Geologische Kartierung

Eine geologische Kartierung ist die systematische Erfassung und Darstellung geologischer Informationen direkt im Gelände. Dabei werden die an der Erdoberfläche auftretenden Gesteine, ihre Lagerungsformen und ihre Kontaktverhältnisse und - sofern bekannt - ihr Alter auf einer Karte dokumentiert.

Man „kartiert“ ein Untersuchungsgebiet, dabei werden die Gesteine in Abhängigkeit ihrer Genese zu Einheiten zusammengefasst. Neben ihrer räumlichen Verbreitung werden auch geologische Strukturen wie Störungen, Falten oder Schichtneigungen aufgenommen. Je nach Fragestellung können jedoch noch viele weitere Aspekte Teil einer Kartierung sein, etwa das Vorkommen von Georessourcen, geotechnische Eigenschaften der Gesteinseinheiten, Hinweise auf Hangstabilitäten und vieles mehr. Welche Informationen aufgenommen werden, hängt immer von dem jeweiligen Kartierzweck ab.

Neben der geologischen Kartierung gibt es übrigens auch zahlreiche andere Arten von Kartierungen, die sich je nach Fachrichtung deutlich voneinander unterscheiden können.

Warum kartieren wir in der Geologie?

Karten kennen die meisten Menschen vor allem aus dem Geografie-Unterricht, dort begegnet man meist physischen, topographischen oder anderen thematischen Karten. In der Geologie geht es jedoch um etwas anderes. Das Ziel einer geologischen Kartierung ist die Erstellung von Karten und Profilen mit geologischen Informationen.

Auch wenn heute viele Daten mithilfe von Fernerkundung gewonnen werden können, bleibt die Kartierung im Gelände ein unverzichtbares Werkzeug in der geologischen Arbeit. Beobachtungen direkt vor Ort liefern Hinweise, die sich aus Satellitendaten allein nicht in derselben Präzision oder Detailtiefe ableiten lassen. Gleichzeitig dienen verarbeitete Satellitendaten jedoch häufig als wertvolle Arbeitsgrundlage.
Viele unterschiedliche Disziplinen nutzen geologische Karten als Arbeits- und Entscheidungsgrundlage. Dazu gehören unter anderem:

Bau – und Infrastrukturplanung: z.B.: Tunnel-, Brücken- oder Gebäudebau
Wirtschaftliche Nutzung geologischer Ressourcen: etwa bei Lagerstättenerkundungen, Prospektionen von Erzen, Seltenen Erden, Kohle, Erdöl oder bei der Bewertung potenzieller Geothermie-Standorte
Wasserversorgung: insbesondere bei der Grundwassererkundung
Bewertung von Naturgefahren wie Hangrutschungen oder Erdbebenrisiken
Planung von Endlagerstätten für gefährliche oder radioaktive Stoffe

Arbeitsmethoden

Die geologische Kartierung umfasst im Wesentlichen fünf zentrale Arbeitsschritte:

1. Inhaltliche Vorbereitung auf die Geländearbeit
2. Logistische Planung
3. Die eigentliche Geländearbeit
4. Ergänzung des Datensatzes durch Analytik und weitere Daten
5. Auswertung und Verschriftlichung der Ergebnisse

Inhaltliche Vorbereitung auf die Geländearbeit

Geländearbeiten sind in der Regel sowohl zeit- als auch kostenintensiv und erfordern daher eine besonders sorgfältige Planung. Die Zielfrage der Kartierung und das Kartiergebiet sollten daher bereits im Vorfeld eindeutig festgelegt werden.

Recherche

Zu Beginn stellt sich die Frage, ob es bereits bestehende geologische Karten für das Gebiet gibt. Auch historische Karten oder alte Luftbilder können wertvolle Informationen liefern, beispielsweise zu früheren Flussverläufen, die heute nicht mehr sichtbar sind, oder zu potenziellen Gefahrenquellen wie im Untergrund verborgenen Kampfmitteln. Ebenso kann der Bau von Gebäuden oder Infrastruktur in der Umgebung Hinweise geben: Solche Projekte setzen meist voraus, dass bereits geologische Untersuchungen durchgeführt wurden. Diese Daten können oft genutzt oder weiterverarbeitet werden.
Wie bereits erwähnt, gehören auch topographische Karten, Satellitendaten und Luftbilder zur grundlegenden Arbeitsbasis in der Vorbereitung. Je nach Fragestellung können zudem Bohrdaten oder geophysikalische Messdaten der Region herangezogen werden.

