1 Das Kupferbeil vom Heuberg und sein archäologischer Kontext

Zusammen mit einem umfangreichen Bestand an hauptsächlich bronzezeitlichen Metallfunden vom „Zeilkopf“ gelangten im Jahr 2020 auch einzelne weitere Funde vom benachbarten „Heuberg“ (Gemeinde Ohlstadt, Landkreis Garmisch-Partenkirchen) in die Sammlung des Museums Werdenfels in Garmisch-Partenkirchen. Diese mittels Metallsonde detektierten Einzelstücke entbehren eines archäologischen Kontexts und können daher nur auf typologischem Weg datiert werden. Die in Betrachtung stehende kupferne Beilklinge ist am rückwärtigen Ende abgebrochen und weist in der Aufsicht einen langgestreckten trapezförmigen Körper mit leicht eingezogenen Seitenbahnen sowie eine mäßig gebogene, stumpfe Schneide auf (Abb. 1). Der Längsschnitt ist etwa symmetrisch, wobei er seine größte Dicke im hinteren Bereich des erhaltenen Teils erreicht, der Querschnitt ist leicht abgerundet-rechteckig. Aufgrund der Korrosion der Oberfläche ist eine mögliche Überarbeitung der Gussoberflächen durch Hämmern nicht mehr erkennbar. Mit einer Länge von noch 69 mm, einer Breite von 33 mm und einer Dicke von immerhin 14 mm ist die Beilklinge relativ klein, zugleich aber bemerkenswert kräftig proportioniert.

Abb. 1
figure 1

Kupferbeil vom Heuberg bei Ohlstadt, Deutschland

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Typologisch gemahnt das Stück noch deutlich an Steinbeile und steht aufgrund der Form und dem kräftigen Bau den Beilen des Typs Stollhof nahe, genauer gesagt der durchaus heterogenen Variante Hartberg [1, 2]. Ähnliche – meist allerdings größere – Beilklingen finden sich weit verstreut, aber insgesamt selten im südlichen Mitteleuropa, mehrfach auch in Bayern [3]. Eine genauere Datierung gestaltet sich schwierig, da es sich häufig um Einzelfunde handelt. Kontexte wie die Depotfunde von Stollhof und Großheubach deuten auf eine Zeitstellung an der Wende vom 5. zum 4. beziehungsweise im frühen 4. Jahrtausend v. Chr., wobei unklar ist, wie lange derartige Formen in Gebrauch waren [1,2,3]. Zeitlich entspricht dies dem Horizont des älteren Jungneolithikums, respektive der älteren Kupferzeit, welche etwa mit Komplexen wie der Münchshöfener Kultur in Südbayern und im Tiroler Inntal, Michelsberg in weiter nordwestlich gelegenen Gebieten und Balaton-Lasinja in Ostösterreich vertreten ist [4]. Typologisch betrachtet sind die Beile der Variante Hartberg somit tendenziell älter als die weitaus zahlreicheren, breiten und flachen Beile des Typs Altheim [1, 2]. Diese sind im mittleren Drittel des 4. Jahrtausends v. Chr. weit verbreitet und gut belegt aus Kontexten des jüngeren Jungneolithikums bzw. der mittleren Kupferzeit. In Südbayern ist hier vor allem die Altheimer Gruppe zu nennen, westlich hiervon die Pfyner Gruppe und im östlich anschließenden Raum die Mondseekultur [4]. Tendenziell erneut jünger datieren frühe Randleistenbeile (Remedello-Beile), deren bekanntester Vertreter das Beil der Gletschermumie vom Hauslabjoch („Ötzi“) ist [5]. Derartige Formen entstammen dem jüngeren 4. und älteren 3. Jahrtausend v. Chr.

In Südosteuropa erlebte die Kupfermetallurgie während des jüngeren 5. und älteren 4. Jahrtausends v. Chr. eine erste große Blüte [6]. Charakteristisch sind massiv gegossene „Schwergeräte“, zu welchen Hammeräxte, kreuzschneidige Äxte und kräftige Flachbeile zählen. Als Rohstoff diente zumeist ein sehr reines Kupfer aus südosteuropäischen Lagerstätten. Vereinzelt gelangten derartige Schwergeräte weit nach Westen und Norden [7, 8]. Bemerkenswert ist, dass eines dieser seltenen Importstücke, eine kreuzschneidige Axt, bei Bad Kohlgrub gefunden wurde, also lediglich rund 15 km vom Heuberg entfernt [9]. Angeregt durch derartige Kontakte zu hochkupferzeitlichen Kulturgruppen Südosteuropas setzte auch im nördlichen Alpenvorland eine – zunächst spärliche – Verarbeitung anfangs sicher importierten Rohmaterials ein [7, 8], Schlackenfunde am Mariahilfbergl bei Brixlegg im Tiroler Inntal legen aber auch erste Versuche extraktiver Metallurgie nahe [8].

