Uran in hessischen Grund- und Rohwässern. Sachstand des laufenden Projektes. Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

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1 Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Wasser und Boden GmbH, Boppard-Buchholz Uran in hessischen Grund- und Rohwässern F. LUDWIG & G. BERTHOLD Sachstand des laufenden Projektes Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 1 1

2 Inhalt des Vortrages 1. Veranlassung der Untersuchungen, chemische und physikalische Eigenschaften Uran 2. Betrachtung einzelner Bereiche mit erhöhten Uran-Konzentrationen im Grundwasser unter Berücksichtigung aktueller Untersuchungen: Buntsandstein-Abfolge Nordhessen Rotliegend-Gesteinsabfolge sedimentäre Ablagerungen Oberrheingraben 3. Bewertung der aktuellen Datengrundlage 4. Erläuterung der Uran-Isotopenuntersuchungen im Hessischen Ried 5. Zusammenfassung Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 2

3 1. Veranlassung der Untersuchungen, chemische und physikalische Eigenschaften Uran Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 3

4 Uran ist ein für den Menschen nicht essentielles Spurenelement mit chemotoxischem und radiotoxischem Gefährdungspotential Vorkommen Uran in der Erdkruste ca. 2-3 ppm Uran primär geogener Herkunft oder sekundär durch Sorption an organischer Substanz sowie durch Düngemittel-Eintrag, Herkunft aus Nutzung der Kernenergie sehr unwahrscheinlich Luft, Trinkwasser und Böden sowie Nahrungsmittel enthalten Spuren von natürlichem Uran Isotopenverteilung des natürlichen Urans Anteil (%) Halbwertzeit (a) spez. Aktivität (Bq/g) Uran , Uran-235 0, Uran-234 0, Bildung eines sehr stabilen Uranyl-Karbonato-Komplexes (U VI+) im Grundwasser geringe Adsorption, hohe Mobilität und Verbreitung im Vergleich zu anderen Schwermetallen Uranmobilität sensitiv zu ph-wert und Redoxpotential unter reduzierenden Bedingungen als U IV+ nur gering mobil Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 4

5 Eh (mv) gesamt 753 Probenahmestellen Verteilung der Uran-Konzentrationen in Abhängigkeit von ph-wert und Redoxpotential U Minimum: 0,47 µg/l, Maximum: 86,2 µg/l ph Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 5

6 Eh (mv) gesamt 753 Probenahmestellen Verteilung der unterschiedlichen Uran-Spezies und -Komplexe U 400 UO 2 CO 3 0 UO 2 (CO 3 ) 2 2- UO 2 (CO 3 ) U(OH) 5 - Minimum: 0,47 µg/l, Maximum: 86,2 µg/l ph Stabilitätsfelder der Uranspezies in dem System U-O-H 2 O-CO 2 bei 25 C nach Langmuir, 1978 Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 6

7 Kenntnisstand Urankonzentrationen im Grundwasser, August Buntsandstein Nordhessen - Rotliegend zwischen Darmstadt und Büdingen - Lockergesteine des Oberrheingrabens Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 7

8 1. Veranlassung der Untersuchungen, chemische und physikalische Eigenschaften Uran 2. Betrachtung einzelner Bereiche mit erhöhten Uran-Konzentrationen im Grundwasser unter Berücksichtigung aktueller Untersuchungen: Buntsandstein-Abfolge Nordhessen Rotliegend-Gesteinsabfolge sedimentäre Ablagerungen Oberrheingraben Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 8

9 Teilbereich Buntsandstein Nordhessen nordöstlich der Linie Bad Arolsen - Bad Wildungen - Bad Hersfeld [ ] Die nordhessischen Uranfunde im Buntsandstein, die geologisch den Lagerstätten des Colorado Plateaus in den USA entsprechen, bestehen offenbar aus stark verstreuten kleinen Einzelvorkommen, die schwer zu orten sind. Die zukünftige Bedeutung dieses Reviers ist noch nicht abzusehen; vorläufig sind keine wirtschaftlich abbauwürdigen Vorkommen entdeckt worden. [ ] Zitat aus Die Zeit, , S. 14 Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 9

10 Statistische Verteilung der Uran- Konzentrationen Uran (µg/l) 0, Max 90% 75% Mittel 50% 25% 10% Min Mittlerer Buntsandstein Unterer Buntsandstein Mittlerer Buntsandstein Σ = 136 Unterer Buntsandstein Σ = 28 Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 10

