Hydrogeologie der nichtverkarstungsfähigen Festgesteine: Mit Beitr. von Rudolf Hohl u.a.
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Wien [u.a.]
Springer
1981
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1. Zur Einführung................. 1
1.1 Problemstellung................ 1
1.2 Anwendungsbereiche und Bedeutung für die Praxis...... 2
2. Hohlräume im iiichtkarbonatisdien Festgestein und im Gebirge .... 6
2.1 Allgemeines................. 6
2.2 Poren im Gestein............... 7
2.2.1 Definitionen............... 7
2.2.2 Porenraum von mittel- und grobklastischen Festgesteinen .... 7
2.2.3 Porenraum von tonigen Festgesteinen......... 11
2.2.4 Porenraum von Tuffgesteinen, pyroklastischen und Lavagesteinen . . 12
2.2.5 Porenraum in plutonischen, vulkanischen und metamorphen Gesteinen . 13
2.3 Fugen (Trennfugen) im Gebirge............ 13
2.3.1 Schichtfugen............... 13
2.3.2 Klüfte................. 15
2.3.3 Schieferungsfugen.............. 18
2.3.4 Scherfugen................ 19
2.3.5 Störungen................ 19
2.4 Höhlungen in festen und halbfesten Gesteinen........ 24
Literatur................... 25
3. Grundlagen zur hydrogeologischen Beurteilung nichtkarbonatischer Festgesteine 28
3.1 Der Aquifer im festen Gebirge........... 28
3.2 Allgemeines zur Gesteins- und Gebirgsdurchlässigkeit...... 31
3.3 Porendurchlässigkeit bei Festgesteinen (Permeabilität)...... 32
3.4 Fugendurchlässigkeit des aus nicht verkarstungsfähigen Festgesteinen auf-
gebauten Gebirges............... 35
3.4.1 Strömung in Klüften und Störungen......... 35
3.4.2 Geologische und hydrogeologische Erkundung zur groben Abschätzung
der Wegsamkeit des Gebirges........... 36
3.4.3 Pumpversuche zur Bestimmung der Gebirgsdurchlässigkeit ... 38
Pumpversuche mit stationären Bedingungen....... 40
Pumpversuche mit nichtstationären Bedingungen...... 42
3.4.4 Vergleiche der Gesteinsdurchlässigkeiten mit Pumpergebnissen ... 44
3.4.5 Weitere Methoden zur Abschätzung der Gebirgsdurchlässigkeit . . 45
3.4.5.1 Auffüllversuche bei Bohrlöchern........ 45
3.4.5.2 Geophysikalische Transmissivitätsmessungen mit Hilfe des „Ein-
schwingverfahrens für den Grundwasserspiegel in Brunnen bei
Festgesteinen............. 47
3.4.5.3 Flußmesser (flowmeter)-Messungen in Bohrlöchern ... 48
3.4.5.4 Färbe-, Salzungs- und Isotopemmpfversuche sowie Temperatur-
messungen .............. 49
3.4.5.5 Auswertung von Grundwasserhöhengleichen-Plänen ... 53
3.4.5.6 Auswertung von Korngrößenuntersuchungen..... 53
3.5 Grundwasserabfluß und -erneuerung und ihr Bezug zum geologischen und
lithologischen Aufbau des Gebirges........... 54
3.5.1 Grundwasserhaushalt — Abtrennung des Grundwasserabflusses . . 54
X Inhaltsverzeichnis
3.5.2 Trockenwetterabflußkurve und ihre Beziehung zu den geologischen
Verhältnissen............... 56
3.5.3 Ermittlung von Gebieten erhöhter Grundwasserspende aus Niedrig-
wasserabflüssen in lithologisch einförmigen Gebieten..... 59
3.6 Zur Chemie des Grundwassers in Festgesteinen........ 62
3.6.1 Grundwasserbeschaffenheit in magmatischen Gesteinen und Metamor-
phiten................. 62
3.6.2 Grundwasserbeschaffenheit in konsolidierten, nichtkarbonatischen Sedi-
mentgesteinen ............... 63
3.6.3 Wichtige gelöste Bestandteile im Grundwasser von Festgesteinen ... 64
Schwermetalle............... 64
Barium und Strontium............ 66
Lithium................ 67
