Hydrotektonik und Grundwasserdynamik im rezenten Spannungsfeld am Beispiel der verkarsteten Gesteine im Zentralalgarve (Portugal)
vorgelegt von Diplom-Geologe
Michael Dussel aus Ludwigsburg
Von der Fakultät VI
Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissenschaften der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaft
- Dr. rer. nat. - genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. U. Yaramanci Berichter: Prof. Dr. U. Tröger Berichter: Prof. Dr. M. Sauter
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 08.02.2005
Berlin 2005 D 83
KURZFASSUNG
Der kombinierte Einsatz hydrogeologischer und elektromagnetischer Methoden zum Nachweis potentiell leitfähiger Strukturen im Untergrund des größten zusammenhängenden jurassischen Grundwasserleiters des Zentralalgarve (Portugal) zwischen den Ortschaften Querença und Fontes führt zu einer erweiterten Sichtweise des Zusammenhangs unterirdischer Fließwege mit dem rezenten regionalen Spannungsfeld. Im zentralen Algarve sind hauptsächlich tektonische Strukturen wasserleitend, die in Relation zum rezenten tektonischen Spannungsfeld als Scherstörungen fungieren.
Die Wasserbilanz des Grundwasserleiters Querença-Silves ist bei durchschnittlichen jährlichen Niederschlagsmengen ausgeglichen, allerdings ist auf Grund der starken Wasserentnahme durch die Landwirtschaft in Jahren mit unterdurchschnittlichem Niederschlag mit einem Defizit zu rechnen. Der Grundwasserleiter wird zusätzlich zu dem Gebietsniederschlag aus Flußversickerungen und gestützt durch Isotopenanalysen und Wasserhaushaltsberechnungen mit großer Wahrscheinlichkeit auch unterirdisch aus älteren Formationen alimentiert. Die Landwirtschaft im Gebiet des Grundwasserleiters Querença-Silves hat einen Mindestbedarf an Wasser von 25 Mio. m3/a, der bei realistischen Bemühungen um optimierte Bewässerungssysteme bei 43 Mio. m3/a liegen dürfte und in der Realität bei Annahme nicht angepasster Bewässerungstechniken einen Spitzenwert von 83 Mio. m3/a erreicht. Eine optimierte Bewässerung könnte den landwirtschaftlichen Wasserverbrauch auf bis zu einem Viertel des gegenwärtigen Verbrauchs verringern. Neben der Grundwasserneubildung von durchschnittlich 62 Mio. m3/a (35 %) aus dem Gebietsniederschlag ergibt sich aus der Wasserbilanz ein durchschnittlicher Zustrom von ca. 58 Mio. m3/a aus benachbarten Lithologien und über Flußversickerungen. Die reelle Evapotranspiration im Untersuchungsgebiet beträgt ca. 55 bis 60 % des Niederschlages. In dem Teileinzugsgebiet des Flusses Alte wurde die Grundwasserneubildung mittels der Chloridbilanz zu 34 % bzw. aus der Wasserbilanz in einem Jahr mit schwach unterdurchschnittlichem Jahresniederschlag zu 18 % (92 mm) berechnet. Nach Auswertung des Wasserverbrauchs mittels einer satellitengestützten Landnutzungs- und Vegetationskartierung weist die Bilanz in dem Teileinzugsgebiet ein geringeres Defizit von -0,6 Mio. m3 auf.
Hohe Brunnenleistungen werden nach Auswertung von Pumpversuchen hauptsächlich an Kreuzungspunkten von Satellitenbildlineamenten erwartet. Niedrige Grundwassertemperaturen als ein Hinweis auf schnelle Infiltration treten zudem in Brunnen auf Kreuzungspunkten von Satellitenbildlineamenten und stellenweise in Brunnen nahe episodisch fließender Oberflächengewässer auf. Markierungsversuche im unter- bis mitteljurassischen Karst des Zentralalgarve ergeben maximale Abstandsgeschwindigkeiten zwischen 3 und 3500 m/Tag. Die höheren Abstandsgeschwindigkeiten scheinen mit der Hochwasserzone zu korrelieren, während geringere Fließzeiten im tiefen phreatischen Karst vorherrschen.
Hydrochemische Analysen ergeben für den größten Teil der untersuchten Wasserproben des Karstgrundwasserleiters einen normal erdalkalischen, überwiegend hydrogenkarbonatischen Wassertyp. In der Nähe von kompressiven strukturellen Elementen der miozänen Hauptinversion des Algarve-Beckens zeigt sich die Lösung von Gipsen und Salzen des Hettangs. Das Grundwasser im Bereich von Ortschaften ist häufig
mit erhöhten Phosphatgehalten bis zu maximal 1,65 mg/l und erhöhten Ammoniumgehalten bis maximal 3,6 mg/l belastet. Isotopenanalysen zeigen Mischungsanteile von verschieden alten Wässern in der Quelle Fonte Grande am Nordrand des karbonatischen Grundwasserleiters und deuten auf unterirdische Zuflüsse aus präliassischen Sedimenten in den karbonatischen Grundwasserleiter.
Elektromagnetische Messungen im Ostteil des Karstgrundwasserleiters Querença-Silves belegen die von Grundwassergleichen und Markierungsversuchen gestützte These einer generellen Grundwasserströmung von NNE nach SSW im östlichen Teil des Grundwasserleiters. Die Ergebnisse der elektromagnetischen und hydrogeologischen Untersuchungen korrelieren mit der Interpretation von Satellitenbildlineamenten aus einer Landsat-TM-Szene. Im Süden der zentral gelegenen Paderne-Ebene erfolgt die Grundwasserströmung entlang ESE-WNW streichender struktureller Elemente. Die regional bedeutende E-W verlaufende Algibre-Störung stellt bereichsweise eine Barriere für die Grundwasserströmung dar. Sie trennt den Lias und kleinere Ausbisse des Doggers von jüngeren Formationen im Süden und wirkt sowohl für den Grundwasserleiter Querença-Silves als auch für den Malm im Süden als drainendes Element in Richtung Westen. Im Umfeld der Störung sind Gipse des Hettangs aufgedrungen und wirken stellenweise als Barriere für einen Grundwasserabstrom nach Süden. Die in 0-30° und 90-110° orientierten Hauptfließrichtungen des Grundwassers entsprechen der Richtung transpressiver Scherstörungen in Bezug zum heutigen Spannungsfeld mit einer in 148° orientierten maximalen Hauptspannung (MOECK 2005).
Kontinuierlich registrierende VLF-EM (Very Low Frequency Electromagnetic)-Messungen liefern deutliche elektromagnetische Anomalien über hydraulisch leitfähigen Strukturen des Karstgrundwasserleiters. Der kombinierte Einsatz von VLF-EM, AMT (Audiomagnetotellurik) und einem Tracertest mit Bakteriophagen (DILL et al. 1999) in einem Testgebiet in jurassischen Karbonaten südlich der Algibre-Störung deutet auf 20-30° streichende Strukturen („Karst-Kanäle“) hin, die kleinen scheinbaren elektrischen Widerstand und kleine Outphase in den VLF-Messungen zeigen. Die Form der elektromagnetischen Anomalien über den „Karst-Kanälen“ lässt Vergleiche mit elektromagnetischen Messprofilen in Bereichen des karbonatischen Grundwasserleiters zu, in denen keine detaillierten hydrogeologischen Untersuchungen durchgeführt wurden. Die Interpretation von scheinbaren elektrischen Widerständen aus AMT-Messungen, in denen hohe Anisotropiekoeffizienten (ρmax/ ρmin) auftreten, weisen auf 0-30° (±15°) und
untergeordnet 90-120° (±15°) streichende, hydraulisch wirksame Strukturen in den Beckensedimenten hin. Demgegenüber deuten tiefe Frequenzen der AMT-Messungen und damit verbundene große Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen auf potentiell leitfähige Strukturen in der paläozoischen Beckenbasis mit einer Orientierung in 60° (±15°). In der Polje südlich von Benafim Grande (Vala Grande) zeigt sich in den AMT-Messungen der Einfluß der tieferen Struktur der Beckenbasis auf die Beckensedimente. In den nördlich des Grundwasserleiters Querença-Silves aufgeschlossenen und die Basis des Beckens bildenden paläozoischen Schiefern und Grauwacken erfolgt Grundwasserfließen vor allem an paläozoisch vorgeprägten 60-90° (±15°) streichenden Strukturen.
ABSTRACT
The combined use of hydrogeologic and electromagnetic methods were applied to detect potential conductive structures in the subsurface of the largest Jurassic aquifer in the central Algarve (Portugal) between Querença and Fontes. These investigations lead to a deeper insight in the context between subsurface groundwater pathways und the recent regional stress field. In the central Algarve mainly tectonic structures acting as strike-slip-faults in the current stress field are considered as hydraulically conductive.
The water balance of the aquifer Querença-Silves is balanced in years with average precipitation. Because of the immense water consume due to agriculture activities a deficit occurs in years with underaverage precipitation. The aquifer gets water from regional precipitation, river sinks and with high probability from subterranean alimentation from older formations proved by isotope analysis. Agriculture in the region of the aquifer Querença-Silves needs a minimum of 25 Mio. m3/a, but in reality the amount rises up to 83 Mio. m3/a. An optimised irrigation could minimize the agricultural water consumption to a quarter of the actual value. Beside the recharge of 62 Mio. m3/a coming from precipitation 58 Mio. m3/a are coming additional from surrounding lithologies and river sinks. Real Evaporation in the study area is between 55 and 60 %. In the catchment area of the river Alte groundwater recharge in a year with rainfall a few mm below average precipitation is calculated to 18 %. After evaluation of water consumption with a satellite derived land-use and vegetation mapping under this reduced rainfall a deficit of –0,6 Mio m3 occurs in this part of the whole catchment area.
High well production rates are supposed at crossing points of satellite lineaments. Low groundwater temperatures as a fingerprint to fast infiltration occur also at the crossings of satellite lineaments and locally in wells near episodicaly flowing rivers.
Tracer tests in the Lias and Dogger dolomites and limestones give groundwater velocities between 3 and 3500 m/day. Higher velocities seem to correlate with the karstic high water zone whereas lower velocities seem to represent the deep phreatic zone.
Hydrochemic analysis indicate a normal earth alkaline, mainly hydrogencarbonatic water type for most of the examined water samples. Solution of gypsum and salt occur in the surrounding area of compressive structural elements reactivated during Miocene main inversion phase of the Algarve-Basin. Groundwater near villages is often contaminated with high concentrations of phosphate up to 1,65 mg/l and ammonia up to 3,6 mg/l. Isotope analysis show mixtures of groundwater of different ages in the source Fonte Grande at the northern border of the carbonatic aquifer.
Electromagnetic measurements in the east of the karstic aquifer Querença-Silves prove the general groundwater flow from NNE to SSW in the eastern part of the aquifer proposed by groundwater isolines and tracer tests. The results of electromagnetic and hydrogeologic surveys correlate with the interpretation of satellite lineaments derived from a landsat-TM-scene. In the south of the central located Paderne Plain groundwater flow is bounded to ESWNW orientated structural elements. The regional important E-W striking Algibre-fault divides the Lias und some distinct outcrops of the Dogger from younger formations in the south und is acting as a draining element for the aquifer Querença-Silves and for the Malm in the south. In the surrounding of the fault gypsum
rose up, decreases locally the permeability and acts sometimes as a barrier for groundwater flow to the south. The 0-30° and 90-110° orientated main groundwater pathways correspond to the direction of transpressive strike-slip-faults in relation to the recent stress field with the maximium main stress direction orientated in 148° (MOECK 2005).
