Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 42 4 Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen Der ehemalige Tagebau liegt als „kesselförmige“ Hohlform in einer leicht hügeligen Land- schaft. Die Höhendifferenzen zwischen Grubenrand und Grubensohle betragen zwischen 60 und 70 m. Die Grubensohle (sechste Abbausohle) liegt auf ca. 104 m NN. Die Süd-, Südwest-, und Westböschungen sind gleichmäßig steil. Die Böschungswinkel betra- gen zwischen ca. 30–35° für die Südböschung und ca. 20–30° für die Westböschung. Auf der ebe- nen Böschungskrone im Süden ist die Grubenkläranlage eingerichtet. Die Böschungskrone im Nordwesten ist Standort des Ytong-Werkes (Abb. 11 u. 12). Der östliche Grubenrand ist als ca. 10 m hohe Steilböschung mit Böschungswinkeln von bis zu 80° ausgebildet, die zum Grubenzentrum hin auf ca. 10° abnehmen. Am nördlichen Grubenrand tritt eine mit ca. 4° nach Norden geneigte, ca. 100 m breite Stufe auf, der ein Böschungswinkel von 30–50° folgt, der zum Grubenzentrum hin auf ca. 10–20° ab- nimmt. Die nördliche Böschungskrone ist eben ausgebildet. In einem Abstand von ca. 30–40 m zum Rand des Vorkommens verläuft die Bundesbahnstrecke Darmstadt-Dieburg (Abb. 11 u. 12). 4.1 Entwicklung des Tagebaus und Dokumentation der Abbaubewe- gungen In den Jahren von 1889 bis 1924 erfolgte die Gewinnung des Schwarzpelites im Rollochbetrieb (Trichterschurrenbetrieb). Das abgebaute Material wurde in Rollöcher gekippt und über Schacht- tunnel zur Oberfläche befördert. Überreste der Förderstollen sind z.T. im Grubenzentrum (ca. 90– 95 m NN) erhalten. Eine maschinelle Abbauweise mit Elektro-Löffelbaggern wurde 1913/14 einge- führt und bis zur Einstellung im Jahr 1961 beibehalten. Der Schwarzpelit wurde in ca. 10 m hohen Bärmen, so genannten „Bauscheiben“, abgebaut und über Tage durch Kettenbahnen bzw. ab 1950 durch den Bandstollen zu den Schwelöfen transportiert (BEEGER in SCHAAL & SCHNEIDER 1995, RAAB 1996 und 1998, HARMS et al. 1999). Der Abbaubetrieb hatte 1937 im Zentrum des Vorkommens die vierte Sohle erreicht. Die Gru- benränder im Westen, Osten und Süden waren bis zur zweiten Sohle aufgefahren. Der Abbau am Nordrand des Vorkommens war, wahrscheinlich aufgrund der sich entwickelnden Böschungsbe- wegungen, bereits eingestellt. Bis zum Jahr 1957 wurden zentral die fünfte und sechste Sohle auf- gefahren, auf die sich auch der weitere Abbau bis 1971 beschränkte. Die Grubenränder im Westen, Osten und Süden entsprachen 1957 bereits weitgehend der aktuellen Ausdehnung. Der Abbau in diesen Randbereichen des Vorkommens wurde wahrscheinlich aufgrund andauernder Böschungs- bewegungen und der schlechten Schwelqualität des so genannten „Randschiefers“ eingestellt. Bereits im Tagebaubetrieb, zwischen 1961 und 1971, begann die teilweise Verfüllung der Gru- be. Der südwestliche Grubenrand, heutiger Standort der Besucherplattform (Abb. 12), wurde von 1961 bis 1988 bis zur dritten Sohle mit Bauschutt und Abraum aufgefüllt. Mit der Verfüllung bis zur ersten Abbausohle wurde am nordwestlichen Grubenrand der heutige Lagerplatz des Ytong- Werkes angelegt. Von 1971 bis 1988 entstand aus Produktionsabfällen des Ytong-Werkes die Po- renbetonbruchsteinhalde am Westrand der Grube (Abb. 12). Diese Bruchsteinhalde reicht aktuell mit einer Mächtigkeit von maximal 30 m bis zur dritten Abbausohle (ca. 129 m NN). In den 70er Jahren begannen in der Südböschung Vorarbeiten für das geplante Deponiebau- werk. Auf der sechsten Abbausohle wurden Teile eines Deponieplanums, der so genannten „Schot- terfläche“ (Abb. 12), hergestellt. Die Rutschmassen auf der vierten bis sechsten Sohle der Südbö- schung wurden neu angeböscht und ein Wegenetz aufgebaut. Am Westrand der Grube (Abb. 12) entstand in den 80er Jahren eine asphaltierte „Deponiezufahrt“. Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 43 4.2 Böschungsbewegungen im Rahmen der bergbaulichen Aktivitäten Die ältesten, in der Grubenkarte von 1937 dokumentierten Bewegungsmerkmale befinden sich am Nordrand der Grube. Die Abrisskanten sind mit 12/1934 (Nordwesten) bzw. 11/1930 (Nordos- ten) datiert (Ziffer 1 in Abb. 11). Weitere Abrisse sind in der Ostböschung (Grubenkarte 1937, Zif- fer 2 in Abb. 11), der Südböschung („Rutschungen seit 1954“ in der Grubenkarte 1957, Ziffer 3 in Abb. 11) und der Westböschung (Grubenkarte 1957, Ziffer 4 in Abb. 11) dokumentiert. Die jewei- lige Bewegungsrichtung ist durch einen gestrichelten Pfeil markiert (Abb. 11). Innerhalb der groß- räumigen Rutschschollen sind seit 11/1932 Sekundärabrisse dokumentiert (Ziffer 1.1, 1.2 und 3.1 in Abb. 11). Die sich z.T. aus diesen Sekundärabrissen entwickelnden historischen Rutschmassen sind an der unruhigen, buckeligen Morphologie und dem Versatz von Wegsystemen erkennbar. Akkumulationsbereiche dieser großräumigen Rutschungen wurden in den Grubenkarten durch die Eintragung „hochgedrückter Ölschiefer“ gekennzeichnet. Eine Bezeichnung, die wahrscheinlich pressungsbedingte Schichtaufwölbungen am Widerlager der Rutschscholle charakterisieren sollte. Abbildung 11: Luftbild der Grube Messel von 1961 mit Rutschungen und Abrissen, Maßstab ca. 1:5000, Reihennummer 1058/61, Bild 114, mit Genehmigung des Hessischen Lan- desvermessungsamtes vervielfältigt, Vervielfältigungsnummer 11/02. Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 44 Lokal begrenzte Rutschung sind am Ostrand der Grube in den Sanden und Tonen der oberen Messel-Formation (Buchstabe O in Abb. 11) sowie in den Rotliegendsedimentgesteinen ausgebil- det (Buchstabe R in Abb. 11). Die ca. 20000 m2 große Rutschung in den Rotliegendsedimentge- steinen des östlichen Abbaurandes kann durch das amtliche Grubenbild von 1954 auf 8/1959 da- tiert werden. Diese Rekonstruktion der historischen Entwicklung verdeutlicht, dass die tief greifenden Bö- schungsbewegungen innerhalb der Grube Messel bereits in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts, noch während des industriellen Tagebaus, entstanden. Anhaltende Deformationen innerhalb des Vorkommens Grube Messel sind u.a. durch Erweiterung und Neubildung von Rissen sowie die Entstehung pressungsbedingter Schichtverbiegungen in den Akkumulationszonen etc. belegt. Al- lerdings dokumentiert die multitemporale Luftbildauswertung für den Zeitraum nach der industriel- len Nutzung, von 1961 bis 1997, lediglich am östlichen Abbaurand eine Verschiebung der Ablöse- flächen der Rutschungen in Richtung des umrandenden paläozoischen Festgesteinssockels. Im We- sentlichen blieben die Deformationen demzufolge auf die großräumigen in den 30er Jahren ange- legten Rutschungen begrenzt und griffen nicht auf die umrandenden paläozoischen Festgesteine über. 4.3 Erfassung und Dokumentation der Böschungsbewegungsformen im Gelände In Messel ist das Auftreten umfangreicher aktiver oder ruhender Rutschprozesse im gesamten Grubenbereich dokumentiert (vgl. Kap. 4.2). Folgende Bewegungsmechanismen und -formen tre- ten in den geologischen bzw. anthropogenen Einheiten auf: 1. Großräumige aktive bzw. latente oder blockierte Rutschungen in den tertiären Sedimen- ten mit gleitendem, kombiniert rotativem und translativem Versagen der Böschungen auf vorgegebenen Trennflächen, 2. begrenzte aktive bzw. latente oder blockierte Rutschungen in magmatischen Festgestei- nen und Rotliegendsedimentgesteinen der südöstlichen und östlichen Abbauränder mit fortschreitendem, gleitendem, kombiniert rotativem und translativem Versagen auf Trennflächen, 3. Bewegungen in anthropogenen Auffüllungen innerhalb und außerhalb des Grubenberei- ches, die vorwiegend auf Bewegungen unterlagernder tertiärer Sedimente bzw. unterla- gernder historischer Rutschmassen zurückzuführen sind, 4. Kriechbewegungen der von 1. und 2. historisch erzeugten Rutschmassen (bzw. der momentan inaktiven von 1. und 2. erzeugten Rutschmassen). 