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Das Karstgebiet Franken
Entstehung, Erscheinung und Hydrologie
Übersicht Entstehung Verkarstung Hydrologie
Gliederung
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
Modul „Allgemeine Hydrogeologie“06.08.2013
Wo befindet sich die Fränkische Alb?
Die Übersicht
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
Modul „Allgemeine Hydrogeologie“06.08.2013
Wo befindet sich die Fränkische Alb? Begrenzt durch die Orte:
◦ Ingolstadt (Süden)◦ Regensburg (Südosten)◦ Nürnberg (Westen)◦ Bamberg (Nordwesten)◦ Bayreuth (Nordosten)
Verlängerung der Schwäbischen Alb jenseits des Nördlinger Rieses nach Nordosten
Die EntstehungProzess über mehr als 100 Mio. Jahre
Wie entsteht das?
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Das Erdzeitalter (Äon)
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Das Erdzeitalter (Äon)
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
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Die Ära / Periode
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Die Ära / Periode
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Die TriasDie „Grundlage“ der Schichten
Geländeform: Weiche Hügel
Bestehend aus den ältesten geologischen Schichten (Mittlerer Keuper, ca. 200 Mio. Jahre):◦ Sandsteine◦ Tone
Ablagerungen in dieser Zeit entstanden küstennah:◦ Sumpfige Seenplatten, Flussdeltas, Verlandungsbereiche und Lagunen
Gebiet noch überwiegend Festland, nur kurzzeitig vom Meer überflutet
Die Gesteine der Trias
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Der JuraDie „Krönung“ der Schichten
In der Jurazeit (ca. 195 mya) lag ganz Süddeutschland für 60 Mio. Jahre unter einem Flachmeer
Ständige Absenkung der Kruste → Mächtige Gesteinsfolgen lagern sich am Meeresgrund ab
Jura-Sedimente bilden heute den größten Teil der auftretenden Gesteine
Gliederung der Jura-Formation in 3 Abteilungen:◦ Unterer oder Schwarzjura (Lias)◦ Mittlerer oder Braunjura (Dogger)◦ Oberer oder Weißjura (Malm)
Benennungen beziehen sich auf die in den drei Abteilungen vorherrschenden Gesteinsfarben
Die Gesteinsfolgen des Jura
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Schwarzjura (Lias)
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Entstehung im noch sehr küstennahen Bereich des Jurameeres
Ablagerung von grobkörnigen Sandsteinen
Gesteine äußerst reich an Fossilien
Auch der Posidonienschiefer enthält viele sehr gut erhaltene Fossilien
Dieses Schiefergestein entstand im sauerstoffarmen Milieu
Schwarzjura (Lias)
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Diese Tonsteine enthalten relativ viel Erdöl
Im letzten Krieg auch abgebaut
Echtes Erdölmuttergestein
…Wer hätte das gedacht?
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Brauner Jura (Dogger)
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Es entstanden Schelfmeer-Bildungen
Die braune Gesteinsfarbe wird von feinverteilten Eisenverbindungen hervorgerufen
Die Eisensandsteine wurden früher gerne als Baumaterial verwendet
Schichtabschnitt gekennzeichnet durch ein Auftreten von oft vorzüglich erhaltenen Versteinerungen
Brauner Jura (Dogger)
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Weißer Jura (Malm)
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Klassische "Formation" der Kalke und Dolomite Malm-Landschaft geprägt von Verkarstung und Höhlenbildung Carbonatgesteine verantwortlich für helle bis weiße Färbung
des Malms◦ Hoher Tonanteil: graue Gesteinsfarben vorherrschend◦ Je reiner der Kalk, umso mehr tendiert seine Farbe zu Weiß
Abgelagert am Grund eines flachen und warmen Schelfmeeres Obere Bereiche der Malmschichten durch Zufuhr von
Magnesium in Dolomit umgewandelt Riffdolomite und tafelbankige Dolomite bilden die
charakteristische Kuppenlandschaft des Albhochlandes Heute: An Steilhängen zeigen sich die massigen Riffdolomite
als schmutziggraue, blockartig zerlegte Felstürme mit glatten Wänden
Weißer Jura (Malm)
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Das Beispiel Hesselberg
Die Entstehung in der Praxis
In der Praxis: Der Hesselberg
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Entstehung des Hesselbergs
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Schichtstufen- und Bruchschollenland
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Gesamter Nordwesten Bayerns nördlich der Donau
Geologisch charakterisiert durch:◦ Vielfacher horizontaler sowie vertikaler Wechsel unterschiedlicher
Sedimentfolgen◦ Vorwiegend geringe Schichtneigung
Bandbreite der Gesteine ist aufgrund der vielfältigen Ablagerungsbedingungen sehr groß:◦ Fein- und grobklastische Sedimente (z.B. Ton- und Schluffsteine,
Sandsteine und Konglomerate)◦ Marine Bildungen (z.B. Kalksteine, Mergelsteine, Dolomitsteine)◦ Evaporite (Salzlager, Gips, Anhydrit)
Schichtstufen- und Bruchschollenland
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Details gewünscht?
