Grubenwässer der Altbergbaue im Geopark Erz der Alpen

Einleitung
Ein bedeutendes Thema nahezu jedes Bergbaus weltweit ist die Wasserhaltung und damit verbunden die Behandlung der durch ein Bergwerk beeinflussten Grundwässer (=Grubenwässer). Dies gilt in gleichem Maße für aktive Bergwerke wie für nicht mehr in Betrieb befindliche Abbaugebiete. Fragen zum Grubenwasser sind wesentlicher Bestandteil der Nachbergbauforschung, wie unzählige Studien belegen (Kessler et al., 2020 und zahlreiche Zitate darin).
Aus hydrogeologischer Sicht bilden Bergwerksstollen Wasserwegigkeiten im Untergrund aus, die je nach Art des Bergbaus in Hinblick auf die vorherrschende Fließdynamik mit Kluft- oder Karstgrundwasserleitern vergleichbar sind (Bedoya-Gonzalez et al., 2023). Dennoch handelt es sich um künstlich erzeugte Hohlräume, durch die die natürlichen Fließverhältnisse im Gebirge stark verändert werden. Es entstehen neue Fließwege, Verweilzeiten der Wässer im Gebirge werden verändert, an Sauerstoff gesättigte Niederschlagswässer gelangen in Gebirgsbereiche, die ohne anthropogenen Einfluss wasser- und sauerstofffrei wären.
Vor allem die Zufuhr von Sauerstoff in Kombination mit sulfidischen Erzen führt häufig zu einer starken Beeinflussung des Grubenwassers, hier exemplarisch anhand der Pyritverwitterung dargestellt:

1. FeS2 + 3,5 O2 + H2O →Fe 2+ + 2 SO4 2- + 2H+ Oxidation von Sulfid zu Sulfat
2. Fe 2+ + 0,25 O2 + 2,5 H2O →Fe (OH)3 + 2H+ Oxidation von Fe2+ zu Fe3+

Es können so saure Grubenwässer mit pH-Werten <2 und stark erhöhten Sulfatgehalten entstehen. Die niedrigen pH-Werte fördern die Lösung von Metallen aus dem durchflossenen Gestein, so dass die austretenden Grubenwässer häufig nicht nur sauer und stark sulfathaltig sondern auch angereichert mit diversen Schwermetallen und je nach Vererzungstyp auch arsenhaltig sind. Vergleichbare Prozesse laufen ebenso in den vom Niederschlag durchflossenen Bergbauhalden ab (Suzuki et al., 2016). Um nachteilige Folgen für die Umwelt zu vermeiden, werden die Grubenwässer in aktiven oder derzeit in Schließung befindlichen Bergbauen kontrolliert abgeleitet und behandelt, bevor sie an die Vorfluter abgegeben werden (Rinder et al., 2020). Beispiele für aktive oder passive Grubenwasserbehandlung in ausgewählten Bergwerken in Europa beschreiben Wolkersdorfer et al. (2005).
Bei Bergwerken, die bereits vor Jahrzehnten oder länger geschlossen wurden, wurden im Zuge des Nachbergbaus meist keine Maßnahmen zur Wasserbehandlung getroffen. Die Grubenwässer wurden und werden bis heute unkontrolliert an den Vorfluter abgegeben. Da durch chemische Prozesse kein natürlicher Abbau von anorganischen Schadstoffen, wie Schwermetallen stattfindet, wird an diversen Altbergbaustandorten untersucht, wie sich die Grubenwasserqualität nach Jahrzehnten ohne menschliches Zutun entwickelt und ob durch Auslaugung der bestehenden Stollen und Halden nach ausreichend langer Zeit eine natürliche Alterung (Natural Attenuation) zur selbständigen Sanierung eines Umweltproblems führt (Citu et al. 2011, Yousefi, 2022).
Zentrales Thema des Geoparks Erz der Alpen ist der prähistorische und historische Erzabbau. In den Schaubergwerken Mühlbach, St. Veit und Hüttau werden Besucher über den über Jahrhunderte in der Region betriebenen Kupferbergbau informiert (Geopark Erz der Alpen, 2023). Eine Studie zu Bergbau- und Hüttenstandorten im Bundesland Salzburg (Feitzinger et al., 1998) umfasst auch die Standorte im Geopark Erz der Alpen. Hier wurden die montangeologischen Grundlagen der Lagerstätten beschrieben, der Erzbergbau in der Region aus montanhistorischer Sicht beleuchtet sowie Bergbau- und Hüttenstandorte aus Sicht des Umweltschutzes dargestellt. Dabei wurden vor allem Bodenkontaminationen durch Abraumhalden und Rauchgasemissionen diskutiert. Eine Erfassung und Bewertung von Grubenwässern erfolgten nicht. Dies lässt darauf schließen, dass die aktuell aus den Altbergbauen austretenden Grubenwässer keine erhebliche Umweltgefährdung darstellen, anderenfalls wären sie vermutlich bereits im Laufe der vergangenen Jahrzehnte detektiert worden. Dennoch ist der Einfluss von Stollen und Halden auf die Beschaffenheit der Grubenwässer in den Altbergbaugebieten des Geoparks Erz der Alpen für das Gesamtverständnis der Bergwerke relevant und soll durch das hier beantragte Projekt im Rahmen einer Masterarbeit untersucht werden.

