Jörg Hammer Quartäre Sedimente als Geologische Barrieren Mit Beiträgen von Gerd Böttcher, Fritz Bremer, Peer-L. Gehlken, Jörg Hammer, Marc Heydecke, Joachim Iffland, Franz Jacobs, Frank von der Kammer, Jörn Kasbohm, Reinhard Kleeberg, Lothar Lippstreu, Klaus-Dieter Meyer, Ulrich Müller, Andrea Spaethe, Hans-Jürgen Stephan, Burkart Ullrich, Christine Wehebrmk und Reinhard Wienberg mit 158 Abbildungen und 74 Tabellen
1 Einleitung und Bearbeitungsziele 1 2 Quartärsedimente als Deponieuntergrund - Anforderungen und Eignungskriterien 7 2.1 Gesetzliche Forderungen an den Untergrund von Deponien 7 2.2 Geologische Barrieren als Bestandteil des Multibarrierenkonzeptes 11 2.3 Schadstoffrückhaltevermögen quartärer Sedimente 13 3 Fazies, Stratigraphie, Lagerungsverhältnisse, Verbreitung und Genese der Quartärsedimente in Norddeutschland 17 3.1 Genese und Verbreitung der quartären Sedimente - regionaler Überblick 3.2 Mecklenburg-Vorpommern 3.3 Schleswig-Holstein 3.4 Niedersachsen 3.5 Brandenburg 17 23 31 38 43 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 Feldmethoden zur Untersuchung quartärer Deponie- und Altlastenuntergründe Geologische Erkundung und Probenahme Standortsuche und -erkundung mittels geologischer Kartierungsarbeiten Bohrarbeiten Ausbau von Grundwassermessstellen Einbau von Vertikalelektroden für geophysikalische Messungen Kerndokumentation, Probenahme und vor-ort- Messungen Beprobung und vor-ort-messungen an Grund- und Oberflächenwässern Methodenbewertung, Qualitätssicherung und Empfehlungen 51 51 51 55 59 62 62 65 65
4.2 Geophysikalische Erkundungsarbeiten 68 4.2.1 Strukturerkundung mittels geoelektrischer Widerstandstomografie 69 4.2.1.1 Geoelektrische Widerstandstomografie - Grundlagen 70 4.2.1.2 Geoelektrische Oberflächenmessungen zur Vorerkundung von Bohrlokationen 75 4.2.1.3 Tomografie mittels Oberflächenmessungen im Bereich von Bohrlokationen 80 4.2.1.4 Tomografie unter Einsatz von Vertikalelektroden- 4.2.1.5 4.2.2. 4.2.3 4.2.3.1 4.2.3.2 4.2.3.3 4.2.4 Systemen in Bohrungen Spektrale Induzierte Polarisation - SIP Messungen des spezifischen elektrischen Widerstandes mittels Soil Box Bohrlochgeophysikalische Untersuchungen Bohrlochgeophysik in quartären Sedimenten Korrelation mit geochemisch-mineralogischen Daten Ausbaukontrolle von Grundwassermessstellen Methodenbewertung, Qualitätssicherung und Empfehlungen 82 87 92 97 97 104 106 107 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 Geohydraulische Untersuchungen Grundwasserstandsmessungen Messungen der Grundwasserfließrichtungen und Filtergeschwindigkeiten mittels Einbohrlochmethode Pumpversuche Slug/Bail-Tests Geophysikalisches Monitoring geohydraulischer Tests Methodenbewertung, Qualitätssicherung und Empfehlungen 110 110 119 122 126 127 129 5 Laborative Ermittlung der hydraulischen Barriereeigenschaften 131 5.1 Bestimmung von Kornverteilung, Porosität, Dichte und Wassergehalt der Sedimente 132 5.2 Analyse der hydraulischen Leitfähigkeiten von Sedimenten im Laborversuch 13 8 5.3 Berechnung von kf Werten auf der Basis von Kornverteilungen 145 5.4 Methodenbewertung, Qualitätssicherung und Empfehlungen 148
6 Geochemische Untersuchungen 151 6.1 Geochemische Analysen quartärer Sedimente 152 6.1.1 ph-werte 152 6.1.2 Redoxpotenziale 157 6.1.3 Haupt- und Spurenelementchemismus von Quartärsedimenten 163 6.1.4 Mikroanalytik mittels Rasterelektronenmikroskop 177 6.1.5 Methodenbewertung, Qualitätssicherung und Empfehlungen 179 6.2 Hydrochemische und isotopenhydrologische Untersuchungen 182 6.2.1 Methodik, Umfang und Plausibilitätsprüfung der hydrochemischen Daten 183 6.2.2 Deskriptive Messgrößenstatistik 185 6.2.3 Chemische Zusammensetzung der Grund- und Oberflächenwässer 189 6.2.4 Veränderungen des Grundwasserchemismus mit der Tiefe 194 6.2.5 Typisierung der Grundwässer 197 6.2.6 