Brom und Jod............... 67
Fluor und Bor............... 68
Chlor................. 68
Literatur................... 69
4. Berechnungsgrundlagen und Rechenverfahren für Wasserströmung in Trennfugen
(M. Wallner)................. 72
4.1 Problemstellung............... 72
4.2 Berechnungsgrundlagen.............. 73
4.3 Berechnungsverfahren.............. 78
Literatur................... 84
5. Grundwasservorkommen und Wassergewinnung in verschiedenartigen Gesteins-
bereichen und ausgewählten Grundwasserlandschaften....... 86
Vorbemerkung (H. Karrenberg und R. Hohl)......... 86
5.1 Magmatite des kristallinen Grundgebirges......... 89
5.1.1 Fennoskandia............... 89
5.1.2 Böhmische Masse (mit einem Beitrag von R. Hohl)..... 93
5.1.3 Sonstige Kristallingebiete im westeuropäischen Raum (mit einem Beitrag
von R. Hohl)............... 96
5.1.4 Kristallingebiete in Afrika, Nord- und Südamerika..... 99
5.1.5 Zusammenfassung der Erfahrungen für den Bereich der Magmatite . . 102
a) Gewinnbare Wassermengen........... 102
b) Wasserqualität.............. 104
c) Wasserbedarfsdeckung............ 104
d) Maßnahmen zur Erkundung und Gewinnung...... 104
Literatur................ 105
5.2 Metamorphite (Gneise, Glimmerschiefer, Phyllite (mit Beiträgen von R. Hohl) 106
Gneise.................. 107
Glimmerschiefer und Phyllite............ 108
Literatur ................. 110
5.3 Nichtkarbonatische Gesteine des gefalteten Paläozoikums in Europa (Quarzite,
Sandsteine, Konglomerate, Grauwacken, Siltsteine, Tonsteine, Diabase, Schal-
steine, Keratophyre und Tuffe)............ 110
5.3.1 Rheinisches Schiefergebirge............ 111
Quarzite................ 112
Sandsteine, Grauwacken und Mischgesteine....... 114
Siltsteine, Tonsteine und Mischgesteine in gebänderter oder flasriger Art 115
Diabase, Schalstein und Roteisenstein......... 116
Zusammenfassender Überblick........... 116
5.3.2 Harz (R. Hohl).............. 119
5.3.3 Vogtländisch-Thüringisches Schiefergebirge (R. Hohl) .... 122
5.3.4 Zusammenfassung von Erfahrungen bei gefalteten Gesteinen des Varis-
zischen Gebirges (Kap. 5.3.1—5.3.3)......... 127
Literatur................ 128
Inhaltsverzeichnis XI
5.3.5 Klastische Gesteine des gefalteten Teils der Subvariszischen Saumsenke,
am Beispiel des Steinkohlenreviers der Ruhr (Wechselfolgen von Sand-
steinen, Siltsteinen und Tonsteinen)......... 129
5.3.5.1 Hydrogeologischer Überblick über das Ruhrkarbon und sein
Deckgebirge............. 131
5.3.5.2 Hydrogeologische Verhältnisse im Oberkarbon des Ruhrgebietes 132
5.3.5.3 Zur bergbaulichen Wasserwirtschaft im Ruhrgebiet . . . 136
5.3.5.4 Gewinnung von nutzbarem Grundwasser außerhalb der Gruben-
bereiche und Beseitigung von Abwässern...... 138
Literatur................ J39
5.3.6 Vergleiche mit anderen gefalteten Teilen der Subvariszischen Saumsenke 140
5.3.6.1 Aachen-Erkelenzer Steinkohlenrevier....... 140
5.3.6.2 Steinkohlenrevier von Ibbenbüren........ 141
Literatur................ 144
5.3.7 Zusammenfassung von Erfahrungen in gefalteten Schichtfolgen der Sub-
variszischen Saumsenke (Kap. 5.3.5—5.3.6)....... 144
5.4 Klastische Gesteine des ungefalteten Paläozoikums in den europäischen Tafel-
gebieten (ohne Rotliegendes)............ 145
5.4.1 Ungefaltete Vorland-Sedimente des variszischen Gebirges zwischen Ruhr-
gebiet und Nordsee (ohne Rotliegendes)........ 145
5.4.2 Baltischer Schild in der Umgebung der Baltischen Syneklise . . . 147
