Verbreitung und geotechnische Bedeutung von Permafrost im Zugspitzmassiv

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1 Institut für Geographie Physische Geographie Dr. Martin Gude Löbdergraben 32 D Jena Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Sekretariat: martin.gude@geogr.uni-jena.de Jena, den Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt: Verbreitung und geotechnische Bedeutung von Permafrost im Zugspitzmassiv (Teil des EU-Projektes: PACE - Permafrost and Climate in Europe) Dr. Martin Gude Allgemeines zu Problemen mit Permafrost in Hochgebirgen Permafrost hat in vielen Hochgebirgsregionen eine große Bedeutung für die Stabilität von Schutt- und Felshängen insbesondere in den hohen Steillagen. Bei verschiedenen Berg- und Felsstürzen, aber auch bei Muren, gibt es eine Reihe von Indizien, die auf Degradation von Permafrost (Temperaturerhöhung oder gänzliches Ausschmelzen) zumindest als eine der Ursachen für die Auslösung hindeuten. Auf diese Weise wurden wahrscheinlich in den vergangenen Jahren Felsstürze im Mont Blanc Massiv und kleinere Felsstürze im Zugspitzmassiv, aber eventuell auch der Eibsee-Bergsturz in einer Warmphase des Holozäns ausgelöst. Seit geraumer Zeit widmet man sich in der Forschung auch von Seiten der Ingenieurgeologie vermehrt diesem Problem. In verschiedenen wissenschaftlichen Untersuchungen wurden Methoden zur Erkundung der Verbreitung von Permafrost entwickelt, zudem sind verschiedene Studien zur Untersuchung der thermischen Eigenschaften von Permafrost durchgeführt worden (z. B. am Jungfraujoch). Bei Bauvorhaben in den alpinen Hochgebirgslagen, in denen Permafrost zu erwarten ist, werden diese Erkenntnisse heute in der Regel in Gutachten berücksichtigt, die die mit dem Permafrost zusammenhängenden Gefahren bewerten. Trotz dieser Dr. M. Gude: Permafrost Zugspitze - 1 -

2 Forschungserkenntnisse besteht noch Unsicherheit in der Erkundung der Verbreitung von Permafrost und in der Bewertung der Folgen der Erwärmung des Permafrostes, z. B. als Folge von Klimaänderungen. Einen deutlicher Fortschritt brachte in diesem Zusammenhang das von der EU von 1999 bis 2001 finanzierte Forschungsprojekt "PACE - Permafrost And Climate in Europe", in dem insgesamt 9 Arbeitsgruppen aus 8 Ländern Untersuchungen am Permafrost in Skandinavien, in Spanien, aber eben auch in verschiedenen Standorten in den Alpen durchführten. Darüber hinaus haben Wissenschaftler aus Großbritannien auch Laborversuche an gefrorenen Modellhängen durchgeführt. Ein Untersuchungsgebiet in diesem Forschungsprojekt befand sich an der Zugspitze. Die dortigen Untersuchungen wurden federführend vom Institut für Geographie der Universität Jena durchgeführt. Permafrost an der Zugspitze In den deutschen Alpen existiert ausschließlich im Bereich des Zugspitzgrates Permafrost, wobei über die klimatischen Randbedingungen und die räumliche Verbreitung, insbesondere die Untergrenze, bislang wenig bekannt ist. Bei Bauarbeiten auf dem Gipfelgrat zu Anfang der 90er Jahre wurde erkannt, daß im Fels eine starke Klüftung vorhanden ist und die Spalten ganzjährig mit Eis oder gefrorenem Sediment gefüllt sind. Die Stabilität des Permafrostes in den Klüften sowie die aktuelle sommerliche Auftautiefe und die Reaktion des Permafrostes auf klimatische Trends kann eine entscheidende Komponente für die Stabilität des Felsmassivs sein. Ein erhebliches Risikopotential ergibt sich aus der Tatsache, daß ein größerer Gebäudekomplex für touristische Nutzung mit drei Seilbahnen auf dem Felsmassiv steht. An der Zugspitze wurden im Rahmen des EU-Projektes PACE die Verbreitung und die Stabilität des Permafrostes mit Geländemessungen und mit Modellberechnungen untersucht. Kontinuierliche Messungen der Schneebasistemperatur im Winter (BTS) als Indikator für Permafrost wurden im Bereich des Gipfelgrates mit Temperatur-Dataloggern durchgeführt. Zudem wurden Felstemperaturen in Spalten und in einem Fußgängertunnel im Bereich des Gipfelgrates kontinuierlich aufgezeichnet und meteorologische Meßreihen ausgewertet (siehe Abbildung 1). Daneben wurden eine Reihe von BTS-Messungen auf dem Zugspitzplatt durchgeführt. Die potentielle Verbreitung von Permafrost wurde in Zusammenarbeit mit der Universität und der ETH Zürich unter Verwendung der numerischen Modelle PERMAKART und PERMAMAP auf der Basis eines Höhenmodells und der potentiellen Einstrahlung berechnet. Die Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen bieten einen Überblick zur Permafrostverbreitung im Zugspitzmassiv. Besonderes Augenmerk liegt bei der Analyse der Permafrostsituation auf den Arealen Zugspitzgrat und Zugspitzplatt, da hier größere Bauwerke stehen, bei denen Probleme in Zusammenhang mit dem Dr. M. Gude: Permafrost Zugspitze - 2 -

