Sylke Hilberg

Review: Natural tracers in fractured hard-rock aquifers in the Austrian part of the Eastern Alps—previous approaches and future perspectives for hydrogeology in mountain regions

Extensive in-depth research is required for the implementation of natural tracer approaches to hydrogeological investigation to be feasible in mountainous regions. This review considers the application of hydrochemical and biotic parameters in mountain regions over the past few decades with particular reference to the Austrian Alps, as an example for alpine-type mountain belts. A brief introduction to Austria’s hydrogeological arrangement is given to show the significance of fractured hard-rock aquifers for hydrogeological science as well as for water supply purposes. A literature search showed that research concerning fractured hard-rock aquifers in Austria is clearly underrepresented to date, especially when taking the abundance of this aquifer type and the significance of this topic into consideration. The application of abiotic natural tracers (hydrochemical and isotope parameters) is discussed generally and by means of examples from the Austrian Alps. The potential of biotic tracers (microbiota and meiofauna) is elucidated. It is shown that the meiofauna approach to investigating fractured aquifers has not yet been applied in the reviewed region, nor worldwide. Two examples of new approaches in mountainous fractured aquifers are introduced: (1) use of CO2 partial pressure and calcite saturation of spring water to reconstruct catchments and flow dynamics (abiotic approach), and, (2) consideration of hard-rock aquifers as habitats to reconstruct aquifer conditions (biotic approach).RésuméUne vaste recherche approfondie est nécessaire pour assurer la faisabilité de l’utilisation des traceurs naturels pour les investigations hydrogéologiques dans les régions montagneuses. Cette revue bibliographique concerne l’application de paramètres hydrochimiques et biotiques dans les régions montagneuses au cours des quelques dernières décennies, avec une référence particulière aux Alpes autrichiennes en tant qu’exemple de chaîne de montagnes de type alpin. Une brève introduction aux caractéristiques hydrogéologiques de l’Autriche est proposée pour y montrer l’importance des aquifères de roches dures fracturées tant pour la science hydrogéologique que pour des objectifs d’alimentation en eau. Une synthèse bibliographique a montré que la recherche concernant les aquifères de roches dures fracturées en Autriche est clairement sous-représentée actuellement, tout particulièrement lorsque sont pris en considération l’abondance de ce type d’aquifères et l’importance de ce sujet. L’application de traceurs naturels abiotiques (paramètres hydrochimiques et isotopiques) est discutée en général et au moyen d’exemples issus des alpes autrichiennes. Le potentiel des traceurs biotiques (microbiote et méiofaune) est présenté. Il est montré que l’approche par la méiofaune pour étudier les aquifères fracturés n’a pas encore été appliquée dans la région étudiée, ni ailleurs dans le monde. Deux exemples d’approches nouvelles pour les aquifères fracturés de montagne sont introduites: (1) l’utilisation de la pression partielle de CO2 et de la saturation en calcite des eaux de source pour identifier les bassins versants et la dynamique d’écoulement (approche abiotique) et (2) la considération des aquifères de roches dures en tant qu’habitats pour caractériser les conditions aquifères (approche biotique).ResumenSe requiere una extensa investigación además de los enfoques de la aplicación de un trazador natural para