Charakterisierung tiefgründiger Hangbewegungen vor dem Hintergrund der Gefahrenzonierung am Beispiel Algund/Südtirol

Im Verlauf der letzten 20 Jahre haben sich Gefahrenzonenpläne (GZP) zu einem der wesentlichen Instrumente zur Bewertung von Naturgefahren und damit verbundenen Risiken sowie zur urbanistischen Planung in alpinen Regionen entwickelt. Während dieser Zeit erfolgten verschiedene Fortschritte und methodische Verfeinerungen, die Verlässlichkeit und Anwendbarkeit der GZP signifikant verbesserten. All diese Weiterentwicklungen basieren auf der fundamentalen Schweizer Methode zur Bewertung geologischer Gefahren und ihrer Abwehr (BUWAL 1998), die heute als Grundlage zur Ausarbeitung von GZP in alpinen Regionen angesehen wird. Eines der letzten Probleme, die im Zusammenhang mit lokaler Gefahrenzonierung und der Erstellung von GZP als nahezu ungelöst angesehen werden können, ist die Integration von großen, tiefgründigen und kriechenden Massenbewegungen (Talzuschüben) in diese Kartenwerke, da die ansonsten bewährten Klassifizierungskriterien für derartige Massenbewegungen nicht sinnvoll anwendbar sind.

Vor diesem Hintergrund wurde der Talzuschub Algund im Rahmen der vorliegenden Arbeit ausführlich geologisch untersucht. Auf Basis eines tiefen Prozessverständnisses dieser Massenbewegung konnten in Folge Ansätze und Lösungsmöglichkeiten zur Ausweisung von Gefahrenzonen im Prozessraum des Talzuschubs erarbeitet und vorgestellt werden.

Die geologische Bearbeitung der Flanke des Etschtals im Umfeld des Talzuschubs Algund berücksichtigt die neuen Erkenntnisse und Modellvorstellungen zum Bau des Ostalpins zwischen Brenner und Graubünden, die im Rahmen des Projekts CARG zur Neubearbeitung der geologischen Karte von Italien im Maßstab 1:50000 gewonnen und publiziert wurden.

An repräsentativen Gesteinsproben aus Aufschlüssen im Bereich des Talzuschubs wurden felsmechanische Kennwerte ermittelt (einaxiale Druckfestigkeit, Spaltzugfestigkeit, E-Modul/V-Modul, Zerstörungsarbeit). Darauf aufbauend erfolgte eine Klassifizierung des Gebirges mittels des Geological Strength Index (GSI) und die methodenimmanente Ermittlung der für den Prozessraum des Talzuschubs anzusetzenden Gebirgskennwerte über das Hoek-Brown-Bruchkriterium.

Es gelingt, für den Talzuschub Algund herauszuarbeiten, dass die Ursachen der tiefgründigen Massenbewegung in einer komplexen geologisch-geomorphologischen Prädisposition zu finden sind, die weit über die quartäre Entwicklungsgeschichte des Etschtals hinaus reicht und neben der tertiären Talformung auch bereits in der Metamorphosegeschichte der anstehenden Gesteine sowie tektonischen Einflüssen im Zuge der alpidischen Orogenese begründet sind. Die Anlage wesentlicher rezent analysierbarer Geländeformen und Strukturen dieser Hangbewegung erfolgte nachweislich vor dem Höhepunkt des Würmglazials.

Auf Basis der Geländeuntersuchungen wird der Internbau des Talzuschubs dargestellt und es erfolgt eine Gliederung der Massenbewegung in Homogenbereiche (Teilschollen). Die Ergebnisse der geologischen Kartierung führen zu einem eindeutig trennflächengesteuerten Bewegungsmodell des Talzuschubs unter Beteiligung verschiedener Versagensmechanismen des Festgesteins - im Wesentlichen Gleitungen und Rotationsgleitungen. Das Auftreten von Buckling (Ausknicken) als relevantem Versagensmechanismus ist örtlich möglich, aber insgesamt von untergeordneter Bedeutung.

