Isotopenuntersuchungen zur altersstrukturellen Einordnung und genetischen Bewertung von Salzwässern in Berlin und Brandenburg

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1 Isotopenuntersuchungen zur altersstrukturellen Einordnung und genetischen Bewertung von Salzwässern in Berlin und Brandenburg Dr. Falk Bednorz

2 Zeitskala für Altersbestimmung mit Isotopen im Grundwasser einsetzbare radioaktive Isotope (zeitliche Charakteristik, z. T. Genese) Aerationszone Karst-Systeme Lockergesteins-GWL (Uferfiltr.) Lockergesteins-GWL Festgesteins-GWL Tiefliegende Grundwässer Stagnierende Tiefenwässer w in a 2

3 Altersbestimmung mit Isotopen im Grundwasser 1. Tritiumgehalt an sich [z.b. T = n.n. = kein Jungwasser < 50a) 2. über Black-Boxmodelle Zeitinformationen z.b. - mächtiges Lockergestein : Exponentialmodell Ergebnisse : Mittlere Verweilzeiten / Jungwasseranteile - GWL ohne Durchmischung von GWN : Piston-Flow-Modell input GWL output Isotopeneintrag Beeinflussung Messwert am zu einem durch: Aufschluss Zeitpunkt T 0 - radioaktiven Zerfall - Wechselwirkungen - geologische Situation - Verweilzeit 3. Zerfallsprodukt Helium-3 erhöht Aussagesicherheit, nur Tritium liefert keine belastbaren Verweilzeiten mehr 3

4 Tritium und Helium-3 Eine radioaktive Uhr im Grundwasser: Altersbestimmung von Grundwasser 3 mit radioaktivem Wasserstoff (Tritium, H) Start eine Halbwertszeit später zwei Halbwertszeiten später drei Halbwertszeiten später Wassserstoffbomben- Tests 1962/63 Tritium Tritium Helium 1000 Tritium: radioaktiver Wasserstoff zerfällt zu Helium Jahr Tritiumkonzentration [TU] y 3 H He + b - Tritiumkonzentration im Niederschlag Fließrichtung 3 H 3 He Jahr 4 Quelle: Sültenfuß, Bremen

5 Verweilzeitbestimmung von Grundwässern mit 14 C Maß für spezifische 14 C-Aktivität: % modern ; Halbwertzeit 5730 a, 100 %- modern entspricht in etwa dem spezifischen 14 C-Gehalt des atmosphärischen CO2 im Jahre 1950 Regenwasser nimmt beim Durchsickern der oberen Bodenschichten biogenes 14 C-haltiges CO 2 auf und löst damit fossiles CO 2 -freies Karbonat auf. In der gesättigten Zone stellt sich ein Gleichgewicht ein: x * CaCO 3 + x * H 2 O + (x+y) * CO 2 x * Ca(HCO 3 ) 2 + y * CO 2 Je nach Zusammenwirken des rezenten/fossilen Kohlenstoffs liegen die Anfangsgehalte für Grundwasser zw. 50 und 100 %modern Die Anfangsgehalte sind gebietsspezifisch zu ermitteln. Es gibt Analogien zwischen Kohlenstoff- 14 und Helium-4 5

6 Analogien Kohlenstoff-14 und Helium-4 6

7 Stabile Isotope in Grundwässern δ 2 H und δ 18 O Anteil stabiler Isotope verändert sich durch Isotopenfraktionierung bei Phasenübergängen von fest flüssig gasförmig (z.b. Wasserdampf Wasser Eis/Schnee) Durch Verdunstung und Kondensation entsteht im Wasserkreislauf eine charakteristische Markierung im Regen, Grund und Oberflächenwasser Genutzt werden z.b. : - Kontinental-, Höhen- und Temperatureffekt 7

