Grund­was­ser stellt den Gross­teil der Was­ser­res­sour­cen in kal­khal­ti­gen Um­ge­bun­gen dar. Diese Res­sour­cen sind oft von gu­ter Qua­lität und in aus­rei­chen­der Menge vo­rhan­den, die Schwie­rig­keit bes­teht in ih­rer Zugän­gli­ch­keit. Die Plat­zie­rung und Di­men­sio­nie­rung von Was­ser­ge­win­nung­san­la­gen im Hin­blick auf die Ver­trä­gli­ch­keit von Be­darf und verfüg­ba­ren Res­sour­cen er­for­dert eine vo­rhe­rige Kennt­nis des Ge­bietes und spe­zi­fische Un­ter­su­chun­gen. Das SISKA bie­tet Lö­sun­gen für die Er­for­schung, die Nut­zung, die Be­wirt­schaf­tung und den Schutz von Grund­was­ser in kal­khal­ti­gen Um­ge­bun­gen an.

Der Karst spielt eine be­son­dere Rolle hin­sicht­lich der Pro­ble­ma­ti­ken durch Na­tur­ge­fah­ren. Das SISKA hat Un­ter­su­chung­sme­tho­den für die Be­wer­tung und Kar­tie­rung der fol­gen­den Na­tur­ge­fah­ren ent­wi­ckelt:

In Karst­ge­bie­ten kommt es re­gelmäs­sig zu Einstür­zen. Die Un­ter­su­chung dieses Phä­no­mens an­hand kon­kre­ter Fälle ermö­glicht es uns, Be­din­gun­gen, die zu sol­chen Erei­gnis­sen füh­ren, früh­zei­tig zu er­ken­nen. Ents­pre­chend kön­nen Kar­ten zur Zo­nie­rung der Eins­turz­ri­si­ken ers­tellt wer­den.

Im Karst ver­lau­fen Flüsse hauptsä­chlich un­te­rir­disch und sind so­mit weit­ge­hend un­sicht­bar. Es kommt je­doch vor, dass der Grund­was­sers­pie­gel die Ober­fläche er­reicht, nor­ma­ler­weise tro­ckene Ge­biete über­flu­tet und zu ei­nem plötz­li­chen und star­ken Ans­tieg der Dur­ch­fluss­menge führt. Dank der vom SISKA ent­wi­ckel­ten Mo­delle (KARSYS, Karst­MOD) ist es mö­glich, Über­sch­wem­mun­gen und Ab­fluss­men­gen vo­rher­zu­sa­gen und Hoch­was­ser­ge­fah­ren­kar­ten zu ers­tel­len, die an die Be­son­de­rhei­ten des Karstes an­ge­passt sind.

Das SISKA be­glei­tet Tief­bau­pro­jekte in Karst­ge­bie­ten und schlägt Lö­sun­gen vor, um Sta­bi­litäts­pro­ble­men, Was­se­rein­brü­chen oder dem Ein­drin­gen von Grau­was­ser vor­zu­beu­gen.

Das SISKA wird häu­fig beauf­tragt, obe­rir­dische Bau­pro­jekte (Au­to­bah­nen, Wind­parks) oder den Bau von un­te­rir­di­schen Bau­wer­ken (Tun­nel, Stol­len, usw.) zu be­glei­ten. Im Rah­men sei­ner For­schungs- und Ent­wi­ck­lung­sar­bei­ten hat das SISKA Me­tho­den ent­wi­ckelt, um Pro­bleme, die sich beim Bauen in Karst­ge­bie­ten er­ge­ben, früh­zei­tig zu er­ken­nen und zu be­he­ben. Die Me­thode Kars­tA­LEA, die aus ei­ner Zu­sam­me­nar­beit mit dem Bun­de­samt für Stras­sen (ASTRA) her­vor­ge­gan­gen ist, ist ein Bei­spiel für die prak­ti­schen Me­tho­den, die vom Ins­ti­tut ent­wi­ckelt wur­den.

Das SISKA ist auf Mess- und Do­ku­men­ta­tion­sar­bei­ten in un­te­rir­di­schen Um­ge­bun­gen spe­zia­li­siert.

