Einführung in die Geologie
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- Bertold Beltz
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1 Einführung in die Geologie Geowissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Gesteinseigenschaften 5. Wasser im Untergrund 1
2 Erdbeben Plattentektonik 225 mio Jahre 200 mio Jahre Alfred Wegener 150 mio Jahre 65 mio Jahre heute USGS,
3 Plattentektonik Erdkruste Erdmantel Erdkern USGS, 2009 Bewegungen in der Erdkruste Horizontalverschiebung Abschiebung Überschiebung 3
4 Stärke nach Richter 0 bis 1,9 2 bis 2,9 3 bis 3,9 4 bis 4,9 5 bis 5,9 6 bis 6,9 7 bis 7,9 8 bis 8,9 9,0 und darüber Stärke nach Mercalli I II III IV zu V VI VII bis IX X bis XI XII - nur durch Instrumente registrierbar Richter- und Mercalli-Skala nur von sehr wenigen, ruhenden Menschen spürbar; nur von wenigen Menschen wahrgenommene Schwingungen; Erschütterung vergleichbar einem vorbeifahrenden Lastwagen; wird von den meisten Menschen bemerkt;; geringste Schäden. von allen Menschen mit Schrecken wahrgenommen; einzelne Risse im Putz; es besteht die Gefahr von Verle wird von allen betroffenen Menschen mit großem Schrecken erlebt; auch im fahrenden Auto spürbar; Gebäude können erhebliche Beschädigungen erleiden; es kann zu Einstürzen kommen; es gibt oft Verletzte;. weitverbreitete Panik; Menschen versuchen in Panik ins Freie zu kommen; akute Lebensgefahr in Gebäude ; teilweise katastrophale Auswirkungen; an Küsten vernichtende Flutwellen möglich. Verwüstung; alle Gebäude unbewohnbar; akute Lebensgefahr innerhalb und außerhalb von Gebäuden; flächendeckende Zerstörungen; an Küsten katastrophale, bis zu 40 Meter hohe Flutwellen möglich. Große Katastrophe; Zerstörungen wie zuvor und zusätzlich: lokale Erdschollen verschieben sich; Stellenweis Bochum Abfrage zur Zuordnung von Orten zu Erdbebenzonen der DIN 4149 (Fassung 2005) 4
5 Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Gesteinseigenschaften 5. Wasser im Untergrund Gesteine und Minerale Gesteine setzen sich aus Mineralen in bestimmter Gefügeanordnung zusammen. Minerale sind physikalisch und chemisch einheitliche (meist anorganische) Bestandteile der Gesteine und der Erdkruste. Definition Mineralogie: Wissenschaft von den Beziehungen zwischen Chemismus, Struktur, physikalischen Eigenschaften und Form der Minerale sowie deren Bildungsbedingungen, dem Vorkommen und ihrer Verwendung.. Fotos Dr. Alfred K. Schuster 5
6 Lockergestein Übergangszone Festgestein Generell werden unterschieden: - Festgesteine oder Fels (mechanische Eigenschaften behandelt in Felsmechanik) und - Lockergesteine, d. s. unverfestigte Sedimente oder verwitterte Festgesteine (mechanische Eigenschaften behandelt in Bodenmechanik). Als Übergang zwischen Fest- und Lockergesteinen sind häufig die halbfesten oder veränderlich festen Gesteine von besonderem baugeologischen Interesse Exogene Geologie Endogene Geologie 6
7 Vulkanit Ganggestein Plutonit Magmatische Gesteine Tiefengesteine Granit, Gabbro, Metamorphe Gesteine Gneis, Glimmerschiefer, Marmor, Vulkanite Basalt, Tuffit, Tuff (Aschen), 7
8 Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Gesteinseigenschaften 5. Wasser im Untergrund Verwitterung Wollsack-Verwitterung 8
9 Chemische Verwitterung Lösungsverwitterung chemischen Sedimentgesteinen z. B. Lösung von Kochsalz NaCl Na+ + Clz. B. von Gips CaSO4 2H2O Ca2+ + SO H2O Kohlensäureverwitterung Lösung von Kalkgestein CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- CaCO3 + H+ + HCO3- Ca2+ + 2HCO3- Feldspatverwitterung silikatischer Minerale bei häufiger Neubildung von Tonmineralien (hier: Umbildung von Orthoklas in Kaolinit) 2KAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+ Morphologie und Geologie Beispiel: Alpen im Bereich des Brenner-Basistunnels Nord Süd Endogene Rohform 8 km 9
10 Realform 4 km Erosion, Transport, Sedimentation 10
11 Was bestimmt die Hangneigung? Festgestein Gefügemerkmale Lockergestein Gesteinseigenschaften Hangbewegungen Bergsturz (Bsp. Randa, CH) Rutschung (Bsp. Vaiont, I) Erdstrom (Bsp. Kolka, RUS) 11
12 τ = C + σ tan φ τ = Scherspannung C = Kohäsion σ = Dichte φ = Winkel der inneren Reibung α = Böchungswinkel Hangschuttfächer Bodenart φ [ ] C [kn/m²] G C Kies (mitteldicht gelagert) Sand (mitteldicht gel.) Schluff (steif) Ton (steif) 35 32, , α φ Organischer Ton (steif)
