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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-72199
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7219/


Seelig, Ulrike

Water-rock interaction in the new Gotthard railway tunnel, Switzerland

Wasser-Gesteins Wechselwirkungen im neuen Gotthard Eisenbahntunnel, Schweiz

Dokument1.pdf (22.829 KB) (md5sum: 1f202d2b475da894a9381eeb903cfae5)

Kurzfassung in Englisch

This PhD thesis is concerned with the investigation of water-rock interaction in the crystalline basement. The aim was to determine the origin of the waters and the sources of the components contained therein. The study area is the Amsteg section of the new Gotthard railway tunnel currently under construction in Switzerland. It traverses the Central Alps and will be the world’s longest tunnel. The Amsteg section is located in the Aar massif, one of the external massifs of the Alps. All lithologies in the tunnel section have granitic to gneissic composition and character. Because the lithologies are steeply dipping parallel to the Alpine foliation and the orientation of the fractures, the waters in these fractures are mainly in contact with the same rock type. This makes it very interesting to study these waters, because the only influence is the composition of the lithology. The high Alpine setting of the catchment excludes additionally any anthropogenic disturbance and influence by the vegetation. Furthermore, these water samples are very unique, because the tunnel is sealed immediately after the drill head there was only one opportunity to collect the samples.
The chemical composition of the waters varies with lithology. In general, the waters are characterized by their sodium domination and low to very low concentration of calcium and magnesium, respectively with varying dominance and concentration of the anions. In addition, they have very high fluoride concentration up to 29 mg/L and high pH values up to 10.4. According to the main element contribution and to the total load of dissolved solids the tunnel waters can be categorized into the following six water types: Na HCO3-(Cl), Na Cl-(SO4), Na Cl, Na HCO3, Na-(Ca) HCO3-SO4, and Ca-(Na) SO4. The formation of these water types could be modelled in correlation with the composition of the host rocks. These mass balance calculations together with microscopic and EMP investigations revealed albite dissolution, leaching of fluid inclusions, sulphide oxidation, the alteration of F-phlogopite to F-free chlorite, and the formation of new Ca-bearing minerals as major overall reactions to form the Gotthard tunnel waters. A special focus was set on the investigation of the halogens in the waters as well as in the minerals. F-bearing biotite and muscovite together with the dissolution of secondary fluoride are the main sources for F in the waters. Cl/Br ratios obtained from waters and leaching experiments proves that the salinity of the waters is derived from water-rock reactions. A correlation between the Cl/Br ratio in the water and the degree of metamorphism was found along the tunnel profile.
During the tunnel construction a new lithology, not present on the surface, was discovered. Its petrographic composition was determined and set into relation to other intrusive rocks and the regional geotectonic setting. A focus was set on trace element discrimination diagrams and petrologic models to identify the processes leading to its geochemical composition.


Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit den Untersuchungen der Wasser-Gesteins Wechselwirkungen im kristallinen Grundgebirge. Ziel war sowohl die Bestimmung der Herkunft des Wassers als auch der Wasserinhaltsstoffe. Das Untersuchungsgebiet befindet sich in der Schweiz, im Amstegabschnitt des neuen Gotthard Eisenbahntunnels, der sich derzeitig im Bau befindet. Der Tunnel durchquert die Zentralalpen und wird der weltlängste Tunnel bei seiner Fertigstellung sein. Geologisch gesehen befindet sich der Amstegabschnitt im Aarmassiv, einem der Externmassive der Alpen. Die Gesteinseinheiten haben granitischen bis gneisigen Charakter. Weil alle Lithologien steil einfallen und parallel zur alpinen Schieferung und zur Orientierung der Klüfte ausgerichtet sind, befinden sich die Kluftwässer hauptsächlich im Kontakt zu den gleichen Gesteinstypen. Daher eigenen sich diese Wässer hervorragend für die Untersuchung von Wasser-Gesteins Wechselwirkungen, da der einzige Einfluss in der Zusammensetzung der Gesteinseinheit besteht. Durch die hochalpine Lage des Einzugsgebietes kann ein zusätzlicher anthropogener Einfluss sowie eine Beeinflussung durch die Vegetation ausgeschlossen werden. Was diese Proben jedoch noch einzigartiger macht, ist, dass der Tunnel sofort hinter dem Bohrkopf wieder versiegelt wird und es somit nur eine einzige Gelegenheit für die Beprobung dieser Wässer gab.
Die chemische Zusammensetzung der Tunnelwässer variiert mit der Lithologie. Im Allgemeinen sind die Wässer durch eine Dominanz an Natrium und sehr geringe Konzentrationen an Kalzium und Magnesium charakterisiert sowie variable Konzentration und Dominanz der Anionen. Zusätzlich weisen die Wässer sehr hohe Fluoridkonzentrationen bis zu 29 mg/l und hohe pH-Werte bis 10,4 auf. Bezüglich der Hauptelemente und der Gesamtmineralisation lassen sich die Tunnelwässer in die folgenden sechs Wassertypen unterteilen: Na HCO3-(Cl), Na Cl-(SO4), Na Cl, Na HCO3, Na-(Ca) HCO3-SO4 und Ca-(Na) SO4. Die Bildung der Wassertypen konnte in Korrelation mit der Gesteinszusammensetzung modelliert werden. Diese Massenbilanzberechnungen zusammen mit den Ergebnissen der Mikrosondenuntersuchungen zeigen, dass die Albitauflösung, die Laugung von Flüssigkeitseinschlüssen, die Oxidation von Sulfiden, die Umwandlung von F-haltigem Biotit zu F-freiem Chlorit sowie die Bildung neuer Ca-haltiger Minerale die Hauptreaktionen darstellen, die zur Ausprägung der Wasserzusammensetzung in den Klüften führen. Ein spezieller Augenmerk lag auf der Untersuchung der Halogene im Wasser und in den Mineralen. Fluorhaltiger Biotit und Muskowit stellen zusammen mit der Auflösung von sekundärem Fluorit die Hauptquellen von Fluorid im Wasser dar. Das Cl/Br Verhältnis im Wassers als auch im Eluat gelaugter Tunnelgesteine zeigt an, dass die Salinität des Wassers ausschließlich aus Wasser-Gesteins Wechselwirkungen resultiert. Es konnte ein Zusammenhang zwischen dem Cl/Br Verhältnis im Wasser und dem Metamorphosegrad der Gesteine entlang des Tunnelprofils gefunden werden.
Während der Tunnelbauarbeiten wurde eine neue Lithologie angefahren, die an der Erdoberfläche nicht auftritt. Die petrographische Zusammensetzung dieses plutonischen Gesteins wurde untersucht und sowohl mit anderen Intrusiva als auch mit dem regionalen geotektonischen Kontext in Zusammenhang gebracht. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Rolle der Spurenelemente zur Identifizierung der Prozesse, die zur speziellen geochemischen Zusammensetzung dieses Gesteins geführt haben, sowie auf der petrologischen Modellierung dieser Entwicklung.


SWD-Schlagwörter: Granit , Halogene , Alpen , Verwitterung , Flussspat , Chloridion
Freie Schlagwörter (deutsch): Wasser-Gesteinswechselwirkung , Cl/Br Verhältnis
Freie Schlagwörter (englisch): halogen , granite , water-rock interaction , fluoride , basement rock
Institut: Institut für Mineralogie, Petrologie und Geochemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Bucher, Kurt (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.02.2010
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 19.05.2010
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