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Ergebnisse der Bohrung undGrundwassermessstelle Scharnhausen

RupsRT Pn-esret- & Wn-Hplu Scnr-oz*

Oberer Muschelkalk, Scharnhauser Vulkan, Grabentektonik, Thermalwasser, HeilquellenschutzgebietOstf i ldern-Scharnhausen, Landkleis Essl ingen, Baden-Würt tembergTK 25: 7221 Stut tgart-Südost

Kurzfassung:DurchdieBohrungundGrundwassermessstel leScharnhausenwurdenachge-wiesen, dass im südlichen Zustrom zu den Stuttgarter Heilquellen der Oberc Muschelkalk starkverkarstet ist und das darin strömende Grundwasser hoch mineralisiert und reich an gelöstem Koh-lendioxid ist. Die Konzentrationen an gelöstem Natriumchlorid, Calciumsulfat und Kohlendioxidsind höher als in den Stuttgarter Heilquellen. Hydrochemisch besteht weitgehende Übereinstimmungmit weiter nördlich am Rand des Neckartals in Stuttsart-Wansen und -Gaisburg erschlossenem Mu-schelkalk-Grundwasser.

Die isotopenhydrologischen Messungen zeigen, dass das Wasser tritiumfrei ist, also weniger als l0 o/o oderkein Niederschlagswasser dcr letzten 40 Jahre enthält. Aufgrund der relativ leichten Sauerstoff-l8- und Deuterium-Werte kann das Muschelkalk-Crundwasser von Scharnhausen als Mischungaus bekannten isotopisch leichteren und schwereren Grundwässern des Muschelkalks unter demmittleren Albvorland gedeutet werden.

Die hohe Transn-rissivität des Oberen Muschelkalks und das hydraulische Potenzial im Bereich derGrundwassermessstelle Scharnhausen belegen eine beträchtliche Zustromrate von hochkonzentriertemGrundwasser in das Cannstatter Quellgebiet.

Mit der Bohrung Scharnhausen wurde der anomal hohe Temperaturgradient bis in den Oberen Mu-schelkalk im südlichen Fildergraben bestätigt. Der Wärmetransport erfblgt advektiv durch Grund-wasser, das hauptsächlich im Trigonodusdolomit des Oberen Muschelkalks, entgegen dem Schicht-tällen, entsprechend dem hydraulischen Gefälle von Süden nach Norden, zu dcn Stuttgarter Heil-quel len strömt. Eine isol ier te Anomal ie in Verbindung mit dem Scharnhauser Vulkan oder tektoni-schen Störungen zciohnet s ich nicht ab.

ö Anschriften der Autorcn: Dr. Ruprnr Pnssrrl. Landesamt für Geologic, Rohstofl'e und Bergbau

Baden Würt temberg. Zweigstel le Stut tgart , Urbanstr . 53, 70182 Stut tgart ; Dr.WrrneLM Scsloz,Landesamt für Gcologie. Rohstof fe und Bergbau Baden-Würt temberg, Albertstr .5,

79104 Freiburg i . Br ' . ; E-Mai l : poststel le@lgrb.uni- f ie iburg.de

Abh. L.-Amt f. Geologie,Rohstoffb und Bergbau

Baden-Württembersl5 s.303-330 6 Abb. 7 Tab.

Freiburg im Breisgau6. Dezember 2002

304 Rupenr Pnrslcl & Wtsslv Scruoz

[Results of borehole and observation well Scharnhausen]

Abstract :Boreholeandobservat ionwel lScharnhausensuppl iednewgeoscient i f icresul ts.In spite of a closed cover of thick Keuper beds the upper part of the Upper Muschelkalk aquiferin the south of the Stuttgart mineral springs is intensively karstified. The Muschelkalk groundwaterist highly mineralized and enriched in dissolved carbon dioxide. The concentrations of dissolvedsodium chloride, calcium sulphate and carbon dioxide are higher as in the Stuttgart mineral springsand correlate with the hydrochemistry of Muschelkalk groundwater of observation wells furthernorth at the margin of the Neckar river valley in StuttgarrWangen and -Gaisburg.

The Scharnhausen Upper Muschelkalk groundwater is free from tritium, which means, that it containsfess than l0 Vo or no meteoric water from the last four decades. The stable isotope signature ofr8O and rH can be explained as a mixture of known different Muschelkalk groundwaters from themiddle foreland of the Swabian Alb.

The high transmissivity of the Upper Muschelkalk aquif'er and the hydraulic pressure of the SchamhausenUpper Muschelkalk groundwater give evidence of a considerably flow rate of highly mineralizedgroundwater to the Stuttgart-Bad Cannstatt mineral springs.

Ceothermal borehole measurements have confirmed the expected anomalous high temperaturegradient down to the Upper Muschelkalk. Heat is transported advective by groundwater, mainlyin the Tr igonodus-dolomite of Upper Muschelkalk, in the opposi te direct ion of the incl inat ion ofstrata, fbllowing the hydraulic gradient frorn south to north to the Stuttgart mineral springs. A localgeothermal anomaly caused by the Scharnhausen volcano or tectonic faults can be excluded.

[Rdsultats 6manant du forage et du lieu de mesure de la nappe aquiföre ä Scharnhausen]

Rdsumd:Gräceauforageetaul ieudemesuredelanappeaquiföreäScharnhausen, i ladtdprouv6 que dans la partie sud du courant vers les sources min6rales de Stuttgart, le MuschelkalkSupdrieur est fortement karstifid et la nappe aquiföre qui y ooule trds min6ralis6e et riche en gaz

carbonique dissolu. Les concentrations en chlorure de sodium, en sulfate de calcium et gazcarboniques dissolus sont plus fortes que dans les sources mindrales de Stuttgart. D'un point devue hydrochimique, il y a concordance avec la nappe aquiföre du Muschelkalk exploitde plus aunord au bord de la vallde du Neckar ä Stuttgart-Wangen et Stuttgart-Gaisburg.

Les mesures d'isotopes hydrologiques montrent que I'eau ne contient pas de tritium, donc qu'ellecontient moins de loo/c ou pas du tout d'eau de pluie depuis les quarante derniöres anndes. Enraison des valeurs relativement faibles en oxygöne l8 et en deut6rium, on peut en ddduire que lanappe aquiföre du Muschelkalk de Scharnhausen est un mdlange d'eaux souterraines ä la fois plus

ldgöres et p lus lourdes du Muschelkalk, connues au point de vue isotopique. El les sont s i tudessous la Prdalbe moyenne.

La grande transmissivitd du Muschelkalk Supdrieur et le potentiel hydraulique dans la rdgion dulieu de mesure Scharnhausen prouvent une quote-part d'apport important d'eaux souterraineshautement concentrdes dans la rdgion des sources de Cannstatt.

Le forage de Scharnhausen a confirmd le haut gradient anormal de tempdrature jusque dans leMuschelkalk Supdr ieur du fbssd sud de Fi lder. Le t ransport therrnique se fai t hor izontalement par lanappe aquilöre qui afflue vers les sources mindrales de Stuttgart en passant dans le dolomite trigonodiendu Muschelkalk Sup6r ieur, ä I 'encontre de la chute des couches et conformdment ä la ddcl iv i td dusud au nord. On n'a pas remarqud d'anomalie isolde en rapport avec le volcan Scharnhausen ouavec des incidents tectoniquss.

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstelle Scharnhausen

Inhalt

306 Rupsnr Pnssrsl & Wrr-uEr-l,r ScHloz

1 Einleitung

Ende März 2000 wurde vom Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg (LGRB) beim Regierungspräsidium Stuttgart die Einrichtung einerGrundwassermessstelle im oberen Körschtal, in Ostfildern-Schamhausen aus Mittelnder Wasserwirtschaftsverwaltung beantragt. Dort, im südlichen zentralen Fildergraben,gab es bis dahin keine direkten Informationen über das Grundwasser im OberenMuschelkalk. Nach Zusage der Finanzierung der Messstelle durch das Ministeriumfür Umwelt und Verkehr und die Gewässerdirektion Neckar wurde die Bohrung nochim Jahr 2000 ausgeschrieben. Die Landeshauptstadt Stuttgart hat sich bereit erklärt,einen Teil der Untersuchungen in der ferligen Messstelle zu flnanzieren.

Ziel der Bohrung war es, die geologischen Verhältnisse im zentralen Fildergraben südlichder Cannstatter Heilquellen zu erkunden sowie neue hydrogeologische Erkenntnisseüber die Crundwasserftihrung des Oberen Muschelkalks zu gewinnen. Die Nachbarschaftzum Scharnhauser Vulkan war dabei keine entscheidende Vorgabe. Eher waren derTalverlauf der Körsch und die dort vermuteten tektonischen Störungen mit vertikalen,allerdings nur geringen Versatzbeträgen von Bedeutung.