Tipp:
Berichte früherer Untersuchungen, seien es Kartierungen, Gutachten oder Forschungsarbeiten, sind häufig äußerst hilfreich und sollten in die Vorbereitung einfließen.

Fernerkundung

Die Fernerkundung spielt in der Vorbereitungsphase eine wichtige Rolle. Durch die Auswertung von Satellitenbildern, Orthofotos und Schummerungen (Hillshades) lässt sich ein erster Überblick über die Landschaft und deren geologische Gegebenheiten gewinnen. So werden etwa Strukturen, Geländekanten, Vegetationsmuster oder mögliche Störungslinien erkennbar, die im Gelände gezielt überprüft werden können.
Die Verarbeitung von Satellitendaten erfolgt meist mit Geoinformationssystemen (GIS), wie QGis oder ArcGis. Zusätzliche Datensätze wie DEM-Modelle (Digitale Höhenmodelle), multispektrale oder hyperspektrale Aufnahmen können weitere wichtige Hinweise liefern, etwa zum Gesteins- oder Bodenmaterial. Auch Tools wie Google Earth können erstaunlich genaue 3D-Ansichten erzeugen, die bei der Eingrenzung und Planung von Kartiergebieten hilfreich sind.

Beachte:
Fernerkundung ist kein Ersatz für die Arbeit im Gelände sondern ein essenzieller Bestandteil der Vorbereitung, da sie ermöglicht im Vorfeld potenziell interessante oder schwer zugängliche Bereiche zu identifizieren und dabei hilft die Geländearbeit effizienter zu gestalten. Im Artikel Fernerkundung findest du eine Übersicht über die Grundprinzipien dieser Methodik.

Planung der Folgearbeiten

Während der Kartierung werden häufig Proben genommen, die nach Abschluss der Geländearbeit im Labor und mittels weiterer analytischer Verfahren untersucht werden. Je nach Analysemethode gibt es unterschiedliche Anforderungen an die Probenmenge und Art der Probennahme. Deshalb sollte dieser Arbeitsschritt, soweit möglich, bereits im Voraus sorgfältig geplant werden. Nützliche Hinweise und Tipps, worauf bei der Vorbereitung besonders geachtet werden sollte, findest du im Artikel Arbeiten im Gelände.

Logistische Planung der Geländearbeit

Damit du schnell einen Überblick bekommst, was alles bei der logistischen Planung deiner Geländearbeit zu beachten ist, haben wir dir hier folgende Artikel zusammengestellt:

Je nach Klima und Lage können noch weitere Ausrüstungsbestandteile hinzukommen wie beispielsweise ein Satellitentelefon für die Arbeit in sehr abgelegenen Regionen.

Geländearbeit

Endlich ist es so weit und die Kernphase der geologischen Kartierung beginnt, die Arbeit im Gelände. Diese Arbeitsphase kann Tage, Wochen und sogar mehrere Monate in Anspruch nehmen und aus mehreren Geländeaufenthalten bestehen. Das Ziel der Geländearbeit ist es die vorhandene Geologie in Bezug auf die Fragestellung „auf die Karte“ zu bringen. Hierbei wird darauf geachtet, dass alle erfassbaren Informationen und Beobachtungen vor Ort kartiert und sorgfältig im Feldbuch dokumentiert werden. Im Folgenden werden die typischen Tätigkeiten aufgeführt, die während der Geländearbeit einer Kartierung anfallen.

Kartieren im Gelände

Abb. 2: Arbeitsgrundlage im Gelände: Die topographische Karte

Als Grundlage dient eine topographische Feldkarte des Arbeitsgebiets, die immer mit ins Gelände genommen wird. Sie sollte in einem Maßstab gewählt werden, der es ermöglicht, die geologischen Kartiereinheiten übersichtlich darzustellen. Tipps zur Orientierung im Gelände findest du im verlinkten Artikel.

