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Das Karstgebiet Franken

Entstehung, Erscheinung und Hydrologie

Übersicht Entstehung Verkarstung Hydrologie

Gliederung

Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken

Modul „Allgemeine Hydrogeologie“06.08.2013

Wo befindet sich die Fränkische Alb?

Die Übersicht



Wo befindet sich die Fränkische Alb? Begrenzt durch die Orte:

◦ Ingolstadt (Süden)◦ Regensburg (Südosten)◦ Nürnberg (Westen)◦ Bamberg (Nordwesten)◦ Bayreuth (Nordosten)

Verlängerung der Schwäbischen Alb jenseits des Nördlinger Rieses nach Nordosten

Die EntstehungProzess über mehr als 100 Mio. Jahre

Wie entsteht das?



Das Erdzeitalter (Äon)



Die Ära / Periode



Die TriasDie „Grundlage“ der Schichten

Geländeform: Weiche Hügel

Bestehend aus den ältesten geologischen Schichten (Mittlerer Keuper, ca. 200 Mio. Jahre):◦ Sandsteine◦ Tone

Ablagerungen in dieser Zeit entstanden küstennah:◦ Sumpfige Seenplatten, Flussdeltas, Verlandungsbereiche und Lagunen

Gebiet noch überwiegend Festland, nur kurzzeitig vom Meer überflutet

Die Gesteine der Trias



Der JuraDie „Krönung“ der Schichten

In der Jurazeit (ca. 195 mya) lag ganz Süddeutschland für 60 Mio. Jahre unter einem Flachmeer

Ständige Absenkung der Kruste → Mächtige Gesteinsfolgen lagern sich am Meeresgrund ab

Jura-Sedimente bilden heute den größten Teil der auftretenden Gesteine

Gliederung der Jura-Formation in 3 Abteilungen:◦ Unterer oder Schwarzjura (Lias)◦ Mittlerer oder Braunjura (Dogger)◦ Oberer oder Weißjura (Malm)

Benennungen beziehen sich auf die in den drei Abteilungen vorherrschenden Gesteinsfarben

Die Gesteinsfolgen des Jura



Schwarzjura (Lias)



Entstehung im noch sehr küstennahen Bereich des Jurameeres

Ablagerung von grobkörnigen Sandsteinen

Gesteine äußerst reich an Fossilien

Auch der Posidonienschiefer enthält viele sehr gut erhaltene Fossilien

Dieses Schiefergestein entstand im sauerstoffarmen Milieu

Schwarzjura (Lias)



Diese Tonsteine enthalten relativ viel Erdöl

Im letzten Krieg auch abgebaut

Echtes Erdölmuttergestein

…Wer hätte das gedacht?



Brauner Jura (Dogger)



Es entstanden Schelfmeer-Bildungen

Die braune Gesteinsfarbe wird von feinverteilten Eisenverbindungen hervorgerufen

Die Eisensandsteine wurden früher gerne als Baumaterial verwendet

Schichtabschnitt gekennzeichnet durch ein Auftreten von oft vorzüglich erhaltenen Versteinerungen

Brauner Jura (Dogger)



Weißer Jura (Malm)



Klassische "Formation" der Kalke und Dolomite Malm-Landschaft geprägt von Verkarstung und Höhlenbildung Carbonatgesteine verantwortlich für helle bis weiße Färbung

des Malms◦ Hoher Tonanteil: graue Gesteinsfarben vorherrschend◦ Je reiner der Kalk, umso mehr tendiert seine Farbe zu Weiß

Abgelagert am Grund eines flachen und warmen Schelfmeeres Obere Bereiche der Malmschichten durch Zufuhr von

Magnesium in Dolomit umgewandelt Riffdolomite und tafelbankige Dolomite bilden die

charakteristische Kuppenlandschaft des Albhochlandes Heute: An Steilhängen zeigen sich die massigen Riffdolomite

als schmutziggraue, blockartig zerlegte Felstürme mit glatten Wänden

Weißer Jura (Malm)



Das Beispiel Hesselberg

Die Entstehung in der Praxis

In der Praxis: Der Hesselberg



Entstehung des Hesselbergs



Schichtstufen- und Bruchschollenland



Gesamter Nordwesten Bayerns nördlich der Donau

Geologisch charakterisiert durch:◦ Vielfacher horizontaler sowie vertikaler Wechsel unterschiedlicher

Sedimentfolgen◦ Vorwiegend geringe Schichtneigung

Bandbreite der Gesteine ist aufgrund der vielfältigen Ablagerungsbedingungen sehr groß:◦ Fein- und grobklastische Sedimente (z.B. Ton- und Schluffsteine,

Sandsteine und Konglomerate)◦ Marine Bildungen (z.B. Kalksteine, Mergelsteine, Dolomitsteine)◦ Evaporite (Salzlager, Gips, Anhydrit)

Schichtstufen- und Bruchschollenland



Details gewünscht?



