Innovative Geophysik für hydrologische Parameterermittlung

Das vorgeschlagene Projekt ist Teil einer internationalen Kooperation im Rahmen des D-A-CH-Programmes mit dem Titel "Geometrie, Entwicklung und Dynamik des Karstsystems auf Yucatan". Es sind drei Teams involviert: Die Universität von Neuchâtel als Koordinator, das Centro del Agua, Mexiko mit Schwerpunkt hydrologische Modellierung und die Österreichische Geologische Bundesanstalt, betraut mit Methodenentwicklung, Datenauswertung und der Koordination der Messkampagnen. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines besseren Verständnisses der Entstehung und des Verhaltens großer Karstsysteme. Dies erfordert die Entwicklung neuer Messmethoden wie auch neuer Modellierungstechniken für eine detaillierte Analyse der Feldmessungen und zum Test von Hypothesen. Das Messgebiet befindet sich auf Yucatan/Mexico in einem der weltgrößten Karstsysteme und mit dem Vorzug schon vorhandener, wenn auch unvollständiger Messdaten. Die Studie umfasst zwei wissenschaftliche Hauptfragen: Wie formt sich ein Karstsystem dieser Größe? Wie funktioniert das System in der Gegenwart? Beide Fragen sind noch nicht befriedigend beantwortet. Es ist allgemein akzeptiert, dass die Entstehung hauptsächlich auf Lösung von Kalzit, verstärkt durch die Mischung von Süß- und Salzwasser beruht. Manche Autoren vermuten aber, dass vertikaler Wärmetransport im Untergrund die Mischung durch thermohaline Konvektion verstärkt und die Hauptursache für die Entstehung von vertikalen Strukturen, auch Cenotes genannt, darstellt, wogegen andere Autoren diese Ansicht nicht teilen. Die gegenwärtigen Funktionszusammenhänge und die detaillierte Dynamik des Systems sind repräsentiert durch komplexe Wechselwirkungen zwischen Süß- und Salzwasser, Gezeiteneffekte sowie sehr kleine Gradienten der Grundwasserfläche und nur lückenhaft verstanden und modelliert. Die bisherigen Modelle behandeln diese Prozesse unvollkommen und zeichnen ein nur sehr allgemeines Bild des komplexen Verhaltens. Um einen Fortschritt zu erzielen, konzentriert sich das Projekt auf zwei Hauptaspekte: Der erste umfasst das Verständnis der Evolution der Permeabilität und der Genese des Karstsystems der Halbinsel Yucatan über geologische Zeiträume. Das beinhaltet im Detail das Verständnis der Langzeiteffekte der Wechselwirkung zwischen Süß- und Salzwasser auf den Lösungsprozess und die Rolle von thermalen Systemen hierbei. Der zweite betrifft die Kenntnis und die Eigenschaften der bevorzugten Flusssysteme im regionalen Maßstab. Genauer umfasst dies eine umfassende Kenntnis der Geometrie des Fließsystems und wie es den regionalen Abfluss und Stofftransport beeinflusst. Die Geometrie ist das Ergebnis späleogenetischer Prozesse, daher sind beide Fragestellungen eng miteinander verknüpft. Eine systematische Beantwortung dieser beiden Fragen erfordert neben verbesserten Modellen vor allem auch die Akquisition wichtiger Daten, die momentan noch fehlen. Dies wiederum erfordert die Entwicklung neuer hydrologisch-geophysikalischer Messmethoden, die an die spezielle Messumgebung eines Karst- Grundwassersystems angepasst sind. Das betrifft Langzeitbeobachtungen von Durchflussmengen, Druckpegeln, Temperaturen, von Halokline und Mischzone an kritischen Positionen sowie die einfache und genaue Erfassung der Geometrie des Grundwasserleiternetzwerks unter Wasser wie auch vertikaler Strukturen. Die Entwicklung und der Test der neuen Methoden fallen in den Aufgabenbereich der Österreichischen Geologischen Bundesanstalt. Darüber hinaus obliegt ihr integrierte Datenauswertung gemeinsam mit bereits erstellten Daten sowie die Koordination und Abwicklung der Messkampagnen. Dabei kann die Geologische Bundesanstalt auf mehrjähriger Erfahrung, gesammelte in mehreren Messkampagnen auf Yucatan, aufbauen.