Die Synthese der geologischen Erkenntnisse aus dem Arbeitsgebiet (im Rahmen dieser Arbeit) und seiner näheren Umgebung (Projekt CARG) führt zur Schlussfolgerung, dass im Bereich des Hangfußes im Gebiet Algund die Existenz eines unter den Sedimenten der heutigen Talfüllung verborgenen tief liegenden prä-hochwürmglazialen epigenetischen Etschtals anzunehmen ist. Dies hat weitreichende Folgen im Hinblick auf das Kernthema dieser Arbeit und es macht die Anwendung numerischer Codes zur Modellierung und Prognose des Bewegungsverhaltens des Talzuschubs Algund unmöglich.

Durch die geologische Kartierung, allgemeine Recherche, verfügbare Monitoringdaten aus dem Bereich des Gipfelgrates und Fernerkundungsdaten der Satellitenmission Radarsat-1 können Aktivitätszonen innerhalb des Talzuschubs Algund ausgeschieden werden. Der Talzuschub Algund weist demnach insgesamt geringe rezente Aktivitätsraten auf, er ist keinesfalls als inaktiv, latent oder gar abgeschlossen bzw. relikt anzusehen.

Diese nachweisbare Aktivität des Talzuschubs Algund macht eine Analyse der Massenbewegung unter Anwendung der Theorien, Gesetzmäßigkeiten und Modelle des beschleunigten Kriechens grundsätzlich möglich. Zwischen dem Talzuschub und anderen Naturgefahren wie Sturzereignissen und Murgängen bzw. Übersarungen (Wassergefahren) existiert eine grundlegende Prozesskopplung. Im Vergleich mit der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Klassifizierung und Ausweisung von Gefahrenzonen für Sturzereignisse und Wassergefahren (Erstellung einer Karte der Phänomene sowie eines Gefahrenzonenplans mit 2D-Modellierung von Sturzprozessen) wird deutlich, weshalb alternative Methoden zur Ausweisung von Gefahrenzonen im Einwirkungsbereich von Talzuschüben entwickelt werden müssen, die grundsätzlich zur Klassifizierungsmatrix des BUWAL kompatibel sind. Die Theorie des beschleunigten Kriechens und ihre Übertragung auf geologische Prozesse bietet hierfür einen sinnvollen und vielversprechenden tragfähigen Ansatz.

Die dazu notwendige Datenbeschaffung und Detailuntersuchung des Hangfußes unterhalb der heutigen Etschtalfüllung kann nicht zeitnah und in mit dieser Arbeit kompatiblen Zeiträumen erfolgen. Sie muss in zukünftigen Untersuchungsphasen des Talzuschubs Algund umgesetzt werden. Hierfür stellt die vorliegende Arbeit über die detailgeologische Untersuchung des Gebiets, die Ermittlung von Gesteins- und Gebirgskennwerten sowie die grundlegende geologische Modellbildung der tiefgründigen Massenbewegung »Talzuschub Algund« eine Arbeitsgrundlage dar.