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Details gewünscht?
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Die VerkarstungKomplexe Vorgänge im Gestein
Karstlandschaften auf der Welt weit verbreitet
Ca. ein Fünftel der kontinentalen Oberfläche sind Karstgebiete
Erscheinungsbild sehr von der Klimazone abhängig:◦ „Grauer Karst“: In gemäßigten Zonen; weißgraues, freigelegtes Gestein◦ „Grüner Karst“: Karstland von dichtem Urwald bedeckt
Karstgebiete – Ein globales Phänomen
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Verkarstung: „Die Auflösung vor allem von Kalk- und Dolomitgesteinen (aber
auch Stein- und Kalisalzen, Anhydriten, Gipsen sowie des kalkreichen Löß)“ durch das mit (aus der Luft und aus dem Oberboden stammende) Kohlendioxid angereicherte Niederschlagswasser.“
„Die so gelösten Stoffe werden dann mit dem Wasser zum geringen Teil oberirdisch, in der Hauptsache aber unterirdisch abgeführt.“
„Jedes Karbonatgestein enthält auch unlösliche Bestandteile, die bei der Lösung als Rückstände übrigbleiben.“
„Sie können an der Erdoberfläche allmählich angereichert werden und bilden dann meist eine lehmige Decke.“
„Bei einer solchen Lehmüberdeckung der Gesteine spricht man vom "bedeckten" Karst, im Gegensatz zum "nackten" Karst, bei welchem das Gestein offen zutage liegt.“
Definition: „Verkarstung“
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1.: Carbonatgesteine ◦ Kalke und Dolomite von Natur aus wasserundurchlässig ◦ ABER: Bereits bei geringen tektonischen Belastungen bilden sich jedoch in
diesen relativ harten, aber spröden Gesteinen feine Haarrisse, Klüfte und Störungsflächen aus!
◦ In diese Trennflächen kann das Niederschlagswasser eindringen!◦ Im Winter: Erweiterung dieser Trennflächengefüge durch Frostsprengung◦ Folglich: Das Niederschlagswasser kann immer tiefer in den Gesteinskörper
einsickern 2.: Im Niederschlagswasser gelöstes CO2
◦ Korrosion von Karbonaten erst durch die Anwesenheit von Wasser UND Kohlendioxid (CO2) möglich
◦ Reine atmosphärische Luft enthält etwa 0,03 Vol.-% CO2
◦ Im Niederschlagswasser stets atmosphärische Gase gelöst, so auch CO2
◦ Kohlendioxid-Gehalt des Wassers neben Partialdruck hauptsächlich von Temperatur abhängig (Bei einer Temperaturerhöhung des Wassers von +0,5°C auf +20,0°C nimmt sein Gehalt an freier Kohlensäure um etwa die Hälfte ab)
Voraussetzungen?
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Stattfindende Lösungsprozesse
Verkarstung aus chemischer Sicht
Die Übersicht System CO2 - H2O - (Ca,Mg)*CO3 ist für den
Lösungsvorgang von Karbonaten bestimmend
Beschreibung anhand des Beispiels von Calcium durch die folgenden Reaktionsgleichungen…
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Vereinfachte Reaktionsgleichung
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(1) Zuerst wird eine geringe Kalkmenge durch das Wasser direkt - also ohne Beteiligung von CO2 - gelöst: Das Löslichkeitsprodukt von CaCO3 beträgt bei +10°C in destilliertem Wasser Lp = 4 * 10-9, dieser Lösungsvorgang verläuft sehr rasch.
