Mannheim, Univ., Diss., 2003.

Techn. University, Diss., 2005--München.

Universiẗat, Diss., 2003--Jena.

Freie Univ., Diss--Berlin, 1999.

Univ., Diss.--Hohenheim, 2004.

During the Mesoproterozoic large volumes of magma were repeatedly emplaced within the basement of NW Namibia. Magmatic activity started with the intrusion of the anorthositic rocks of the Kunene Intrusive Complex (KIC) at 1,385-1,347 Ma. At its south-eastern margin the KIC was invaded by syenite dykes (1,380-1,340 Ma) and younger carbonatites (1,140-1,120 Ma) along ENE and SE trending faults. Older ferrocarbonatite intrusions, the ‘carbonatitic breccia’, frequently contain wallrock fragments, whereas subordinate ferrocarbonatite veins are almost xenolith-free. Metasomatic interaction between carbonatite-derived fluids and the neighbouring and incorporated anorthosites led to the formation of economically important sodalite deposits. Investigated anorthosite samples display the magmatic mineral assemblage of Pl (An37-75) ± Ol ± Opx ± Cpx + Ilm + Mag + Ap ± Zrn. Ilmenite and pyroxene are surrounded by narrow reaction rims of biotite and pargasite. During the subsolidus stage sporadic coronitic garnet-orthopyroxene-quartz assemblages were produced. Thermobarometry studies on amphiboles yield temperatures of 985-950°C whereas the chemical composition of coronitic garnet and orthopyroxene indicate a subsolidus re-equilibration of the KIC at conditions of 760 ± 100°C and 7.3 ± 1 kbar. In the syenites Kfs, Pl, Hbl and/or Cpx crystallized first, followed by a second generation of Kfs, Hbl, Fe-Ti oxides and Ttn. Crystallization of potassium feldspar occurred under temperatures of 890-790°C. For the crystallization of hastingsite pressures of 6.5 ± 0.6 kbar are obtained. In order to constrain the source rocks of the two suites, oxygen isotope analyses of feldspar as well as geochemical bulk rock analyses were carried out. In case of the anorthosites, the general geochemical characteristics are in excellent agreement with their derivation from fractionated basaltic liquids, with the d18O values (5.88 ± 0.19 ‰) proving their derivation from mantle-derived magmas. The results obtained for the felsic suite, provide evidence against consanguinity of the anorthosites and the syenites, i.e. (1) compositional gaps between the geochemical data of the two suites, (2) trace element data of the felsic suite points to a mixed crustal-mantle source, (3) syenites do not exhibit ubiquitous negative Eu-anomalies in their REE patterns, which would be expected from fractionation products of melts that previously formed plagioclase cumulates and (4) feldspar d18O values from the syenites fall in a range of 7.20-7.92 ‰, which, however, is about 1.6 ‰ higher than the average d18O of the anorthosites. Conformably, the crustal-derived felsic and the mantle-derived anorthositic suite are suggested to be coeval but not consanguineous. Their spatial and temporal association can be accounted for, if the heat necessary for crustal melting is provided by the upwelling and emplacement of mantle-derived melts, parental to the anorthosites. In order to constrain the source of the 1,140-1,120 Ma carbonatites and to elucidate the fenitizing processes, which led to the formation of the sodalite, detailed mineralogical and geochemical investigations, stable isotope (C,O,S) analyses and fluid inclusion measurements (microthermometrical studies and synchrotron-micro-XRF analyses) have been combined. There is striking evidence that carbonatites of both generations are magmatic in origin. They occur as dykes with cross-cutting relationships and margins disturbed by fenitic aureoles, and contain abundant flow-oriented xenoliths. The mineral assemblage of both carbonatite generations of Ank + Cal + Ilm + Mag + Bt ± Ap ± pyrochlore ± sulphides in the main carbonatite body and Ank + Cal + Mag ± pyrochlore ± rutile in the ferrocarbonatite veins, their geochemical characteristics and the O and C isotope values of ankerite (8.91 to 9.73 and –6.73 to –6.98, respectively) again indicate igneous derivation, with the 18O values suggesting minor subsolidus alteration. NaCl-rich fluids, released from the carbonatite melt mainly caused the fenitization of both, the incorporated and the bordering anorthosite. This process is characterized by the progressive transformation of Ca-rich plagioclase into albite and sodalite. Applying conventional geothermobarometry combined with fluid-inclusion isochore data, it was possible to reconstruct the P-T conditions for the carbonatite emplacement and crystallization (1200-630°C, 4-5 kbar) and for several mineral-forming processes during metasomatism (e.g. formation of sodalite: 800-530°C). The composition and evolutionary trends of the fenitizing solution were estimated from both the sequence of metasomatic reactions within wallrock xenoliths in the carbonatitic breccia and fluid inclusion data. The fenitizing solutions responsible for the transformation of albite into sodalite can be characterised as of NaCl-rich aqueous brines (19-30 wt.