Conference Agenda

Das Alter von Grundwasseralter spielt bei vielen hydrogeologischen Fragestellungen, wie z.B. bei Untersuchungen zum Transport von Schadstoffen (z.B. Nitrat, Pestizide.), für Abschätzungen der Grundwasserneubildungsrate und zur Kalibrierung von numerischen Grundwassermodellen eine wichtige Rolle. Daneben ist es auch als ein Ausschlusskriterium für ein Endlager für hochradioaktiven Abfall definiert. Es ist aber auch eine ungemein komplex zu beschreibende Größe.

Im Rahmen eines von der BGR durchgeführten Projektes sind für die Norddeutsche Tiefebene knapp 2500 Tritium-Helium Alter von ca. 1000 Proben aus den letzten 20 Jahren ausgewertet worden. Darauf basierend wurden die Einflüsse der natürlichen und technisch bedingten Variabilität auf die Tritium-Helium-Alter analysiert, einschließlich Filtertiefe und –länge, Neubildungsrate und klimatischer Effekte. Ebenso wurden die Tritium-Konzentrationen zum Zeitpunkt der Infiltration mit den Konzentrationen im Input verglichen und auf anthropogene Beeinflussung, z.B. durch Uferfiltration hin untersucht.

Im Ausblick stehen Untersuchungen zu Verteilung von Tritium in anderen hydrogeologischen Räumen Deutschlands.

Das Mekong-Delta in Vietnam erstreckt sich über eine Fläche von ca. 40 000 km². Seit den 1990er Jahren führte starkes Wachstum der landwirtschaftlichen Produktion und der Bevölkerung zu einem kontinuierlichen Absinken der Grundwasserspiegel in weiten Teilen des Deltas. Damit verbunden sind möglicherweise auch gravierende Folgen für die Grundwasserqualität. Ziel dieser Studie war die Entwicklung eines konzeptionellen Modells der hydrogeochemischen Entwicklung im geschichteten Aquifersystem des Mekong-Deltas. Ein wichtiger Schritt dabei ist die zuverlässige Quantifizierung des Grundwasseralters anhand der Kohlenstoffisotope ¹³C und ¹⁴C.

Im März und April 2021 wurden insgesamt 119 Grundwasserproben aus tieferen Grundwasserstockwerken im Mekong Delta entnommen. Analysiert wurden Hauptionen und Spurenelemente sowie die stabilen Isotope von Wasser (δ¹⁸O, δ²H) und die Isotope vom gelöstem anorganischen Kohlenstoff (δ¹³C-DIC, ¹⁴C-DIC). Basierend auf den Ergebnissen wurden die relevanten hydrochemischen Prozesse identifiziert und deren räumliche Verteilung mit Hilfe von multivariaten statistischen Methoden sowie geochemischen und reaktiven Transportmodellen untersucht. Zur Bestimmung der ¹⁴C-Anfangsgehalte wurde durch Modellierung der potentiell in der ungesättigten Zone ablaufenden geochemischen Prozesse ein Ensemble von Grundwasservarianten erstellt. Diese Varianten wurden anschließend mit den gemessenen Grundwasserproben in einer Massenbilanz-Modellierung der relevanten Elemente und Isotope mittels PHREEQC verknüpft.

In den tieferen Aquiferen überwiegen Na-Cl bis Na-HCO₃ Grundwasser-Typen mit einer großen Variation der gelösten Stoffkonzentration (TDS: 0.4 bis 30.8 g/L). Neben der Lösung von reaktiven Mineralien (u.a. Karbonate, Pyrit) stellen die Mischung mit Meerwasser sowie ein damit verbundener Kationenaustausch die relevanten hydrochemischen Prozesse dar. Die hochsaline Grundwasserkomponente ist wahrscheinlich auf einen Austausch mit konnatem Meerwasser in den marinen Sedimenten des Deltas zurückzuführen. Die insgesamt hohen DIC Konzentrationen (bis 15 mmol/L) resultieren aus unterschiedlichen Quellen, wie der Gleichgewichtseinstellung mit Boden-CO₂, Lösung von Karbonaten, Reduktion von Sulfat durch organischen Kohlenstoff und der Zumischung von Meerwasser-DIC. Dies spiegelt sich auch in der großen Variation der δ¹³C-DIC-Werte ohne klare Korrelationen mit DIC oder den ¹⁴C-Gehalten wider.

