Abriss der Hydrogeologie - Christian Wolkersdorfer
Abriss der Hydrogeologie - Christian Wolkersdorfer
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Prof. Dr. <strong>Christian</strong> <strong>Wolkersdorfer</strong><br />
<strong>Abriss</strong> <strong>der</strong> <strong>Hydrogeologie</strong><br />
Was ist ein Aquifer?<br />
Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009<br />
Präsentation basiert auf<br />
„Einführung <strong>Hydrogeologie</strong>“<br />
Prof. Dr. habil Bro<strong>der</strong> J. Merkel (Bergakademie Freiberg)<br />
Inhalte<br />
• Einführung<br />
• Porosität und Permeabilität<br />
• Warum fließt Grundwasser?<br />
• Wie werden Porosität und Permeabilität bestimmt?<br />
• Wasserchemie und Isotopenchemie<br />
• Mikrobiologie und Seuchen<br />
• Transport von Partikeln, gelösten Stoffen und<br />
Wärme<br />
• Grundwasserschutz und Grundwassermanagement<br />
• Grundwasserkontaminationen und Sanierung<br />
• Modellierung<br />
1
Definition: Aquifer<br />
• Grundwasserleiter: : Fest- o<strong>der</strong> Lockergestein<br />
mit Hohlräumen und einer bestimmten<br />
Durchlässigkeit (hydraulische Leitfähigkeit) …<br />
• … aber<br />
- alle Gesteine haben Hohlräume<br />
- alle Gesteine sind in gewisser Weise<br />
durchlässig<br />
• ein guter Grundwasserleiter (Aquifer) hat ein<br />
großes Hohlraumvolumen und eine große<br />
Durchlässigkeit (Permeabilität)<br />
Weitere Begriffe<br />
• Grundwasser-<br />
leiter<br />
• Geringleiter<br />
• Aquifuge<br />
• Nichtleiter<br />
• Aquiclude<br />
k f = 1·1010 …3·10<br />
k f = 1·1010 …1·1010 k f < 1·1010 m s -1<br />
•Aquifer<br />
•Leiterschicht<br />
•Leiter<br />
• Hemmer<br />
• Leaky<br />
aquifer<br />
•Stauer<br />
2
Aquifer Typisierung nach Gestein<br />
• Lockergesteine (sediments)<br />
• Festgestein (hard rock)<br />
• Karst (karst)<br />
• Doppelporosität (double porosity)<br />
Aquifertypen<br />
Genese<br />
Sedimente<br />
Fluviatil<br />
Aride Fächer<br />
Äolisch<br />
Glazial<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Einfach Klassifikation<br />
Karst<br />
Fest-<br />
gesteine<br />
Doppel-<br />
porosität<br />
Terrestrisch <br />
Marin <br />
Vulkanisch <br />
Metamorph<br />
Magmatisch<br />
<br />
<br />
3
Porengrundwasserleiter<br />
Genese<br />
Sedimente<br />
Fluviatil<br />
Aride Fächer<br />
Äolisch<br />
Glazial<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Einfach Klassifikation<br />
Karst<br />
Fest-<br />
gesteine<br />
Doppel-<br />
porosität<br />
Terrestrisch <br />
Marin <br />
Vulkanisch <br />
Metamorph<br />
Magmatisch<br />
<br />
<br />
Porengrundwasserleiter<br />
LfW 2001<br />
4
Bildung fluviatiler Sedimente<br />
Bildung fluviatiler Sedimente<br />
5
Bildung fluviatiler Sedimente<br />
Bildung fluviatiler Sedimente: Ebene<br />
von Troia<br />
modified after Kayan 2000<br />
6
Bildung fluviatiler Sedimente<br />
Ilhan Kayan 2000<br />
Bildung fluviatiler Sedimente<br />
Richtung, in <strong>der</strong> die<br />
Mäan<strong>der</strong> fortschreiten<br />
Kies (gravel)<br />
Sand (sand)<br />
Schluff (silt)<br />
Ton (clay)<br />
Richtung, in <strong>der</strong> die<br />
Mäan<strong>der</strong> fortschreiten<br />
7