% NaCl eq.), that contained only minor amounts of Sr, Ba, Fe, Nb, and LREE. / Die mesoproterozoische Entwicklung Namibias ist durch wiederholte magmatische Aktivität gekennzeichnet. Zunächst erfolgte vor 1385-1347 Ma die Platznahme von Anorthositen des Kunene-Intrusiv-Komplexes (KIK) innerhalb von hochgradig metamorphen Gesteinen des Epupa-Komplexes. Der KIK wurde nahe seiner südöstlichen Begrenzung von zahlreichen Störungen durchschlagen. In diese SE-NW und ENE-WSW streichenden Schwächezonen intrudierten Syenite (ca. 1380-1340 Ma) sowie jüngere Karbonatite (ca. 1140-1120 Ma). Hierbei erfolgte zunächst die Platznahme einer ersten Ferrokarbonatit-Generation, die in hohem Maße durch Anorthosit-Xenolithe kontaminiert ist („karbonatitische Brekzie“). Diese wird von jüngeren und annähernd Xenolith-freien Ferrokarbonatit-Adern durchschlagen. Metasomatische Wechselwirkungen den Karbonatit-Magmen und angrenzenden Anorthositen und Anorthosit-Xenolithen führten zur Bildung ökonomisch bedeutsamer Sodalith-Vorkommen. Die typische primär-magmatische Mineralogie in den Gesteinen des KIK umfasst: Pl (An37-75) ± Ol ± Opx ± Cpx + Fe-Ti-Oxide + Ap ± Zrn. Säume von Amphibol und Biotit umgeben Pyroxen und Ilmenit. Geothermometrische Untersuchungen ergaben Temperaturen von 985-950°C für die Kristallisation von Amphibol. Eine Reequilibrierung der Anorthosite unter granulit- bis amphibolitfaziellen Bedingungen (760 ± 100°C; 7.3 ± 1 kbar) wurde für Orthopyroxen-Granat-Quarz-Koronen um Olivin festgestellt. In den Syeniten kristallisierten zunächst Kfs, Pl, Cpx und Hbl, gefolgt von einer zweiten Generation von Kfs, Hbl, Fe-Ti-Oxiden und Ttn. Die Kristallisation von K-Feldspat fand unter Temperaturbedingungen von 890-790°C statt. Für die Kristallisation von Hastingsit wurden Drucke von 6.5 ± 0.6 kbar ermittelt. Mit dem Ziel, die Natur der Magmenquelle der Anorthosite und Syenite zu charakterisieren wurden geochemische Untersuchungen durchgeführt, sowie die Sauerstoff-Isotopie von Feldspat-Separaten bestimmt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen belegen, dass es sich bei den Stamm-Magmen der Anorthosite um fraktionierte basaltische Magmen handelt. Die d18O-Daten (5.61-6.13 ‰) legen nahe, dass diese Schmelzen durch partielle Aufschmelzung des Erdmantels entstanden sind. Die für die Syenite ermittelten Ergebnisse belegen, dass es sich bei Anorthositen und Syeniten um chemisch unabhängige Systeme handelt, da (1) keine chemische Kontinuität zwischen Anorthositen und Syeniten vorliegt, (2) die Spurenelementgehalte der Syenite auf eine gemischte Kruste-Mantel-Quelle hindeuten, (3) Chondrit-normierte Seltenerd-Element-Muster der Syenite keine negative Eu-Anomalie aufweisen, und (4) die d18O-Werte von Feldspat der Syenite mit 7.20-7.92 ‰ etwa 1.6 ‰ höher liegen als die der Anorthosite. Dementsprechend liegt die enge räumliche und zeitliche Assoziation von Anorthosite und Syeniten vermutlich darin begründet, dass der Aufstieg und die Platznahme der Stamm-Magmen der Anorthosite zum partiellen Aufschmelzen der Unterkruste und somit zur Bildung potentieller Stamm-Magmen der Syenite führten. Um eine umfassende Vorstellung über die genetische und zeitliche Stellung der Karbonatite und über die Sodalith-bildenden Vorgänge zu gewinnen, wurden verschiedene Untersuchungsmethoden angewendet (petrographische und Mikrosonden-analytische Bearbeitung von Dünnschliffen, Bestimmung der Gesamtgesteins-Geochemie, mikrothermometrische Untersuchungen sowie Synchrotron-XRF(SRXRF)-Untersuchungen von Fluid-Einschlüssen, Laser-ICPMS und SRXRF-Analysen der Spurenelement-Gehalte ausgesuchter Minerale sowie O-, C- und S-Isotopenanalytik). Die für die Karbonatite gewonnenen Ergebnisse belegen eindeutig, dass es sich hierbei um magmatische Kristallisationsprodukte fraktionierter Mantelschmelzen darstellen: Die Karbonatite treten als Gänge auf, welche ältere Gesteinseinheiten durchschlagen. Gesteine im Kontakt zu den Karbonatiten haben eine metasomatische Überprägung erfahren; Nebengesteinsklasten werden von Karbonat-reichen Lagen umflossen. Die Mineralogie beider Karbonatit-Generationen, i.e. (1) Ank + Cal + Mag + Bt ± Ilm ± Ap ± Pyrochlor ± Sulfide in der karbonatitischen Brekzie und (2) Ank + Cal + Mag ± Pyrochlor ± Rutil der Ferrokarbonatit-Adern, ihre geochemischen Signaturen sowie die O- und C-Isotopie von Ankerit (8.91-9.73 ‰ d18O und –6.73 bis –6.98 ‰ d13C) bestätigen diese Interpretation, wobei die O-Isotopendaten eine schwache hydrothermale Alteration der Karbonatite nahe legen. Die Ergebnisse von konventioneller Geothermometrie in Kombination mit den für Fluid-Einschlüsse kalkulierten Isochoren belegen, dass die Platznahme der Karbonatite unter P-T-Bedingungen von 4-5 kbar und 1200-630°C erfolgte. Unter Temperaturen von 800-530°C bewirkte die Zirkulation NaCl-reicher wässriger Fluide (19-30 Gew.% NaCl äquivalent) die Umwandlung von Albit der eingeschlossenen Anorthosit-Bruchstücke in Sodalith. Wie SRXRF-Analysen belegen, enthielten die fenitisierenden Fluide zudem geringe Konzentrationen an Sr, Ba, Fe, Nb und SEE.