Continuously registering VLF-EM (Very Low Frequency Electromagnetic)-measurements show clearly electromagnetic anomalies over hydraulically conductive structures of the karstic aquifer. The combined use of VLF-EM, AMT (Audio Magnetotellurics) and a tracer test with bacteriophages (DILL et al. 1999) in a test site in Jurassic carbonates south of the Algibre-fault point to 0-30° stroking structures (so called „karstic-channels”) which show small apparent resistivities und small Outphase in the VLF-EM-measurements. The shape of the electromagnetic anomaly leeds to comparisons with electromagnetic profiles in regions of the carbonatic aquifer where hydrogeologic investigations have not been executed yet.
The interpretation of apparent electric resistivities derived from AMT-measurements in which high coefficients of anisotropy (ρmax/ ρmin) occur, point to 0-30° (±15°) and
subordernarily 90-120° (±15°) trending hydraulic effective structures in the sediments of the basin. In contrast low frequencies of AMT-measurements and coupled large depth of penetration („skin”) of electromagnetic waves point to potentiell conductive structures in the Paleozoic basement with an orientation of 60° (±15°). In the polje south of Benafim Grande (Vala Grande) the influence of deep structures of the basement to the basin sediments is obvious in the AMT-measurements. In the Paleozoic schists and greywakes of the basement north of the aquifer Querença-Silves groundwater flow is related on Paleozoic generated 60-90° (±15°) stroking structures.
VORWORT
Am Institut für Angewandte Geowissenschaften II der Technischen Universität Berlin entstand der Gedanke den bisher wenig erforschten Zusammenhang von neotektonisch aktiven Scherstörungen und hydraulischer Leitfähigkeit exemplarisch im neotektonisch aktiven Zentralalgarve (Portugal) zu untersuchen. Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft über drei Jahre finanzierte Forschungsprojekt „Hydrotektonik von Grundwasserleitern im rezenten Spannungsfeld” sollte dazu im speziellen die Diskriminierung von wasserleitenden und wasserhemmenden Strukturen in Relation zum rezenten Spannungsfeld und zu Paläospannungsfeldern erlauben.
An vorderster Stelle sei den warmherzigen portugiesischen Bauern und ausländischen Residenten gedankt, die mich bereitwillig und freundlich bei den wissenschaftlichen Messungen unterstützten.
Mein Dank gilt auch in erster Linie meiner Projektpartnerin Inga Moeck für die sehr gute Teamarbeit in jeglicher Situation.
Dem Projektleiter Herrn Professor Tröger sei gedankt für seine Kontaktfreudigkeit und der Fähigkeit selbst in anstrengenden Situationen Spaß an der Arbeit zu vermitteln.
Herrn Professor Sauter sei gedankt für die Übernahme des Korreferats.
Dem zweiten Projektleiter Herrn Dr. Heinz Schandelmeier sei gedankt für dessen situativ reagierendes Organisationstalent und angepaßtem Handeln im Gelände.
Für die fachliche Diskussion, ihre warmherzige Art und der Auswertung der VLF-EM-Profile vielen Dank an Professorin Amelia Carvalho-Dill (IGM Portugal und Centro de Valorização de Recursos Minerais do Instituto Superior Técnico de Lisboa. Av. Rovisco Pais, Apartado 1096 Lisboa codex, Portugal). Damit verbunden sogleich ein Dank und Gruß an meinen in Faro (Portugal) lebendenden Kollegen, Freund, leidenschaftlichen
„Toasta mista-Esser” und Motivationskünstler aus Holland Tibor Stigter.
Herrn Prof. Müller (Centre d'Hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel, 11, R. Emile Argand, CH-2007 Neuchâtel, Suisse) gebührt ein großer Dank für die theoretische und praktische Einführung in die angewandte Feld-Elektromagnetik.
Den Gemeindeverwaltungen der Landkreise (conselhos) Albufeira, Silves und Loule sei gedankt für die Herausgabe von Informationen zur Trinkwasserversorgung.
Bedanken möchte ich mich bei der associação de regantes e beneficiarios de Silves, Lagoa e Portimao für die Bereitschaft Daten ihrer Bewässerungsareale auszuhändigen. Ein Dank auch an die Studenten der TU Berlin Jörg Volkmann und Sven Menge, die innerhalb der Themenstellung des Projektes ihre Diplomarbeit anfertigten und einen wesentlichen Beitrag zum Gelingen des Vorhabens beigetragen haben.
Meiner Kollegin Daniela Gerstner Dank für fachliche Diskussion und für die Mithilfe und den Ehrgeiz bei der Durchführung der Tracerversuche.
Gedankt sei Herrn Ulf Thorweihe für die Diskussion der isotopenhydrologischen Ergebnisse und Herrn Traugott Scheytt für Anregungen und Hinweise zur Durchführung der Feldmessungen.
Herrn Bert Keers (Centrum voor Isotopen Onderzoek, Rijksuniversteit Groningen) ein Dankeschön für die Diskussion der Resultate aus den Isotopenanalysen.
Der IAEA (International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria) sei gedankt für den Zugang zu Messreihen von Umweltisotopen.
Meinen Eltern möchte ich danken, die mir eine Mischung aus Verwurzelung und Kontaktfreudigkeit mit auf den Weg gaben.
Der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die das Projekt „Hydrotektonik von Grundwasserleitern im rezenten Spannungsfeld” finanzierte, bin ich zu Dank verpflichtet.
INHALTSVERZEICHNIS KURZFASSUNG ...I ABSTRACT... III VORWORT... V ABBILDUNGSVERZEICHNIS ... X TABELLENVERZEICHNIS... XVII FORMELVERZEICHNIS ... XX BILDERVERZEICHNIS ...XXI VERZEICHNIS ANHANG...XXIII SYMBOL- UND ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ...XXIV
1 EINLEITUNG... 1
1.1 PROJEKTZIEL UND METHODEN... 1
1.2 STAND DER FORSCHUNG... 1
1.3 LAGE DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES... 4
2 GEOGRAPHIE... 6 2.1 KLIMA... 6 2.1.1 Temperatur... 6 2.1.2 Niederschlag ... 6 2.2 GEOMORPHOLOGIE... 10 2.3 BÖDEN... 12
2.4 VEGETATION UND LANDNUTZUNG... 13
2.5 WIRTSCHAFT UND TOURISMUS... 15
3 REGIONALE GEOLOGIE ... 16
3.1 STRATIGRAPHIE... 16
3.2 VERKARSTUNG... 18
3.3 TEKTONIK... 20
3.3.1 Strukturelle Entwicklung des Algarve-Beckens... 20
3.3.2 Neotektonik ... 22
3.3.3 Schichteinfallen, Kluftrichtungen und Verkarstungsrichtungen ... 23
3.3.4 Satellitenbildlineamente... 24 4 HYDROLOGIE ... 26 4.1 OBERFLÄCHENGEWÄSSER... 26 4.1.1 Algibre ... 26 4.1.2 Alte ... 28 4.2 QUELLEN... 29 4.2.1 Fonte Grande ... 33
4.2.2 Fonte Benémola ... 33
4.2.3 Fonte de Paderne ... 34
4.2.4 Quellen am Arade ... 35
4.3 WASSERHAUSHALT... 37
4.3.1 Wasserbilanz im Gebiet des Grundwasserleiters Querença-Silves... 38
4.3.1.1 Niederschlag ... 39
4.3.1.2 Evapotranspiration ... 40
4.3.1.3 Abfluss ... 41
4.3.1.3.1 Oberirdischer Abfluss ... 41
4.3.1.3.2 Unterirdischer Abfluss ... 42
4.3.1.4 Vegetations- und Landnutzungsklassifizierung mittels Landsat-TM... 44
4.3.1.5 Wasserverbrauch... 45
4.3.1.5.1 Wasserverbrauch der Landwirtschaft... 45
4.3.1.5.2 Wasserentnahmen der Kommunen, der Industrie und für den Tourismus ... 47
4.3.1.5.3 Gesamtverbrauch ... 49
4.3.1.6 Grundwasserneubildung... 49
4.3.2 Wasserbilanz des Einzugsgebietes des Alte ... 53
4.3.2.1 Niederschlag ... 53
4.3.2.2 Evapotranspiration ... 53
4.3.2.3 Abfluss ... 54
4.3.2.4 Vegetations- und Landnutzungsklassifizierung mittels Landsat-TM... 55
4.3.2.5 Wasserverbrauch... 57
4.3.2.6 Grundwasserneubildung... 57
4.3.2.6.1 Grundwasserergänzung über die Chloridbilanz ... 57
4.3.2.6.2 Grundwasserneubildung aus der Wasserbilanz ... 57
5 HYDROGEOLOGIE... 59
5.1 GRUNDWASSERDYNAMIK... 59
5.1.1 Grundwassergleichen... 59
5.1.1.1 Grundwassergleichen im Karstgrundwasserleiter Querença-Silves... 59
5.1.1.2 Grundwassergleichen in Trias und Hettang ... 62
5.1.1.3 Grundwassergleichen im Paläozoikum ... 63
5.1.2 Pumpversuche ... 63
5.1.2.1 Transmissivitäten und Leistungsquotienten in Bezug zu Satellitenbildlineationen ... 64
5.1.2.2 Porosität ... 69
5.1.3 Markierungsversuche... 69
5.1.3.1 Tracerversuch MA: Vala Grande bei Benafim Grande ... 71