Das Ins­ti­tut be­tei­ligt sich an der Ers­tel­lung von Mo­del­len, die ein bes­seres Verständ­nis so­wie die die Nut­zung der un­te­rir­di­schen geo­lo­gi­schen und hy­dro­geo­lo­gi­schen As­pekte ermö­gli­chen und die Pla­nung in sol­chen Be­rei­chen ve­rein­facht. Ver­schie­dene Werk­zeuge kön­nen für die Lo­ka­li­sie­rung als auch für die to­po­gra­fische oder 3D-Er­fas­sung von un­te­rir­di­schen Hohlräu­men an­ge­bo­ten wer­den. Die An­wen­dung­sbe­reiche sind da­bei sehr breit:

• Di­men­sio­nie­rung un­te­rir­di­scher An­la­gen: tou­ris­tische In­fras­truk­tur, Lei­tungs­bau usw. oder von obe­rir­di­schen An­la­gen, die mit dem Un­ter­grund in­ter­agie­ren;
• Stra­te­gieent­wi­ck­lung zur Nut­zung von un­te­rir­di­scher La­gerstät­ten (z. B. Salz­berg­werke) oder zur Be­wer­tung der Ka­pa­zitä­ten von Auf­schüt­tun­gen;
• Do­ku­men­ta­tion his­to­ri­scher un­te­rir­di­scher Bau­werke usw.

Das SISKA hat zu­dem viel Er­fah­rung mit der Ins­tru­men­tie­rung zur Er­for­schung und Über­wa­chung von un­te­rir­di­schen Phä­no­me­nen, ins­be­son­dere im Zu­sam­men­hang mit der Über­wa­chung der Grund­was­ser­qua­lität, der Zu­sa­men­set­zung der un­te­rir­di­schen At­mos­phäre oder der Do­ku­men­ta­tion von Er­schüt­te­run­gen wäh­rend Er­schlies­sung­sar­bei­ten.

Kars­tre­gio­nen sind zu­neh­mend von der Ent­wi­ck­lung von In­fras­truk­tu­ren für die Pro­duk­tion von er­neuer­ba­ren Ener­gien be­trof­fen, vor al­lem von Was­ser­kraft, Geo­ther­mie und Wind­kraft. Das SISKA be­glei­tet Bau­her­ren bei Pro­jek­ten zur Ent­wi­ck­lung von er­neuer­ba­ren Ener­gien in die­sen Re­gio­nen.

Karst­grund­was­ser stellt ein ge­wisses Po­ten­zial für die Stro­mer­zeu­gung dar. Diese Nut­zung ist je­doch nicht ohne Ri­si­ken für die Um­welt und die Ri­si­ken müs­sen von Fa­chleu­ten be­wer­tet wer­den.
Das SISKA ist durch die Be­glei­tung von Pro­jek­ten oder Fol­ge­nab­schät­zun­gen in die­sem Be­reich ak­tiv. Wir sind in der Lage, auf der Ebene des Vor­pro­jekts eine Diag­nose zu den Er­folg­saus­sich­ten zu ers­tel­len und fest­zus­tel­len, welche An­pas­sun­gen not­wen­dig sind, um mit mit den Ge­setz­ge­bun­gen und prak­ti­schen An­wei­sun­gen im Zu­sam­men­hang mit Pro­jek­ten im Karst im Eink­lang zu ste­hen.

Die Er­rich­tung von Wind­kraf­tan­la­gen in Karst­ge­bie­ten muss im Hin­blick auf die Aus­wir­kun­gen auf die Um­welt und die Sta­bi­litäts­ri­si­ken für das Bau­werk spe­ziell be­glei­tet wer­den.

Die Me­cha­nis­men der Wär­meaus­brei­tung im Kars­tun­ter­grund un­ter­schei­den sich stark von an­de­ren geo­lo­gi­schen Um­ge­bun­gen. Nut­zung­spro­jekte er­for­dern oft An­pas­sun­gen und eine spe­zia­li­sierte Be­glei­tung. Das SISKA verfügt über die Werk­zeuge und Er­fah­run­gen in die­sem Rah­men und ar­bei­tet mit dem Zen­trum für Hy­dro­geo­lo­gie und Geo­ther­mie der Uni­ver­sität Neuen­burg zu­sam­men, ei­nem aner­kann­ten Kom­pe­tenz­zen­trum auf die­sem Ge­biet.