The high-grade metamorphic Epupa Complex (EC) of north-western Namibia constitutes the south-western margin of the Archean to Proterozoic Congo Craton. The north-eastern portion of the EC has been geochemically and petrologically investigated in order to reconstruct its tectono-metamorphic evolution. Two distinct metamorphic units have been recognized, which are separated by ductile shear zones: (1) Upper amphibolite facies rocks (Orue Unit) and (2) ultrahigh-temperature (UHT) granulite facies rocks (Epembe Unit). The rocks of the EC are transsected by a large anorthosite massif, the Kunene Intrusive Complex (KIC). The Orue Unit and the Epembe Unit were affected by two distinct Mesoproterozoic metamorphic events, as is evident from differences in their metamorphic grade, in the P-T paths and in the age of peak-metamorphism: (1) The Orue Unit consists of a Palaeoproterozoic volcano-sedimentary sequence, which was intruded by large masses of I-type granitoids and by rare mafic dykes. During the Mesoproterozoic (1390-1318 Ma) the Orue Unit rocks underwent upper amphibolite facies metamorphism. The volcano-sedimentary sequence is constituted by interlayered basaltic amphibolites and rhyolitic felsic gneisses, with intercalations of migmatitic metagreywackes, migmatitic metapelites, metaarkoses and calc-silicate rocks. The Orue Unit was subdivided into three parts, which record similar heating-cooling paths but represent individual crustal levels: Heating led to the partial replacement of amphibole, biotite and muscovite through dehydration melting reactions. The peak-metamorphic P-T conditions of c. 700°C, 6.5 +/- 1.0 kbar (south-eastern part), c. 820°C, 8 +/- 0.5 kbar (south-western part) and c. 800°C, 6.0 +/- 1.0 kbar (northern part) correlate well with the mineral assemblage in the metapelites, i.e. Grt-Bt-Sil gneisses and schist in the south-eastern and south-western region and (Grt-)Crd-Bt gneisses in the northern part. Peak-metamorphism was followed by retrograde cooling to middle amphibolite facies conditions. Contact metamorphism, related with the intrusion of the anorthosites, is restricted to the direct contact to the KIC and recorded by massive metapelitic Grt-Sil-Crd felses, formed under upper amphibolite facies conditions (c. 750°C, c. 6.5 kbar). (2) The Epembe Unit consists of a Palaeoproterozoic volcano-sedimentary succession, which was intruded by small bodies of S-type granitoids and by andesitic dykes. All these rocks underwent UHT granulite facies metamorphism during the early Mesoproterozoic (1520-1447 Ma). The volcano-sedimentary succession is dominated by interlayered basaltic two-pyroxene granulites and rhyolitic felsic granulites. Migmatitic metapelites and metagreywackes are intercalated in the metavolcanites. Sapphirine-bearing MgAl-rich gneisses occur as restitic schlieren in the migmatitic metagreywackes. Reconstructed anti-clockwise P-T paths are subdivided into several distinct stages: During prograde near-isobaric heating to UHT conditions at c. 7 kbar biotite- or hornblende-bearing mineral assemblages were almost completely replaced by anhydrous mineral assemblages through various dehydration melting reactions. A subsequent pressure increase of 2-3 kbar led to the formation of the peak-metamorphic mineral assemblages Grt-Opx and (Grt-)Opx-Cpx in the orthogneisses and Grt-Opx, Grt-Sil and (Grt-)(Spr-)Opx-Sil-Qtz in the paragneisses. UHT-Metamorphism is proved by conventional geothermobarometry (970 +/- 70°C; 9.5 +/- 2.5 kbar), by the very high Al content of peak-metamorphic orthopyroxene (up to 11.9 wt.% Al2O3) in many paragneisses and by Opx-Sil-Qtz assemblages in the MgAl-rich gneisses. Post-peak decompression is recorded by several corona and symplectite textures, formed at the expense of the peak-metamorphic phases: Initial UHT decompression of about ca. 2 kbar to 940 +/- 60°C at 8 +/- 2 kbar is mainly evident from the formation of sapphirine-bearing symplectites in the Opx-Sil gneisses. Subsequent high-temperature decompression to 6 +/- 2 kbar at 800 +/- 60°C resulted in the formation of Crd-Opx-Spl, Crd-Opx and Spl-Crd symplectites. Subsequent near-isobaric cooling to upper amphibolite conditions of 660 +/- 30°C at 5 +/- 1.5 kbar led to the re-growth of biotite, hornblende, sillimanite and garnet. During continued decompression