ser factible una investigación hidrogeológica en regiones montañosas. Esta revisión tiene en cuenta la aplicación de los parámetros hidroquímicos y bióticos en las regiones montañosas en las últimas décadas, con especial referencia a los Alpes austriacos, como un ejemplo de cinturones de montaña de tipo alpino. Se da una breve introducción de la disposición hidrogeológica de Austria para mostrar la importancia de los acuíferos en rocas duras fracturadas para la ciencia hidrogeológica, así como para el abastecimiento de agua. La búsqueda de literatura demostró que la investigación relativa a los acuíferos de roca dura fracturada en Austria está claramente poco representada hasta la fecha, especialmente si se tiene en cuenta la abundancia de este tipo de acuífero y la importancia de la consideración de este tema. Se discute en general la aplicación de trazadores naturales abióticos (parámetros hidroquímicos e isotópicos), por medio de ejemplos de los Alpes austríacos. Se explica el potencial de los trazadores bióticos (microbiota) y de meiofauna. Se muestra que el enfoque de la meiofauna a la investigación de los acuíferos fracturados todavía no se ha aplicado en la región comentada, ni en todo el mundo. Se introducen dos ejemplos de nuevos enfoques en los acuíferos fracturados montañosos: (1) el uso de la presión parcial de CO2 y la saturación de calcita de agua de manantiales para reconstruir las dinámicas de la cuencas y el flujo (enfoque abiótico), y, (2) la consideración de los acuíferos de roca dura como hábitats para reconstruir las condiciones del acuífero (enfoque biótico).摘要在山区实施切实可行的水文地质调查天然示踪剂方法需要进行大量的进一步研究。本文论述了过去几十年在山区应用水化学和生物参数的历史,特别引用了阿尔卑斯山脉奥地利区域作为高山类型山区的实例。简单介绍了奥地利水文地质状况,以说明断裂硬岩含水层对于水文地质学科以及供水的重要性。文献搜寻显示,有关奥地利断裂硬岩含水层的研究至今明显不足,特别是在考虑到众多的这类含水层及考虑到此类主题时更显得如此。借助阿尔卑斯山奥地利区域的例子,综述了非生物天然示踪剂(水化学和同位素参数)的应用情况。阐述了生物示踪剂(微生物和较小型水底生物)的潜力。结果显示,在论述的地区以及在世界范围内还没有采用较小型水底生物方法来研究断裂含水层。介绍了山区断裂含水层研究中采用新方法的两个实例。(1)利用CO2局部压力和泉水的方解石饱和度重建集水区和水流动力学(非生物方法),(2)把硬岩含水层做为栖息地重建含水层条件(生物方法)。ResumoPesquisa mais aprofundada se faz necessária para implementação de abordagens utilizando traçadores naturais às investigações hidrogeológicas para essas sejam aplicáveis em regiões montanhosas. Esta revisão considera a aplicação de parâmetros hidroquímicos e bióticos nas regiões de montanha ao longo das últimas décadas, com particular referência aos Alpes austríacos, como um exemplo para cadeias de montanhas do tipo alpino. Uma breve introdução ao arranjo hidrogeológico austríaco é dado para mostrar a importância dos aquíferos de rochas fraturadas para a ciência hidrogeológica assim como para fins de suprimento de água. Uma pesquisa na literatura mostrou que a pesquisa sobre aquíferos de rochas fraturadas na Áustria é claramente sub-representada até os dias de hoje, especialmente levando a abundância deste tipo aquífero e a importância deste tema em consideração. A aplicação de traçadores naturais abióticos (parâmetros hidroquímicos e isotópicos) é discutida de forma geral e por meio de exemplos dos Alpes austríacos. O potencial dos traçadores bióticos (microbiota e meiofauna) é elucidado. Mostra-se que a abordagem meiofauna para investigar aquíferos fraturados ainda não foi aplicada na região examinada, nem mesmo mundo afora. Dois exemplos de novas abordagens em aquíferos fraturados montanhosos são introduzidos: (1) a utilização de pressão parcial de CO2 e saturação de calcita de água de nascente para reconstruir áreas de captação e dinâmica de fluxo (abordagem abiótica), e, (2) a consideração de aquíferos de rocha dura como habitats para reconstruir as condições do aquífero (abordagem biótica).