Ab etwa 3800 v. Chr. ist im nördlichen Alpenvorland schließlich eine wesentlich intensivere Metallverarbeitung greifbar, wobei sowohl Fertigprodukte als auch Tiegel und Schlacken vor allem in den Pfahlbaufundstellen der Pfyner Kultur im Westen und der Mondseekultur im Osten zahlreich auftreten, während aus Südbayern – mutmaßlich erhaltungsbedingt – deutlich weniger Belege vorliegen. Diese aufblühende Kupfermetallurgie ist verbunden mit einer Ausweitung des Typenspektrums, komplexeren Herstellungsweisen und der zunehmenden Verwendung von meist schwach arsenhaltigem Kupfer [7, 8, 10, 11]. Die Herkunft dieses sogenannten „Mondseekupfers“ ist bislang nicht abschließend geklärt, es scheint aber plausibel, dass ostalpine Lagerstätten hierzu beigetragen haben [7, 8, 12].

Die Beilklinge vom Heuberg ist aus archäologischer Sicht somit wohl dem frühen Horizont der Kupferverwendung im nördlichen Alpenvorland zuzuweisen, als möglicherweise bereits erste Schritte hin zu einer eigenständigen Kupfermetallurgie erfolgten. Rohmaterial und Verarbeitungstechnik des Stücks sind daher von besonderem Interesse, zumal außer Importen aus Südosteuropa – gerade am Alpenrand – auch solche aus Italien denkbar sind [13].

2 Metallkundliche Untersuchungen

Die aus der Schneidenkante des Beils entnommene Keilprobe wurde metallographisch präpariert und untersucht (Abb. 2 und 3). Es wurden 3D-Digitalmikroskopie (3D-DM), Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), Lichtmikroskopie (LOM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) eingesetzt.

Abb. 2
figure 2

Kupferbeil vom Heuberg nach der Probennahme

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Abb. 3
figure 3

3D-Digitalmikroskopie des untersuchten Segments (a, b), sowie Details der Schneide, (c, d)

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Nach dem Kalteinbetten mit Araldit und Planschleifen wurde stufenweise bis 1 µm Diamant geschliffen bzw. poliert. Da Cu2O im Hellfeld eine graue Eigenfarbe besitzt und im polarisierten Licht rot gefärbt ist, konnte das Gefüge bereits im polierten Zustand im LOM und REM erkannt werden. In Abb. 4 sind Überblicksaufnahmen zusammengestellt. Im polierten Zustand sind einige Lunker im Inneren der Probe erkennbar (Abb. 4a). Nach einer Ätzung mit Klemm 2‑Lösung (Abb. 4b) ist ein gleichmäßiges Gefüge erkennbar, wobei sich an der Beilschneide und in den Randbereichen Verformungen erahnen lassen. In REM Bildern ist neben primär auskristallisiertem Kupfer auch das Cu-Cu2O Eutektikum in den interdendritischen Bereichen zu erkennen (Abb. 4c, d). Die Verformungen an der Beilspitze sind hier deutlicher zu sehen.

Abb. 4
figure 4

Gefüge des Kupferbeils: a, b LOM, a poliert, b Klemm2 Ätzung, c, d REM

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In Abb. 5 sind Detailaufnahmen des Beilgefüges dargestellt. Im Hellfeld sind die Cu2O Ausscheidungen als dunkle Punkte deutlich erkennbar (Abb. 5a, c) und im polarisierten Licht leuchtet das Cu2O hellrot auf (Abb. 5b, d). In Abb. 5c ist zu sehen, dass der Lunker, der aufgrund der Erstarrung der Schmelze entstanden ist, direkt an die Bereiche des Cu-Cu2O Eutektikums anschließt.

Abb. 5
figure 5

Cu-Matrix und Cu2O‑Cu Eutektikum, LOM: a–d poliert, a, c Hellfeld, b, d polarisiertes Licht, e, f Klemm2 Ätzung

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Die Korngrößen des Kupfers betragen zwischen 300 und 400 µm, was eher grob ist, und außerdem reichen sie teilweise über die Bereiche des Cu-Cu2O Eutektikums hinaus. Daraus kann geschlossen werden, dass es noch während der Abkühlung des Beils zur Rekristallisation des Kupfers gekommen ist und danach keine Verformung mehr auftrat.

Um sicherzustellen, dass es sich um das Cu-Cu2O Eutektikum handelt, wurde eine REM-EDX Elementverteilung durchgeführt (Abb. 6).

