Frage 143: Abschätzung der Erosionsrate für HDS Irchel
In NAB 14-25, Fig. 5-2 «Höhe der Schotterablagerung in der Nordschweiz» sind die höheren Deckenschotter (HDS) des Irchels (Nummer 21), welche in NTB 14-02 Dossier III und Kuhlemann & Rahn (2013) eine wichtige Rolle in der Datierung der Schotterablagerung einnehmen, auf der Höhe von Diessenhofen/Stein am Rhein eingezeichnet, was nicht nachvollziehbar ist. Der HDS Irchel (21) wäre im Rheinabschnitt zwischen Eglisau und Rheinau zu plazieren (Flussabschnitt K27-K30), wo die Basis des HDS etwa 250-300 m über der lokalem Erosionsbasis liegt. Die Lage des HDS Irchels in der Isohypsenkarte in NAB 12-35 (Abb. 33 und Beil. 10A) weisen darauf hin, dass der HDS Irchel eher aus dem Raum Glattal-Linth geschüttet wurde (Graf 2009).
Die Höhendifferenz zwischen «Basis HDS» und der lokalen Erosionsbasis zeigt einen abnehmenden Gradienten vom Irchel aus in Richtung Westen. Der Gradient in der HDS Schüttungsebene verflacht dagegen vom Irchel nach Osten bis in den Raum Seerücken-Bodenseeraum (NAB 12-35 Abb. 33 (Abstand der Isohypsen weitet sich) und Beilage 10 (grüne Fläche mit Differenz 251-300m)). Diese Daten aus NAB 12-35 sind konsistent mit den Befunden von Keller (2009) (Abb. 1 „Einigermassen gesichert und auch zeitlich fassbar sind die jüngeren, die Becken- Eiszeiten. Am Beginn dieser Glazial-Reihe kam es offenbar zur endgültigen Umlenkung des Alpenrheins“ (nach Westen)).
Die Daten aus NAB 12-35 und die Befunde von Keller (2009) zur lateralen Entwicklung des Entwässerungssystems der Nordschweiz sind auch konsistent mit den Angaben in NAB 14-25 Fig. 5-1c/d, wobei die dort angeführten Ablagerungszeitspannen für HDS und TDS von jenen nach Akçar et al (2014) abweichen.
Müsste die Figur 5.2 aus NAB 14-25 aufgrund neuer Forschungsdaten angepasst werden und wenn ja, auf welchen Zeitpunkt im Sachplan?
Wie erklärt sich die Ausweitung der Höhendifferenz zwischen lokaler Erosionsbasis und Basis HDS (NAB 12-35 Beil. 10A) östlich von Laufenburg im Vergleich zum Abschnitt Basel-Laufenburg (Angleichung der fluviatilen Erosionsbasis, Tektonik)?
Ist folgende Aussage richtig: Je weiter die Eintiefung in den HDS bis Schüttung TDS (NTB 14-25, S. 30: Höhendifferenz in Nordschweiz zwischen 30-100m) in die Vergangenheit gelegt wird, umso schwieriger wird es, die Zunahme der Höhendifferenz zwischen Basis HDS und lokaler Erosionsbasis ohne Beizug tektonischer Veränderungen zu erklären1.
Beurteilt die Nagra ihre oben angeführten eigenen Daten bei der Schätzung der Erosionsraten, einschliesslich möglicher Extremwerte, in NTB 14-02 Dossier III, Fig 4.4-4 (vergangene Eintiefung der lokalen Erosionsbasis) konsistent?
Referenzen
Akçar, N., Ivy-Ochs, S., Alfimov, V., Claude, A., Graf, H.R., Dehnert, A., Kubik, P.W., Rahn, M., Kuhlemann, J., Schlüchter, C. (2014). The first major incision of the Swiss Deckenschotter landscape, Swiss Journal of Geosciences, 107(2), 337-347.
Graf, H.R. (2009). Stratigraphie und Morphogenese von frühpleistozänen Ablagerungen zwischen Bodensee und Klettgau, Eiszeitalter und Gegenwart/Quaternary Science Journal, 58/1, 12-53.