Flussterrassen<br />
• Wo liegen die ältesten Sedimente?<br />
oben o<strong>der</strong> unten?<br />
• Was ist Ursache für die Terrassenbildung ?<br />
Festgestein<br />
(bedrock)<br />
Aride Fächer (arid fans)<br />
erosion<br />
interbedded<br />
layers (silt &<br />
clay)<br />
silt and clay<br />
bedrock<br />
fan<br />
8
Aride Fächer<br />
in <strong>der</strong> Mitte des Beckens....<br />
Anouchka Unel: Salar de Uyuni, Bolivien<br />
9
glaziale Sedimente<br />
Entstehung von Moränen,<br />
Schotterflächen und San<strong>der</strong>n<br />
Steine<br />
Kies<br />
Sand<br />
Schluff<br />
Ton<br />
Moräne<br />
10
verwil<strong>der</strong>te Flüsse<br />
(braided rivers)<br />
• Gletscherspalten<br />
• Tunnel<br />
• Verwil<strong>der</strong>te Flüsse<br />
• Delta<br />
• Eisrandsee<br />
etwas später ...<br />
• Drumlins<br />
• Grund-/Endmoränen<br />
• Esker<br />
• Delta<br />
• Seesedimente<br />
• Ehemalige Strandlinie<br />
• Toteislöcher<br />
11
Marine Transgression<br />
Transgression und Regression<br />
12
Vergleich mariner und terrestrischer<br />
Sedimente im Hinblick auf ihre<br />
Aquifereigenschaften<br />
• alluviale, glaziale und äolische Sedimente<br />
• terrestrische t Beckensedimente Sandsteine<br />
• Seesedimente<br />
• Marine Sedimentite:<br />
- Kalksteine (limestones)<br />
- Dolomitsteine (dolostones)<br />
- Tonsteine (mudstones)<br />
- Schiefer (shales)<br />
Kluftgrundwasserleiter<br />
Genese<br />
Sedimente<br />
Fluviatil<br />
Aride Fächer<br />
Äolisch<br />
Glazial<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Einfach Klassifikation<br />
Karst<br />
Fest-<br />
gesteine<br />
Doppel-<br />
porosität<br />
Terrestrisch <br />
Marin <br />
Vulkanisch <br />
Metamorph<br />
Magmatisch<br />
<br />
<br />
13
Kluftgrundwasserleiter:<br />
nicht metamorph | metamorph<br />
LfW 2001<br />
Grundwasser in Festgesteinen<br />
statt Porenhohlraum: Klufthohlraum<br />
14
Lava Fluss<br />
Vulkanite können exzellente<br />
Grundwasserleiter sein<br />
Festgesteinsgrundwasserleiter ....<br />
• geringere Bedeutung<br />
• in <strong>der</strong> Regel schlechtere ht Durchlässigkeit<br />
it<br />
• in <strong>der</strong> Regel geringes Hohlraumvolumen<br />
• Stauer, Aquiclude<br />
• große Bandbreite<br />
15
Karstgrundwasserleiter<br />
Genese<br />
Sedimente<br />
Fluviatil<br />
Aride Fächer<br />
Äolisch<br />
Glazial<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Einfach Klassifikation<br />
Karst<br />
Fest-<br />
gesteine<br />
Doppel-<br />
porosität<br />
Terrestrisch <br />
Marin <br />
Vulkanisch <br />
Metamorph<br />
Magmatisch<br />
<br />
<br />
Karstgrundwasserleiter<br />
LfW 2001<br />
16
Karst<br />
• chemische Korrosion von Gesteinen<br />
• Kalkstein, Dolomitstein, Gips, Salz, Quarzit<br />
unabhängig von<br />
pCO<br />
2 und pH-Wert<br />
H 2 O + CaCO 3(s) ⇔ Ca 2+ + HCO 3- + OH -<br />
(15 mg L - 1 )<br />
H O+CO +CaCO 2+ +2HCO<br />
-<br />
2 2 (g) 3(s) ⇔ Ca<br />
3 (850 mg L<br />
Henry-Gesetz (p = k H,p c • c aq )<br />
Vegetation und Klima<br />
(850 mg L - 1 )<br />
Karst in Carbonaten<br />
• Korrosion in Abhängigkeit vom CO 2 -<br />
Partialdruck (pCO 2 ) p 2<br />
• Oberflächen, Rissen, Spalten, Fugen<br />