orthopyroxene and cordierite were formed at the expense of biotite in several paragneisses. In a geodynamic model UHT metamorphism of the Epembe Unit is correlated with the formation of a large magma chamber at the mantle-crust boundary, which forms the source for the anorthosites of the KIC. In contrast, amphibolite facies metamorphism of the Orue Unit is ascribed to a regional contact metamorphic event, caused by the emplacement of the anorthositic crystal mushes in the middle crust. / Epupa-Komplex (EK) Nordwest-Namibias bildet den südwestlichen Rand des archaischen bis proterozoischen Kongo-Kratons. Der nordöstliche Teil des EK wurde geochemisch und petrologisch untersucht, um seine tektono-metamorphe Entwicklung zu rekonstruieren. Hierbei wurden zwei unterschiedliche metamorphe Einheiten erkannt, die durch duktile Scherzonen getrennt sind: (1) Gesteine der oberen Amphibolitfazies (Orue-Einheit) und (2) Ultrahochtemperatur (UHT)-granulitfazielle Gesteine (Epembe-Einheit). Die Gesteine des EK werden von einem gewaltigen Anorthosit-Massiv, dem Kunene-Intrusiv-Komplex (KIK), durchschlagen. Unterschiede im Metamorphosegrad, in den P-T Pfaden und den Metamorphose-Altern belegen, dass die Orue-Einheit und die Epembe-Einheit von zwei unterschiedlichen mesoproterozoischen Metamorphosen erfasst wurden: (1) Die Orue-Einheit setzt sich aus einer paläoproterozoischen vulkano-sedimentären Abfolge zusammen, die von I-Typ Granitoiden und Basaltgängen intrudiert wurde. Während des Mesoproterozoikums (1390-1318 Ma) wurde die Orue-Einheit unter Bedingungen der oberen Amphibolitfazies metamorph überprägt. Die vulkano-sedimentäre Abfolge wird von einer Wechsellagerung von basaltischen Amphiboliten und rhyolitischen felsischen Gneisen aufgebaut, in die migmatitische Metagrauwacken, migmatitische Metapelite, Metaarkosen und Kalksilikate eingeschaltet sind. Die Orue-Einheit wurde in drei Regionen untergliedert, die ähnliche Aufheizungs-Abkühlungs-Pfade aufweisen, aber unterschiedliche Krustenbereiche repräsentieren: Aufheizung führte zur partiellen Verdrängung von Amphibol, Biotit und Muskovit durch Dehydratations-Schmelz-Reaktionen. Die höchstgradigen P-T Bedingungen von ca. 700°C, 6.5 +/- 1.0 kbar (südöstlicher Teil), ca. 820°C, 8 +/- 0.5 kbar (südwestlicher Teil) und ca. 800°C, 6.0 +/- 1.0 kbar (nördlicher Teil) stimmen mit den jeweiligen Mineralparagenesen der Metapelite überein (Grt-Bt-Sil-Gneise und –Schiefer im südöstlichen und –westlichen Teil und (Grt-)Crd-Bt-Gneise im nördlichen Teil). Abkühlung erfolgte unter Bedingungen der mittleren Amphibolitfazies. Kontaktmetamorphose, verbunden mit der Intrusion der Anorthosite, ist auf den direkten Kontaktbereich zum KIK beschränkt und durch undeformierte metapelitische Grt-Sil-Crd Felse überliefert, die unter Bedingungen der oberen Amphibolitfazies (ca. 750°C, ca. 6.5 kbar) gebildet wurden. (2) Die Epembe-Einheit besteht aus einer paläoproterozoischen vulkano-sedimentären Abfolge, die von kleinvolumigen S-Typ Granitoiden und Andesitgängen intrudiert wurde. Die Gesteine wurden im frühen Mesoproterozoikum (1520-1447 Ma) von einer UHT-granulitfaziellen Metamorphose erfasst. Die vulkano-sedimentäre Abfolge wird durch wechsellagernde basaltische Zwei-Pyroxen Granulite und rhyolitische felsische Granulite dominiert. Migmatitische Metapelite und Metagrauwacken sind in die Metavulkanite eingeschaltet. Sapphirin-führende MgAl-reiche Gneise treten als restititische Schlieren in den migmatitischen Metagrauwacken auf. Die rekonstruierten P-T Pfade verlaufen entgegen des Uhrzeigersinnes und sind in mehrere Stufen gegliedert: Während annähernd isobarer Aufheizung zu UHT-Bedingungen bei ca. 7 kbar wurden Biotit- und Hornblende-führende Mineralparagenesen weitgehend oder vollständig im Zuge von Dehydratations-Schmelzreaktionen verdrängt. Ein anschließender Druck-Anstieg um 2-3 kbar führte zur Bildung der höchstgradigen Mineralparagenesen Grt-Opx und (Grt-)Opx-Cpx in den Orthogneisen und Grt-Opx, Grt-Sil und (Grt-)(Spr-)Opx-Sil-Qtz in den Paragneisen. UHT-Metamorphose ist durch konventionelle Geothermobarometrie (970 +/- 70°C; 9.5 +/- 2.5 kbar), den sehr hohen Al-Gehalt von höchstgradigem Orthopyroxen (bis zu 11.9 Gew.