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Der hydrothermale Aquifer des Hochstegenmarmors im Tuxertal, Österreich

Heldmann, Claus-Dieter (2021):
Der hydrothermale Aquifer des Hochstegenmarmors im Tuxertal, Österreich. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017753,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Der hydrothermale Aquifer des Hochstegenmarmors im Tuxertal, Österreich
Language: German
Abstract:

Nach einhelliger Meinung der Fachwelt stehen dem alpinen Raum durch den Klimawandel historisch beispiellose Veränderungen bevor. Wie schon seit einigen Jahrzehnten beobachtet, werden sich die Bilanzgrößen des Wasserkreislaufs weiterhin signifikant ändern – sowohl in ihrer Summe als auch in ihrer Variabilität. In Konsequenz sehen die Regierungen des Alpenraums zunehmenden Wassernutzungskonflikten entgegen und bestärken ihre Landesregierungen Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Als wichtigstes Werkzeug bemühen sie lokale interessensübergreifende Wasserwirtschaftsplanungen. Diese Planungen benötigen datengestützte, regional und lokal detaillierte Prognosemodelle. Hydrologisch besonders anspruchsvoll bei dieser Art Modellbildung sind Karstgrundwasserleiter, wegen ihrer Eigenheit weitreichende Grundwasserfließwege mit hoher Transportgeschwindigkeit zu erzeugen. Extremfälle sind dabei Einzugsgebiete wo Karstaquifere und undurchlässige Gesteine durch Wechsellagerung oder vertikale Barrieren stark anisotrope Grundwasserfließbedingungen erzeugen. Bei den benötigten Einzugsmodellen wird gerade in Festgesteinsgebieten der Anteil des unterirdischen Abflusses in der Regel vernachlässigt, steht er doch häufig um mehrere Größenordnungen hinter dem Oberflächenabfluss zurück. Aber gerade diesem Abflussanteil könnte entscheidende Bedeutung zukommen hinsichtlich der Prognosen, die künftig für wohljustierte sozio-ökonomische Abwägungen verwendet werden sollen. Ziel dieser Dissertation ist die Falsifizierung eines möglicherweise planungsrelevanten Einflusses von Karstaquiferen in Gebieten, in denen die verkarstungsfähigen Carbonatgesteine oberflächlich untergeordnet auftreten. In einem Beispielgebiet wurde gezeigt, dass sich deren Einfluss hydrologisch signifikant für das Gesamtgebiet auswirken kann. Außerdem sind durch die besondere Konnektivität in Karströhren wesentlich kürzere Verweilzeiten und hydraulische Kurzschlüsse als kritische Parameter der Trinkwassernutzung einzukalkulieren. Als Untersuchungsgebiet wurde das Tuxertal in Nordtirol gewählt, das als Nebental des Zillertals, die Hüllgesteine des Tauernfensters einschließen. Die dortige Hochstegenformation und Seidlwinklformation repräsentieren verkarstungsfähigen Einheiten, die sich als Rahmen um das Tauernfenster über 450 km Länge erstrecken. Im Verlauf dieser Dissertation und mehrerer Publikationen wurden an Quellen und Grundwasserzutritten in Tunneln überwiegend klassische hydrogeologische Methoden eingesetzt. Über 500 Einzelmessungen von Feldparametern und zugehörigen Hauptionenanalysen bilden dabei die Basis für eine qualifizierte Zuordnung zur kartierten lokalen Geologie. An ausgewählten Standorten wurden mehrjährige Messreihen erhoben, um die saisonalen Einflüsse gegenüber jährlichen Variationen abzugrenzen. Ergänzt werden diese Grundlagen durch Isotopenmethoden zur Untersuchung des Einflusses von Gletschern und Tracerversuche zum Nachweis eines weitläufigen Karstsystems. Geothermische Daten wurden mittels Enhanced Geothermal Response Tests an einer 400 m tiefen Bohrung und anhand lokaler Tunnel über Messungen und Datenrecherche gewonnen. Die Ergebnisse der Arbeiten zeigen, dass der Hochstegenmarmor als Drainagekörper für fast alle Seitentäler nördlich des Tuxer Hauptkamms wirkt womit deren Einzugsbereiche zu großen Teilen unterirdisch entwässert werden. Eine tiefgreifende Verkarstung in dieser Einheit war bisher nur für die Höhenlagen bekannt und konnte nun für die tieferen Talbereiche nachgewiesen werden: Einerseits durch die Entdeckung des Karstsystems am Grinberg und andererseits durch die Entdeckung von Karströhren mit hoher