Erkundung tiefer Grundwasserleiter im nördlichen Kalahari-Becken

Land / Region: Namibia + Angola / Afrika

Projektanfang: 01.10.2014

Projektende: 31.03.2018

Projektstand: 31.03.2018

Hintergrund:
Semifossile Grundwasserleiter sind im Gegensatz zu fossilen Aquiferen noch an den hydrologischen Kreislauf angeschlossen und damit teilweise erneuerbar. In Afrika bilden semifossile Grundwasserleiter bedeutende Süßwasservorkommen, die noch nicht vollständig erschlossen sind. Das Alter dieser Grundwasservorkommen beträgt meist mehrere zehntausende Jahre und gewöhnlich sind das gespeicherte Volumen und die Neubildungsprozesse für diese in der Regel tiefliegenden Grundwasserkörper weitgehend unerforscht. Aktuell werden zwei kürzlich im nördlichen Teil des Kalahari-Beckens entdeckte, tiefe Poren-Grundwasserleiter wissenschaftlich untersucht, nämlich der Ohangwena II-Aquifer (KOH-2) in der Grenzregion von Namibia und Angola und der Untere Kalahari-Aquifer (LKA) in der Zambesi-Region im Nordosten Namibias.

Lage der Untersuchungsgebiete

Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, verbesserte Methoden zur Erkundung von komplexen Grundwasserstockwerken zu entwickeln. Darüber hinaus sollen die neuen Erkenntnisse eine nachhaltige Nutzung semifossiler Grundwässer ermöglichen. Eine Kernfrage dabei ist, zu welchem Anteil die semifossilen Grundwasservorkommen unter heutigen Klimabedingungen erneuert werden, und welche Prozesse dafür verantwortlich sind. Die Erkundung tiefer Grundwasserleiter sollte sich systematisch an der Erfassung der wesentlichen geologisch-tektonischen Strukturen sowie der sedimentologischen Prozesse ausrichten, wie das in der Erdölindustrie seit langem Gang und Gäbe ist.

Untersuchungsgebiete:
Die beiden Untersuchungsgebiete liegen im nördlichen Teil des Kalahari-Beckens, das den Süden Angolas, den Westen Sambias und nördliche Teile Namibias und Botsuanas miteinschließt. Der KOH-2 Grundwasserleiter ist Teil des abflusslosen Cuvelai-Etosha-Beckens (CEB) zwischen 16°0 'und 18°0' südlicher Breite und 16°15' und 18°15' östlicher Länge. Der grenzüberschreitende Aquifer bedeckt Teile Angolas und Namibias. Der LKA befindet sich im östlichen Teil der Sambesi-Region in Namibia zwischen 17°30' und 18°30' südlicher Breite und 23°15' und 24°15' östlicher Länge und ist wird nach Osten durch den Kwando-Fluss und nach Süden durch den Linyanti-Fluss begrenzt.

Gemäß der Klimaklassifikation nach Köppen und Geiger zählt das nördliche Kalahari-Becken zu den heißen, trockenen Steppenklimaten (BSh). Es zeichnet sich durch ein tropisches Sommerregenmaximum aus. Auf einen kühlen und trockenen Winter mit Tiefsttemperaturen im Juni und Juli folgt eine Vorregenperiode, welche die Monate von September bis November umfasst und durch zum Teil extrem heiße sommerliche Temperaturen geprägt ist. Die ebenfalls durch hohe Temperaturen gekennzeichnete Regenzeit dauert von Mitte November bis März an. Der mittlere langjährige Jahresniederschlag nimmt in südwestliche Richtung von 600 - 700 mm in der Sambesi-Region auf unter 400 mm im CEB ab. Aufgrund der semi-ariden Klimabedingungen mit hoher Evapotranspiration in großen Teilen des Kalahari-Beckens sind die Grundwasserneubildungsraten im Allgemeinen sehr gering.

Schematisches konzeptionelles Modell

Das Kalahari-Becken ist Teil der intrakontinentalen Hochlandfläche im südlichen Afrika. Die sedimentäre Kalahari-Abfolge wurde in einem tektonisch aktiven Becken seit Beginn der Oberen Kreide abgelagert. Die Untersuchungsgebiete liegen in Zonen, in denen die Kalaharibedeckung mit Werten von über 300 m mit die höchste Mächtigkeit aufweist. Der Ohangwena-Aquifer entspricht vom Aufbau her einem mehrschichtigen Grundwasserstockwerk, das sich nachweislich in einem Paläo-Schuttfächer des Cubango-Flusses ausgebildet hat, der eine Fläche von ungefähr 55.000 km² einnimmt. Der KOH-2 wurde in Tiefen von 150 – 300 m nachgewiesen. Der Vorläufer des heutigen Cubango strömte in das Cuvelai-Etosha-Becken (CEB), bis er - vermutlich im Spättertiär – seinen heutigen östlichen Verlauf in Richtung Okavango-Delta einnahm. Die Grundwasserfließrichtung verläuft grob in südlicher Richtung von Angola nach Namibia. Es wird angenommen, dass sich das Hauptneubildungsgebiet im angolanischen Hochland befindet, wo der mittlere jährliche Niederschlag mit Werten bis zu 1200 – 1400 mm/a deutlich höher ist und die Sedimentschichten an der Geländeoberfläche ausbeißen.