Im Zusammenhang mit der Neuabgrenzung und Ausweisung des Schutzgebiets fürdie Heilquellen von Stuttgart-Bad Cannstatt und -Berg sollten diese Erkenntnisse dazubeitragen, den Wissensstand über das Strömungssystem des Grundwassers im OberenMuschelkalk zu erweitern. Da die Aussagekaft der regionalen Strömungsmodellierungdes Stuttgarter Mineralwassersystems aufgrund großflächig fehlender Daten im südlichenFildergraben eingeschränkt ist, war auch von PlüvecHln ( I 999: I 4l ) eine solche Bohrungvorgeschlagen worden.

Die nächsten tieferen Bohrungen, die das Grundwasser im Oberen Muschelkalk erschlossenhaben, liegen 8-10 Kilometer entfbmt am Rande des Fildergrabens (Bonlanden, Stuttgart).Das Risiko, im Oberen Muschelkalk keinen Anschluss an das Crundwasser anzutreffen,warnicht auszuschließen, denn die 5 km weiter östlich abgeteufte,353,4 m tiefe BohrungSpieth-Hofzwischen Esslingen-Berkheim und Denkendorf blieb im Oberen Muschel-kalk (ab 349,0 m) trocken.

Die BohrfirmaCeller Brunnenbau GmbH wurde vom Land Baden-Württemberg, vertretendurch die Gewässerdirektion Neckar, Bereich Kirchheim unter Teck, mit den Bohr- undAusbauarbeiten beauftragt. Die Bohrarbeiten wurden durch die GewässerdirektionNeckar und das LGRB gutachterlich begleitet.

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstelle Scharnhausen

2 Lage der GWM Scharnhausen

Die Grundwassermessstelle (GWM) Scharnhausen liegt im Landkreis Esslingen,Gemarkung Ostfildern-Scharnhausen, auf dem Flurstück Nr.35212 (TK 25: 81.7221Stuttgart-Südost, R: 35 l8 996, H:53 97 103, Geländehöhe: 308,81 m NN, LGRB-Nr.122115706,Gw-Nr. 985 1/5 I 2- I ).

Sie befindet sich am nordwestlichen Ortsausgang von Scharnhausen gegenüberdem Gestütshof und etwa 250 m südsüdöstlich des Scharnhauser Vulkans in derTalaue der Körsch. Die Entfernung zu den Heilquellen in Stuttgart-Berg undBad Cannstatt beträgt 10 km, zu den im Rahmen des DB-Projekts 52 I ebenfalls imOberen Muschelkalk eingerichteten Grundwassermessstellen BK 17.413 GM inStuttgart-Wangen ca. 8 km und BK 17 .114 GM in Stuttgart-Gaisburg ca. 9 km (Abb. 1).

GWM B4A o oBK 17.1/4 GMut\ r j , l ragrvl o

Stuttgart BK 17 4/3 GM

Fi ldergraben

o Bonlanden 1n 1 1 . l A lkm

/o-,"-Wlhelmsbr, t,2

3fu2

Abb

3fo0 35t0 35r+

1: Lageplan der Bohrung und GWM

35re 35zz 3526 3fo0

Scharnhausen (mit Strukturlinien des Fildergrabens)

308 Rupeer PngsrEl & WtsElv S<:rtoz

3 Bohrablauf

Die Bohrung wurde von der Bohrfirma Celler Brunnenbau GmbH als Meißelbohrungim Lufthebeverfahren abseteuft.

Nachdem am 29.01 .200 I der Bohrpunkt vor Ort f 'estgelegt worden war, wurde noch inder gleichen Woche die Bohrstelle eingerichtet. Am 12.02. war eine Tiefe von I 8 rn eneicht,aml6.02.wardasBohrloch60mundam2l.02.berei ts l l0mtieLBei dieserTief-ewurdein den Unteren Bunten Mergeln eine Hilßver:rohrung gesetzt. Danach wurde mit kleineremDurchmesser bis in die Estherienschichten des Unterkeupers weitergebohrt. Diesewurden am 2 L03.200 I erreicht, die Bohrung war nun 269 m tief . Der Abstand zum OberenMuschelkalk, bei dessen Erreichen mit totalem Spülungsverlust gerechnet werdenmusste, betrug nur noch 4 m. Am26.03.2001 wurde das Bohrloch durch den Messtruppdes lnstituts für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA) geophysikalischvermessen. Die Messungen (spektrales Gamma-Ray, Kaliber, magnetische Suszeptibilität,Neutron-Log, Dual Laterolog, Salinität, Temperatur) erfolgten von 0-l l0 m durch dieHilf'sverrohrung, darunter bis267 ,4 m im offbnen Bohrloch.

Danach wurde die erste permanente Verrohrung mit 330 mm Durchmesser eingebautund zementiert. Das Weiterbohren in den Oberen Muschelkalk fand nun im gesicherlenBohrloch statt. Am 18.04.2001, bei einer Tiefe von 279 m, traf der Bohrmeißel einenHohlraum von 2 m vertikaler Erstreckung an, was zu einem totalen Spülungsverlustfthrte. Ab dem 19.04.2001 wurde unter zeitweiser Einleitung von Trinkwasser ausdem öff-entlichen Netz in das Bohrloch (Q: 5 l/s) weitergebohrt. Das Bohrklein konnteweiterhin mit dem Spülstrorn ausgetragen werden. Die Endteufe von 338 m wurdeam 23.04.200 I erreicht.

Um Aufschluss über die Größe des angetrof-fenen Hohlraums zu erhalten, wurde dieFa. Händel, Geophysikalische BohrlochmessLlngen und Brunnen-TV, Ubstadt-Weiher,beauftragt, das Bohrloch am 24.04.2001 mit der Fernsehkamera zu befahren. DieBefährung wurde jedoch nur bis 27 I m Tiefe durchgeführt, da das Bohrloch ab dieserTief'e einen unregelmäßigen Verlauf mit überstehenden Steinen gezeigt hat, so dassdas Weiterfahren mit dem Risiko des Kameraverlustes verbunden gewesen wäre. Auchmit der anschließenden Kaliberlog-Befähnrng konnte die Größe des angetroffencnHohlraums nicht bestimmt werden. Aufgrund der vollen Spreizung der Sonde warlediglich festzustellen, dass der Durchmesser des Hohlraums mehr als 600 mm beträgt.

4m25.04.200 lwurden wegen der Aggressivität des erschlossenen GrundwassersEdelstahl-Ausbaurohre, unten mit 125 mm, oben, von 0-120 m, mit 150 mm Durchmessereingebaut. Trotz genauer Ausbauvorgaben durch die Gewässerdirektion und das LGRBwurden die Filterrohre abweichend eingebaut. Anstatt den angetrofl-enen Hohlraurn(219 281 m) hinter die geplarrte Filterrohrstrecke von 275 287 m zu nehmen, wurde der

Ergebnisse der Bohrung und Grundwasselmessstel le Scharnhausen

direkte Grundwasserzutritt aus dem Hohlraum in die Messstelle durch ein 6 m langesVollrol.rr mit der Position von 27 4,6-280,6 m stark eingeschränkt. Das war dem Auftrag-geber zu diesem Zeitpunkt allerdings noch nicht bekannt. Nach Einbringen des Filterkieseswurden die Ausbaurohre am 03.05.2001 zementiert.

Vor der geplanten Schlussbefährung mit der Fernsehkamera wurde die ausgebauteGrundwassermessstelle am 08.05. und 09.05.-10.05.2001 von der Fa. Utec Schade, Aichtal,anfangs mit einer Entnahmerate von 4,5 Vs klargepumpt. Dabei sank der Wasserstand von47 m u. Gel. überraschend deutlich um 4,5 m ab. Die hohe elektrische Leitft ihigkeit vonüber 8600 pS/cm am Ende des Klarpurnpens zeigte, dass ein hochkonzentriertes Mine-ralwasser erschlossen worden war.

