Aufgabenstellung

1. sauer-quarzreiche S Silikatgesteine intermediäre I Silikatgesteine basenreiche B Silikatgesteine karb.-silikat. Misch - M karbonatarm karb.-silikat. Misch - C karbonatreich Karbonatgesteine K (Kalk, Dolomit etc.) T Tongesteine 3 Materialströme [Mächtigkeit in cm] Dominante Materialströmeaus den Tälern (ohne Legende) Sedimentmächtigkeitvor der Erosion [cm] Modellierung des Eis- und Materialtransports zur Bestimmung der Lockersedimente in Geologischen Karten mit TerraMath SedTec TerraMath - Dr. Robert Faber A-1190 Heiligenstädterstr. 107 Tel.: +43 650/ 958 44 06 Mail: robert.faber@terramath.com http://www.terramath.com WLM OEG - DI Tobias Plettenbacher A-6020 Innsbruck, Innstr. 23/3/11 Tel.: +43 512/ 27 22 56 Mail: tobias.plettenbacher@wlm.at • SedTec - Methodik & Technik • Hybrides Simulationstool – nützt mehrere Modellierungsansätze: • Physikalische Modellierung (zB.: Schmelzprozesse) • Diffusionsmodellierung (zB.: Abschätzung von Erosionsraten) • Fuzzy Logic (Bestimmen von Randbedingungen – zB.: Einfluß Vegetation auf Erodierbarkeit) • Warum hybrid? • Exakte physikalische Berechnungen sind in vielen Bereichen nicht möglich (unbekannte und schwer abschätzbare Parameter) • Dimensionsproblem: Simulationszeiträume und –gebiete sehr groß unmöglich einzelne Partikel zu berechnen  physikalisches Modell wird zu Diffusionsmodell vereinfacht. • Fuzzy Logic für lokale Prozesse (kein Transport) die mittels einfachen Annahmen gut beschrieben werden können Aufgabenstellung Bei der Nutzung Geologischer Karten für Computermodelle (Vegetation, Waldstandorte etc.) ergibt sich immer das Problem, daß große Gebiete durch Lockersedimente bedeckt sind, deren Zusammensetzung unbekannt ist und über die keine Aussagen gemacht werden können. Eine einfache Interpolation der „blinden Flecken“ auf den Geologischen Karten ist nicht ausreichend, da das Gestein durch verschiedene Kräfte transportiert und abgelagert wurde (Eisströme, Schwerkraft, Wasser). Es ist ein prozessorientiertes Verfahren nötig, das Prozesse von der Vergangenheit bis heute möglichst realistisch nachbildet, die Eis- und Materialströme simuliert und dadurch die Verteilung und Zusammensetzung der Lockersedimente so gut wie möglich bestimmen kann. • Simulationsablauf • Datenaufbereitung • Höhenmodell (falls erforderlich) an Zustand zum Beginn der Simulation angleichen • Automatische Extraktion lithologischer Daten aus geologischen Karten und • Zuweisen von Substratgehalten • Setzen von (zeitabhängigen) Umweltbedingungen – Temperatur, Niederschlag • Setzen der Modellrandbedingungen, Dauer von Zeitschritten • Initialisierung des Modells • Einsatzgebiete • Ermittelung der Lage / Mächtigkeit / Korngrößen von Sedimente • Substrattypisierung • Berechnung von Schwermineralverteilung / Simulation der Bildung sedimentärer Lagerstätten (Seifen) • Die Nutzung der Software für Wildbach- und Mursimulationen ist prinzipiell möglich, allerdings fehlen diesbezüglich noch Erfahrungen aus der Praxis. Wissenwertes zur Modellierung Unterstützt Materialtransport durch Schwerkraft und Wasser/Eis (Schmelzprozesse) Korngrößenverkleinerung beim Transport ermöglicht Aussagen über Korngrößen-verteilung. Dadurch ist auch die Modellierung von Blockstandorten möglich. Speicherbedarf/Rechenzeiten: Moränenmodell Südtirol (7400km² / 200m Auflösung) benötigt ca. 250 Megabyte und 4 Stunden Rechenzeit Umweltbedingungen Niederschlag, Temperatur aus Zeitserie & Verteilungskarten Beispiel 1: Berechnung der Zusammensetzung nacheiszeitlicher Lockersedimente in Südtirol Verwitterung Prozesse, die zur lokalen Korngrössenreduktion und zur Herabsetzung der Festigkeit führen, abh. von: Material, Exposition, Temperatur, Vegetation Ziel ist, für kartierte Lockersedimentflächen in geologischen Karten eine möglichst realistische litho-logische Zusammensetzung der Lockersedimente zu erzielen (Substrat) bzw. für abgedeckte Karte die wahrscheinliche Lage von Lockersedimentdecken zu erzeugen. Da ein aktuelles