Die Forschungsprojekt "Xibalba" befasste sich mit dem Karstgrundwassersystem in und um Tulum / Mexiko. Das Untersuchungsgebiet umfasste die kleine, aber schnell wachsenden Stadt an der Karibikküste der Halbinsel Yucatan (bekannt für die antike Mayastadt direkt am Meer) mit dem umliegenden Dschungel sowie Teile des nahe gelegenen Biosphärenreservats Sian Ka-An und des zweitgrößten Barriere-Riffs der Welt. Aufgrund der schwierigen Zugänglichkeit wurden den Jahren 2007, 2008 und 2015 Hubschrauberflüge mit einer elektromagnetischen Sonde durchgeführt, um das verborgene natürliche Grundwasserleiternetz abzubilden. Die Daten enthüllten ein riesiges, komplexes Wasserleiternetzwerk im Karstuntergrund. Etwaige Verschmutzung kann sich also möglicherweise schnell ausbreiten. Die zu beantwortenden Fragen war nun: Wie dirigiert dieses Netzwerk die Bewegung des Grundwassers? Wie können sich Schadstoffe ausbreiten? Wie groß und empfindlich ist das Süßwasservorkommen? Solche Fragen können mit Messungen und einem hydrologischen Modell beantwortet werden. Im gemeinsamen Projekt "Xibalba" der Partner Geologische Bundesanstalt Wien, Universität Neuchatel, Schweiz und Amigos de Sian Ka'an, einer NGO in Mexiko, sowie lokalen Höhlentauchern in Tulum, wurden mit Standard- aber auch mit innovativen Messmethoden Grundwasser-Daten sowohl auf der Oberfläche als auch direkt in den Unterwasserhöhlen gesammelt, die als Input für einen neuen, flexibleren Grundwasser-Modellierungsansatz dienen, der vom Schweizer Partner entwickelt wurde. Die Methoden umfassten u.a. hochgenaue GPS-Messungen, chemische Wasseranalyse, Bohrlochmessungen, Geoelektrik, Gezeitenbeobachtung, innovative Laser-Flow-Messung und 3D-Laserscanning der Karsthöhlen. Mit angepassten Auswertemethoden wurde festgestellt, daß die AEM-Daten weit mehr Informationen über in Salzwasser eingebettete Karststrukturen liefern als bisher angenommen so wurden Strukturen sowohl unter hochleitfähigem Brackwasser als auch im Riff sichtbar. Für die 3D-Vermessung von Unterwasserhöhlen wurde ein laseroptisches Gerät entwickelt, das von Höhlentauchern mitgenommen werden kann. Ein ebenfalls neu entwickeltes Flussmesssystem zeigte komplexe, turbulente Geschwindigkeitsfelder. Die flexible hydrologische Modellierungstechnik berücksichtigt strukturelle wie auch hydrologische Parameter und simuliert die verborgenen Grundwasserflüsse. So kann die Ausbreitung von Schadstoffen im Grundwasser simuliert werden. Ein wichtiger Erfolg war die Kombination innovativer Datenerfassungsmethoden mit einem neuen numerischen Modellierungsansatz, der die flexible Einbeziehung quantitativer und struktureller Informationen zum Verständnis eines wichtigen Grundwasserregimes ermöglicht. Über die reine Wissenschaft hinaus liefern die Ergebnisse der Gemeinde Tulum Informationen über den Zustand und die Kapazität des Karstwassersystems. Die Informationen dienen dazu, das Bewusstsein für die Empfindlichkeit ihrer einzigen Süßwasserressource zu schärfen und stellen eine Faktengrundlage für Entscheidungsträger und Behörden dar, die den Prozess der städtischen und touristischen Entwicklung in der Region steuern.