Die geplante Schlussbefährung mit der Bohrlochkamera am 15.05.2001 durch dieFa. BRG, München, endete sehr rasch, da man fbststellen mLlsste, dass die 150 mm-Rohrebei 90 m Tief'e zusanrmengedrückt waren. Am 28.05.2001wurde versucht, mit einerkleinen 2-Zoll-Kamera durch die verbliebene Öffnung hindurchzukornmen und dasAusmaß des Sclradens zur Tiefe hin zu erkunden. Die verbliebene Ötlhung warjedochzu klein für die Kamera. Inzwischen war nachgewiesen worden, dass die Ursache desSchadens in einer zu geringen Wandstärke der 150 mm-Edelstahlrohre zu suchen war.Anstatt der bestellten Rohre mit 4 mm Wandstärke waren vom Rohrhersteller solchemit nur 2,8 mm gelief-ert worden, die dem Zementationsdruck nicht standhielten.Mit dem Überbohren des schadhaften Ausbaus wurde am 19.06.200lbegonnen, am0 I .07.2001 waren bereits I 5 Vollrohre mit je 6 m Länge ausgebaut. Nach weiteren Über-bohrarbeiten und Kontrollbefährungen mit der Bohrlochkamera wurde am 2l .08.2001das letzte auszubauende Rohr gezogen. Dan.rit war der Ausbau bis in 130,3 m Tiefb frei-geräumt. Nach Kontrolle des Zustands des obersten 125 mm-Ausbaurohres mit derBohrlochkamera und Anlieferurrg der neuen Ausbaurohre rrit nun 5 mm Wandstärkewurden diese am 10.09.2001 eingebaut. Durch die Ausbaukontrolle mit der Bohrloch-kaurera am 04. 10.200 I (Fa. Dr. Pütz) wurde der bercits beschriebene, ur.rplanmäßigeAusbau der Filterstrecke erkannt. Da ein hydraulischer Anschluss über den Filterkiesgegeben war, wurde der Ausbau belassen. Durch die Räumarbeiten waren Zementresteund Stahlteile in die offene 125 mur-Verrohrung gefällen, die nun den unteren Abschnittder Meßstelle auf 42 m Länge ausfiillten. Eine Räumung durch Spülarbeiten brachtenur einen Teilerfblg, unterhalb von 3l I m war ein Ausbringen des Materials nicht mehrmöglich. Über das in der Messstelle verbliebene Material wurde eine 0,5 m hohe Kies-schicht (Konrdurchmesser: I 2-l 6 mm) aufgebracht.

Am 08.10.2001 wurdc der Ringraum hinter den 150 mm-Ausbaurohren mit te lsFußeintonung und zweistufi ger Zementation verschlossen. Die Edelstahl-Ausbaurohrewurden am I9. und 20.11.2001 hochdruckgereinigt. Das dabei eingebrachte Wasserwurde wieder abgepumpt. Am Ende des Klarpumpens wurde eine elektrische Leitfä-higkeit des geförderten Grundwassers von 8050 pS/cm gemessen.

Rupenr PnEsrpL & Wrusslv S*noz

Der Messstellenkopf wurde als geländegleiches Unterflurbauwerk mit hochwasserdichtemVerschluss von Passavant ausgeführt. Als innerer Verschluss des 150 mm-Rohres wurdeeine Seba-Kappe (Oberkante Seba-Kappe geöffnet: 308,68 m NN) eingebaut. DieMessstelle wurde am 23.1 | .2001 vom Land Baden-Württemberg, vertreten durch dieGewässerdirektion Neckar, Bereich Kirchheim unter Teck, abgenommen.

Tab. l: Bohr- und Ausbaudaten (vgl. auch Abb. 3)

4 Untersuchungsprogramm

Die lithostratigraphische Bohrklein-Auswertung wurde bohrungsbegleitend durchdas LGRB (Februar-April 2001) ausgeftihrt. Das Institut für Geowissenschaftliche Ge-meinschaftsaufgaben hat am23.03.2001 und 15.01.2002 zurweitergehenden Interpretationder angetroffenen geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse geophysikalischeBohrlochmessungen (spektrales Gamma-Ray, Kaliber, magnetische Suszeptibil i tät,Neutron-Log, Dual Laterolog, Salinität, Temperatur) sowie isotopenhydrologischeMessungen (Probenahme am21.11.und11.12.2001) durchgefiihrt. Das geochemische

Material Durchmesser(mm)

von:(m u. A-)

bis:(m u. A.) Bemerkungen

BohrlochBohrlochBohrlochBohrlochHilfsverrohrungHilfsverrohrungVerrohrungVollrohreVollrohre

FilterrohreVollrohrFiltelrohreZementationZementationZementationZementationZementationTonSandKies

StahlstahlStahlEdelstahlEdelstahl

EdelstahlEdelstahlEdelstahl

Quellon

700609444275650558330150tzJ

125t25125330-609330444150 330125 330

l2s-275

12s,2'75

08

1r0269

0000

130,3

280,6304,6310,6

0110

0r10 1269212)1) \

ztJ

8110269338

8il0268130,3280,6

304,6310,633 1,6il026913 0,32692'72)7) 5

273338

gezogengezogenzementlertzementiertzementlert/verkiestverkiestverkiestverkiest

GegenfilterKörnungI l5-5 0 mm

Ergebnisse der Bohrung und Crundwassermessstel le Scharnhausen

Labordes LGRB hat das erschlossene Muschelkalk-Grundwasseranalysiert(10.05 .,27.11.,17.12.2001). Die Landeshauptstadt Stuttgart hat sich mit der Finanzierung eines Pump-versuchs (05.-17.12.2001), zusätzlichen Isotopengehaltsmessungen (06.-12.12.2001),eines Flowmeter- Logs und weiteren hydrochemischen Analysen (06. 12.,09.12.,12.12., 17 .12.2001) am Untersuchungsprogramm beteil igt.

5 Untersuchungsergebnisse

5.1 Geologie

Durch die Bohrung Scharnhausen sollte neben der Klärung der geologischen undhydrogeologischen Verhältnisse auch erfasst werden, ob sich die Nachbarschaft desScharnhauser Vulkans durch Störungen der Schichtenfolge, magmatisches Materialoder Anderungen der Gesteinsbeschaffenheit bemerkbar macht. Da die Bohrungaus Kostengründen lediglich als Meißelbohrung ausgeführt werden konnte, warengeophysikalische Bohrlochmessungen unabdingbar. Mit Hilfb des Gamma-Ray-Logswurde die lithostratigraphische Deutung des Bohrkleins verifiziert und verfeinert.

Die stratigraphische Gliederung der angetrofTenen Schichtenfolge (Tab. 2, Abb.2u. 3) wurde bohrungsbegleitend durchgeftihrt. Nach den geophysikalischen Bohrloch-messungen konnten Unterkeuper und Oberer Muschelkalk mit dem Gamma-Ray-Logweiter untergliedert werden. Die angetroffenen Schichtmächtigkeiten bewegen sich durch-weg im normalen Rahmen. Die Stubensandstein-Formation ist 78 m und die BunteMergel-Formation4T m mächtig. Die Schilfsandstein-Formation wurde in 1 I m mäch-tiger Normalfazies angetroffen, der Gipskeuper ist I I I m, der Unterkeuper 20 m mäch-tig. Die erbohrte Schichtenfolge ist von den Oberen Bunten Mergeln (ab 91 m u. Gel.)bis zur Basis des Gipskeupers gipsführend. Vor allem die Grundgipsschichten zergeneine massive Gipsführung. Der Trigonodusdolomit ist 9 m mächtig und im unterenAbschnitt, im Bereich des erbohrten Hohlraums, stark korrodiert. Da die Messstellenach der Reparatur des Ausbaus geophysikalisch nur noch bis 310 m TieFe befahrenwerden konnte, beschränkt sich die Gamma-Ray-gestützte stratigraphische Gliederungauf diesen Bereich. Als deutliche Leithorizonte zeichnen sich die Tonhorizonte3, 4, 5 und 6 ab. Damit war zumindest eine Grenzztehung zwischen den Künzelsauerund den Meißner Schichten möslich. Die Bohrune endet etwa l0 m über den Haß-mersheimer Schichten.

Nach der neuen Geologischen Karte 1 : 50 000 Stuttgart und Umgebung (Bnuwen 1998)befindet sich die Bohrung Scharnhausen innerhalb eines etwa NO-SW-streichendenVerwerfungsbündels mit allerdings nur geringen Versatzbeträgen und sollte dieSchichtgrenze Keuper/Muschelkalk bei etwa 96 m NN erreichen. Tatsächlich wurdediese Grenze aber auf 35,8 m NN, also etwa 60 m tiefer angetroffen. Da nach der Oberflä-

3lr

Ruprnr PnEsrn & Wlluellt ScHI-oz

25

50

75

100

125

150

175

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225

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", 47q.;o

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269.00 -

338.00 -

- .130.30

I Vol l rohr

I FrLterroh'

Ez"*"1ffi Ki""! Ton

f--lSo"a

ffi Nochfoll

- 268.00

- 280.60

- 304.60- 310.60

- 331.60

0 50 100 150 200Gomno-Roy (API)

a.?15

0.444

._ _ _- !!!c-0.700 |

.0 150,

. 0330 ,

Abb. 2: Bohrprofi l und Ausbauzeichnung GWM Scharnhausen

chenkartierung keine Versatzbeträge in dieser Größenordnung zu erkennen sind, ist

von einer E,inmuldung der Schichten im zentralen Fildergraben bei Scharnhausen aus-

zugehen. Tektonisch bedingte Schichtausfälle oder Einflüsse des benachbarten

Vulkans konnten nicht gefunden werden. Die Schichtmächtigkeiten des Keupers

(ku km4) sind jenen der Bohrung Spieth-Hof sehr ähnlich. Einen Überblick über die

Schichtmächtigkeiten und die Schichtlagerung vermitteln Abb. 2 und 3.