Die VerkarstungKomplexe Vorgänge im Gestein

Karstlandschaften auf der Welt weit verbreitet

Ca. ein Fünftel der kontinentalen Oberfläche sind Karstgebiete

Erscheinungsbild sehr von der Klimazone abhängig:◦ „Grauer Karst“: In gemäßigten Zonen; weißgraues, freigelegtes Gestein◦ „Grüner Karst“: Karstland von dichtem Urwald bedeckt

Karstgebiete – Ein globales Phänomen



Verkarstung: „Die Auflösung vor allem von Kalk- und Dolomitgesteinen (aber

auch Stein- und Kalisalzen, Anhydriten, Gipsen sowie des kalkreichen Löß)“ durch das mit (aus der Luft und aus dem Oberboden stammende) Kohlendioxid angereicherte Niederschlagswasser.“

„Die so gelösten Stoffe werden dann mit dem Wasser zum geringen Teil oberirdisch, in der Hauptsache aber unterirdisch abgeführt.“

„Jedes Karbonatgestein enthält auch unlösliche Bestandteile, die bei der Lösung als Rückstände übrigbleiben.“

„Sie können an der Erdoberfläche allmählich angereichert werden und bilden dann meist eine lehmige Decke.“

„Bei einer solchen Lehmüberdeckung der Gesteine spricht man vom "bedeckten" Karst, im Gegensatz zum "nackten" Karst, bei welchem das Gestein offen zutage liegt.“

Definition: „Verkarstung“



1.: Carbonatgesteine ◦ Kalke und Dolomite von Natur aus wasserundurchlässig ◦ ABER: Bereits bei geringen tektonischen Belastungen bilden sich jedoch in

diesen relativ harten, aber spröden Gesteinen feine Haarrisse, Klüfte und Störungsflächen aus!

◦ In diese Trennflächen kann das Niederschlagswasser eindringen!◦ Im Winter: Erweiterung dieser Trennflächengefüge durch Frostsprengung◦ Folglich: Das Niederschlagswasser kann immer tiefer in den Gesteinskörper

einsickern 2.: Im Niederschlagswasser gelöstes CO2

◦ Korrosion von Karbonaten erst durch die Anwesenheit von Wasser UND Kohlendioxid (CO2) möglich

◦ Reine atmosphärische Luft enthält etwa 0,03 Vol.-% CO2

◦ Im Niederschlagswasser stets atmosphärische Gase gelöst, so auch CO2

◦ Kohlendioxid-Gehalt des Wassers neben Partialdruck hauptsächlich von Temperatur abhängig (Bei einer Temperaturerhöhung des Wassers von +0,5°C auf +20,0°C nimmt sein Gehalt an freier Kohlensäure um etwa die Hälfte ab)

Voraussetzungen?



Stattfindende Lösungsprozesse

Verkarstung aus chemischer Sicht

Die Übersicht System CO2 - H2O - (Ca,Mg)*CO3 ist für den

Lösungsvorgang von Karbonaten bestimmend

Beschreibung anhand des Beispiels von Calcium durch die folgenden Reaktionsgleichungen…



Vereinfachte Reaktionsgleichung



(1) Zuerst wird eine geringe Kalkmenge durch das Wasser direkt - also ohne Beteiligung von CO2 - gelöst: Das Löslichkeitsprodukt von CaCO3 beträgt bei +10°C in destilliertem Wasser Lp = 4 * 10-9, dieser Lösungsvorgang verläuft sehr rasch.