5.1.3.1.1 Eingabe und Probenentnahmestellen ... 71
5.1.3.1.2 Ergebnisse ... 72
5.1.3.2 Tracerversuch MB: Ribeira de Algibre nördlich der Algibre-Störung... 73
5.1.3.2.1 Eingabe und Probenentnahmestellen ... 73
5.1.3.2.2 Ergebnisse ... 74
5.1.3.3 Markierungsversuche des GTZ-Projektes „Projeto dos Regadios da Provincia do Algarve“ (1983-1989) ... 76 5.2 GRUNDWASSERBESCHAFFENHEIT... 80 5.2.1 Probenahme ... 80 5.2.2 Klassifizierung ... 81 5.2.3 Einzelparameter... 83 5.2.3.1 Sensorische Prüfung... 86 5.2.3.2 Temperatur ... 86 5.2.3.3 Leitfähigkeit ... 88 5.2.3.4 pH-Wert ... 89
5.2.3.5 Sauerstoffgehalt und Redoxpotential ... 90
5.2.3.6 Gesamthärte ... 92
5.2.3.7 Karbonathärte... 93
5.2.3.9 Magnesium... 95 5.2.3.10 Natrium ... 96 5.2.3.11 Kalium ... 97 5.2.3.12 Chlorid ... 98 5.2.3.13 Sulfat ... 99 5.2.3.14 Nitrat ... 100 5.2.3.15 Nitrit... 101 5.2.3.16 Phosphat... 102 5.2.3.17 Ammonium ... 103 5.2.3.18 Eisen... 103 5.2.3.19 Silizium ... 104 5.2.3.20 Strontium... 105
5.2.3.21 Spurenelemente Kupfer, Lithium und Bor ... 106
5.2.4 Ionenbilanz... 106
5.2.5 Ionenverhältnisse und Korrelation physikalisch-chemischer Parameter... 107
5.2.5.1 Einführung ... 107 5.2.5.2 Ca2+/Mg2+... 107 5.2.5.3 Ca2+/Sr2+... 109 5.2.5.4 Erdalkali-Alkaliverhältnis ... 110 5.2.5.5 Cl-/HCO3-... 111 5.2.5.6 Na+/Cl-... 112 5.2.5.7 Na++K+-Cl-... 114
5.2.5.8 Sodium Absorption Ratio (SAR) ... 115
5.2.6 Trinkwasserqualität ... 116
5.2.7 Isotopenhydrologie ... 119
5.2.7.1 Probenahme und Analyse... 119
5.2.7.2 Ergebnisse ... 120
5.2.7.2.1 Deuterium und Sauerstoff-18 ... 121
5.2.7.2.2 Altersbestimmung ... 122
5.3 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN GRUNDWASSERDYNAMIK UND GRUNDWASSERBESCHAFFENHEIT MIT DEM STÖRUNGSMUSTER... 126
6 ELEKTROMAGNETISCHE METHODEN ZUR ERKUNDUNG LEITFÄHIGER STRUKTUREN IM UNTERGRUND ... 128
6.1 ÜBERBLICK UND GERÄTEAUSSTATTUNG... 128
6.2 VERY LOW FREQUENCY RESISTIVITY (VLF-R)... 128
6.2.1 Zielsetzung ... 128
6.2.2 Theorie ... 128
6.2.3 Messmethodik... 130
6.2.4 Ergebnisse... 132
6.3 VERY LOW FREQUENCY ELECTROMAGNETICS (VLF-EM) ... 135
6.3.1 Zielsetzung ... 135 6.3.2 Theorie ... 135 6.3.3 Messmethodik... 136 6.3.4 Ergebnisse... 137 6.4 AUDIOMAGNETOTELLURIK (AMT)... 139 6.4.1 Zielsetzung ... 139 6.4.2 Theorie ... 139
6.4.3 Messmethodik und Darstellungsmethoden... 139
6.4.4 Ergebnisse... 144
6.5 KOMBINIERTER EINSATZ VON ELEKTROMAGNETISCHEN UND HYDROGEOLOGISCHEN UNTERSUCHUNGEN SÜDLICH DER ALGIBRE-STÖRUNG... 156
7 SCHLUSSFOLGERUNGEN ... 158
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
ABB. 1: LAGE DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES (TRÖGER ET AL. 2001) ... 4 ABB. 2: AUSBISS DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES MIT QUELLEN (DUNKELBLAU), FLÜSSE (HELLBLAU): ALCANTARILHA, ALGIBRE MIT
PEGELSCHREIBER UND ALTE MIT PEGELSCHREIBER, STÖRUNGEN (DICKE SCHWARZE LINIEN) UND SATELLITENBILDLINEATIONEN (DÜNNE SCHWARZE LINIEN), KOORDINATEN SIEHE ABB. 7 (KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000... 5 ABB. 3: ABHÄNGIGKEIT DER NIEDERSCHLAGSHÖHE VON DER GEOGRAPHISCHEN HÖHE ... 7 ABB. 4: SCHWANKUNGEN DER NIEDERSCHLAGSMENGEN IM ZENTRALALGARVE (SÃO BRAS DE ALPORTEL) ... 8 ABB. 5: NIEDERSCHLAGSVERTEILUNG IM DETAILLIERT UNTERSUCHTEN OSTTEIL DES UNTER- BIS MITTELJURASSISCHEN GRUNDWASSERLEITERS NACH
MITTELWERTEN DER JÄHRLICHEN NIEDERSCHLÄGE ZWISCHEN 1980/81 UND 1995/1996 (ROT: WETTERSTATIONEN, BLAUE MESSSTELLEN: WASSERPROBEN AUS KAP. 5.2, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000)... 8 ABB. 6: SÄULENPROFIL (QUIL 1987) ... 16 ABB. 7: GEOLOGISCHE KARTE DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES MIT DEM 150°
STREICHENDEN SÃO MARCOS-QUARTEIRA-STÖRUNGSSYSTEM (SMQS) IM ZENTRUM (MOECK IN TRÖGER ET AL. 2001, VGL. KAP. 1.3: ABB. 2 UND KAP. 6.4.3: ABB. 86) ... 17 ABB. 8: PALÄOSPANNUNGSFELDER (MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000) ... 21 ABB. 9: NEOTEKTONISCHE KARTE VON PORTUGAL (MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000).. 22 ABB. 10: KLUFT- UND VERKARSTUNGSRICHTUNGEN IM OSTTEIL DES
UNTERSUCHUNGSGEBIETES (MOECK IN TRÖGER ET AL. 2001)... 23 ABB. 11: LANDSAT-TM- SZENE JUNI 1997 (ROTER KASTEN: AUSWERTUNG DER
LINEATIONEN SIEHE ABB. 12) ... 25 ABB. 12: SATELLITENBILDLINEAMENTE UND STÖRUNGEN (MOECK IN TRÖGER ET AL. 2001) ... 25 ABB. 13: QUELLAUSTRITTE IM WESTEN DES KARSTGRUNDWASSERLEITERS AM ARADE (VERÄNDERT NACH TRÖGER 1987)... 35 ABB. 14: NIEDERSCHLAGSISOHYETEN (MM) DES HYDROLOGISCHEN JAHRES 1997/1998 (METEOROLOGISCHES MESSNETZ DER DRARNA MIT DEN STATIONEN S. B. DE
MESSINES, SANTA MARGARIDA, SALIR, PADERNE UND MIT DER STATION ALGOZ, DIE CA. 1 KM WESTLICH DES KARTENAUSSCHNITTES LIEGT, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000) ... 39 ABB. 15: NIEDERSCHLAGSISOHYETEN (MM) DES HYDROLOGISCHEN JAHRES 1998/99 (FEHLENDE MESSUNGEN AB 2/99 BZW. 3/99 HOCHGERECHNET AUS NIEDERSCHLÄGEN DER WETTERSTATION AM ARADE, VGL. TAB. 6)... 39
ABB. 16: QUELLABFLÜSSE AM ARADE IM QUELLGEBIET BEI FONTES VOM 25.04.1998-20.03.2000 ... 43 ABB. 17: VEGETATIONS- UND LANDNUTZUNGSKLASSIFIZIERUNG (LEGENDE SIEHE TAB. 10)... 44 ABB. 18: TRINKWASSERFASSUNGEN (BLAUE PUNKTE, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN TRÖGER ET AL. 2001)... 48 ABB. 19: OBERIRDISCHES EINZUGSGEBIET DES ALTE (VGL. ABB. 22,
KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000)... 53 ABB. 20: POTENTIELLE MONATLICHE EVAPOTRANSPIRATION (FARO) NACH PROF. BELTRÃO (PERS. MITT.), NIEDERSCHLÄGE DER STATIONEN PADERNE UND SANTA
MARGARIDA UND DARAUS VEREINFACHT BERECHNETE ETREELL... 54
ABB. 21: ABFLUSS DES ALTE IM ZEITRAUM 20.12 1997 BIS 18.03.1998 ... 55 ABB. 22: VEGETATIONS- UND LANDNUTZUNGSKLASSIFIZIERUNG DES
EINZUGSGEBIETES DES ALTE (LEG. SIEHE TAB. 19)... 56 ABB. 23: GRUNDWASSERGLEICHENPLAN MÄRZ 1998 (21 MESSSTELLEN, HÖHEN IN MNN, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000) ... 60 ABB. 24: GRUNDWASSERGLEICHENPLAN OKTOBER 1998 (53 MESSSTELLEN, HÖHEN IN MNN, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000) ... 60 ABB. 25: GRUNDWASSERGLEICHENPLAN FEBRUAR 1999 (43 MESSSTELLEN, HÖHEN IN MNN, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000) ... 61 ABB. 26: GRUNDWASSERGLEICHENPLAN NOVEMBER/DEZEMBER 1999 (9
MESSSTELLEN, HÖHEN IN MNN, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000) ... 61 ABB. 27: GRUNDWASSERGLEICHENPLAN IN DER SÜDLICHEN PADERNE-EBENE IM OKTOBER 1998 (ROT: 22 MESSSTELLEN, HÖHEN IN MNN, KARTENGRUNDLAGE: CARTA MILITAR DE PORTUGAL, BLATT 596 ALGOZ, MAßSTAB 1:25000) ... 62 ABB. 28: GRUNDWASSERFLIEßRICHTUNG IN DEN PRÄLIASSISCHEN SEDIMENTEN NÖRDLICH VON TORRE (HÖHEN IN MNN, KARTENGRUNDLAGE: CARTA MILITAR DE PORTUGAL, BLATT 587 S. BARTOLOMEU DE MESSINES, MAßSTAB 1:25000)... 62 ABB. 29: OBERFLÄCHENNAHE GRUNDWASSERFLIEßRICHTUNG IM PALÄOZOIKUM NÖRDLICH DES PICO ALTO BEI MONTINHO (HÖHEN IN MNN, KARTENGRUNDLAGE: CARTA MILITAR DE PORTUGAL, BLATT 587 S. BARTOLOMEU DE MESSINES, MAßSTAB 1:25000)... 63 ABB. 30: LAGE VON EIGENEN PUMPVERSUCHEN UND PUMPVERSUCHEN LOKAL ANSÄSSIGER BOHRFIRMEN (P22 UND P23 LIEGEN WENIGE KILOMETER NÖRDLICH DER KARTENDARSTELLUNG IM PALÄOZOIKUM, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN TRÖGER ET AL. 2001) ... 64 ABB. 31: LEISTUNGS-ABSENKUNGSDIAGRAMM DER PUMPVERSUCHE P1-P24... 66 ABB. 32: PUMPVERSUCHSAUSWERTUNG P31 ... 68
ABB. 33: LAGE VON MARKIERUNGSVERSUCHEN (MA UND MB: PROJEKTEIGENE VERSUCHE, M1-M7: GTZ-PROJEKT, 1983-1989, KARTENGRUNDLAGE: MOECK IN
TRÖGER ET AL. 2001) ... 70
ABB. 34: VERSUCHSANORDNUNG UND MAXIMALE ABSTANDSGESCHWINDIGKEITEN DES MARKIERUNGSVERSUCHES MA: VALA GRANDE SÜDLICH VON BENAFIM GRANDE (I: URANINEINGABE, A1-A6: PROBENENTNAHMESTELLEN, BLAUE LINIEN: GRUNDWASSERABSTROM MIT MAXIMALEN ABSTANDSGESCHWINDIGKEITEN IN M/TAG, KARTENGRUNDLAGE: CARTA MILITAR DE PORTUGAL, BLATT 597 QUERENÇA, MAßSTAB 1:25000) ... 71