8 Bildungstemperaturen und stabile Isotope Eichung sehr alter Wässer / Einfluss Eindunstungswässer 8

9 Klärung Sulfatherkunft mittels 34 S Sulfat aus Primärsalzen oder Pyritverwitterung und anthropogenen Einträgen 9

10 Untersuchungspunkte mit Isotopenanalytik Müggelberge Rauchfangswerder Jungfernsee Ostufer 10 Karte: LBGR Cottbus

11 Beispiel 1 WF Mildenberg [OHV] 18O = -1,66 D = -26, delta Deuterium [ ] wärmere Bildungstemperaturen w ärmere Bildungstemperaturen / Eindunstungseffekte Hy MrtGs 202/89 Br. Tonstich Mildenberg Tonstich Verdunstungswässer Mildenberg D -57 [ ] Hy MrtGs 3/78 Br.2 Hy Mrt Gs 202/89 Br. 3 Hy Spg 1/11 OP Hy Spg 1/11 OP -57 Köper. 5/02 Pr.1 Hy Spg 1/11 MP/UP Köper. Hy Hchd 5/02 Pr. 5/2002 Hy Spg 1/2011 OP 2 Köper. 5/02 Pr.3 Hy Mrt Gs 3/78 Br Hy Spg 1/2011 MP -67 kältere Bildungstemperaturen UP Hy Spg 1/2011 kältere Bildungstemperaturen delta Sauerstoff [ ] Sauerstoff-18 [ ] Oder/Spree 2002 meteoric waterline Niederschlag Oder/Spree aktuell 2002 meteoric Mecklenburg waterline 2002 Niederschlag aktuell Altmessung 1990 Mecklenburg 2002 Altmessung LGRB 2003 LGRB 2003 LGRB LGRB Lodmannsh.2005 Lodmannsh.2005 LBGR 2008 LBGR LBGR Prenzlau 2009 LBGR 2009 LBGR 2010 LBGR Prenzlau LBGR 2010 LBGR 2011 LBGR O = -8,45 D = -59,9 T/He a (10-40 %) 14C/4He ca a Geologischer Schnitt durch die Wasserfassung Mildenberg mit Altersangaben 11

12 Beispiel 2 Salinarmessstelle Hy Spg 1/2011 Spreenhagen Name Filter Tritium Helium-3 tritiogen Tritium gesamt 4 He radio 14 C 13 C 18 O 2 H m u.gel. [T.E.] [T.E.] [T.E.] [pmc] [ ] [ ] [ ] HySpg1/2011 OP 19,0-23,0 5,41 23,5 28,9 0,02* ,6 1,3-11,7-7,92-58,2 HySpg1/2011 MP ,55* ,1 0,6-13,0-8,72-62,2 HySpg1/2011 UP ,4*10-4 6,0 0,4-13,2-9,66-68,6 Oder-Spree-Kanal -7,87-57,6 120,0 4He / 14C Uferfiltrat 100,0 80,0 Hy Hchd 5/2002 4He/14C-Lagepunkte LBGR C 60,0 Hy Spg 1/2011 OP Hy Mrt Gs 3/78 Br.2 LBGR ,0 Hy Mrt Gs 3/78 Br.2 20,0 0,0 0,00E+00 Hy Spg 1/2011 MP 4He Name Alter nach Tritium/3He Hy Spg 1/2011 MUP [a] Alter nach 14C/Helium4 [a] Anteil junge Komponente Anteil alte Komponente 1/2011 OP oder % 0 % 1/2011 MP ---** % 100 % 1/2011 UP ---** % 100 % 12

13 Beispiel 3 - Messstellengruppe am Ostufer des Jungfernsees T/ 3 He-Alter 14 C/ 4 He-Alter Anteil alte Komponente 7214 Cl 54 mg/l % Cl 134 mg/l > > 98 % 7216 Cl 89 mg/l > % Cl 1050 mg/l > % Kolloquium 13 "Geogene Grundwasserversalzung in Berlin

14 Beispiel 4 - Messstellengruppe am Wendenschloss Müggelberge 3155 T/ 3 He-Alter 14 C/ 4 He-Alter Anteil alte Komponente 25 3 < % Cl 33,7 mg/l % Cl 73,8 mg/l 3157 Cl 1300 mg/l > > 98 % Kolloquium 14 "Geogene Grundwasserversalzung in Berlin

15 Beispiel 5 - Messstelle Rauchfangswerder T/ 3 He-Alter 14 C/ 4 He-Alter Anteil alte Komponente > % Cl 3670 mg/l Kolloquium 15 "Geogene Grundwasserversalzung in Berlin

16 Fazit Isotopendaten und anorganische Parameter (Genesemodell) ermöglichen eine genetische und prognostische Bewertung von Aquiferen zur anthropogenen und geogenen Versalzungs-/ Verschmutzungsempfindlichkeit. Damit stehen geeignete Werkzeuge zur Verfügung, um den Forderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie, Artikel 1 zur Vermeidung einer weiteren Verschlechterung sowie zum Schutz und zur Verbesserung des Zustandes der aquatischen Ökosysteme durch prognostische Aussagen entsprechen zu können. Kolloquium 16 "Geogene Grundwasserversalzung in Berlin

17 Kolloquium "Geogene Grundwasserversalzung in Berlin Danke für Ihre Aufmerksamkeit 17