3 Austauen von Permafrost entstehen können. Im Verteilungsmuster der Modellierung mit dem Programmen PERMAKART/PERMAMAP sind in Bezug auf diese Areale zwei Ergebnisse von besonderer Bedeutung: Die Permafrostgrenze im Bereich des Zugspitzgipfels verläuft entlang des Ost-West orientierten Gipfelgrates und das Zugspitzplatt ist frei von Permafrost (siehe Abbildung 2). Beide Ergebnisse werden im wesentlichen durch die Temperaturmessungen und die Beobachtungen (z. B. von Sommereis) bestätigt. Gipfelgebäude Schneeferner Gebäude Seilbahnmast Temperaturdatalogger: S-Hang N-Hang Gebiet mit BTS Messungen Tunnel mit Versorgungsleitungen Zahnradbahntunnel Abb 1: Blick vom Zugspitzplatt nach Norden auf den Zugspitzgrat. Eingezeichnet sind (schematisch) die in Zusammenhang mit Änderungen in den Permafrostbedingungen möglicherweise beeinflußten Bauwerke sowie die Meßorte für die Untersuchungen. Die BTS-Messungen im Areal Zugspitzgrat belegen die Modellergebnisse, daß der Permafrost im Bereich der S-exponierten Wand nur fleckenhaft vorkommt und stark mit Relief- und Schneeverhältnissen variiert. Permafrost tritt hier offensichtlich nur auf, wo hohe winterliche Schneedecken in Depressionen für lang anhaltende Schneeauflage im Sommer sorgen (BTS: -3 bis -1,5 C). Die Felstemperaturen in 0,5-1 m Tiefe zeigen nur an einzelnen Standorten geringere winterliche Werte als die Dr. M. Gude: Permafrost Zugspitze - 3 -

