Abriss der Hydrogeologie - Christian Wolkersdorfer
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Prof. Dr. Christian Wolkersdorfer Abriss der Hydrogeologie Was ist ein Aquifer? Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009 Präsentation basiert auf „Einführung Hydrogeologie“ Prof. Dr. habil Broder J. Merkel (Bergakademie Freiberg) Inhalte • • • • • • • Einführung Porosität und Permeabilität Warum fließt Grundwasser? Wie werden Porosität und Permeabilität bestimmt? Wasserchemie und Isotopenchemie Mikrobiologie und Seuchen Transport von Partikeln, gelösten Stoffen und Wärme • Grundwasserschutz und Grundwassermanagement • Grundwasserkontaminationen und Sanierung • Modellierung 1 Definition: Aquifer • Grundwasserleiter: Grundwasserleiter: FestFest- oder Lockergestein mit Hohlräumen und einer bestimmten Durchlässigkeit (hydraulische Leitfähigkeit) … • … aber - alle Gesteine haben Hohlräume - alle Gesteine sind in gewisser Weise d hlä i durchlässig • ein guter Grundwasserleiter (Aquifer) hat ein großes Hohlraumvolumen und eine große Durchlässigkeit (Permeabilität) Weitere Begriffe • GrundwasserGrundwasserleiter • Aquifer • Leiterschicht • Leiter • • • • Geringleiter Aquifuge Hemmer Leaky aquifer kf = 1· 1·10-2…3 …3· 3·10-5 kf = 1· 1·10-5…1 …1· 1·10-10 • Nichtleiter • Aquiclude • Stauer kf < 1· 1·10-10 m s-1 2 Aquifer Typisierung nach Gestein • • • • Lockergesteine (sediments) Festgestein (hard rock) Karst (karst) Doppelporosität (double porosity) Aquifertypen Einfach Klassifikation G Genese S di Sedimente t Fluviatil O O O O O O O Aride Fächer Äolisch Glazial Terrestrisch Marin Vulkanisch Metamorph Magmatisch Fest-Fest gesteine O O O O O Karst K t Doppel-Doppel porosität O O 3 Porengrundwasserleiter Einfach Klassifikation G Genese S di Sedimente t Fluviatil O O O O O O O Aride Fächer Äolisch Glazial Terrestrisch Marin Vulkanisch Metamorph Magmatisch Fest-Fest gesteine O O O O O Karst K t Doppel-Doppel porosität O O Porengrundwasserleiter LfW 2001 4 Bildung fluviatiler Sedimente Bildung fluviatiler Sedimente 5 Bildung fluviatiler Sedimente Bildung fluviatiler Sedimente: Ebene von Troia modified after Kayan 2000 6 Bildung fluviatiler Sedimente Ilhan Kayan 2000 Bildung fluviatiler Sedimente Richtung, in der die Mäander fortschreiten Kies (gravel) Sand (sand) Schluff (silt) Ton (clay) Richtung, in der die Mäander fortschreiten 7 Flussterrassen • Wo liegen die ältesten Sedimente? oben oder unten? • Was ist Ursache für die Terrassenbildung ? Festgestein (bedrock) Aride Fächer (arid fans) erosion interbedded layers (silt & clay) bedrock silt and clay fan 8 Aride Fächer in der Mitte des Beckens.... Anouchka Unel: Salar de Uyuni, Bolivien 9 glaziale Sedimente Entstehung von Moränen, Schotterflächen und Sandern Steine Kies Sand Schluff Ton Moräne 10 verwilderte Flüsse (braided rivers) • • • • • Gletscherspalten Tunnel Verwilderte Flüsse Delta Eisrandsee etwas später ... • • • • • • • Drumlins Grund--/Endmoränen Grund Esker Delta Seesedimente Ehemalige Strandlinie Toteislöcher 11 Marine Transgression Transgression und Regression 12 Vergleich mariner und terrestrischer Sedimente im Hinblick auf ihre Aquifereigenschaften • alluviale, glaziale und äolische Sedimente • terrestrische t t i h Beckensedimente B k di t Æ Sandsteine S d t i • Seesedimente • Marine Sedimentite: - Kalksteine (limestones) - Dolomitsteine (dolostones) - Tonsteine (mudstones) - Schiefer (shales) Kluftgrundwasserleiter Einfach Klassifikation G Genese S di Sedimente t Fluviatil O O O O O O O Aride Fächer Äolisch Glazial Terrestrisch Marin Vulkanisch Metamorph Magmatisch Fest-Fest gesteine O O O O O Karst K t