ABB. 35: TRACERDURCHGANGSKURVE BEI MA4 (WEITERE MESSSTELLEN SIEHE ANHANG B1A)... 73
ABB. 36: VERSUCHSANORDNUNG DES MARKIERUNGSVERSUCHES MB: RIBEIRA DE ALGIBRE NÖRDLICH DER ALGIBRE-STÖRUNG (I: EINGABEBRUNNEN, BX = MBX: PROBENENTNAHMESTELLEN, KARTENGRUNDLAGE: CARTA MILITAR DE PORTUGAL, BLATT 597 QUERENÇA, MAßSTAB 1:25000) ... 74
ABB. 37: TRACERDURCHGANGSKURVE MB2... 75
ABB. 38: TRACERVERSUCHE M1B UND M1C: FONTE BENÉMOLA (NACH TRÖGER 1987, KELLNER & TRÖGER 1989, KARTENGRUNDLAGE: CARTA MILITAR DE PORTUGAL, BLATT 597 QUERENÇA, MAßSTAB 1:25000) ... 78
ABB. 39: TRACERVERSUCH M2 BEI ESTEVAL DE MOUROS MIT E: EINGABEBRUNNEN, PX: PROBENENTNAHMESTELLEN (NACH TRÖGER 1987, KARTENGRUNDLAGE: CARTA MILITAR DE PORTUGAL, BLATT 597 QUERENÇA, MAßSTAB 1:25000)... 79
ABB. 40: TRACERVERSUCH M4 BEI SOBRADO (DUSSEL & MOECK IN TRÖGER ET AL. 2001) ... 79
ABB. 41: PROBENENTNAHMESTELLEN IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES: B1-B63 (KARTENGRUNDLAGE IN DIESER ABBILDUNG UND IN DEN FOLGENDEN VERTEILUNGSKARTEN: MOECK IN TRÖGER ET AL. 2001) ... 80
ABB. 42: PROBENENTNAHMESTELLEN IM WESTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES (B64-B72, ROTER RAHMEN: NÄHERES UNTERSUCHUNGSGEBIET OSTTEIL)... 81
ABB. 43: PIPER-DIAGRAMM DER WASSERPROBEN ... 82
ABB. 44: ZUSAMMENHANG BOHRTIEFE UND TEMPERATUR ... 86
ABB. 45: GRUNDWASSERTEMPERATUREN (°C) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 87
ABB. 46: ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEITEN (µµµµS/CM) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 88
ABB. 47: PH-WERTE IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES... 89
ABB. 48: SAUERSTOFFGEHALTE (%) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 91
ABB. 50: GESAMTHÄRTEN (°DH) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 92
ABB. 51: KARBONATHÄRTEN (°DH) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 93
ABB. 52: KALZIUMKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 94
ABB. 53: MAGNESIUMKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 95
ABB. 54: NATRIUMKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 96
ABB. 55: KALIUMKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 97
ABB. 56: CHLORIDKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 98
ABB. 57: SULFATKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 99
ABB. 58: NITRATGEHALTE (MG/L) AUS FELDMESSSUNGEN UND UMGERECHNETEN LABORANALYSEN IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES (GRÜN: EG-RICHTWERT VON 25 MG/L, ROT: EG-GRENZWERT VON 50 MG/L)... 100
ABB. 59: VERGLEICH DER IM GELÄNDE UND IM LABOR GEMESSENEN NITRATGEHALTE ... 101
ABB. 60: NITRITGEHALTE (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 101
ABB. 61: PHOSPHATKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 102
ABB. 62: AMMONIUMKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 103
ABB.63: SILIZIUMKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 104
ABB. 64: STRONTIUMKONZENTRATIONEN (MG/L) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 105
ABB. 65: IONENBILANZFEHLER DER WASSERPROBEN... 107
ABB. 66: KORRELATION CA2+/MG2+... 108
ABB. 67: CA2+/MG2+-VERHÄLTNISSE IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES... 108
ABB. 68: CA2+/SR2+-VERHÄLTNISSE IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES... 109
ABB. 69: KORRELATION CA2+/SR2+... 110
ABB. 70: ERDALKALI-ALKALIVERHÄLTNISSE ((CA2++MG2+)/(NA++K+)) IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 110
ABB. 71: CL-/HCO3--VERHÄLTNIS IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 111
ABB. 72: KORRELATION CL/ HCO3... 112
ABB. 73: KORRELATION NA+/CL-... 112
ABB. 74: NA+/CL--VERHÄLTNIS IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 113
ABB. 75: IONENAUSTAUSCHINDEX NA++K+-CL- IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 114
ABB. 76: KORRELATION VON NA++K+-CL-... 114
ABB. 77: SAR IM OSTTEIL DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES ... 115
ABB. 78: ENTNAHMESTELLEN DER ISOTOPENPROBEN MIT GEMESSENEN TRITIUMGEHALTEN (KARTENGRUNDLAGE VERÄNDERT NACH MOECK IN TRÖGER ET AL. 2001) ... 119
ABB. 79: DEUTERIUM- UND O-18-GEHALTE DER GRUNDWASSERPROBEN IM VERGLEICH ZUR METEORIC WATER LINE (MWL MIT ∆H-2 = 8 · ∆O-18 +10)... 122
ABB. 80: PLOTS VON TRITIUM BZW. 14C GEGENÜBER ∆13C ... 125
ABB. 81: THEORIE DER VLF-R (NACH ABEM 19XXA, IN STIEFELHAGEN 1998) ... 128
ABB. 82: SCHEMATISCHE DARSTELLUNG VERSCHIEDENER KLUFTMUSTER UND DAZU GEHÖRENDEN AZIMUTALEN WIDERSTANDSFIGUREN (NACH TAYLOR UND FLEMING 1988, IN SINGHAL & GUPTA 1999) ... 130
ABB. 83: VLF-R NACH KOLL & MÜLLER (1989, IN STIEFELHAGEN 1998)... 132
ABB. 84: VLF-EM FELD ÜBER GUT LEITENDER DÜNNER VERTIKALER SCHICHT (NACH PARASNIS 1986; TURBERG UND MÜLLER 1992; STIEFELHAGEN UND RAETZO 1995, IN STIEFELHAGEN 1998)... 135
ABB. 85: VLF-EM-PROFILE IN BEZUG ZU SATELLITENBILDLINEAMENTEN (ANGEGEBEN IST DIE OUTPHASE ALS PROZENT DES REFERENZFELDES HY, IN DUSSEL, CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999) ... 138
ABB. 86: STANDORTE DER AMT-MESSUNGEN MIT JEWEILS 6 AUSLAGEN. AUS DEN MESSUNGEN ABGELEITETEN ORIENTIERUNGEN LEITFÄHIGER STRUKTUREN KOMBINIERT MIT DEN AUS HYDROGEOLOGISCHEN UNTERSUCHUNGEN ABGESCHÄTZTEN GRUNDWASSERFLIEßRICHTUNGEN (VERÄNDERT NACH DUSSEL, CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999) ... 142
ABB. 87: RICHTUNGSROSE DES SCHEINBAREN ELEKTRISCHEN WIDERSTANDES (DUSSEL, CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999) ... 143
ABB. 88: STANDORTE DER AMT-MESSUNGEN A1- A20 (JEWEILS 6 AUSLAGEN) UND DER AMT-MESSUNGEN A21-A31 (JEWEILS 2 AUSLAGEN) MIT AUS INVERSIONEN ABGESCHÄTZTEN TIEFEN DER BASIS DES UNTER- BIS MITTELJURASSISCHEN KARSTGRUNDWASSERLEITERS (*UNTER EINEM GIPSVORKOMMEN; A17 UND A18: MÄCHTIGKEIT DES UNTER- BIS OBERJURAS)... 143
ABB. 89: RICHTUNGSROSEN DER OBERFLÄCHENNAHEN SCHEINBAREN
ELEKTRISCHEN WIDERSTÄNDE IM ÄUßERSTEN OSTEN DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES UND IM SÜDLICH ANGRENZENDEN OBERJURA (F = 12,7 KHZ, IN DUSSEL, CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999)... 144 ABB. 90: RICHTUNGSROSEN DER OBERFLÄCHENNAHEN SCHEINBAREN
ELEKTRISCHEN WIDERSTÄNDE ZWISCHEN PADERNE UND ESTEVAL DOS MOUROS (F = 12,7 KHZ, IN DUSSEL, CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999)... 145 ABB. 91: RICHTUNGSROSEN DER SCHEINBAREN ELEKTRISCHEN WIDERSTÄNDE IM ÄUßERSTEN OSTEN DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES (DARGESTELLT IST DIE MESSFREQUENZ MIT HÖCHSTEM ANISOTROPIEKOEFFIZIENT, IN DUSSEL, CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999) ... 146 ABB. 92: RICHTUNGSROSEN DER SCHEINBAREN ELEKTRISCHEN WIDERSTÄNDE ZWISCHEN PADERNE UND ESTEVAL DOS MOUROS (DARGESTELLT IST DIE MESSFREQUENZ MIT HÖCHSTEM ANISOTROPIEKOEFFIZIENT, IN DUSSEL,
CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999) ... 147
ABB. 93: ANISOTROPIEKOEFFIZIENTEN K(ρρρρA,MAX(F)/ρρρρA,MIN(F)) DER AMT-MESSUNGEN
A1-A20 (A16 NICHT DARGESTELLT) ... 148 ABB. 94: PROFILE IN DER VALA GRANDE SÜDLICH BENAFIM GRANDE (A21) UND IN DER NAVE DE BARÃO (A26 UND A27) NACH 1D-INVERSIONEN MIT FITVLF2 ... 149 ABB. 95: HYPOTHETISCHES STRATIGRAPHISCHES PROFIL NAVE DAS MEALHAS NACH INVERSION DER MESSDATEN AUS A28 ... 150 ABB. 96: RICHTUNGSROSEN DER OBERFLÄCHENNAHEN SCHEINBAREN
ELEKTRISCHEN WIDERSTÄNDE IN DEN PALÄOZOISCHEN SCHIEFERN UND