4.3.1 Bewegungen der tertiären Sedimente der Messel-Formation Aktive bzw. latente oder blockierte Rutschungen in den tertiären Sedimenten der Messel- Formation werden durch den Rand des Vorkommens bzw. den Kontaktbereich der tertiären Sedi- mente zu umrandenden paläozoischen Gesteinen begrenzt. Abrissgebiete sind im Gelände durch Abrisskanten und Abrisse am Grubenrand (ca. 160–170 m NN) dokumentiert (Tafel 2, Fig.1). Als Ablösefläche werden durch Randstörungen bzw. Kontaktzonen zwischen paläozoischen Festge- steinen und tertiären Sedimenten gebildete Schwächezonen genutzt. Lediglich der Abriss der Rut- schung der Ostböschung folgt einer N/S-verlaufenden Schwächezone, die Sedimente der unteren Messel-Formation von Sedimenten der mittleren Messel-Formation trennt (Abb. 5 u. 12). Der di- rekte Zusammenhang von Tektonik, Trennflächengefüge und Ausbildung der Rutschkörper wird insbesondere durch den parallelen Verlauf von Abrissen und Randstörungen in der Nord- und Nordwestböschung deutlich (Abb. 12). Schwächezonen entlang der zum Grubenzentrum einfallenden Schichtung wirken als Bewe- gungsbahnen für das gleitende Versagen der Böschungen. In den Akkumulationszonen am Über- gang zur Grubensohle treten Überschiebungen und pressungsbedingte Schichtverbiegungen auf. Die Schwarzpelite werden am statischen Widerlager der Grubensohle eingeengt und deformiert. Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 45 Die Biegestrukturen verlaufen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Rutschmassen (Tafel 2, Fig. 2). Tiefgreifende Rutschschollen zerbrechen an internen Schwächezonen und bilden durch Sekun- därabrisse getrennte (Tafel 2, Fig. 3), z.T. unterschiedlich aktive Teilschollen. Diese flachen Se- kundärrutschschollen weisen z.T. unterschiedliche Bewegungsformen auf. Sowohl rotativ (West- böschung, westlich der Deponiestraße) als auch translativ gleitende Bewegungen (Westböschung, östlich der Deponiestraße) sind dokumentiert. Abbildung 12: Karte der ingenieurgeologischen Verhältnisse der Grube Messel. Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 46 Im Frühjahr 1999 und im Frühjahr 2001 traten verstärkte Deformationen auf und die über den Abrissen wachsende Vegetation wurde zerstört (Tafel 2, Fig. 1). Die Deponiestraße im Südwesten dokumentierte in diesen Zeiträumen durch verstärkte Rissbildung im Asphalt die Bewegungen der unterlagernden tertiären Sedimente (Tafel 2, Fig. 4). 4.3.2 Bewegungen der paläozoischen Festgesteine Aktive bzw. latente oder blockierte Rutschungen der magmatischen Festgesteine und der Rot- liegendsedimentgesteine treten an den freistehenden, steilen Abbaurändern des östlichen und süd- östlichen Grubenrandes auf (Abb. 12). Die entfestigten Sandsteine und Konglomerate des Rotlie- genden sowie die Magmatite sind durch NNE/SSW-, ESE//WNW- und NE/SW-streichende Trenn- flächen in Großkluftkörper zerlegt. Die als Ablöse- und Bewegungsflächen relevanten Klüfte strei- chen parallel zu den Grubenrändern (Kap. 3.5). Wird die Festigkeit auf den steil zum Grubenzent- rum einfallenden Trennflächen (Tafel 2, Fig. 7) überschritten, kommt es zu einem fortschreitenden, staffelbruchartigen, kombiniert rotativem und translativem gleitenden Versagen. Aufgrund der steil