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Grundwasseraltersdatierung

Für eine Grundwasseraltersbestimmung stehen verschiedene Isotopenmethoden und Spurengasanalysen zur Verfügung. Eine fundierte Altersabschätzung erfolgt unter Einbeziehung von Rahmenbedingungen der Lokalität und Entnahmestelle, des hydrogeologisch/geologischen Normalprofils, der hydraulischen Charakteristik, der hydrochemischen Zusammensetzung, überregionaler Studien und bereits erfolgter Untersuchungen zum Neubildungsgebiet.

 Abb.1: Datierungsbereich verschiedener Isotopensysteme.

Je nach der Grundwasseralterszusammensetzung erlauben natürliche Umweltisotope die Erfassung eines großen Zeit- und Entfernungsmaßstabes im Bereich von Tagen bis zu Jahrtausenden.

Sehr junge Grundwasserneubildung im Bereich von Wochen, Monaten bis wenigen Jahren kann über die Erstellung von Zeitreihen der stabilen Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium untersucht werden.

 

 

Abb.2: Harfendarstellung von 3H- und 85Kr-Gehalten zur graphischen Bestimmung von Jungwasseranteil und mittlerer Verweilzeit.

Für die Ermittlung der mittleren Verweilzeit von jungen Grundwasserneubildungen innerhalb der letzten 55 Jahre stehen die radioaktiven Parameter Tritium (3H) und Krypton-85 (85Kr) zur Verfügung. Durch die gleichzeitige Bestimmung von 85Kr- und 3H lässt sich das Alter sowie der Anteil von Grundwasserkomponenten jünger als 55 Jahre quantifizieren.

 

 

 

Abb.3: Verlauf des 3H- und 85Kr-Gehalten  im Niederschlag (Beispiel Niederschlagsstation in Süddeutschland).

Die radioaktiven Umweltisotope (3H, 85Kr, 14C, 39Ar) markieren Oberflächenwässer global. Neben der Einwirkung kosmischer Strahlung auf die obere Atmosphäre tragen vor allem anthropogene Aktivitäten zur Herkunft der radioaktiven Umweltisotope bei. So stammt ein Großteil des 3H aus Kernwaffenversuchen, während 85Kr in kerntechnischen Anlagen freigesetzt wird. Der Eintrag in das Grundwasser erfolgt direkt über den Niederschlag (3H) oder als gelöstes Bodengas im Sickerwasser (85Kr, 39Ar, 14CO2).

Über langjährige Messungen der Umweltisotope im Niederschlag an verschiedenen Niederschlagsstationen ist der Input der Umweltisotope gut bekannt. Jedoch bestehen örtlich große Unterschiede.

Abb.4: 14C-DIC- in Abhängigkeit von 39Ar-Gehalten zur Grundwasseraltersabschätzung und Beurteilung von Mischsystemen.

Für alte Grundwässer im Bereich von hunderten und tausenden von Jahren stehen ebenfalls radioaktive Umweltisotope für die Altersabschätzung zur Verfügung. Hier ist vorrangig die Bestimmung von Kohlenstoff-14 (14C-DIC) in Kombination mit Kohlenstoff-13 (δ13C-DIC) zu nennen. Durch die gleichzeitige Bestimmung von 39Ar und 14C lässt sich eine Beteiligung von Mischungen erkennen und quantifizieren.

 

 

 

Als indirekte Methode für den Grundwasseraltersbereich von tausenden bis zehntausenden von Jahren steht auch die Analyse von Isotopen- und Gasparameter zur Verfügung, die Hinweise auf die Klimabedingungen der Neubildung geben. Dies ist einmal über die Bestimmung der stabilen Isotope von Sauerstoff-18 und Deuterium und andererseits über die Ermittlung der so genannten Edelgastemperatur zu erreichen. So können Grundwasserneubildungen während Kaltzeiten (Pleistozän) von solchen während Wärmzeiten (z.B. Holozän) unterschieden werden.