Hydrogeologie im Gipskarst als Basis geotechnischer Langzeitprognosen im Bergbau

ZusammenfassungDie Hydrogeologie des „Haselgebirges“ ist im Zusammenhang mit Gipsbergwerken von praktischer Bedeutung. Kenntnis über den Grundwasserumsatz, Herkunft und Verweilzeit der Wässer und deren Hydrochemie bilden Grundlagen für die Beurteilung der Standsicherheit der oft oberflächennahen Grubengebäude. Neben kurzfristig über Karsthohlräume zu- und abfließenden Wässern eines lokalen Fließsystems bilden regional zirkulierende Wässer einen Teil des Gesamtabflusses. Während die lokalen Niederschlagswässer wegen ihres hohen Lösungspotenzials intensiv zur Verkarstung über dem Grubengebäude beitragen, weisen Wässer des regionalen Fließsystems bei ihrem Eintritt in das Grubengebäude Sättigung der im Gebirge vorhandenen Mineralphasen (Gips und Anhydrit) auf und sind für die Verkarstung wenig relevant.Am Beispiel eines aufgelassenen Gipsbergbaues am Kalkalpennordrand wurde eine mengenmäßige Separation von niederschlagsabhängigem Abfluss des lokalen Fließsystems und Basisabfluss eines regionalen Fließsystems vorgenommen und dabei eine Verteilung von etwa 1:3 ermittelt. Während im lokalen Fließsystem ein Umsatz innerhalb weniger Tage stattfindet, ergeben Schüttungsganglinien und Isotopenzeitreihen, dass ein wesentlicher Anteil der Wässer eine bedeutend längere Verweilzeit aufweisen muss. Die Verteilung zwischen lokalem und regionalem Fließsystem wurde mithilfe hydrochemischer Modellierungen verifiziert.AbstractThe hydrogeology of the “Haselgebirge” is of great significance in the context of gypsum mining. Knowledge of water balance, recharge areas and mean residence times, as well as hydrochemistry is crucial to assessing the long term stability of mines. Aside from a karstified local aquifer, a regional flow system can also contribute appreciable proportions to the total discharge. Groundwater from the local flow system with low mineralization is subsaturated, thus holding a high potential for karstification. Water from the regional system infiltrates the mine in a status of saturation with regard to gypsum and anhydrite. Hence, these waters have only negligible influences on karstification.The presented example of a gypsum mine in Austria describes the quantitative proportions of local and regional flow which is in the range of 1:3. The results were verified by means of hydrochemical modeling.

Stabilitätsanalyse eines aufgelassenen Gipsbergbaus – von der geologisch-hydrogeologisch-geotechnischen Datenerfassung zur numerischen 3D-Simulation

ZusammenfassungDie Beurteilung der Stabilität von Hohlraumbauten umfasst ein interdisziplinäres Aufgabengebiet, welches die Bereiche Geologie, Hydrogeologie, Vermessungswesen sowie Gebirgsmechanik umfasst. Dieser Beitrag zeigt anhand eines aufgelassenen Gipsbergbaues, wie die Methoden und Informationen der einzelnen Fachbereiche ineinander greifen, um ein komplexes drei-dimensionales Simulationsmodell zu erstellen. Dies soll aufzeigen, dass vor allem die Komplexität von alten, „gewachsenen“ Hohlraumbauten nicht mit zwei-dimensionalen Analysen bzw. Modellen dargestellt werden kann und diese kein realistisches Ergebnis für die Stabilitätsbeurteilung liefern. Ein nicht zu vernachlässigender Faktor auf die Stabilität des Grubenbaues ist der Einfluss von Wasser, sei es Oberflächen- bzw. Niederschlagswasser oder Grundwasser. Der Laugungsprozess des Gipses führt zu einer Schwächung des umliegenden Gebirges und damit einhergehend zu einer Verringerung der Festigkeit. Dieser Entfestigungsprozess muss auf längere Sicht in der Simulation berücksichtigt werden. Mit Hilfe der vorhandenen analytischen und numerischen Methoden bietet sich die Möglichkeit, ein zeitabhängiges Auftreten/Entstehen von Schwachstellen im Gebirge vorherzusagen, um frühzeitig Stützmaßnahmen einbringen zu können.AbstractThe assessment of the stability of underground structures is an interdisciplinary task which consists of geology, hydrogeology, surveying and geotechnical engineering. This paper gives an example of how these disciplines, their methods and the acquisition of data work together to create a complex three-dimensional computer-model of underground structures. It demonstrates, that especially the complex layout of old and “grown” underground structures cannot be represented accurately in two-dimensional analyses or models and provide no realistic results for stability investigations. Related to the stability of underground structures, a non-negligible factor is the influence of water, whether surface, rain or groundwater. The occurring leaching process of gypsum leads to a weakening of the surrounding rock which causes a strength reduction. This softening of the material must be considered in long-term simulations. The presented comprehensive approach tries to provide a possibility to predict the time-dependent occurrence of vulnerabilities in the rock mass and thus gives the possibility to install support measures in an early stage.

