Hydrogeologische Analyse Und Großräumige Modellierung Des Weiteren Vorerzgebirgssenkenraumes
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Hydrogeologische Analyse und großräumige Modellierung des weiteren Vorerzgebirgssenkenraumes Von der Fakultät für Geowissenschaften, Geotechnik, und Bergbau der Technischen Universität Bergakademie Freiberg genehmigte DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades Doctor rerum naturalium Dr. rer. nat. vorgelegt von Dipl.- Geologe Sebastian Kolitsch geboren am 2. Oktober 1969 in Berlin Gutachter: Prof. Dr. Broder Merkel, Freiberg Prof. Dr. Klaus Stanek, Freiberg Dr. Manfred Felix, Freiberg Tag der Verleihung: 14. Februar 2008 Danksagung Mein besonders herzlicher Dank gilt zunächst meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. Merkel, der mir, auch in Zeiten großer räumlicher Entfernung, jederzeit mit hilfreichen Ratschlägen zur Seite stand. Ich danke weiterhin meinen Gutachtern, den Herren Prof. Dr. Stanek und Dr. Felix für die Durchsicht meiner Arbeit. Zahlreiche Mitarbeiter der TU Bergakademie Freiberg haben in den vergangenen Jahren meine Arbeiten unterstützt. Dazu gehören neben meinen ehemaligen Kollegen am Lehrstuhl für Hydrogeologie und den Mitarbeitern des Rechenzentrums, Herr Prof. Dr. Schneider mit seinen Hinweisen zum Stand von geologischen Untersuchungen in der Vorerzgebirgssenke und Herr Dr. Stumm von der Universitätsbibliothek, der mir wertvolle Hinweise zur meiner umfangreichen Literaturrecherche gab. Den Mitarbeitern des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie in Freiberg und Dresden gilt mein ganz besonderer Dank. Sie haben mich bei meinen Arbeiten durch zahl- reiche Gespräche, Korrespondenz und die Überlassung einer Vielzahl von Daten unterstützt. Insbesondere danke ich an dieser Stelle Frau Zweig, Frau Schubert, Herrn Duteloff und Herrn Hübschmann. Gleichermaßen stellte mir die Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie, nament- lich Frau Peters, auch kurzfristig wichtige Projektdaten zur Verfügung wofür ich mich sehr bedanken möchte. Ein Dank gilt den Mitarbeitern der WISMUT GmbH, insbesondere Herrn Möckel, die mich durch Hinweise und Daten unterstützten. Herzlich danken möchte ich den Mitarbeitern von EMS-I und den Programmentwicklern von GMS und FEMWATER. Auch wenn naturgemäß zur Programmsoftware GMS/ FEMWATER noch viele Wünsche offen blieben, gaben sie mir so manchen Rat zu pro- grammtechnischen Defiziten und möglichen Alternativen. Nennen möchte ich insbesondere Herrn Jeffrey Davis der mich bei der Anpassung des GMS-FEMWATER Programmcodes unterstützte. Ein ganz besonderer Dank gilt meinen Freunden Jörn Wichert und Torsten Lange die mir, ob auf Wanderungen durchs böhmische Land oder - alle elektronischen Barrieren überwindend - übers Internet, mit Diskussionen, Rat und Tat so sehr halfen. Zu guter Letzt geht ein großer Dank an meine Familie, im besonderen an meine Frau, die den Glauben an die Vollendung des Vorhabens wach hielten und mir mutmachend zur Seite standen. Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Zielstellung ______________________________________________ 7 2 Methodik und Datenaufbereitung_________________________________________ 10 2.1 Definitionen wichtiger verwendeter Begriffe____________________________ 10 2.2 Arbeitsablauf ____________________________________________________ 11 2.3 Feldarbeiten _____________________________________________________ 13 2.4 Schwerpunktrecherche: Literaturstudie zu Hydraulik und Charakter tiefer Grundwässer in sedimentären Senken _________________________________ 13 2.5 Erfassung und Abgleich geologischer und hydrogeologischer Daten _________ 14 2.5.1 Datenquellen (vgl. Tabelle 2) ____________________________________ 16 2.5.2 Synchronisierung (Durchführung Herr Göttelmann) __________________ 19 2.5.3 Plausibilitätsprüfungen und Datenkonvertierungen ___________________ 19 2.5.4 Überblick, Schlussfolgerungen und Ausblick _______________________ 20 2.6 Schwerpunktthemen zur Hydrogeologie und Hydrochemie ________________ 20 2.7 Unterirdischer Wasserhaushalt_______________________________________ 21 2.7.1 Grundgleichungen zur Beschreibung des unterirdischen Wasserhaushaltes 22 2.7.2 Vorgehensweise bei der Abgrenzung unterirdischer Einzugsgebiete _____ 23 2.7.3 Grundwasserneubildung und Wasserhaushaltsdaten __________________ 24 2.7.4 Fehlerbetrachtung und Störgrößen bei Anwendung der vereinfachten Grundwasserhaushaltsgleichung__________________________________ 30 2.8 GIS-Themen und Datenbanken ______________________________________ 32 2.9 Strukturmodellierung in GOCAD ____________________________________ 33 2.9.1 Das Modellierungsprogramm GOCAD, Kenntnisstand________________ 33 2.9.2 Arbeitsablauf zur Erstellung des GOCAD-Modells___________________ 34 2.9.3 Import von Dateien in GOCAD: Filter und Konverter_________________ 36 2.9.4 Die