Der Einfluss regionaler Grundwasserfließsysteme auf die Initialphase der Speläogenese tiefer Karstsysteme

Denneborg, Michael; Langguth, Horst-Robert

doi:24313

Der Einfluss regionaler Grundwasserfließsysteme auf die Initialphase der Speläogenese tiefer Karstsysteme

Denneborg, Michael

2001 & 2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Denneborg

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

UmfangIV, 133 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Prüfungsjahr: 2001. - Publikationsjahr: 2002

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Langguth, Horst-Robert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-12-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-3500
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/57002/files/02_089.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geowissenschaften (frei) ; Karst (frei) ; Höhle (frei) ; Geomorphogenese (frei) ; Grundwasserstrom (frei) ; Mathematisches Modell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die Arbeit gibt einen Überblick über die für das Verständnis der Speläogenese bedeutenden Grundlagen. Hierzu gehören ausgewählte speläogenetische Modellvorstellungen. Die zentrale Rolle nimmt das four-state-model ein, das zur Zeit populäre speläogenetische Modell. Es führt die Tiefe eines Karstsystems vor allem auf die Dichte und räumliche Verteilung geologisch-tektonischer Trennflächen zurück. Bei steil einfallenden oder tiefreichenden geologisch-tektonischen Trennflächen entstehen tiefe Karstsysteme (deep phreatic loops), während bei engständigen und vernetzten Trennflächen horizontale und wasserspiegelkontrollierte Karstsysteme (water table cave) entstehen. Der Schlüssel zum Verständnis der Initialverkarstung liegt in der besonderen Lösungskinetik der Kalklösung. Während die Kalklösung durch kalkaggressives Wasser zunächst in einer Lösungskinetik erster Ordnung erfolgt, tritt annähernd bei Kalksättigung ein Wechsel zu einer Lösungskinetik höherer Ordnung ein. Dadurch wird eine vollständige Kalksättigung und der Verlust der Lösungskraft in der Natur nicht erreicht, so dass auch ohne die ständige Zufuhr „frischen” Kohlendioxids eine Aufweitung initialer Klüfte möglich ist. In numerischen Modellen können diese Prozesse mit großen Vereinfachungen und unter verschiedenen Randbedingungen nachgebildet werden. Es wird eine Zusammenfassung des derzeitigen Entwicklungsstandes der Modelle gegeben. Im zentralen Teil der Arbeit werden in einer Synthese aus den Erkenntnissen der numerischen Modellierungen und den hydrogeologisch-speläologischen Forschungsergebnissen des Autors speläogenetische Modelle für vier komplexe Karstsysteme im Steinernen Meer (Österreich), der Sierra el Abra und der Sierra Juarez (Mexiko) sowie dem Rheinischen Schiefergebirge entwickelt. Hierbei werden die hydrogeologischen Randbedingungen und der Einfluss der regionalen Grundwasserfließsysteme während der Initialverkarstung und die daraus resultierenden Vorprägungen für die spätere Entwicklung der Karstsysteme diskutiert. Anhand der numerischen Modelle konnten Richtgrößen für die Dauer der initialen Verkarstung abgeleitet werden. Diese stehen in Übereinstimmung mit den geologischen-speläologischen Erkenntnissen. Vor allem in einer sehr frühen Phase der Initialverkarstung erfolgt durch annähernd kalkgesättigte Lösungen eine zwar sehr langsame aber über Millionen Jahre hinweg wirksame Aufweitung der initialen Klüfte. Der Grundwasserfluss erfolgt nach den Gesetzen des Grundwasserfließens in einem porösen und homogenen Medium (HUBBERT 1940), so dass bereits in einer sehr frühen Phase der Speläogenese tiefphreatische Fließwege angelegt werden können. Diese haben später in der Phase des Durchbruchs einen Entwicklungsvorsprung, so dass Karstsysteme mit tiefreichenden Karströhren entstehen. Die Trennflächenverteilung – wie sie das four-state-model für die Tiefenentwicklung als entscheidend ansieht – spielt nur eine untergeordnete Rolle.

This paper gives an overview of the key principles necessary for an understanding of Speleogenesis, including selected speleogenetic models. The most popular of these models at the moment is the four-state model, which attributes the depth of a karst system principally to the depth and spatial distribution of the geological-tectonic bedding planes. According to this model, thick or steeply inclining planes lead to deep phreatic loops, while shallower and more interconnected planes lead to horizontal karst systems more heavily influenced by the water table. The key to understanding the initial karstification is the particular dissolution kinetics of limestone dissolution. While the dissolution of limestone by limestone-aggressive water leads to a first order dissolution kinetic, this changes to a higher order dissolution kinetic as full saturation is approached. Because of this phenomenon, full saturation and loss of aggressiveness do not occur, and the widening of initial fissures is possible even without the constant addition of fresh carbon dioxide to the system. In numerical models these processes can be simulated with significant simplifications and using various key parameters. The paper summarizes the current development status of these models. The main part of the paper presents the synthesis of the results of numerical modeling and the author's own hydro-geological/speleological research. The author has developed speleogenetic models for complex karst systems in the Steinernes Meer (Austria), the Sierra el Abra and Sierra Juarez (both in Mexico) and the Rheinische Schiefergebirge (Germany). The paper discusses the key hydro-speleological parameters and the influence of regional groundwater flow-systems during the initial karstification and the resulting template for the future development of the karst system. Guidelines for the duration of the initial karstification can be derived from the numerical models. These correspond with the geological/speleological findings. Especially in a very early phase of the initial karstification lasting over a million years, the almost saturated water leads to an ongoing widening of the initial fissures. The groundwater flow obeys the laws of groundwater flow in a porous and homogeneous medium (Hubbert 1940). As a result, deep phreatic flow paths form even at a very early stage of speleogenesis. These then have a developmental headstart during the breakthrough phase so that karst systems develop with deep phreatic tubes. The actual distribution of the bedding planes, which the four-state model considers decisive, plays only a minor role.

OpenAccess:
PDF
(additional files)