6.00

84.00

97.50106.00

,131 .00142.00

253.00

273.00

338.00 E

q

km4

km3o

km 3s

kn3u

km2

km1

ku

mo

SLr"otignophie

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstel le Scharnhausen 313

Tab. 2: Strat igraphisches Prof i l der Bohrung Scharnhausen

Bohrtiefe Stratigraphie Mächtigkeit

0-6,0m

-84,0 m

-97,5m-106,0m-131,0m

-134,0m-142,0m-253,0m

) '77 Om

338,0m

Quartär (Bachablagerungen der Körsch)MittelkeuperSru bensandstein-FormationBunte Mergel-FormationObere Bunte MergelKieselsandsteinUntere Bunte Mergel (- l08,0 m Lehrbergsch.)Schilfsandstein-Formati onDunkle MergelSchilfsandsteinGipskeuper-Formation-145m ObereBunteEstherienschichten-164m Graue Estherienschichten-170m UntereBunteEstherienschichtenl l lm Acrodus-Corbula-Horizont

-210m Mittlerer Gipshorizont mitBlei glanzbankschichten

-231m Dunkelrote Mergel-231m BochingerHorizont-253m GrundgipsschichtenUnterkeuperOberer Unterkeuper-253,5 m Grenzdolomit256,4m Grüne Mergel-258,0m Lingulaschichten-258,6m Obere Graue Mergel-262,5m Anoplophoradolomit/-sandstein-264,0m Untere Graue Mergel-264,5m AnthrakonitbankUnterer Unterkeuper-2662m Sandige Pflanzenschiefer-266,9m Albertibank-271,5m Estherienschichten-213,0m BasisschichtenOberer Muschelkalk-282,0m Trigonodusdolomit

Tonhorizont 6 (285,0-285,5 m)Tonhorizont 5 (290,0-290,5 m)

-297,5m Künzelsauer SchichtenTonhorizont 4 (29 8,0 -29 8,5 m)Tonhorizont 3 (303,0-303,5 m)

- ca. 319.0 m Meißner Schichten

6,0m241,0m78,0m47,0m13,5mR5m

25,0ml l ,0m3,0m8,0m

l l l ,0m3,0m

19,0m6,0m1,0m

39,0m21,0m6,0m

16,0m20,0m11,5m0,5m2,9ml,6m0,6m3,9ml,5m0,5m8,5ml,7m0,7m4,6m1,5m

>65,0m9,0m

Rupenr PnEsrsL & Wrr-HEr-n ScHloz

5.2 Hydrogeologie

5.2.1 Grundwasserleiter Oberer Muschelkalk

Der Unterkeuper kann bei stärkerer tektonischer Beanspruchung hydraulisch an denunterlagernden Oberen Muschelkalk angeschlossen sein. Anzeichen für eine Grund-wasserführung im Unterkeuper wurden während des Bohrens jedoch nicht festgestellt.

Nach den bisherigen Befunden von Grundwassermessstellen im südlichen Bereich vonStuttgart (BK 17.413 GM, BK 17.l14 CM) ist der Obere Muschelkalk im südlichenFildergaben auch unter mächtiger Überdeckung durch Keuperschichten als Kluft- undKarstgrundwasserleiter erheblicher Durchlässigkeit und Wasserführung ausgebildet.Die Verkarstung konzentriert sich meist auf die oberen 10 m im und knapp unter demTrigonodusdolomit. Ihre Entstehung wird auf die hohe Kohlendioxidfiihrung desGrundwassers im Oberen Muschelkalk des Fildergrabens zurückgeführt. Örtlich kannder Obere Muschelkalk dicht oder nur sehr gering wasserdurchlässig sein (BohrungSpieth-Hol die jedoch nur 4,4 m Oberer Muschelkalk erschlossen hat).

In der Bohrung Schamhausen wurde zwischen2T9 und 281 m unter Gelände, im unterenAbschnitt des Trigonodusdolomits, ein Hohlraum mit 2 m vertikaler Erstreckungangetroffen und somit ein hervorragender Anschluss an das Grundwasser im OberenMuschelkalk hergestellt. Aus diesem Hohlraum wurden mit dem Spülstrom größereGesteinsstücke

^rtage gefcirdert, die starke Korrosionsmerkmale zeigten. Dies war ein

erster Hinweis auf die hohe Kohlendioxidführune des erschlossenen Grundwassers.

5.2.2 Grundwasserstand

Die Messungen des Grundwasserstands in der Grundwasserrnessstelle Scharnhausenzeigen, dass das im Oberen Muschelkalk erschlossene Grundwasser hoch gespanntist. Das in279 m Tiefe angetroffene Grundwasser stieg im Bohrloch bis auf etwa4941 m unter Gelände, entsprechend auf 259,8-261,8 m NN (April und Mai 2001), alsoum 224-226 m über Oberkante Oberer Muschelkalk an. Die pumpversuchsbegleitendenLichtlotmessungen im Dezember 2001 ergaben übereinstimmende Ruhewasserständezwischen 47,5 8 und 47 .9 m unter Rohroberkante bzw. auf 260.7 8-26 l . I 0 m NN.

Der Vergleich mit den bisher vermuteten Druckhöhen im Bereich Scharnhausen(Vtt-t-rNcen 1982, Plüuecuen 1999: 28) zeigt, dass diese etwa l0 m zu tief angesetztworden waren. Daraus ergeben sich deutliche Anderungen des regionalen Verlau[sder Grundwassergleichen ftir den Oberen Muschelkalk.

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstelle Scharnhausen

678

Lönge (km)

Abb. 3: Geologischer und hydrogeologischer Schni t t Scharnhausen - Stut tgart-Bad Cannstat t

Aufgrund des hohen Druckpotenzials in Scharnhausen ist auch ein Blick auf denwestlichen Fildergrabenrand bei Bonlanden zu richten. Nach dem bisherigen Verlaufder Grundwassergleichen liegt hier das potenzielleZustromgebiet für das SchamhauserMuschelkalk-Grundwasser. In der Bohrung Bonlanden I wurde im Muschelkalk vorund nach einem Schöpfversuch und zwei Pumpversuchen ein Wasserstandvon260mNN(15.06.-18.06.1973, 19.06-25.06.1973,30.08.-13.09.1973)gemessen(Cenr-E,1975a).

Der nach einer Drucksäuerung mit erheblicher Verbesserung der Ergiebigkeit gemes-sene Wasserstand von ca.270 m NN (29.09.-01.11.1973) ist als reines Muschelkalk-Potenzial in Frage zu stellen. Canre(1975a) weist darauf hin, dass sich nach derDrucksäuerung die chemische Zusammensetzung und die Temperatur des aus demMuschelkalk geftirderten Wassers deutlich geändert haben und führt dies auf denZustrom von kälterem Wasser aus einem höheren Grundwasserstockwerk zurück. Auchdie ursprünglich nicht vorhandene hydraulische Stützung durch Fremdwasserzeichnet sich beim Pumpversuch durch die Konstanz der Absenkung vom 04.10.-01.11.1973, bei gleicher Entnahmerate (Q:8 l/s), ab. Somit ist der ursprünglicheWasserstand von 260 m NN als zutreffend für den Muschelkalk-Grundwasserleiteranzusehen.

315

500

450

400

350

300z.= )q,A

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100

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NO

+StuttgorNeckor l

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(.,"t"-"$"t"l"'i

316 Rupenr Pnnslrr. & Wrr.seuu Scsloz

Daraus ergibt sich, dass zwischen der Bohrung Bonlanden I am westlichen Filder-grabenrand und der Grundwassermessstelle Scharnhausen im Grabenzentrum imungestörten Zustand kein hydraulisches Gefülle im Muschelkalk-Grundwasser bestehtund damit auch kein Grundwasserfluss in dieser Richtung erfblgt. Nach dem Verlaufder 260 m NN-Grundwassergleichen zwischen Bonlanden und Scharnhausen wäre dieGrundwasserfl ießrichtung in diesem Bereich des Fildergrabens nach Nordwestenund nicht wie bisher angenommen nach Nordosten gerichtet.

5.2.3 Hydraulischer Gradient

Die Druckhöhe der Stuttgarter Mineralwässer im Oberen Muschelkalk liegt bei denmeisten Fassungen zwischen 223 und 225 m NN.

In den nordnordwestlich der GWM Scharnhausen nächstgelegenen Muschelkalk-Grundwassermessstel len BK 17 .413 GM (S-Wangen) und BK 17 .1/4 GM (S-Gais-burg) befinden sich die Ruhewasserstände nach Lichtlotmessungen im Mittel bei23 I ,45 m NN ( l2 Werte) bzw .231 ,51 m NN (7 Werte). Die Schwankungen der Ruhewas-serstände sind in beiden Messstellen gering (BK 11 .413 GM:231,23)31,82 m NN,Mai 1998 bis Jul i I 999; BK 17 .114 GM: 231 ,26 -231 ,825 m NN, Oktober 1998 bisApr i l1999).