Methodik
Im Projekt sollen Grund- und Grubenwässer in den Einflussbereichen der drei historischen Kupfer-Erzbergbaue Mühlbach am Hochkönig, St. Veit und Hüttau untersucht werden. Details zu den Bergwerken finden sich in Geopark Erz der Alpen (2023).

Geländeaufnahmen:
Im Zuge von Gelände- und Stollenbegehungen werden repräsentative Stellen zur wiederholten Beprobung von Gruben- und Grundwässern festgelegt. Die Auswahl der Probenahmestellen wird so gestaltet, dass folgende Wassertypen erfasst werden: (1) Wässer, die eindeutig innerhalb des Stollensystems zirkuliert sind, (2) Wässer, die durch bestehende Abraumhalden beeinflusst sein können, (3) Wässer, die außerhalb des Einflussbereichs bekannter Bergbaubereiche aber in vergleichbarem geologisch-hydrogeologischen Setting zirkulieren und damit als Referenzquellen dienen können. Dabei sollen Quellen und Fließgewässer erfasst werden. Basis für die Festlegung sind Auskünfte der Bergwerksverantwortlichen, Grubenpläne, Erhebungen im Wasserbuch und die eigene Geländekartierung.
Probenahme und hydrochemische und Isotopen-hydrologische Analytik:
Die ausgewählten Messstellen werden über vier bis sechs Monate etwa einmal monatlich aufgesucht und beprobt. Nach Möglichkeit soll zudem ereignisbezogen (Hoch- und Niederwasser) beprobt werden. Es werden jeweils ca. 0,7 L Wasser filtriert in vorgespülten PE-Flaschen entnommen (0,1 L für Kationenanalytik, mit HNO3 stabilisiert, 0,1 L für Anionenanalytik, 0,5 L für Hydrogencarbonat-Bestimmung (HCO3) und Rückstellprobe). Die Analyse der Wässer erfolgt im Hydrogeologie-Labor der Universität Salzburg. Anionen werden mittels Ionenchromatographie (Dionex Aquion, Thermo Fisher), Kationen mittels ICP-MS (Agilent 7.900) durchgeführt. Die Bestimmung der HCO3-Gehalte erfolgt direkt im Anschluss an die Probenahme titritmetrisch (Titroline 5000).
Einmalig werden Proben für eine Analyse der Sulfat-Isotopie aller Wässer entnommen. Das Verhältnis von schwerem Sauerstoff δ18O und δ34S im Sulfat kann Auskunft darüber geben, ob die gemessenen Sulfatgehalte das Produkt der Pyritoxidation oder der Lösung von mesozoischen Sedimenten sind oder ob bakteriologische Sulfatreduktion stattgefunden hat (siehe dazu z.B. Rinder, 2020). Die Isotopen-Analysen werden durch ein kommerzielles Labor mit entsprechender Ausstattung durchgeführt.

Die Arbeiten in Gelände und Labor sollen in erster Linie von Domink Hauser, BSc (Geologie-Student) im Rahmen seiner Masterarbeit an der Univ. Salzburg, unter fachlicher Betreuung von Assoz. Prof. Dr. Sylke Hilberg, der auch die Projektleitung obliegt, ausgeführt werden. Dr. Gert Furtmüller, Geopark Erz der Alpen wird die Kontakte zu den Bergwerksverantwortlichen und weiteren lokalen Ansprechpersonen an den drei Standorten herstellen und mit Lokalkenntnis unterstützen.

Erwartete Ergebnisse
Generell werden zwei Erwartungen an die Studie geknüpft:
(1): wird sie einen Überblick über die noch bestehenden Auswirkungen des Bergbaus auf die Beschaffenheit von Quellen und Fließgewässern in der Region Geopark Erz der Alpen liefern und damit einen weiteren Aspekt des Erzbergbaus thematisieren, der sowohl wissenschaftlich als auch populärwissenschaftlich im Geopark verwertet werden kann.
(2): erwarten wir einen Beitrag zu der generellen Frage leisten zu können, ob sich Grubenwässer im Sulfid-Erzbergbau auch nach Jahrzehnten noch signifikant von unbeeinflussten Grundwässern unterscheiden und ob bzw. in welchem Ausmaß „Natural Attenuation“ im Grubenwasser stattfindet, wenn eine Grubenwasserbehandlung im Nachbergbau völlig ausbleibt.