Abb. 6
figure 6

Cu2O‑Cu Eutektikum, REM-EDX Elementverteilung von Sauerstoff

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Im Bereich der Beilschneide sind Verformungen erkennbar, da die Bereiche des Cu-Cu2O Eutektikums eine Längsstruktur aufweisen (Abb. 7a, b). Dies bedeutet, dass nach dem Guss die Schneidkante zur Schärfung und/oder Härtung gehämmert wurde. Da sich einzelne Kupferkörner teilweise über die eutektischen Cu-Cu2O Bereiche hinaus erstrecken, ist anzunehmen, dass in späterer Folge noch eine Rekristallisation des Kupfers stattfand. Ob diese Temperaturbehandlung absichtlich durchgeführt wurde oder aufgrund eines unbeabsichtigten Feuers eintrat, kann nicht entschieden werden. Bei höheren Vergrößerungen sind auch Verformungszwillinge im Kupfergefüge zu sehen (Abb. 7c, d).

Abb. 7
figure 7

Verformungen an der Schneide, LOM: a–d Klemm2 Ätzung

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An der Oberfläche des Beils sind Korrosionsschichten zu erkennen (Abb. 8a). Die Randzone im REM betrachtet zeigt, dass die Korrosion vorzugsweise entlang der Bereiche mit Cu-Cu2O Eutektikum voranschreitet (Abb. 8b). Dies ist ebenfalls in den LOM-Bildern gut zu erkennen (Abb. 8c, d). Die Korrosionsschicht (Patina) ist zweilagig aufgebaut, wobei außen Malachit (dunkelgrau) und innen Cu2O (hellgrau) vorliegt (Abb. 8c). Im polarisierten Licht erscheint der Malachit grün und das Cu2O rot (Abb. 8d).

Abb. 8
figure 8

Korrosionsprodukte an der Beiloberfläche a, b REM, c, d LOM, d polarisiertes Licht

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Um die genaue chemische Zusammensetzung des Werkstoffes zu erhalten, wurde eine RFA-Analyse durchgeführt. Diese ergab 99,8 Gew. % Cu und Spuren an Ni, Fe, P, Si und Al (Tab. 1). Es wurden weder S noch As und Pb nachgewiesen. Zu erwähnen bleibt noch O, welcher mittels RFA nicht erfasst wird. Sein Gehalt im Beil wird auf etwa 0,2 Gew. % geschätzt. Im Cu-Cu2O Eutektikum liegt die Sauerstofflöslichkeit im Cu bei 0,4 Gew. % [14].

TABELLE 1 RFA-Analyse am metallographischen Schliff
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Ähnliche Gefüge wurden auch beim sogenannten „Ötzi-Beil“ [5, 15] sowie bei einem Beil aus dem Burgenland [16] gefunden und sind allgemein charakteristisch auch für Schwergeräte der südosteuropäischen Hochkupferzeit [10].

3 Die Metallurgie des Jungneolithikums im südlichen Mitteleuropa

Durchsucht man die publizierten Analysedaten von jungneolithischen bzw. kupferzeitlichen Metallgegenständen, so handelt es sich allgemein meist um nahezu reines Kupfer mit Spurenelementen, von denen angenommen werden kann, dass sie aus den verwendeten Erzen stammen. Besonderes Augenmerk wird auf Arsen im Kupfer gelegt, da durch dieses die Härte gesteigert werden kann. Bei niedrigen As-Gehalten spricht man von Arsenkupfer, bei höheren Konzentrationen von Arsenbronze, wobei die Grenzen nicht festgelegt sind. Obwohl üblicherweise lediglich zwischen 0 und etwa 0,5 Gew.% As im Kupfer nachgewiesen wurden und nur in einzelnen Fällen auch bis 1,9 Gew.% As gemessen wurden [17], unterliegt das Auftreten von Arsenkupfer einem klaren zeitlichen Trend: Das als „Mondseekupfer“ bezeichnete Material ist – wenn auch keineswegs exklusiv – überregional charakteristisch für die Metallurgie des jüngeren Jungneolithikums ab etwa 3800 v. Chr. [17,18,19].

