Kristallin

Kristallines Grundgebirge steht im Schwarzwald und im Odenwald auf einer Fläche von etwa 3565 km² über Tage an, wobei es bereichsweise von quartären Deckschichten überlagert wird. Es setzt sich nach Osten unter die sedimentären Gesteinseinheiten des Deckgebirges fort und taucht dabei in Tiefen von bis zu mehreren Tausend Metern unter die Geländeoberfläche ab.

Weitere Informationen zum Kristallin finden Sie hier (Gneis-Migmatit-Komplex), hier (Alte Schiefer), hier (Variskische Plutone) und hier (Variskische Gangmagmatite).

Das Kristalline Grundgebirge wird von einem System von Trenn­flächen durchzogen. Es entstand bei den Graniten als Folge der Intrusionsmechanik und durch Abkühlung, bei den Gneisen durch Schieferung und Zerscherung. Daneben erzeugten tektonische Störungen z. T. sehr tiefreichende wasser­wegsame Zonen im Gebirge. Darüber hinaus bildete sich ein oberflächennahes Kluftsystem infolge Druckentlastung (Plum et al., 2008).

Für die hydrogeologischen Verhältnisse im Kristallin sind weiterhin die Grusdecken von Bedeutung, die durch Verwitterung der Granite auf den Hochflächen entstanden. Sie können als Porengrundwasserleiter eine Mächtigkeit von 30 m errei­chen und kommen im Schwarzwald und Odenwald vor (Karrenberg, 1981; Grimm & Prier, 1997). Insbesondere in den Grus­decken sind die hydrogeologischen Eigen­schaften relativ homogen und isotrop.

Unterschiede werden bei getrennter Betrachtung der Granite und Gneise erkennbar. Insgesamt sind die hydraulischen Kennwerte im Granit mit T = 7,4 · 10^‑5 m²/s und T/H = 9,6 · 10^‑7 m/s etwas größer als im Gneis, für den die entsprechenden Werte bei T = 6,9 · 10^‑6 m²/s und T/H = 5,0 · 10^‑8 m/s liegen.

Eine Teufenabhängigkeit der Größe der hydraulischen Kennwerte, wie sie aufgrund der oberflächennahen Entlastung zu erwarten ist, konnte nur für die Gneise, nicht jedoch für Granite statistisch nachgewiesen werden (Stober, 1995).

Die Hohlräume im unverwitterten Gebirge werden ausschließlich von Klüften gebildet. Ihr Anteil schwankt zwi­schen 0,1 und 2,0 %, wobei die größeren Werte für den Granit, die kleineren Werte für den Gneis typisch sind (Stober, 1995).

In der Verwitterungsdecke und der oberflächen­nahen Auflockerungszone sind die Grund­wasserkörper, bedingt durch die Geländemorphologie, meist klein. Sie sind bei ausgeprägter Morphologie durch einen vergleichsweise schnellen Grund­wasserumsatz und kurze Verweilzeiten charakterisiert. Die Entwäs­serung erfolgt über Quellen meist geringer Schüttung (kleiner 2 l/s, vereinzelt bis 10 l/s).

Die hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters, aus dem die Quel­len im Kristallin austreten, spiegeln sich u. a. in ihrem Schüttungs­verhalten wider. Es werden drei verschiedene Quelltypen unterschieden (Grimm & Prier, 1997).

Kluftquellen sind charakterisiert durch:

• eine geringe Niederschlags­abhängigkeit der Quellschüttung
• verhältnismäßig große Schüttungs­quotienten (NQ/HQ häufig größer 0,3)
• relativ konstante elektrische Leitfähigkeiten
• geringe jahreszeitliche Temperatur­schwankungen (meist kleiner 1 °C)
• ein langsames Leerlauf­verhalten (Leerlaufkoeffizient α = 0,002 bis 0,003 d^‑1)
• eine Verschiebung des Verlaufs der Lufttemperatur zur Quellwassertemperatur um mehrere Monate

Hangschuttquellen, die im Kristallin sehr häufig auftreten, sind charakterisiert durch:

