Grundwasserüberwachung mit Erdbebenmessgeräten

Wie lässt sich in schwer zugänglichen Gebieten ermitteln, wie leer oder voll der Bodenspeicher ist? Forschende des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) haben jetzt gemeinsam mit Kollegen aus Nepal demonstriert, mit Erdbebenmessgeräten die Grundwasserdynamik in Hochgebirgen zu verfolgen: Sie nutzen seismische Wellen, wie sie bei Bodenerschütterungen entstehen. Die Forschenden um Luc Illien, Christoph Sens-Schönfelder und Christoff Andermann vom GFZ berichten darüber im Fachjournal AGU Advances.

Wasser im Hochgebirge hat viele Gesichter. Gefroren im Boden ist es wie ein Zementfundament, das Hänge stabil hält. Gletschereis und Schnee versorgen in der Schmelzsaison die Flüsse und damit das Vorland mit Wasser zum Trinken und für die Landwirtschaft. Intensive Regengüsse mit Sturzfluten und Hangrutschungen dagegen stellen ein lebensgefährliches Risiko für die Menschen in den Tälern dar. Der Untergrund mit seiner Speicherfähigkeit für Wasser spielt daher eine existenzielle Rolle in Gebirgsregionen.

Wie aber lässt sich in schwer zugänglichen Gebieten ermitteln, wie leer oder voll der Bodenspeicher ist? Forscherinnen und Forscher des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) haben jetzt gemeinsam mit Kollegen aus Nepal eine elegante Methode demonstriert, um die Grundwasserdynamik in Hochgebirgen zu verfolgen: Sie nutzen seismische Wellen, wie sie bei Bodenerschütterungen entstehen, die sie mit hoch empfindlichen Messgeräten aufzeichnen. Dabei nutzen sie – ähnlich wie medizinisches Ultraschall – aus, dass sich die Wellen in unterschiedlichem Untergrund unterschiedlich ausbreiten. Die Forschenden um Luc Illien, Christoph Sens-Schönfelder und Christoff Andermann vom GFZ berichten darüber im Fachjournal AGU Advances.

Seismische Wellen sind den meisten von Erdbeben bekannt. Nach einem Bruch im Untergrund breiten sie sich rasant aus und entfalten zerstörerische Kräfte. Es gibt jedoch auch viel kleinere Wellen, die beispielsweise von Lastkraftwagen, Trambahnen oder – im Gebirge – von herabfallendem Gestein verursacht werden. Der Boden vibriert eigentlich ständig. In der Geoforschung spricht man vom „seismischen Rauschen“. Was in der Erdbebendetektion mühsam aus den gemessenen Daten der Erdbebenstationen herausgerechnet werden muss, erweist sich für den Blick in den Untergrund als wertvolle Informationsquelle. Denn seismische Wellen breiten sich in der mit Wasser gesättigten Zone anders aus als in der ungesättigten („vadosen“) Zone.

Der Doktorand Luc Illien vom GFZ nutzte mit seinen Kolleginnen und Kollegen zwei nepalesische Erdbebenmessstationen auf 1200 und 2300 Metern Höhe über dem Meer. Luc Illien sagt: „Der nepalesische Himalaya versorgt einen großen Teil der Bevölkerung Südasiens mit lebenswichtigen Wasserressourcen. Der größte Teil dieses Wassers fließt durch ein Gebirgsgrundwasserreservoir ab, das wir nur schlecht abgrenzen können.“ Das Studiengebiet umfasst einen kleinen Zufluss zum Bothe Koshi, einem Grenzfluss zwischen China und Nepal. Über mehrere Wetterstationen und Pegelmessgeräte erfasste das Team über drei Monsun-Jahreszeiten zum Teil minütlich Daten. Daraus errechneten sie ein Grundwassermodell, das sie mit den seismischen Aufzeichnungen vergleichen konnten. Das Ergebnis: Der Abfluss zum Bothe Koshi wird hauptsächlich aus dem tiefen Grundwasserspeicher gespeist. In der Trockenzeit fließt wenig Wasser talabwärts. Im Monsun steigen die Pegel, aber es lassen sich zwei unterschiedliche Phasen ausmachen. Zunächst regnet es, ohne dass sich der Abfluss erhöht, später jedoch zeigt sich ein deutlicher Zusammenhang zwischen Regenmenge und Flusspegel. Christoff Andermann, Koautor der Studie, erläutert: „Die ersten Niederschläge füllen zunächst oberflächennahen Bodenspeicher wieder auf. Wenn der Boden dann mit Wasser gesättigt ist, füllt sich der tiefe Grundwasserspeicher, welcher direkt an die Flüsse gekoppelt ist. Ein Anstieg im Grundwasser schlägt sich unmittelbar in steigenden Flusswasserstände nieder“

Der Abgleich mit den Daten der Erdbebenmessgeräte zeigte, dass man aus dem seismischen Rauschen die Sättigung der vadosen Zone gut ableiten kann. „Nur durch die Zusammenführung der hydrologischen Beobachtungen mit den seismischen Messungen ließ sich die Funktion der vadosen Zone als Verbindungsglied zwischen Niederschlag und Grundwasserreservoir analysieren.“ sagt Christoph Sens-Schönfelder. Erstautor Luc Illien: „Zu verstehen, wie sich das Reservoir füllt und abfließt, ist entscheidend für die Beurteilung seiner Nachhaltigkeit. Daraus können wir nicht nur Prognosen für den Abfluss anstellen, sondern auch vor erhöhtem Risiko von Hangrutschungen und Sturzfluten warnen.“ Ist zum Beispiel der Boden bereits gesättigt mit Wasser, fließt Regen vermehrt oberflächlich ab und kann Hänge mitreißen. Der Klimawandel verschärft die Situation, weil er zu Änderungen in den Großwetterlagen und zur Destabilisierung der Bergwelt beiträgt. Der Wissenschaftliche Vorstand des GFZ, Niels Hovius, der an der Studie mitwirkte, sagt: „Unsere Arbeiten in Nepal und deren Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, zahlreiche Einflussfaktoren zu erfassen. Dazu gehören die Grundwasserspeicher, Änderungen der Landnutzung, der Bodenbedeckung und des Niederschlagsregimes. Solche Änderungen zu erfassen und zu antizipieren hilft uns, die Zukunft der Süßwasserressourcen und der Berglandschaften, insbesondere wenn Gletscher immer weiter schmelzen, besser vorhersagen zu können.“

Originalstudie: L. Illien C. Andermann C. Sens‐Schönfelder K. L. Cook K. P. Baidya L. B. Adhikari N. Hovius: Subsurface Moisture Regulates Himalayan Groundwater Storage and Discharge

Link (open access): https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021AV000398

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Luc Illien
PhD Student
lillien@gfz-potsdam.de

Dr. Christoff Andermann
christoff.andermann@gfz-potsdam.de
+49 331 288-2 88 22

Originalpublikation:

L. Illien C. Andermann C. Sens‐Schönfelder K. L. Cook K. P. Baidya L. B. Adhikari N. Hovius: Subsurface Moisture Regulates Himalayan Groundwater Storage and Discharge

Weitere Informationen:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021AV000398 (Link zur Studie, Open Access)

http://www.gfz-potsdam.de/