Kein Folientitel

Modellierung des Eis- und Materialtransports
zur Bestimmung der Lockersedimente in
Geologischen Karten mit TerraMath SedTec
TerraMath - Dr. Robert Faber
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WLM OEG - DI Tobias Plettenbacher
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SedTec - Methodik & Technik
Aufgabenstellung
Bei der Nutzung Geologischer Karten für Computermodelle (Vegetation,
Waldstandorte etc.) ergibt sich immer das Problem, daß große Gebiete
durch Lockersedimente bedeckt sind, deren Zusammensetzung
unbekannt ist und über die keine Aussagen gemacht werden können.
Eine einfache Interpolation der „blinden Flecken“ auf den Geologischen
Karten ist nicht ausreichend, da das Gestein durch verschiedene Kräfte
transportiert und abgelagert wurde (Eisströme, Schwerkraft, Wasser). Es
ist ein prozessorientiertes Verfahren nötig, das Prozesse von der
Vergangenheit bis heute möglichst realistisch nachbildet, die Eis- und
Materialströme simuliert und dadurch die Verteilung und
Zusammensetzung der Lockersedimente so gut wie möglich bestimmen
kann.
Hybrides Simulationstool – nützt mehrere Modellierungsansätze:
• Physikalische Modellierung (zB.: Schmelzprozesse)
•
•
Diffusionsmodellierung (zB.: Abschätzung von Erosionsraten)
Fuzzy Logic (Bestimmen von Randbedingungen – zB.: Einfluß Vegetation auf Erodierbarkeit)
Warum hybrid?
•
•
•
Exakte physikalische Berechnungen sind in vielen Bereichen nicht möglich (unbekannte und schwer abschätzbare
Parameter)
Dimensionsproblem: Simulationszeiträume und –gebiete sehr groß unmöglich einzelne Partikel zu berechnen 
physikalisches Modell wird zu Diffusionsmodell vereinfacht.
Fuzzy Logic für lokale Prozesse (kein Transport) die mittels einfachen Annahmen gut beschrieben werden können
Simulationsablauf
Datenaufbereitung
Einsatzgebiete
• Ermittelung der Lage / Mächtigkeit / Korngrößen von Sedimente
• Substrattypisierung
• Berechnung von Schwermineralverteilung / Simulation der Bildung
sedimentärer Lagerstätten (Seifen)
• Die Nutzung der Software für Wildbach- und Mursimulationen ist
prinzipiell möglich, allerdings fehlen diesbezüglich noch Erfahrungen aus
der Praxis.
Beispiel 1: Berechnung der Zusammensetzung
nacheiszeitlicher Lockersedimente in Südtirol
Ziel ist, für kartierte Lockersedimentflächen in geologischen Karten eine möglichst realistische lithologische Zusammensetzung der Lockersedimente zu erzielen (Substrat) bzw. für abgedeckte Karte die
wahrscheinliche Lage von Lockersedimentdecken zu erzeugen. Da ein aktuelles Geländemodell verwendet wird, wird in die Zukunft modelliert (Forward Modeling) und Schuttkörper können größer werden
als sie rezent sind. Bei Schwemmkegeln wurde das Gelände an den Ursprungszustand angenähert.
• Höhenmodell (falls erforderlich) an Zustand zum Beginn der Simulation angleichen
• Automatische Extraktion lithologischer Daten aus geologischen Karten und
Zuweisen von Substratgehalten
• Setzen von (zeitabhängigen) Umweltbedingungen – Temperatur, Niederschlag
• Setzen der Modellrandbedingungen, Dauer von Zeitschritten
• Initialisierung des Modells
Wissenwertes zur Modellierung
Umweltbedingungen
Niederschlag, Temperatur aus
Zeitserie & Verteilungskarten
Unterstützt Materialtransport durch Schwerkraft
und Wasser/Eis (Schmelzprozesse)
Korngrößenverkleinerung beim Transport
ermöglicht Aussagen über Korngrößenverteilung. Dadurch ist auch die Modellierung
von Blockstandorten möglich.
Verwitterung
Prozesse, die zur lokalen
Korngrössenreduktion und zur
Herabsetzung der Festigkeit
führen, abh. von: Material,
Exposition, Temperatur,
Vegetation
Speicherbedarf/Rechenzeiten:
Moränenmodell Südtirol (7400km² / 200m
Auflösung) benötigt ca. 250 Megabyte und 4
Stunden Rechenzeit
Erosion
abhängig von kinetischer &
potentielle Energie und
Materialeigenschaften
Transport
1. Geologische Karten
2. Substratgruppen
3. Grundgebirgskarte
viele Teilblätter mit abweichen-den Zuweisung der lithologischen Ein- hypothetischer Ausgangszustand
Legenden, großteils mit
heiten zu einheitlichen Substratdes Modells (Herkunftsgestein in
Lockersedimenten bedeckt
gruppen (Legende siehe rechts) der ± ursprünglichen Ausdehnung)
Definition Substratgruppen:
Mineralbestand: 7 Hauptgruppen
Tongehalt: je 2 Zusatzgruppen
(tonarm-sandig, tonreich-bindig)
Genese: kompakt, klast. Sed., kolluviale, alluviale, glaziale Lockersed.
Spezialgruppen: Gips etc.
insgesamt: >100 Kombinationen
S
I
B
M
C
K
T
sauer-quarzreiche
Silikatgesteine
intermediäre
Silikatgesteine
basenreiche
Silikatgesteine
karb.-silikat. Misch karbonatarm
karb.-silikat. Misch karbonatreich
Karbonatgesteine
(Kalk, Dolomit etc.)
Distanz abhängig von Viskosität
/Reibung, vorhandener
Bewegungsenergie; Korngrößenreduktion & Schmelzprozesse
Legende Material:
Control Points
Sedimentation
Bei Über- oder Unterschreiten
angenommer Sedimentationsraten
wird ein Alarm ausgelöst
Funktion aus StrömungsGeschwindigkeit, Dichte des
Fluids & der Partikel
Visualisierung & Export
Tongesteine
• Export von einzelnen Layern
(Material/Korngrößen) oder
einzelner Materialen /
Korngrößen (kummulativ)
• Ermittlung der lithologischen /
Substrat - Zusammensetzung
der obersten Schicht
Summe der Zellen
nach 100 Rechencyclen
4. Wasserabfluss
5. Materialfluss
Coarsed grained
sediment type A
80 – 100 %
60 -
80 %
40 -
60 %
20 -
40 %
00 -
20 %
Beispiel 2: Berechnung der Zusammensetzung von Moränen in Osttirol
Für die Vegetations- und Standortkunde ist das Vorhandensein von Moränendecken und daher deren Modellierung sehr wichtig. SedTec
musste daher um die Modellierung des Materialtransports durch Eis erweitert werden (Eisbildung, -erosion und -transport, Abschmelzen
und Moränenablagerung). Über die Zeitdauer von ca. 60.000 Jahren wurde im Modell der Aufbau und das Abschmelzen der Eiskörper in
ganz Süd- und Osttirol modelliert. Diese Modelle erfolgen über sehr große Räume und daher mit geringerer Auflösung (100-200 m).
6. Verwitterung/Erosion
cm in 10.000 Jahren
7. Sedimentmächtigkeit
Parametrisierung der Substratgruppen (Zuweisung von 3 Parametern zu den Substraten)
maximaler Eisstand [m]
Mittlerwerte des
obersten Meters
der Sedimentdecke
8. Karbonatgehalt
9. Mineral-/Nährstoffgehalt
Eisabfluss
Summe der Zellen
nach 100 Rechencyclen
Materialfluss
Durch die Bewegung der Eiskörper entsprechend der Schwerkraft (Höhenunterschiede in der Eisoberfläche) ergeben sich Sedimentströme aus den Tälern, deren Mächtigkeit und relativer Anteil mit der Entfernung abnimmt (hier Beispiele aus 3 Talschlüssen). Wenn
man zeigt, welches Herkunftsgebiet den Sedimentkörper dominiert, ergeben sie interessante Materialströme bzw. Herkunftsmuster.
10. Tongehalt der Böden*
Zuweisung der Lockersedimentdecken zu Substratgruppen
3 Materialströme
[Mächtigkeit in cm]
11. Gefüllte Substratgruppen (ohne Moränen)
12. inkl. Moränenmodell (siehe Beispiel 2)
Ergebnisse: Für die Waldtypisierung Südtirol wurde an >1000 Eichpunkten die Zusammensetzung der
Lockersedimente erhoben, und die Parameter von SedTec und die Gesteine in zahlreichen Modellen
kalibriert. Vor allem bei Hangschutt und Schwemmmaterial konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Dominante Materialströme
aus den Tälern (ohne Legende)
Sedimentmächtigkeit
vor der Erosion [cm]
Ergebnisse: Die Sedimentdecken werden noch über 10.000 Jahre aberodiert, um realistische Mächtigkeiten und Zusammensetzungen zu erzielen (höherer Anteil der tiefergelegenen Schichten bzw. des Untergrunds). Die Moränen konnten im Regionalmaßstab
gut nachgebildet werden. Ihre Zusammensetzung kann jedoch lokal vom Modell abweichen, da sie im Detail von verschiedenen
Prozessen (Solifluktion, Rutschungen etc.) beeinflusst und von geomorphologischen und pedologischen Prozessen überlagert wurden.
Ebenso kann die Mächtigkeit der Moränen nicht im Detail, aber in realistischen Größenordnungen modelliert werden.