(2) Im Niederschlagswasser diffundiert atmosphärisches CO2 in das Wasser: CO2 + H2O ⇌ CO2 (physikalisch gelöst)

(3) Das physikalisch gelöste CO2 ist bei +4°C zu 0,75% hydratisiert: CO2 + H2O ⇌ H2CO3

(4) Die Kohlensäure dissoziiert vollständig: H2CO3 ⇌ H+ + HCO3

-

(5) An der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein werden Ca2+ -lonen aus dem Kristallgitter herausgelöst: CaCO3 ⇌ Ca2+ + CO3

2-

(6) Das bei (5) neu entstandene CO3 2- assoziiert mit dem H+

aus (4): H+ + CO32- ⇌ HCO3

-

Reaktionen



H+ + CO32- ⇌ HCO3

–

Entlang der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein verarmt die Lösung an CO3

2-

Lösungsgleichgewicht mit dem festen CaCO3 wird gestört

Löslichkeitsprodukt Lp entspricht nicht mehr dem Ionenprodukt

Reaktionen



H+ + CO32- ⇌ HCO3

–

Um das verbrauchte CO32- zu ersetzen und

hierdurch das Ionenprodukt wieder auf den Wert der Konstanten Lp zu bringen, geht wieder CaCO3 in Lösung

Ca2+-Ionen überwiegen gegenüber dem CO3

2-

Reaktionen



H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-

Störung des Gleichgewichts zwischen der Kohlensäure und ihrem Dissoziationsprodukt durch den Verbrauch von H+-lonen

Die Kohlensäure (H2CO3) dissoziiert zunehmend mit dem Wasserstoffionen-Verbrauch

Das im Wasser nur physikalisch ("gasförmig") gelöste CO2 wird hydratisiert

Störung des Gleichgewichts zum atmosphärischen CO2 Das atmosphärische CO2 diffundiert solange in die Lösung

hinein, wie noch Kalk durch diese gelöst werden kann

Reaktionen



Addition der Gleichungen ergibt sich die Summengleichung der Kalklösung

In diesem System "reaktiviert" die Assoziation von H+ und CO3

2- alle Reaktionsschritte bis zur erneuten Einstellung des Gleichgewichts

Die "freie Kohlensäure" wird zur wichtigsten Komponente◦ Sie kann als einzige in weiten Bereichen lückenlos

variieren◦ Bestimmt mit der jeweilig vorliegenden

Konzentration die Menge der Kalklösung

Reaktionen



H2O + CO2 + CaCO3 ⇌ Ca2+ + 2 * (HCO3)-

Kohlensäurereiches Niederschlagswasser löst den Kalkstein auf:

H2CO3 + CaCO3 ⇌ Ca (HCO3)2

Entstehendes Calciumhydrogenkarbonat [Ca (HCO3)2] ist wasserlöslich

Durch die Niederschlagswässer ausgespült Durch unter- und oberirdische Gerinne abgeführt

Reaktionen: Zusammenfassung



LösevorgängeWie viel Kalk kann gelöst werden?

Normales, mit atmosphärischem CO2 angereichertes Regenwasser kann bereits 40 mg/l Kalk lösen

Beim Eindringen und Durchsickern des Bodens nimmt das Niederschlagswasser weiteres CO2 auf:◦ In der bodennahen Luftschicht ◦ Im Boden selbst (aufgrund der Zersetzung pflanzlicher und

tierischer Reste) Im Bereich der besonders kohlendioxidreichen

Bodenluft nimmt das Wasser ein Vielfaches an CO2 auf: ◦ Wasser mit hohem CO2-Gehalt kann 200 mg/l Kalkstein

auflösen◦ CO2 -gesättigtes Wasser sogar 900 mg/l

Lösevorgänge



Lange Zeit galt der Dolomit [Ca,Mg (CO3)2] als nicht verkarstungfähiges Gestein

Somit wurden auch Höhlenbildungen in Dolomiten ausgeschlossen

In der Fränkischen Alb sind Höhlen häufiger im Dolomit aufgeschlossen als in Kalkgesteinen

Magnesiumkarbonate sind mit steigender Wassertemperatur löslich, Maximum bei +16°C

Mit steigender Wassertemperatur nimmt der CO2-Gehalt des Wassers ab

Sofern Dolomit noch freies CaCO3 enthält, wird dieses aufgrund der besseren Löslichkeit zuerst weggeführt

Die Löslichkeit von Dolomit beträgt etwa ein Drittel der des Kalksteins

Was ist mit Dolomit?