einfallenden, tief greifenden Bewegungszonen entsteht im Abrissgebiet häufig ein Doppelgrat. Die Deformationen der Rotliegendsedimentgesteine der Ostböschung dehnen sich fortschreitend nach Osten aus (Abb. 12) und erfassen aktuell Teilbereiche des Grubenrandweges. Im Frühjahr 2001 waren deutliche Anzeichen für verstärkte Deformationen innerhalb der Rotliegendsediment- gesteine und der Rutschmassen erkennbar. Neue Abrisse wurden ausgebildet und die Ablösefläche entgegen der Bewegungsrichtung nach Osten verlagert (Tafel 2, Fig. 7). Die Deformationen innerhalb der magmatischen Festgesteine der Südböschung sind abgeklun- gen. Eine anhaltende fortschreitende Entwicklung ist im Gelände nicht erkennbar. Die flach ge- böschten Rutschmassen aus tertiären Sedimenten wirken als stabiles Widerlager (Abb. 12). 4.3.3 Bewegungen anthropogener Aufschüttungen Charakteristisch für die innerhalb und außerhalb des Grubenbereiches auftretenden anthropoge- nen Auffüllungen sind die Heterogenität der Materialzusammensetzung, geringe und räumlich vari- ierende Lagerungsdichten sowie unterschiedliche Wassergehalte. Für das ingenieurgeologische Verhalten sind ungleichmäßige Setzungen, entsprechend geringe Tragfähigkeiten sowie eine Nei- gung zu Rutschungen zu erwarten. Allerdings zeigt die Geländeaufnahme, dass Rutschungen in- nerhalb der anthropogenen Auffüllungen nicht „eigenständig“ auftreten. Vielmehr sind Abrisse bzw. Bewegungsmerkmale (Tafel 2, Fig. 8) auf das Abrutschen unterlagernder tertiärer Sedimente bzw. unterlagernder Rutschmassen zurückzuführen. 4.3.4 Bewegungen historischer Rutschmassen Durch historisch erzeugte Rutschmassen in der Süd- und Nordböschung (vgl. Abb. 12) wurde die ursprüngliche, durch Abbausohlen geprägte Morphologie zerstört. Die Rutschmassen sind durch eine unruhige, buckelige Oberfläche mit wulstartigen Verformungen gekennzeichnet. Ein- zelne „Schwarzpelitschollen“ sind verkippt und rotiert, ältere Bäume verstellt, junge Birken zeigen häufig Säbelwuchs. Aufgrund der Zerrüttung der bewegten Massen siedeln sich Nässe bevorzugen- de Pflanzen, wie z.B. Farne, verstärkt an. Durch den Abbaubetrieb wurden z.T. die Gleitzonen fla- cher Sekundärrutschungen freigelegt. Zwischen dem Liegenden, dem durch die Bewegungen unbe- einflussten Material, und den abgerutschten Massen ist ein mylonitisierter Bereich ausgebildet (Ta- fel 2, Fig. 5). Die Schichtpakete oberhalb der Gleitzone sind verstellt, verbogen und intern zerbro- chen (Tafel 2, Fig. 6). Kriechdeformationen der inaktiven bzw. latent aktiven historischen Rutsch- massen waren durch die Geländeaufnahme nicht nachzuweisen. Die historische Rutschmasse in den Sedimenten der oberen Messel-Formation (Ostböschung) ist durch eine unruhige, buckelige Oberfläche gekennzeichnet. Bäume wurden verstellt, junge Birken zeigen z.T. Säbelwuchs. Am Rand der Rutschmasse, insbesondere im Fußbereich, treten Feucht- stellen und abflusslose Senken auf (vgl. Abb. 12). Kriechdeformationen der inaktiven bzw. latent aktiven historischen Rutschmasse waren mit der Geländeaufnahme nicht nachweisbar. Die historische Rutschmasse in den Rotliegendsedimentgesteinen am Ostrand der Grube Messel ist durch eine unruhige Oberfläche gekennzeichnet. Das fortschreitende Auftreten des gleichen Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 47 Bewegungstyps im Sinne einer Mehrfach- bzw. Serienrutschung prägt die Ausgestaltung der Rutschmassen und äußert sich in einer sukzessiven Anordnung staffelbruchartig ausgebildeter Rutschkörper. Am Top sowie im Fußbereich der Rutschung treten Feuchtstellen auf. Wasseraustrit- te erfolgen z.T. diffus und vereinigen sich zu ungeregelten Wasserläufen, die eine großflächige Durchfeuchtung erzeugen (vgl. Abb. 12). Im Frühjahr 2001 dokumentierten neue Abrisse an steil- stehenden Trennflächen der Primärrutschkörper und eine großräumige Verkippung des Baumbe- standes die anhaltende Aktivität dieser Rutschmassen. 