Der hydraulische Gradient von der GWM Scharnhausen nach Nordnordwestzur BK 17.413 GM beträgt i : 0,0038 (Potenzialdifl-erenz29,5 m, Abstand 7750m),zurBK l7. l /4 GM i :0,0036 (Potenzialdi f ferenz 29,5 m, Abstand 8.200 m), zurInselquel le i :0,00365 (Potenzialdi f ferenz3T,64 m, Abstand 10.300 m) und istdamit größer als bisher vermutet. Ein direkter Zustrom des Grundwassers im OberenMuschelkalk von Scharnhausen zu den genannten Grundwasseraufschlüssen darfaus dem vorgenannten hydraulischen Gefülle dorthin jedoch nicht abgeleitet werden.

5.2.4 Grundwasserzutritte nach Flowmeter

Nach den Flowmeter-Messungen des Büro fürGeophysik, Dr. J. Wieck, am 19.02.2002,befindet sich der einzige Wasserzutritt in die Filterstrecke zwischen 281,5 u. 282,6 m.Dieser Zutritt stammt aus dem angetrof'fenen Karsthohlraum zwischen2T9 und 280 mim unteren Abschnitt des Trigonodusdolomits, der durch den seitens der Bohr-firma geänderten Ausbau hinter die Vollrohre genommen und verkiest worden war. Dergeringfügige Anstieg der Temperatur während des Pumpbetriebs arn tiefsten Mess-punkt (3 10,4 m) von 32,33 auf 32,43"C deutet auf einen sehr geringen Zuflussunterhalb von 310.4 m Tiefe hin.

Ergebnissc dcr Bohrung und Crundwassermossstel le Scharnhauscn

5.2.5 Transmissivität

Zur Bestimmung der Transmissivität des Oberen Muschelkalks im Bereich der GWMScharnhausen wurde von der Fa. Dr. Eisele, Ingenieurgesellschaft für Umwelttechnikund Bauwesen mbH, Rottenburg, vom 05.12. (14:00 Uhr) 17.12.2001(17:45 Uhr)ein Pumpversuch durchgeführt . Die Entnahmerate hat 5,0 l /s betragen. DieAufzeichnung der Messwerte mit Drucksensoren wurde durch begleitende Lichtlot-messungen abgesichert . Die Wiederanst iegsmessungen wurden am 18. 12.2001(08:58 Uhr) beendet. Nach den Aufzeichnungen der Basisdrucksonde in 290 m Tiefebl ieb der Druck während der Absenkphase bis auf sehr k le ine, wahrscheinl ich aufLuftdruckänderungen zurückzuführende Schwankungen konstant. Der Ausgangs-wasserstand von 47,58 m unter ROK f ie l um ca. 0,7 m auf 48,3 m unter ROK ab.

Die Auswerlung derAbsenkphase nach Bounour et al. ( 1983) ergab die Transmissivitätvon T : 7,8 ' l0 I rnr/s, die Auswertung des Wiederanstiegs nach GnlNciARrEN etal. (1979)die Transmissivität von T : 8,1 ' l0 3 m2ls, also weitgehend übereinstimmende Werte.Damit wurde im zentralen Fi ldergraben eine hohe Transmissiv i tät des OberenMuschell<alks, nach den Zuflussverhältnissen speziell des Trigonodusdolomits, nach-gewiesen. Für eine Begrenzung des Bereichs hoher Transmissiv i tät durch hydrau-l isch wirksame Ränder konnten mit dem Pumoversuch keine Hinweise sefundenwerden.

Die nachgewiesene hohe Transmissiv i tät l iegt sogar über den Transmissiv i tätender neuen Grundwassermessstellen in S-Wangen und S-Gaisburg. Die Auswertungvon Inehreren Kurzpumpversuchen in der Messstel le BK 11 .4/3 GM durch dieigi Niedermeyer Institr-rte, Westheirn, und das LGRB ergab die mitt lere Transmissivitätvon T : 4 ' l0-r mr/s (Oberer Muschelkalk auf 12,20 m erschlossen). tn der MessstelleBK 1 7. l/4 GM wurde eine etwas kleinere Transmissivität von T -- 2 ' lV mr/s ermittelt(Oberer Muschelkalk auf 13,45 rn erschlossen).

Im Bereich der westlichen Fildergraben-Randverwerfung ist dagegen die Transmissivitätdes Oberen Muschelkalks deutlich geringer. In der Bohrung Bonlanden 1 wurde vom30.08.-13.09. I 973 ein Pumpversuch im Oberen Muschelkalk und dem oberen Abschnittdes Mittleren Muschelkalks mit einer Entnahmerate von Q -4 l/s durchgeführ1 und dabeieine Absenkung von s: l07m erreicht (Cnnr-r 1975a). Daraus ist ungeftihr dieTransmissivität von T - 4 '10-smr/s zu errechnen. Die höhere Transmissivität nachder Drucksäuerung ist für den Muschelkalk-Grundwasserleiter bei Bonlandenwahrscheninlich nicht repräsentativ, da ein höheres Grundwasserstockwerk miterschlossen worden rvar.

Die hohe Transmissivität mitten irn Fildergraben ist auf eine starke Verkarstung desTrigonodusdolomits zurückzufiihren. Das aus dem Bereich des 2 m hohen Hohlraumszutage geförderte Bohrklein zeigte starke Korrosionserscheinungen. Feiner Schalen-

Rupnnr Pnpsrrl & WILHEIv ScHurz

detritus war vollkommen aus dem Gestein herausgelöst worden. Eine der Hauptur-sachen der starken Verkarstuns ist in der hohen Kohlendioxidftihrune des Wasserszu suchen.

Die daraus resultierende intensive Verkarstung liihft zur Bildung eines tiefliegenden,hoch durchlässigen Karstsystems im Fildergraben im Einzugsgebiet der Quellen imCannstatter Becken. Aus dem südlichen Fildergraben ist daher mit einem nicht zuvernachlässigenden Volumenstrom zu den Stuttgarter Heilquellen zu rechnen.NachderGleichungQ : B T' i (Q : Abf lussrate,Zl lstrom, B : Zustrombrei te,T : Transmissivität [8 . l0r m2ls], i : hydraulischer Gradient [0,0036] ) errechnetsich dieser Zustrom 2u28,8 l/s in einem 1.000 m breiten Strömungsabschnitt. Da dieZustrombreite im Fildergraben einige Kilometer beträgt, wird der südliche Zustrom anhochkonzentriertem Wasser zu den Stuttgarter Heilquellen selbst bei kleinerer durch-schnittlicher Transmissivität auf mindestens 60 l/s geschätzt. Dieses Ergebnis stimmtmit den Annahmen für das numerische Modell von PlürucHen ( 1999) nicht überein. Dortwurden eine weit geringere Transmissivität und ein geringerer hydraulischerGradient angenommen, woraus sich eine wesentlich geringere Durchflussrateergeben hat.

Tab. 3: Transmissivitäten des Oberen Muschelkalks in den Grundwassermessstellen amRand des Neckartals, südlich der Stuttgarter Heilquellen

Messstelle PV-Datum Transmissivität (m2ls) Auswertung durch:

BKBKBKBKBKBKBKBKBKBKBK

7.4/3 GM7.4/3 GM7.4t3 GM7.4t3 GM'7.4/3 GM7.4t3 GM1.1t4 GM7.1/4 GM7.U4 GM7.1/4 GM7.114 GM

08.04.27.05.10.06.24.06.22.01.t9.08.26.08.10.08.23.09.2t .10.13.08.14.08.

998998998998998998998998998998

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6,94,94,03,44')

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0r

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0l

0-l

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(Wiederanstieg)(Wiederanstieg)(Wiederanstieg)

(Wiederanstieg)

Ingenieurges. Dr. Eiseleigi Niedermeyer Instituteigi Niedermeyer Instituteigi Niedermeyer Instituteigi Niedermeyer lnstituteLGRBigi Niedermeyer Instituteigi Niedermeyer Instituteigi Niedermeyer Instituteigi Niedermeyer InstituteLGRB

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstelle Scharnhausen

5.2.6 Hydrochemie

Beim ersten Herauspumpen des während des Bohrens in das Bohrloch eingebrachtenLeitungswassen hindigte sich bereits am 26.04.2001durch eine hohe elektrische Leitfrihigkeitvon 4700 pS/cm des geftirderten Mischwassers an, dass ein hochmineralisiertes Wasserim Oberen Muschelkalk erschlossen worden war. Am 09.05.2001 erreichte das sefürderteWasser die elektrische Leitfühigkeit von 8320 pS/cm.