13 Wie entsteht ein Bergsturz? Bewegung auf Kluftflächen Abrutschen von Lockergestein Bewegung auf Schichtflächen Relief Mechanismus 13
14 Transport Talfächer Hangschuttfächer Ablagerung von Terrassenschottern Hochterrassen Niederterrasse 14
15 Ältere Terrasse (Hochterrasse) Jüngere Terrasse (Niederterrasse Niederterrassen am Niederrhein 15
16 Ablagerung von Lockergesteinen Feinsedimente (Schluff, Ton) Grobsedimente (Kies, Sand) 16
17 Verfestigung (Diagenese) Ton Sand Kies Tonstein, Schiefer Sandstein Konglomerat Kalksteine 17
18 Natürliche Subrosion (Erdfall) Salzgesteine 18
19 Salzstöcke Beispiel Salzstock Gorleben Subrosion durch Grundwasserabsenkung 19
20 Geologische Karte von Deutschland Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Baugrund 5. Wasser im Untergrund 20
21 Direkte Erkundungsmethoden: Stollen / Schacht Schurf Sondierung Bohrung Indirekte Erkundungsmethoden Geoelektrik Seismik Geomagnetik Bohrungen 21
22 Die Festigkeit von Festgesteinen ist abhängig vom Gesteinsgefüge Kleinklüfte Offene Kluft Trennflächengefüge des Festgesteins Haarrisse, - Klein- und Großklüfte - tektonischen Störungen Trennflächenart Schichtung Schieferung Klüfte Störungen Entstehung bei Ablagerung von Se-dimenten durch Wechsel im Gesteins-material und Verfe-stigung der bereits abgelagerten Schicht durch Einregelung von Mineralien senkrecht zu gerichtetem Ge-birgsdruck, z. B. wäh-rend der Faltung Zerlegung des Ge-steins ohne wesentli-che Ver-schiebungen infolge -Zug/Druck - Abkühlung magmatischer Gesteine - physikalischer Verwitterung Zerteilung eines Ge-steinskörpers entlang weit durchhaltender Trennfläche ohne/mit relativer Verschiebung der Teilkörper infolge Zug/Druck Eigenschaften meist eben, auch gefaltet, halten im Gesteinsverband weit durch stark parallel, engständig, eben und glatt scharweise parallel, weitständig, eben, glatt/rauh, offen, verfüllt; nicht weit durchhaltend einzeln auftretend, weitständig, meist eben, z. T. mit Be-we-gungsspuren oder Gesteinsresten der Be-wegung 22
23 Fallbeispiele: 1. Schiefer Turm von Pisa 2. Münchner Loch Beispiel 1 Pisa, 1173 und können Sie noch 700 Lira sparen, wenn Sie auf die Bodenuntersuchungen verzichten 23
24 Baubeginn m hoch (geplant: 100m) Schon während der Bauzeit ungleiche Setzungen (ab 3. Stockwerk) Erste Gegenmaßnahmen wirkungslos: geneigte Böden, geneigte Seite leichter, Geologie: Inhomogene Aufschüttung in Überschwemmungsgebiet Darunter nicht verfestigte Sande und Tone Erdbebengefahrenzone Auflast (MN) Setzungen (m) Sanierung Ziel: Reduzierung der Neigung auf 10% Gegengewichte auf der Nordseite (1996: 1000 kg Blei): wenige mm : wirkungslos Erdanker : wirkungslos Bodenvereisung wirkungslos Betoninjektion wirkungslos Bodenentnahme über Bohrungen auf der Nordseite 44 cm Rückstellung 24
25 Münchner Krater (1994) U-Bahnhofbau Trudering (Foto: SZ) Inhalt 1. Dynamisch Erde 2. Gesteine und Minerale 3. Erosion und Ablagerung 4. Baugrund 5. Wasser im Untergrund 25
26 Grundwasserspiegel Bohrung Brunne n Kapillarzone Grundwasseroberfläche Grundwasserzone 26
27 Arthesisch gespanntes Grundwasser Grundwasserstockwerke Freies Grundwasser Grundwasserleiter 1. GW-Stockwerk Grundwassergeringleiter Grundwasserleiter Grundwassergeringleiter 2. GW-Stockwerk Gespanntes Grundwasse Grundwasserleiter 3. GW-Stockwerk Grundwassergeringleiter Grundwasserleiter 4. GW-Stockwerk 27
28 Bohrbrunnen: Filterrohr Fenster zum Grundwasser Bohrgerät Bohrung Typen von Grundwasserleitern Grundwassernichtleiter Besser: Grundwassergeringleiter 28
29 Lockergesteine: Eiszeitliche Moränenlandschaft Festgestein: Granit Gefalteter Sandstein (Ruhrkarbon) 29
30 Lösungsgesteine: Karst Karst Bohrloch Karstwasserspiegel Paläokarstwasserspiegel Fluss Röhre Quelle Höhle Doline 30
31 Klimatische Wasserbilanz Verdunstung Niederschlag Grundwasserganglinie Grundwasserneubildung Verdunstung Niederschlag Karstquelle: Hammerbachquelle / Hohenaschau 31
32 Langjährige Grundwasserschwankungen 32
33 Hydrogeologische Karten Hydrogeologischer Schnitt durch die Münsterländer Bucht N S 33
34 34
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