4.4 Hydrologische Randbedingungen Für die Untersuchung des Zusammenhangs von Massenbewegungen und möglichen hydrologi- schen bzw. hydrogeologischen Einflüssen ist eine Einwirkungsabfolge zu betrachten. Beginnend mit dem Niederschlag, ist der Böschungswasserhaushalt in der Folge als eine Funktion von Infiltra- tion, Evapotranspiration und Bodenwasserbewegung anzusehen, die den Einfluss des Wassers auf die Bodenmatrix und das Kräftegleichgewicht der Böschung bestimmen. Der Niederschlag stellt, mit hoher zeitlicher und räumlicher Variabilität, die primäre Eingangs- größe dar. Während die räumliche Variabilität in dieser Untersuchung aufgrund der geringen Flä- che des Untersuchungsgebietes vernachlässigt werden kann, ist die zeitliche Variabilität des Nie- derschlages für die Einwirkung auf das Böschungsgleichgewicht entscheidend (HANEBERG 1991). Dauer und Intensität (Niederschlagsmenge pro Zeiteinheit) von Niederschlagsereignissen sind ab- hängig von Niederschlagstypen (zyklonale oder orographische Niederschläge) und wesentlich für das Ausmaß der Einwirkung auf den Böschungswasserhaushalt. Kurze, intensive z.B. orographi- sche Niederschläge können einen deutlichen Oberflächenabfluss verursachen, der dem System Bö- schung entzogen und nicht wirksam wird. Langanhaltende Niederschläge können hingegen eine permanente Infiltration und Grundwasserneubildung bewirken, die über den erhöhten Grundwas- serstand auf das Böschungsgleichgewicht wirkt. Demzufolge beeinflusst die zeitliche Variabilität des Niederschlages das gesamte hydrologische und hydrogeologische System der Böschungen und muss durch variierende zeitliche Auflösungen berücksichtigt werden. 4.4.1 Niederschlag Für die Erfassung des Niederschlages wurden Daten der unmittelbar nordwestlich der Grube Messel liegenden Wetterbeobachtungsstation Messel (R 3480930, H 5531340) herangezogen. Für den betrachteten Zeitraum von 01/1983-12/2000 standen kontinuierlich die Tagessummenwerte des Niederschlages zur Verfügung. Abbildung 13: Extremwerte (Maxima) der monatlichen und täglichen Niederschlagssumme für den Zeitraum von 1983 bis 2000. Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 48 Der mittlere Jahresniederschlag beträgt NJahr = 712 mm. Im Beobachtungszeitraum war das Jahr 1995 mit NJahr = 937 mm das feuchteste und das Jahr 1991 mit NJahr = 493 mm das trockenste. Die höchsten mittleren Summen des Monatsniederschlages traten im Sommer (Mai-Juli) mit bis zu NMonat = 72 mm auf. Die Monate Januar, Februar und April weisen mit weniger als NMonat = 53 mm, die geringsten Niederschläge auf. Monatliche Niederschlagsextrema können bis zu 26 % des mitt- leren Jahresniederschlages (z.B. NMonat, max = 184 mm im Juli 2000) darstellen. Tägliche Nieder- schlagsextrema können bis zu 5 % des mittleren Jahresniederschlages (z.B. NTag, max = 38,9 mm im Dezember 1993) repräsentieren (Abb. 13). 4.4.2 Verdunstung Die Evapotranspiration wurde nach Daten der Klimastation Darmstadt berechnet. Das Jahres- mittel der potentiellen Evapotranspiration nach HAUDE (1958) erreicht für den Zeitraum von 1983- 2000 eine Höhe von ETpot = 741 mm und überschreitet den mittleren Jahresniederschlag von NJahr = 712 mm. Die monatliche potentielle Evapotranspiration überschreitet im Sommerhalbjahr stets die monatliche Niederschlagshöhe (Abb. 14). Abbildung 14: Mittlere Summe des Monatsniederschlages und mittlere monatliche potentielle Evapotranspiration den Zeitraum von 1983 bis 2000. Eine Grundwasserneubildung wird nur im Winterhalbjahr von September bis März stattfinden. Niederschlagsextrema der Sommermonate werden infolge der hohen potentiellen Verdunstung „abgepuffert“. Niederschlagsextrema der Wintermonate fallen hingegen mit einer geringen poten- tiellen Verdunstung zusammen und stehen nahezu ohne Verluste durch Evapotranspiration für die Auffüllung des Grundwasserspiegels zur Verfügung. 