Abriss der Hydrogeologie - Wolkersdorfer
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Prof. Dr. Christian WolkersdorferProf. Dr. Christian Wolkersdorfer
Abriss der HydrogeologieAbriss der Hydrogeologie
Was ist ein Aquifer?Was ist ein Aquifer?
Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009
Präsentation basiert auf Präsentation basiert auf „Einführung Hydrogeologie“„Einführung Hydrogeologie“Prof. Dr. habil Broder J. Merkel (Bergakademie Freiberg)Prof. Dr. habil Broder J. Merkel (Bergakademie Freiberg)
Inhalte
•• EinführungEinführung•• Porosität und PermeabilitätPorosität und Permeabilität•• Warum fließt Grundwasser?Warum fließt Grundwasser?•• Wie werden Porosität und Permeabilität bestimmt?Wie werden Porosität und Permeabilität bestimmt?•• Wasserchemie und IsotopenchemieWasserchemie und Isotopenchemie•• Mikrobiologie und SeuchenMikrobiologie und Seuchen•• Transport von Partikeln, gelösten Stoffen und Transport von Partikeln, gelösten Stoffen und
WärmeWärmeWärmeWärme•• Grundwasserschutz und GrundwassermanagementGrundwasserschutz und Grundwassermanagement•• Grundwasserkontaminationen und SanierungGrundwasserkontaminationen und Sanierung•• ModellierungModellierung
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Definition: Aquifer
•• GrundwasserleiterGrundwasserleiter: Fest: Fest-- oder Lockergestein oder Lockergestein mit Hohlräumen und einer bestimmten mit Hohlräumen und einer bestimmten Durchlässigkeit (hydraulische Leitfähigkeit) …Durchlässigkeit (hydraulische Leitfähigkeit) …
•• … aber… aber
-- alle Gesteine haben Hohlräumealle Gesteine haben Hohlräume
-- alle Gesteine sind in gewisser Weise alle Gesteine sind in gewisser Weise d hlä id hlä idurchlässigdurchlässig
•• ein guter Grundwasserleiter (Aquifer) hat ein ein guter Grundwasserleiter (Aquifer) hat ein großes Hohlraumvolumen und eine große großes Hohlraumvolumen und eine große Durchlässigkeit (Permeabilität)Durchlässigkeit (Permeabilität)
Weitere Begriffe
•• GrundwasserGrundwasser--leiterleiter
•• GeringleiterGeringleiter
•• AquifugeAquifuge
•• NichtleiterNichtleiter
•• AquicludeAquiclude•• AquiferAquifer
•• LeiterschichtLeiterschicht
•• LeiterLeiter
kk 11 1010 22 33 1010 55
AquifugeAquifuge
•• HemmerHemmer
•• Leaky Leaky aquiferaquifer
kk 11 1010 55 11 1010 1010
AquicludeAquiclude
•• StauerStauer
kk 11 1010 1010 11kkff = 1= 1··1010--22…3…3··1010--55 kkff = 1= 1··1010--55…1…1··1010--1010 kkff < 1< 1··1010--1010 m sm s--11
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Aquifer Typisierung nach Gestein
•• Lockergesteine (sediments)Lockergesteine (sediments)
•• Festgestein (hard rock)Festgestein (hard rock)Festgestein (hard rock)Festgestein (hard rock)
•• Karst (karst)Karst (karst)
•• Doppelporosität (double porosity)Doppelporosität (double porosity)
Aquifertypen
Einfach KlassifikationEinfach Klassifikation
GG S di tS di tFestFest--
K tK tDoppelDoppel--
GeneseGenese SedimenteSedimenteFestFest
gesteinegesteineKarstKarst
DoppelDoppelporositätporosität
FluviatilFluviatil
Aride FächerAride Fächer
ÄolischÄolisch
GlazialGlazial
TerrestrischTerrestrisch
MarinMarin
VulkanischVulkanisch
MetamorphMetamorph
MagmatischMagmatisch
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Porengrundwasserleiter
Einfach KlassifikationEinfach Klassifikation
GG S di tS di tFestFest--
K tK tDoppelDoppel--
GeneseGenese SedimenteSedimenteFestFest
gesteinegesteineKarstKarst
DoppelDoppelporositätporosität
FluviatilFluviatil
Aride FächerAride Fächer
ÄolischÄolisch
GlazialGlazial
TerrestrischTerrestrisch
MarinMarin
VulkanischVulkanisch
MetamorphMetamorph
MagmatischMagmatisch
Porengrundwasserleiter
LfW 2001
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Bildung fluviatiler Sedimente
Bildung fluviatiler Sedimente
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Bildung fluviatiler Sedimente
Bildung fluviatiler Sedimente: Ebene von Troia
modified after Kayan 2000
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Bildung fluviatiler Sedimente
Ilhan Kayan 2000
Bildung fluviatiler Sedimente
Richtung, in der die Richtung, in der die Mäander fortschreitenMäander fortschreiten
Kies (gravel)Kies (gravel)
Sand (sand)Sand (sand)
Schluff (silt)Schluff (silt)
Ton (clay)Ton (clay)Ton (clay)Ton (clay)
Richtung, in der die Richtung, in der die Mäander fortschreitenMäander fortschreiten
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Flussterrassen
•• Wo liegen die ältesten Sedimente?Wo liegen die ältesten Sedimente?