Bevor es losgeht, werden Farben für die vorhandenen Kartier- oder Feldeinheiten festgelegt, während des Geländeeinsatzes wird dann kontinuierlich „mitkartiert“: Alle Beobachtungen werden direkt auf der Feldkarte dokumentiert und farblich markiert. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Kontakten zwischen den verschiedenen Einheiten und deren Lagerungsverhältnissen. Je nachdem ob ein Kontakt aufgeschlossen, vermutet oder verdeckt ist, werden unterschiedliche Signaturen verwendet.

Mit der Zeit verwandelt sich die anfänglich weiße topographische Karte in einen bunten „Fleckenteppich“ aus verschiedenen geologischen Einheiten, deren Kontakten und Strukturen wie Störungen oder Fallzeichen. Oft können bestimmte Strukturen nicht durchgängig verfolgt werden, zum Beispiel aufgrund von schwieriger Zugänglichkeit, Vegetationsdeckung oder Exposition. Mithilfe der in den folgenden Abschnitten beschriebenen Methoden (3.2 a–c) können jedoch zuverlässige Interpolationen vorgenommen werden, die es erlauben, die Einheiten miteinander zu verbinden und eine kontinuierliche geologische Karte zu erstellen.

Führen eines Feldbuchs

Neben der Kartierung auf der Feldkarte wird stets ein Feldbuch mit ins Gelände genommen und geführt. Darin werden alle Beobachtungen festgehalten, wie zum Beispiel Messwerte, Gesteinsbeschreibungen und Skizzen. Nachfolgend werden die wichtigsten Punkte näher erläutert und erklärt, worauf besonders zu achten ist.

a) Aufschlussaufnahme
Je nach Klima und Vegetation des Arbeitsgebiets sind Aufschlüsse unterschiedlich gut zugänglich. Während man in (semi-)ariden Klimazonen oftmals schnell einen gut erreichbaren und repräsentativen Aufschluss findet, gestaltet sich die Suche im Gelände humiderer Regionen oft deutlich schwieriger. Jeder Aufschluss wird ausführlich beschrieben und durch zusätzliche Fotografien dokumentiert. Man orientiert sich hierbei an differenzierbaren Gesteinseinheiten und Schichtpaketen, die sich anhand von Korngrößen und/oder Farbwechsel erkennen lassen. Ebenso wichtig ist die Anfertigung einer Aufschlussskizze, inklusive Maßstab, Koordinaten und der Himmelsrichtungen.

Beachte:
Grundsätzlich gilt immer alles beobachtete festzuhalten und zu notieren, da man viele Details in der Nacharbeit sonst leicht vergisst.

b) Gesteinsbeschreibung
Wie man Gesteine im Gelände anspricht, wird im Artikel "Gesteinsansprache im Gelände" erläutert. Hier findest Du auch hilfreiche PDFs mit Schemen zur Gesteinsbestimmung zum Ausdrucken fürs Feldbuch. Wichtig ist, die Gesteine gründlich und systematisch zu beschreiben. Wie genau man hierbei vorgeht, findest du im Artikel Gesteinsbeschreibung. Zusätzlich dazu können für weiterführenden Analysen auch repräsentative Handstücke gesammelt werden, die nach Rückkehr im Labor noch genauer analysiert werden. Eine ausführliche Anleitung zur Vorgehensweise, befindet sich im Kapitel Geologische Probennahme.

c) Strukturmessungen
Die Lagerungsverhältnisse geologischer Strukturen geben wichtige Hinweise zu deren Genese, weshalb es besonders wichtig ist, diese sorgfältig zu dokumentieren. Um die Raumlage von Schichten und Strukturen wie Falten, Störungen und Deformationsgefügen zu bestimmen, werden Messungen in der Regel mit dem Geologenkompass durchgeführt. Alternativ können auch entsprechende Apps verwendet werden. Grundsätzlich können sowohl planare als auch lineare Strukturen gemessen werden, eine ausführliche Anleitung zu der Vorgehensweise dieser Messungen findest du im Artikel Streichen und Fallen.

d) Geologischer Profilschnitt
Um die Geologie im Untergrund modellhaft darzustellen, werden entlang ausgewählter, repräsentativer Profile grafische Querschnitte erstellt. Diese verlaufen senkrecht zum Streichen der Schichten. Im Artikel Geologischer Profilschnitt findest du eine ausführliche Beschreibung zur Vorgehensweise.

