Dieser Tagungsbeitrag soll exemplarisch an einer Tonformation aufzeigen, welcher Informationszugewinn mittels Messung und Interpretation der im Porenwasser (PW) gelösten Edelgase (He, Ne, Ar, Kr und Xe) aus einer vergleichsweise oberflächennahen Abfolge der Opalinuston-Formation (< 250m) bei Blumberg-Hondingen, Baden-Württemberg, möglich wird. Dazu wurden Edelgasprofile im PW eines Bohrkerns analysiert, der die gesamte Opalinuston-Formation durchdringt [1]. Ziel der Untersuchungen war die Charakterisierung des Transportregimes einer solchen Tonbarriere. Insgesamt wurden vierzehn Porenwasserproben zwischen 93 m und 236 m Bohrtiefe entnommen, die meisten davon aus dem Opalinuston. Das Probenahmeverfahren folgte den Richtlinien für Bohrkernproben der jüngsten Nagra-Tiefbohrkampagne [2], die ihrerseits verfeinerte Verfahren von ursprünglich in Deutschland [3,4] und der Schweiz [5] entwickelten Methoden waren.

Wir zeigen Tiefenprofile von ⁴He-Konzentrationen und ³He/⁴He- und ⁴⁰Ar/³⁶Ar-Isotopenverhältnissen, Wassergehalt, U-, Th- und K-Konzentrationsdaten. Darüber hinaus vergleichen wir die Daten mit numerischen Simulationsergebnissen des reaktiven 1D-Stofftransports über die 134 m mächtige Opalinuston-Formation mittels PREEQC. Diese Daten werden von einer vollständigen Reihe von Ne-, Ar-, Kr- und Xe-Konzentrationen und Isotopenverhältnissen von ^20,21,22Ne, ^36,38,40Ar und ^{128,129,130,131,132,134,136}Xe flankiert. Die analysierten Edelgasprofile können durch Diffusion als alleinigem Transportprozess vollständig erklärt werden. Auf Basis der beiden radiogenen Edelgasisotope ⁴He und ⁴⁰Ar, die im Untergrund durch natürlichen radioaktiven Zerfall entstehen und sich im PW akkumulieren können, werden Modellalter für das PW in der Opalinuston-Formation von 2,5 bis 3 Millionen Jahre berechnet. Da die Ne-Produktion im Untergrund vernachlässigbar klein ist und nachweislich keine Probenahmeartefakte vorliegen, interpretieren wir die beobachtete Ne-Untersättigung als das Resultat der Exklusion gelöster Komponenten im Porenraum im Verlauf der Kompaktion der Tonsedimente. So werden erstmals effektive Porositäten aus Edelgasdaten bestimmt, und zwar entlang eines ganzen Tiefenprofils, vergleichbar wie dies bereits für Anionen gezeigt wurde [6]. Schließlich zeigen die Elementkonzentrationen von ²⁰Ne, ³⁶Ar, ⁸⁴Kr und ¹³²Xe ein systematisches Fraktionierungsmuster, welches gut mit Modellierungen von sich sukzessive entleerenden engen Porenraum-Systemen übereinstimmt [7]. Wir interpretieren, dass sich seit der Kompaktion der Sedimente zwar für die Ne-Konzentration im gesamten 124 m langen Profil, nicht aber für die Xe-Konzentration ein diffusives Gleichgewicht mit der Atmosphäre einstellen konnte.

[1] K. Leu et al. 2023. Z. Dt. Ges. Geowiss. 174(1), 53-67, doi: 10.1127/zdgg/2023/0373.

[2] D. Rufer, M. Stockhecke 2021. NAB 19-13, Rev.1, NAGRA, Wettingen, Switzerland.

[3] J. Lippmann et al. 1997. Proc. Isotope Techn. Study of Past & Current Environ. Changes, Vienna, Austria, IAEA-SM-349/36.

[4] K. Osenbrueck, J. Lippmann, C. Sonntag 1998. Geochim. Cosmochim. Acta 62(18), 3041-3045, doi: 10.1016/S0016-7037(98)00198-7.

[5] A. P. Ruebel, et al. 2002. Geochim. Cosmochim. Acta 66(8), 1311-1321,
doi: 10.1016/S0016-7037(01)00859-6.

[6] C. Zwahlen, T. Gimmi, A. Jenni et al. 2024. Applied Geochemistry 162, 105841,
doi: 10.1016/j.apgeochem.2023.105841.

[7] T. Torgersen, B.M. Kennedy, M.C. van Soest 2004. Earth Planet. Sci. Lett. 226, 477-489, doi: 10.1016/j.epsl.2004.07.030.