Tamara Breuninger zur geotechnischen Erkundung von instabilen Hängen in Medellín, Kolumbien

Mein Weg zur Geotechnik

Meine Abifächer (Deutsch, Geschichte, Englisch, Bio) reflektieren ziemlich deutlich, welchen Stellenwert Naturwissenschaften während der Schulzeit für mich hatten. Sie waren ein notwendiges Übel, um den Abschluss zu machen. Entsprechend wählte ich auch ein geisteswissenschaftliches Studium aus, Psychologie in Innsbruck. Bereits nach zwei Semestern merkte ich, dass es nicht das richtige für mich war. Auf der Suche nach etwas Neuem stieß ich auf den Studiengang Erdwissenschaften. Geologie war die einzige Naturwissenschaft, mit der ich bis dahin etwas anfangen konnte, also besuchte ich eine Vorlesung und war sofort begeistert. Innerhalb von wenigen Wochen wechselte ich das Studium, die Stadt und das Land.

Mich interessierte im Studium vor allem die angewandte Seite der Geowissenschaften. Obwohl ich daher von Anfang an auf den Master Ingenieur- und Hydrogeologie hinarbeitete, wollte ich nie im Bereich Tief- oder Tunnelbau arbeiten. Vielmehr wollte ich mich mit meinem geotechnischen Wissen zur Erhaltung von bereits Bestehendem und zum Schutz von Menschen einsetzen. Entsprechend war ich auch von dem Doktorarbeitsthema begeistert, das mir zum Ende meiner Masterzeit vorgeschlagen wurde: die geotechnische Erkundung eines instabilen, dicht besiedelten Hanges in Medellín, Kolumbien mit dem Ziel ein Frühwarnsystem zum Schutz der Bewohner zu entwickeln.

Projekt Inform@Risk

Das Projekt Inform@Risk, in dem ich meine Doktorarbeit schreibe, ist eine Kollaboration deutscher und kolumbianischer Forschungseinrichtungen und Behörden, das ein kostengünstiges und replizierbares Frühwarnsystem in einer der informellen Siedlungen an den steilen Hängen am Rand der Stadt Medellín, Kolumbien zum Ziel hat. Der Fokus meiner Arbeit liegt dabei auf der geotechnischen Charakterisierung des Untergrundes im Projektgebiet.

Das Projektgebiet liegt im Nordosten der Stadt, in der Comuna 3 Manrique und nimmt den oberen Teil des dicht besiedelten Barrios Bello Oriente sowie den ruralen, hangaufwärts gelegenen Teil der Comuna Santa Elena ein. Damit liegt das Projektareal zum Teil im Stadtgebiet, zum Teil in der ruralen Außenregion. In Abbildung 1 ist die Lage des Gebietes sowie die Geologie Medellíns zu sehen.

Geologie in Bello Oriente

Die Geologie der Aburrá-Tals (siehe Abbildung 1), in dem sich die Stadt Medellín befindet, besteht aus mesozoischen Metamorphiten und Magmatiten. Das Projektgebiet im Nordosten wird ausschließlich aus dem Medellín-Dunit aufgebaut. Diese Einheit ist sehr heterogen und kann, je nach Mineralgehalt, als Peridotit, Dunit oder, bei erhöhtem Metamorphosegrad, bereits als Serpentinit bezeichnet werden.

Aufgrund des tropischen Klimas und des hohen Gehaltes an Forsterit im Gestein ist die chemische Verwitterung des Medellín-Dunits sehr tiefgreifend. Hinzu kommt das dort auftretende Phänomen des Pseudokarsts. Pseudokarst zeigt sich in dem Karbonatkarst sehr ähnlichen Verwitterungsstrukturen wie Dolinen, Karsthöhlen und Karren. Hierbei wird jedoch nicht Karbonat durch Kohlensäure gelöst; hier wird Forsterit bei Wasserzutritt in Brucit und Serpentin umgewandelt.

Zusätzlich ist das Gebiet des Medellín-Dunits aufgrund der Andenbildung stark zerklüftet. Der Dunit gehört zu einem ehemaligen Ophiolith-Komplex, wurde also stark gehoben und auf die ihn unterlagernden Gesteine überschoben. Aufgrund dieser wechselvollen Geschichte treten mindestens sechs dominante Kluftscharen in der Einheit auf.

