Analyse Und Modellierung Gravitativer Massenbewegungen in Alpinen Sedimentkaskaden Unter Besonderer Berücksichtigung Von Krie
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Analyse und Modellierung gravitativer Massenbewegungen in alpinen Sedimentkaskaden unter besonderer Berücksichtigung von Kriech- und Gleitbewegungen im Lockergestein (Lahnenwiesgraben, Garmisch-Partenkirchen) Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades vorgelegt von Dirk Keller aus Kronach Erlangen, den 13.01.2009 Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Erlangen- Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 18.06.2009 Vorsitzender der Promotionskomission: Prof. Dr. Eberhard Bänsch Erstberichterstatter: Prof. Dr. Michael Moser Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Michael Becht III Danksagung Während der Erstellung dieser Arbeit habe ich von vielen Menschen die unterschiedlichsten Arten von Hilfe erfahren, angefangen bei der helfenden Hand am Berg bis hin zum rettenden Tipp nach einem Computerabsturz oder vom anerkennenden Lob bis hin zur notwendigen Kritik. Dafür möchte ich allen von Herzen danken. Besonderen Dank schulde ich jedoch Meinem Doktorvater und langjährigen Lehrer Professor Michael Moser für so Vieles, das zur Rea- lisierung dieser Arbeit beigetragen hat: für die steten und wertvollen Tipps und Diskussionen am grünen Tisch und im Gelände, die fachliche, technische und tatkräftige Unterstützung sowie für die Geduld und das Vertrauen während der Endphase der Vollendung. Meiner Frau Gabi für die Hilfe als Kartierassistent, Korrekturleser und Kritiker und ihr und unseren Kindern für ihre lange Geduld und die nötige Motivation während dieser Zeit. Meinen Eltern, die mir diesen Lebensweg ermöglichten. Den Professoren und Betreuern im SEDAG-Projekt Michael Becht, Karl-Heinz Schmidt, Lothar Schrott, Richard Dikau, Horst Strunk und Thomas Vetter. Meinen Kollegen und Freunden im SEDAG-Projekt Florian Koch, Maik Unbenannt, David Morche, Gabi Hufschmidt und Florian Haas, besonders aber Volker Wichmann und Tobias Heck- mann. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Finanzierung meiner Forschungsstelle im Rahmen der Projekte Mo-248/14-1, 14-2 und 14-3. Der Forstdirektion Garmisch-Partenkirchen, Herrn Gleißner und Herrn Kraus, für die großzügige Bereitschaft, das SEDAG-Team und damit auch mich in dieser wunderschönen Bergland- schaft arbeiten zu lassen. Herrn Walcher, Forstdienststelle Farchant, für die großartige logistische Unterstützung im Lah- nenwiesgraben über fünf Jahre hinweg. „Meinen“ Diplomanden Florian Büch, Jochen Poppel, Michael Krautblatter, Winfried Schädler, Gregor Rückamp und Andreas Ressle. Ich glaube, keiner wird die wilden Aktionen verges- sen, die wir im Dienst der Wissenschaft bewältigt haben. Allerdings wäre dies ohne unsere „Hiwis“, die vor allem Michael aus den entlegensten Winkeln der Uni für uns organisierte, nicht zu schaffen gewesen. Allen wissenschaftlichen und nichtwissenschaftlichen Mitarbeitern des Instituts für Geologie der Universität Erlangen-Nürnberg – unter ihnen Maik Hamberger, Harry Meier, Tobias Albrecht, Robert van Geldern, Stephan Breisig, Thomas Kuhn, Janette Zulauf, Sandra Romano, Stefan Rüttinger, Daniele Lutz und Konrad Kunz. Ich widme diese Arbeit meiner Frau Gabi. Bubenreuth, den 26. Dezember 2008 IV Zusammenfassung Die Systemvorstellung der Sedimentkaskade definiert den Transport von Masse (respektive Energie) durch eine Abfolge von Subsystemen. Diese können soweit untergliedert werden, bis jedes Subsys- tem die räumliche und zeitliche Verteilung des Masseninputs und Outputs durch einen definierten Prozess darstellt. Die Übergabe von Subsystem zu Subsystem wird durch das Bild der Kaskade ver- anschaulicht (CHORLEY & KENNEDY 1971). In Anlehnung an dieses Modell untersucht das DFG- Projekt SEDAG (SEDimentkaskaden in Alpinen Geosystemen) die Abfolge der Sedimentverlagerung in zwei alpinen Wildbacheinzugsgebieten bei Garmisch-Partenkirchen. Dabei finden Felduntersu- chungen parallel zur Modellierung in Geographischen Informationssystemen (GIS) statt. Die vorliegende Arbeit behandelt drei Schwerpunktfragen der SEDAG-Themenstellung. Der erste Punkt betrifft die Erhebung, Klassifizierung und Verwaltung von flächendeckenden Geoda- ten - in diesem Fall die geologischen und geotechnischen Kategorien der Fest- und Lockergesteine. Die Bestimmung der Klassen wird anhand weniger Merkmale, die vorwiegend durch die Kartierung erfassbar sind, durchgeführt. Daraus resultiert jeweils eine Unterscheidung nach den genetisch- stratographischen sowie den geotechnischen Eigenschaften der Gesteine. Dies führt bei den Festge- steinen nur bei den veränderlich festen Gesteinen (Kössener Schichten, Lias Fleckenmergel) zu einer differenzierteren Unterscheidung. Die Lockergesteine variieren dabei in ihren genetischen zu geo- technischen