Die hydrochemischen Analysen des LGRB und des Chemischen Instituts des Amtsfür Umweltschutz (Afu) der Stadt Stuttgart aus dem Zeitraum Mai bis Dezember 2001(Tab. 4, Abb. 4) stimmen bei den meisten Parametern weitgehend überein. EineSchöpfprobe aus dem Bereich der Filterstrecke (290 m) vom Februar 2002 bestätigtedie bisherigen Befunde. Hauptsächliche gelöste Bestandteile sindca.2 g/l Calciumsulfatund ca. 3 g/l Natriumchlorid. Das erschlossene Grundwasser ist sauerstofffrei undnitratfrei, es ist eisenreich, fluoridhaltig und reich an gelöstem Kohlendioxid. Es stehtan der Obergrenze der Zuflusstiefe (279 m) unter einem hydraulischen Druck von 230 mWassersäule (23 bar), so dass wesentlich mehr Kohlendioxid gelöst sein kann - undauch gelöst ist - als unter Atmosphärendruck. Die analytischen Bestimmungen erfolgenunter Atmosphärendruck, also erst nach kräftiger Entgasung von Kohlendioxidbereits bei der Probenahme. Diese bewirkt u. a. eine Neueinstellung der Gleichgewichteder Karbonatspezies sowie eine Verschiebung des ph-Werts zur alkalischen Seite.Der vor Ort gemessene ph-Wert liegt mit 5,99 immer noch deutlich im sauren Bereich,unter Aquiferbedingungen ist jedoch mit einem kleineren ph-Wert zu rechnen.

Entsprechend der Typisierung nach Funrar & LeNccurn (1967) handelt es sichum ein alkalisches, überwiegend sulfatisch-chloridisches Wasser.

Nach der ftir Mineralwässer üblichen Klassif'rkation nach Mol-Aquivalentprozenten(ab 20 meqoÄ) l iegt ein Wasser vom Na-Ca-Cl-SOo-HCO,-Typ vor. Aufgrund desGehalts an freiem Kohlendioxid von über 1000 mg/l kann das Wasser außerdem als"Säuerling" bezeichnet werden. Da die Temperatur über 20'C beträgt, handelt essich auch um ein Thermalwasser.

Die Beurteilung von Karbonatmineral-Gleichgewichten ist wegen der bereits erwähnten Ent-gasung während der Probenahme problematisch. Unter Zugrundelegung der analytischbestimmten Säurekapazität bis ph 4,3 (Hydrogenkarbonat-Konzentration) und dem vor Or1bestimmten ph-Wert von 5,99 (Analyse vom 17.12.2001, LGRB) besteht nach Berech-nung mit dem Programm PHREEQE (PaRxHunsr, TuonsrpNsoN & Pr-ul,rven 1980) eineÜbersättigung an Calcit. Es kann jedoch als sehr wahrscheinlich gelten, dass Grund-wasser, das lange ZeiI in einem Karbonatgesteins-Grundwasserleiter wie dem OberenMuschelkalk geflossen ist, an Calcit gesättigt und nicht übersättigt ist. Der beiCalcitsättigung zutreffende ph-Wert liegt etwa 0,2 E,inheiten unter dem gemessenenph-Wert, der berechnete Kohlendioxid-Partialdruck beträgt je nach Analyse 2-3 bar.

3r9

320 Rupnn l Pnssrnl & Wlluslr'l Scsroz

Das Kohlendioxid-Gas ist im Aquifer bei dem wesentlich höheren hydraulischen Druckvon 23barvollstlindiggelöst.DasimTrigonodusdolomitenchlossene,calcitgesättigteGrund-wasser ist unter Verwendung der Gleichgewichtskonstanten von log Kon,o*.,: -17,02(25 "C) aus dem Standard-Datensatz von PHREEQE an Dolomit untersättigt. Diegeringfügig geänderte Gleichgewichtskonstante (log Kouu""n: -17,09) in PHREEQC(P,tnrHunsr & ApEr-r-o 1999) fiihrt zu keinem nennensweften Unterschied im Sättigungs-zustand. Da sich die Gleichgewichtskonstante von Dolomit je nach dessen Zusammen-setzung und Kristall inität nach verschiedenen Untersuchungen in einem Bereichvon log KDuron,i,: - 16,5 bis - | 9,5 bewegt, liegt möglicherweise keine Dolomituntersättigungvor. Der fehlende Anstieg der Magnesiumkonzentration auf dem weiteren Fließwegin nördlicher Richtung spricht gegen eine weitere Dolomitlösung. In den MessstellenBK ll.ll4 GM und 17.413 GM wurden Magnesiumkonzentrationen von 103 bis I 12 mg/lbestimml die mit dem Scharnhauser Muschelkalk-Grundwasser übereinstimmen.

Der weitere Vergleich mit den Grundwässern des Oberen Muschelkalks im südlichenZustrom zu den Stuttgarter Heilquellen zeigt eine weitgehende hydrochemische Über-einstimmung. Das Grundwasser der Messstellen BK 17.413 GM und BK 17. l/4 GMist beigleichem Wassertyp mäßig höher mineralisiert (Abb. 4).

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1000|'49 Co Co+Mg No+K CL HC0.+C0, 59,

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100

1.01: GlJl ' l Schornhousen, AnoLyse von 17.12.20012: BK L7.4/3 Gl ' i . ÄnoLvse vom 20.03,20003: BK 17.I /4 Gl '1. AnoLvse vom 20.03,20004: InseLqueLLe. AnoLvie vom 21.03.20005: LeuzequeLLe, AnoLvse vom 04.05.19956 Be-ner ' l re ' ,Fl I Annl vcp votr 20.03 2000

Abb. 4: ScuoElr-En-Diagramm von Muschelkalk-Grundwässern aushausen und aus dem Fildersraben

der GWM Scharn-

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstel le Scharnhausen

Daraus ist zu schließen, dass auf dem Fließweg von Scharnhausen in nördlicherRichtung noch geringfügige Zumischungen von konzentrierten Lösungen aus tieferenSchichten (2. B. Salinar-Formation des Mittleren Muschelkalks) in den OberenMuschelkalk stattfinden. In dem tief-en und weit verzweigten Muschelkalk-Karst-system im Fildergraben ist zudem nur eingeschränkt mit einer weiträumigen lateralenVermischung und Homogenisierung des Karstgrundwassers zu rechnen, so dassTeilströme mit einer gewissen hydrochemischen Variaton dem Quellgebiet imCannstatter Becken zufließen können.

lm näheren Zustrombereich zu den Stuttgarter Heilquellen wird das hochkonzentrierteGrundwasser im Oberen Muschelkalk durch niederkonzentrierte Wässer, teils mitstarker Gipskeuperprägung, hydrochemisch modifiziert und die Mineralisation inunterschiedlichem Maß verringert. Während die bydrochemischen Anderungen beider Inselquelle noch bescheiden sind, ist z. B. der Natriumchlorid-Gehalt in derLeuzequelle und im Berger Urquell nur halb so hoch wie in Scharnhausen.

Die neuen hydrochemischen Befunde der Grundwassermessstelle Scharnhausensprechen zusammen mit denen der weiteren Grundwassermessstellen im südlichenZustrombereich zu den Stuttgarter Heilquellen (BK 11 .413 GM,BK 17 .I l4 GM) dafür,dass die hochmineralisierte und kohlendioxidreiche Komponente der Heilquellenim Oberen Muschelkalk des Fildererabens lateral aus senerell südlicher Richtunezuströmt.

Demgegenüber wurde wiederholt auch der Aufstieg des Kohlendioxids und einersalinaren "tiefen Komponente" aus dem Buntsandstein/Kristallin und Mittleren Muschel-kalk im Cannstatter Becken, also im Quellgebiet selbst, als genetisches Modelldiskutiefi. Nach UrnecHr (1998: 89) soll das salinare Wasser aus der Tiefe nach einerüberschlägigen Betrachtung mit einer Rate von 50 bis 70 l/s in den Oberen Muschel-kalk infiltrieren. Unabhängig davon soll die Zumischung des Kohlendioxids als Gas-phase auf Störungen erfolgen (ZacrunrN 1998: l l5). Dieses Modell ist zur Klärungder Genese der Heilquellen jedoch nicht erforderlich. Bereits KNoeLrcH (1964:82)hat nach Analyse der hydrogeologischen und hydrochemischen Verhältnisse imCannstatter Becken gefolgert, dass das Kohlendioxid nicht aus der Tiefe örtl ichaufsteigt, sondern seitlich zuwandert. Neben anderen Indizien sprechen auch dieinzwischen erweiteften hydrochemischen Kenntnisse für einen lateralen Zustrom vonhochmineralisiertem und gleichzeitig kohlendioxidreichem Grundwasser im Oberen Mu-schelkalk (Pnesrel 1997:200), wobei geringe, aber genetisch unbedeutende Grund-wasserzutritte aus dem Liegenden in den Oberen Muschelkalk im Quellgebiet nichtausgeschlossen werden.