11 U (µg /l) Buntsandstein Nordhessen: Verteilung der Uran- Konzentrationen im GW in Abhängigkeit vom Redoxpotential Mittlerer B unts ands tein Nordhessen Unterer B untsandstein Nordhessen E h (mv) Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 11

12 γ-logs Bohrungen Buntsandstein Nordhessen Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 12

13 Teilbereich Rotliegend-Gesteine Sprendlinger Horst - östliche Wetterau Uran (µg/l) 0, Rotliegend-Gesteine Σ = 70 Uran (µg/l) Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 13

14 U (µg /l) Rotliegend-Gesteine: Verteilung der Uran-Konzentrationen im GW in Abhängigkeit vom Redoxpotential E h (mv) Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 14

15 Teilbereich Hessisches Ried mit oberflächennahen Ablagerungen im Bereich von Paläoflussläufen mit hohem Anteil organischer Substanz Uran (µg/l) 0, Rheingrabenscholle gesamt Σ = 119 Uran (µg/l) Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 15

16 U (µg /l) Oberrheingraben: Verteilung der Uran-Konzentrationen im GW in Abhängigkeit vom Redoxpotential E h (mv) Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 16

17 Oberrheingraben: Orientierung erhöhter Uran-Konzentrationen entlang von Paläoflussläufen und Moorbildungen Legende Quartär Legende Legende Holozän Lehm Quartär Lehm, Quartär Sand, Kies Holozän Torf Holozän Lehm Pleistozän Lehm verlandete Flussbetten Lehm, Sand, Kies Ton, Lehm, Schluff, Sand, oft Kies mit Steinen, Grus und Sand Torf Moorbildungen Phonolitische Torf Aschenablagerungen Pleistozän Ton, Pleistozän Hochflutlehm Lehm Ton, Schluff, oft mit Steinen, Grus und Sand Sand Ton, Schluff, oft mit Steinen, Grus und Sand Phonolitische Aschenablagerungen Sand Phonolitische Aschenablagerungen Ton, Lehm Kies, Ton, Lehm Sand Sand Tertiär Sand Sand Jungtertiär Sand Kies, Sand Pliozän Kies, Sand Tertiär Tertiär Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 17

18 1. Veranlassung der Untersuchungen, chemische und physikalische Eigenschaften Uran 2. Betrachtung einzelner Bereiche mit erhöhten Uran-Konzentrationen im Grundwasser unter Berücksichtigung aktueller Untersuchungen: Buntsandstein-Abfolge Nordhessen Rotliegend-Gesteinsabfolge sedimentäre Ablagerungen Oberrheingraben 3. Bewertung der aktuellen Datengrundlage Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 18

19 Karte mit Gesamtübersicht der Urangehalte in hessischen Grundwässern, 1017 Probenahmestellen, Stand Mai 2008 Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 19

20 Karte der hydrogeologischen Teilräume Die Zusammenhänge zwischen erhöhten Uran-Konzentrationen und Speichergesteinen werden durch die zusätzlichen Untersuchungen weiter verdeutlichet Im Oberrheingraben erlaubt das Verteilungsmuster eine räumliche Zuordnung erhöhter Uran- Konzentrationen im Grundwasser zu verlandeten Flussläufen und Moor-bildungen Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 20

21 1. Veranlassung der Untersuchungen, chemische und physikalische Eigenschaften Uran 2. Betrachtung einzelner Bereiche mit erhöhten Uran-Konzentrationen im Grundwasser unter Berücksichtigung aktueller Untersuchungen: Buntsandstein-Abfolge Nordhessen Rotliegend-Gesteinsabfolge sedimentäre Ablagerungen Oberrheingraben 3. Bewertung der aktuellen Datengrundlage 4. Erläuterung der Uran-Isotopenuntersuchungen im Hessischen Ried Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 21

22 Uranisotopen-Aktivitätsverhältnisse als Indikator für eine mögliche anthropogene Beeinflussung der natürlichen Uran-Konzentrationen durch uranhaltige Düngemittel (P-Dünger) Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 22