GRAUWACKEN NÖRDLICH DES PICO ALTO (F = 12,1 KHZ, IN DUSSEL, CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999) ... 153 ABB. 97.: RICHTUNGSROSEN DER SCHEINBAREN ELEKTRISCHEN WIDERSTÄNDE IN DEN PALÄOZOISCHEN SCHIEFERN UND GRAUWACKEN NÖRDLICH DES PICO ALTO (FREQUENZ MIT HÖCHSTEM ANISOTROPIEKOEFFIZIENTEN, AUS DUSSEL, CARVALHO-DILL & MÜLLER 1999)... 153 ABB. 98: STRATIGRAPHISCHES PROFIL AM PICO ALTO NACH INVERSION DER AMT-DATEN MIT FITVLF2... 154 ABB. 99: SCHEMATISCHER PROFILSCHNITT DER POLJEN VALA GRANDE UND NAVE DE BARÃO... 154 ABB. 100: SCHEMATISCHER PROFILSCHNITT W-E: CABECA GORDA- NAVE DAS
MEALHAS ... 155 ABB. 101: SCHEMATISCHER PROFILSCHNITT W-E: PADERNE-EBENE - RIBEIRA DE ALGIBRE... 156 ABB. 102: KOMBINIERTER EINSATZ VON VLF-EM, AMT UND EINEM
MARKIERUNGSVERSUCH SÜDLICH DER ALGIBRE-STÖRUNG (CARVALHO-DILL ET AL. 1999) ... 157
ABB.103: POTENTIELLE GRUNDWASSERFLIEßWEGE IN BEZUG ZUM ZEITLICH
VARIIERENDEN SPANNUNGSFELD (A: OBERKREIDE, B: UNTERES TERTIÄR, C: OBERES TERTIÄR, D: REZENT, MOECK IN DUSSEL ET AL. 2000) ... 158 ABB. 104: MÖGLICHER TIEFER GRUNDWASSERABSTROM ÜBER 30° STREICHENDE STÖRUNGEN ZU DEN QUELLEN VON OLHOS DE AGUA... 159 ABB. 105: SATELLITENBILDLINEAMENTE DER VERMUTETEN 30° STREICHENDEN STÖRUNGSZONE IN DEN JURASSISCHEN KARBONATEN UND IM NÖRDLICH
TABELLENVERZEICHNIS
TAB. 1: DURCHSCHNITTLICHE LUFTTEMPERATUREN IM UNTERSUCHUNGSGEBIET (LAGE DER WETTERSTATIONEN S. KAP. 2.1.2: ABB. 5) ... 6 TAB.2: MITTELWERTE DER JÄHRLICHEN NIEDERSCHLAGSHÖHE IM
ZENTRALALGARVE (BERECHNET AUS DATEN DER DRARNA) ... 9 TAB. 3: PHYSIKALISCH-CHEMISCHE KENNGRÖßEN DER GEWÄSSER IN DER
QUELLREGION BEI ALTE (28.03.1998) ... 28
TAB. 4: AUSTROCKNUNGSKOEFFIZIENTEN αααα (D-1
)DER QUELLEN (* AUS WENIGEN MESSWERTEN BERECHNET)... 31 TAB. 5: QUELLWASSERTEMPERATUREN UND LEITFÄHIGKEITEN (N = ANZAHL DER MESSUNGEN)... 32 TAB. 6: NIEDERSCHLÄGE IM UNTERSUCHUNGSZEITRAUM IM VERGLEICH MIT
DURCHSCHNITTSWERTEN (* MESSUNGEN BIS 1/99, ** MESSUNGEN BIS 2/99, *** HOCHRECHNUNGEN FÜR DEN GESAMTEN ZEITRAUM AUS DEN MESSUNGEN DER WETTERSTATION AM ARADE) ... 40 TAB. 7: EVAPOTRANSPIRATION NACH VERSCHIEDENEN AUTOREN ... 41 TAB. 8: OBERIRDISCHE ABFLÜSSE DER VORFLUTER IM ÖSTLICHEN
UNTERSUCHUNGSGEBIET (* NICHT MESSBARE ABFLÜSSE IM ZEITRAUM 25.03.1999-10.04.1999 WURDEN MIT VORHERGEHENDEN ABFLUSSEREIGNISSEN KORRELIERT) .... 42 TAB. 9: JÄHRLICHER UNTERIRDISCHER ABFLUSS DER QUELLEN AM ARADE (O. A. = OHNE ANGABE) ... 43 TAB. 10: FLÄCHENANTEILE VON VEGETATION UND LANDNUTZUNGSKLASSEN IM AUSSTRICH DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES... 44 TAB. 11: WASSERVERBRAUCH DER LANDWIRTSCHAFT NACH VERSCHIEDENEN
BERECHNUNGSVARIANTEN (X1: OHNE EFFEKT DER RE-INFILTRATION MIT RC = 0 %,
X2: RC = 5 %, X3: RC = 30 %)... 46
TAB. 12: WASSERVERSORGUNG DURCH DIE STAUDÄMME ARADE UND FUNCHO IM LANDKREIS LAGOA ... 47 TAB. 13: FÖRDERMENGEN DER TRINKWASSERFASSUNGEN DES LANDKREISES SILVES,
(1)
: TRINKWASSERFASSUNG LIEGT AUßERHALB DES GRUNDWASSERLEITERS
QUERENÇA-SILVES. ... 48 TAB. 14: WASSERBILANZ DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES NACH DEM
PNUD-BERICHT (1981) MIT PI = BEWÄSSERUNG, SM = UNTERIRDISCHER UND
OBERIRDISCHER ABFLUSS RICHTUNG MEER, SL = LATERALE DRAINAGE, J1 UND P1:
ANGRENZENDE FORMATIONEN... 50 TAB. 15: INFILTRATION NACH DER KESSLER-METHODE (NACH ALMEIDA 1985) ... 50 TAB. 16: GRUNDWASSERBILANZ DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES NACH FRÜHEREN AUTOREN UND FÜR DAS JAHR 1997/98 (K.A. = KEINE ANGABEN)... 51
TAB. 17: GRUNDWASSERBILANZ DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES ((1)
AUS COSTA (1983), (2) PROJEKTEIGENE AUSWERTUNGEN, (3) MIT 70-80 %
GRUNDWASSERNEUBILDUNG AUS DEM GEBIETSNIEDERSCHLAG NACH TRÖGER
(1987), (4) AUS DER CHLORIDBILANZ IM EINZUGSGEBIET DES ALTE (KAP.4.3.2.6.1), (5) AUS
DER BILANZ DES EINZUGSGEBIETES DES ALTE (KAP.4.3.2.6.2)... 52 TAB. 18: ABFLUSS DES ALTE VOM 19.12.1997 BIS ZUM 20.12.1999 (* NICHT MESSBARE ABFLÜSSE IM ZEITRAUM 25.03.1999-10.04.1999 WURDEN MIT VORHERGEHENDEN ABFLUSSEREIGNISSEN KORRELIERT) ... 55 TAB. 19: FLÄCHENANTEILE VON VEGETATION UND LANDNUTZUNGSKLASSEN IM JURASSISCHEN EINZUGSGEBIET DES ALTE ... 56 TAB. 20: LANDWIRTSCHAFTLICHER WASSERVERBRAUCH IM JURASSISCHEN
EINZUGSGEBIET DES ALTE... 57 TAB. 21: WASSERBILANZ IM JURASSISCHEN EINZUGSGEBIET DES ALTE (DEZ. 1997-NOV. 1998) ... 58 TAB. 22: TRANSMISSIVITÄTEN UND SPEICHERKOEFFIZIENTEN NAHE ALDEIA DA TOR (ABGEÄNDERT NACH ALMEIDA 1985)... 65 TAB. 23: TRANSMISSIVITÄTEN UND LEISTUNGSKOEFFIZIENTEN AUS
PUMPVERSUCHEN DES GTZ-PROJEKTES „PROJECTO DOS REGADIOS DA PROVINÇIA DO ALGARVE“ (TRÖGER 1987, AX: DORTIGE BEZEICHNUNG, P4-P9: OSTTEIL, P10-P18: WESTTEIL) UND PUMPVERSUCHE LOKAL ANSÄSSIGER BOHRFIRMEN (BX), N.G. = NICHT GENANNT, * BOHRUNGEN IN ÄLTERE FORMATIONEN ABGETEUFT) ... 65 TAB. 24: PUMPVERSUCHE (VERÄNDERT NACH MENGE (1999) UND VOLKMANN (1999), *
BOHRUNGEN IN ÄLTERE FORMATIONEN ABGETEUFT (TW: AUSWERTUNG DES
WIEDERANSTIEGS) ... 67 TAB. 25: BEREICHE FÜR POROSITÄT, EFFEKTIVE POROSITÄT UND NUTZBARES
KLUFTVOLUMEN (1)AUS SINGHAL & GUPTA 1999, NACH MORRIS UND JOHNSON 1967:
HAMILL UND BELL 1986, 2) AUS MATTHESS & UBELL (1983))... 69 TAB. 26: MAXIMALE ABSTANDSGESCHWINDIGKEITEN, MAXIMALE
URANINKONZENTRATIONEN UND FLIEßRICHTUNG (TRACERVERSUCH MA: VALA GRANDE BEI BENAFIM GRANDE) ... 72 TAB. 27: MAXIMALE ABSTANDSGESCHWINDIGKEITEN, MAXIMALE
URANINKONZENTRATIONEN UND FLIEßRICHTUNG (TRACERVERSUCH MB: RIBEIRA DE ALGIBRE, *NICHT AUSWERTBAR AUF GRUND GERINGER MESSDICHTE, IN
KLAMMERN: UNDEUTLICHE MAXIMA) ... 75 TAB. 28: MARKIERUNGSVERSUCHE DES „PROJETO DOS REGADIOS DA PROVINCIA DO ALGARVE“ (1983-1989) (ZUSAMMENGESTELLT UND ERGÄNZT AUS KELLNER &
TRÖGER 1989 UND *TRÖGER 1987, ** MESSZEITRAUM: 1 JAHR) ... 77
TAB. 29: GRUNDWASSERTYPEN ((SO4)*: SULFAT WAR IN DIESEN PROBEN AUF GRUND
REDUZIERENDER PROZESSE NICHT NACHWEISBAR: BILDUNG VON H2S)... 83
TAB. 30 (FOLGENDE ZWEI SEITEN): CHARAKTERISTISCHE IONENKONZENTRATIONEN, PHYSIKALISCH-CHEMISCHE PARAMETER UND IONENVERHÄLTNISSE DES
(AUSGENOMMEN IST DAS VON MEERWASSERINTRUSION BEEINFLUSSTE QUELLGEBIET BEI FONTES (B71, B72). DER „NORMALTYP” DES
GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES WURDE AUS 51 NICHT ODER NUR WENIG SALINAR BEEINFLUSSTEN GRUNDWASSERPROBEN BESTIMMT... 84 TAB. 31: GESAMTHÄRTEN... 92 TAB. 32: ANZAHL DER PROBEN IN DEN VON DER WHO (1984) VORGESCHLAGENEN QUALITÄTSEINSTUFUNGEN (ÜBERSETZT, NACH SINGHAL & GUPTA 1999)... 116 TAB. 33: GRENZWERTÜBERSCHREITUNGEN (ANZAHL PROBEN N = 73, WENN NICHT ANDERS VERMERKT, * SULFATGEHALTE BIS 500 MG/L WERDEN TOLERIERT, SOFERN SIE GEOGEN BEDINGT SIND, ** AMMONIUMGEHALTE BIS ZU 30 MG/L WERDEN
TOLERIERT, SOFERN SIE GEOGEN BEDINGT SIND, *** EISENGEHALTE BIS 0,5 MG/L
WERDEN TOLERIERT, SOFERN DIE JÄHRLICHE ABGABE BIS 1000 M3 BETRÄGT) ... 117
TAB. 34: ERGEBNISSE DER ISOTOPENANALYSEN (1) KORRIGIERT MIT
ANGENOMMENEM INITIALEM ∆13C VON -13 ‰, 2) KORRIGIERT MIT ANGENOMMENEM
INITIALEM ∆13C VON -15,94 ‰, IN KLAMMERN ANGEGEBENE THEORETISCH
ERRECHNETE ALTERSANGABEN SIND NUR INSOFERN QUALITATIV ZU
INTERPRETIEREN, DASS MISCHWÄSSER UNTERSCHIEDLICHER ALTER VORLIEGEN,
DER INITIALE ∆13C UND DER AUSGANGSGEHALT AN C-14 NICHT GENAU ANGEGEBEN
WERDEN KÖNNEN UND DER TRITIUMGEHALT DAS VORHANDENSEIN REZENTEN WASSERS ANZEIGT)... 120 TAB. 35: GEMESSENE VLF-SENDER (BESTIMMT NACH STIEFELHAGEN 1998) ... 131
TAB. 36: SCHEINBARE SPEZIFISCHE WIDERSTÄNDE ρρρρA IN ABHÄNGIGKEIT DER
ORIENTIERUNG DER AUSLAGE (N.B. = NICHT BESTIMMT) ... 133 TAB. 37: TYPISCHE ELEKTRISCHE WIDERSTÄNDE (ΏM) FÜR GEWÖHNLICHE GESTEINE (NACH NATH, PATRA & SHAHID 2000, SINGHAL & GUPTA 1999 UND NACH TELFORD ET AL. 1990, IN STIEFELHAGEN 1998)... 134
TAB. 38: ANISOTROPIEKOEFFIZIENTEN K(ρρρρA) UND K(∆Φ) DES SCHEINBAREN
ELEKTRISCHEN WIDERSTANDES MITTELS VLF-R (N.B. = NICHT BESTIMMT)... 134 TAB. 39: MESSPARAMETER DES RF-EM 2 (NACH STIEFELHAGEN 1998) ... 136 TAB. 40: GEWÄHLTE SENDERFREQUENZEN IN BEZUG ZUR STREICHRICHTUNG DER VERMUTETEN STRUKTUR... 137
FORMELVERZEICHNIS
FORMEL 1: HYDROLOGISCHE BILANZ (VERÄNDERT NACH SINGHAL & GUPTA 1999) .
