Paläohydrogeologische Modelluntersuchungen im südwestdeutschen Muschelkalk-Aquifersystem

Ulrich Lang1, Wolfgang Ufrecht2, Jutta Justiz1
1 Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH
2 Amt für Umweltschutz der Landeshauptstadt Stuttgart

2.4 in Wasserquantitäts- und qualitätsmodellierung auf regionaler Skale - Herausforderungen und neue Ansätze

27.03.2020, 14:45-15:00, Weißer Saal

Die Entwicklung von großräumigen Grundwassermodellen erfordert für tiefe Aquifersysteme mit altem Grundwasser ein hervorragendes hydrogeologisches a priori Wissen, auch besonders hinsichtlich paläohydrologischer Gegebenheiten. Für den Muschelkalkaquifer im südwestdeutschen Raum wurden großräumig Untersuchungen zum Strömungs- und Transportverhalten mit Fragestellungen zum paläohydrologischen Systemverhalten im Mittel- und Jungpleistozän kombiniert. Aus diesem Zeitfenster sind ab der 22 m-Flussterrasse des Neckars aus aufsteigendem Quellwasser abgeschiedene Travertine erhalten. Sie belegen die Existenz des Stuttgarter Mineralwassersystems seit ca. 500.000 Jahren, das zusehends an die Vorflut angebunden wurde. Zur Zeit der vorausgehenden 30-35 m-Terrasse (vor ca. 600.000 a) war das Quellsystem im Cannstatter Becken wegen der Überlagerung mit nicht oder nur teilweise ausgelaugtem Gipskeuper noch nicht aktiv. Im Cannstatter Becken ist aus dieser Zeit kein Travertin bekannt. Dagegen kann ein neckarabwärts liegendes Travertinvorkommen bei Poppenweiler als erster Beleg für den Austritt mineralisierter Wässer gedeutet werden. Die Sr-Isotopensignaturen dieses Travertins zeigt wie die jüngeren Travertine im Cannstatter Becken und wie die Heilquellen eine charakteristische „Kristallin-Signatur“, die im Zuge von cross formation flow aus dem Tiefen System des Buntsandstein/Kristallin-Komplexes in den Oberen Muschelkalk aufsteigt und sich dort mit Karstwasser vermischt. Mit Hilfe des bestehenden Großraummodells für den Muschelkalk und das Tiefe System  wurde untersucht, ob mit den pleistozänen Vorflutbedingungen die aus der Travertinverbreitung und aus den Isotopendaten abgeleiteten Austritts- und Aufstiegsbedingungen nachgebildet werden können. Dabei wurden die paläohydrologischen Aquifereigenschaften in das Modell implementiert und die vertikalen Austauschprozesse analysiert.

Zusätzlich wurde die Langzeitentwicklung der Paläo-Grundwasserneubildung in den letzten 150.000 Jahren untersucht. Dieser Zeitraum ist durch extreme Warm-Kalt-Klimaphasen mit Unterschieden in der d18O-Signatur des Neubildungswassers geprägt. Anhand des Chloridtransports (Maß der tiefen Aufstiegskomponente), der Simulation von stabilen d18O-Isotopen und Verweilzeiten wurde die modelltechnische Interpretation der Strömungs- und Transportprozesse weiter überprüft. Die Unterschiede im Grundwasserumsatz haben Einfluss auf die oberflächennahen Strömungsverhältnisse aus dem Einzugsgebiet der Mineralquellen. Der langfristige Zustrom aus dem stark überdeckten Albvorland und die Austauschprozesse mit dem Liegenden sind näherungsweise unbeeinflusst. Auch die gemessenen δ18O-Signaturen im Albvorland lassen sich mit dem Modell nachvollziehen und damit die Verweilzeiten und kaltzeitlichen Anteile am Grundwasserumsatz im Albvorland bestätigen. Die paläohydrologischen Modellbetrachtungen liefen damit ein ganzheitliches Bild der komplexen Prozesse im südwestdeuten Muschelkalk- und Buntsandsteinaquifer.



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