• ein schnelles und starkes Ansprechen auf Niederschlags­ereignisse
• einen Trocken­wetterabfluss (NQ) von meist weniger als 1 l/s, oft sogar unter 0,2 l/s
• eine mittlere Schüttung (MQ) von mehreren Zehnteln bis wenige l/s und eine maximale Schüttung (HQ) teilweise über 10 l/s
• einen geringen Schüttungsquotienten (NQ/HQ unter 0,1), der die schnelle Entleerung des Speichers widerspiegelt
• hohe jahreszeitliche Temperatur­schwankungen (meist zwischen 2 und 3 °C)
• eine große Variations­weite der Leerlaufkoeffizi­enten zwischen α = 0,004 bis 0,06 d^‑1, die im Zusammenhang mit den sehr hetero­genen Eigenschaften der wasser­führenden Gesteine im Quelleinzugs­gebiet steht
• eine Verschiebung des Verlaufs der Lufttemperatur zur Quellwassertemperatur um ca. eineinhalb bis zweieinhalb Monate

Häufig ist folgende Entwicklung zu beobachten: während zu Beginn einer Trockenperiode das Grobporensystem des Hangschutts das Leerlaufverhalten bestimmt (α₁ = 0,03 bis 0,06 d^‑1), wird das Schüttungs­verhalten zunehmend vom Volumen der oberflächen­nahen Klüfte (α₂ = 0,01 bis 0,02 d^‑1) und schließlich vom Feinkluft­system des Grundgebirges (α₃ = 0,002 bis 0,008 d^‑1) bestimmt. Die Temperaturen der Hangschutt­quellen nehmen mit zunehmender Höhenlage um 0,6 bis 1,5 °C pro 100 Höhenmeter ab.

Verwitterungsdeckenquellen sind charakterisiert durch:

• Mindest­schüttungen (NQ) von oft über 1,0 l/s
• verhältnis­mäßig große Schüttungsquotienten (NQ/HQ von meist größer 0,2) sowie
• langsame und kontinu­ierliche Schüttungsabnahmen bei Trockenwetter (Leerlaufkoeffizient α = 0,003 bis 0,005 d^‑1)
• jahreszeitliche Temperatur­schwankungen von meist deutlich unter 2 °C
• eine Verschiebung des Verlaufs der Lufttemperatur zur Quellwassertemperatur um ca. drei bis vier Monate

Niederschlag, der auf den Höhen des Schwarzwalds in das Gebirge einsickert, kann über kluft- und störungsgebundene Wegsamkeiten in große Tiefen gelangen. Der Grundwasserfluss beruht auf der Reliefenergie zwischen den Höhenlagen und den tief eingeschnittenen Tälern. Entlang des Fließpfades kommt es zu Wechselwirkungen zwischen dem Grundwasser und den durchströmten Gesteinen mit einer Zunahme des Gehaltes an gelösten Mineralen im Grundwasser. Die Austritte dieser tiefreichenden Zirkulationssysteme über aufsteigende Quellen liegen meist in geomorphologisch tiefer Position im Talgrund. Je nach Zirkulationstiefe, Grundwasserverweilzeit und verfügbaren Mineralen können sich sowohl Mineral- als auch Thermalwässer bilden.

Aufgrund der Durchlässigkeitsverteilung und der hohen Reliefunterschiede kann die Zirkulationstiefe der Thermalwässer in Granitgebieten bis über 4000 m reichen. In Gneisgebieten bleiben die Fließsysteme bei den Mineralwässern und Säuerlingen auf einige Zehner bis wenige Hundert Meter Tiefe beschränkt. Dementsprechend belegen isotopenhydrologische Untersuchungen, dass die Verweilzeiten der Thermalwässer im Granit mit einigen tausend Jahren wesentlich höher sind als die der Mineralwässer und Säuerlinge im Gneis. Diese Wässer erreichen oft nur Verweilzeiten im Untergrund von einigen Zehner Jahren (Schloz & Stober, 2002; Schloz & Stober, 2006).