... 37
FORMEL 2: GRUNDWASSERBILANZ (VERÄNDERT NACH SINGHAL & GUPTA 1999) ... 37
FORMEL 3: VEREINFACHTE GRUNDWASSERBILANZ ... 38
FORMEL 4: GRUNDWASSERNEUBILDUNG IM EINZUGSGEBIET DES ALTE AUS DER CHLORIDBILANZ MIT Q = OBERIRDISCHER ABFLUSS AN DER PEGELSTATION DES ALTE BEI PADERNE, KN = CHLORIDKONZENTRATION IM REGENWASSER, KGW = CHLORIDKONZENTRATION IM GRUNDWASSER ... 57
FORMEL 5: BAKTERIELLE REDUKTION VON SULFAT (SINGHAL & GUPTA 1999)... 100
FORMEL 6: UMWANDLUNG VON GIPS DURCH ANAEROBISCHE BAKTERIEN, DIE ORGANISCHE SUBSTANZ ABBAUEN (SINGHAL & GUPTA 1999)... 100
FORMEL 7: IONENBILANZFEHLER E (NACH MATTHESS & UBELL 1990) ... 106
FORMEL 8: SAR-WERT ... 115
FORMEL 9: ISOTOPENABWEICHUNG ∆ MIT R = ISOTOPENVERHÄLTNIS (Z.B. R = 18O/16O) ... 121
FORMEL 10: ALTERSBERECHNUNG ττττ... 125
FORMEL 11: SCHEINBARER ELEKTRISCHER WIDERSTAND (Μ0 = 4Π·10-7)... 129
FORMEL 12: SKINTIEFE ELEKTROMAGNETISCHER WELLEN... 129
FORMEL 13: ANISOTROPIEKOEFFIZIENT K(ρρρρA) ... 130
BILDERVERZEICHNIS
BILD 1: DER ROCHA DA PENA (LIAS) ÜBER TONIGEN SCHICHTEN AM NORDRAND DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES (BLICK NACH SÜDWEST) ... 10 BILD 2: HÜGELKETTEN DES HETTANGS AM NORDRAND DES KARBONATISCHEN GRUNDWASSERLEITERS... 11 BILD 3: TRIAS („GRÈS DE SILVES”) UND HETTANG IM TAL NÖRDLICH DES ROCHA DOS SOIDOS, IM HINTERGRUND HÜGELIGE KETTEN DER SCHIEFER UND GRAUWACKEN DES PALÄOZOIKUMS ... 11 BILD 4: DIE POLJE NAVE DE BARÃO IM NORDOSTEN DES GRUNDWASSERLEITERS QUERENÇA-SILVES ... 12 BILD 5: ZITRUSPLANTAGE AUF SCHWEREM TONBODEN IM BARROCAL... 13 BILD 6: ZITRUSPLANTAGEN IM BARROCAL... 14 BILD 7: „SAFARI-TOUREN” AUF DER STRAßE VON PADERNE NACH SÃO BARTOLOMEU DE MESSINES... 15 BILD 8: PLOMBIERTER KARST IM STEINBRUCH BEI ESTOMBAR... 18 BILD 9: KLUFTKARREN AUF DEM ROCHA DA PENA... 18 BILD 10: PALÄOKARST IM QUELLGEBIET NÖRDLICH VON ESTOMBAR ... 19 BILD 11: PHREATISCHER PALÄOKARST IM QUELLGEBIET NÖRDLICH VON ESTOMBAR
... 19 BILD 13: ZU EINER UVALA AUFGEREIHTE ERDFÄLLE AUF EINEM 110° STREICHENDEN SATELLITENBILDLINEAMENT IN DER ÖSTLICHEN PADERNE-EBENE ... 24 BILD 14: DER ALGIBRE BEI ALDEIA DA TOR ... 26 BILD 15: DER ALGIBRE MIT HOHER SUSPENSIONSFRACHT IN DER PADERNE-EBENE .. 28 BILD 16: PEGELSCHREIBER AM ALTE NÖRDLICH VON PADERNE ... 29 BILD 17: RINNSAL DER QUELLE MOINHO VELHO IM CANYON DES ALGIBRE ... 30 BILD 18: GEFASSTE QUELLE IN DER PADERNE-EBENE AUF EINEM 110° STREICHENDEN SATELLITENBILDLINEAMENT... 30 BILD 19: DIE FONTE GRANDE ... 33 BILD 20: DIE BENÉMOLA-QUELLE NACH STARKEN NIEDERSCHLÄGEN... 34 BILD 21: QUELLGEBIET BEI FONTES ... 36 BILD 22: QUELLTOPF IM QUELLGEBIET BEI FONTES... 36
BILD 23: IN DEN ARADE MÜNDENDER KANAL ALLER QUELLEN BEI FONTES WÄHREND EBBE... 36 BILD 24: GRUNDWASSERSPIEGELMESSUNG IN DER OFFENEN VERROHRUNG DER BOHRUNG IN DER POLJE NAVE DE BARÃO ... 59 BILD 25: GESTÖRTE UND PSEUDOVERKARSTETE GIPSE DES HETTANGS NÖRDLICH DER ALGIBRE-STÖRUNG... 67 BILD 26: TRINKWASSERFASSUNG BEI CARRASQUEIRA (IM HINTERGRUND), IM
VORDERGRUND BRUNNEN B61 FÜR DIE LANDWIRTSCHAFT MIT UNSACHGEMÄßER LAGERUNG VON PESTIZIDEN UND DÜNGEMITTELN... 118 BILD 27: VLF-R-MESSGERÄT VON PROF. MÜLLER (AUS KRUSCHWITZ & WIECZOREK 2000) ... 131 BILD 28: VLF-R-MESSGERÄT VON PROF. MÜLLER IM GELÄNDE (AUS KRUSCHWITZ & WIECZOREK 2000)... 132 BILD 29: RF-EM-MESSGERÄT MONTIERT AN EINEM JEEP ... 136 BILD 30: MANUELLE SENDERAUSRICHTUNG (AUS VOLKMANN 1999) ... 136 BILD 31: AMT-MESSUNG IM GELÄNDE ... 140 BILD 32: AMT-EMPFÄNGER DES PROTOTYPS VON PROF. MÜLLER ... 140 BILD 33: DIE DEPRESSION VALA GRANDE, IM HINTERGRUND DER ORT BENAFIM GRANDE (PSEUDO-PROFIL DES UNTERGRUNDES SIEHE ABB. 94 (A21)) ... 151 BILD 34: GIPSSTEINBRUCH NÖRDLICH DES ALGIBRE IN DER NÄHE VON A3 ... 152 BILD 35: QUELLEN AN DER KÜSTE BEI OLHOS DE AGUA ... 161
VERZEICHNIS ANHANG
A Hydrologie
A1: Jährliche Niederschlagshöhen der DRARNA
A2: Reelle Evapotranspiration berechnet aus Messdaten der Wetterstation Arade
B Hydrogeologie
B1: Tracerdurchgangskurven der Markierungsversuche MA und MB B1a: Tracerdurchgangskurven des Markierungsversuches MA B1b: Tracerdurchgangskurven des Markierungsversuches MA B2: Vollanalysen und Ionenverhältnisse
B2a: Feldmessungen der physikalisch-chemischen Parameter B2b: Vollanalysen: Hauptionen und Strontium
B2c: Vollanalysen: Nebenionen B2d: Ionenverhältnisse
B3: Local Meteorologic Water Line Station Faro (Algarve, Portugal)
C Elektromagnetische Methoden
C1: VLF-EM-Profile
C2: AMT-Sondierungsdiagramme C3: AMT-Richtungsrosen
C3a: AMT-Richtungsrosen der scheinbaren elektrischen Widerstände [Ωm] C3b: AMT-Richtungsrosen der Phasenverschiebungen
als Differenz zur maximal gemessenen Phasenverschiebung [°] am Beispiel der AMT-Messung A1
C4: AMT-Messungen mit 2 aufeinander senkrecht stehenden Auslagen (A21-A31)
SYMBOL- UND ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
A1 AMT-Messung Nr.1
Ages Gesamtabfluss
AMT Audiomagnetotellurik Ao Oberflächenabfluss
ARS Azimuthal resistivity method Au unterirdischer Abfluss
B1 Wasserprobe Nr.1
B resultierendes Magnetfeld [A/m]
Bmax maximales resultierendes Magnetfeld [A/m]
C Konzentration d Tag
DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft
DRARNA Direcçao Regional do Ambiente e Recursos Naturais do Algarve E elektrisches Feld [V/m]
EAV Erdalkali-Alkaliverhältnis
Ep primäres elektrisches Feld (Senderfeld)
ET Evapotranspiration
ETP, ETpot potentielle Evapotranspiration
ETreell reelle Evapotranspiration
Ex elektrisches Feld in Richtung des Senders
Ez, E0(F), vertikales elektrisches Feld
F, f Frequenz
G Grundwasserneubildung
GH Gesamthärte
KH Karbonathärte GOK Geländeoberkante
GPS Global Positioning System
GTZ Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit
ha Hektar
Hp, H0(F) anregendes primäres magnetisches Feld (Senderfeld)
Hs induziertes sekundäres magnetisches Feld
Hx Horizontalkomponente des magnetischen Gesamtfeldes in Richtung des
Senders
Hy Horizontalkomponente des magnetischen Gesamtfeldfeldes
Hz Vertikalkomponente des resultierenden magnetischen Gesamtfeldes
I Hydraulisches Gefälle
Ig Unterirdischer Zustrom von benachbarten Becken
IAEA International Atomic Energy Agency IFP 16 Interdisziplinäres Forschungsprojekt 16 Ir Flussversickerungen
IS Oberflächenzustrom von außerhalb
I1 Isotopenprobe 1
k (ρa) Anisotropiekoeffizient des scheinbaren elektrischen Widerstandes
kf Kluftduchlässigkeit
Lf Leitfähigkeit [µS/cm]
LMWL Local Meteoric Water Line (Lokale Niederschlagsgerade) Lq Leistungskoeffizient[l/s·m]
MA1 Probenentnahmestelle 1 des Markierungsversuches MA MB1 Probenentnahmestelle 1 des Markierungsversuches MB Mpa Megapascal
MWL Meteoric Water Line (Globale Niederschlagsgerade) m3/a Kubikmeter pro Jahr
N Niederschlag n Fehler
n Probenanzahl n.b. nicht bestimmt
NE Nordost
PDB Peedee Belemnite Formation pers. Mitt. persönliche Mitteilung ppb parts per billion
P1 Pumpversuch Nr.1 P1 Probenentnahmestelle Nr. 1 R Isotopenverhältnis
Rb unterirdischer Zustrom aus benachbarten Becken
Rc Neubildung durch Kanalverluste und Bewässerung
RP Neubildung aus Niederschlag
Rt Neubildung durch Tanks
S Speicherkoeffizient SAR Sodium Adsorption Ratio
∆S Grundwasservorratsänderung Se effluenter Verlust an Flüsse
Sg Grundwasservorratsänderung
Sm Bodenfeuchteänderung
SMOW Standard Mean Ocean Water
SMQS São Marcos-Quarteira-Störungssystem
SS Wasservorratsänderung der Oberflächengewässer
Ss spezifischer Speicherkoeffizient
SW Südwest
T Temperatur [°C]
T Transmissivität [m2/Tag] TM Thematic Mapper
Tp Grundwasserentzug über Brunnen
TDS Total dissolved solids, Gesamtsalzgehalt [mg/l]
TU Tritium unit (Tritiumeinheit) = 0,119 Bq/l = 3,21pCi/l = 1 Tritium-Atom auf 1018 Wasserstoffatome
TVO Trinkwasserverordnung
TW aus dem Wiederanstieg ermittelte Transmissivität [m2/Tag]
V-SMOW Vienna Standard Mean Ocean Water va,max maximale Abstandsgeschwindigkeit
va,m mittlere Abstandsgeschwindigkeit
W4 VLF-EM-Profil Nummer 4
α Austrocknungskoeffizient
∆φ Phasendifferenz zwischen maximaler und minimaler Phase δ Skintiefe, Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen
δ-Wert Isotopengehalt, bezogen auf einen Standard
ρa scheinbarer elektrischer Widerstand [Ωm]
ρa, max maximaler scheinbarer elektrischer Widerstand [Ωm]
ρa, min minimaler scheinbarer elektrischer Widerstand [Ωm]
ϕ Phasenverschiebung [°]
ϕmax maximale Phasenverschiebung [°]
ϕmin minimale Phasenverschiebung [°] σ1, s, σhmax maximale Hauptspannung
1 Einleitung
1.1 Projektziel und Methoden
Das im Laufe der geologischen Entwicklung sich ändernde tektonische Spannungsfeld hat einen bedeutenden Einfluß auf die Struktur und damit die potentiellen Grundwasserfließwege eines Gebirges. In Anlehnung an das „hydrotektonische Modell” von LARSSON (1972) sollte im Rahmen des Projektes „Hydrotektonik von Grundwasserleitern im rezenten Spannungsfeld” der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) der Zusammenhang von Grundwasser und Tektonik am größten Grundwasserleiter des Algarve (Portugal) zwischen den Ortschaften Querença und Silves untersucht werden.
