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Entstehung, Erscheinung und Hydrologie. Übersicht Entstehung Verkarstung Hydrologie Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie.

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Präsentation zum Thema: "Entstehung, Erscheinung und Hydrologie. Übersicht Entstehung Verkarstung Hydrologie Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie."—  Präsentation transkript:

1 Entstehung, Erscheinung und Hydrologie

2 Übersicht Entstehung Verkarstung Hydrologie Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

3 Die Übersicht

4 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie Begrenzt durch die Orte: Ingolstadt (Süden) Regensburg (Südosten) Nürnberg (Westen) Bamberg (Nordwesten) Bayreuth (Nordosten) Verlängerung der Schwäbischen Alb jenseits des Nördlinger Rieses nach Nordosten

5 Prozess über mehr als 100 Mio. Jahre

6 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

7 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

8 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

9 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

10 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

11 Die Grundlage der Schichten

12 Geländeform: Weiche Hügel Bestehend aus den ältesten geologischen Schichten (Mittlerer Keuper, ca. 200 Mio. Jahre): Sandsteine Tone Ablagerungen in dieser Zeit entstanden küstennah: Sumpfige Seenplatten, Flussdeltas, Verlandungsbereiche und Lagunen Gebiet noch überwiegend Festland, nur kurzzeitig vom Meer überflutet Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

13 Die Krönung der Schichten

14 In der Jurazeit (ca. 195 mya) lag ganz Süddeutschland für 60 Mio. Jahre unter einem Flachmeer Ständige Absenkung der Kruste Mächtige Gesteinsfolgen lagern sich am Meeresgrund ab Jura-Sedimente bilden heute den größten Teil der auftretenden Gesteine Gliederung der Jura-Formation in 3 Abteilungen: Unterer oder Schwarzjura (Lias) Mittlerer oder Braunjura (Dogger) Oberer oder Weißjura (Malm) Benennungen beziehen sich auf die in den drei Abteilungen vorherrschenden Gesteinsfarben Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

15 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

16 Entstehung im noch sehr küstennahen Bereich des Jurameeres Ablagerung von grobkörnigen Sandsteinen Gesteine äußerst reich an Fossilien Auch der Posidonienschiefer enthält viele sehr gut erhaltene Fossilien Dieses Schiefergestein entstand im sauerstoffarmen Milieu Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

17 Diese Tonsteine enthalten relativ viel Erdöl Im letzten Krieg auch abgebaut Echtes Erdölmuttergestein Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

18 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

19 Es entstanden Schelfmeer-Bildungen Die braune Gesteinsfarbe wird von feinverteilten Eisenverbindungen hervorgerufen Die Eisensandsteine wurden früher gerne als Baumaterial verwendet Schichtabschnitt gekennzeichnet durch ein Auftreten von oft vorzüglich erhaltenen Versteinerungen Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

20 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

21 Klassische "Formation" der Kalke und Dolomite Malm-Landschaft geprägt von Verkarstung und Höhlenbildung Carbonatgesteine verantwortlich für helle bis weiße Färbung des Malms Hoher Tonanteil: graue Gesteinsfarben vorherrschend Je reiner der Kalk, umso mehr tendiert seine Farbe zu Weiß Abgelagert am Grund eines flachen und warmen Schelfmeeres Obere Bereiche der Malmschichten durch Zufuhr von Magnesium in Dolomit umgewandelt Riffdolomite und tafelbankige Dolomite bilden die charakteristische Kuppenlandschaft des Albhochlandes Heute: An Steilhängen zeigen sich die massigen Riffdolomite als schmutziggraue, blockartig zerlegte Felstürme mit glatten Wänden Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

22 Die Entstehung in der Praxis

23 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

24 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

25 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

26 Gesamter Nordwesten Bayerns nördlich der Donau Geologisch charakterisiert durch: Vielfacher horizontaler sowie vertikaler Wechsel unterschiedlicher Sedimentfolgen Vorwiegend geringe Schichtneigung Bandbreite der Gesteine ist aufgrund der vielfältigen Ablagerungsbedingungen sehr groß: Fein- und grobklastische Sedimente (z.B. Ton- und Schluffsteine, Sandsteine und Konglomerate) Marine Bildungen (z.B. Kalksteine, Mergelsteine, Dolomitsteine) Evaporite (Salzlager, Gips, Anhydrit) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

27 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

28 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

29 Komplexe Vorgänge im Gestein

30 Karstlandschaften auf der Welt weit verbreitet Ca. ein Fünftel der kontinentalen Oberfläche sind Karstgebiete Erscheinungsbild sehr von der Klimazone abhängig: Grauer Karst: In gemäßigten Zonen; weißgraues, freigelegtes Gestein Grüner Karst: Karstland von dichtem Urwald bedeckt Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