% Al2O3) in zahlreichen Paragneisen und die Paragenese Opx-Sil-Qtz in den MgAl-reichen Gneisen belegt. Anschließende Dekompression ist durch zahlreiche Korona- und Symplektit-Gefüge um die höchstgradigen Minerale überliefert. Initiale UHT-Dekompression um ca. 2 kbar (940 +/- 60°C; 8 +/- 2 kbar) ist hauptsächlich durch Sapphirin-führende Symplektite in den MgAl-reichen Gneisen belegt. Anhaltende Dekompression unter granulitfaziellen Bedingungen (800 +/- 60°C; 6 +/- 2 kbar) führte zur Bildung von Crd-Opx-Spl, Crd-Opx und Spl-Crd Symplektiten. Anschließende annähernd isobare Abkühlung zu Bedingungen der oberen Amphibolitfazies (660 +/- 30°C; 5 +/- 1.5 kbar) führte zum Wiederwachstum von Biotit, Hornblende, Sillimanit und Granat. Während anhaltender Dekompression wurde in den Paragneisen Orthopyroxen und Cordierit auf Kosten von Biotit gebildet. In einem geodynamischen Model wird die UHT-Metamorphose wird mit der Bildung einer Magmenkammer an der Kruste-Mantel-Grenze in Zusammenhang gebracht, welche zugleich die Magmenquelle für die Anorthosite des KIK darstellt. Die amphibolitfazielle Metamorphose der Orue-Einheit wird dagegen mit einer regionalen Kontaktmetamorphose während der Platznahme der anorthositischen Magmen in Verbindung gebracht.

A quantitative model of groundwater flows contributing to the Goblenz state water scheme at the north-western fringe of the Kalahari was developed within this study. The investigated area corresponds to the Upper Omatako basin and encompasses an outer mountainous rim and sediments of the Kalahari sand desert in the centre. This study revealed the eminent importance of the mountainous rim for the water balance of the Kalahari, both in terms of surface and ground water. A hydrochemical subdivision of groundwater types in the mountain rim around the Kalahari was derived from cluster analysis of hydrochemical groundwater data. The western and south-western secondary aquifers within rocks of the Damara Sequence, the Otavi Mountain karst aquifers of the Tsumeb and Abenab subgroups as well as the Waterberg Etjo sandstone aquifer represent the major hydrochemical groups. Ca/Mg and Sr/Ca ratios allowed to trace the groundwater flow from the Otavi Mountains towards the Kalahari near Goblenz. The Otavi Mountains and the Waterberg were identified as the main recharge areas showing almost no or only little isotopic enrichment by evaporation. Soil water balance modelling confirmed that direct groundwater recharge in hard-rock environments tends to be much higher than in areas covered with thick Kalahari sediments. According to the water balance model average recharge rates in hard-rock exposures with only thin sand cover are between 0.1 and 2.5 % of mean annual rainfall. Within the Kalahari itself very limited recharge was predicted (< 1 % of mean annual rainfall). In the Upper Omatako basin the highest recharge probability was found in February in the late rainfall season. The water balance model also indicated that surface runoff is produced sporadically, triggering indirect recharge events. Several sinkholes were discovered in the Otavi Foreland to the north of Goblenz forming short-cuts to the groundwater table and preferential recharge zones. Their relevance for the generation of indirect recharge could be demonstrated by stable isotope variations resulting from observed flood events. Within the Kalahari basin several troughs were identified in the pre-Kalahari surface by GIS-based analyses. A map of saturated thickness of Kalahari sediments revealed that these major troughs are partly saturated with groundwater. The main trough, extending from south-west to north-east, is probably connected to the Goblenz state water scheme and represents a major zone of groundwater confluence, receiving groundwater inflows from several recharge areas in the Upper Omatako basin. As a result of the dominance of mountain front recharge the groundwater of the Kalahari carries an isotopic composition of recharge at higher altitudes. The respective percentages of inflow into the Kalahari from different source areas were determined by a mixing-cell approach. According to the mixing model Goblenz receives most of its inflow (70 to 80 %) from a shallow Kalahari aquifer in the Otavi Foreland which is connected to the Otavi Mountains. Another 15 to 10 % of groundwater inflow to the Kalahari at Goblenz derive from the Etjo sandstone aquifer to the south and from inflow of a mixed component. In