Isotopenhydrologische Untersuchungen 210 7 Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung von Sedimenten 227 7.1 Röntgenographische Phasenanalyse 229 7.2 Infrarotspektroskopie 244 7.3 Differenzthermoanalyse von Tonfraktionen 254 7.4 Methodenbewertung, Qualitätssicherung und Empfehlungen 262 8 Quantifizierung des Schadstoffrückhaltevermögens von Sedimenten mittels Kationenaustauschkapazitäten und Oberflächenladungen 265 8.1 Notwendigkeit laborativer Bestimmungen des, Schadstoffrückhaltevermögens geologischer Barrieren 265 8.2 Kationenaustauschkapazitäten quartärer Sedimente 267 8.3 Oberflächenladungen von Tonfraktionen 275
8.4 Methodenbewertung, Qualitätssicherung und Empfehlungen 281 9 Sorptions- und Diffusionsuntersuchungen für die Bestimmung des Schadstoffrückhaltepotenzials geologischer Barrieren 285 9.1 Schadstoffiransport und transportbestimmende Parameter - Grundlagen 9.1.1 Einflussfaktoren auf den Schadstofftransport 9.1.2 Lösungen der Transportgleichung 9.1.3 Grundlagen der Sorption 9.1.4 Grundlagen der Diffusion von Schadstoffen in porösem Material 9.2 Methodik der Sorptions- und Diffusionsuntersuchungen 9.2.1 Verwendete Materialien und Messung der Radioisotope 9.2.2 Durchführung der Sorptions- und Desorptionsversuche 9.2.2.1 Bestimmung der Sorptionskinetiken und Sorptionsisothermen 9.2.2.2 Sorptionsversuche bei verschiedenen ph-werten 9.2.2.3 Sorptionsversuche bei kontrollierten Redoxbedingungen 9.2.3 Durchführung der Diffusionsversuche 9.2.3.1 Einlagerungsversuche 9.2.3.2 Diffusionsversuche in Anlehnung an die Halbzellen- Methode 9.3 Ergebnisse der Sorptions- und Desorptionsuntersuchungen 9.3.1 Sorptionsuntersuchungen mit 14 C-y-HCH 9.3.2 Sorptionsuntersuchungen mit 14 C-Tetrachlorethen 9.3.3 Sorptionsuntersuchungen mit 63 Ni 9.3.4 Abschließende Betrachtung der Sorptionsuntersuchungen 351 9.4 Ergebnisse der Diffusionsversuche 9.4.1 Einlagerungsversuche (in-diffusion) 9.4.2 Diffusionsversuche nach der Halbzellen-Methode 9.4.3 Abschließende Diskussion der Diffusionsversuche 9.4.4 Gegenüberstellung der Diffusionsmethoden
10 Kolloidanalytik und physiko-chemische Effekte 377 10.1 Grundlagen 377 10.2 Probenahme und Verfahren zur Charakterisierung von Kolloiden 380 10.3 Bedeutung der Kolloide für den Schadstofftransport im Untergrund von Deponien und Altlasten 385 11 Fallstudie Deponie Ihlenberg (Mecklenburg- Vorpommern): Barriereeigenschaften des Deponieuntergrundes 389 11.1 Geologisch-hydrogeologische Situation im Umfeld der Deponie Ihlenberg 389 11.1.1 Geographische Position 389 11.1.2 Geologischer Aufbau der Region Schönberg-Selmsdorf- Dassow 390 11.1.3 Lagerungsverhältnisse der Sedimente im Bereich des Ihlenberges 395 11.1.4 Messstellennetz und hydrogeologische Situation im Deponieumfeld 399 11.2 Hydraulische Barriereeigenschaften der Ihlenberg- Sedimente 406 11.2.1 Einflussfaktoren auf den wassergebundenen Stofftransport in Sedimenten 406 11.2.2 Abschätzung der konvektiven Transportgeschwindigkeiten im Untergrund der Deponie Ihlenberg 410 11.3 Tonminerale in den Sedimenten des Ihlenberges 412 11.3.1 Rolle der Tonminerale bei der Schadstoffretardation 412 11.3.2 Gehalte und Verteilung der Tonminerale in den Ihlenberger Sedimenttypen 416 11.4 Chemische Barriereeigenschaften der Ihlenberg- Sedimente 423 11.4.1 Einflüsse des chemischen Milieus auf die Fixierung und den Abbau von Schadstoffen 423 11.4.2 Lokale Hintergrundwerte und anthropogene Belastung der Sedimente 426 11.4.3 Geochemie der Korngrößenfraktionen 431
11.4.4 Bindungsformen und Mobilisierbarkeit von Elementen bzw. Schadstoffen 433 11.4.4.1 S4-Methode 435 11.4.4.2 Selektive chemische Extraktionsverfahren 439 11.4.5 Elementumverteilungen durch Bodenbildungsprozesse 444 11.4.6 Verockerungszonen als wirksame geochemische Barrieren 450 Literatur 459 Sachverzeichnis 489