(2) Im Niederschlagswasser diffundiert atmosphärisches CO2 in das Wasser: CO2 + H2O ⇌ CO2 (physikalisch gelöst)
(3) Das physikalisch gelöste CO2 ist bei +4°C zu 0,75% hydratisiert: CO2 + H2O ⇌ H2CO3
(4) Die Kohlensäure dissoziiert vollständig: H2CO3 ⇌ H+ + HCO3
-
(5) An der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein werden Ca2+ -lonen aus dem Kristallgitter herausgelöst: CaCO3 ⇌ Ca2+ + CO3
2-
(6) Das bei (5) neu entstandene CO3 2- assoziiert mit dem H+
aus (4): H+ + CO32- ⇌ HCO3
-
Reaktionen
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
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H+ + CO32- ⇌ HCO3
–
Entlang der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein verarmt die Lösung an CO3
2-
Lösungsgleichgewicht mit dem festen CaCO3 wird gestört
Löslichkeitsprodukt Lp entspricht nicht mehr dem Ionenprodukt
Reaktionen
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H+ + CO32- ⇌ HCO3
–
Um das verbrauchte CO32- zu ersetzen und
hierdurch das Ionenprodukt wieder auf den Wert der Konstanten Lp zu bringen, geht wieder CaCO3 in Lösung
Ca2+-Ionen überwiegen gegenüber dem CO3
2-
Reaktionen
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H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-
Störung des Gleichgewichts zwischen der Kohlensäure und ihrem Dissoziationsprodukt durch den Verbrauch von H+-lonen
Die Kohlensäure (H2CO3) dissoziiert zunehmend mit dem Wasserstoffionen-Verbrauch
Das im Wasser nur physikalisch ("gasförmig") gelöste CO2 wird hydratisiert
Störung des Gleichgewichts zum atmosphärischen CO2 Das atmosphärische CO2 diffundiert solange in die Lösung
hinein, wie noch Kalk durch diese gelöst werden kann
Reaktionen
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Addition der Gleichungen ergibt sich die Summengleichung der Kalklösung
In diesem System "reaktiviert" die Assoziation von H+ und CO3
2- alle Reaktionsschritte bis zur erneuten Einstellung des Gleichgewichts
Die "freie Kohlensäure" wird zur wichtigsten Komponente◦ Sie kann als einzige in weiten Bereichen lückenlos
variieren◦ Bestimmt mit der jeweilig vorliegenden
Konzentration die Menge der Kalklösung
Reaktionen
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H2O + CO2 + CaCO3 ⇌ Ca2+ + 2 * (HCO3)-
Kohlensäurereiches Niederschlagswasser löst den Kalkstein auf:
H2CO3 + CaCO3 ⇌ Ca (HCO3)2
Entstehendes Calciumhydrogenkarbonat [Ca (HCO3)2] ist wasserlöslich
Durch die Niederschlagswässer ausgespült Durch unter- und oberirdische Gerinne abgeführt
Reaktionen: Zusammenfassung
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LösevorgängeWie viel Kalk kann gelöst werden?
Normales, mit atmosphärischem CO2 angereichertes Regenwasser kann bereits 40 mg/l Kalk lösen
Beim Eindringen und Durchsickern des Bodens nimmt das Niederschlagswasser weiteres CO2 auf:◦ In der bodennahen Luftschicht ◦ Im Boden selbst (aufgrund der Zersetzung pflanzlicher und
tierischer Reste) Im Bereich der besonders kohlendioxidreichen
Bodenluft nimmt das Wasser ein Vielfaches an CO2 auf: ◦ Wasser mit hohem CO2-Gehalt kann 200 mg/l Kalkstein
auflösen◦ CO2 -gesättigtes Wasser sogar 900 mg/l
Lösevorgänge
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Lange Zeit galt der Dolomit [Ca,Mg (CO3)2] als nicht verkarstungfähiges Gestein
Somit wurden auch Höhlenbildungen in Dolomiten ausgeschlossen
In der Fränkischen Alb sind Höhlen häufiger im Dolomit aufgeschlossen als in Kalkgesteinen
Magnesiumkarbonate sind mit steigender Wassertemperatur löslich, Maximum bei +16°C
Mit steigender Wassertemperatur nimmt der CO2-Gehalt des Wassers ab
Sofern Dolomit noch freies CaCO3 enthält, wird dieses aufgrund der besseren Löslichkeit zuerst weggeführt
Die Löslichkeit von Dolomit beträgt etwa ein Drittel der des Kalksteins
Was ist mit Dolomit?