Nach Korrektur der hydrochemischen Prozesse ergeben sich ¹⁴C-Grundwasseralter in einem Bereich von ca. 6 bis mehr als 30 tausend Jahre, was für eine Neubildung des Grundwassers im Zeitraum niedriger Meerwasserstände im Oberen Pleistozän spricht. Entgegen der Erwartung zeigen die ¹⁴C-Alter keine klare Altersentwicklung entlang der vermuteten Fließrichtung oder der Tiefenlage des Grundwassers. Ein möglicher Grund dafür könnte der Einfluss von vertikalen Fließ- bzw. Leakage-Prozessen durch die gering durchlässigen Tonschichten sein, die zumindest lokal in einigen Bereichen des Deltas die ursprünglich horizontale Grundwasserströmung überprägen. Die fehlenden räumlichen Trends im ¹⁴C-Alter liefern damit Hinweise auf Änderungen der Grundwasserströmung, vermutlich verursacht, oder zumindest verstärkt, durch die intensiven Grundwasserentnahmen der letzten Dekaden und die damit verbundene starke regionale Grundwasserabsenkung.

Dem Verband deutscher Mineralbrunnenbetreiber (VDM) zufolge werden in Deutschland aktuell rund 150 Mineralbrunnen betrieben. Mehr als 500 Mineralwässer werden dadurch in den Handel gebracht. Oftmals versprechen die Mineralbrunnenbetreiber mit ihren Internetauftritten ‚jahrhunderte alte‘ Wässer oder ‚Mineralwässer aus großen Tiefen‘. Lassen sich diese pauschalen Einordnungen auch durch Hydro­chemie und Stabilisotopenverhältnisse der Mineralwässer und des darin gelösten Sulfates be­stä­tigen? Dieser Frage wird in unserem Institut seit einigen Jahren im Rahmen von Studienarbeiten nachgegangen. Im Vortrag soll das Vorgehen der Beurteilung anhand ausgewählter Mineralwässer vorgestellt werden.

Submariner Grundwasserabfluss (SGD) verbindet die Wasser- und einige Elementkreisläufe an Land mit dem marinen Küstenraum und führt zu Bereichen steiler biogeochemischer Gradienten, die sich z.B. auf den Transport und die Transformation von Kohlenstoff-Spezies auswirken. Die Rolle, die ober- und unterirdische Frischwasserabflüsse für die Wasser- und Elementbilanzen in Küstenökosystemen spielen, ist weiterhin Gegenstand intensiver Erforschung. Die Mischungsprozesses von Süß- und Salzwässern werden mittels verschiedener stabiler Isotopensystem und hydrochemischer Variablen verfolgt. Wir berichten hier über die Ergebnisse von Wassersäulen- und Porenwasser-Untersuchungen aus dem Königshafen (Sylt) und potenzieller Mischungs-Endglieder. Neben gelösten Nährstoff-, Haupt- und Spurenstoffen, wurden die Verhältnisse der H- und O-Isotopen des Wassers sowie der C-Isotope des gelösten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) verfolgt, um die zeitliche und flächenhafte Dynamik und Intensität verschiedener Wasserquellen für die Bucht zu erfassen. Porenwassergradienten deuten auf unterschiedliche Beeinflussung durch Aussüßen, lokal bereits in 50 cm Tiefe und mit hoher räumlicher Heterogenität. Verschiedene Süßwasser-Quellen lassen sich isotopisch ausweisen. DIC ist in den Sedimenten, Neben Mischungen, durch diagenetische Prozesse, wie der Oxidation von organischem Material und der Auflösung von Karbonaten geprägt. Weitere Arbeiten finden statt um die Dynamik der benthisch-pelagischen Kopplung via SGD und die Bedeutung für geochemische Tracer mit besonderer Hinwendung auf das Kohlenstoffsystem zu verfolgen.

