Das Karstgebiet Franken

1. Das Karstgebiet Franken Entstehung, Erscheinung und Hydrologie

2. Gliederung • Übersicht • Entstehung • Verkarstung • Hydrologie Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

3. Wo befindet sich die Fränkische Alb? Die Übersicht

4. 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

5. Die Entstehung Prozess über mehr als 100 Mio. Jahre

6. Wie entsteht das? Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

7. Das Erdzeitalter (Äon) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

8. Das Erdzeitalter (Äon) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

9. Die Ära / Periode Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

10. Die Ära / Periode Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

11. Die Trias Die „Grundlage“ der Schichten

12. Die Gesteine der Trias • 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

13. Der Jura Die „Krönung“ der Schichten

14. Die Gesteinsfolgen des Jura • 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

15. Schwarzjura (Lias) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

16. 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

17. …Wer hätte das gedacht? • Diese Tonsteine enthalten relativ viel Erdöl • Im letzten Krieg auch abgebaut • Echtes Erdölmuttergestein Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

18. Brauner Jura (Dogger) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

19. 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

20. Weißer Jura (Malm) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

21. 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

22. Das Beispiel Hesselberg Die Entstehung in der Praxis

23. In der Praxis: Der Hesselberg Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

24. Entstehung des Hesselbergs Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

25. Schichtstufen- und Bruchschollenland Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

26. 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) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

27. Details gewünscht? Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

28. Details gewünscht? Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

29. Die Verkarstung Komplexe Vorgänge im Gestein

30. Karstgebiete – Ein globales Phänomen • 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

31. Definition: „Verkarstung“ • 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.“ Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

32. Voraussetzungen? • 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) Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

33. Stattfindende Lösungsprozesse Verkarstung aus chemischer Sicht

34. 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… Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

35. Vereinfachte Reaktionsgleichung Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

36. Reaktionen • (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+ + CO32- • (6) Das bei (5) neu entstandene CO3 2- assoziiert mit dem H+ aus (4): H+ + CO32- ⇌ HCO3 - Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

37. Reaktionen H+ + CO32-⇌ HCO3 – • Entlang der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein verarmt die Lösung an CO32- • Lösungsgleichgewicht mit dem festen CaCO3 wird gestört • Löslichkeitsprodukt Lp entspricht nicht mehr dem Ionenprodukt Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

38. 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 CO32- Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

39. 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

40. Reaktionen • Addition der Gleichungen ergibt sich die Summengleichung der Kalklösung • In diesem System "reaktiviert" die Assoziation von H+ und CO32- 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

41. Reaktionen: Zusammenfassung • 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

42. Lösevorgänge Wie viel Kalk kann gelöst werden?

43. Lösevorgänge • 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

44. Was ist mit Dolomit? • 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

45. 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

46. Höhlenbildung – Lac Souterrain Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

47. Hydrologie Der Wasserhaushalt im Karstgebiet

48. Übersicht Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

49. Dolinen • 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 Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013

50. Dolinen - Unterschiede A & C: Lösungsdolinen B & D: Einsturzdolinen Stefan Zeltner Das Karstgebiet Franken Modul „Allgemeine Hydrogeologie“ 06.08.2013