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Höhlenbildung Da das CO2-reiche Wasser durch die
Trennfugen im Gebirge schnell nach unten fließt, übt es seine gesteinsauflösende Funktion besonders stark im Innern des Gebirges aus. Hier entstehen im Laufe der Zeit teils beträchtliche Hohlräume
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Höhlenbildung – Lac Souterrain
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HydrologieDer Wasserhaushalt im Karstgebiet
Übersicht
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Dolinen (slowenisch "dolina" = Tälchen) sind flache und trichterförmige Geländemulden mit unterirdischem Abfluß
Durchmesser reicht von wenigen Metern bis zu einigen Hektometern und entsprechender Tiefe
Dolinen entstehen in verkarstungsfähigen Gesteinen vor allem dort, wo etwas leichter verwitterbare dünnbankige Kalke vorliegen
Zur Bildung von Dolinen müssen zuerst große Kalkmengen gelöst werden; weil hierzu viel Wasser nötig ist, haben sie in der Regel ein großes oberirdisches Wassereinzugsgebiet
Dolinen
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Dolinen - Unterschiede
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A & C: Lösungsdolinen
B & D:Einsturzdolinen
Lösungsdoline
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Die Einsturzdolinen entstehen durch das Einbrechen einer Höhle im Untergrund
Sie entsprechen dem "Erdfall" der Ingenieurgeologie
Sie stellen ein erhebliches Gefahren- und Schadenspotential für die allgemeine Flächennutzung, insbesondere für Bauwerke und Verkehrswege dar
Einsturzdoline
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Einsturzdoline
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Versickerungsstellen und „Schlucklöcher“ Dort strömen oder stürzen nicht nur kleine,
periodisch auftretende Rinnsale, sondern ganze Bäche und Flüsse in die Tiefen des Gebirges hinein
Strömen von dort den unterirdischen Wasserläufen zu
Ponore
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Ponor – Beispiel Wasserberg bei Pegnitz
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Ponor - Wiederaustritt
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Übersicht
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Im Gebiet der Fränkischen Alb bestehen mehrere hydrologisch voneinander unabhängige Grundwasserleiter. Vom Liegenden zum Hangenden sind dies:◦ Burgsandstein◦ Rhätsandstein◦ Doggersandstein◦ Malmkarst
Ausbildung eines sog. Grundwasser-Stockwerksbaus Wechsel mehrerer Grundwasserleiter und
Grundwasserstauer in vertikaler Abfolge Durch Änderungen der lithologischen und strukturellen
Eigenschaften (Fazieswechsel, Bruchtektonik) können regionale Änderungen der Stockwerkstrennung auftreten
Grundwasser hat durch die große Bandbreite der Gesteine regional sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen und reicht von gering bis hoch mineralisierten Gewässern und selten sogar Salzwässer
Grundwasserleiter
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Grundwasserleiter
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Profilansicht
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Tracerversuche◦ Wohin fließt das an einem einzigen Punkt
markierte Wasser?◦ Welche der aufgenommenen Pseudoquellen
sprechen auf den Tracer an?◦ Abstandsgeschwindigkeiten des Wasserkörpers?◦ Fließrichtungen?
Rückschlüsse auf die unterirdischen Wasserwege
Wie fließt das Wasser?