Das hier untersuchte Kupferbeil vom Heuberg ist formtypologisch aber als älter einzustufen. Dies erfährt eine Bestätigung sowohl von chemischer Seite durch das Fehlen eines nachweisbaren Arsengehalts als auch metallographisch durch die einfache angewandte Technologie. In beiden Punkten unterscheidet es sich von den üblichen Beilen des Typs Altheim des entwickelten 4. Jahrtausends v. Chr. [10]. Da im vorliegenden Kupferbeil vom Heuberg weder As noch S nachgewiesen werden konnten, sondern nur das Cu-Cu2O Eutektikum, ist von einer sehr reinen Malachit-Erzbasis auszugehen [20]. Das oxydische Erz Malachit Cu2(OH)2(CO3) ist aufgrund seiner auffällig grünen Farbe sehr leicht an entsprechenden Aufschlüssen zu finden. Die Verhüttung von oxydischen Kupfererzen zu metallischem Cu ist einfach und kann in einem flachen Tiegel oder Herd mit Holzkohle als Reduktionsmittel durchgeführt werden. Hierfür geeignete Gießlöffel, in denen vermutlich auch die Reduktion der Erze durchgeführt wurde, sind aus dem entwickelten 4. Jahrtausend v. Chr. im nördlichen Alpenvorland gut bekannt aus Fundplätzen der Pfyner Kultur und der Mondseekultur, ältere Belege aber sind aber lediglich am östlichen Rand der Alpen belegt [8]. Die Temperatur für die Reduktion beziehungsweise das Aufschmelzen des Cu konnte mittels Blasrohren erreicht werden. Durch das Vorliegen eines Cu-Cu2O Eutektikums konnte bereits beim Schmelzpunkt von Cu (1085 °C) eine vollständig aufgeschmolzene Legierung erhalten werden. Der im geschmolzenen Kupfer gelöste Sauerstoff wird bei der eutektischen Erstarrung als Cuprit (Cu2O) ausgeschieden. Eine Lokalisierung des genutzten Erzvorkommens erscheint nicht möglich, da Vergleichsdaten mit kleinen Erzvorkommen der Region fehlen [12]. Außerdem könnten Erze verschiedenen Vorkommens gemischt worden sein, was eine Zuordnung zu einer Lagerstätte letztendlich unmöglich macht.

Die im Mondseekupfer oft gefundenen As-Gehalte lassen sich auch einfach durch die Verhüttung von oxydischen, verwitterten Fahlerzen erklären. Bei der Verwitterung entsteht Malachit, der mit den Oxiden von As, Sb und vermutlich auch S aus dem Fahlerz verunreinigt ist. Für die Auffindung des Erzes war wiederum die Farbe des Malachits maßgeblich und die Verunreinigungen wurden während der Reduktion mehr oder weniger stark im metallischen Kupfer aufgenommen [21]. Bei dieser Methode der Kupfergewinnung handelte sich somit um einen einfachen einstufigen Prozess, in dem Reduktion und Schmelzen gleichzeitig durchgeführt wurden. As, welches einmal im Cu gelöst ist, bleibt auch während nachfolgender Schmelzprozesse erhalten und verflüchtigt sich nicht [22].

In der Entwicklung der Kupfermetallurgie folgte die Verhüttung von Fahlerzen, wofür ein zumindest zweistufiger Prozess notwendig ist, nämlich Rösten und Reduzieren. Da Fahlerze oberflächlich verwittert sind, bedurfte es bereits etwas tiefer gehender bergmännischer Abbauarbeiten. Die Fahlerzverhüttung ist gut untersucht, wobei zu beachten ist, dass As und Sb während des Röstens verdampfen beziehungsweise in die Schlacke gehen [23]. Im hergestellten Kupfer aus Fahlerz kann auch S enthalten sein, falls dieser nicht vollständig beim Rösten entfernt wurde. Wie bei der Kupfergewinnung aus oxydischen Erzen kann im Röstgut enthaltenes As und Sb im Kupfer aufgenommen werden. Auf die später durchgeführte Verhüttung von Chalkopyrit und die Herstellung von Zinnbronzen wird hier nicht näher eingegangen.

4 Zusammenfassung

Am Heuberg bei Ohlstadt in Deutschland wurde ein Kupferflachbeil gefunden, welches aufgrund formtypologischer und metallurgischer Kriterien in das frühe 4. Jahrtausend v. Chr. oder sogar an die Wende vom 5. zum 4. Jahrtausend v. Chr. datiert werden kann. In diesem Zeittraum ist im südbayerischen Raum sowie im angrenzenden Tiroler und Salzburger Gebiet die jungneolithische beziehungsweise kupferzeitliche Münchshöfener Kultur verbreitet.

Ein dem Beil entnommener Probekeil konnte metallographisch untersucht werden. Eine am metallographischen Schliff durchgeführte RFA Analyse ergab nahezu reines Kupfer. Die in jungneolithischem Kupfer häufig vorhandenen Elemente As, Sb, S und Pb, waren nicht nachweisbar. Das Gefüge der Probe ist sehr gleichmäßig und enthält neben zuerst entstandenem Kupfer ein feines Cu-Cu2O Eutektikum. Im Bereich der Beilschneide wurde eine deutliche Verformung des Gefüges festgestellt, was auf ein gezieltes Hämmern hindeutet.

Aufgrund des Fehlens von S und As im Kupfer kann davon ausgegangen werden, dass nur oxydische, malachitische Erze für die Kupfergewinnung verwendet wurden. Das Beil vom Heuberg erweitert somit den Bestand der wenigen Belege von früher Kupferverwendung im nördlichen Alpenvorland wesentlich.