1. Einleitung – Problemstellung, Zielsetzung, Methodik, terminologische Festlegungen und allgemeine Informationen 11
1.1 Problemstellung 11
1.2 Ziele der Untersuchungen 11
1.3 Stand der Wissenschaft und Literatur zum Arbeitsthema 12
1.4 Methodik 12
1.5 Terminologische Festlegungen 13
1.6 Das Projekt CARG – kurze Erläuterung und Handhabung im Rahmen dieser Arbeit 13
1.7 Kartenbasis für das Projekt Algund 13
1.8 Bezeichnungen von Forstwegen und Lokalitäten innerhalb des Arbeitsgebiets 14
2. Geografisch-geologischer Überblick 15
2.1 Geografischer Überblick 15
2.1.1 Das Land Südtirol 15
2.1.2 Das Arbeitsgebiet und seine nähere Umgebung 15
2.1.3 Relief des Arbeitsgebiets und seine Aufschlussverhältnisse 18
2.1.4 Klimatische Verhältnisse 19
2.1.5 Vegetation im Bereich des Arbeitsgebiets 21
2.2 Geologischer Überblick und Erforschungsgeschichte 21
2.2.1 Geologischer Rahmen 21
2.2.2 Abriss der Erforschungsgeschichte 22
2.3 Tektonischer Überblick 26
2.3.1 Die heutige Gliederung des Ostalpins zwischen Graubünden und dem Brenner 26
2.3.2 Die tektonische Großeinheit des Texel-Ratschings-Kristallins (TRK) 28
2.3.3 Alpidische Störungsmuster im Umfeld des Arbeitsgebiets 30
2.3.4 Tektonische Aktivität 30
2.4 Erdgeschichtlicher Überblick 31
3. Die geologischen Verhältnisse des Arbeitsgebiets 34
3.1 Gesteinsbeschreibung 34
3.1.1 Paragneise, Gneis-Glimmerschiefer und Glimmerquarzite 34
3.1.2 Glimmerschiefer 35
3.1.3 Amphibolite 37
3.1.4 Orthogneise 39
3.1.5 Magmatische Intrusiva (Tertiär, Oligozän) 42
3.1.6 Gehängebreccie (vermutlich Quartär) 44
3.2 Quartäre Ablagerungen und Formen 44
3.2.1 Quartärgeologischer Rahmen und Beschreibung des Etschgletschers 44
3.2.2 Quartäre Landschaftselemente zwischen Töllgraben und Grabbach (Talflanke) 45
3.2.2.1 Kare, Rundhöcker und lokale Fließrichtungen des Eises 45
3.2.2.2 Tille 48
3.2.2.3 Mursedimente 49
3.2.2.4 Hang- und Blockschutt 50
3.2.2.5 Murkegel 54
3.2.3 Das Etschtal 56
3.2.3.1 Die Füllung des Etschtals 56
3.2.3.2 Historische Flussläufe der Etsch 59
3.3 Lagerungsverhältnisse und Tektonik des Kartiergebiets 59
3.3.1 Störungen 59
3.3.2 Faltung und Faltenachsen 60
3.3.3 Schieferung 61
3.3.4 Klüftung 62
3.4 Hydrologie und Hydrogeologie des Arbeitsgebiets 65
3.4.1 Niederschlag 65
3.4.2 Abfluss 65
3.4.3 Evapotranspiration 66
3.4.4 Oberflächengewässer 66
3.4.4.1 Etsch 66
3.4.4.2 Wildbäche 68
3.4.4.3 Stehende Gewässer 69
3.4.5 Grundwasser und Quellaustritte 70
3.4.5.1 Grundwasserführung der Festgesteine 71
3.4.5.2 Grundwasserführung der Lockergesteine 71
3.4.5.3 Quellaustritte 72
4. Ingenieurgeologische Untersuchung des Talzuschubs Algund 73
4.1 Erforschungsgeschichte der Massenbewegung Talzuschub, Literaturüberblick und grundlegende terminologische Entwicklungen 73
4.2 Begriffliche Festlegungen für diese Arbeit, Kartiertechnik und Erkundung 77
4.2.1 Sackung 77
4.2.1.1 Begriff und Prozess der »Sackung« in der Literatur 77
4.2.1.2 Geländebeobachtungen und Interpretation für das Projekt Algund 77
4.2.2 Zugriss 79
4.2.2.1 Begriff und Prozess des »Zugrisses« in der Literatur 79