conclusion, groundwater abstraction at Goblenz will be affected by measures that heavily influence groundwater inflow from the Otavi Mountains, the Waterberg, and the fractured aquifer north of the Waterberg. / Ziel dieser Arbeit ist es, die Herkunft des Grundwassers zu untersuchen, das in der Nähe von Goblenz am Rand der Namibianischen Kalahari in den letzten Jahren erschlossen worden ist. Fragen zur Erneuerbarkeit dieser Grundwasserreserven aus direkter und indirekter Neubildung und zur Rolle lateraler, unterirdischer Zuflüsse von unterschiedlichen Herkunftsräumen waren hierfür zu beantworten. Dies erforderte eine kombinierte Anwendung hydro(geo)logischer, hydrochemischer und isotopenhydrologischer Methoden. Das Arbeitsgebiet in Namibia ist als semi-arid zu bezeichnen und durch ein subtropisches Klimaregime geprägt. Aufgrund der hohen Temperaturen während der Regenzeit verdunstet ein erheblicher Teil der Niederschläge direkt oder durch Transpiration. Daher ist die Kalahari trotz der zum Teil für semi-aride Gebiete vergleichbar hohen Niederschläge von 350 bis über 550 mm/Jahr relativ arm an Oberflächen- und verfügbarem Grundwasser. Ein wesentliches Merkmal des Arbeitsgebietes ist zudem die Dichotomie zwischen dem äußeren Festgesteinsbereich und dem überwiegend mit Sanden bedeckten Kalahari-Becken. Für das Grundwasserfließsystem der Kalahari ist der äußere Festgesteinsbereich bestimmend. Der erstellte regionale Grundwassergleichenplan zeigt ein annähernd zentripetales Fließmuster, das in der Nähe von Goblenz konvergiert, mit einer Hauptentwässerung zur Groß-Kalahari Richtung Osten. Die Neubildungsgebiete liegen in den unterschiedlichen zum Teil verkarsteten Festgesteinsbereichen der Damara Sequenz und des Etjo-Sandsteins (Waterberg). Allerdings konnte auch innerhalb der Kalahari südlich von Goblenz ein begrenztes Grundwasserneubildungsgebiet identifiziert werden. In diesem Bereich haben sich durch die Verkarstung anstehender Kalkkrusten gute Neubildungsbedingungen für das flache Grundwasser entwickelt. Durch die Kombination digitaler Rasterkarten der Geländehöhe, der Kalahari-Mächtigkeit und der Grundwasserstände konnte eine Karte der Bereiche erstellt werden, in denen die Kalahari mit Grundwasser gesättigt ist. Ein Vergleich mit digitalisierten Karten aus früheren geophysikalischen Untersuchungen zeigte eine gute Übereinstimmung. Daraus konnte ein verallgemeinertes Modell der Sättigungsmächtigkeit abgeleitet werden. Aus diesem Modell werden zwei mit Kalahari-Sedimenten verfüllte und gesättigte Rinnen erkennbar. Diese Rinnen sind bevorzugte Fließbahnen für die Grundwasserbewegung vom Festgesteinsrand zum Zentrum des Kalahari-Beckens und stellen zudem Erkundungs- und Erschließungsziele für Grundwasser dar. Die Wassererschließung von Goblenz grenzt an die größere nördliche Rinne. Eine Karte der Mächtigkeit der ungesättigten Zone wurde aus der Verschneidung des digitalen Geländemodells mit einem interpolierten Grundwassergleichenplan errechnet. Diese Karte deutet auf ausgedehnte Bereiche geringer Flurabstände im südlichen und nördlichen Teil des Einzugsgebietes Oberer Omatako hin. Diese Informationen wurden zudem als wesentliche Grundlagen für die regionale Interpretation der stabilen Isotope verwendet. Die Grundwasserneubildung im Oberen Omatako wurde mit mehreren Methoden vergleichend abgeschätzt. Eine klimatische Wasserbilanz aus Tageswerten des Niederschlages (Nt) und der gemessenen Pfannenverdunstung (Vt) zeigte, daß die Neubildung des Grundwassers im Februar am wahrscheinlichsten ist. Nur Niederschlagsereignisse mit hoher Jährlichkeit vermögen dabei auf Tagesbasis die erforderliche Neubildungsbedingung Nt > Vt zu erfüllen. Daraus ergibt sich, daß Grund-wasserneubildung in der Regel nur infolge zeitlicher oder räumlicher Konzentration von Niederschlägen und Abflüssen erfolgen kann und unter Umständen nicht jährlich stattfindet. Eine Erweiterung der klimatischen Wasserbilanz um die Modellierung des Bodenwasserhaushaltes wurde schließlich verwendet, um für den Bereich ‚Grootfontein‘ eine detaillierte Betrachtung der Grundwasserneubildung aufgrund von Tageswerten zu ermöglichen. Das Bodenwasserhaushaltsmodell wurde zunächst mit empirisch erhobenen bodenphysikalischen Kennwerten belegt und dann anhand von Grundwasserständen kalibriert. Dabei ergaben sich