Keller (2009). Als der Alpenrhein sich von der Donau zum Oberrhein wandte, Schriften des Vereins für Geschichte des Bodensees und seiner Umgebung 127, 198-208.
Kuhlemann J, Rahn M (2013). Plio-Pleistocene landscape evolution in Northern Switzerland. Swiss Journal of Geosciences 106, 451–467.
[1]Montgomery und Korup (2010) schätzen, dass das Verhältnis fluviatiler und glazialer Eintiefungsraten im Alpenraum Tflu,/Tglac, > 1 ist, und ca. bei 1.1 bis 1.3 liegt.
Flussterrassen und die dort deponierten Schotter können zur Rekonstruktion der Einschneidungs-, resp. Aufschotterungsgeschichte herangezogen werden. Sind Höhe und Alter der Flussterrassen bekannt, lassen sich daraus die Einschnitt- und Ablagerungsraten berechnen. Aus diesen Informationen lässt sich abschätzen, wo und in welchem Umfang in Zukunft erosive Prozesse stattfinden könnten (Erosionsszenarien). Der Irchel mit seinen Höheren Deckenschottern (HDS) ist dabei ein wichtiges Puzzlestück zum Verständnis der Erosionsgeschichte der Nordostschweiz. Die Arbeiten zur Untersuchung der Flussnetz-Entwicklung laufen; unter anderem werden dabei die Deckenschotter mit verschiedenen Methoden datiert und Arbeiten zum Prozessverständnis des Aare-Rhein-Systems durchgeführt. Die Nagra berücksichtigt neue Erkenntnisse und überarbeitet darauf basierend im Rahmen von SGT Etappe 3 die Rekonstruktion der Erosionsgeschichte und auch die Erosions-Szenarien.
Im Hinblick auf die Beurteilung der zukünftigen Erosion hat die Nagra als Bezugsfläche die lokale Erosionsbasis eingeführt. Sie wird im Wesentlichen durch Interpolation der Höhenlage der Haupttäler berechnet und stellt damit die Basis für die lokalen fluviatilen und gravitativen Erosionsprozesse dar. Die in der Berichterstattung zu Etappe 2 des Sachplanverfahrens geologische Tiefenlager verwendete lokale Erosionsbasis bezieht sich nicht auf das Niveau der heutigen Haupttäler, sondern auf die in der Regel tiefer liegende Basis der heute verfüllten Paläoflusstäler. Diese stellen die tiefste in der Vergangenheit erreichte lokale Erosionsbasis dar. Das Gesteinspaket, welches über diesem Niveau liegt, bildet die lokale Topographie. Unter die lokale Erosionsbasis greifende Felsrinnen (übertiefte Felsrinnen) werden durch glaziale Erosionsprozesse erklärt.
Die Klimabedingungen sind neben tektonischen Bewegungen ein wichtiger Steuerungsprozess für die Landschaftsentwicklung. Die Untersuchungen zur zukünftigen Erosion orientieren sich v.a. an der Landschaftsentwicklung in den letzten ca. 2,5 Millionen Jahren, die geprägt waren durch Oszillationen zwischen glazialen und interglazialen Klimabedingungen, welche mit grosser Wahrscheinlichkeit auch die nächsten 1 Million Jahre dominieren werden.
a)
Die Gruppierung der Schotter in Figur 5-2 von NAB 14-25 (Figur 143-1) folgt der morpho-stratigraphischen Nomenklatur, welche auch in geologischen Karten verwendet wird. Dabei werden die Schotter insbesondere aufgrund ihrer Höhenlage gruppiert, wobei davon ausgegangen wird, dass aufgrund von einer fortschreitenden fluviatilen Einschneidung die höher gelegenen Schotter älter sind als die tiefer liegenden.
Dieser morphostratigraphische Ansatz wird breit angewandt, u.a. in den Karten der Landesgeologie. Das glazial und tektonisch beeinflusste quartäre Ablagerungssystem der Nordschweiz ist aber zusätzlich zur übergeordneten fortschreitenden Eintiefung von komplexen Aufschotterungs- und Einschneidungssequenzen geprägt, so dass stellenweise jüngere Schotter neben oder sogar über älteren zu liegen kommen. Mit Datierungen kann der morphostratigraphische Ansatz punktuell verifiziert werden.