4.5 Hydrogeologische Randbedingungen Der Sprendlinger Horst bildet eine oberirdische Wasserscheide für Rhein und Main. Während der westliche Bereich des Sprendlinger Horstes zum Niederschlagsgebiet des Rheins gehört, ist der östliche Bereich dem Niederschlagsgebiet des Mains zuzuordnen. In der Umgebung der Grube Messel zirkuliert Grundwasser oberflächennah in den quartären Lockersedimenten und als tiefes Grundwasser in den Klüften der schlecht wasserwegsamen Rot- liegendsedimentgesteine und Magmatite. Bevorzugte Wasserwege sind mit 20°–70° bzw. 100°– 170° streichende tektonische Spalten und Störungszonen (RAHNAMA RAD 1989). Für die Gruben- umgebung und den Grubenrand kann von einem kombinierten Poren-/Kluftgrundwassersystem ausgegangen werden. Das oberflächennahe Einzugsgebiet bzw. Niederschlagsgebiet der Grube Messel umfasst nach Höhenlinien der TK 25, Blatt 6018 Langen, eine Fläche von ca. 3,6 km2. Die größten Teileinzugs- gebiete befinden sich mit ca. 1,6 km2 im Norden und mit ca. 1,2 km2 im Osten der Grube. Differen- Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 49 zen zwischen oberirdischem Einzugsgebiet und Grundwassereinzugsgebiet sind aufgrund der ani- sotropen Wasserführung der Kluftgrundwasserleiter möglich. Zur Zeit wird das Oberflächenwasser des nördlich der Bahnlinie gelegenen Einzugsgebietes ü- ber ein System von Entwässerungsgräben in einem nördlich der Bahngleise verlaufenden Graben gesammelt, über einen Bahndurchlass dem unbefestigten südlichen Bahngraben und schließlich dem Sülzbach zugeführt. Das Oberflächenwasser des Einzugsgebietes östlich der Grube Messel wird durch den „Hildegardstollen“ gesammelt und seit 1985, über einen neu angelegten Abflusska- nal, in den Bahngraben eingeleitet (im Mittel 5,2 l/s, nach RAHNAMA RAD 1989). 4.5.1 Grundwassereintritt und Grundwasserbewegung in den tertiären Sedimenten Die Grube Messel ist vereinfacht als mit tertiären Sedimenten gefüllter, „auf der Spitze stehen- der Kegel“, innerhalb der paläozoischen Festgesteine charakterisierbar. Die z.T. mylonitisierten, vertonten Randstörungen am Übergang der tertiären Sedimente zu den paläozoischen Festgesteinen können zumindest in Teilbereichen als Grundwasserbarrieren wirken. Der hydraulische Kontakt der Schwarzpelite der mittleren Messel-Formation mit den kluftwasserführenden Umgebungsgesteinen ist infolge der geringen hydraulischen Leitfähigkeit des Schwarzpelites durch seinen Kluftabstand und seine Kluftöffnungsweite bestimmt. Eine direkte hydraulische Verbindung mit dem umrandenden paläozoischen Kluftgrundwasserleiter ist wahr- scheinlich vor allem durch geöffnete, wasserführende tektonische bzw. pseudotektonische Spalten und Klüfte gegeben. Aufgrund des plastischen Materialverhaltens der Schwarzpelite werden die Kluftöffnungsweiten mit zunehmender Tiefe geringer, so dass eine entsprechend verminderte Was- serwegsamkeit in größerer Tiefe zu erwarten ist. Dementsprechend ist über undurchlässigem, grundwasserstauendem Schwarzpelit ein oberflächennahes, freies, „oberes Kluftgrundwasser- stockwerk“ in der Verwitterungs- bzw. Auflockerungszone ausgebildet (Abb. 15). Abbildung 15: Schematisierte Darstellung des Grundwassereintrittes und der Grundwasserver- hältnisse in den Sedimenten der Messel-Formation. Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 50 Permeable tonig–sandige bzw. sandig–kiesige Einschaltungen wirken innerhalb der undurchläs- sigen Schwarzpelite als Porengrundwasserleiter. Diese Einschaltungen treten in den Randbereichen häufig auf und keilen zum Zentrum des Vorkommens hin aus (vgl. Kap. 3). Infolge der Undurch- lässigkeit der überlagernden Schwarzpelite führen sie in einem „mittleren Grundwasserstockwerk“ meist gespanntes Grundwasser (Abb. 15). Die tonigen Sande und Kiese der unteren Messel-Formation sind Porengrundwasserleiter und besitzen aufgrund der größeren hydraulischen Leitfähigkeit (Geringleiter bis Leiter) eine bessere hydraulische Anbindung an die umgebenden paläozoischen Festgesteine. Infolge der abdichtenden Wirkung der überlagernden Schwarzpelite der mittleren Messel-Formation zirkuliert das Grund- wasser im unteren Grundwasserstockwerk, in den Sedimenten der unteren Messel-Formation, vor- wiegend gespannt (Abb. 15). Eine erhöhte Wasserdurchlässigkeit ist für das durch Böschungsbewegungen aufgelockerte, zerbrochene und mylonitisierte Material der Gleitzonen zu erwarten. Die Durchlässigkeit dieser Zonen wird durch einen Summeneffekt aus Kluftdurchlässigkeit, Materialdurchlässigkeit und „Po- rendurchlässigkeit“ des beanspruchten, mylonitisierten Gleitzonenmaterials bestimmt. In den Randbereichen des Vorkommens bestehen wahrscheinlich direkte Verbindungen aktiver Gleitzo- nen mit dem anströmenden Kluftgrundwasser. Infolge der abdichtenden Wirkung überlagernder, „unbeanspruchter“ Schwarzpelite können hier gespannte Grundwasserverhältnisse auftreten. Direkt auf den Schwarzpelit fallender Niederschlag versickert sofort oder wird in Senken zwi- schengespeichert und versickert langsam bzw. verdunstet. Ist die Infiltrationskapazität kleiner als die Niederschlagsintensität tritt Oberflächenabfluss auf. Oberflächlich abfließendes Wasser infilt- riert an anderer Stelle oder verlässt das System. Pflanzen (Farne, Birken, Gräser) leiten den Nieder- schlag weiter zum Boden oder halten ihn als Interzeption zurück. Das durch Interzeption „zwi- schengespeicherte“ Wasser wird durch Evaporation entfernt. Infiltriertes Wasser folgt in der unge- sättigten, oberflächennahen Verwitterungszone dem Potentialgradienten und füllt die „Bodenpo- ren“ bzw. Klüfte. Teilweise wird es in diesem Stadium durch Evaporation und Transpiration dem System Böschung wieder entzogen. Ein Teil des verbleibenden infiltrierten Wassers kann sich als Zwischenabfluss in einer oberflächennahen Verwitterungs- bzw. Makroporenschicht zum Bö- schungsfuß bewegen. Der andere Teil folgt dem Druckgradienten und bewegt sich innerhalb des Verwitterungsbereichs bzw. des Kluftsystems zum obersten Grundwasserleiter (Schwarzpelit). Wasser, das diesen obersten Grundwasserhorizont erreicht, führt zur Grundwasserneubildung in- nerhalb des Grubenbereiches. Das mittlere und untere Grundwasserstockwerk werden hingegen durch direkten Niederschlagseintrag im Grubenbereich kaum beeinflusst. 4.5.2 Grundwasserverhältnisse in der Grube Messel Durch kontinuierliche Wasserhaltung wird der Grundwasserstand der Grubensohle auf ca. 102 m NN ± 0,5 m gehalten. Die mittlere jährliche Fördermenge beträgt FJahr = 373 000 m3 (1989– 2000). Die Wasserhaltung erzeugt einen großräumigen Absenktrichter und verursacht einen allsei- tigen, zum Grubenzentrum gerichteten Grundwasserzustrom innerhalb des oberen Grundwasser- stockwerkes (Abb. 16). Auch für das mittlere und untere Grundwasserstockwerk ist von einer Be- einflussung durch die Wasserhaltung auszugehen, da mit einer dem Potentialgradienten folgenden vertikalen Durchsickerung (von unten nach oben) der Schwarzpelite