23 - Phosphat-Düngemittel weisen produktionsbedingt vergleichsweise hohe Urangehalte auf. Die Urankonzentrationen liegen dabei zwischen 20 und 300 ppm bzw. mg/kg. (Mangini et al. 1979, Zielinski et al. 2000) - Das Isotopenaktivitätsverhältnis 234 U/ 238 U des im P-Düngemittel enthaltenen Urans liegt bei 1,00 (+/- 0,05). Das Isotopenaktivitätsverhältnis natürlicher Wässer liegt dagegen bei Werten > 1,00. (Zielinski et al. 2000) - Untersuchungen im Bereich des landwirtschaftlich intensiv genutzten Handschuhsheimer Feldes bei Heidelberg haben gezeigt, dass das durch P- Düngemittel eingebrachte Uran zum größten Teil in der obersten Bodenzone gebunden wird. Nur ein sehr geringer Anteil (ca. 0,01%) gelangt bis in das Grundwasser. (Mangini et al. 1979) - Lediglich bei sehr geringen natürlichen Hintergrundkonzentrationen (0,1-0,2 µg/l) kann ein möglicher Uraneintrag durch die Verwendung von P-Düngemitteln identifiziert werden. (Zielinski et al. 2000) Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 23

24 Fallbeispiel Handschuhsheimer Feld, Heidelberg: Isotopenaktivitätsverhältnisse und Gesamturan- Konzentrationen der Grundwässer (Mangini 1979) Isotopenaktivitätsverhältnis P-Dünger: 1,00 +/- 0,05 Isotopenaktivitätsverhältnis natürlicher Grund- und Oberflächenwässer: > 1,00; überwiegend in einem Bereich zwischen 1 und 3 (Zielinski et al. 2000) 2,5 2,0 1,5 1,0 Isotopenaktivitätsverhältnisse 234/238 Urankonzentrationen (µg/l) 1,57 1,59 1,62 1,52 1,28 1,10 1,00 1,97 1,49 0,5 0,0 Brunnen 2 Brunnen 3 Brunnen 1 Wiesenweg 1 Wiesenweg 2 Entensee 3 Entensee 1 Wiesenweg 3 Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 24 Neckar

25 10,0 Untersuchungen Grundwassermessstellen Hessisches Ried, Mai 2009: Isotopenaktivitätsverhältnisse und Gesamturan-Konzentrationen der Grundwässer Isotopenaktivitätsverhältnis P-Dünger: 1,00 +/- 0,05 8,0 Isotopenaktivitätsverhältnisse 234/238 Urankonzentrationen (µg/l) Isotopenaktivitätsverhältnis natürlicher Grund- und Oberflächenwässer: > 1,00; überwiegend in einem Bereich zwischen 1 und 3 (Zielinski et al. 2000) 6,0 4,0 2,0 1 1,07 1,11 1,11 1,11 1,15 1,16 1,17 1,22 1,23 1,26 1,27 1,29 1,33 1,35 1,36 1,49 1,65 1,73 0, Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 25

26 1. Veranlassung der Untersuchungen, chemische und physikalische Eigenschaften Uran 2. Betrachtung einzelner Bereiche mit erhöhten Uran-Konzentrationen im Grundwasser unter Berücksichtigung aktueller Untersuchungen: Buntsandstein-Abfolge Nordhessen Rotliegend-Gesteinsabfolge sedimentäre Ablagerungen Oberrheingraben 3. Bewertung der aktuellen Datengrundlage 4. Erläuterung der Uran-Isotopenuntersuchungen im Hessischen Ried 5. Zusammenfassung Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 26

27 Zusammenfassung - Uran tritt hessenweit in zahlreichen untersuchten Grundwässern aus unterschiedlichen Speichergesteinen in Spuren auf Uran (µg/l) Anzahl d. Messstellen Gesamtanteil (%) % kummulativ % invers kummulativ < 0, ,0 62,0 100,0 0, ,2 82,2 38, ,2 91,4 17, ,6 97,0 8, ,4 99,4 3,0 > ,6 100,0 0, In den Grundwässern im Nordhessischen Buntsandstein, insbesondere im Mittleren Buntsandstein, in der Rotliegend-Abfolge im Bereich zwischen Darmstadt und Büdingen sowie im Bereich verlandeter Flussmäander im Oberrheingraben treten geogen bedingt erhöhte Uran-Konzentrationen auf. - Die Urankonzentrationen im Grundwasser werden im wesentlichen durch die Verfügbarkeit im Speichergestein und von den vorherrschenden Redox- Bedingungen mitbestimmt. Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Urangehalte in hessischen Grund- und Rohwässern Dipl.-Geol. Florian Ludwig Folie 28

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