Durchströmungsgeschwindigkeit bis in mehreren hundert Meter unter Talbodenniveau. Der Zusammenhang von Störungsbereichen und Veränderungen der geochemischen Charakteristik wird aufgezeigt, wonach die Dolomitisierung wahrscheinlich während der Subduktionsphase erfolgte. Diese dolomitisierten Bereiche entsprechen 15 – 25 % Volumenanteil in den Carbonatkörpern. Die dolomitisierten Bereiche sind gegenüber den Calcitmarmoren chemisch stabiler gegen Lösungsprozesse und sind als Resultat ihrer Überprägung auch geringer geklüftet beziehungsweise geringer hydraulisch leitfähig. Diese drei Gegebenheiten führen dazu, dass sich die Mg-reichen Gesteine nur untergeordnet auf die Stoffkonzentrationen im Grundwasser der Hochstegenformation auswirkt. In der Kasererserie hingegen, deren Gesteine ebenfalls im Arbeitsgebiet liegen, hat sich die Dolomitisierung (möglicherweise in mehreren Deformationsphasen) stärker ausgeprägt, was zusammen mit der stark erhöhten tertiären Porosität unter anderem zu einem Mg-dominierten Grundwassertyp führt. Die durchgehende Verkarstung der Hochstegencarbonate, die in direkter Linie über 20 km zwischen dem Tuxer Ferner am Olperer bis in den Talboden des Zillertals unter Mayrhofen streichen, schafft zusammen mit dem hochalpinen Relief eine hydraulische Kurzschlussverbindung die einer Drainage gleicht: Die Niederschläge und Schmelzwässer nördlich des gesamten Tuxer Hauptkamms werden zu großen Teilen von dem Karstsystem geschluckt und unterirdisch aus dem Tal abgeleitet, ohne den Tuxbach über seine Vorfluter zu erreichen. Durch diese besonderen hydro(geo)logischen Verhältnisse mit signifikantem unterirdischem Gebietsabfluss ergeben sich veränderte Rahmenbedingungen für Modelle der zukünftige Wasserverfügbarkeit. Daher müssen die bereits bestehenden hydrologischen Modelle neben den Einflüssen des Klimawandels auch diese Sondersituation berücksichtigen, um brauchbare Prognosedaten für die bevorstehenden regionalen Planungen zu liefern. Hinsichtlich des geothermischen Potenzials wird der Hochstegenaquifer als Niedrigtemperatur-Reservoir mit geringer bis mittlerer Leitfähigkeit eingestuft. Die geothermische Erschließung ist hinsichtlich ganzjähriger thermischer Nutzbarkeit (Heizen im Winter, Kühlen im Sommer) durch den saisonal hohen Wärme-/Kältebedarf für Winter- und Sommertourismus in einer günstigen Ausgangssituation. Da abgesehen von den Hintertuxer Thermalquellen nur wenige wasserrechtlich genutzte Quellen von diesem Aquifer gespeist werden, ist das Konfliktpotenzial wahrscheinlich gering.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

According to the general opinion of experts, the Alpine region is facing decades of evident historical transformation as a result of climate change. During this phase, the balance sheet of the hydrological cycle will change significantly, in sum and variability. As a consequence, the governments of the Alpine region are facing an increasing number of conflicts over water usage and are therefore encouraging their local governments to take counter-measures. The most significant tool in use is local water management across different interests, for which data-based, regionally and locally detailed forecast models are indispensable. The modeling process of karst aquifers is hydrologically demanding, due to their potential of far reaching high velocity groundwater transport. Most challenging modelling situations of hydraulic anisotropy occur in catchment areas, where karst aquifers are interbedded with aquitards or vertical no-flow-boundaries. In the required catchment models, the proportion of underground runoff is usually neglected. This is especially the case in solid rock areas, as the underground runoff often lags several orders of magnitude behind the surface runoff. However, the subordinate runoff could be of crucial importance for further prognoses. This project aims to falsify a possibly planning-relevant influence of karst aquifers, even where carbonate rocks are subordinate on the surface. In an example area where carbonate rocks even have a minor share of the surface, it shall be