Nachbereitung im "field office"

Die tägliche Arbeit während der Geländephase endet meist nicht im Gelände. Da sich die Datenlage laufend erweitert und ständig neue Geländebefunde, Erkenntnisse und Beobachtungen hinzukommen, müssen die bereits gesammelten Daten regelmäßig nachgearbeitet, dokumentiert und interpretiert werden. Dieses Nachvollziehen der Tagesbefunde ermöglicht es häufig Strategien für die kommenden Arbeitsabschnitte zu entwickeln und Arbeitshypothesen aufzustellen. Damit stellt die Nachbereitung einen zentralen Bestandteil der Kartierung dar. Die in der Vorbereitung gesammelten Informationen können bei dieser Arbeit eine große Unterstützung sein.

Analytik

Während einer Geländearbeit entstehen oftmals Fragen, die vor Ort nicht genauer beantwortet werden können. Welche weiterführenden Arbeiten notwendig sind, hängt von der Fragestellung und den sich daraus ergebenden offenen Fragen ab. Möchte man zum Beispiel den Mineralbestand einer gewählten Probe quantitativ bestimmen, so kann man für diese einen Dünnschliff anfertigen lassen. Auch kann es sein, dass einzelne Gesteine nicht eindeutig im Gelände klassifiziert werden können. Die Klassifikation von Vulkaniten erfolgt beispielsweise anhand ihrer Gesamtgesteinszusammensetzung, was eine geochemische Untersuchung z.B. mittels RFA notwendig macht.

Beachte:
Für viele Analysemethoden gibt es Vorgaben, wie die Proben dafür genommen und aufbereitet werden müssen, daher solltest Du Dich hierzu bereits bei der Planung des Geländeaufenthalts informieren. Allgemeine Informationen zur Analytik findest Du hier.

Auswertung und Verschriftlichung der Ergebnisse

Den Abschluss einer geologischen Kartierung stellt die Verschriftlichung aller Befunde und die Erstellung der geologischen Reinkarte dar. Heutzutage erfolgt dies häufig mit modernen Grafikprogrammen wie InkScape, CoralDraw oder ähnlichen Tools. Auch die während der Feldarbeiten angefertigte Skizzen und Profile werden mit modernen Grafikprogrammen und ggf. zusätzlichen 3D-Modellierungen digitalisiert und in den Bericht sowie in die Präsentation der Ergebnisse integriert. Hilfreiche Tipps hierzu findest Du im Tutorium zum Wissenschaftlichen Arbeiten.

Zusammenfassung und Fazit

Wie aus diesem Artikel und den verlinkten Beiträgen deutlich wird, ist die geologische Kartierung eine komplexe, vielseitige und abwechslungsreiche Arbeit. Sie besteht aus mehreren Arbeitsschritten und erfordert eine gewisse Affinität zur Geländearbeit und idealerweise auch Wetterbeständigkeit. Gleichzeitig ist die Kartierung eine Herausforderung, die ein großes Lernfeld eröffnet und oft zu weiteren Fragestellungen, Aufgaben oder Möglichkeiten führt. Am Ende bereitet die Detektivarbeit, sowohl im Gelände als auch danach, vor allem eins: viel Freude an der Geologie und das Erleben der Natur auf eine einzigartige Weise!

Lehrveranstaltungen

Geologischer Kartierkurs für Anfänger in Südostspanien

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Michaela Capin, Antonia Hofmann, Donjá Aßbichler, Phil Lavorel

Du möchtest wissen, wer hinter den Autor:innen und Reviewer:innen steckt? Dann schau doch beim GEOWiki-Team vorbei!