Der in dieser Arbeit beschriebene Teil des DFG-Projektes „Hydrotektonik von Grundwasserleitern im rezenten Spannungsfeld” liegt in dem kombinierten Einsatz von geophysikalischen (elektromagnetischen) und hydrogeologischen Methoden zum Nachweis hydraulisch leitfähiger Strukturen. Die Strukturgeologie, die geodynamische Entwicklung, die Bestimmung von Spannungsfeldern sowie ein geologisches 3D-Modell des Untersuchungsgebietes wird in der Dissertation von MOECK (2005) mit dem Titel: „Hydrotektonik von Grundwasserleitern im rezenten Spannungsfeld: Rekonstruktion von Paläospannungsfeldern und Erstellung einer geologischen 3D-Karte des Zentralalgarve/Portugal“ ausführlich dargestellt werden. Aktuelle geologische Karten dieser Arbeit und vorangehender Veröffentlichungen dienten als Kartengrundlagen für die Darstellung der Messergebnisse aus der Hydrogeologie und der Elektromagnetik. Mittels VLF-R-, VLF-EM-, und AMT-Messungen sollten in Verbindung mit hydrogeologischen Untersuchungen und Methoden der Fernerkundung wasserstauende von wasserleitenden Strukturelementen unterschieden werden.
Zu den schon bekannten Versickerungen von Oberflächengewässern in den verkarsteten jurassischen Karbonaten sollten Wasserhaushaltsrechnungen, hydrochemische Analysen und Isotopenanalysen einen möglichen unterirdischen Zustrom in den Grundwasserleiter untersuchen. Die Belastung des Karstgrundwasserleiters mit anorganischen Schadstoffen und die Meerwasserintrusion in den größten Quellen des Grundwasserleiters wird neben dem eigentlichen Projektziel dargestellt. Einen Teil der Grundlagen lieferten im Projekt durchgeführte Diplomarbeiten (MENGE 1999, VOLKMANN 1999, MEHMKE in Vorbereitung).
1.2 Stand der Forschung
Die effektive Spannung beinflusst stark das Fließverhalten von Fluiden eines Gebirges (SINGHAL und GUPTA 1999). LARSSON (1972) enwickelte das „hydrotektonische Modell” für ein Gebiet in Schweden: Demnach sind Dehnungsklüfte, die parallel zur maximalen Hauptspannung (σ1) orientiert sind, im allgemeinen offen und somit wasserdurchlässig, während Scherklüfte, die einen Winkel von ca. 30° zu σ1 aufweisen geringere Transmissivitäten aufweisen. ROHR-TORP (1987, in BANKS et al. 1996)
zeigte jedoch für ein Gebiet in Norwegen, dass die zeitliche Änderung des Spannungsfeldes Auswirkungen auf die potentielle Wasserwegsamkeit einer Struktur hat. BANKS et al. (1996) zeigen mehrere Kritikpunkte dieses vereinfachten Modells auf: In der Realität ist eine Dehnungskluft der zweidimensionalen Spannungstheorie eine Scherkluft mit nach unten gerichtetem Versatz. Die Verbindung der Strukturen untereinander, die wichtig für die Grundwasserströmung ist, bleibt unbeachtet. Massive Granite zeigen eher ortogonale Kluftmuster als konjugierte Scherzonen. Horizontale Strukturen gehen nicht in das Modell ein. Vor allem im Karst sind Schichtfugen für die Entstehung von großen Höhlensystemen von großer Bedeutung (BÖGLI 1969). Im allgemeinen geht man davon aus, dass orthogonal zu σ1 streichende Strukturen geschlossen sind.
Mehrere Experimente zur Permeabilität unter verschiedenen Spannungs- und thermo- mechanischen Bedingungen wurden beispielsweise von AZEEMUDIN et al. (1995) durchgeführt (in SINGHAL & GUPTA 1999). In einem Experiment von BRACE (1978, in SINGHAL & GUPTA 1999) erhöhte einachsiale Spannung von 12 MPa in geklüftetem Granit die Kluftdurchlässigkeit (kf) von parallel dazu orientierten Klüften. Demgegenüber
wurde kf von Klüften senkrecht zur Hauptspannung (3 Mpa) um die Hälfte reduziert. Die
Bedeutung von neotektonisch aktiven Scherstörungen hat allerdings bisher noch keine besondere Beachtung erfahren. GALE (1982a, in SINGAHL und GUPTA 1999) vermutet Klufterweiterung und damit eine merkbare Veränderung der Durchlässigkeit. BRACE (1978, in SINGHAL & GUPTA 1999) beschreibt eine von der Lithologie abhängige Erhöhung der Durchlässigkeit in Sandsteinen zwischen 10 und 20%. Im Gegensatz dazu zeigte die Erhöhung der Scherspannung in einem Glimmerschiefer eine Erniedrigung des Durchflusses entlang der Schieferungsflächen.
HIMMELSBACH (1993) beschreibt die Drainwirkung einer hydraulisch leitenden und vermutlich rezenten sinistralen Blattverschiebung (Erzgang Hermann) im Albtalgranit des südlichen Schwarzwaldes. Die N-S streichende Zone erhöhter hydraulischer Durchlässigkeit im Hotzenwald-Komplex ist eingebettet in ein Gebiet erhöhter Seismizität mit einer in 160° gerichteten rezenten maximalen horizontalen Hauptspannung (HIMMELSBACH 1993). Allerdings zeigen Beobachtungen in einem Forschungsstollen, dass cm-dicke Kluftletten in NW-SE und WNW-ESE streichenden Klüften des umgebenden Albtalgranits die Wasserführung behindern, während ENE-WSW streichende und somit kompressive Klüfte offen und wasserführend sind (HIMMELSBACH 1993).
Im Quellgebiet der Stuttgarter Mineral- und Heilwässer steigen hochmineralisierte Wässer des oberen Muschelkalkes an Scherflächen des Gebirges auf und führen zu hydrochemischen Anomalien im Neckarkies (UFRECHT 2001).
In einem aus Kalksteinen des Doggers aufgebauten Karstgebiet in Zentralportugal (Planalto de Alvaiázere) folgt ein unterirdischer Fluß in der Hauptsache tektonischen Strukturen, die als Scherstörung im rezenten Spannungsfeld fungieren und dem Schichtstreichen (DUSSEL 1997). Der bis zu ca. 1300 m lange Flußlauf in der Höhle Talismã orientiert sich hauptsächlich an 165° streichenden Strukturen, die auch an der Oberfläche als Exokarst zu erkennen sind. In dieser Region südlich Coimbra ist die maximale Hauptspannung σhmax in ca. 130° orientiert.
VLF-R- und VLF-EM-Messungen werden erfolgreich zur Ermittlung elektromagnetischer Anomalien und für die Grundwasserpospektion eingesetzt (STIEFELHAGEN 1998). AMT-Messungen detektieren unter günstigen Umständen leitfähige Zonen in mehreren Kilometern Tiefe (INGHAM & BROWN 1998). KRULC (1967) ermittelte eine elektrisch und hydraulisch leitfähige Störungszone im Dinarischen Karst mittels der „Methode des elektrisch geladenen Körpers”, bei der das elektrische Feld durch Eingabe eines Elektrolyts in ein Bohrloch abhängig von Grundwasserfließrichtung und der geologischen Struktur verändert wird.
In dem Algarve bietet seit 1969 die Freie Universität von Amsterdam (Department of hydrogeology of the institute of Earth Sciences) hydrogeologische und geophysikalische Geländeübungen für Studenten an. Mehrere interne Berichte dieser Geländearbeiten beschreiben die Hydrogeologie des unter- bis mitteljurassischen Aquifers (VAN LISSA 1972, SPRONG 1976, de BUISONJÉ 1977, KLOOSTERMANN 1976, BOUMAN 1981).
Der Grundwasserleiter Querença-Silves war daraufhin Thema mehrerer wissenschaftlicher Arbeiten seit dem Ende der siebziger Jahre. Von Juni 1980 bis Dezember 1981 bewertet ein Projekt des Entwicklungsprogramms der Vereinten Nationen (PNUD) die Hydrogeologie des Algarve. Im Rahmen der Zusammenarbeit der UN mit der portugiesischen Regierung wurde die Hydrogeologie des Algarve qualitativ und quantitativ zum Zweck der wirtschaftlichen und regionalen Entwicklung des Algarve erforscht. Als Ergebnis wurden 7 sedimentäre Grundwasserleiter (1700 km2) und ein paläozoischer Grundwasserleiter (3300 km2) beschrieben. ALMEIDA (1985) konzentriert sich in seiner Dissertation „Hidrogeologia do Algarve central” auf die allgemeine Beschreibung der Geologie, Geomorphologie, Klimatologie, Hydrogeologie und auf die Anwendung der Faktoranalyse auf die Hydrochemie. Dementsprechend lag die Zielsetzung in der Charakterisierung der hydrogeologischen Einheiten (Geometrie, Hydraulik, Hydrochemie und Fließverhalten). Innerhalb dieser Arbeit wurden Dünnschliffe der Eruptivgesteine (Prof. Carlos Alberto de Malos Alves) und der Kreidesedimente (zusammen mit Silverio Prales) klassifiziert. Zusätzlich flossen Informationen aus geophysikalischen Messungen (Prof. Antonio de Andrade) mit ein. Der Abschlussbericht des Interdisziplinären Forschungsprojektes 16/1 (IFP 16/1, 1983-1987) der TU Berlin „Künstliche Grundwasseranreicherung in Kluftwasserleitern in semiariden Klimata und ihre Auswirkung in landwirtschaftlicher, bodenstruktureller und sozioökonomischer Hinsicht am Beispiel Südportugals” (STAHR 1987) beschreibt Meteorologie, Hydrologie, Geologie, Hydraulik und Hydrochemie des Algarve. Innerhalb des IFP 16/1 findet sich eine Übersicht der Böden bei JAHN, STAHR & LASSONCZYK (1988, Hrsg.).