Datum 10.05.0 | 27.1.01 06. 12.01 09. 12.01 12.t2.0r t7.12.01 17.12.01 19.02.o2

LaborAnalysen-Nr.el. Lf. (pS/cm)T ( 'C)ph-Wert

LGRB480388.820

LGRBsr1688.69016,85 R5

(vor Ort)

AfU S2001029689.t l0

o,zz

AfU S200t029769.200

6,18

AfIJ S2001030079.1 80

o,z

AfU S2001030439.270

6,24

LGRB517699.t30l t tsqq(vor Ort)

AruS2002003699.370t l 7

6.21

CaMgNaKFeMnLiSrBaAsCIHCO.So*No,Po*FBrIBsio,freies CO"Sauerstoff

83894,81.2601040,890,2

1.7901.4801.360

<0,012) ' )

t ,+ l26

7821041.1801054,070,1s

r.760r.4901.330<0,7 1< 0,0121,857 4'7

0,021,6428,52.310< 0,5

79999,11.170140

2.320

1.690l .6381.360<l

86r1011.r9095,4

r.izo1.6221.390<1

3.020

8651041.23096)

1.660L65 1r.380<l

2.4r0

878l t31.160100

0,1 34,66,8<oo?50,087t.7201.6601.400<l

2,62,70,12t,7

2.900

8441051.280115143

0,469,410,640,02s0,1 361.8801.570t.420<0,7 I0,0211,91,680,0241,792'7,72.3100,2

8581111.250l l2

7,6'75

0,070,0441.9r01.8121.400<l

I 11

3,6o o55l5

2.070

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3IrgU)ö-N

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstelle Scharnhausen 323

5.2.7 Isotopenhydrologie

Während des Zeitraums November 2001 bis Februar 2002 wurden vom LGRB und vomAfu Stuttgart Wasserproben zur isotopenhydrologischen Untersuchung entnommen.Die Analyse erfolgte auf die Gehalte an Sauerstoff- 18, Deuterium und Tritium.

Die Tritiumgehalts-Messungen haben ergeben, dass das Wasser tritiumfrei ist, esalso weniger als l0 % Niederschlag der letzten 40 Jahre enthält. Die Anwendung derTritium-Methode zur Bestimmung der mittleren Verweilzeit ist folglich hier nichtmöglich, wie z. B. bei den tritiumhaltigen, niederkonzentrierten Stuttgarter Mineral-wässern (Pnrsrrr- 1997). Das Fehlen von Tritium ist jedoch ein guter Indikator dafiir,dass während des Bohrens als Spülung eingebrachtes, tritiumhaltiges Leitungswasserdurch die anschließenden Pumpversuche wieder vollständig aus dem Grundwasser-leiter entfernt worden ist.

Der Gehalt an Sauerstoff- I 8 und Deuterium (- 10,03 %o l-7 1,4 %o) ist bei den vier bishervorliegenden Bestimmungen innerhalb des Messfehlerbereichs übereinstimmend(Tab.5,Abb.5).

Tab. 5: Isotopengehalte des Grundwassers im Oberen Muschelkalk GWM Scharnhausen

Entnahme-datum

Labor Labor-Nr. 3H

(TU)ö'80

(7oo SMOW)

örH(%o sMow)

Bemerkungen

270609l2l719

1.20012.20012.20012.200r2.20012.2002

I

z

22I2

40259133776133777t3377840260

134924

<1,2

<1,4

10,01r0,0210,03

10,07

7l,671 ,17 t ,4

71,6

PumpprobePumpprobePumpprobePumpprobePumpprobeSchöpfprobe290 m Tiefe

Labor: I : GGA, Hannover, ) = Hydroisotop GmbH, Schweitenkirchen

Messfehler 6t8O: +0.15%o SMOW. ötH; +1.5%a SMOI|I

Die Gehalte der stabilen Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium im ScharnhauserMuschelkalk-Grundwasser entsprechen denen der Grundwassermessstellen in Stuttgart-Wangen und -Gaisburg (BK 17 .4/3 GM,BK 17 .1/4 GM). Die relativ leichten ör8O-Wertekönnen nicht durch rezente Grundwasserneubildung aus einem westlichen Zustromerklärt werden. Dort (Sindelfingen, Böblingen) sind die ör8O-Mittelwefte im Muschel-kalk-Grundwasser größer ( ca. -9,2 o/oo).

Im weiteren südöstlichen Einzugsgebiet sind die vergleichbaren, hochkonzentriertenMuschelkalk-Grundwässer im Albvorland mit ör80- und ö2H-Werten von -9.66l-68. I %o

324 Rupenl Pnesrel & WrsElv Scsloz

(Bad Urach) und -9,78/-68,7 %o (Beuren) isotopisch teils schwerer, teils jedoch auchdeutlich leichter (Bad Boll: - 10,63/-76,4%o, Bad Ditzenbach, Caniusiusquelle I : -10,651-75,5 %o) als das Grundwasser von Scharnhausen (Abb. 5). Dieses könnte daher alsMischung aus isotopisch leichteren und schwereren Grundwässern gedeutet werden.

Im Quellgebiet der Stuttgarter Heil- und Mineralquellen wird das isotopisch relativleichte, hochkonzentrierte Muschelkalk-Grundwasser des südlichen Zustroms durchZumischung von jungen, tritiumhaltigen, isotopisch schwereren und niederkonzen-trierten Grundwässern isotopisch und hydrochemisch verändert (Tab. 6, Abb. 5).

==an

0)

Lo-

T

(v

-60.0

-62.5

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-80.0

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,/. "*

a"

-11 -10.75 -10.5 - ,10,25 -,10 -9.75 -9.5 -9.25 -9

o Gl,Jl1 Schornhcusent r BK 17.4/3 Gt1o BK 17.1/4 GnD Kunstmühlebn. 1E Inselquel leN Bergen Unquel ltr Veielbrunnen4 W1 lnelmsor. GIII1 B4Ae Br. l1our. GortenY Bod UrochV Beuren@ Bod Bol lo Bod Ditzenboch C.1O Bod Drtzenboch C.2

Ni " i . . . "h

I ^^"^. , ^ i "

52H=g.6100+10

6 '18-0 (Promille Sll0t,l)

Abb. 5: Diagramm der Deuterium- und Sauerstoff- I 8-Gehalte von Muschelkalk-Grundwässernaus dem Fildergraben und dem Alb-Vorland

Bestimmungen des Grundwasseralters des Muschelkalk-Grundwassers von Scharn-hausen mit der raC-Methode sind aufgrund des hohen Gehalts an magmatischem Koh-lendioxid nicht möglich, da durch intensive Karbonatsgesteinslösung der urspüng-liche raC-Cehalt stark verdünnt worden ist (vgl. auch GEvH & KöHr-E 1989).

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstelle Scharnhausen

Tab. 6: Isotopengehalte des Grundwassers im Oberen Muschelkalk im Raum Stuttgart

Alle Messungen: Hydroisotop GmbH

Messfehler ör3O: +0,15 %o SMOIY: Messfehler ö2H: +1,5 9i@ SMOW

5.3 Geothermie

Mit der Bohrung Schamhausen wurde der anomal hohe Temperaturgradient bis in denOberen Muschelkalk im südlichen Fildersraben bestätist.

Die Temperatur in 300 m Tiefe beträgt 32 "C (Messungen GGA, 15.01 .2002 und Bürofi.irGeophysik, Dr. J. Wieck,19.02.2002),die Maximaltemperaturauf Messstellensohlein ca. 3 l0 m Tiefe wurde mit 32,3 oC bestimmt. Im Zuflussbereich von 28 I ,5 m Tiefe hatdas Grundwasser eine Temperatur von 30.6-30.8 'C.

Bei einer mittleren Jahrestemperatur von ca. 8,5oC für das betrachtete Gebiet beträgtder mittlere geothennische Gradient bis in den Oberen Muschelkalk fiir die BohrlokationScharnhausen 7,68 K/100 m. Da der Bohransatzpunkt im tief eingeschnittenenKörschtal liegt und sich ca. 50 m tiefer befindet als die Hochfläche im Süden, verringertsich der geothermische Gradient bei einem Bezug auf das Niveau der Hochfläche auf6,61 K/100 m. Der mitt lere geothermische Gradient der weiter ostsüdöstl ich auf derHochfläche gelegenen Bohrung Spieth-Hof beträgt 6,781?100 m für die Endteufe imTrigonodusdolomit des Oberen Muschelkalks. Beide Lokationen zeigen somit nahezuüberei nstimmende geothermische Gradienten.

