Verfolgung von Metall dispersionspfaden in einer verlassenen mediterranen Bergbaulandschaft: Fallstudie des Bergbaugebiets Cartagena–La Unión.

Der ehemalige Bergbau-Distrikt Cartagena–La Unión (Südostspanien) ist eine der am stärksten betroffenen Bergbaulandschaften im Mittelmeerraum. Die Gegend wurde über zwei Jahrtausende hinweg nach Sulfidmineralen wie Galenit (PbS), Sphalerit (ZnS) und Pyrit (FeS) sowie nach Karbonaten, Eisenoxiden, Hydroxiden und Sulfaten abgebaut. Die Bergbauaktivität erreichte Mitte des 19. Jahrhunderts bis 1991 ihren Höhepunkt, als die letzte Mine geschlossen wurde. Heute weist die Landschaft zahlreiche Spuren ihrer Bergbauvergangenheit auf, darunter Millionen Tonnen Abraum mit extrem hohen Metallkonzentrationen (z. B. Blei und Zink häufig > 10.000 mg kg⁻¹, Kupfer üblicherweise > 100 mg kg⁻¹, Mangan oft > 1.500 mg kg⁻¹ und Cadmium zwischen 10 und 100 mg kg⁻¹). In Kombination mit spärlicher Vegetation, sintflutartigen Regenfällen und anhaltenden Winden schaffen diese Bedingungen ein hochdynamisches System, in dem sowohl Wasser- und Winderosion fungieren als Haupttransportwege für Schadstoffe.

Abbildung 1. Lage des Bergbaugebiets Cartagena–La Unión (SE Spanien) und des Studiengebiets, in dem die SOILPROM-Datenerfassung für hydrische Erosion (a) und Winderosion (b) durchgeführt wird.

Innerhalb des Horizon Europe-Projekts SOILPROM, Diese Stätte dient als wichtiges Anwendungsbeispiel, um zu verstehen, wie Metalle und Metalloide unter realen Umweltbedingungen transportiert und umverteilt werden. Unsere Arbeit konzentriert sich auf eine zentrale Frage: Wie treiben Erosionsprozesse die Verbreitung von Metallen in aufgegebenen halbtrockenen Bergbaugebieten voran?

Wassererosion: Sturmereignisse als Treiber des Metalltransports

Die Rambla del Beal, ein vergänglicher Wasserlauf, der das Bergbaugebiet entwässert, spielt eine Schlüsselrolle beim Transport von Metallen. Ihr stark von Bergbauabfällen beeinträchtigter Lauf dient als Hauptleitung für die Übertragung kontaminierter Sedimente in die tiefer gelegenen Gebiete.

Um den Transport von belasteten Sedimenten durch Wassererosion zu quantifizieren, wurde entlang eines ca. 1,5 km langen Abschnitts des Oberlaufs der Rambla del Beal eine Feldüberwachung eingerichtet, die sich auf ein Rückhaltebecken konzentriert.

Der Ansatz kombiniert:

• Abflussrohre (PVC-Rohre) um Oberflächenwasser und suspendierte Sedimente aufzufangen
• Erosionsnägel zur Messung der Sedimentablagerung im Wasserbett
• Sedimentkern Sammlung zur Quantifizierung der Menge des im Wasserbett angesammelten Materials
• Einzugsgebietsweite Analyse (Hangneigung, Vegetation, Bodeneigenschaften)

Abbildung 2. Panoramablick auf die Hänge innerhalb des Einzugsgebiets, das in die Rambla del Beal entwässert, wo Erosionsnägel zur Bewertung der Sedimentablagerung im Flussbett installiert wurden und PVC-Rohre neben der Sohlschwelle zur Sammlung von Oberflächenabfluss und suspendierten Sedimenten platziert wurden.

Abbildung 3. Details der PVC-Rohre (a) zur Sammlung von Oberflächenwasser und suspendierten Sedimenten, Erosionsnagel (b) und Kernbohrung (c) im Rambla del Beal Wasserlauf.

Zwischen Sommer 2025 und Frühjahr 2026 wurden vier Abfluss- und Erosionsereignisse beobachtet. Im Sommer begünstigt die extreme Trockenheit des Bodens die Oxidation von Sulfiden in Bergbauabfällen, was zur Ausfällung sekundärer Metallsulfate an der Oberfläche führt (Abbildung 4). Wenn sich diese Sulfate bei Regenereignissen lösen, ist das resultierende Abwasser stark salzhaltig und sauer, was den Transport gelöster Metalle erleichtert (Abbildungen 5 und 6).

Abbildung 4. Salzausblühungen, gebildet durch sekundäre Sulfate, die während der trockensten Perioden des Jahres ausgefällt sind.

Abbildung 5. Elektrische Leitfähigkeit (EC) und pH-Wert des Abflusses, gesammelt zwischen Juli 2025 und April 2026.

Abbildung 6. Lösliche Metallkonzentrationen im Oberflächenabfluss, gesammelt zwischen Juli 2025 und Oktober 2025.