Das sich über den Zeitraum von 1983 bis 1989 erstreckende, von der Gesellschaft für technische Zusammenarbeit (GTZ) getragene und vom Umfang her größte Projekt im Algarve („Projecto dos Regadios da Provincia do Algarve”) wurde vor allem unter dem Gesichtspunkt der landwirtschaftlichen Nutzung des Grundwassers für Bewässerungszwecke durchgeführt (KELLNER & TRÖGER 1989).
1.3 Lage des Untersuchungsgebietes
Das Untersuchungsgebiet liegt in Südportugal in der Provinz Algarve. Es umfasst eine Fläche von ca. 500 km2 und wird lokal dem nördlichen Centro zugerechnet. Von West nach Ost hat das Gebiet Anteil an den Landkreisen Silves, Lagoa, Albufeira und Loulé (Abb. 1, Abb. 2 und Abb. 7).
Abb. 1: Lage des Untersuchungsgebietes (TRÖGER et al. 2001)
Das zentrale Untersuchungsgebiet bildet der mit einer Ausbissfläche von 276 km2, einer Länge von 45 km und einer maximalen Breite von 9,5 km größte zusammenhängende Grundwasserleiter des Algarve. Die räumliche Umgrenzung des überwiegend unterjurassischen karbonatischen Grundwasserleiters Querença-Silves bilden die Ortschaften Mexilhoeira da Carregação, Silves, S. Bartolomeu de Messines, Alte, Salir, Querença, Paderne, Algoz und Estômbar (Abb. 2). Nördlich und östlich der als Barrocal bezeichneten Karstlandschaft liegt die aus paläozoischen Schiefern und Grauwacken aufgebaute Serra (Mittelgebirge). Nach Südwesten hin hat das Gebiet Anschluss an das aus jüngeren Formationen aufgebaute Litoral.
SP AI N Project 9º 8º 7º 37º 37º 38º 39º 9º 7º LISBOA AT L A N T IC SP AI N PORTUGAL
Abb. 2: Ausbiss des Grundwasserleiters Querença-Silves mit Quellen
(dunkelblau), Flüsse (hellblau): Alcantarilha, Algibre mit Pegelschreiber und Alte mit Pegelschreiber, Störungen (dicke schwarze Linien) und
Satellitenbildlineationen (dünne schwarze Linien), Koordinaten siehe Abb. 7 (Kartengrundlage: MOECK in DUSSEL et al. 2000
2 Geographie 2.1 Klima
Der Algarve wird im allgemeinen von mediterranem Klima beeinflusst. Die Sommer sind heiß und trocken, die Winter feucht und gemäßigt. Im Zentralalgarve herrscht nach der Klima-Klassifikation von KÖPPEN ein „Csa-Klima”. Im hügeligen Norden des Algarve ist das Klima humid und geht über trocken subhumid in einem Übergangsbereich zu semiarid im Küstenbereich über (PNUD 1981). In Tallagen kann an wenigen Tagen im Winter Bodenfrost auftreten.
2.1.1 Temperatur
Die mittleren Jahrestemperaturen liegen im Algarve zwischen 15° C in der Monchique (Gebirge) und 17° C in Faro an der Küste (PNUD 1981). Die monatlichen Mittelwerte der Temperatur schwanken zwischen 12° C im Winter und 24° C im Sommer (PNUD 1981). Eine Durchschnittstemperatur von 15,9° C für den östlichen Teil des Grundwasserleiters Querença-Silves ergeben 3 Messwerte aus ALMEIDA (1985). COSTA (1983) berechnete demgegenüber eine mittlere Lufttemperatur von 16,8° C. Aktuelle Messungen im Untersuchungsgebiet (DRARNA) zeigen indes höhere Lufttemperaturen, die im Zeitraum 1980/81 – 1995/96 mit einem mittleren jährlichen Temperaturanstieg von 0,05° C verbunden sind (Tab. 1).
Tab. 1: Durchschnittliche Lufttemperaturen im Untersuchungsgebiet (Lage der Wetterstationen s. Kap. 2.1.2: Abb. 5)
Station São Bartolomeu
de Messines
Santa Margarida Paderne Durchschnitt
T (° C) nach Almeida (1985) 15,3 16,1 16,4 15,9 Station Arade-Staudamm (1980/81 –1995/96) Algoz (1980/81–1996/97) São Bras de Alportel (1980/81–1996/97) Durchschnittliche T (° C) aus aktuellen Daten der DRARNA 21,4 17,3 16,9 18,5 Jährlicher Anstieg der Lufttemperatur (° C/Jahr) +0,1 +0,04 +0,02 +0,05 2.1.2 Niederschlag
Feuchte Winter mit Starkregenereignissen und trockene Sommer prägen das Klimageschehen. Eine Steigerung der Niederschläge von Oktober bis Dezember wird im Februar durch etwas schwächere Regenfälle unterbrochen, um dann von einer erneuten
Steigerung im März auf die trockenen und beinahe niederschlagsfreien Sommermonate Juli und August wieder abzunehmen (vgl. Kap. 4.3.2.2: Abb. 20).
Nach dem PNUD-Bericht (1981) fallen 80 % der Niederschläge im Algarve in den Monaten Oktober bis März, die restlichen 20 % im April und Mai. Der mittlere jährliche Niederschlag für den gesamten Algarve beträgt 653 mm (PNUD 1981). Für die sedimentären Serien des Algarve wird der durchschnittliche Niederschlag mit 960 Mio. m3/a (564 mm/a) und der Oberflächenabfluss mit 110 Mio. m3/a (65 mm/a = 12 %) angegeben (PNUD 1981). Je nach Höhenlage und geographischer Lage liegen die mittleren jährlichen Niederschläge zwischen 1300 mm in der 15 km nordwestlich des Untersuchungsgebietes gelegenen Monchique (höchster Gipfel: 902 mNN) bzw. 1000 mm in der bis über 600 m hohen Serra de Caldeirão und weniger als 400 mm an der Küste zwischen Lagoa und Albufeira (PNUD 1981).
Die Niederschlagshöhe ist stark von der topographischen Höhe abhängig. Aus aktuellen Daten der DRARNA ergibt sich eine durchschnittliche Zunahme des Niederschlages von 1mm/Höhenmeter (Abb. 3). Im Trockenjahr 1980/81 ergibt sich lediglich eine Zunahme von 0,6 mm/Höhenmeter. CUNHA (1957, in COSTA 1983) gibt eine Zunahme des Niederschlages von 1,5 bis 2,0 mm/Höhenmeter an.
y = 0,5578x + 214,53 R2 = 0,8581 y = 1,0012x + 505,18 R2 = 0,8622 0 200 400 600 800 1000 1200 0 100 200 300 400 500 Höhe (müNN) Jah resn ie d e rsch la g (mm) 1980/81 langjähriges Mittel Trendlinie 1 Trendlinie 2
Abb. 3: Abhängigkeit der Niederschlagshöhe von der geographischen Höhe
Die starke Trockenheit der Hydrologischen Jahre 1980/81 mit 324 mm und 1982/83 mit 376 mm Niederschlagshöhe (Mittelwerte von 12 (1980/81) und 11 (1982/83) Wetterstationen) zeugt von den starken Niederschlagsschwankungen im Algarve, welche die Notwendigkeit des Wassermanagements in der Region verdeutlichen (vgl. Tab. 2, Abb. 4).
Innerhalb von 34 Jahren lagen die Niederschlagsmengen in 8 Jahren unterhalb 75 % des Mittelwertes, so dass man diese Jahre als Trockenjahre bezeichnen kann, allerdings überstiegen 8 Jahre 125 % des Mittelwertes und davon 3 Jahre 150% des Mittelwertes (PNUD 1981, vgl. Abb. 4).
Niederschlagshöhen Sao Bras de Alportel (1909/10 - 1995/96) y = 2,0839x + 735,73 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 1909/10 1913/14 1917/18 1921/22 1925/26 1929/30 1933/34 1937/38 1941/42 1945/46 1949/50 1953/54 1957/58 1961/62 1965/66 1969/70 1973/74 1977/78 1981/82 1985/86 1989/90 1993/94 Hydrologisches Jahr Niederschlagshöhe (mm)
Abb. 4: Schwankungen der Niederschlagsmengen im Zentralalgarve (São Bras de Alportel)
565000 570000 575000 580000 585000 4115000 4120000 4125000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 3738 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63
Sao Bartholomeu de Messines
Santa Margharida
Salir
Paderne
Abb. 5: Niederschlagsverteilung im detailliert untersuchten Ostteil des unter- bis mitteljurassischen Grundwasserleiters nach Mittelwerten der jährlichen Niederschläge zwischen 1980/81 und 1995/1996 (rot: Wetterstationen, blaue Messstellen: Wasserproben aus Kap. 5.2, Kartengrundlage: MOECK in DUSSEL et al. 2000)
Die mittleren jährlichen Niederschläge mehrerer Wetterstationen der DRARNA liegen im Zentralalgarve zwischen 429 mm an der Küste bei Praia da Rocha und 1018 mm im Gebirge bei Barranco Velho (Tab. 2).
COSTA (1983) berechnet aus Niederschlagshöhen der Jahre 1932-1960 einen mittleren Gebietsniederschlag von 644 mm für das Gebiet des Grundwasserleiters Querença-Silves, der dem durchschnittlichen langfristigen jährlichen Niederschlag bei der Wetterstation Santa Margarida entspricht (vgl. Tab. 2).
Tab.2: Mittelwerte der jährlichen Niederschlagshöhe im Zentralalgarve (berechnet aus Daten der DRARNA) Wetter- station Koordinaten Höhe (mNN) Lang- fristiges jährliches Mittel N (mm) Langfristige jährliche Verände- rung N (mm) Jährliches Mittel N (mm) im Zeitraum 1980/81-1995/96 Gemittelte jährliche Verände- rung N (mm) im Zeitraum 1980/81-1995/96 1 Arade- Staudamm 37°14' 8°23' 70 612 (1950/51-1995/96) +0,7 622 +28 2 São Bartolomeu de Messines 37°15' 8°18' 150 698 (1932/33-1996/97) +0,4 662 +16 3 Santa Margarida 37°15' 8°11' 250 644 (1964/65-1995/96) +3,2 635 +23 4 Salir 37°14' 8°02' 204 787 (1980/81-1996/97) +27,4 781 +31 5 Sobreira Formosa 37°18' 8°04' 475 950 (1942/43-1996/97) -0,2 870 +21 6 Barranco velho 37°14' 7°56' 475 1018 (1935/36-1995/96) 0 1013 +29 7 Praia da Rocha 37°07' 8°24' 21 429 (1931/32-1982/83) +1,2 n.b. n.b. 8 Porches 37°07' 8°32' 82 534 (1979/80-1996/97) +15,4 527 +18 9 Algoz 37°09' 8°17' 50 574 (1979/80-1995/96) +13,5 573 +17 10 Paderne 37°10' 8°12' 80 669 (1958/59-1996/97) -1,1 634 +22 11 Loulé 37°08' 8°01' 173 678 (1931/32-1996/97) +2,4 703 +27 12 São Bras de Alportel 37°10' 7°54' 325 827 (1909/10-1995/96) +2,1 856 +31