Auch am westlichen Rand des Fildergrabens war bereits 1913 mit der BohrungBonlanden 1 ein erhöhter Temperaturgradient festgestellt worden (Canr-r 1975a).Im Buntsandstein wurde in352j m Tiefe eine Temperatur von 32,1 7oC gemessen, somit

Bezeichnung Entnahme-datum

Labor-Nr. rH

(TU)ör80

(%o sMow)örH

(%o sMow)

BK 17.4/3 GMBK 17.I I4 GMKunstmühlebr. IInselquel leBerger UrquellVeielbrunnenWilhelmsbr. 1GWM B4ABr. Maur. GartenMombachquelle

20.03.200020.03.200020.03.20002t.03.200020.03.200020.03.20002r.03.200020.03.200020.03.200021.03.2000

22s9322s9422s9122s8922s9022s9222s8822s9522s9622s97

0,5 + 1,00,6 + I , l2,0 t 1,13,7 + 0,84,2 + 0,7

10,2 + 1,16,3 + 0,94,8 + 1,3

10,7 t 1,420.9 + 1.5

10,0610,089,719,77q 5lq 5?

9,27q 11

8,74

71,369,867,969,166,467,1

66,361 R

61,5

326 Rupenr Pnrsrel & Wrlneur.l Scrtoz

beträgt der mittlere geothermische Gradient bis in den Buntsandstein bei der mittlerenJahrestemperaturvon8,5oC 6,72Wl00m.BeiBerücksichtigungderTallagederBohrungund dem ca. 60 m höherenNiveau derHochfläche in nordöstlicherRichhrng (ca. 430 mNN)verringert sich der geothermische Gradientauf 5,74I(100 m.

3 225o

'b 250

?75

300

50

75

100

125

150

175

200

325

JJU

375

400

125

450175

10 12 14 16 18 20 22 24 26Terperotur (oC)

Abb. 6: Temperatur-Logs aus Bohrungen, Grundwassermessstellen und Tiefbrunnen imCannstatter Quellsystem, im Fildergraben und westlich anschließenden Bereichen

Elgebnisse der Bohrung und Crundwassermessstel le Scharnhausen

In der I I km westlich der GWM Scharnhausen und jenseits der Vaihinger Störungs-zone gelegenen GWM Musberg wurde in 234 m Tiefe im Oberen Muschelkalk(Haßmersheimer Schichten) eine Temperatur von 23,3 "C gemessen. Auch hier ist dergeothemische Gradient mit 6,33 K/100 m erhöht. Bei Berücksichtigung der Tallageund dem etwa 40 m höheren Niveau der Hochfläche verringert sich der geothermischeGradient auf 5,4 K/i00 m. Somit l iegen hierähnlichegeothermische Verhältnissewiein Bonlanden vor. Die dortigen Gradienten sind zwar erhöht und stimmen überein,jedoch sind sie deutlich kleiner als in Scharnhausen, in der Mitte des Fildergrabens.

Aufgrund des Anstiegs der Schichtenfolge des Muschelkalks von Schamhausen ausnach Norden und des hydraulischen Gelälles zum Quellgebiet im Cannstatter Beckenhin wird mit dem von Süden dorthin strömenden Grundwasser im Oberen MuschelkalkWärme transportiert. Im Süden von Stuttgart sind daher in relativ geringer Tiefe imverkarsteten Oberen Muschelkalk, hauptsächlich im Trigonodusdolomit, Wässer mitanomal hohen Temperaturen anzutreffen. In den beiden Grundwassermessstellen inStuttgarl-Wangen und -Gaisburg (BK 17 .413 GM, BK 11 .l 14 GM) weist das Grundwasserim Trigonodusdolomit noch Temperaturen zwischen 24 und knapp 27 oC auf. Darausresultieren hohe geothermische Gradienten zwischen ca. l2 und | 5 K/100 m. Direkt im

Quellgebiet der Stuttgarter Heilwässer sind trotz der Zumischung kälterer Wässeraufgrund der Oberflächennähe die geothermischen Gradienten noch höher. Sie liegenflir die lnsel- und Leuzequelle zwischen 25 und 32W100 m, die Auslauftemperaturdieser beiden Heilquellen beträgt zwischen l9 und knapp über 20 'C.

Die in der Cannstatter Störungszone, der nordöstl ichen Begrenzung des Fildergrabens,abgeteufte Bohrung für die Hofrat-Seyfl'er-Quelle mit Bohransatzpunkt im Grabenund Endteufb in der Hochscholle (Cenr.6 1975b) zeigt dagegen wieder einen kaumerhöhten geothermischen Gradienten von 4,I K/100 m. Hier beträgt die Temperatur in470 m Tiefe, im Grundgebirge, nur wenig über 28 "C. Auch die knapp I 7 km westlich derGWM Scharnhausen in der Sindelfingen-Waldenbucher Störungszone gelegeneBohrung Böblingen 82 zeigt gleichfalls kaum erhöhte Temperatur-Verhältnisse. ImGrundgebirge wurde in 675 m Tiefe eine Temperatur von knapp 37 "C gemessen. Dergeothermische Gradientbeträgt hier ca. 4,3 K/l 00 m.

Die geothermischen Gradienten in Scharnhausen und beim Spieth-Hof belegen einenerhöhten Wärmetransport in diesem Bereich des Fildergrabens. Der Wärmetransporterfblgt advektiv durch das Grundwasser, das hauptsächlich im oberen Abschnittdes Oberen Muschelkalks entsprechend dem hydraulischen Gefti l le von Süden nachNorden, entgegen dem generellen Schichtf-allen, schwach ansteigend zu den Stutt-garter Heilquellen strömt. Eine isolierte Anomalie durch erhöhte Wärmestromdichtein Verbindung rnit dem Scharnhauser Vulkan oder tektonischen Störungen ist auszu-schließen, da auch die Bohrung Spieth-Hof Lrnabhängig davon einen entsprechendhohen geothermischen Gradienten aufweist.

Tab 7: Geothermische Daten der GWM Scharnhausen undgn: Gneis, GP: Granit

von Vergleichsbohrungen; mo: Oberer Muschelkalk, s: Buntsandstein, pm

c

d

r

E

-le€-rE(torN

Bohrung Datum derTemperatur-messung

Mess-Institut

Temp.Bohr-loch-sohle("c)

Tiefe(m)

Geo-logie

(Kürzel)

mittlerer

geotherm.

Gradient(K/100 m)

topogr.korr. mittl.geotherm.Gradient(K/100 m)

mittlere

Jahres-

Lufttemp.("c)

Scharnhausen

Scharnhausen

Spieth-Hof

Bonlanden I

Musberg

BK 17.4/3 GM

BK 17.1/4 GM

Leuzequelle

Inselquelle

Hofrat-Seyffer-

QuelleBöblingen 82

15.01.2002

19.02.2002

16.01.1967

rt.07 .1973

26.t t . t99r

21.03.200r

21.03.2001

20.05.1989

13.06. I 988

28.02.t994

l I .07. 1983

GGA

Dr. Wieck

Schlumberger

Schlumberger

Dr. Wieck

GGA

GCA

Dr. Wieck

Dr. Wieck

Dr. Wieck

Dr. Wieck

32,29

32,83

32,17

23,31

23,96

26,77

20,97

19,76

28,25

36,92

310

310

359

3s2234

127

118

37,4

43

470

675

mo

mo

mo

s

mo

mo

mo

mo

mo

gr

GP

7,68

7,68

6,78

6,72

6,33

11,83

15,12

32,01

25,02

4,1

4,28

6,6r

6,61

5,74

5,41

8,5

8,5R5

8,5

8,5

9

9

9

9

9

8

Ergebnisse der Bohrung und Grundwassermessstelle Scharnhausen 329

Widmung und Dank

Der Außatz ist Jönc Wenupn gewidmet der als Abüeilungsleiter unsere hydrogeologischeArbeit im Geologischen Landesamt geleitet und engagiert unterstützt hat.

Die Bohrung Scharnhausen und der Ausbau zur Grundwassermessstelle wurde ausM itte I n der Wasserwirtschaft des Landes Baden-Württembers frnanziert.

Unser Dank geht an das Ministerium fiir Umwelt und Verkehr (Hr. Waloxen), dasRegierungspräsidium Stuttgart (Hr. BrNrEr-e), die Gewässerdirektion Neckar, BereichBesigheim (Hr. Errur-) und Bereich Kirchheim unter Teck (Hr. KAsrNen und Hr. R-arcr).Für die geophysikalischen und isotopenhydrologischen Messungen danken wir demInstitut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben, Hannover (den HerrenDr. T. Worlu<, P. ScuuLze, F. Hölscssn, Dr. Sucrow).

Für die hydrochemische Analytik danken wir dem Geochemischen Labor des LGRB(Fr. Dr. G. DIerze, Hr. Meucuen, Hr. NüsLrNc). Für die Finanzierung eines wesentlichenTeils der begleitenden Untersuchungen danken wir dem Amt für Umweltschutz derLandeshauptstadt Stuttgart (vertreten durch Dr. W. UnnecHr).

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