5.4.3 Baltischer Schild in der nördlichen Umrahmung des Moskauer Beckens 148
5.4.4 Böhmen................ 150
5.4.5 Hinweise auf ungefaltetes Paläozoikum in anderen Teilen der Erde . 151
5.4.6 Zusammenfassung für den Bereich des ungefalteten Paläozoikums . . 151
Literatur ................. 153
5.5 Das Molassestockwerk des paläozoischen Gebirges (Oberkarbon und Rot-
liegendes) ................. 154
5.5.1 Allgemeines (R. Hohl und H. Karrenberg)....... 154
5.5.2 Hydrogeologische Verhältnisse der permosilesischen Sedimente im säch-
sisch-thüringischen Raum (R. Hohl)......... 155
5.5.3 Hydrogeologische Verhältnisse der Vulkanitkomplexe des Molasse-Stock-
werkes in Thüringen und Sachsen (R. Hohl)....... 162
5.5.4 Zur Hydrogeologie der Sedimente und Vulkanite des Saar-Wetterau-
Werra-Troges............... 165
5.5.5 Zur Hydrogeologie der Ablagerungen im Rotliegendbecken des nörd-
lichen Mitteleuropa.............. 169
5.5.6 Zusammenfassung einiger Erfahrungen für den Bereich der Rotliegend-
Sedimente und -Vulkanite........... 170
Literatur.................. 171
5.6 Sandsteine des Mesozoikums............ 173
5.6.1 Sandsteine der Trias............. 174
5.6.1.1 Buntsandstein in Deutschland......... 174
Geologischer Überblick........... 174
Hydrogeologischer Überblick......... 175
Grundwasserneubildung.......... 179
Grundwasserbeschaffenheit.......... 179
Grundwassergewinnung und -nutzung....... 180
5.6.1.2 Vergleich mit dem Buntsandstein in England und Frankreich . 181
5.6.1.3 Sandsteine des Unteren und Mittleren Keupers, vorwiegend in
Süddeutschland ............ 183
5.6.1.4 Sandsteine des Oberen Keupers (Rhät) in der Bundesrepublik
Deutschland............. 185
5.6.2 Sandsteine des Juras............. 185
5.6.3 Sandsteine der Unterkreide........... 186
5.6.3.1 Osning-Sandstein............ 187
5.6.3.2 Hilssandstein............. 187
XII Inhaltsverzeichnis
5.6.4 Sandsteine der Oberkreide im sächsisch-böhmischen Bereich (R. Hohl) 188
5.6.5 Bedeutende Sandsteinbildungen des Mesozoikums außerhalb Europas . 191
5.6.6 Zusammenfassung einiger Erfahrungen bei mesozoischen Sandsteinen des
ungefalteten Deckgebirges............ 193
Literatur.................. 194
5.7 Mergelgesteine des Mesozoikums und des Tertiärs....... 197
5.7.1 „Steinmergel des Mittleren Keupers im nördlichen Teil der Bundes-
republik Deutschland............. 198
5.7.2 „Flammenmergel des Albien im nördlichen Teil der Bundesrepublik
Deutschland............... 199
5.7.3 Oberkretazische Mergelgesteine (Cenoman bis Ober-Santon) im Deckge-
birge des Steinkohlenreviers der Ruhr......... 199
5.7.4 Mergel der höheren Oberkreide (Vorhelmer Schichten des Campans) im
zentralen Teil des Münsterschen Beckens........ 202
Literatur.................. 205
5.8 Vulkanische Gesteine des Mesozoikums und Känozoikums...... 206
5.8.1 Allgemeines............... 206
5.8.2 Island (Iceland).............. 208
a) Geologischer Überblick............ 208
b) Hydrogeologie.............. 209
c) Wasserbilanz, Wasserversorgung und sonstige Wassernutzung . . 212
5.8.3 Kanarische Inseln.............. 212
a) Geologischer Überblick............ 213
b) Hydrogeologie.............. 213
c) Zur Wasserbilanz und Wasserversorgung........ 215
5.8.4 Oahu (Hawaii-Inseln) ............ 216
a) Geologischer Überblick........... . . 216
b) Hydrogeologie.............. 216
c) Wassergewinnung und Wasserbedarf........ 217