31 Verkarstung: Die Auflösung vor allem von Kalk- und Dolomitgesteinen (aber auch Stein- und Kalisalzen, Anhydriten, Gipsen sowie des kalkreichen Löß) durch das mit (aus der Luft und aus dem Oberboden stammende) Kohlendioxid angereicherte Niederschlagswasser. Die so gelösten Stoffe werden dann mit dem Wasser zum geringen Teil oberirdisch, in der Hauptsache aber unterirdisch abgeführt. Jedes Karbonatgestein enthält auch unlösliche Bestandteile, die bei der Lösung als Rückstände übrigbleiben. Sie können an der Erdoberfläche allmählich angereichert werden und bilden dann meist eine lehmige Decke. Bei einer solchen Lehmüberdeckung der Gesteine spricht man vom "bedeckten" Karst, im Gegensatz zum "nackten" Karst, bei welchem das Gestein offen zutage liegt. Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

32 1.: Carbonatgesteine Kalke und Dolomite von Natur aus wasserundurchlässig ABER: Bereits bei geringen tektonischen Belastungen bilden sich jedoch in diesen relativ harten, aber spröden Gesteinen feine Haarrisse, Klüfte und Störungsflächen aus! In diese Trennflächen kann das Niederschlagswasser eindringen! Im Winter: Erweiterung dieser Trennflächengefüge durch Frostsprengung Folglich: Das Niederschlagswasser kann immer tiefer in den Gesteinskörper einsickern 2.: Im Niederschlagswasser gelöstes CO2 Korrosion von Karbonaten erst durch die Anwesenheit von Wasser UND Kohlendioxid (CO 2 ) möglich Reine atmosphärische Luft enthält etwa 0,03 Vol.-% CO 2 Im Niederschlagswasser stets atmosphärische Gase gelöst, so auch CO 2 Kohlendioxid-Gehalt des Wassers neben Partialdruck hauptsächlich von Temperatur abhängig (Bei einer Temperaturerhöhung des Wassers von +0,5°C auf +20,0°C nimmt sein Gehalt an freier Kohlensäure um etwa die Hälfte ab) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

33 Verkarstung aus chemischer Sicht

34 System CO 2 - H 2 O - (Ca,Mg)*CO 3 ist für den Lösungsvorgang von Karbonaten bestimmend Beschreibung anhand des Beispiels von Calcium durch die folgenden Reaktionsgleichungen… Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

35 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

36 (1) Zuerst wird eine geringe Kalkmenge durch das Wasser direkt - also ohne Beteiligung von CO 2 - gelöst: Das Löslichkeitsprodukt von CaCO 3 beträgt bei +10°C in destilliertem Wasser L p = 4 * 10 -9, dieser Lösungsvorgang verläuft sehr rasch. (2) Im Niederschlagswasser diffundiert atmosphärisches CO 2 in das Wasser: CO 2 + H 2 O CO 2 (physikalisch gelöst) (3) Das physikalisch gelöste CO 2 ist bei +4°C zu 0,75% hydratisiert: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 (4) Die Kohlensäure dissoziiert vollständig: H 2 CO 3 H + + HCO 3 - (5) An der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein werden Ca 2+ -lonen aus dem Kristallgitter herausgelöst: CaCO 3 Ca 2+ + CO 3 2- (6) Das bei (5) neu entstandene CO 3 2- assoziiert mit dem H + aus (4): H + + CO 3 2- HCO 3 - Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

37 H + + CO 3 2- HCO 3 – Entlang der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein verarmt die Lösung an CO 3 2- Lösungsgleichgewicht mit dem festen CaCO 3 wird gestört Löslichkeitsprodukt L p entspricht nicht mehr dem Ionenprodukt Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

38 H + + CO 3 2- HCO 3 – Um das verbrauchte CO 3 2- zu ersetzen und hierdurch das Ionenprodukt wieder auf den Wert der Konstanten L p zu bringen, geht wieder CaCO 3 in Lösung Ca 2+ -Ionen überwiegen gegenüber dem CO 3 2- Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

39 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Störung des Gleichgewichts zwischen der Kohlensäure und ihrem Dissoziationsprodukt durch den Verbrauch von H + -lonen Die Kohlensäure (H 2 CO 3 ) dissoziiert zunehmend mit dem Wasserstoffionen-Verbrauch Das im Wasser nur physikalisch ("gasförmig") gelöste CO 2 wird hydratisiert Störung des Gleichgewichts zum atmosphärischen CO 2 Das atmosphärische CO 2 diffundiert solange in die Lösung hinein, wie noch Kalk durch diese gelöst werden kann Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