4 BTS-Werte, was ebenfalls auf nur fleckenhaft vorkommenden Permafrost hinweist. Der Grat zeichnet demnach tatsächlich in etwa die Untergrenze des Permafrostes nach. Dieser Grenzsaum reagiert sensibel auf Klimaschwankungen, was in den Bewertungen für die Stabilität berücksichtigt werden muß. Permafrost wahrscheinlich A Gletscher B Permafrost nicht wahrscheinlich Abb. 2: Zugspitzgebiet mit den Untersuchungsgebieten Zugspitzgrat (A) und Zugspitzplatt (B) und mit dem Ergebnis der Modellierung mit PERMAMAP (Hoelzle, Zürich) Die Schneebasistemperaturen (BTS) im Untersuchungsgebiet Zugspitzplatt deuten - im Gegensatz zu den Modellergebnissen - auf Permafrost mit fleckenhafter Verbreitung hin (BTS: -2,5 bis 0 C). Das ist allerdings größtenteils auf Toteis im Moränenmaterial der rückschmelzenden Gletscher und auf reliktisches Permafrosteis zurückzuführen; es handelt sich also nicht um Permafrost, der im Einklang mit heutigen klimatischen Bedingungen steht. Reliktisches Bodeneis ist z. B. im Bereich einer mutmaßlichen Einsturzdoline zu finden, die beim Bau eines Tunnels für die Zahnradbahn durchfahren wurde. In diesem Tunnel, ähnlich wie an anderen Stellen auf dem Zugspitzplatt, hat das Austauen des reliktischen Eises bereits mehrfach zu Sackungen geführt. Während die Modellergebnisse also die aufgrund heutiger klimatischer Bedingungen zu erwartenden Permafrostverhältnisse widerspiegeln, deuten die BTS-Messungen und Beobachtungen auch die frühere Permafrostverbreitung an. Dr. M. Gude: Permafrost Zugspitze - 4 -

5 Geotechnische Bewertung Die Ergebnisse der Messungen und Modellierungen liefern Informationen über die Kopplung von aktuellem und früherem Klima mit dem Permafrost und damit auch zu möglichen Reaktionen des Permafrostes auf klimatische Änderungen. Hiermit kann eine potentielle Gefährdung des Gipfelgrates durch Ausschmelzen des Permafrostes und dadurch bedingte Instabilisierung des Felses abgeschätzt und geotechnische Schutzmaßnahmen frühzeitig erwogen werden. Die Ergebnisse für Zugspitzgrat und Zugspitzplatt machen deutlich, daß die Klimageschichte bei der Beurteilung der aktuellen Situation berücksichtigt werden muß. Grundsätzlich wirken sich Klimaänderungen aber erst zeitlich verzögert nach mehreren Jahren oder gar Jahrhunderten auf die Permafrostverbreitung und -mächtigkeit aus. In der Interpretation der Ergebnisse ergibt sich folgendes Bild für die beiden Gebiete Zugspitzgrat und Zugspitzplatt (siehe Tabelle 1). Zugspitzgrat Die momentane geotechnische Stabilität ist in Bezug auf den Einfluß des Permafrostes auf der Zugspitze als ausreichend anzunehmen. Zwar ist für die Südseite nachgewiesen, daß Permafrost nur an verschiedenen Stellen lokal auftritt. Andererseits ist durch die wahrscheinlich den Felsgrat von der Nordflanke her durchdringende Abkühlung das Vorhandensein von Permafrost im gesamten gipfelnahen Felsgrat wahrscheinlich - abgesehen von den oberflächennahen Felsschichten in der Südflanke. Das Anfang der 90er Jahre bei den Ausschachtungsarbeiten gefundene Spalteneis ist also vermutlich nicht nur eine Folge der Abschattung durch frühere Gebäudeteile (z. B. die Terrasse), sondern wäre klimatisch bedingt auch ohne Abschattung anzutreffen. Durch die Konstruktionsweise des neuen Gipfelgebäudes inklusive der Seilbahntrassen mit der Lastausrichtung in das Innere des Felsmassivs läßt sich in Bezug auf die aktuellen Permafrostbedingungen eine ausreichende Stabilität vermuten. Allerdings muß bei Berücksichtigung der momentan bereits zu messenden und für die Zukunft prognostizierten Klimaerwärmung damit gerechnet werden, daß die von Permafrost freien Gebiete in der Südflanke sowohl in der Fläche als auch in der Tiefe zunehmen werden. Da dieses Gebiet im Grenzbereich der Permafrostverbreitung liegt, ist hier mit besonders starken Änderungen zu rechnen. Besonders zu berücksichtigen ist hier die in verschiedenen Labor- und Feldversuchen nachgewiesene Instabilisierung von gefrorenen Fels- und Lockermaterialien, bevor der Schmelzpunkt erreicht wird. Daher muß wahrscheinlich in Folge der zu beobachtenden Erhöhung der mittleren Lufttemperaturen in der Atmosphäre mit einer Verringerung der Stabilität des Gesteins gerechnet werden, auch wenn der Permafrost noch erhalten bleibt. Zudem haben die Dr. M. Gude: Permafrost Zugspitze - 5 -