Literatur: Schell, A.C. (2023) The Potential of the Königshafen Bay (Sylt, Germany) as a source or sink for CO₂ and the Influence of Submarine Groundwater Discharge (SGD) on TA and DIC. MSc thesis, University of Greifswald and Leibniz IOW.

Danksagung: DFG (KiSNet), BMBF (COOLSTYLE/CARBOSTORE), DAAD, DFG Baltic Transcoast, und Leibniz IOW.

Together, tritium and stable water isotopes represent a tool that can be used as a basis for sustainable groundwater management in the context of changing climate and land use. These tools can be used, for example, to determine groundwater ages, quantify quantities in bank filtration, determine mixing of groundwater or long-term climate-induced changes. While some other European countries have published initial groundwater isotope maps, so-called isoscapes, Germany still has no such tool.

The overall objective of this joint project with a total of nine partners from science, federal and state authorities and industry is to create for the first time a nation-wide interpolated isoscape of stable water isotopes and tritium in groundwater for Germany. The data will be made available to potential users in an interactive, long-term and adjustable manner. This will be arranged from existing data of individual state offices, from literature, from companies as well as from new measurement campaigns within the project. The system will be expandable via historical data as well as future measurements after the end of the project. Signals of climate change, as they are already visible in the isotope ratios of precipitation, lysimeter seepage and surface water, will be recorded for the first time with isotope data. Together with the new isotope data sets on groundwater these various compartments can the be systematically evaluated.

A first attempt to collect and measure groundwater isotopes values for a larger area was made 2015 during a groundwater sampling campaign in the state of Bavaria. A total of ~650 samples were analyzed for their δ¹⁸O and δ²H values. During the project the data set will be expanded to entire Germany. A joint European initiative on this tool for the sustainable use of water resources is a future vision of the project.

Processes in the dissolved carbonate system of fresh surface waters may contribute and are sensitive to variations of boundary conditions associated with anthropogenic climate change. Hard water springs emerge to the surface saturated with respect to CaCO₃ and supersaturated with respect to atmospheric carbon dioxide partial pressure. Overall, the path of surface water flows is in a delicate balance between degassing and precipitation, eventually leading to carbonate precipitation. These processes lead to geochemical proxy-containing mineral formation and the enhanced liberation of CO₂. Based on their flow history, such creeks may impact the buffer capacity of surface waters in different ways, when entering rivers.

At the Nohn waterfall in the Eifel Region, the rate of these processes is enhanced through one large physical step, thereby originating this massive moss-covered travertine formation, early declared a natural monument because of its significance for local tourism. The travertine has developed to its present-day form due to railroad construction in the early twentieth century when at least three carbonate-rich groundwater sources were channeled to a single flow. Previously, these rather diffuse sources have fed water that built a wider paleo-travertine wall, also accessible to date.

Here we investigated the partitioning of stable isotopes (CHOS) and trace elements upon surface water evolution of this hard water creek leading to carbonate travertine formation. Besides physical in-situ parameters (temperature, pH, electric conductivity), the alkalinity, major and trace elements, nutrients, and the stable isotope composition of dissolved and solid phases were analyzed by titration, ICP-OES, ion chromatography, gas irmMS, and CRDS techniques, respectively. A physicochemical characterization of the aqueous solution was carried out by using the PHREEQC model. Textural and chemical compositions of solid phases were further analyzed by SEM-EDX in detail.

The evolution of the hard-water creek at Nohn is characterized by an induction period where degassing of carbon dioxide dominates, followed by a step-like calcite formation at the waterfall itself, further driving degassing. Stable isotope signatures (¹³C, ¹⁸O, ³⁴S) allow for an element source identification and mechanistic interpretation of the processes controlling the carbonate system. Process rates may vary due to changes in topography and/or biological activity. The dissolved sulfate at Nohn originates from the oxidation of metal sulfides in the aquifer that may be incorporated into the carbonate lattice (CAS) or form discrete barium sulfate phases. These first results are compared to sites in other areas (Westerhof, Rügen) developing under conditions different to Nohn with respect to surface topography and vegetation.