40 Addition der Gleichungen ergibt sich die Summengleichung der Kalklösung In diesem System "reaktiviert" die Assoziation von H + und CO 3 2- alle Reaktionsschritte bis zur erneuten Einstellung des Gleichgewichts Die "freie Kohlensäure" wird zur wichtigsten Komponente Sie kann als einzige in weiten Bereichen lückenlos variieren Bestimmt mit der jeweilig vorliegenden Konzentration die Menge der Kalklösung Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

41 H 2 O + CO 2 + CaCO 3 Ca * (HCO 3 ) - Kohlensäurereiches Niederschlagswasser löst den Kalkstein auf: H 2 CO 3 + CaCO 3 Ca (HCO 3 ) 2 Entstehendes Calciumhydrogenkarbonat [Ca (HCO 3 ) 2 ] ist wasserlöslich Durch die Niederschlagswässer ausgespült Durch unter- und oberirdische Gerinne abgeführt Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

42 Wie viel Kalk kann gelöst werden?

43 Normales, mit atmosphärischem CO 2 angereichertes Regenwasser kann bereits 40 mg/l Kalk lösen Beim Eindringen und Durchsickern des Bodens nimmt das Niederschlagswasser weiteres CO 2 auf: In der bodennahen Luftschicht Im Boden selbst (aufgrund der Zersetzung pflanzlicher und tierischer Reste) Im Bereich der besonders kohlendioxidreichen Bodenluft nimmt das Wasser ein Vielfaches an CO 2 auf: Wasser mit hohem CO 2 -Gehalt kann 200 mg/l Kalkstein auflösen CO 2 -gesättigtes Wasser sogar 900 mg/l Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

44 Lange Zeit galt der Dolomit [Ca,Mg (CO 3 ) 2 ] als nicht verkarstungfähiges Gestein Somit wurden auch Höhlenbildungen in Dolomiten ausgeschlossen In der Fränkischen Alb sind Höhlen häufiger im Dolomit aufgeschlossen als in Kalkgesteinen Magnesiumkarbonate sind mit steigender Wassertemperatur löslich, Maximum bei +16°C Mit steigender Wassertemperatur nimmt der CO 2 - Gehalt des Wassers ab Sofern Dolomit noch freies CaCO 3 enthält, wird dieses aufgrund der besseren Löslichkeit zuerst weggeführt Die Löslichkeit von Dolomit beträgt etwa ein Drittel der des Kalksteins Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

45 Da das CO 2 -reiche Wasser durch die Trennfugen im Gebirge schnell nach unten fließt, übt es seine gesteinsauflösende Funktion besonders stark im Innern des Gebirges aus. Hier entstehen im Laufe der Zeit teils beträchtliche Hohlräume Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

46 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

47 Der Wasserhaushalt im Karstgebiet

48 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

49 Dolinen (slowenisch "dolina" = Tälchen) sind flache und trichterförmige Geländemulden mit unterirdischem Abfluß Durchmesser reicht von wenigen Metern bis zu einigen Hektometern und entsprechender Tiefe Dolinen entstehen in verkarstungsfähigen Gesteinen vor allem dort, wo etwas leichter verwitterbare dünnbankige Kalke vorliegen Zur Bildung von Dolinen müssen zuerst große Kalkmengen gelöst werden; weil hierzu viel Wasser nötig ist, haben sie in der Regel ein großes oberirdisches Wassereinzugsgebiet Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

50 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie A & C: Lösungsdolinen B & D: Einsturzdolinen

51 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

52 Die Einsturzdolinen entstehen durch das Einbrechen einer Höhle im Untergrund Sie entsprechen dem "Erdfall" der Ingenieurgeologie Sie stellen ein erhebliches Gefahren- und Schadenspotential für die allgemeine Flächennutzung, insbesondere für Bauwerke und Verkehrswege dar Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

53 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

54 Versickerungsstellen und Schlucklöcher Dort strömen oder stürzen nicht nur kleine, periodisch auftretende Rinnsale, sondern ganze Bäche und Flüsse in die Tiefen des Gebirges hinein Strömen von dort den unterirdischen Wasserläufen zu Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