Verwendung von GOCAD Objekten im Modell __________________ 37 2.9.5 Das GOCAD-Modell als Grundlage für die Modellierung in GMS_______ 38 2.10 Struktur-, Parameter- und Strömungsmodellierung in GMS ________________ 39 2.10.1 Das Modellierungsprogramm GMS _______________________________ 39 2.10.2 Arbeitsablauf zur Erstellung des GMS - Modells_____________________ 40 2.10.3 Import von Daten in GMS ______________________________________ 41 2.10.4 Das hydrogeologische Strukturmodell in GMS ______________________ 42 2.10.5 Initiales hydrogeologisches Parametermodell _______________________ 43 3 Inhaltsverzeichnis 2.10.6 Hydraulisches Modell – Modellgeometrie __________________________ 44 2.10.7 Modellrechnung, Randbedingungen und Anpassung von hydraulischen Parametern __________________________________________________ 45 2.10.8 Ergebnisse der hydraulischen Modellierung ________________________ 47 3 Einführung in das Untersuchungsgebiet, Kenntnisstand _______________________ 48 3.1 Lage, Ausdehnung und Morphologie__________________________________ 48 3.2 Geologische Entwicklung___________________________________________51 3.3 Tektonische Entwicklung___________________________________________ 54 3.4 Hydrogeologie ___________________________________________________ 58 4 Ergebnisse __________________________________________________________ 61 4.1 Literaturstudie: Hydraulik und Charakter tiefer Grundwässer in sedimentären Senken _________________________________________________________ 61 4.1.1 Einführung, Zielstellung und Systematik ___________________________ 61 4.1.2 Bildung tiefer Grundwässer in sedimentären Senken__________________ 63 4.1.3 Grundwasserfluss in sedimentären Senken _________________________ 64 4.1.3.1 Konzepte zu Grundwasser- und Fluidbewegungen in sedimentären Senken 64 4.1.3.2 Antriebskräfte von Grundwasser-/ Fluidabewegungen und ihre Wechsel- wirkungen ___________________________________________________ 70 4.1.4 Geochemie von Grundwässern in sedimentären Senken: Charakteristik, Prozesse, Untersuchungsansätze _____________________ 80 4.1.4.1 Herkunft von Salinität in Grundwässern sedimentärer Senken __________ 80 4.1.4.2 Einfluss der Diagenese auf das Grundwasser und Gestein; Zeitfaktor_____ 83 4.1.4.3 Ansätze zur Untersuchung von Grundwässern in sedimentären Senken ___ 86 4.1.5 Schlussfolgerungen für die Verhältnisse in der VES __________________ 89 4.2 Hydrogeologischer Bau und Hydrodynamik in der Vorerzgebirgssenke ______ 92 4.2.1 Hydrogeologische Charakteristik und hydrogeologischer Bau __________ 92 4.2.2 Hydrodynamik _______________________________________________ 96 4.2.3 Hydraulische Abgrenzung der Vorerzgebirgssenke vom Umland _______ 102 4.2.4 Spezielle hydrogeologische Verhältnisse in den Teilgebieten __________ 105 4.2.4.1 Westlicher Teil der Vorerzgebirgssenke __________________________ 106 4.2.4.2 Zentraler Teil der Vorerzgebirgssenke____________________________ 116 4.2.4.3 Östlicher Teil der Vorerzgebirgssenke ____________________________ 124 4 Inhaltsverzeichnis 4.2.4.4 Schlussfolgerungen zu den hydrogeologischen Verhältnissen in den Teilgebieten ________________________________________________ 133 4.2.5 Einfluss der Grubenflutungen im Raum Zwickau-Oelsnitz auf die Grundwasserdynamik ______________________________________ 134 4.3 Hydrogeologische Bedeutung von Störungs- und Kluftzonen______________ 139 4.3.1 Seismisch-tektonische und lithologisch-phenomenologische Ansätze zur Einschätzung der hydraulischen Wirksamkeit von Störungen und Klüften 139 4.3.2 Hydraulische Wirksamkeit von Störungs- und Kluftzonen in der Vorerzgebirgssenke __________________________________________ 147 4.3.3 Grundwasserfluss auf Störungszonen – Modellrechnungen____________ 155 4.4 Grundwasserhaushalt _____________________________________________ 160 4.4.1 Probleme bei der Abgrenzung unterirdischer Einzugsgebiete __________ 160 4.4.2 Diskussion unterirdischer Einzugsgebiete_________________________ 163 4.4.3 Grundwasserneubildung und Bilanzierung_________________________ 166 4.4.3.1 Grundwasserneubildung in den Teileinzugsgebieten und Abgrenzung der Bilanzgebiete _______________________________________________ 166 4.4.3.2 Bilanzgebiete im zentralen Teil der Vorerzgebirgssenke______________ 170 4.4.3.3 Bilanzgebiete im westlichen und östlichen Teil der Vorerzgebirgssenke _ 175 4.5 Grundwasserbeschaffenheit und Typisierung __________________________ 178 4.5.1 Rotliegendgrundwässer in der Vorerzgebirgssenke __________________ 179 4.5.2 Grundwasserfaziestypen_______________________________________ 181 4.5.3 Einfluss höher mineralisierter Grubenwässer auf das Grundwasser _____ 187 4.6 Höher mineralisierte Grundwässer in der Vorerzgebirgssenke _____________ 189 4.6.1 Problemstellung, Definition, Vorkommen _________________________ 189 4.6.2 Herkunft höher mineralisierter Grundwässer in der Vorerzgebirgssenke _