Höh­len und die Karst­land­schaft ents­te­hen durch die Au­flö­sung von Kalk­stein im Re­gen­was­ser. In man­chen Fäl­len kann die Au­flö­sung auch aus an­de­ren Ur­sa­chen re­sul­tie­ren (z. B. durch auf­stei­gende Tie­fen­gase). Zu vers­te­hen, wie Höh­len ents­te­hen, ist für den Höh­len­for­scher, der sie er­kun­det, von of­fen­sicht­li­chem In­ter­esse. Die Vo­rher­sage eines un­te­rir­di­schen Hohl­raums ist je­doch auch eine wich­tige In­for­ma­tion für ei­nen In­ge­nieur, der ei­nen Tun­nel bauen muss, oder für ei­nen Hy­dro­geo­lo­gen, der Was­ser ent­neh­men muss.

In den letz­ten 35 Jah­ren wur­den meh­rere nu­me­rische Mo­delle der Speläo­ge­nese ent­wi­ckelt. Sie ha­ben uns sehr viel über die Prin­zi­pien, die Ents­te­hung­sges­ch­win­dig­kei­ten und die Grundzüge der Geo­me­trie un­te­rir­di­scher Ga­le­rie­netz­werke ge­lehrt. Die Cha­rak­te­ri­sie­rung der Gelän­de­pa­ra­me­ter, mit de­nen diese Mo­delle gefüt­tert wer­den, ist je­doch ver­gleichs­weise spät. Das SISKA trägt da­her mit sei­ner For­schung da­zu bei, Feld­da­ten zu lie­fern, diese dar­zus­tel­len und mit den Er­geb­nis­sen von Si­mu­la­tions­mo­del­len zu ver­glei­chen.

Karsts­truk­tu­ren ent­wi­ckeln sich nicht zufäl­lig. Wir ha­ben die all­ge­mei­nen Merk­male iden­ti­fi­ziert und kön­nen so­mit die po­ten­ziell am stärks­ten ver­kars­te­ten Ge­biete skiz­zie­ren. Um rea­lis­tische Netz­werke zu mo­del­lie­ren bleibt je­doch noch ei­niges an Ar­beit für zukünf­tige Ge­ne­ra­tio­nen...

Un­sere Ar­beit be­trifft un­ter an­de­rem :

• Die räum­liche Ver­tei­lung von Karstl­kanä­len (Kon­zept der "In­cep­tion Ho­ri­zons")
• Die Ents­te­hung von Karst­sys­te­men in der epi­phrea­ti­schen Zone (Loops)
• Die Sto­ck­werke der Karst­sys­teme (speläo­ge­ne­tische Pha­sen)

Der­zeit kon­zen­trie­ren sie sich vor al­lem auf die Vo­rher­sage der (pro­ba­bi­lis­ti­schen) Po­si­tion der Gänge und auf ihre Cha­rak­te­ri­sie­rung (Grösse, Form, Fül­lung, Was­ser etc.).

Auf den ers­ten Blick ein sehr aka­de­misches The­ma, ist das ge­naue Verständ­nis des un­te­rir­di­schen Kli­mas doch wich­tig für die Ver­wal­tung von ar­chäo­lo­gi­schen, ver­zier­ten oder tou­ris­ti­schen Höh­len so­wie für ge­wisse Höh­len­for­schung­sar­bei­ten. Zu­dem trägt es zum Verständ­nis der Ther­mik in Karst­mas­si­ven bei und er­laubt so­mit die Pla­nung von Erdwär­me­son­den oder das Vo­rhan­den­sein natür­li­cher Ei­shöh­len zu erklä­ren. Schliess­lich hilft es auch die beo­bach­te­ten Va­ria­tio­nen im Wachs­tum von Sta­lag­mi­ten zu in­ter­pre­tie­ren und paläok­li­ma­tische Re­kons­truk­tio­nen zu ers­tel­len.

