Arbeitsspektrum
Grundwasser

Um das Alter des Grundwassers zu bestimmen kommt eine Vielzahl von unterschiedlichen Isotopenmessmethoden sowie die Messung von Spurengasen zum Einsatz. Für eine präzise Altersbestimmung werden neben der Wasserprobe auch Angaben über die äußeren Rahmenbedingungen benötigt. So ist das Wissen über die Lage und Umgebung des Probestandortes sowie das einbeziehen von überregionalen Studien und von zuvor getätigten Standortuntersuchungen für die Wissenschaftlerrinnen und Wissenschaftler der Firma Hydroisotop genau so entscheidend wie Kenntnisse über die geohydraulischen Situation.

In Abhängigkeit der alters spezifischen Zusammensetzung des Grundwassers decken Umweltisotope eine Zeitspanne von wenigen Tagen bis zu mehreren Jahrtausenden ab.

So wird beispielsweise die Analyse von ¹⁸O und Deuterium (²H) verwendet, um die mittlere Verweilzeit von Grundwasser zu erfassen, welches sich innerhalb der letzten Jahre angereichert hat.

Die mittlere Verweilzeit von Grundwasser, welches innerhalb der letzten 60 Jahren angereichert worden ist, kann durch die Messung der radioaktiven Isotopen: Tritium (³H) und Krypton-85 (⁸⁵Kr) präzise erfasst werden. Des Weiteren lassen sich durch die gleichzeitige Bestimmung von ⁸⁵Kr- und ³H das Alter sowie der Anteil von Grundwasserkomponenten, welche jünger als 60 Jahre sind quantifizieren.

Mit den radioaktiven Isotopen (³H, ⁸⁵Kr, ¹⁴C, ³⁹Ar) können auch Prozesse von globalem Maßstab beschrieben werden. Denn neben der Einwirkung von kosmischer Strahlung auf die obere Atmosphäre stellen vor allem anthropogene Aktivitäten die Quelle von radioaktiven Umweltisotope dar. So stammt ein Großteil des ³H aus Kernwaffenversuchen, während ⁸⁵Kr hingegen in kerntechnischen Anlagen freigesetzt wird. Der anschließende Eintrag in das Grundwasser erfolgt über den Niederschlag (³H) oder als gelöstes Bodengas im Sickerwasser (⁸⁵Kr, ³⁹Ar, ¹⁴C-CO₂).

Aufgrund langjähriger Messungen an verschiedenen Niederschlagsstationen ist der Eintrag von Umweltisotopen über den Niederschlag gut bekannt. Jedoch existieren hohe lokale Variabilitäten.

Ein weiterer Anwendungsbereich von radioaktiven Umweltisotope stellt die Altersbestimmung von alten Grundwässern dar. So werden diese Proben, welche teilweise bis zu mehrere tausend Jahren alt sind, in erster Linie durch die Bestimmung von Kohlenstoff-14 (¹⁴C-DIC) in Kombination mit Kohlenstoff-13 (δ¹³C-DIC) analytisch erfasst. Durch die Kombination von gemessenen ³⁹Ar und ¹⁴C kann ein Beitrag von Gemischen identifiziert und quantifiziert werden.

Isotopen und Gasmessungen von Grundwasserproben, welche ein alter von bis zu zehntausend Jahren aufweisen können als indirekte Analysemethode verwendet werden, um die Klimatischen Bedingungen während der Anreicherung zu beschreiben. Analytische Ansätze stellen bei dieser Aufgabestellung die stabilen Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium dar, ebenso wie die Messung der Edelgastemperatur. Auf diese Weise kann die Grundwasseranreicherung in Kaltzeiten (Pleistozän) von der Anreicherung in Warmzeiten (z.B. Holozän) unterschieden werden.

Bei sehr alten Grundwässern wird die Bestimmung der Gasisotope ³He/⁴He und ³⁶Ar/⁴⁰Ar als indirekte Analysemethode verwendet.

Sehr hohe Grundwasseralter können über die Aktivitäten der radioaktiven Isotope Chlor-36 und Krypton-81 abgeschätzt werden.

Bei Grundwasseraltersdatierungen sehr alter Grundwässer ist zu unterscheiden, ob man die Untersuchungen

• an Wasserproben aus bewirtschafteten Grundwasservorkommen, z.B. Brunnen der Tiefengeothermie oder Heilwasserbrunnen, oder
• an Wasserproben, die im Zuge von Kurzpumpversuchen bei Forschungsbohrungen gewonnen werden, oder
• an Porenwässern vornehmen möchte.