4.2.2.2 Geländebeobachtungen und Interpretation für das Projekt Algund 80
4.2.3 Nackental (Bergzerreißung) 80
4.2.3.1 Begriff und Prozess des »Nackentals« in der Literatur 80
4.2.3.2 Geländebeobachtungen und Interpretation für das Projekt Algund 81
4.2.4 Prozesskoppelungen 81
4.3 Kartiertechnik und Erkundung 83
4.4 Räumliche Ausdehnung und Begrenzungen des Talzuschubs Algund 83
4.4.1 Abgrenzung und Abschätzung des Volumens 83
4.4.2 Geomorphologie und reliefbezogene Bewegungsstrukturen 86
4.5 Das Alter der Massenbewegung Talzuschub Algund 87
4.5.1 Literaturbasis und -konzepte zur Alterseinstufung von Talzuschüben 87
4.5.2 Die Alterseinstufung für den Talzuschub Algund 89
4.5.2.1 Erkenntnisse aus der Geländearbeit 89
4.5.2.2 Erkenntnisse aus benachbarten Gebieten im Rahmen des Projektes CARG 90
4.5.2.3 Weitere Erkenntnisse aus dem Projekt Algund 90
4.6 Felsmechanische Untersuchungen und Gebirgsklassifizierung 90
4.6.1 Ermittlung von Gesteinskennwerten im Bereich des Talzuschubs Algund 90
4.6.1.1 Allgemeine Informationen zu Probenahme und Versuchsprogramm 90
4.6.1.2 Prüfanlage und Versuchsauswertungen 92
4.6.1.3 Einaxiale Druckfestigkeit sm bzw. UCS 93
4.6.1.4 Verformungsmodul V und Elastizitätsmodul E 95
4.6.1.5 Spaltzugfestigkeit SPZ 96
4.6.1.6 Zähigkeit und Sprödigkeit der Gesteine 98
4.6.1.7 Zerstörungsarbeit Wz 98
4.6.2 Übertrag der ermittelten Gesteinskennwerte auf Gebirgskennwerte 100
4.6.2.1 Notwendigkeit der Änderung des Betrachtungsmaßstabs und verfügbare Systeme zur Gebirgsklassifizierung 100
4.6.2.2 Darstellung der in Frage kommenden Gebirgsklassifizierungssysteme 100
4.6.2.3 Klassifizierung des Gebirges nach dem Rock Mass Rating RMR (Bienawski 1989) 101
4.6.2.4 Klassifizierung des Gebirges nach dem »Q-Value« (Barton et al. 1974) 101
4.6.2.5 Klassifizierung des Gebirges nach dem »Geological Strength Index« GSI 102
4.6.2.6 Auswahl eines Klassifizierungssystems für den Anwendungsfall Algund 104
4.6.3 Gebirgsklassifizierung und Ableitung von Gebirgskennwerten für den Talzuschub Algund mittels GSI und Hoek-Brown-Bruchkriterium 106
4.7 Kinematische Betrachtungen, Bewegungsmodelle und Mechanismen des Talzuschubs Algund 111
4.7.1 Literaturbasis und Überblick der Bewegungsmechanismen in Festgestein 111
4.7.2 Relevante Bewegungsmechanismen des Talzuschubs Algund 111
4.7.2.1 Gleitung und Rotationsgleitung 112
4.7.2.2 Rotation – Kippen (Toppling) 116
4.7.2.3 Ausknicken (Buckling) 119
4.7.3 Bewegungsbild des Talzuschubs Algund 122
4.8 Aktivitätszonen der tiefgründigen Massenbewegung 125
4.8.1 Gampenkuhalm (I) 125
4.8.2 Forstweg Töllwald, Ostflanke Töllgraben bis Blaser Bach (II) 126
4.8.3 Leiteralm bis bergseitig Hofstelle Oberplatzer (III) 127
4.8.4 Vellau (IV) 129
4.9 Die Verhältnisse am Hangfuß zwischen Töllgraben und Grabbach 129
4.9.1 Das Grundproblem des Hangfußes 129
4.9.2 Aufschlussverhältnisse und tektonische Einflüsse (Störungen) 129
4.9.3 Die Frage der wechselseitigen Beeinflussung von Etsch und Talzuschub Algund 130
4.9.4 Der Einschnitt und der Erosionskessel des Blaser Bachs 131
