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Geowissenschaften

Das SISKA betreibt wissenschaftliche Tätigkeiten in den verschiedensten Bereichen, die mit dem Karst in Verbindung stehen: Geologie, Hydrogeologie, Geomorphologie, Paläoklimatologie. Die erworbenen Kenntnisse und die innerhalb des Instituts seit über zwanzig Jahren gesammelten Erfahrungen ermöglichen es uns, Sie bei allen Problemen, die bei der Durchführung von Projekten in Karstgebieten auftreten können, zu unterstützen.
Das SISKA trägt und beteiligt sich sowohl an sehr anwendungsorientierten Projekten, z. B. im Zusammenhang mit Tunnelbohrungen, als auch an Projekten der Grundlagenforschung, insbesondere durch die Aufnahme und Betreuung von Doktoranden und Postdoktoranden.


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Pierre-Yves Jeannin
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Angewandte Forschung

Wasserressourcen

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.

  • Messung der Leitfähigkeit des Wassers in der Höhle von Milandre (JU). © SISKA

  • Lokalisierung und Kartierung von unterirdischen Wasserläufen. © SISKA

  • Unterirdischer See in der Höhle Crête de Vaas. © SISKA

    Naturgefahren

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

    Gefahr von Einstürzen in Karstgebieten

    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.

    • Einsturz mitten im Stadtzentrum von La Chaux-de-Fonds (NE). © SISKA

    • Einsturzdoline in einer jurassischen Weide. © SISKA

    • Einsturz unterhalb der ARA von La Chaux-de-Fonds. © SISKA

      Gefahr durch Hochwasser in Karstgebieten

      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.

      • Anstieg des Grundwasserspiegels bis zur Oberfläche während eines Hochwassers in Chevenez (JU). © SISKA

      • Überschwemmung entlang dem Flusslauf der L'Allaine (JU). © SISKA

      • Grotte de la Cascade (Môtiers, NE) während des Hochwassers von 2006. ©ISSKA

      • Karte der Karstverwundbarkeit im Kanton St. Gallen. ©ISSKA

        Bauingenieurwesen

        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.

        Ressourcen
        • Verschwinden eines Wasserlaufs in einer Höhle in Bergün (GR). © SISKA

        • Reperage d’anciens conduits karstiques dans le « Steinbruch Born » (SO). © ISSKA

          Untertags Arbeiten

          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.

          • Tracing-Versuch in einer Höhle in La Chaux-de-Fonds (NE). © SISKA

          • 3D-Vermessung der Höhle TM800 (NE) mit LiDAR. © SISKA

          • 3D-Modell der Höhle TM800 (NE) im Vue-des-Alpes-Tunnel. © SISKA

          • 3D-Ansicht des Netzwerks Sieben-Hengste Hogant (BE). © SISKA

            Erneuerbare Energien

            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.

            Unterirdische Wasserkraft

            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.

            Windkraftanlagen

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

            Geothermie

            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.

            Grundlagenforschung

            Speläogenese

            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.).

            Unterirdisches Klima

            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:

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

            Vergangene Projekte:

            • 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)

            Karstaufzeichnungen

            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 Archäozoologie.

            • Stalagmit, der für Analysen aufgeschnitten wurde. © SISKA

            • Kryogene Calcite bilden sich beim Gefrieren von Karstwasser. Sie zeugen sowohl von Temperaturen unter 0°C als auch von der Anwesenheit von flüssigem Wasser in einem Hohlraum. Ihre Untersuchung ermöglicht es, die Entwicklung des Permafrosts im Laufe der Zeit zu rekonstruieren. SISKA

            • Die in den Höhlen beobachteten Detritussequenzen informieren über vergangene Umweltveränderungen und können durch Isotopenmethoden datiert werden. SISKA

              Klimawandel und Karst

              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.


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