6 Temperaturmessungen gezeigt, daß es immer wieder zu Eindringen von Schmelzwasser in die Felsspalten kommt, was die Temperatur im Fels anhebt. Auch dieser Prozeß wird durch die aktuelle Erhöhung der atmosphärischen Temperaturen sicherlich zunehmen. Gebiet Bauwerke Risiken durch Degradation von Permafrost Gipfelgrat, Süd-/Nordflanke (anstehender Fels) Gipfelgebäude Tunnel mit Versorgungsleitungen Schneefernerhaus Bauwerke im Grenzbereich des Permafrostes Südflanke: nur sporadischer Permafrost Risiko: Instabilisierung des klüftigen Felses durch Erwärmung oder Ausschmelzen des Permafrostes Zugspitzplatt (Moränen, Schutt) Skilifte, Seilbahnmasten Tunnel Zahnradbahn Reliktisches/tauendes Bodeneis (Permafrost und Gletschereis) teilweise unkonsolidierter Untergrund durch Eisübersättigung Risiko: Setzungen des Baugrundes durch ausschmelzendes Bodeneis Tab. 1: Permafrostsituation und Gefährdungen für Bauwerke am Gipfelgrat und auf dem Zugspitzplatt Ausgehend von dieser Situation sollten verschiedene Vorsorgemaßnahmen erwägt werden, um eventuell problematische Veränderungen in der Permafrostsituation im Zugspitzgrat frühzeitig erkennen zu können und entsprechende technische Maßnahmen ergreifen zu können: Installation geotechnische Meßgeräte (Extensiometer, Inklinometer, etc.); Kontinuierliche Messung der Felstemperaturen an der Oberfläche und in verschiedenen Tiefen (evtl. Horizontalbohrung unter dem Gipfelgebäude mit Installation von Temperatur- und geotechnischen Sonden); regelmäßige geodätische Überwachung verschiedener Fels- und Gebäudepunkte sowie der Klettersteigrouten; Dr. M. Gude: Permafrost Zugspitze - 6 -

7 Untersuchung und Überwachung der Felspartien oberhalb des Schneefernerhauses; Zugspitzplatt Im Bereich des Zugspitzplatts muß mit weiterem Austauen von Bodeneis, wie bereits an verschiedener Stelle beobachtet, gerechnet werden. Insbesondere ist hier mit Sackungen des Untergrundes zu rechnen, da größere Eiskörper zu vermuten sind. Daher sollten hier alle Bauwerke kontinuierlich kontrolliert werden, um möglichen Sackungen frühzeitig durch Sicherungsmaßnahmen zu begegnen. Durch die geringe Reliefneigung ist hier allerdings auch nur von einem wesentlich verringertem Gefährdungspotential im Vergleich zum Zugspitzgrat auszugehen. Fazit Verschiedene Bauwerke im Bereich der Zugspitze sind auf Permafrost gegründet. Das kann im Rahmen der bereits beobachteten und für die Zukunft prognostizierten Klimaerwärmungen zu Problemen für die Baugrundstabilität werden. Während auf dem Zugspitzplatt bereits Ausschmelzen von Bodeneis und damit verbundene Baugrundsetzungen vorkommen, scheint der Permafrost im Zugspitzgrat noch stabil. Da sich der Grat jedoch im Grenzbereich des Permafrostvorkommens befindet, muß auch hier mit Erwärmung oder Ausschmelzen - und eventuell damit verbundener Instabilisierung des Baugrundes - gerechnet werden. Dr. M. Gude: Permafrost Zugspitze - 7 -