Chemical denudation rates of a small torrential catchment in the Northern Calcareous Alps

Abstract In this study, we present chemical denudation rates derived from measuring the dissolved load of an alpine catchment located in Salzburg, Austria. The catchment has a drainage area of about 7 km2 and is predominantly covered by limestone- rich glacial deposits and carbonate rocks that are characteristic of the Northern Calcareous Alps. To obtain catchment-wide chemical denudation rates, we integrated discharge time series that were measured by a permanent water gauge of the Austrian Service for Torrent and Avalanche Control to compute the total discharge of the investigated catchment over a period of one year. During the same period, samples were taken during several campaigns to consider variations of the dissolved load. Samples were collected at high and low runoff conditions to study the effect of precipitation and at different locations along the tributaries to account for lithological variations of the river beds on the dissolved load. For the investigation period of one year, 2.97 ×106 m3 of discharge was measured at the catchment outlet. The summed cation-concentration varies between about 85 mg/l for dry-conditions and 75 mg/l for rainy-conditions at the gauge and consists predominantly of Ca2+and Mg2+ cations. Based on the total discharge of the river integrated over a period of one year, and the average dissolved load determined from water samples, we obtained a chemical denudation rate of 0.094 mm/a. The results imply that chemical denudation is a significant driver for redistributing mass in carbonate-dominated catchments and might be the dominant erosional process in such settings.

Hydrogeologie im Gipskarst als Basis geotechnischer Langzeitprognosen im Bergbau: Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie

ZusammenfassungDie Hydrogeologie des „Haselgebirges“ ist im Zusammenhang mit Gipsbergwerken von praktischer Bedeutung. Kenntnis über den Grundwasserumsatz, Herkunft und Verweilzeit der Wässer und deren Hydrochemie bilden Grundlagen für die Beurteilung der Standsicherheit der oft oberflächennahen Grubengebäude. Neben kurzfristig über Karsthohlräume zu- und abfließenden Wässern eines lokalen Fließsystems bilden regional zirkulierende Wässer einen Teil des Gesamtabflusses. Während die lokalen Niederschlagswässer wegen ihres hohen Lösungspotenzials intensiv zur Verkarstung über dem Grubengebäude beitragen, weisen Wässer des regionalen Fließsystems bei ihrem Eintritt in das Grubengebäude Sättigung der im Gebirge vorhandenen Mineralphasen (Gips und Anhydrit) auf und sind für die Verkarstung wenig relevant.Am Beispiel eines aufgelassenen Gipsbergbaues am Kalkalpennordrand wurde eine mengenmäßige Separation von niederschlagsabhängigem Abfluss des lokalen Fließsystems und Basisabfluss eines regionalen Fließsystems vorgenommen und dabei eine Verteilung von etwa 1:3 ermittelt. Während im lokalen Fließsystem ein Umsatz innerhalb weniger Tage stattfindet, ergeben Schüttungsganglinien und Isotopenzeitreihen, dass ein wesentlicher Anteil der Wässer eine bedeutend längere Verweilzeit aufweisen muss. Die Verteilung zwischen lokalem und regionalem Fließsystem wurde mithilfe hydrochemischer Modellierungen verifiziert.AbstractThe hydrogeology of the “Haselgebirge” is of great significance in the context of gypsum mining. Knowledge of water balance, recharge areas and mean residence times, as well as hydrochemistry is crucial to assessing the long term stability of mines. Aside from a karstified local aquifer, a regional flow system can also contribute appreciable proportions to the total discharge. Groundwater from the local flow system with low mineralization is subsaturated, thus holding a high potential for karstification. Water from the regional system infiltrates the mine in a status of saturation with regard to gypsum and anhydrite. Hence, these waters have only negligible influences on karstification.The presented example of a gypsum mine in Austria describes the quantitative proportions of local and regional flow which is in the range of 1:3. The results were verified by means of hydrochemical modeling.