Als weitere indirekte Untersuchungsmethoden für hohe Grundwasseralter sind die Gasisotope 3He/4He und 36Ar/40Ar zu nennen.

Sehr hohe Grundwasseralter sind über die radioaktiven Isotopengehalte von Chlor-36 und Krypton-81 zu bestimmen.

 


Charakterisierung von Grundwassersystemen unterschiedlichen Alters im Hinblick auf eine höherwertige Nutzung (z.B. Mineralwasser, Heilwasser etc.)

Tab. 1: Charakterisierung von Grundwassersystemen.

Grundwässer unterschiedlichen Alters erfordern einen differenzierten Umgang bezüglich ihrer Nutzung. Die Hauptcharakteristika von "alten" Grundwässern, Mischwassersystemen und "jungen" Grundwässern auch im Hinblick auf Kosten, Aufwand, Geschützheit, Stabilität und Entnahmerate sind in Tab.1 zusammengefasst.

 

 

 

 


Untersuchung zur Genese, Neubildung und Fließdynamik von Tiefengrundwässern von Tiefenwässern, Mineral- und Heilwässern

Abb. 5: Profilskizze verschiedener Einflussfaktoren auf Tiefengrundwässer.

Neben der Grundwasseraltersabschätzung stehen für die Untersuchung der Genese, Neubildung und Fließdynamik von Grundwässern verschiedene Isotopenmethoden zur Verfügung, die die Isotopensignatur von gelösten Inhaltsstoffen nutzen:

 

 

 

 

Abb. 6: Sulfatisotope mit Wertebereichen verschiedener Aquifergesteine und Umwandlungsprozessen.

Isotopensignaturen von Schwefelspezies (Sulfat, Sulfid) geben sowohl Auskunft über die Herkunft wie Evaporitlösung, Pyritoxidation, Fallout-Schwefel etc. als auch über sekundäre Prozesse wie Sulfatreduktion.

  • Schwefel-34 und Sauerstoff-18 am Sulfat (δ34S-SO4 und δ18O-SO4)
  • Schwefel-34 am Sulfid (δ34S-H2S)

 

 

 

Abb. 7: Nitratisotope mit Wertebereichen verschiedener Nitratherkunft und Umwandlungsprozessen.

Isotopensignaturen von Stickstoffspezies (Nitrat, Nitrit, Ammonium, gasförmiges Stickstoff) geben Auskunft über die Herkunft wie organischer und mineralischer Dünger, geogene Herkunft etc. als auch über sekundäre Prozesse wie Nitratreduktion.

  • Stickstoff-15 und Sauerstoff-18 (δ15N-NO3 und δ18O-NO3)
  • Stickstoff-15 am Ammonium (δ15N-NH4)
  • Stickstoff-15 am gasförmigen Stickstoff (δ15N-N2)

 

Abb. 8: Strontiumisotopenverhältnisse im Meerwasser im Verlauf der Erdgeschichte.

Isotopensignaturen des gelösten Strontium geben Auskunft über Migrationswege von Grundwässer bei verschiedenen Lithologien bzw. über Fallout von Nuklearunfällen (z.B. Tschernobyl).

  • Strontiumisotopenverhältnis (87Sr/86Sr)
  • Strontium-90 (90Sr)

 

 

 

 

 
Abb. 9: δ13C-Wertebereiche verschiedener natürlicher Komponenten (Clark & Fritz, 1997).

Isotopensignaturen von anorganischen und organischen Kohlenstoffkomponenten geben Auskunft über Herkunft wie vulkanische Gase, gelöste Karbonate, organisches Material etc. und Umwandlungsprozesse wie thermokatalytisch, mikrobiell etc.