• Höhlen, Dolinen und unterirdische<br />
Fließsysteme<br />
• „Wassera<strong>der</strong>n“<br />
• triple-porosity-model (Worthington 1999)<br />
17
Verkarstung an Oberfläche ...<br />
Marc Appelhans: Karren am Torrent de Pareis<br />
Karst-Höhlen<br />
http://www.sciencevision.at<br />
18
Doline (sinkhole)<br />
地 学 ハイク 写 真 帳 : Aki Yoshidai<br />
Dolinen (sinkholes)<br />
Gerhard Mercator Universität GH Duisburg<br />
19
Karst versus Zeit<br />
tropischer Kegelkarst<br />
Neal & Suning: Guilin Li River Karst, China<br />
20
Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, o<strong>der</strong> das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen.<br />
wie entsteht Kegelkarst?<br />
Zusammenfassung<br />
Karst-Aquifere<br />
• unterirdisches „Kanalisationssystem“<br />
•nicht htbedeckter Karst tist extrem gefährdet fähd • geringes Hohlraumvolumen<br />
• extrem hohe Fließgeschwindigkeiten<br />
v = 10 … 600 m/h<br />
21
sieht aus wie Karst, aber …<br />
… mechanische<br />
Erosion<br />
einer<br />
Sandsteinkluft<br />
Daniel Bürgin: Upper Antelope Canyon, USA<br />
Aquifertypen<br />
Genese<br />
Sedimente<br />
Fluviatil<br />
Aride Fächer<br />
Äolisch<br />
Glazial<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Einfach Klassifikation<br />
Karst<br />
Fest-<br />
gesteine<br />
Doppel-<br />
porosität<br />
Terrestrisch <br />
Marin <br />
Vulkanisch <br />
Metamorph<br />
Magmatisch<br />
<br />
<br />
22
Aquifere mit doppelter Porosität<br />
(double porosity aquifers)<br />
• z.B. Sandsteine<br />
• Wasserwegsamkeit im<br />
Poren- und im Kluftsystem<br />
• Schadstofftransport<br />
Stephen R.H. Worthington 1999<br />
Aquifertypen in Bayern<br />
LfW 2001<br />
23
Bergbau („mine aquifer“)<br />
• Tagebau verän<strong>der</strong>t Grundwasserleiter<br />
• Tiefer Bergbau verän<strong>der</strong>t nachhaltig die<br />
hydraulische Durchlässigkeit<br />
Tagebau (open pit mining)<br />
As Pontes, Spanien<br />
24
An un<strong>der</strong>ground Mine<br />
Freiberg/Sachsen: Reiche Zeche, 3. Sohle<br />
An un<strong>der</strong>ground Mine<br />
Peißenberg/Bayern: Tiefstollen<br />
25
seeping water<br />
An un<strong>der</strong>ground Mine<br />
Precipitation<br />
soil cover<br />
weathered rocks<br />
dewatering adit<br />
stream<br />
Germany: ≈ 9.1 Billion m³<br />
Europe: ??<br />
settlement<br />
lagoon<br />
shaft<br />
closed<br />
convection<br />
seeping water<br />
shaft<br />
mine water<br />
free convection<br />
pump<br />
seeping water<br />
oxidation of<br />
di-sulphides<br />
dissolution of<br />
secondary minerals<br />
undisturbed rock<br />
Untertage Bergbau<br />
(un<strong>der</strong>ground operations)<br />
26
Zusammenfassung<br />
•Aquifer: Festgestein o<strong>der</strong> Sedimentpaket, das<br />
in <strong>der</strong> Lage ist auf Grund seiner Hohlräume,<br />
Wasser zu transportieren<br />
- Ein Aquifer kann, muss aber nicht Wasser<br />
enthalten<br />
•Aquicludes: Festgesteine o<strong>der</strong> Sedimente, die<br />
kaum Wasser transportieren können<br />
•Leaky Aquifers: Grundwasserleiter, die nur<br />
eine geringe Durchlässigkeit für Wasser<br />
aufweisen<br />
27
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