Ak­tuelle Pro­jekte:

• Ca­ve­Seds
• Ana­lyse der Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen Ven­ti­la­tion, CO2-Ge­halt und Was­ser­che­mie in der Höhle von Mi­landre
• Lang­zeit­beo­bach­tung ei­ni­ger natür­li­cher Ei­shöh­len im Ju­ra

Ver­gan­gene Pro­jekte:

• Ther­mo­karst
• Un­ter­su­chung der natür­li­chen Ei­shöh­len im Ju­ra
• Ana­lyse des Kli­mas in der Höhle von Las­caux
• Un­ter­su­chung der Ther­mik von Karst­mas­si­ven
• Be­wer­tung des Wär­me­po­ten­zials von Karst­mas­si­ven
• Ver­such der künst­li­chen Belüf­tung ei­ner Kars­thöhle (Mi­landre)

Von äus­se­ren Ero­sions­pro­zes­sen iso­liert, be­wah­ren Höh­len Se­di­men­tab­fol­gen über Hun­dert­tau­sende oder gar Mil­lio­nen von Jah­ren. Die Un­ter­su­chun­gen die­ser Abla­ge­run­gen, seien es de­tri­tische Se­di­mente (z.B. La­mi­nite, Kie­sel­steine) oder Speläo­theme (z.B. Sta­lag­mi­ten), lie­fern wert­volle In­for­ma­tio­nen über Kli­ma- und Um­welt­verän­de­run­gen im Laufe der Zeit. Ob Glet­scher­zyk­len oder jah­res­zeit­liche Schwan­kun­gen, Höh­len­se­di­mente en­thal­ten wert­volle In­for­ma­tio­nen über un­sere frü­here Um­welt.
Ne­ben der Da­tie­rung die­ser Se­di­mente be­fas­sen sich die Stu­dien des SISKA mit ih­rer mi­ne­ra­lo­gi­schen (Cal­cit, Ara­go­nit, Quarz, ...), geo­che­mi­schen (Mg, Sr, Ba, S, ...) und iso­to­pi­schen (d18O, d13C, ...) Si­gna­tur, aber auch mit ih­rem fau­nis­ti­schen (Mi­kroin­ver­te­bra­ten, Kno­chen) und bo­ta­ni­schen (Pol­len) In­halt.

Siehe auch un­sere Kom­pe­tenz in der Ar­chäo­zoo­lo­gie.

Die kli­ma­ti­schen Be­din­gun­gen üben zahl­reiche Ein­flüsse auf den Karst aus. Un­ter die­sen be­wer­tet das SISKA hauptsä­chlich die Aus­wir­kun­gen des Kli­ma­wan­dels auf die fol­gen­den Ele­mente.

• Die In­fil­tra­tion von Was­ser in den Un­ter­grund oder die Auffül­lung von Aqui­fe­ren. Sie beein­flusst di­rekt die Menge des verfüg­ba­ren Grund­was­sers und ist das Er­geb­nis eines emp­find­li­chen Gleich­ge­wichts zwi­schen kli­ma­ti­schen (Nie­der­schlag, Tem­pe­ra­tur...) und bo­den­bio­lo­gi­schen Fak­to­ren (Ve­ge­ta­tion und Bö­den).
• Die Ausfäl­lung von Kal­zit in Sta­lag­mi­ten be­trifft vor al­lem paläok­li­ma­tische Re­kons­truk­tio­nen. Die in Sta­lag­mi­ten ab­ge­la­ger­ten Kal­zit­schich­ten zeich­nen die zum Zeit­punkt der Abla­ge­rung herr­schen­den Kli­ma­be­din­gun­gen auf, ähn­lich wie die Jahr­ringe eines Baumes.
• Die Au­flö­sung von Kalk­stein spielt eine Rolle bei der Ver­lang­sa­mung der glo­ba­len Erwär­mung. Es ist er­wie­sen, dass die glo­bale Erwär­mung die bio­lo­gische Ak­ti­vität im Bo­den erhöht, was zu ei­nem Ans­tieg des CO2-Ge­halts im Bo­den führt. Das Was­ser, was in den Bo­den ein­dringt, löst so­mit mehr CO2, wo­durch wie­de­rum mehr Kalk­stein auf­gelöst wird. Da­raus folgt, dass für jedes zusätz­liche Mo­lekül gelös­ten Kalk­steins ein Mo­lekül aus dem Bo­den und da­mit aus der Er­dat­mos­phäre ent­nom­men wurde. Diese CO2-Ent­nahme könnte ei­nen wich­ti­gen Teil des­sen erklä­ren, was Fa­chleute als "car­bon sink" be­zeich­nen, al­so die Tat­sache, dass das at­mos­phä­rische CO2 we­ni­ger schnell ans­teigt als von Mo­del­len ges­chätzt.