Solute transport in crystalline rocks at Äspö — I: Geological basis and model calibration

Water-conducting faults and fractures were studied in the granite-hosted A¨ spo¨ Hard Rock Laboratory (SE Sweden). On a scale of decametres and larger, steeply dipping faults dominate and contain a variety of different fault rocks (mylonites, cataclasites, fault gouges). On a smaller scale, somewhat less regular fracture patterns were found. Conceptual models of the fault and fracture geometries and of the properties of rock types adjacent to fractures were derived and used as input for the modelling of in situ dipole tracer tests that were conducted in the framework of the Tracer Retention Understanding Experiment (TRUE-1) on a scale of metres. After the identification of all relevant transport and retardation processes, blind predictions of the breakthroughs of conservative to moderately sorbing tracers were calculated and then compared with the experimental data. This paper provides the geological basis and model calibration, while the predictive and inverse modelling work is the topic of the companion paper [J. Contam. Hydrol. 61 (2003) 175]. The TRUE-1 experimental volume is highly fractured and contains the same types of fault rocks and alterations as on the decametric scale. The experimental flow field was modelled on the basis of a 2D-streamtube formalism with an underlying homogeneous and isotropic transmissivity field. Tracer transport was modelled using the dual porosity medium approach, which is linked to the flow model by the flow porosity. Given the substantial pumping rates in the extraction borehole, the transport domain has a maximum width of a few centimetres only. It is concluded that both the uncertainty with regard to the length of individual fractures and the detailed geometry of the network along the flowpath between injection and extraction boreholes are not critical because flow is largely one-dimensional, whether through a single fracture or a network. Process identification and model calibration were based on a single uranine breakthrough (test PDT3), which clearly showed that matrix diffusion had to be included in the model even over the short experimental time scales, evidenced by a characteristic shape of the trailing edge of the breakthrough curve. Using the geological information and therefore considering limited matrix diffusion into a thin fault gouge horizon resulted in a good fit to the experiment. On the other hand, fresh granite was found not to interact noticeably with the tracers over the time scales of the experiments. While fracture-filling gouge materials are very efficient in retarding tracers over short periods of time (hours–days), their volume is very small and, with time progressing, retardation will be dominated by altered wall rock and, finally, by fresh granite. In such rocks, both porosity (and therefore the effective diffusion coefficient) and sorption Kds are more than one order of magnitude smaller compared to fault gouge, thus indicating that long-term retardation is expected to occur but to be less pronounced.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Long-term trends in invertebrate–habitat relationships under protected and fished conditions

Few studies examine the long-term effects of changing predator size and abundance on the habitat associations of resident organisms despite that this knowledge is critical to understand the ecosystem effects of fishing. Marine reserves offer the opportunity to determine ecosystem-level effects of manipulated predator densities, while parallel monitoring of adjacent fished areas allows separating these effects from regional-scale change. Relationships between two measures of benthic habitat structure (reef architecture and topographic complexity) and key invertebrate species were followed over 17 years at fished and protected subtidal rocky reefs associated with two southern Australian marine reserves. Two commercially harvested species, the southern rock lobster (Jasus edwardsii) and blacklip abalone (Haliotis rubra) were initially weakly associated with habitat structure across all fished and protected sites. The strength of association with habitat for both species increased markedly at protected sites 2 years after marine reserve declaration, and then gradually weakened over subsequent years. The increasing size of rock lobster within reserves apparently reduced their dependency on reef shelters as refuges from predation. Rising predation by fish and rock lobster in the reserves corresponded with weakening invertebrate–habitat relationships for H. rubra and sea urchins (Heliocidaris erythrogramma). These results emphasise that animal–habitat relationships are not necessarily stable through time and highlight the value of marine reserves as reference sites. Our work shows that fishery closures to enhance populations of commercially important and keystone species should be in areas with a range of habitat features to accommodate shifting ecological requirements with ontogenesis.

Magnetic anisotropy in natural amphibole crystals

Anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) is often used as a proxy for mineral fabric in deformed rocks. To do so quantitatively, it is necessary to quantify the intrinsic magnetic anisotropy of single crystals of rock-forming minerals. Amphiboles are common in mafic igneous and metamorphic rocks and often define rock texture due to their general prismatic crystal habits. Amphiboles may dominate the magnetic anisotropy in intermediate to felsic igneous rocks and in some metamorphic rock types, because they have a high Fe concentration and they can develop a strong crystallographic preferred orientation. In this study, the AMS is characterized in 28 single crystals and I crystal aggregate of compositionally diverse clino- and ortho-amphiboles. High-field methods were used to isolate the paramagnetic component of the anisotropy, which is unaffected by ferromagnetic inclusions that often occur in amphibole crystals. Laue imaging, laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry, and Mossbauer spectroscopy were performed to relate the magnetic anisotropy to crystal structure and Fe concentration. The minimum susceptibility is parallel to the crystallographic a*-axis and the maximum susceptibility is generally parallel to the crystallographic b-axis in tremolite, actinolite, and hornblende. Gedrite has its minimum susceptibility along the a-axis, and maximum susceptibility aligned with c. In richterite, however, the intermediate susceptibility is parallel to the b-axis and the minimum and maximum susceptibility directions are distributed in the a-c plane. The degree of anisotropy, k', increases generally with Fe concentration, following a linear trend: k' = 1.61 x 10(-9) Fe - 1.17 x 10(-9) m(3)/kg. Additionally, it may depend on the Fe2+/Fe3+ ratio. For most samples, the degree of anisotropy increases by a factor of approximately 8 upon cooling from room temperature to 77 K. Fen-oactinolite, one pargasite crystal and riebeckite show a larger increase, which is related to the onset of local ferromagnetic (s.l.) interactions below about 100 K. This comprehensive data set increases our understanding of the magnetic structure of amphiboles, and it is central to interpreting magnetic fabrics of rocks whose AMS is controlled by amphibole minerals.

Selenium isotope analysis by N-TIMS: Potential and challenges

The isotope composition of selenium (Se) can provide important constraints on biological, geochemical, and cosmochemical processes taking place in different reservoirs on Earth and during planet formation. To provide precise qualitative and quantitative information on these processes, accurate and highly precise isotope data need to be obtained. The currently applied ICP-MS methods for Se isotope measurements are compromised by the necessity to perform a large number of interference corrections. Differences in these correction methods can lead to discrepancies in published Se isotope values of rock standards which are significantly higher than the acclaimed precision. An independent analytical approach applying a double spike (DS) and state-of-the-art TIMS may yield better precision due to its smaller number of interferences and could test the accuracy of data obtained by ICP-MS approaches. This study shows that the precision of Se isotope measurements performed with two different Thermo Scientific™ Triton™ Plus TIMS is distinctly deteriorated by about ±1‰ (2 s.d.) due to δ80/78Se by a memory Se signal of up to several millivolts and additional minor residual mass bias which could not be corrected for with the common isotope fractionation laws. This memory Se has a variable isotope composition with a DS fraction of up to 20% and accumulates with increasing number of measurements. Thus it represents an accumulation of Se from previous Se measurements with a potential addition from a sample or machine blank. Several cleaning techniques of the MS parts were tried to decrease the memory signal, but were not sufficient to perform precise Se isotope analysis. If these serious memory problems can be overcome in the future, the precision and accuracy of Se isotope analysis with TIMS should be significantly better than those of the current ICP-MS approaches.