Die Erosionsraten variierten zwischen 0,5 und 1,7 t ha⁻¹ (Abbildungen 7 und 8) und die transportierten Sedimente wiesen sehr hohe Metallkonzentrationen auf (z. B. Pb: 20.000–40.000 mg kg⁻¹; Zn: 3.000–6.000 mg kg⁻¹) (Abbildung 8).

Abbildung 7. Messung der Sedimenthöhe auf den Erosionsnägeln nach dem Niederschlagsereignis vom Oktober 2025.

Abbildung 8. Erosionsraten bei den zwischen Juli 2025 und April 2026 beobachteten Ereignissen.

Abbildung 9. Gesamtmetallkonzentrationen in Sedimenten, die nach den Regenfällen im Juli 2025 und Oktober 2025 in den PVC-Rohren gesammelt wurden.

Wassererosion ist ein Hauptpfad für die Verbreitung von Metallen und wirkt auf zwei Arten:

1) der Transport gelöster Metalle in Oberflächenabfluss;

2) der Transport von an Bodenpartikel gebundene Metalle. Die Metallverteilung durch Wassererosion hat aufgrund der Bildung von Sulfatausblühungen während der trockenen Sommerperiode eine starke saisonale Komponente.

Wind-Erosion: Atmosphärische Pfade der Kontamination

Parallel dazu werden windgetriebene Prozesse in einer flachen Ablagerungsfläche ca. 6,5 km entfernt nahe der Mündung der Rambla del Beal untersucht, wo sich über Jahrzehnte hinweg Bergehalden aufgetürmt haben (Abbildung 10).

Abbildung 10. Lage des flachen Gebiets zur Bewertung des Metalltransports durch Winderosion.

Der Versuchsaufbau beinhaltet:

• Zehn BSNE (Big Spring Number Eight) Staubabscheider in mehreren Höhen (5, 25, 50, 75, 100 und 150 cm) (Abbildung 11)
• Beprobung von dominanten Windregimen (Lebeche – SO und Levante – O/NO) (Abbildung 12)
• Saisonale Überwachung während Hochrisikozeiten (Sommer und Frühling)

Abbildung 11. BSNE-Staubabscheider

Abbildung 12. BSNE-Staubabscheider im unteren Bereich von die Rambla del Beal.

Die Ergebnisse zeigen, dass Winderosion ein wesentlicher Mechanismus für die Ausbreitung von Metallen ist (Abbildung 13):

Abbildung 13. Entnahme von Staubproben.

• Staubpartikel zeigen sehr hohe Metallkonzentrationen (z.B. Zn ~ 9500 mg kg⁻¹; Pb ~ 8000 mg kg⁻¹; Cu > 100 mg kg⁻¹^-1)
• Die Schlufffraktion dominiert, was den Fernverkehr erleichtert
• Windrichtung beeinflusst sowohl die Konzentration und Variabilität des transportierten Materials

Diese Ergebnisse bestätigen, dass staubhaltige Emissionen nicht nur ein lokales Problem, sondern auch ein potenzielles regionales und atmosphärisches Risiko darstellen.

Von Felddaten zu prädiktiver Modellierung

Ein Hauptziel von SOILPROM ist es, über standortspezifische Beobachtungen hinauszugehen und integrierte Modellierungsrahmen zu entwickeln. Daten aus diesem Anwendungsfall werden Modelierern der Universität Wageningen zur Verfügung gestellt, um das OpenLISEM-Modell (zur Simulation der Metallverbreitung durch Wassererosion) und das MicroHH-Modell (zur Simulation der Metallverbreitung durch Winderosion) zu speisen. Die Integration von Felddaten und Modellierung wird dazu beitragen, kritische Transportpfade zu identifizieren, Schadstoffflüsse unter verschiedenen Umweltszenarien zu quantifizieren und die Vorhersagen des Schadstoffverhaltens unter sich ändernden Klimabedingungen zu verbessern.

Diese Prozesse werden voraussichtlich unter zukünftigen Klimaszenarien, die durch längere Dürreperioden und extremere Niederschlagsereignisse gekennzeichnet sind, vor allem in mediterranen Regionen, zunehmen. Daher ist das Verständnis, wie klimabedingte Erosion die Mobilität von Schadstoffen beeinflusst, unerlässlich, um zukünftige Umweltrisiken vorherzusehen und wirksame Minderungsstrategien zu entwickeln.

Nachhaltige Sanierungsstrategien unterstützen

Das Verständnis, wie sich Metalle und Halbmetalle in dieser Landschaft bewegen, ist für die Entwicklung wirksamer Minderungs- und Wiederherstellungsmaßnahmen unerlässlich.

Die in Cartagena–La Unión gewonnenen Ergebnisse werden evidenzbasierte Landmanagementstrategien unterstützen, bei der Priorisierung von Sanierungsmaßnahmen wie der Stabilisierung von Abraumhalden und der Etablierung von Vegetation helfen und zur Verringerung von Umwelt- und menschlichen Expositionsrisiken beitragen.

Breiter gefasst trägt dieser Anwendungsfall zur Mission von SOILPROM bei, unsere Fähigkeit zur Bewertung und Bewältigung von Bodenverschmutzung in ganz Europa durch integrierte, prozessbasierte Ansätze zu verbessern.