Doppel-Doppel porosität O O 13 Kluftgrundwasserleiter: nicht metamorph | metamorph LfW 2001 Grundwasser in Festgesteinen statt Porenhohlraum: Klufthohlraum 14 Lava Fluss Vulkanite können exzellente Grundwasserleiter sein Festgesteinsgrundwasserleiter .... • geringere Bedeutung • in i d der R Regell schlechtere hl ht D Durchlässigkeit hlä i k it • in der Regel geringes Hohlraumvolumen • Stauer, Aquiclude • große Bandbreite 15 Karstgrundwasserleiter Einfach Klassifikation G Genese S di Sedimente t Fluviatil O O O O O O O Aride Fächer Äolisch Glazial Terrestrisch Marin Vulkanisch Metamorph Magmatisch Fest-Fest gesteine O O O O O Karst K t Doppel-Doppel porosität O O Karstgrundwasserleiter LfW 2001 16 Karst • chemische Korrosion von Gesteinen • Kalkstein, Dolomitstein, Gips, Salz, Quarzit unabhängig von pCO2 und pHpH-Wert H2O + CaCO3(s) ⇔ Ca2+ + HCO3- + OHH2O + CO2(g) + CaCO3(s) ⇔ Ca2+ + 2 HCO3- (15 mg L-1) (850 mg L-1) Henry--Gesetz (p Henry (p = kH, H,p pc • caq) Vegetation und Klima Karst in Carbonaten • Korrosion in Abhängigkeit vom CO2Partialdruck (pCO p 2) • Oberflächen, Rissen, Spalten, Fugen • Höhlen, Dolinen und unterirdische Fließsysteme Wasseradern“ • „Wasseradern • triple-porosity-model (Worthington 1999) 17 Verkarstung an Oberfläche ... Marc Appelhans: Karren am Torrent de Pareis Karst-Höhlen http://www.sciencevision.at 18 Doline (sinkhole) 地学ハイク写真帳: Aki Yoshidai Dolinen (sinkholes) Gerhard Mercator Universität GH Duisburg 19 Karst versus Zeit tropischer Kegelkarst Neal & Suning: Guilin Li River Karst, China 20 wie entsteht Kegelkarst? Das Bild k ann nicht angezeigt werden. Dieser Computer v erfügt möglicherweise über zu wenig A rbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder 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. Zusammenfassung Karst-Aquifere • unterirdisches „Kanalisationssystem“ • nicht i ht bedeckter b d kt K Karstt ist i t extrem t gefährdet fäh d t • geringes Hohlraumvolumen • extrem hohe Fließgeschwindigkeiten v = 10 … 600 m/h 21 sieht aus wie Karst, aber … … mechanische Erosion einer Sandsteinkluft Daniel Bürgin: Upper Antelope Canyon, USA Aquifertypen Einfach Klassifikation G Genese S di Sedimente t Fluviatil O O O O O O O Aride Fächer Äolisch Glazial Terrestrisch Marin Vulkanisch Metamorph Magmatisch Fest-Fest gesteine O O O O O Karst K t Doppel-Doppel porosität O O 22 Aquifere mit doppelter Porosität (double porosity aquifers) • z.B. Sandsteine • Wasserwegsamkeit W k it iim Poren-- und im Kluftsystem Poren • Schadstofftransport Stephen R.H. Worthington 1999 Aquifertypen in Bayern LfW 2001 23 Bergbau („mine aquifer“) • Tagebau verändert Grundwasserleiter • Ti Tiefer f B Bergbau b verändert ä d t nachhaltig hh lti die di hydraulische Durchlässigkeit Tagebau (open pit mining) As Pontes, Spanien 24 An underground Mine Freiberg/Sachsen: Reiche Zeche, 3. Sohle An underground Mine Peißenberg/Bayern: Tiefstollen 25 An underground Mine Precipitation Germany: ≈ 9.1 Billion m³ Europe: ?? soil cover weathered rocks dewatering adit stream settlement lagoon seeping water seeping water pump seeping water oxidation of di-sulphides dissolution of secondary minerals shaft closed convection shaft undisturbed rock free convection mine water Untertage Bergbau (underground operations) 26 Zusammenfassung • Aquifer: Festgestein oder Sedimentpaket, das in der Lage g ist auf Grund seiner Hohlräume,, Wasser zu transportieren - Ein Aquifer kann, muss aber nicht Wasser enthalten • Aquicludes: Festgesteine oder Sedimente, die kaum Wasser transportieren können • Leaky Aquifers: Grundwasserleiter, G i die i nur eine geringe Durchlässigkeit für Wasser aufweisen 27
