arbeitsgebietes ein Zusammenhang der auftretenden Anomalie mit der sich dort befindlichen Lithologie festgestellt werden. Sowohl die Plankogelvererzungen als auch die Mn-reichen Erze des Arbeitsgebietes und die Lage einer Bodenprobe über einem Serpentinit konnte mit Hilfe der unterschiedlichsten Analysen nachgewiesen werden. Im Bereich Knappenberg konnte ein nicht kartierter Marmorzug erfasst werden und am Großkoll gibt es Hinweise auf einen früheren Verhüttungsplatz. Abstract For many years now, measuring magnetic susceptibility has been used as a quick and extensive method for mapping heavy metal burdens of soils. The depth distribution of magnetic susceptibility enables a differentiation between geogenic and anthropogenic loaded soil. The aim of this work was the evaluation of possible loaded soils in Hüttenberg, an area characterized by an iron mining tradition more than two thousand years old. It was not only about the familiar distribution of anthropogenic caused particles through wind from the smelting sites, but also about the possible evaluation of Roman and medieval slag heaps. In addition it was possible to trace anomalies in some areas back to in-situ ore (iron hat). In the course of fieldwork a measuring field of 16km² in a grid of 250 x 250m was examined. With the aid of in-situ values, specific susceptibility and frequency- dependence, three major anomalies in the regions of Heft, Hüttenberg and the intersection Görtschitztal – Löllinggraben, which can partly be traced back to human activities, as well as four minor isolated anomalies in Lölling, Untersemlach, Knappenberg and Großkoll, were identified. Moreover, the entire working area was characterized by a profile, along which seventeen soil cores of a length of 30cm were extracted in order to measure the depth distribution of the susceptibility. These cores were used to identify magnetic phases by means of mineral magnetic examinations, microscope and Raman spectroscopy. In order to determine a possible connection between specific heavy metals and susceptibility chemical analyses (RFA) were carried out. The identification of the ferrous minerals was performed using X-ray diffractrometry. The occurring anomaly shows a relation to the lithology in the southern part of the area under investigation, based on the results of the suszeptibility measurements. Both, the Plankogel mineralisation, and the Mn-rich ores in the study area, as well as one soil sample above a serpentinite could be indentified, on the basis of the varying analyses carried out in this investigation. In the Knappenberg area an unknown marbel horizon could be identified, and an indication for an ancient processing plant was found at the Großkoll. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Einleitung 2 1.1.1 Aufgabenstellung 2 1.1.2 Arbeitsgebiet 3 1.2 Geologischer Überblick 4 1.2.1 Sau- und Koralpe 8 1.2.1.1Tektonisch – metamorphe Entwicklung 9 1.2.1.2 Sideritbezirk Hüttenberg 10 1.2.1.3 Minerale des Hüttenberger Erzberges 11 1.2.2 Gurktaler-Decke 11 1.3 Bergbaugeschichte 13 1.4 Umweltmagnetik 15 2 Grundlagen 16 2.Grundlagen 17 2.1. Magnetische Eigenschaften 17 2.2 Klassifizierungen magnetischer Materialien 18 2.2.1 Diamagnetismus 18 2.2.2 Paramagnetismus 18 2.2.3 Ferromagnetismus 20 2.2.4 Antiferromagnetismus 22 2.2.5 Ferrimagnetismus 22 2.3 Magnetische Hystereseschleife 23 2.4 Magnetische Korngröße 24 3 Methodik 26 3.1 Geländearbeiten Teil 1 27 3.1.1 Insitu-Feldmessungen 29 3.2 Laborarbeiten Teil 1 29 3.2.1 Bestimmung der spezifischen Suszeptibilität und Frequenzabhängigkeit 29 3.2.2 Bestimmung der Masse und des Wassergehaltes der Probe 30 3.2.3 Magnetische Sättigung, Sättigungsremanenz SIRM 30 3.3 Geländearbeiten Teil 2 31 3.4 Laborarbeiten Teil 2 31 3.4.1 Bestimmung der Suszeptibilität 31 3.4.2 Zerteilung der Bodenprofile 34 3.4.3 Sieben 36 3.4.4 Mahlen 36 3.4.5 Chemische Analyse 36 3.4.6 Magnetseparation 37