Höhlenbildung Da das CO2-reiche Wasser durch die

Trennfugen im Gebirge schnell nach unten fließt, übt es seine gesteinsauflösende Funktion besonders stark im Innern des Gebirges aus. Hier entstehen im Laufe der Zeit teils beträchtliche Hohlräume



Höhlenbildung – Lac Souterrain



HydrologieDer Wasserhaushalt im Karstgebiet

Übersicht



Dolinen (slowenisch "dolina" = Tälchen) sind flache und trichterförmige Geländemulden mit unterirdischem Abfluß

Durchmesser reicht von wenigen Metern bis zu einigen Hektometern und entsprechender Tiefe

Dolinen entstehen in verkarstungsfähigen Gesteinen vor allem dort, wo etwas leichter verwitterbare dünnbankige Kalke vorliegen

Zur Bildung von Dolinen müssen zuerst große Kalkmengen gelöst werden; weil hierzu viel Wasser nötig ist, haben sie in der Regel ein großes oberirdisches Wassereinzugsgebiet

Dolinen



Dolinen - Unterschiede



A & C: Lösungsdolinen

B & D:Einsturzdolinen

Lösungsdoline



Die Einsturzdolinen entstehen durch das Einbrechen einer Höhle im Untergrund

Sie entsprechen dem "Erdfall" der Ingenieurgeologie

Sie stellen ein erhebliches Gefahren- und Schadenspotential für die allgemeine Flächennutzung, insbesondere für Bauwerke und Verkehrswege dar

Einsturzdoline



Einsturzdoline



Versickerungsstellen und „Schlucklöcher“ Dort strömen oder stürzen nicht nur kleine,

periodisch auftretende Rinnsale, sondern ganze Bäche und Flüsse in die Tiefen des Gebirges hinein

Strömen von dort den unterirdischen Wasserläufen zu

Ponore



Ponor – Beispiel Wasserberg bei Pegnitz



Ponor - Wiederaustritt



Übersicht



Im Gebiet der Fränkischen Alb bestehen mehrere hydrologisch voneinander unabhängige Grundwasserleiter. Vom Liegenden zum Hangenden sind dies:◦ Burgsandstein◦ Rhätsandstein◦ Doggersandstein◦ Malmkarst

Ausbildung eines sog. Grundwasser-Stockwerksbaus Wechsel mehrerer Grundwasserleiter und

Grundwasserstauer in vertikaler Abfolge Durch Änderungen der lithologischen und strukturellen

Eigenschaften (Fazieswechsel, Bruchtektonik) können regionale Änderungen der Stockwerkstrennung auftreten

Grundwasser hat durch die große Bandbreite der Gesteine regional sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen und reicht von gering bis hoch mineralisierten Gewässern und selten sogar Salzwässer

Grundwasserleiter



Grundwasserleiter



Profilansicht



Tracerversuche◦ Wohin fließt das an einem einzigen Punkt

markierte Wasser?◦ Welche der aufgenommenen Pseudoquellen

sprechen auf den Tracer an?◦ Abstandsgeschwindigkeiten des Wasserkörpers?◦ Fließrichtungen?

Rückschlüsse auf die unterirdischen Wasserwege

Wie fließt das Wasser?



Tracerversuche



Mathematische Modelle können dabei helfen, die Speläogenese (Höhlenbildung), den Fluss und den Transport in Karstaquiferen besser zu verstehen

Erfassung von Karstgebieten extrem komplex Die Anwendung von konventionellen

Grundwasserfließmodellen können völlig falsche Ergebnisse liefern

Völlig falsche Schutzzonen werden eingerichtet Kann zu Krankheiten und Epidemien führen

Tracerversuche ⇔ Berechnungen



Tracerversuche

Waterborne disease (May 2000 in Walkerton, Canada)Stefan Zeltner

Das Karstgebiet FrankenModul „Allgemeine Hydrogeologie“

06.08.2013

Wasserwirtschaftliche Hinsicht



Verkarstung sehr problematisch, da Wasserfilterung im Karst denkbar schlecht

Durch Niederschlagswasser werden aus dem Boden ausgewaschene Schadstoffe schnell und ohne wirksame Filterung in das Grundwasser eingebracht:◦ Nitrate als Folge intensiver Felddüngung◦ Ausgebrachte Pestizide

Der unterirdische Abfluss findet in offenen Klüften, Gängen und Schlotten sehr rasch statt

Ungefilterter Austritt des Grundwassers an Quellen daher oft schon nach wenigen Tagen