Eine grundsätzliche Anpassung der angesprochenen Figur 5-2 aufgrund der neuen Forschungsresultate ist aus Sicht der Nagra zurzeit nicht angebracht. Punktuelle Anpassungen sind in Zukunft aber durchaus möglich. Figur 5-2 (und/oder ähnliche Figuren) wird für die Berichterstattung zu SGT Etappe 3 überprüft und gegebenenfalls angepasst. Dabei werden neue Datierungen und Kartierungen (z.B. neues geologisches Atlasblatt Bülach) berücksichtigt.
Figur 143-1: Die in der TFS-Frage 143 angesprochene Abbildung 5-2 aus NAB 14-25.[2]
b)
Eine grössere Höhendifferenz zwischen den Höheren Deckenschottern und der lokalen Erosionsbasis ist insbesondere östlich der Aaremündung im Rhein zu sehen. Diese widerspiegelt eine stärkere Eintiefung des Hauptflussnetzes im Osten. Dabei können folgende Steuerungsmechanismen eine Rolle gespielt haben:
Höhere Hebungsraten im Osten (und Süden): Wird ein Gebiet angehoben, so wird Einschneidung der Flüsse begünstigt, bis sich wieder eine Gleichgewichtsneigung des Flusses einstellt.
Umlenkung des „Alpenrheins“ von der Donau hin zum Rhein in Zusammenhang mit Vergletscherungen: Dadurch wurde die Ostschweiz ans Rheinsystem angebunden, welches auf einem deutlich tieferen Niveau entwässert als das Donau-System. In der Folge flossen neu grössere Flüsse aus dem Bodenseegebiet Richtung Waldshut. Die Anbindung ans tiefere Niveau und die grösseren Wassermengen dürften zu einer vergleichsweise deutlich stärkeren Einschneidung im Osten geführt haben.
Weitere Aspekte, wie Art des Gesteins (raschere Einschneidung in der Molasse als in Kalken und im Kristallin), Klima-Änderungen oder glaziale Erosion.
Hebung wird auch in Zukunft ein wichtiger Motor für die Eintiefung der Flüsse in der Nordschweiz bleiben. Das Potenzial für zukünftige Eintiefung aufgrund von Flussumlenkungen ist hingegen beschränkt, da bis zum Meer ein gewisses Gefälle erhalten bleiben muss und das Potenzial für zukünftige Flussumlenkungen grundsätzlich beschränkt ist. Der Übergang vom deutlich höheren gelegenen Donau- ins Rhein-Einzugsgebiet ist in der Nordschweiz bereits erfolgt.
Da eine genaue Quantifizierung des relativen Anteils der verschiedenen oben genannten Aspekte zurzeit nicht möglich ist, werden für die Betrachtung der zukünftigen Einschneidung verschiedene Szenarien berücksichtigt.
c)
Grundsätzlich spielen die tektonische Hebung und die exogenen Prozesse (z.B. Klimaänderungen, Flussumlenkungen, Erhöhung Wasser- und Sedimentfracht) zusammen. Dabei kann die nicht-tektonische Komponente vergleichsweise rasch ablaufen (z.B. Flussumlenkungen), ist aber beschränkt, da ein gewisses Gefälle zum Meer bestehen bleiben muss. Über längere Zeiträume betrachtet gewinnt die tektonische Komponente eine höhere Bedeutung: Je länger die Hebung wirkt, desto grösser ist das Potenzial für Einschneidung. Damit effiziente Einschneidung stattfinden kann, muss aber die richtige Menge Wasser und Sedimentfracht zu Verfügung stehen.