  • Kohlenstoff-13 am DIC (δ13C-DIC)
  • Kohlenstoff-13 und Sauerstoff-18 am Kohlendioxid (δ13C-CO2 und δ18O-CO2)
  • Kohlenstoff-13 am DOC (δ13C-DOC)
  • Kohlenstoff-13 und Deuterium an gasförmigen Kohlenwasserstoffen (δ13C-CH4 und δ2H-CH4 sowie δ13C-C2-C4 und δ2H-C2-C4)
  • Kohlenstoff-13 und Deuterium an organischen Schadstoffen wie LHKWs, BTEX, MKW

 

Isotopensignaturen von radioaktiven Töchtern der Zerfallsreihen von Uran-238, Uran-235 und Thorium-232 geben außer Auskunft über die radioaktive Belastung von Grundwässern auch Auskunft über Herkunft, Lithologien und Änderungen von Fließdynamik.

  • Aktivitätskonzentration von Isotopen des Radium (223Ra, 224Ra, 226Ra und 228Ra)
  • Aktivitätskonzentration von Radon (222Rn)
  • Aktivitätskonzentration von Isotopen des Uran (234U, 235U, 238U )
  • Aktivitätskonzentration von Radon-Töchtern (210Pb, 210Po)

 

Weitere Isotopensignaturen von gelösten Inhaltsstoffen wie Chlorid, Bor, Blei, Lithium, etc. finden bei bestimmten Fragestellungen von geogener Herkunft oder anthropogener Belastung (Munition, Bergbau, Deponien, Abwasserkanäle etc.) Anwendung.

  • Chlor-35 (δ35Cl)
  • Bor-11 (δ11B)
  • Lithium-6 (δ6Li)
  • Bleiisotope (206Pb, 207Pb, 208Pb)
  • Eisen
  • Calcium
  • Chrom

 

Radioaktive Parameter aus Einträgen von Nuklearunfällen und medizinischen Abwässern geben nicht nur Auskunft über radioaktive Belastung, sondern können auch bei Fragen des Alters von Bodenproben Auskunft geben.

  • Cäsiumisotope (137Cs und 134Cs)
  • Iodisotope (129I und 131I)
  • Americium  

 


Stabile Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium

Die Untersuchung der Isotopensignatur von δ18O und δ2H eines Grundwassers kann bei verschiedenen Fragestellungen weiterhelfen:

  • Ermittlung der Herkunft von Wässern
  • Datierung junger Grundwässer
  • Aufspüren eiszeitlich gebildeter Grundwässer
  • Infiltration von Flusswasser
  • Infiltration von Seewasser
  • Deuterium als künstlicher Markierungsstoff bei Grund- und Porenwassermarkierungsversuchen sowie biologischer Anwendungen
Abb.10: Hydrologischer Kreislauf mit Beispielen von δ18O-Gehalten.

Die hydrologische Anwendung von Messungen des Gehaltes an den stabilen Isotopen δ2H und δ18O am Wassermolekül beruht im Wesentlichen auf den in natürlichen Wässern auftretenden unterschiedlichen Konzentrationen. Diese sind Folge verschiedener physikalischer Prozesse. In erster Linie gehen sie auf die temperaturabhängige Verdunstung zurück. Die verschiedenen Isotopeneffekte führen zu einer örtlich und zeitlich charakteristischen Markierung der Niederschläge und damit auch zu einer örtlich und zeitlich charakteristischen Markierung der verschiedenen Wasserkörper des Wasserkreislaufes.

Abb. 11: Exemplarische Darstellung von Messwerten stabiler Isotope des Wassers mit der globalen mittleren Niederschlagsgerade.

Die Untersuchung der stabilen Isotope sollte in jede weiterführende Studie zu Grundwasseralter und Herkunft einbezogen werden. Die Parameter sind sehr gut für alle Monitoringprogramme geeignet, die Änderungen des Zuflusses überwachen.

Im Folgenden werden verschiedene Grundwässer in einer fiktiven Region im Diagramm dargestellt:

Akkredierung nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005

Durch die DAkkS nach DIN EN ISO 17025 akkreditiertes Prüflaboratorium
Die Akkreditierung bezieht sich auf die in der Anlage genannten Prüfverfahren

Workshop

Am 19./20.Oktober 2017 veranstaltet die Hydroisotop GmbH einen Workshop zum Thema „Isotope im Grundwasser“.