55 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

56 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

57 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

58 Im Gebiet der Fränkischen Alb bestehen mehrere hydrologisch voneinander unabhängige Grundwasserleiter. Vom Liegenden zum Hangenden sind dies: Burgsandstein Rhätsandstein Doggersandstein Malmkarst Ausbildung eines sog. Grundwasser-Stockwerksbaus Wechsel mehrerer Grundwasserleiter und Grundwasserstauer in vertikaler Abfolge Durch Änderungen der lithologischen und strukturellen Eigenschaften (Fazieswechsel, Bruchtektonik) können regionale Änderungen der Stockwerkstrennung auftreten Grundwasser hat durch die große Bandbreite der Gesteine regional sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen und reicht von gering bis hoch mineralisierten Gewässern und selten sogar Salzwässer Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

59 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

60 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

61 Tracerversuche Wohin fließt das an einem einzigen Punkt markierte Wasser? Welche der aufgenommenen Pseudoquellen sprechen auf den Tracer an? Abstandsgeschwindigkeiten des Wasserkörpers? Fließrichtungen? Rückschlüsse auf die unterirdischen Wasserwege Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

62 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

63 Mathematische Modelle können dabei helfen, die Speläogenese (Höhlenbildung), den Fluss und den Transport in Karstaquiferen besser zu verstehen Erfassung von Karstgebieten extrem komplex Die Anwendung von konventionellen Grundwasserfließmodellen können völlig falsche Ergebnisse liefern Völlig falsche Schutzzonen werden eingerichtet Kann zu Krankheiten und Epidemien führen Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

64 Waterborne disease (May 2000 in Walkerton, Canada) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

65 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

66 Verkarstung sehr problematisch, da Wasserfilterung im Karst denkbar schlecht Durch Niederschlagswasser werden aus dem Boden ausgewaschene Schadstoffe schnell und ohne wirksame Filterung in das Grundwasser eingebracht: Nitrate als Folge intensiver Felddüngung Ausgebrachte Pestizide Der unterirdische Abfluss findet in offenen Klüften, Gängen und Schlotten sehr rasch statt Ungefilterter Austritt des Grundwassers an Quellen daher oft schon nach wenigen Tagen WICHTIG: In Karstgebieten auf einen strengen Grundwasserschutz achten Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

67 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

68 Das in den Untergrund des Karstgesteins einsickernde Niederschlagswasser ätzt dort die schmalen Gesteinsfugen und -klüfte zu klaffenden Spalten und Röhren aus So entstehen im Lauf der Jahrtausende weitverzweigte Höhlensysteme, durch die das Karstwasser strömt Diese unterirdischen Gerinne treten in tiefeingeschnittenen Tälern wieder als Karstquellen zutage Quellschüttungen in einigen Fällen bis zu mehreren tausend Kubikmetern pro Stunde Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

69 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

70 Hier entspringt an einer Quelle unterhalb der Dogger/ Malm-Grenze ein kleiner Bach Von der Quelle ab fließt er auf über 50m Länge in einem natürlich entstandenen, etwa 0,5m hohen Travertindamm Dem an der Bachquelle austretenden kalkreichen Malmwasser wurde das Kohlendioxid entzogen, wodurch beständig beiderseits des kleinen Baches der im Wasser gelöste Kalk ausfiel: Der Damm wurde von dem Bach in langer Zeit selbst geschaffen Im Laufe von vielen Jahrzehnten wuchs aufgrund der beständigen Kalkausfällung aus dem Bachwasser der Damm immer mehr in die Höhe Schließlich kann eine Dammhöhe von über 1 m und eine Länge von mehr als 100 m erreicht werden Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

71 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

72 Die bewaldete Albhochfläche wurde wohl bereits vom frühen Mittelalter an durch Eingriffe von Menschenhand zur heutigen Karstlandschaft Die Wälder wurden größtenteils abgeholzt und die Flusstäler künstlich entwässert, damit auch in Tälern Siedlungen entstehen konnten Durch zunehmende, teils natürliche, teils künstliche Entwässerung sank jedoch auch der Grundwasserspiegel im Juragebirge stark ab Albhochfläche verkarstete anthropogen immer mehr und die Quellen in den höher gelegenen Talsystemen versiegten, diese Täler wurden also zu Trockentälern Die Lebensverhältnisse auf der Albhochfläche wurden so (durch den immer größer werdenden Wassermangel) immer ungünstiger In den tiefgelegenen Flusstälern wurde durch die Entwässerung der vermoorten Böden stets mehr fruchtbares Land gewonnen Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

73 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

74 learning/geofeld/gesteine/untererzechstein/barbarossahoehle/speleogenese.html learning/geofeld/gesteine/untererzechstein/barbarossahoehle/speleogenese.html Dr. Alfons Baier, GeoZentrum Nordbayern, Lehrstuhl für Angewandte GeologieGeoZentrum Nordbayern Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul Allgemeine Hydrogeologie

75 Fragen???


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