Geringergiebige, nicht pumpbare Grundwasservorkommen, wo jedoch noch Wasserproben mit speziellen Methoden oder Experimenten gewinnbar sind, stellen eine zusätzliche Zwischenstufe dar.

Bewirtschaftete Brunnen

Bei bewirtschafteten Brunnen sind meistens kontaminationsarme Probenahmen von hohem Volumen und unbegrenzter Dauer möglich. Dies erlaubt die Anwendung verschiedener Methoden. Im Jahr 2020 ist als wichtigste Methode die Datierung mit Krypton-81 (⁸¹Kr) für den Altersbereich > ca. 50.000 bis 1 Mio. Jahre zu nennen. Diese Methode wird aktuell (2020) in Deutschland und angrenzenden Ländern erfolgreich angewendet.
Weitere Datierungsmethoden für diesen Altersbereich sind Helium-4 (⁴He), Chlor-36 (³⁶Cl) und Iod-129 (¹²⁹I). Diese Datierungsmethoden wurden bislang hauptsächlich bei sehr großen Beckenstrukturen (Australien, Sahara, Südafrika), meist auch in Kombination mit Krypton-81, vorgenommen. Aufgrund der regional unterschiedlichen Startbedingungen und der in der Rate unbekannten Untergrundproduktion unterliegt die Methode von Chlor-36 einer hohen Unsicherheit. Zudem ist die Methode bei höheren Salzgehalten der Wasserproben nochmals verkompliziert und deshalb wenig geeignet, um belastbare Informationen zu gewinnen. Chlor-36 und Iod-129 wurden in Deutschland bislang nur ganz vereinzelt in Studienarbeiten untersucht.
Eine weitere Methode, jedoch nur im Rahmen einer indirekten Datierung sehr alter, wenig Gas führender Grundwässer, ist die quantitative Bestimmung von Helium-4 und Helium-3 in Verbindung mit Neon (^20,21,22Ne), empfohlen auch parallel zu Argon (⁴⁰Ar/³⁶Ar), Krypton und Xenon (NmL/kg). Gasreiche Tiefenwässer liefern hierbei jedoch aufgrund von Entgasungseffekten trotz umfangreicher Korrekturen oftmals keine ausreichend belastbaren Grundlagendaten.
Für eine effektive Datierung ist die Quantifizierung der Helium-Untergrundproduktion (⁴He, ³He) für die Aquifer- und Umgebungsgesteine sowie die Abschätzung der spezifischen He-Diffusion notwendig. Da dies nur für "geschlossene Systeme" plausibel abzuleiten ist, findet die Methode mit Helium- und Argonisotopen vor allem bei Porenfluiden als Datierungsmethode Anwendung (siehe unten). Bei bewirtschafteten Brunnen werden Heliumisotope als zusätzlicher, relativ gut analysierbarer, indirekter Tracer einbezogen. Weitere indirekte Altersparameter sind verschiedene radioaktive Isotope von Xenon und Uran, die jedoch ebenfalls bislang nur vereinzelt Anwendung in Europa erfahren haben.
Für fundierte, gute Altersdatierungen sehr alter Grundwässer ist auch bei Krypton-81 die zusätzliche Anwendung weiterer Methoden wie Kohlenstoff-14 sowie Klimaparameter (Edelgastemperatur, stabile Wasserisotope) notwendig. Selbstverständlich ist eine Grundwasseraltersbestimmung in den hydrogeologischen/hydrogeochemischen, sowie regional-geologischen Kontext einzuarbeiten. Dies beinhaltet die Erkundung aller vorhandenen Daten aus Bohrungen und Brunnen des regionalen bzw. überregionalen Grundwasservorkommens, um konsistente Ergebnisse darstellen zu können.