shown, that this influence is significant for hydrological calculations. Additionally shorter residence times and the hydraulic short circuits in karst pipes must be taken into account as critical parameters for drinking water usage. The Tuxer Tal in Tyrol, Austria was chosen as a study area. It is a side valley of the Zillertal and includes the cover rocks of the Tauernfenster. The Hochstegenformation and Seidlwinklformation there represent karstifiable units, which extend as a frame around the Tauernfenster for more than 450 km. In the course of this project and several publications, classical hydrogeological methods were applied at sources and groundwater inlets in tunnels. More than 500 individual measurements of field parameters and main ion analyses form the basis for a qualified assignment to the mapped local geology. At selected sites, a series of measurements was carried out over several years to distinguish seasonal influences from annual variations. Additionally, isotope measurements were carried out to investigate the influence of glaciers and tracer experiments to prove the existence of an extensive karst system. Geothermal data were obtained by enhanced geothermal response tests on a 400 m deep borehole heat exchanger and by local tunnels via measurements and data research. The results of the work show that the Hochstegenmarmor acts as a drainage body for almost all side valleys north of the Tuxer Hauptkamm, whereby their catchment areas are largely drained below the surface. The deep karstification that was known before this study only for high altitudes, has now also been proven for deeper valley areas. This is the case for the karst system on the Grinberg and the karst tubes up to several hundred meters below the valley floor level. The connection between fault zones and changes in geochemical characteristics is shown, according to which dolomitization occurred mainly during the subduction phase. These dolomitized areas represent 15 – 25 % of the carbonate bodies. They are less soluble and as a result of the metamorphic history of the Hochstegenmarmor they are also less fissured and less hydraulically conductive concerning the calcitic dominated areas. The characteristic composition of the Mg-rich rocks is therefore disproportionately reflected in the hydrochemistry of the Hochstegenformation waters. In the Kasererserie nearby dolomitization has covered considerably more areas and these areas have significantly higher conductivities due to tertiary porosity. The proven continuous karstification of the Hochstegenformation over 20 km between Tuxer Ferner and Mayrhofen creates a hydraulic short circuit in the underground that resembles drainage: The precipitation and meltwater north of the entire Tuxer Hauptkamm is infiltrating to the karst system without reaching the Tuxbach via its receiving waters. Due to this uncommon hydrogeological feature of underground groundwater exfiltration, conditions change for outdated hydrologic models which neglect these effects. And based on the changes of that models, conditions will change regional water management. Based on its geothermal potential, the Hochstegenaquifer is classified as a low-temperature reservoir with low to medium hydraulic conductivity, depending on the dolomitization. The usage of this reservoir in terms of heating and cooling is advisable due to the seasonally high demand for winter and summer tourism. Apart from the Hintertux thermal springs, only a few springs are fed by this aquifer, so that the potential for conflicts may be considered as limited.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvii, 39, CXLV Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geothermal Science and Technology
Date Deposited: 27 May 2021 09:44
Last Modified: 27 May 2021 09:44
DOI: 10.26083/tuprints-00017753
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-177538
Referees: Sass, Prof. Dr. Ingo and Schüth, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 30 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17753
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