Neubildungsraten von 0.4 bis 9.6 mm/Jahr oder von 0.1 bis 2.5 % des jeweiligen jährlichen Niederschlages. Ein Zusammenhang zwischen dem Jahresmittel des Niederschlages und der Neubildungsrate war nicht ausgeprägt, die Häufung hoher Intensitäten täglicher Niederschläge erwies sich aber als ein wesentlicher Faktor für hohe direkte Neubildungsraten. Auch die Bodenwassermodellierung deutete auf eine höhere Wahrscheinlichkeit der Grundwasserneubildung im Februar hin. Die mit der Chloridmethode ermittelte Neubildungsrate lag mit 8.5 bis 14 mm/Jahr für dieses Gebiet höher. Der Unterschied kann sich aus den bei der Chloridmethode zusätzlich berücksichtigten Komponenten des Makroporenflusses, der indirekten Neubildung und aus anderen lateralen Zuflüssen ergeben. Geländebeobachtungen zeigten jedoch, daß solche Modellergebnisse nur begrenzt verallgemeinerbar oder übertragbar sind. Im Otavi Vorland nördlich von Goblenz wurde eine Reihe von Schlucklöchern entdeckt. Diese haben sich unter geringmächtiger Sandbedeckung in Kalkkrusten durch Verkarstung entwickelt und sind durch das Einbrechen der oberen Bodenschicht vereinzelt sichtbar geworden. Zum einen deuten diese Schlucklöcher auf eine Veränderung der Grundwasserstände hin. Die Kalkkrusten, die sich im Quellgebiet unterhalb der Otavi-Berge durch Calcitausfällung entwickelt hatten, sind durch das Absinken der Grundwasserstände und durch die Aufwehung von Kalahari-Sanden nun lokal verkarstet und wiederum zu Neubildungsgebieten geworden. Solche Schlucklöcher können bevorzugte Fließ- und Überbrückungsbahnen zum Grundwasser darstellen. Die hydrologische Funktion solcher Schlucklöcher läßt sich mit physikalischen Modellen im regionalen Maßstab quantitativ schwer erfassen. Es wurden hydrochemische und Isotopen-Methoden zur indirekten Abschätzung des Fließsystems herangezogen. Zunächst wurde eine generelle Charakterisierung der Grundwässer anhand der Hauptelementchemie und mittels der hierarchischen Cluster-Analyse vorgenommen. Hierbei ließen sich fünf wesentliche Hauptgruppen im Arbeitsgebiet erkennen: Ca-HCO3-Wässer finden sich in den Bereichen der Damara Sequenz, in denen Marmore anstehen und gute Neubildungsbedingungen bieten, Ca-Mg-HCO3-Wässer und Mg-Ca-HCO3-Wässer sind charakteristisch für den Otavi Karst und das ihm vorgelagerte Otavi Vorland. Das Grundwasser im Etjo-Sandstein des Waterberges zeichnet sich durch eine äußerst geringe Mineralisierung und ein ausgeglichenes Verhältnis von Erdalkalien und Alkalien bei hohen Hydrogenkarbonat-Gehalten aus. In der Kalahari und in tieferen Grundwasser-Stockwerken des Otavi-Vorlandes treten schließlich Grundwässer mit hohen Natrium und Chlorid-Gehalten auf. Das Ca/Mg-Verhältnis und das Sr/Ca Verhältnis erwiesen sich als ausgezeichnete hydrochemische Indikatoren für die Unterscheidung von Grundwasser aus dem Otavi Karst und aus den sekundären Aquiferen der Damara Sequenz. Anhand von äußerst geringen molaren Sr/Ca Verhältnissen konnte der Abstrom des Grundwassers aus dem Otavi Karst in die Kalahari genau abgegrenzt und verfolgt werden. Die Chloridkonzentrationen im Grundwasser wurden im Hinblick auf die Anreicherung im Vergleich zum Niederschlag untersucht. Dabei wurden in den Festgesteinsbereichen Konzentrationen zwischen 25 und 100 mg/l festgestellt, die auf Anreicherungsfaktoren von ca. 25 bis 200 bzw. hindeuten. Dies entspricht unter vereinfachten Annahmen Neubildungsraten in der Größenordnung von 2 bis 20 mm/Jahr. In der Kalahari liegen die Konzentrationen von Chlorid mit 250 bis 750 mg/l im Mittel wesentlich höher; diese können in einigen Bereichen 5000 mg/l übersteigen. Eine Umrechnung in Neubildungsraten kann wegen der Konvergenz der Fließbahnen und möglicher geogener Quellen nicht mehr direkt erfolgen, allerdings deuten die hohen Chloridkonzentrationen auf Bereiche mit Verdunstungsverlusten und auf deutlich geringere Neubildungsraten innerhalb der Kalahari hin. Dieses gilt nicht für zwei Bereiche, in denen die Kalahari gering mächtig ist: Im Abstrom dieser Gebiete liegen die Chloridkonzentrationen deutlich niedriger und zeigen lokal erhöhte Neubildung des Grundwassers an. Eine weitergehende Charakterisierung der Wasserchemie und der Isotopenzusammensetzung erfolgte anhand von Grundwasserproben im direkten Umfeld von Goblenz. Hydrochemische Profile durch das Arbeitsgebiet deuteten