Tektonik und Hydrologie des Untersuchungsgebiets

Die Zambezi Region ist Teil eines jungen Grabenbruchsystems, das sich vom Machile-Graben über das Okavango-Delta bis in den Eiseb-Graben im Nordosten Namibias ausstreckt. Die tektonische und neotektonische Aktivität steht im Zusammenhang mit der Ausdehnung des Ostafrikanischen Grabens (East African Rift System) und hat entscheidenden Einfluss auf die Hydrologie des gesamten Gebietes. Das ist zum Beispiel an dem nahezu rechtwinkligen Wechsel der Fließrichtung des Sambesis und des Kwandos ersichtlich. Die Flussablenkungen, die durch tektonische Hebungen und Senkungen und anschließender rückschreitender Erosion verursacht werden, sind zusammen mit klimatischen Veränderungen die Ursache für die sukzessive Bildung und Austrocknung von großen Binnenseen im Gebiet der heute ausgetrockneten Makgadikgadi-Pfanne. Der LKA liegt in einer Horst-Graben-Struktur und ist im Norden durch die Sibbinda-Störung und im Süden durch die Linyanti-Störung begrenzt. Die Grabenzone wurde mit überwiegend fluviatilen und lakustrinen Sedimenten der Kalahari-Abfolge gefüllt. Im Liegenden befinden sich mesozoische Basalte oder klastische Sedimente der Karoo-Abfolge. Der LKA wurde in Tiefen von 130 bis 250 m angetroffen. Erste hydrochemische und hydroisotopische Untersuchungsergebnisse weisen darauf hin, dass ein ursprünglich brackischer Grundwasserkörper vermutlich seit dem Jung-Pleistozän in südliche Richtung allmählich aussüßt.

Methoden:
Ein interdisziplinärer Ansatz wird entwickelt und angewandt, der folgende Untersuchungsmethoden beinhaltet:

• Literaturstudie mit besonderem Schwerpunkt auf den paläoklimatischen Veränderungen in der Region
• Detaillierte Analyse der tektonischen Strukturen und der vorherrschenden Ablagerungsprozesse
• Geophysikalische Erkundung, insbesondere mittels Transienten-Elektromagnetik (TEM)
• Bestimmung der Grundwasserbeschaffenheit und geochemische Modellierung
• Isotopenhydrologie und radiometrische Altersbestimmung des Grundwassers
• Erstellung konzeptioneller und numerischer Grundwassermodelle

Grundwasserprobenahme und In-situ-Tests

Literatur:

• BÄUMLE, R. (2018): Hydrogeology of the Kalahari Aquifers in the Zambezi Region, Northeastern Namibia. - Internal Technical Report; Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR), Hannover. (PDF, 17 MB)
• BÄUMLE, R., HIMMELSBACH, T. & NOELL, U. (2018): Hydrogeology and geochemistry of a tectonically controlled, deep-seated and semi-fossil aquifer in the Zambezi Region (Namibia). - Hydrogeol J 27(1): 1-30; doi: 10.1007/s10040-018-1896-x
• BÄUMLE, R. & HIMMELSBACH, T. (2018): Erkundung tiefer, bislang unbekannter semi-fossiler Grundwasserleiter im Kalahari-Becken (südliches Afrika). - Grundwasser 23(1): 29-45; doi: 10.1007/s00767-017-0378-8
• BÄUMLE, R. & KREKELER, T. (2016): Exploration of complex deep aquifers systems in Northern Namibia, Zambezi Region. - Analysis Report No. 3; Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR), Hannover.
• HIMMELSBACH, T. (2017): Tiefe, semi-fossile Grundwasserleiter im südlichen Afrika: Hydrogeologische Untersuchungen im Norden von Namibia. - GMIT – Geowiss. Mitt., 67: 7 - 18. (PDF, 4 MB)
• LINDENMAIER, F., MILLER, R., FENNER, J., CHRISTELIS, G., DILL, H.G., HIMMELSBACH, T., KAUFHOLD, S., LOHE, C., QUINGER, M., SCHILDKNECHT, F., SYMONS, G., WALZER, A. & WYK, van B. (2014): Structure and genesis of the Cubango Megafan in northern Namibia: implications for its hydrogeology. - Hydrogeol J 22(6): 1307–1328; doi: 10.1007/s10040-014-1141-1
• MARGANE, A., BÄUMLE, R., SCHILDKNECHT, F. & WIERENGA, A. (2005): Groundwater Investigations in the Eastern Caprivi Region – Main Hydrogeological Report. – Report prepared for Technical Cooperation Project "Investigation of Groundwater Resources and Airborne-Geophysical Investigation of Selected Mineral Targets in Namibia", Volume IV.GW.2.1, BGR archive no. 0125832 : 4,2, 148 p.; Windhoek. (PDF, 12 MB)
• WALLNER, M., HOUBEN, G., LOHE, C., QUINGER, M. & HIMMELSBACH, T. (2017): Inverse modeling and uncertainty analysis of potential groundwater recharge to the confined semi-fossil Ohangwena II Aqufer, Namibia. - Hydrogeol J 25(8): 2303-2321; doi: 10.1007/s10040-017-1615-z

Partner:

• Naturwissenschaftliche Fakultät, Universität von Namibia (UNAM), Windhoek, Namibia