oben oder unten?oben oder unten?oben oder unten?oben oder unten?
•• Was ist Ursache für die Terrassenbildung ?Was ist Ursache für die Terrassenbildung ?
Festgestein Festgestein (bedrock)(bedrock)
Aride Fächer (arid fans)
erosionerosion
interbedded interbedded layers (silt & layers (silt & clay)clay) silt and claysilt and clay
bedrockbedrock fanfan
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Aride Fächer
in der Mitte des Beckens....
Anouchka Unel: Salar de Uyuni, Bolivien
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glaziale Sedimente
Entstehung von Moränen, Schotterflächen und Sandern
SteineSteineKiesKiesKiesKiesSandSandSchluffSchluffTonTonMoräneMoräne
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verwilderte Flüsse (braided rivers)
•• GletscherspaltenGletscherspalten•• GletscherspaltenGletscherspalten•• TunnelTunnel•• Verwilderte FlüsseVerwilderte Flüsse•• DeltaDelta•• EisrandseeEisrandsee
etwas später ...
•• DrumlinsDrumlins•• GrundGrund--/Endmoränen/Endmoränen•• EskerEsker•• EskerEsker•• DeltaDelta•• SeesedimenteSeesedimente•• Ehemalige StrandlinieEhemalige Strandlinie•• ToteislöcherToteislöcher
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Marine Transgression
Transgression und Regression
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Vergleich mariner und terrestrischer Sedimente im Hinblick auf ihre Aquifereigenschaften
•• alluviale, glaziale und äolische Sedimentealluviale, glaziale und äolische Sedimente
t t i h B k di tt t i h B k di t S d t iS d t i•• terrestrische Beckensedimente terrestrische Beckensedimente SandsteineSandsteine
•• SeesedimenteSeesedimente
•• Marine Sedimentite: Marine Sedimentite: -- Kalksteine (limestones)Kalksteine (limestones)
Dolomitsteine (dolostones)Dolomitsteine (dolostones)-- Dolomitsteine (dolostones)Dolomitsteine (dolostones)-- Tonsteine (mudstones)Tonsteine (mudstones)-- Schiefer (shales)Schiefer (shales)
Kluftgrundwasserleiter
Einfach KlassifikationEinfach Klassifikation
GG S di tS di tFestFest--
K tK tDoppelDoppel--
GeneseGenese SedimenteSedimenteFestFest
gesteinegesteineKarstKarst
DoppelDoppelporositätporosität
FluviatilFluviatil
Aride FächerAride Fächer
ÄolischÄolisch
GlazialGlazial
TerrestrischTerrestrisch
MarinMarin
VulkanischVulkanisch
MetamorphMetamorph
MagmatischMagmatisch
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Kluftgrundwasserleiter:nicht metamorph | metamorph
LfW 2001
Grundwasser in Festgesteinen
statt Porenhohlraum: Klufthohlraum
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Lava Fluss
Vulkanite können exzellente Vulkanite können exzellente Grundwasserleiter seinGrundwasserleiter sein
Festgesteinsgrundwasserleiter ....