4.9.5 Der Talzuschub Algund im Kontext dieser Aspekte 132
4.9.6 Konkrete Folgen für die gegenwärtige Erforschung des Talzuschubs Algund 132
4.10 Homogenbereiche des Talzuschubs Algund 132
4.10.1 Internbau und strukturelle Gliederung von Talzuschüben 132
4.10.2 Internbau und Schollengliederung des Talzuschubs Algund 133
4.10.3 Grundmuster der Homogenbereiche des Talzuschubs Algund 134
4.10.4 Detailbeschreibung der Teilschollen, Charakteristika und wechselseitige Abhängigkeiten 135
4.11 Aktivität und Bewegungsraten des Talzuschubs Algund 137
4.11.1 Angewendete Methoden 137
4.11.2 Allgemeines und Basisinformationen zur Satellitenfernerkundung 137
4.11.3 Besonderheiten der Satellitenfernerkundung für den Talzuschub Algund 139
4.11.4 Die rezente Aktivität des Talzuschubs Algund 139
4.11.4.1 Gratregion im Bereich der Spronser Rötelspitz 141
4.11.4.2 Forstweg Töllwald, westlich Hasental, Ostrand Töllgraben 141
4.11.4.3 Westende Hasental und bergseitig Forstweg Töllwald 143
4.11.4.4 Hofstelle Oberplatzer 143
4.11.4.5 Vellau und Hangfuß zwischen Blaser Bach und Algund 143
4.11.4.6 Weitere Beobachtungen 144
4.11.4.7 Weitere Überlegungen zu rezenten Bewegungsraten des Talzuschubs Algund 145
4.11.5 Anzunehmende Bewegungsbeträge innerhalb des Talzuschubs Algund 145
4.12 Überlegungen zu den Ursachen des Talzuschubs Algund 146
4.12.1 Die Einflussgrößen Erdbeben und Grundwasser 146
4.12.1.1 Erdbeben 146
4.12.1.2 Grundwasser 147
4.12.2 Globaler Betrachtungsansatz 147
4.12.3 Möglichkeiten einer numerischen Modellierung des Talzuschubs Algund 148
4.12.4 Zusammenfassende Betrachtung 150
5. Gefahrenzonenplanung im Arbeitsgebiet Algund 151
5.1 Allgemeine Definitionen und Gliederungen der Naturgefahren 151
5.2 Ursachen und Auslöser von Naturgefahren 152
5.3 Relevante Naturgefahren im Arbeitsgebiet Algund 152
5.3.1 Steinschlag, Blockschlag, Fels- und Bergsturz 152
5.3.1.1 Prozess 152
5.3.1.2 Auslösende Faktoren und Ursachen für Sturzereignisse 153
5.3.2 Rutschungen 153
5.3.3 Muren und Übersarung (Wildbachereignisse) 154
5.3.3.1 Prozess 154
5.3.3.2 Auslöser von Muren und Übersarungen 155
5.3.4 Hochwasser und Überschwemmung 156
5.4 Mit dem Gefahrenzonenplan des Arbeitsgebiets Algund verbundene Kartenwerke 156
5.4.1 Karte der Phänomene 157
5.4.1.1 Wassergefahren 157
5.4.1.2 Sturzprozesse 158
5.4.2 Bauleitplan 162
5.5 Gefahrenzonenplan (GZP) 162
5.5.1 Grundlagen der Gefahrenzonenpläne in Südtirol 162
5.5.2 Gefahrenbewertung Wassergefahren 164
5.5.2.1 Murgänge und Übersarungen 164
5.5.2.2 Überschwemmung 172
5.5.3 Gefahrenbewertung Massenbewegungen 174
5.5.3.1 Sturzprozesse 174
5.5.3.2 Der Talzuschub Algund 177
6. Projektausblick 189
7. Literatur 190
8. Anlagen 197
Anlage 1: SAR-DGM und Corine 197
Anlage 2: Versuchsprotokolle 204
Anlage 3: Dokumentation der Modellierung 229
Anlage 4: APBz 2008 254
Anlage 5: Geologische Karte 269
Anlage 6: Profilschnitte 272
Anlage 7: Karte der Phänomene 277
Anlage 8: Detailkarte Gebiet Vellau 281
Anlage 9: Gefahrenzonenplan Talzuschub Algund 284