Kurzpumpversuche bei Forschungsbohrungen

Bei Kurzpumpversuchen im Rahmen von Forschungsbohrungen sind meistens nur stark durch die Bohrtätigkeiten (Bohrspülung, Spülungswässer, Luft, Gesteinstrübe) kontaminierte Proben gewinnbar und die Probengewinnung (Pumpzeit) zeitlich begrenzt. Dies limitiert bereits die Anwendung von Parametern wie Kohlenstoff-14 oder Tritium, da die letztendliche Kontaminationskorrektur und Extrapolation einen nur interpretativen Charakter hat. Sofern die Probengewinnung und die Wasserzusammensetzung (hohe Salinität bedeutet geringe Gaslöslichkeit) eine Gewinnung von ausreichend Krypton (> ca. 2 µL) erlaubt, ist auch bei diesen Proben die Anwendung von Krypton-81 (⁸¹Kr) möglich, da mit dem allein anthropogen bedingten Parameter Krypton-85 (⁸⁵Kr) die Möglichkeit der Korrektur von Kontaminationen durch Probennahme und -präparation vorhanden ist. Noch mehr als bei bewirtschafteten Vorkommen ist die Einbindung in den hydrogeologischen/ hydrogeochemischen, sowie regional-geologischen Kontext und die kombinierte Anwendung anderer Datierungs- und Klimaparameter unerlässlich.

Porenwässer und Porenfluide (und sehr gering ergiebige, nicht pumpbare Grundwasservorkommen)

Porenfluide können in der Regel nur in sehr geringen Volumina und meist nur über indirekte Verfahren gewonnen werden. Dies kann je nach Gestein als stark verzögerter Ausfluss aus abgepackerten Bohrungen erfolgen, z.B. Gewinnung von 1 L Wasser über ein Jahr, oder Informationen können über Austausch- und Extraktionsexperimente, meist in Zeitreihen, oder durch den Auszug von Porenwässern aus Kernmaterial gewonnen werden. Die Anwendung von Datierungsmethoden mit radioaktiven Krypton-Isotopen ist nicht möglich, da die notwendige Menge Kryptongas für die Analytik aktuell nicht gewinnbar ist. Die in 2020 verfügbare Analysemethodik erlaubt jedoch die Bestimmung von Helium- und Argonisotopen (⁴⁰Ar/³⁶Ar) sowohl am Gestein als auch an Fluiden, die aus dem Gestein extrahiert werden. Wie oben angegeben, können Datierungen über die Helium- und Argonisotope vorgenommen werden, sofern von „geschlossenen“ Systemen ausgegangen werden kann. Sind ausreichend, kontaminationsfreie Wasservolumina gewinnbar, so kann analytisch die Methodik von Kohlenstoff-14, Chlor-36, Iod-129, Argon-, Xenon- und Uranisotopen angewendet werden. Jedoch bleiben die Probleme der Interpretation bestehen, die für diese Parameter generell bestehen. Anhand von Porenwassertiefenprofilen kann der Zeitraum des Austausches zwischen advektiv fließendem Grundwasser und damit diffusiv austauschendem Porenwasser modelliert werden, wozu die Bestimmung von petrophysikalischen Transportparametern des Wirtsgesteines notwendig sind.
Auch bei Porenfluiden ist nach Möglichkeit die größtmögliche Einbindung in den Kontext sowie die größtmögliche Kombination mit hydrochemischen, isotopenphysikalischen und Edelgasparametern zu erreichen. In der Regel bedeutet dies eine engmaschige Untersuchung von Bohrprofilen.

Grundwässer erfordern abhängig von ihrer Grundwasseraltersstruktur eine angepasste Bewirtschaftung und Nutzung. In Tabelle 1 sind die Hauptcharakteristika von "alten" Grundwässern, Mischwassersystemen und "jungen" Grundwässern im Hinblick auf die Kosten, Ergiebigkeit, Geschütztheit und Stabilität zusammengefasst:

Tab. 1: Charakterisierung von Grundwassersystemen

Außer der Grundwasseraltersbestimmung können mit Hilfe zahlreicher Isotopenmethoden Untersuchungen zur Herkunft, Neubildung und zur Fließdynamik von Grundwässern durchgeführt werden. All diese Methoden verwenden Isotopensignaturen von gelösten Mineralstoffen, organischen Komponenten und gelösten Gasen: Die Isotopesignaturen der Schwefelspezies (Sulfat, Sulfid) liefern Informationen zur Herkunft wie z.B. Evaporitlösung, Pyritoxidation, Fallout-Schwefel usw. als auch Informationen über Sekundärprozesse wie der Sulfatreduktion. 

