Der Schadensfall Staufen: Simulation reaktiver Transportprozesse im quellenden Gipskeuper

Daniel Schweizer1, Henning Prommer2, Philipp Blum1, Christoph Butscher1
1 Karlsruhe Institut für Technologie (KIT)
2 CSIRO and University of Western Australia (UWA), Perth, Australia

12.6 in Reaktive Stofftransportmodellierung

28.03.2020, 10:45-11:00, Telemann-Saal

Im Untersuchungsgebiet Staufen (SW-Deutschland) kam es nach dem Abteufen mehrerer Erdwärme­sondenbohrungen zu Quellerscheinungen im anhydritführenden Gipskeuper und in der Folge zu Hebungen an der Erdoberfläche (LGRB 2010). Im Allgemeinen wird das Quellen vor allem auf eine Umwandlung von Anhydrit in Gips zurückgeführt. Unvollständig hinterfüllte Erdwärmesondenbohrungen können die lokalen hydraulischen Bedingungen stark beeinflussen. Kommt es dabei zu einem Zustrom von Wasser in anhydritführende Gesteine, spielen geochemische Faktoren wie die Zusammensetzung der Porenwässer, der Ton- und Mineralgehalt des Gesteins und die reaktive Oberfläche für den Quellvorgang eine wichtige Rolle. Ein besseres Verständnis der hydrogeologischen und geochemischen Prozesse in der Quellzone kann dazu beitragen, die Ursachen der Quellhebungen genauer zu erfassen, Prognosen über den zeitlichen Verlauf der Hebungen zu erstellen und mögliche Sanierungsszenarien zu analysieren.

Der Beitrag zeigt die Ergebnisse einer numerischen Modellierung hydraulischer und geochemischer Prozesse in der Quellzone im Gipskeuper am Standort Staufen (Schweizer et al. 2018, 2019). Für die Prozessmodellierung wurde ein reaktives Transportmodell verwendet. Dieses beinhaltet einen „Dual Domain“ –Ansatz, bestehend aus (i) einer mobilen Domäne, die den Wasserfluss und den gelösten Stofftransport entlang bevorzugter Fließwege repräsentiert und, (ii) einer immobilen "reaktiven" Domäne, die die geochemische Umwandlung von Anhydrite in Gips berücksichtigt. Aus der Zunahme des Gesteinsvolumens durch die geochemische Umwandlung im Untergrund wird die resultierenden Hebungen an der Erdoberfläche berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Modellansatz auf komplexe geologische Untergrundverhältnisse anwenden lässt. Er ist geeignet, die im Untergrund von Staufen stattfindenden reaktiven Prozesse zu simulieren als auch zu quantifizieren. Der Ansatz ermöglicht daher die Simulation des Quellvorgangs unter dem Einfluss der lokalen Grundwasser­zirkulation und der hydraulischen Sanierungsmaßnahmen am Standort. Außerdem kann der Modellansatz als Grundlage für eine Prognose der resultierenden Hebungen an der Geländeoberfläche genutzt werden.



LGRB (2010). Geologische Untersuchungen von Baugrundhebungen im Bereich des Erdwärmesondenfeldes beim Rathaus in der historischen Altstadt von Staufen i. Br. - Sachstandsbericht. Freiberg i. Br.: Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau.

Schweizer, D., Prommer, H., Blum, P., Siade, A.J., & Butscher, C. (2018). Reactive transport modeling of swelling processes in clay-sulfate rocks. Water Resources Research 54(9), 6543–6565.

Schweizer, D., Prommer, H., Blum, P., & Butscher, C. (2019). Analyzing the heave of an entire city: Modeling the swelling processes in clay-sulfate rocks. Engineering Geology 261.



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