Mischungsprozesse zwischen Endgliedern der fünf hydrochemischen Gruppen an. So konnte entlang des Flusses Omambonde Richtung Goblenz der laterale Zustrom von Grundwasser aus dem Etjo Sandstein von Westen und der Zustrom von dolomitischem Grundwasser qualitativ nachgewiesen werden. Ebenso ließen sich hydrochemische Hinweise auf eine Neubildung im Otavi Vorland finden, eventuell verursacht durch Versickerung in den beobachteten Schlucklöchern. Eine Untersuchung der stabilen Isotope 18O und 2H bestätigte die qualitativen Aussagen aus den Untersuchungen zur klimatischen Wasserbilanz: Aufgrund der deutlichen Verschiebung zwischen der mittleren gewichteten Isotopen-Zusammensetzung des Niederschlages und des Grundwassers erfolgt die Neubildung wahrscheinlich durch wenige intensive (und an schweren Isotopen abgereicherte) Niederschläge. Die Grundwässer der Kalahari haben eine ursprüngliche Isotopen-zusammensetzung, die derjenigen von hochgelegenen Niederschlagsgebieten entspricht (> 1750 m ü. NN). Damit ergibt sich ein weiterer Hinweis darauf, daß das Grundwasser der Kalahari entweder durch Sturzfluten gebildet wird, die sich in den höher liegenden Festgesteinsbereichen entwickeln, oder direkt im Randbereich neugebildet wird und der Kalahari unterirdisch zuströmt. Die zeitliche Variabilität der Isotopenzusammensetzung begrenzt die Trennschärfe für regionale Analysen. Nördlich von Goblenz im Bereich der beobachteten Schlucklöcher konnte anhand einer Zeitreihe der Isotopenzusammensetzung die Bedeutung von Sturzfluten für die Grundwasserneubildung direkt nachgewiesen werden. Die 14C und 3H Daten bestätigten die Abgrenzung der Neubildungsbereiche. Die aus den hydrogeologischen, hydrologischen, hydrochemischen und isotopen-hydrologischen Teiluntersuchungen gewonnenen Erkenntnisse wurden in einem Konzeptmodell des Grundwasserfließsystems Goblenz zusammengetragen. Aufgrund dieses Konzeptmodells wurden mit einem inversen hydrochemischen Mischungsansatz die jeweiligen Anteile aus den einzelnen Neubildungsgebieten berechnet. Hierzu wurde zunächst über thermodynamische Gleichgewichts-betrachtungen sichergestellt, daß die Annahme konservativen Verhaltens der für die Berechnung verwendeten Wasserinhaltsstoffe für das nähere Arbeitsgebiet um Goblenz gewährleistet war. Kritische Bereiche wurden als ‚Reaktions-Zonen‘ von den ‚Mischungs-Zonen‘ abgegrenzt und nicht in die mathematische Berechnung einbezogen. Der Etjo-Sandstein als Mischungszelle für den Bereich nördlich von Goblenz stellte für die Verwendung dieses nicht-reaktiven Mischungsansatzes im Arbeitsgebiet nahezu ideale Voraussetzungen dar. Zur praktischen Umsetzung des mathematischen Ansatzes wurde ein Programm (MIG, „Mixing Input Generator“) zur interaktiven Erstellung von Mischungsmodellen geschrieben (Anhang 1). Über ein iteratives Verfahren wurden schließlich die Fließraten ermittelt, welche sowohl die Wasserbilanz und als auch die Massenbilanz aller betrachteten Hauptelemente und Isotopen im Arbeitsgebiet optimal erklären. Durch dieses Verfahren wurde errechnet, daß ca. 70 bis 80 Prozent des Wassers, das in Goblenz gefördert wird, aus den Otavi Bergen stammt. Weitere 15 bis 10 % stammen jeweils aus dem Etjo Sandstein bzw. aus einer Mischkomponente von Grundwässern nördlich des Waterbergs. Detailbetrachtungen der Mischungskomponenten im Otavi Vorland zeigten, daß hier in einigen Bereichen eine Zumischung von geringen Anteilen neugebildeten Grundwassers erfolgt, in anderen Bereichen höher mineralisiertes Tiefenwasser zutritt. Der konservative Mischungsansatz stellt unter günstigen Bedingungen ein geeignetes Mittel zur inversen Berechnung von Fließraten dar. Allerdings sind dazu wie in diesem Falle umfangreiche Voruntersuchungen notwendig. Goblenz liegt in einem Konvergenzgebiet von Grundwasserströmen aus unterschiedlichen Neubildungsgebieten im Festgesteinsbereich. Für Goblenz ist der laterale Zustrom von Grundwasser aus dem Otavi Karst und dem Waterberg die entscheidende Wasserhaus-haltskomponente. Die direkte Neubildung in der Kalahari ist dagegen relativ gering. Allerdings kann eine zusätzliche Neubildung in verkarsteten und kaum oder nur mit geringmächtigen Sanden bedeckten Kalkkrusten eine Rolle spielen.

Konstanz, Univ., Diss., 2006.

Thesis (doctoral)--University of Tartu, 2008. / Vita. Includes bibliographical references.