Kennzeichnend für anthropogen nicht oder nur wenig beeinflusste oberflächen­nahe Grundwässer aus dem Kristallin sind (LfU, 2001a; Plum et al., 2009a):

• Quellwassertemperaturen sind je nach Exposition, Höhenlage des Einzugsgebietes und Zikulationstiefe des Grundwassers etwa 1 °C höher als die mittlere Jahres­temperatur der Luft. Sie liegen je nach Höhenlage des Einzugs­ge­biets etwa zwischen 7,5 und 9,5 °C. Der Mittelwert liegt bei ca. 8,6 °C
• Mittlere elektrische Leitfähigkeiten im Bereich von 80 μS/cm mit einer Spannweite von etwa 30 bis 200 μS/cm
• Mediane Konzentrationen von ca. 3,3 mg/l Na­trium, 0,8 mg/l Kalium, 5,1 mg/l Calcium, 1,5 mg/l Magnesium, 2,1 mg/l Chlorid, 5,6 mg/l Sulfat sowie eine geringe Karbonathärte von ca. 0,8 °dH (Plum et al., 2009a)
• Vergleichsweise niedrige pH-Werte von im Mittel 6,8 mit Varia­tionen zwischen 6,0 bis 7,4

Im Kristallin zeichnen sich die tieferen und sehr tiefen Grundwässer durch eine Vielfalt der Wassertypen und der Mineralisationsgrade aus. Sie unterscheiden sich darin von den oberflächennahen Grundwässern.

Die Mineralwässer und Säuerlinge sowie die Thermalwässer des Schwarzwalds sind meist erhöht bis hoch mineralisiert. Dabei handelt es sich um sehr unterschiedliche Wassertypen.

• Die Thermalwässer besitzen generell hohe Natrium- und Chlorid-Konzentrationen sowie kein oder nur wenig CO₂.
• Die Mineralwässer sind dagegen meist reich an Kalzium Natrium und Hydrogenkarbonat, jedoch arm an Chlorid. Ihr Gehalt an freiem gelöstem CO₂ kann einige 1000 mg/l betragen.

Mit ihren hohen Natrium- und Chloridgehalten weisen die Thermalwässer des granitischen Grundgebirges eine marine Signatur auf. Die hydrochemische Beschaffen­heit wird zusätzlich durch Wasser-­Gesteins-­Reaktionen in Verbindung mit langen Verweilzeiten des Wassers im Untergrund modifiziert. Durch die tiefen Fließsysteme werden Anteile nahezu stagnierender, hochsalinarer tiefer Grundwässer bzw. Solen aufgenommen und gelangen in stark verdünnter Form an die Erdoberfläche. Derartige Solen mit 21,0 und 61,1 g/l gelöstem NaCl wurden z. B. in der Geothermie­bohrung III in Bad Urach angetroffen (Schloz & Stober, 2006).

Dagegen verhindert die wesentlich geringere Zirkulationstiefe der (nicht thermalen) Mineralwässer einen solchen salinaren Zufluss aus dem tieferen Kristallinen Grundgebirge.

Bemerkenswert ist die relativ niedrige Mineralisation des Bad Wildbader Akrato-Thermalwassers mit nur 0,65 bis 0,74 g/l gelösten Mineralstoffen bei Temperaturen zwischen 35,0 und 39,4 °C (Schloz & Stober, 2006).

Dagegen sind die hohen Durchlässigkeiten in den Thermalwassergebieten flächig weiter ausgedehnt und reichen in große Tiefen. Nur in den Granit-Komplexen können die beträchtlichen Volumenströme der Thermalwässer aus großer Tiefe an die Erdoberfläche aufsteigen ohne dabei stark abzukühlen. Grund hierfür ist die ausgeprägte, relativ gleichmäßig verteilte, tiefreichende Klüftung mit entsprechender Durchlässigkeit (Baden-Baden, Bad Wildbad). Anderenorts können die Thermalwässer jedoch bis zu ihrem Austritt an der Erdoberfläche auch stark abkühlen (Bad Liebenzell, Bad Säckingen).

Beispiele für Quellen, die über tiefreichende Zirkulations­systeme im Kristallin gespeist werden, sind die Mineral-­Thermalwässer von Baden–Baden, Bad Liebenzell, Bad Säckingen und Bad Wildbad.