Durch die tiefgreifende Verwitterung in Verbindung mit Pseudokarst und die hohe Zerklüftung ergibt sich eine komplexe Block-in-Matrix-Struktur. Entlang der mit tonig-schluffigem Material gefüllten Klüfte und Pseudokarststrukturen können sich Gleitbahnen ausbilden. Ab einer Hangneigung von etwa 22 ° und einem Anstieg des Porenwasserdrucks, vor allem in der Regenzeit, ist der Reibungswinkel des feinkörnigen Materials überschritten. Hinzu kommt noch die Auflast von Gebäuden, was das Gewicht, das auf dem Hang lastet, weiter erhöht. Der Hang wird instabil und versagt.

Geotechnische Erkundung

Um diese komplexe und heterogene Geologie für ein Frühwarnsystem ausreichend erkunden zu können, wären viele Bohrungen nötig. Das würde einerseits das Budget sprengen, andererseits auch die Akzeptanz und das Vertrauen der Bevölkerung aufgrund der starken Lärmbelästigung mindern, die in zahlreichen Workshops und Community-Meetings erarbeitet wurden. Daher wurden weniger Bohrungen und stattdessen andere, minimalinvasive Erkundungsmethoden angewandt. In unserem Projekt wurde das mithilfe von Kartierungen und Geoelektrik des Untergrundes erreicht.

Bei einem ersten Geländeaufenthalt im August 2019 wurden alte Hangbewegungen kartiert und vier geoelektrische Profile erstellt. Die Größe, Tiefe und Lage der kartierten Hangbewegungen wurden herangezogen, um einen kritischen Neigungswinkel (22,5 °) für die im Gebiet typischen Hangbewegungsprozesse zu ermitteln und so gefährdete Gebiete zu identifizieren, die in einer Gefährdungskarte dargestellt wurden. Die Geoelektrikprofile zeigen alle die bereits erläuterte Heterogenität und zahlreiche Störungsstrukturen.

Ein halbes Jahr später, im Februar 2020, wurde eine weitere Kartierung durchgeführt. Diesmal wurde die Verteilung von in-situ-Gestein und das Verhältnis von Blöcken und Matrix im Projektgebiet erfasst. Dabei zeigte sich, dass einige WSW-ENE-verlaufende Festgesteinsrippen auftreten. Die Gebiete zwischen diesen Rippen werden von komplexen Block-in-Matrix-Strukturen aufgebaut, bei denen die Blöcke meist dominieren. Diese Strukturen sind besonders anfällig für Hangbewegungen.

Die ersten drei Bohrungen wurden im Herbst 2020 abgeteuft. Sie liefen alle gleichzeitig ab, um die Anwohner für möglichst kurze Zeit der Lärmbelästigung auszusetzen. Alle Bohrpunkte wurden so gewählt, dass sie auf Geoelektrikprofilen oder sogar auf Kreuzungen dieser liegen, um möglichst viele Informationen verbinden zu können. An den Bohrkernen wurden u.a. Druck- und Zugversuche (Festgestein) sowie Scherversuche (Lockergestein) durchgeführt. Eine weitere Bohrung, ebenfalls auf der Linie eines Geoelektrikprofils, ist für Sommer 2021 geplant.

Durch diese räumliche Verknüpfung von unterschiedlich gewonnenen Untergrundinformationen ist es uns nun möglich, ein geologisches Modell des Projektgebietes zu erstellen. Kleinräumige Veränderungen können in direkten Aufschlüssen nur punktuell erfasst werden und reichen in diesem komplexen Umfeld nicht aus. Die Heterogenität des Gebietes und die dichte Besiedlung erforderten ein Erkundungsprogramm, das über Bohrungen hinausgeht und die Anwohner vor zu großen Unannehmlichkeiten bewahrt.

Meine Motivation im Projekt und darüber hinaus

Trotz der naturwissenschaftlichen Ausrichtung von Geologie und Geotechnik war mir die soziale Komponente meiner Arbeit immer wichtig. Egal, wo wir als Geotechniker arbeiten, es geht immer um mehr als Ingenieurwesen. Mit unserer Arbeit verändern wir Landschaften, Städte und Lebensräume. Klare Kommunikation mit Betroffenen und eine alle beteiligte Aspekte beinhaltende Abwägung der Möglichkeiten sind deshalb unerlässlich. Danach habe ich meine Arbeit immer ausgerichtet und hoffe, dass ich das auch weiterhin tun kann.

Förderhinweis

Das Projekt „Inform@Risk” (Förderkennzeichen 03G0883C) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Die Leitung des Projekts liegt beim Institut für Landschaftsarchitektur der Leibnitz-Universität Hannover.

Aktuelle Informationen zu dem Projekt gibt es auf dem Instagram Kanal: https://www.instagram.com/informatrisk/

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