WICHTIG: In Karstgebieten auf einen strengen Grundwasserschutz achten

Wasserwirtschaftliche Hinsicht



Übersicht



Das in den Untergrund des Karstgesteins einsickernde Niederschlagswasser ätzt dort die schmalen Gesteinsfugen und -klüfte zu klaffenden Spalten und Röhren aus

So entstehen im Lauf der Jahrtausende weitverzweigte Höhlensysteme, durch die das Karstwasser strömt

Diese unterirdischen Gerinne treten in tiefeingeschnittenen Tälern wieder als Karstquellen zutage

Quellschüttungen in einigen Fällen bis zu mehreren tausend Kubikmetern pro Stunde

Karstquellen



Beispiel: Schwarmbrunnen bei Engenthal



Hier entspringt an einer Quelle unterhalb der Dogger/ Malm-Grenze ein kleiner Bach

Von der Quelle ab fließt er auf über 50m Länge in einem natürlich entstandenen, etwa 0,5m hohen Travertindamm

Dem an der Bachquelle austretenden kalkreichen Malmwasser wurde das Kohlendioxid entzogen, wodurch beständig beiderseits des kleinen Baches der im Wasser gelöste Kalk ausfiel: Der Damm wurde von dem Bach in langer Zeit selbst geschaffen

Im Laufe von vielen Jahrzehnten wuchs aufgrund der beständigen Kalkausfällung aus dem Bachwasser der Damm immer mehr in die Höhe

Schließlich kann eine Dammhöhe von über 1 m und eine Länge von mehr als 100 m erreicht werden

Naturdenkmal: Die „Steinernen Rinnen“



„Steinerne Rinne“ bei Berching



Die bewaldete Albhochfläche wurde wohl bereits vom frühen Mittelalter an durch Eingriffe von Menschenhand zur heutigen Karstlandschaft

Die Wälder wurden größtenteils abgeholzt und die Flusstäler künstlich entwässert, damit auch in Tälern Siedlungen entstehen konnten

Durch zunehmende, teils natürliche, teils künstliche Entwässerung sank jedoch auch der Grundwasserspiegel im Juragebirge stark ab

Albhochfläche verkarstete anthropogen immer mehr und die Quellen in den höher gelegenen Talsystemen versiegten, diese Täler wurden also zu Trockentälern

Die Lebensverhältnisse auf der Albhochfläche wurden so (durch den immer größer werdenden Wassermangel) immer ungünstiger

In den tiefgelegenen Flusstälern wurde durch die Entwässerung der vermoorten Böden stets mehr fruchtbares Land gewonnen

Das Landschaftsbild



Das Landschaftsbild



http://www.lfu.bayern.de/geologie/hydrogeologie/index.htm http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/wasserbg.htm http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/karst2.htm http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/kluft01.htm http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/schir_01.htm http://www.frankenalb.de/urlaubsthemen/natur/berge-und-taeler.html http://www.zum.de/Faecher/Ek/BAY/gym/Ek11/karst.htm http://www.iah.org/karst/karst_hydrogeology.html http://de.wikipedia.org/wiki/Karst http://www.fhkf.de/karsthydrologischer-workshop/ http://www.teufelshoehle.de/information/entstehung_der_hoehle http://www.lfu.bayern.de/geologie/geotope_schoensten/49/index.htm http://www.lfu.bayern.de/geologie/geotope_schoensten/28/index.htm http://www.geo.fu-berlin.de/fb/e-learning/geofeld/gesteine/untererzechste

in/barbarossahoehle/speleogenese.html Dr. Alfons Baier , GeoZentrum Nordbayern, Lehrstuhl für

Angewandte Geologie

Quellen



http://www.lfu.bayern.de/geologie/hydrogeologie/index.htm

http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/wasserbg.htm

http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/karst2.htm

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http://www.fhkf.de/karsthydrologischer-workshop/

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http://www.lfu.bayern.de/geologie/geotope_schoensten/28/index.htm

http://www.geo.fu-berlin.de/fb/e-learning/geofeld/gesteine/untererzechstein/barbarossahoehle/speleogenese.html

http://www.geo.fu-berlin.de/fb/e-learning/geofeld/gesteine/untererzechstein/barbarossahoehle/speleogenese.html

http://www.gzn.uni-erlangen.de/

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!!!

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