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Tracerversuche
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Mathematische Modelle können dabei helfen, die Speläogenese (Höhlenbildung), den Fluss und den Transport in Karstaquiferen besser zu verstehen
Erfassung von Karstgebieten extrem komplex Die Anwendung von konventionellen
Grundwasserfließmodellen können völlig falsche Ergebnisse liefern
Völlig falsche Schutzzonen werden eingerichtet Kann zu Krankheiten und Epidemien führen
Tracerversuche ⇔ Berechnungen
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Tracerversuche
Waterborne disease (May 2000 in Walkerton, Canada)Stefan Zeltner
Das Karstgebiet FrankenModul „Allgemeine Hydrogeologie“
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Wasserwirtschaftliche Hinsicht
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Verkarstung sehr problematisch, da Wasserfilterung im Karst denkbar schlecht
Durch Niederschlagswasser werden aus dem Boden ausgewaschene Schadstoffe schnell und ohne wirksame Filterung in das Grundwasser eingebracht:◦ Nitrate als Folge intensiver Felddüngung◦ Ausgebrachte Pestizide
Der unterirdische Abfluss findet in offenen Klüften, Gängen und Schlotten sehr rasch statt
Ungefilterter Austritt des Grundwassers an Quellen daher oft schon nach wenigen Tagen
WICHTIG: In Karstgebieten auf einen strengen Grundwasserschutz achten
Wasserwirtschaftliche Hinsicht
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
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Übersicht
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
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Das in den Untergrund des Karstgesteins einsickernde Niederschlagswasser ätzt dort die schmalen Gesteinsfugen und -klüfte zu klaffenden Spalten und Röhren aus
So entstehen im Lauf der Jahrtausende weitverzweigte Höhlensysteme, durch die das Karstwasser strömt
Diese unterirdischen Gerinne treten in tiefeingeschnittenen Tälern wieder als Karstquellen zutage
Quellschüttungen in einigen Fällen bis zu mehreren tausend Kubikmetern pro Stunde
Karstquellen
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Beispiel: Schwarmbrunnen bei Engenthal
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Hier entspringt an einer Quelle unterhalb der Dogger/ Malm-Grenze ein kleiner Bach
Von der Quelle ab fließt er auf über 50m Länge in einem natürlich entstandenen, etwa 0,5m hohen Travertindamm
Dem an der Bachquelle austretenden kalkreichen Malmwasser wurde das Kohlendioxid entzogen, wodurch beständig beiderseits des kleinen Baches der im Wasser gelöste Kalk ausfiel: Der Damm wurde von dem Bach in langer Zeit selbst geschaffen
Im Laufe von vielen Jahrzehnten wuchs aufgrund der beständigen Kalkausfällung aus dem Bachwasser der Damm immer mehr in die Höhe
Schließlich kann eine Dammhöhe von über 1 m und eine Länge von mehr als 100 m erreicht werden
Naturdenkmal: Die „Steinernen Rinnen“
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
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„Steinerne Rinne“ bei Berching
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Die bewaldete Albhochfläche wurde wohl bereits vom frühen Mittelalter an durch Eingriffe von Menschenhand zur heutigen Karstlandschaft
Die Wälder wurden größtenteils abgeholzt und die Flusstäler künstlich entwässert, damit auch in Tälern Siedlungen entstehen konnten
Durch zunehmende, teils natürliche, teils künstliche Entwässerung sank jedoch auch der Grundwasserspiegel im Juragebirge stark ab
Albhochfläche verkarstete anthropogen immer mehr und die Quellen in den höher gelegenen Talsystemen versiegten, diese Täler wurden also zu Trockentälern
Die Lebensverhältnisse auf der Albhochfläche wurden so (durch den immer größer werdenden Wassermangel) immer ungünstiger
In den tiefgelegenen Flusstälern wurde durch die Entwässerung der vermoorten Böden stets mehr fruchtbares Land gewonnen
Das Landschaftsbild
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
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Das Landschaftsbild
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Modul „Allgemeine Hydrogeologie“06.08.2013
http://www.lfu.bayern.de/geologie/hydrogeologie/index.htm http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/wasserbg.htm http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/karst2.htm http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/kluft01.htm http://www.angewandte-geologie.geol.uni-erlangen.de/schir_01.htm http://www.frankenalb.de/urlaubsthemen/natur/berge-und-taeler.html http://www.zum.de/Faecher/Ek/BAY/gym/Ek11/karst.htm http://www.iah.org/karst/karst_hydrogeology.html http://de.wikipedia.org/wiki/Karst http://www.fhkf.de/karsthydrologischer-workshop/ http://www.teufelshoehle.de/information/entstehung_der_hoehle http://www.lfu.bayern.de/geologie/geotope_schoensten/49/index.htm http://www.lfu.bayern.de/geologie/geotope_schoensten/28/index.htm http://www.geo.fu-berlin.de/fb/e-learning/geofeld/gesteine/untererzechste
in/barbarossahoehle/speleogenese.html Dr. Alfons Baier , GeoZentrum Nordbayern, Lehrstuhl für
Angewandte Geologie
Quellen
Stefan ZeltnerDas Karstgebiet Franken
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!!!
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