zu rechnen ist (vgl. Kap. 4.5.1). Diese Verhältnisse werden von den aktuell in das Messprogramm zur Langzeitbeobachtung integrierten Flachpegeln erfasst, die den Grundwasserstand des oberen Grundwasserstockwerkes innerhalb der Verwitterungs- bzw. Auflockerungszone des Schwarzpelites charakterisieren. Die Tiefenpegel bzw. Inklinometermessstellen erfassen hingegen unterschiedliche Grundwas- serstockwerke (paläozoische Plutonite, tonige Sande der unteren Messel-Formation, sandig–kiesige Einschaltungen oder Gleitzonen) mit z.T. gespanntem Grundwasser. Aufgrund der inhomogenen Ausbildung und Anordnung der jeweiligen Grundwasserstockwerke ist eine Darstellung als Glei- chenplan der Standrohrspiegelhöhen bzw. der hydraulischen Druckhöhen von Tiefenpegeln für den gesamten Grubenbereich nicht gerechtfertigt. Vielmehr ist es notwendig Teilbereiche der Böschun- gen zu betrachten. Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 51 Abbildung 16: Gleichenplan der Standrohrspiegelhöhen von Flachpegeln der Grube Messel für März 1997. Der rot umrandete Ausschnitt stellt den Gleichenplan der Standrohr- spiegelhöhen von Tiefpegeln am Nordrand der Grube Messel für März 1997 dar. Der rot umrandete Ausschnitt in Abbildung 16 dokumentiert exemplarisch für den nördlichen Grubenrand den Übergang des Grundwassers aus den Klüften der paläozoischen Festgesteine in die Sedimente der Messel-Formation. Da der Grundwassereintritt in die Schwarzpelite stark behindert ist, kommt es zu einem teilweisen „Unterströmen“ des undurchlässigen Schwarzpelitpaketes in den Sedimenten der unteren Messel-Formation (vgl. Abb. 15). Das im unteren Grundwasserstockwerk zirkulierende Grundwasser ist artesisch gespannt (z.B. Messstelle IN 17). Der relativ gleichmäßige Verlauf der Gleichenlinien weist auf einen guten hydraulischen Kontakt der paläozoischen Festge- steine mit den tonigen Sanden der unteren Messel-Formation hin. Erfassung, Dokumentation und messtechnische Kontrolle der Böschungsbewegungen 52 4.5.3 Jahreszeitliche Periodizität von Standrohrspiegelhöhenschwankungen Die jahreszeitlichen Schwankungen der Standrohrspiegelhöhen zeigen relative Grundwasserhochstände im Frühjahr und relative Grundwassertiefstände im Herbst (Abb. 17). Diese Periodizität ist eine Folge der geringeren Evapotranspiration im Winterhalbjahr und einer entsprechend größeren Grundwasserneubildung (vgl. Abb. 14). Für den Beobachtungszeitraum von 1993–2001 beträgt die maximale Standrohrspiegelschwankung der Tiefpegel 5,13 m (Messstelle G 4) und die maximale Standrohrspiegelschwankung der Flachpegel 2,76 m (KP 332). Abbildung 17: Jahreszeitliche Periodizität des Grundwasserspiegels im Vergleich mit Starknie- derschlägen am Beispiel der Grundwassermessstellen G 2 und G 3. Außergewöhnliche Niederschlagsereignisse, wie z.B. im Dezember 1993, Januar und Februar 1995, September und Oktober 1998, Juli 2000 sowie März 2001, verursachen relative Hochstände der Standrohrspiegelhöhen (Abb. 17). In den Sommermonaten kann durch solche Niederschlagser- eignisse die jahreszeitliche Periodizität überlagert werden (z.B. Juli 2000). Aufgrund des in diesem Zeitraum leeren Poren- bzw. Kluftraumes bleibt der Anstieg der Standrohrspiegelhöhen jedoch vergleichsweise gering. Treten Starkniederschläge in Phasen verstärkter Grundwasserneubildung (Frühjahr und Winter) bzw. in Phasen erhöhter Niederschlagsintensität auf, bewirken sie einen deutlich stärkeren Standrohrspiegelanstieg. Im Dezember 1993 führten starke Niederschläge in ei- ner Phase mit geringer Evapotranspiration und einem bereits aufgefüllten Poren- bzw. Kluftraum zu einem Anstieg der Standrohrspiegelhöhen von ca. 2 m in 8 Tagen (vgl. Abb. 17).