5.8.5 Vogelsberg................ 218
a) Geologischer Überblick............ 218
b) Zur Hydrogeologie............. 219
c) Nutzung und wasserwirtschaftliche Bedeutung...... 220
5.8.6 Deccan-Trap in Indien............. 220
a) Geologischer Überblick............ 221
b) Hydrogeologie.............. 222
c) Wassergewinnung und Wasserhaushalt........ 223
5.8.7 Vergleiche und Zusammenfassung.......... 224
Literatur.................. 225
6. Umweltfragen bei Grundwasser in nichtverkarstungsfähigen Festgesteinen . . 228
6.1 Verunreinigungen des oberflächennahen Grundwassers in klüftigen, nicht-
karbonatischen Festgesteinen und Grundwasserschutz....... 228
6.1.1 Allgemeines............... 228
6.1.2 Art der Belastungen............. 229
6.1.2.1 Natürliche Belastungen des Grundwassers...... 229
6.1.2.2 Anthropogene chemische Verunreinigungen des Grundwassers . 230
6.1.2.3 Spezielle Beeinträchtigungen durch Bergbauhalden, Kippen,
Dämme und Planierungen mit Bergematerial des Bergbaus . . 234
6.1.2.4 Verunreinigungen in geklüfteten Festgesteinen durch Mineralöl
und Mineralölprodukte........... 235
6.1.2.5 Auswirkungen organischer Abfallstoffe und Abwässer . . . 239
6.1.3 Gebirgsspezifische Ausbreitung von Verunreinigungen des Grundwassers
und von Abwässern............. 240
6.1.4 Präventiver Grundwasserschutz bei geklüfteten nichtkarbonatischen Fest-
gesteinen ................ 241
6.1.4.1 „Richtlinien für Schutzgebiete , bisher mit begrenzter Anwen-
dungsmöglichkeit für Festgesteine........ 241
Inhaltsverzeichnis XIII
6.1.4.2 Notwendige Berücksichtigung von Sonderverhältnissen bei ge-
klüfteten nidukarbonatischen Festgesteinen in den Richtlinien
zur Festlegung von Schutzgebieten........ 244
6.1.4.3 Ausweisung von Vorrang- bzw. Schongebieten..... 246
Literatur................ 247
6.2 Versenkung von Abwässern in Festgesteinskomplexe des tieferen Untergrundes 249
6.2.1 Allgemeines............... 249
6.2.2 Hydrogeologische Voraussetzungen für die mögliche Nutzung von nicht-
karbonatischen Festgesteinen zur Speicherung (Endlagerung) von flüs-
sigen Abfällen............... 250
6.2.2.1 Auswahl „günstiger Gebiete aufgrund der allgemeinen geo-
logischen Situation............ 250
6.2.2.2 Spezielle Erkundung der geologischen und hydrogeologischen
Verhältnisse............. 252
6.2.2.3 Darstellung der hydrogeologischen Verhältnisse..... 253
6.2.3 Eigenschaften des natürlichen Flüssigkeitsinhalts des Injektionskörpers
(Aquifers) und der injizierten Flüssigkeiten........ 255
6.2.4 Chemische Reaktionen zwischen Abwasser, Gestein und Lagerstätten-
wasser ................. 256
6.2.5 Kontrollen des Versenk- und Ausbreitungsvorgangs...... 257
6.2.6 Nichtkarbonatische Festgesteine als Speicher für tiefversenkte Abwäs-
ser (Beispiele)............... 258
6.2.6.1 Sandsteine.............. 258
6.2.6.2 Schiefer.............. 260
6.2.6.3 Basalt............... 261
6.2.6.4 Gneis............... 261
6.2.7 Auslösen von Erdbeben durch Fracken in Festgestein..... 261
Literatur.................. 262
7. Ingenieurgeologisch-geotedinisdie Aspekte (A. Pahl und H.-J. Schneider) . . 264
7.1 System Fels/Wasser............... 264
7.2 Wasser im Felsbau unter Tage............ 269
7.3 Bergwasser in Böschungen, Baugruben und bei Talsperren...... 275
Literatur................... 278
Sachverzeichnis................ 280
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