Kategorien stärker. Letztere werden vor allem nach ihrer bindigen, nicht bindigen bzw. fehlenden Feinkornmatrix beurteilt. Konkrete Parameter wurden z. T. im Labor ermittelt bzw. mit Wer- ten aus der Literatur ergänzt und den einzelnen Klassen zugewiesen. Der zweite Punkt der Arbeit umfasst die Untersuchung der gravitativen Massenbewegungen Kriechen und Fließen von Lockergestein sowie Gleiten. Speziell der Prozess des Lockergesteinsfließens/ - kriechens in Form von flachgründigen Kriech- und Schuttströmen wird intensiv besprochen. Die aufge- fundenen Kriechströme gehören zu den typischen, kleinförmigen Typen in den bayerischen Alpen mit Längenerstreckung zwischen wenigen 10er und über 300 Metern und einer Tiefenlage der Bewegung von 2 bis 10 m. Aus der Kartierung ist die Abhängigkeit mit der Hangneigung (10° bis 20°) und fein- körnigen Lockergesteinsdecken mit hoher Wassersättigung ersichtlich. Die durchgeführten Geschwin- digkeitsmessungen zeigen einen saisonalen Bewegungsrhythmus mit Maxima in der Frühsommer und Sommerphase, und Minima im Herbst und Winter. Der Vergleich mit den Niederschlagskurven zeigt einen Zusammenhang mit der Intensität der Bewegung, ohne jedoch Schwellenwerte festhalten zu können. Die Jahresniederschlagssumme als korrespondierender Wert für den Bewegungstrend ist bedingt für drei von vier Jahren verwendbar. Bessere Korrelationen bietet die saisonale Betrachtung sowohl der Wetterentwicklung als auch der Bewegungsraten. Die pro Schuttstrom berechneten Durchschnittsgeschwindigkeiten bewegen sich zwischen wenigen Millimetern bis hin zu 3 m/a, wobei die höchste Einzelgeschwindigkeit im Sommer 2002 mit umgerechnet 8 m/a gemessen wurde. Die aus diesen Daten geschätzte horizontale Transportleistung beträgt bezogen auf das gesamte Unter- suchungsgebiet 20480 t*m*km-² *a-1 im Vergleich zu 5300 t*m*km-² *a-1 in vertikaler Richtung. Im Gegensatz dazu werden die Daten für Lockergesteingleitungen stark gekürzt und auf die Ergebnis- se beschränkt dargestellt. Es handelt sich auch hier um vergleichsweise kleine Erosionsprozesse mit durchschnittlichen Längen von knapp 10 m, knapp 100 m² Fläche und mittleren Volumina von 175 m³. Trotz der guten Datenlage von über 500 aufgenommen Gleitungen in einem Zeitraum von 9 Jahren konnten keine Beziehungen zu meteorologischen Ereignissen gefunden werden, da eine entspre- chend zeitnahe Datierung so gut wie nie möglich war. Die Feststellung des stattgefundenen Massen- transfers bzw. der geleisteten morphologischen Arbeit wurde daher mit einem auf den Zeitabschnitt 1996 bis 2004 reduziert und auf entsprechende Jahreswerte transformiert. Diese ergeben eine spezi- V fische Transportleistung in horizontaler Richtung von ca. 5000 t*m*km-² *a-1 und in vertikaler von ca. 3340 t*m*km-² *a-1. Der Steinschlagprozess wird nur kurz angesprochen, da der Einfluss im Lahnenwiesgraben im Ver- gleich zum Reintal von geringem Einfluss ist. Es wird daher nur ein Abriss der Methodik gegeben, die im Lahnenwiesgraben z. T. zum Einsatz kam. Ergebnisse, die in dieser Arbeit entstanden sind, wur- den in einem größeren Rahmen von KRAUTBLATTER et al. veröffentlicht. Der dritte Aspekt der Arbeit war die Umsetzung zumindest eines Massenprozesses in ein Modell zur Darstellung der Disposition im Gebiet. Dies wurde für die Schuttströme in Form der certainty factor- Methode nach CHEN (2003) vollständig umgesetzt, die zur Gruppe der statistischen Modelle gehört. Übernommen wurde das Modul von HECKMANN (2005), der es für die Modellierung der Anrissberei- che von Bodenlawinen in GIS umgesetzt hat. Die problemlose Eingabe unterschiedlicher Datentypen, die schnelle Berechnung und die Nachvollziehbarkeit des Ergebnisses machen es zu einem wertvol- len Werkzeug zur Ausweisung potentieller Prozessräume. Bereits mit einer Trainingsfläche von nur 20% des Untersuchungsgebiets können weit über 80% der kartierten Schuttströme dargestellt wer- den. Voraussetzung ist allerdings, dass die Rasterzellen des Trainingsgebiets gleichmäßig über das Gebiet gestreut sein müssen. Der Übertrag eines Trainingsergebnisses aus einem räumlich völlig getrennten Abschnitt in das übrige Gebiet führte – nun auch abhängig von der Vorauswahl der ver- wendeten Geofaktoren – zu einem bestenfalls 10 bis 40% schlechteren Ergebnis, bzw. zu einer rein zufälligen Trefferquote. VI Abstract The system concept of a sediment cascade defines transport of mass (respectively of energy) through a progression of subsystems. Those subsystems may be subdivided to a scale, where it describes spatial and chronologic distribution of mass (as input or output) of a single sediment transport process. “Cascading” describes the transfer between subsystems (CHORLEY & KENNEDY 1971). Following this model the SEDAG-project of the DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft / German Research Foundation) examines