Tektonische Hebungen dürfte für die zukünftige Einschneidung in der Nordschweiz in jedem Fall eine Rolle spielen, da sie langfristig das Potenzial für Einschneidung steuern. Die Erhöhung der Einschneideraten in der Nordschweiz nach Ablagerung der Tieferen Deckenschotter fällt in eine Zeitperiode, in welchem das globale Klima umgestellt wurde von 40‘000-Jahr-Zyklen auf 100‘000-Jahr-Zyklen mit grösseren, länger andauernden Kaltzeiten („Mid Pleistocene Transition“). Damit ging ein grösserer Einfluss der glazialen Erosion im Alpenraum einher. Die Klima-Änderung könnte generell erhöhte Einschneideraten in der ganzen Nordschweiz hervorgerufen haben. Die erhöhte Erosion im Alpenraum könnte über isostatische Ausgleichseffekte auch die Hebungsraten beeinflusst haben.
Auch die Umlenkung des Alpenrheins wurde wahrscheinlich durch diese Klima-Änderung beeinflusst. Vieles spricht dafür, dass die vergleichsweise hohen Einschneideraten während der letzten Million Jahre östlich von Koblenz zumindest teilweise damit in Verbindung stehen.
Nimmt man an, dass die Einschneidung der Höheren Deckenschotter und die Ablagerung der Tieferen Deckenschotter deutlich vor 1 Million Jahre stattgefunden haben, so kann diese Einschneide-Komponente sicher nicht mit der Mid Pleistocene Transition in Verbindung gebracht werden. Welche Rolle bei einer solchen frühen Einschneidung endogene (Tektonik) und exogene Prozesse gespielt haben ist zurzeit nicht eindeutig zu bestimmen. So oder so dürfte ein Teil der höheren totalen Einschneidung seit Ablagerung der Höheren Deckenschotter östlich von Koblenz auf nicht-tektonische Prozesse (insbesondere Umlenkung Alpenrhein) zurück zu führen sein.
d)
Die Erosions-Szenarien bauen auf Konzepten und Daten auf, welche für die Nordschweiz über Jahre von Dritten und von der Nagra entwickelt wurden. Sie werden als in sich konsistent und für Etappe 2 SGT als stufengerecht beurteilt.
Die Datierungen von Akcar et al (2014) sowie Folgearbeiten derselben Forschungsgruppe (Claude 2016, Claude et al. 2016) wurden in den Szenarien der Nagra zu SGT Etappe 2 (Nagra 2014) nicht berücksichtigt, da sie zum Zeitpunkt der Erstellung der Szenarien noch nicht vorlagen.
Für den Irchel wurde nach Einreichung der Nagra-Unterlagen für SGT Etappe 2 einerseits das biostratigraphische Alter der Kleinsäugerfauna von einer unabhängigen Expertin im Auftrag des ENSI bestätigt (Cuenca-Bescós, G. 2015). Andererseits wurden mit Methoden, welche kosmogene Nuklide und deren Zerfallsprodukte betrachten, lateral stark variierende und z.T. deutlich jüngere Alter bestimmt (Claude 2016). Die beiden Alter können nur miteinander in Einklang gebracht werden, wenn die bestehende geologische Kartierung des Gebiets (Graf 1993, Haldimann et al. 2017) in Frage gestellt wird. Die Situation am Irchel wird in SGT Etappe 3 weiter untersucht mit dem Ziel, die bestehenden Widersprüche zu klären.
Jüngere Ablagerungsalter für die Höheren Deckenschotter oder Teile davon führen zu höheren Netto-Einschneideraten in der letzten Million Jahre (unter der Annahme, dass die regionale Erosionsbasis nicht schon früher tiefer lag3 und es dann wieder zu Aufschotterung bis auf eine höheres Niveau kam). Die erhöhte Einschneidung fällt in einen Zeitraum, welcher verstärkt durch grosse Vorlandvergletscherungen geprägt war (vgl. dazu Antwort zu Teilfrage c). Nimmt man an, dass es im Zeitraum zwischen 2 und 1 Million Jahre zu keiner Einschneidung kam und sich diese auf den Zeitraum nach 1 Million Jahre konzentriert, so ergeben sich im Vergleich zu Fig. 4.4-4 in Nagra (2014) (Figur 143-2) erhöhte Eintiefungsraten für die letzte Million Jahre (ca. 200-300 m mit höheren Raten im Osten als im Westen). Je nach Interpretation des Steuerungsmechanismus für eine erhöhte Eintiefung in der Vergangenheit (vgl. Antworten zu vorherigen Teilfragen) ergeben sich auch für Erosions-Szenarien für die Zukunft höhere Raten.
