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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?

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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