Geowissenschaften

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, erfolgte jedoch ver­gleichs­weise spät. Das SISKA trägt 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 Karst­kanä­len (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, ges­chmück­ten 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.