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

Die Isotopensignaturen von Stickstoffkomponenten (Nitrat, Nitrit, Ammonium, gelöstes Stickstoff-Gas) liefern Informationen über die Herkunft z.B. aus organischem oder mineralischem Dünger oder einer geogenen Herkunft als auch Informationen über Sekundärprozesse wie z.B. der Nitratreduktion.

• Stickstoff-15 und Sauerstoff-18 (δ¹⁵N-NO₃ und δ¹⁸O-NO₃)
• Stickstoff-15 von Ammonium (δ¹⁵N-NH₄)
• Stickstoff-15 von gelöstem Stickstoff-Gas (δ¹⁵N-N₂)

Die Isotopesignaturen des gelösten Strontium liefern Informationen zu Einzugsgebieten und Migrationswegen von Grundwässer durch verschiedene Lithologien bzw. Einflüsse durch Fallout nach nuklearen Unfällen (e.g. Tschernobyl).

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

Die Isotopensignaturen von anorganischen und organischen Kohlenstoffkomponenten liefern Information über die Herkunft wie z.B. vulkanische Gase, Karbonatlösung, Organik etc. sowie Transformationsprozesse wie z.B. Thermokatalyse, Mikrobieller Abbau 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 Kohlenwasserstoffen (δ¹³C-CH₄ and δ²H-CH₄ as well as δ¹³C-C2-C4 and δ²H-C2-C4)
• Kohlenstoff-13 und Deuterium an organischen Rückstandsparametern wie lHKWs, BTEX, PAK, MKW

Die Isotopensignaturen von radioktiven Tochternukliden der Zerfallsserien von Uran-238, Uran-235 und Thorium-232 liefern Informationen nicht nur über die radioaktive Belastung des Grundwassers sondern auch Informationen über Herkunft, Lithologie und Änderung in der Fließdynamik:

• Aktivitätskonzentration von Radionukliden (²²³Ra, ²²⁴Ra, ²²⁶Ra und ²²⁸Ra)
• Aktivitätskonzentration von Radon (²²²Rn)
• Aktivitätskonzentration von Uranisotopen (²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U )
• Aktivitätskonzentration von Radontöchtern (²¹⁰Pb, ²¹⁰Po)

Weitere Isotopensignaturen von gelösten Inhaltsstoffen wie Chlorid, Bor, Blei, Lithium etc. werden zur Erkundung spezieller Fragestellungen zur geogenen Herkunft oder anthropogener Einflüsse (Munition, Bergbau, Deponien, Sickerwasser etc.) herangezogen:

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

Der Eintrag von radioaktiven Nukliden durch nukleare Unfälle und durch medizinische Abwässer und die Industrie liefern Informationen nicht nur über die radioaktive Belastung sondern auch Informationen zum Alter von z.B. Bodenproben.

• Cäsiumisotope (¹³⁷Cs und ¹³⁴Cs)
• Jodisotope (¹²⁹I und ¹³¹I)
• Americium
• Plutonium
• Bleiisotope (²¹⁰Pb)

Mittels der Analyse von δ¹⁸O und δ²H lässt sich eine Vielzahl an unterschiedlichen Fragestellungen beantworten:

• Identifikation des Ursprungs des Wassers
• Datierung von jungem Grundwasser
• Identifikation von Gletscher gespeisten Grundwasser
• Infiltration von Flusswasser
• Infiltration von Seewasser
• Deuterium als künstlicher Tracer für Grund- und Porenwasser Tracer Versuche sowie für biologische Fragestellungen

Die hydrologische Nutzung der Gehaltsanalysen der stabilen Isotope δ²H- und δ¹⁸O- in Wassermolekülen beruht im Wesentlichen auf dem Vorkommen unterschiedlicher Konzentrationen in natürlichen Gewässern. Diese Variabilität der Konzentration ist das Ergebnis mehrerer physikalischer Prozesse, welche in erster Linie auf der temperaturabhängigen Verdunstung basieren. So lässt sich anhand dieser beiden Isotopen ein zeitliches und räumliches Verständnis über Wasserkörper als ein Teil des regionalen als auch globalen Wasserkreislaufes generieren.

Die Untersuchung der stabilen Isotope sollte in jede erweiterte Untersuchung über Alter und Herkunft von Grundwasserproben einbezogen werden. Denn diese Parameter eignen sich sehr gut für alle Arten vom Umweltmonitoring.

Die folgende Abbildung stellt den isotopenchemischen Zusammenhang zwischen verschiedenen Grundwasserproben einer fiktionalen Region dar.