•• geringere Bedeutunggeringere Bedeutung
i d R l hl ht D hlä i k iti d R l hl ht D hlä i k it•• in der Regel schlechtere Durchlässigkeitin der Regel schlechtere Durchlässigkeit
•• in der Regel geringes Hohlraumvolumenin der Regel geringes Hohlraumvolumen
•• Stauer, AquicludeStauer, Aquiclude
•• große Bandbreitegroße Bandbreite
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Karstgrundwasserleiter
Einfach KlassifikationEinfach Klassifikation
GG S di tS di tFestFest--
K tK tDoppelDoppel--
GeneseGenese SedimenteSedimenteFestFest
gesteinegesteineKarstKarst
DoppelDoppelporositätporosität
FluviatilFluviatil
Aride FächerAride Fächer
ÄolischÄolisch
GlazialGlazial
TerrestrischTerrestrisch
MarinMarin
VulkanischVulkanisch
MetamorphMetamorph
MagmatischMagmatisch
Karstgrundwasserleiter
LfW 2001
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Karst
•• chemische Korrosion von Gesteinen chemische Korrosion von Gesteinen •• Kalkstein, Dolomitstein, Gips, Salz, QuarzitKalkstein, Dolomitstein, Gips, Salz, QuarzitKalkstein, Dolomitstein, Gips, Salz, QuarzitKalkstein, Dolomitstein, Gips, Salz, Quarzit
HH22O + CaCOO + CaCO3(s)3(s) ⇔⇔ CaCa2+2+ + HCO+ HCO33-- + OH+ OH-- (15 mg L(15 mg L--11))
HH22O + COO + CO22(g)(g) + CaCO+ CaCO3(s)3(s) ⇔⇔ CaCa2+2+ + 2 HCO+ 2 HCO33-- (850 mg L(850 mg L--11))
unabhängig von unabhängig von ppCOCO22 und pHund pH--WertWert
HH22O + COO + CO22(g)(g) + CaCO+ CaCO3(s)3(s) ⇔⇔ CaCa + 2 HCO+ 2 HCO33 (850 mg L(850 mg L ))
HenryHenry--Gesetz (Gesetz (pp = = kkH,H,ppcc •• ccaqaq))
Vegetation und KlimaVegetation und Klima
Karst in Carbonaten
• Korrosion in Abhängigkeit vom CO2-Partialdruck (pCO2)p 2
• Oberflächen, Rissen, Spalten, Fugen
• Höhlen, Dolinen und unterirdische Fließsysteme
• Wasseradern“„Wasseradern
• triple-porosity-model (Worthington 1999)
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Verkarstung an Oberfläche ...
Marc Appelhans: Karren am Torrent de Pareis
Karst-Höhlen
http://www.sciencevision.at
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Doline (sinkhole)
地学ハイク写真帳: Aki Yoshidai
Dolinen (sinkholes)
Gerhard Mercator Universität GH Duisburg
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Karst versus Zeit
tropischer Kegelkarst
Neal & Suning: Guilin Li River Karst, China
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wie entsteht Kegelkarst?
Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, 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.Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, 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“
i ht b d kt K t i t t fäh d t• nicht bedeckter Karst ist extrem gefährdet
• geringes Hohlraumvolumen
• extrem hohe Fließgeschwindigkeiten
v = 10 … 600 m/h
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sieht aus wie Karst, aber …
mechanische
Daniel Bürgin: Upper Antelope Canyon, USA
… mechanische Erosion
einer Sandsteinkluft
Aquifertypen
Einfach KlassifikationEinfach Klassifikation
GG S di tS di tFestFest--
K tK tDoppelDoppel--
GeneseGenese SedimenteSedimenteFestFest
gesteinegesteineKarstKarst
DoppelDoppelporositätporosität
FluviatilFluviatil
Aride FächerAride Fächer
ÄolischÄolisch
GlazialGlazial
TerrestrischTerrestrisch
MarinMarin
VulkanischVulkanisch
MetamorphMetamorph
MagmatischMagmatisch
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Aquifere mit doppelter Porosität (double porosity aquifers)
•• z.B. Sandsteinez.B. Sandsteine
W k it iW k it i•• Wasserwegsamkeit im Wasserwegsamkeit im PorenPoren-- und im Kluftsystemund im Kluftsystem
•• SchadstofftransportSchadstofftransport
Stephen R.H. Worthington 1999
Aquifertypen in Bayern
LfW 2001
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Bergbau („mine aquifer“)
• Tagebau verändert Grundwasserleiter
Ti f B b ä d t hh lti di• Tiefer Bergbau verändert nachhaltig die hydraulische Durchlässigkeit
Tagebau (open pit mining)
As Pontes, Spanien
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An underground Mine
Freiberg/Sachsen: Reiche Zeche, 3. Sohle
An underground Mine
Peißenberg/Bayern: Tiefstollen
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An underground Mine
weathered rockssettlement lagoon
soil cover
Precipitation Germany: ≈ 9.1 Billion m³Europe: ??
dissolution of secondary minerals
oxidation of di-sulphides
seeping water
weathered rocksdewatering adit
seeping water seeping waterpump
stream
lagoon
free convection
closed convection shaftshaft
undisturbed rock
mine water
Untertage Bergbau (underground operations)
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Zusammenfassung
• Aquifer: Festgestein oder Sedimentpaket, das in der Lage ist auf Grund seiner Hohlräume, g ,Wasser zu transportieren- Ein Aquifer kann, muss aber nicht Wasser enthalten
• Aquicludes: Festgesteine oder Sedimente, die kaum Wasser transportieren können
G i i• Leaky Aquifers: Grundwasserleiter, die nur eine geringe Durchlässigkeit für Wasser aufweisen