Figur 143-2: Die in der TFS-Frage 143 angesprochene Abbildung 4.4-4 aus dem NTB 14-02, Dossier III (vergangene Eintiefung der lokalen Erosionsbasis im Bereich der drei HAA-Standortgebiete).
In Etappe 3 SGT werden seitens Nagra die neueren Datierungsarbeiten Dritter analysiert. Zusätzliche werden in Zusammenarbeit mit verschiedenen Forschungsgruppen eigene Datierungsprojekte durchgeführt (Paläomagnetik, kosmogene Nuklide, Biostratigraphie) und es wird das konzeptionelle Verständnis (Steuerungsmechanismen) konsequent weiter entwickelt. Darauf aufbauend werden die Erosions-Szenarien von SGT Etappe 2 überarbeitet. Gegebenenfalls werden dabei auch Erosions-Szenarien mit höheren Eintiefungsraten berücksichtigt.
[2]In der Einleitung zur Frage 143 wird eine falsche Lage der Irchel-Deckenschotter auf Figur 143-1 vermutet. Dazu ist anzumerken, dass die Projektion der Deckenschottervorkommen nicht senkrecht zur Profilspur, sondern entlang der Isolinien aus Beil. 5 und 6 von NAB 12-035 erfolgt ist.
[3]Die Felsoberfläche wurde nur dort konserviert, wo heute Deckenschotter liegen. Es kann durchaus sein, dass es zum Zeitpunkt der Ablagerung der Deckenschotter tiefere Felsniveaus gab, die heute nicht mehr erhalten sind.
Referenzen
Akҫar, N., Ivy-Ochs, S., Alfimov, V., Claude, A., Graf, H.-R., Dehnert, A., Kubik, P.W., Rahn, M., Kuhlemann, J. & Schlüchter, C. (2014): The first major incision of the Swiss Deckenschotter landscape. Swiss Journal of Geosciences, DOI 10.1007/s00015-014-0176-6.
Claude (2016): Landscape evolution of the northern Alpine Foreland: constructing a temporal framwork for early to middle Pleistocene glaciations. Dissertation Universität Bern.
Claude, A., Akҫar, N., Ivy-Ochs, S., Schlunegger, F. Kubik, W.P., Dehnert, A., Kuhlemann, J., Rahn, M. & Schlüchter, C. (2017): Timing of early Quaternary gravel accumulation in the Swiss Alpine Foreland. Geomorphology 276, 71-85.
Cuenca-Bescós, G. (2015): The Pleistocene small mammals from Irchel, Switzerland – A taxonomic and biostratigraphic revision. ENSI-Expertenbericht für SGT Etappe 2.
Haldimann, P., Graf, H.R. & Jost, J. (2017): Geologischer Atlas der Schweiz 1:25‘000, Blatt Bülach (1071). Bundesamt für Landestopographie swisstopo.
Heuberger, S. & Naef, H. (2014): Regionale GIS-Kompilation und -Analyse der Deckenschotter-Vorkommen im nördlichen Alpenvorland. Nagra Arbeitsber. NAB 12-35.
Schnellmann, M., Fischer, U., Heuberger, S. & Kober, F. (2014): Erosion und Landschaftsentwicklung Nordschweiz – Zusammenfassung der Grundlagen im Hinblick auf die Beurteilung der Langzeitstabilität eines geologischen Tiefenlagers (SGT Etappe 2). Nagra Arbeitsber. NAB 14-25.
Nagra (2014): SGT Etappe 2: Vorschlag weiter zu untersuchender geologischer Standort-gebiete mit zugehörigen Standortarealen für die Oberflächenanlage. Geologische Grundlagen. Nagra Tech. Ber. NTB 14-02/Dossier III (Geologische Langzeitentwicklung).