Geländemodell ver-wendet wird, wird in die Zukunft modelliert (Forward Modeling) und Schuttkörper können größer werden als sie rezent sind. Bei Schwemmkegeln wurde das Gelände an den Ursprungszustand angenähert. Erosion abhängig von kinetischer & potentielle Energie und Materialeigenschaften Transport Distanz abhängig von Viskosität /Reibung, vorhandener Bewegungsenergie; Korngrößen- reduktion & Schmelzprozesse 1. Geologische Kartenviele Teilblätter mit abweichen-den Legenden, großteils mit Lockersedimenten bedeckt 2. SubstratgruppenZuweisung der lithologischen Ein-heiten zu einheitlichen Substrat-gruppen (Legende siehe rechts) 3. Grundgebirgskartehypothetischer Ausgangszustand des Modells (Herkunftsgestein in der ± ursprünglichen Ausdehnung) • Definition Substratgruppen: • Mineralbestand: 7 Hauptgruppen • Tongehalt: je 2 Zusatzgruppen • (tonarm-sandig, tonreich-bindig) • Genese: kompakt, klast. Sed., kolluvi- • ale, alluviale, glaziale Lockersed. • Spezialgruppen: Gips etc. • insgesamt: >100 Kombinationen Legende Material: Control Points Bei Über- oder Unterschreiten angenommer Sedimentationsraten wird ein Alarm ausgelöst Sedimentation Funktion aus Strömungs- Geschwindigkeit, Dichte des Fluids & der Partikel • Visualisierung & Export • Export von einzelnen Layern (Material/Korngrößen) oder einzelner Materialen / Korngrößen (kummulativ) • Ermittlung der lithologischen / Substrat - Zusammensetzung der obersten Schicht Coarsed grained sediment type A 80 – 100 % 60 - 80 % 40 - 60 % 20 - 40 % 00 - 20 % Summe der Zellennach 100 Rechencyclen Beispiel 2: Berechnung der Zusammensetzung von Moränen in Osttirol 4. Wasserabfluss 5. Materialfluss Für die Vegetations- und Standortkunde ist das Vorhandensein von Moränendecken und daher deren Modellierung sehr wichtig. SedTec musste daher um die Modellierung des Materialtransports durch Eis erweitert werden (Eisbildung, ‑erosion und ‑transport, Abschmelzen und Moränenablagerung). Über die Zeitdauer von ca. 60.000 Jahren wurde im Modell der Aufbau und das Abschmelzen der Eiskörper in ganz Süd- und Osttirol modelliert. Diese Modelle erfolgen über sehr große Räume und daher mit geringerer Auflösung (100-200 m). 6. Verwitterung/Erosion cm in 10.000 Jahren 7. Sedimentmächtigkeit Parametrisierung der Substratgruppen(Zuweisung von 3 Parametern zu den Substraten) Summe der Zellennach 100 Rechencyclen Materialfluss maximaler Eisstand [m] Eisabfluss Durch die Bewegung der Eiskörper entsprechend der Schwerkraft (Höhenunterschiede in der Eisoberfläche) ergeben sich Sediment-ströme aus den Tälern, deren Mächtigkeit und relativer Anteil mit der Entfernung abnimmt (hier Beispiele aus 3 Talschlüssen). Wenn man zeigt, welches Herkunftsgebiet den Sedimentkörper dominiert, ergeben sie interessante Materialströme bzw. Herkunftsmuster. Mittlerwerte des obersten Meters der Sedimentdecke 8. Karbonatgehalt 9. Mineral-/Nährstoffgehalt 10. Tongehalt der Böden* Zuweisung der Lockersedimentdecken zu Substratgruppen Ergebnisse: Die Sedimentdecken werden noch über 10.000 Jahre aberodiert, um realistische Mächtigkeiten und Zusammenset-zungen zu erzielen (höherer Anteil der tiefergelegenen Schichten bzw. des Untergrunds). Die Moränen konnten im Regionalmaßstab gut nachgebildet werden. Ihre Zusammensetzung kann jedoch lokal vom Modell abweichen, da sie im Detail von verschiedenen Prozessen (Solifluktion, Rutschungen etc.) beeinflusst und von geomorphologischen und pedologischen Prozessen überlagert wurden. Ebenso kann die Mächtigkeit der Moränen nicht im Detail, aber in realistischen Größenordnungen modelliert werden. 11. Gefüllte Substratgruppen (ohne Moränen) 12. inkl. Moränenmodell (siehe Beispiel 2) Ergebnisse: Für die Waldtypisierung Südtirol wurde an >1000 Eichpunkten die Zusammensetzung der Lockersedimente erhoben, und die Parameter von SedTec und die Gesteine in zahlreichen Modellen kalibriert. Vor allem bei Hangschutt und Schwemmmaterial konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden.