Quelle 2 2
Gletscher
Wasser 09
P1290056
Wasser 10
SNC10089
Bohrung
Quelle
Deponie 04
Wasser 07
Wasser 08
wildbad kreuth 07 2013 08
grundwasser
P1000855

Arbeitsspektrum
Grundwasser

Wasser ist der Grundstock allen Lebens. Es zu schützen und für den Menschen nutzbar zu machen sehen wir als unsere Aufgabe. Dabei unterscheiden wir vier Bereiche:

Grundwasser – Trinkwasser – Mineral-und Heilwasser - Thermalwasser

Unser Arbeitsspektrum umfasst:

  • Untersuchungen nach der Trinkwasserverordnung, Mineral- und Tafelwasserverordnung (MinTafwV), VDM-Kontrollanalysen und Heilwasseranalysen

  • Durchführung von Anerkennungsverfahren für Mineralwässer und Heilwässer

  • Erkundung der Einzugsgebiete von Grundwässern

  • Erschließung von Trink-, Mineral-, und Thermalwasser Vorkommen

  • Untersuchungen zur Genese, Neubildung und Fließdynamik von Tiefenwässern, Mineral- und Heilwässern

  • Grundwasseraltersdatierung

  • Quantifizierung von Mischwasserkomponenten und Uferfiltratanteilen

  • Konzeptentwicklung und Optimierung von Tiefbrunnen und deren Nutzung

  • Ausarbeitung von Monitoringkonzepten

  • Konzeptentwicklung, Beratung und Vertrieb von Aufbereitungsanlagen

  • Ausarbeitung von Sanierungsmaßnahmen

Grundwasseraltersdatierung

Für eine Grundwasseraltersbestimmung stehen verschiedene Isotopenmethoden und Spurengasanalysen zur Verfügung. Eine fundierte Altersabschätzung erfolgt unter Einbeziehung von Rahmenbedingungen der Lokalität und Entnahmestelle, des hydrogeologisch/geologischen Normalprofils, der hydraulischen Charakteristik, der hydrochemischen Zusammensetzung, überregionaler Studien und bereits erfolgter Untersuchungen zum Neubildungsgebiet.


Je nach der Grundwasseralterszusammensetzung erlauben natürliche Umweltisotope die Erfassung eines großen Zeit- und Entfernungsmaßstabes im Bereich von Tagen bis zu Jahrtausenden.
Sehr junge Grundwasserneubildung im Bereich von Wochen, Monaten bis wenigen Jahren kann über die Erstellung von Zeitreihen der stabilen Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium untersucht werden.

Zeitskala_Isotope


Für die Ermittlung der mittleren Verweilzeit von jungen Grundwasserneubildungen innerhalb der letzten 60 Jahre stehen die radioaktiven Parameter Tritium (3H) und Krypton-85 (85Kr) zur Verfügung. Durch die gleichzeitige Bestimmung von 85Kr- und 3H lässt sich das Alter sowie der Anteil von Grundwasserkomponenten quantifizieren, die nach 1953 neu gebildet wurden.

Krypton-85 Harfe

Die radioaktiven Umweltisotope (3H, 85Kr, 14C, 39Ar, 81Kr) markieren Oberflächenwässer global. Neben der Einwirkung kosmischer Strahlung auf die obere Atmosphäre tragen vor allem anthropogene Aktivitäten zur Herkunft der radioaktiven Umweltisotope bei. So stammt ein Großteil des 3H aus Kernwaffenversuchen, während 85Kr in kerntechnischen Anlagen freigesetzt wird. Der Eintrag in das Grundwasser erfolgt direkt über den Niederschlag (3H) oder als gelöstes Bodengas im Sickerwasser (85Kr, 39Ar, 14CO2).

Tritium Krypton 85 Zeitreihe2

Über langjährige Messungen der Umweltisotope im Niederschlag an verschiedenen Niederschlagsstationen ist der Input der Umweltisotope gut bekannt. Jedoch bestehen örtlich große Unterschiede.

Für alte Grundwässer im Bereich von hunderten und tausenden von Jahren stehen ebenfalls radioaktive Umweltisotope für die Altersabschätzung zur Verfügung. Hier ist vorrangig die Bestimmung von Kohlenstoff-14 (14C-DIC) in Kombination mit Kohlenstoff-13 (δ13C-DIC) zu nennen. Durch die gleichzeitige Bestimmung von 39Ar und 14C lässt sich eine Beteiligung von Mischungen erkennen und quantifizieren.

Argon-39

Als indirekte Methode für den Grundwasseraltersbereich von tausenden bis zehntausenden von Jahren steht auch die Analyse von Isotopen- und Gasparameter zur Verfügung, die Hinweise auf die Klimabedingungen der Neubildung geben. Dies ist einmal über die Bestimmung der stabilen Isotope von Sauerstoff-18 und Deuterium und andererseits über die Ermittlung der so genannten Edelgastemperatur zu erreichen. So können Grundwasserneubildungen während Kaltzeiten (Pleistozän) von solchen während Wärmzeiten (z.B. Holozän) unterschieden werden.

Als weitere indirekte Untersuchungsmethoden für hohe Grundwasseralter sind die Gasisotope 3He/4He und 36Ar/40Ar zu nennen.

Sehr hohe Grundwasseralter sind über die radioaktiven Isotopengehalte von Chlor-36 (36Cl) und Krypton-81 (81Kr) zu bestimmen.

Methoden der Grundwasseraltersbestimmung sehr alter Grundwässer

Bei Grundwasseraltersdatierungen sehr alter Grundwässer ist zu unterscheiden, ob man die Untersuchungen

  • an Wasserproben aus bewirtschafteten Grundwasservorkommen, z.B. Brunnen der Tiefengeothermie oder Heilwasserbrunnen, oder
  • an Wasserproben, die im Zuge von Kurzpumpversuchen bei Forschungsbohrungen gewonnen werden, oder
  • an Porenwässern vornehmen möchte.

Geringergiebige, nicht pumpbare Grundwasservorkommen, wo jedoch noch Wasserproben mit speziellen Methoden oder Experimenten gewinnbar sind, stellen eine zusätzliche Zwischenstufe dar.

Bewirtschaftete Brunnen

Bei bewirtschafteten Brunnen sind meistens kontaminationsarme Probenahmen von hohem Volumen und unbegrenzter Dauer möglich. Dies erlaubt die Anwendung verschiedener Methoden. Im Jahr 2020 ist als wichtigste Methode die Datierung mit Krypton-81 (81Kr) für den Altersbereich >ca. 50.000 bis 1 Mio. Jahre zu nennen. Diese Methode wird aktuell (2020) in Deutschland und angrenzenden Ländern erfolgreich angewendet.
Weitere Datierungsmethoden für diesen Altersbereich sind Helium-4 (4He), Chlor-36 (36Cl) und Iod-129 (129I). Diese Datierungsmethoden wurden bislang hauptsächlich bei sehr großen Beckenstrukturen (Australien, Sahara, Südafrika), meist auch in Kombination mit Krypton-81, vorgenommen. Aufgrund der regional unterschiedlichen Startbedingungen und der in der Rate unbekannten Untergrundproduktion unterliegt die Methode von Chlor-36 einer hohen Unsicherheit. Zudem ist die Methode bei höheren Salzgehalten der Wasserproben nochmals verkompliziert und deshalb wenig geeignet, um belastbare Informationen zu gewinnen. Chlor-36 und Iod-129 wurden in Deutschland bislang nur ganz vereinzelt in Studienarbeiten untersucht.
Eine weitere Methode, jedoch nur im Rahmen einer indirekten Datierung sehr alter, wenig Gas führender Grundwässer, ist die quantitative Bestimmung von Helium-4 (4He) und Helium-3 (3He)  in Verbindung mit Neon (20,21,22Ne), empfohlen auch parallel zu Argon (40Ar/36Ar), Krypton und Xenon (NmL/kg). Gasreiche Tiefenwässer liefern hierbei jedoch aufgrund von Entgasungseffekten trotz umfangreicher Korrekturen oftmals keine ausreichend belastbaren Grundlagendaten.
Für eine effektive Datierung ist die Quantifizierung der Helium-Untergrundproduktion (4He, 3He) für die Aquifer- und Umgebungsgesteine sowie die Abschätzung der spezifischen He-Diffusion notwendig. Da dies nur für "geschlossene Systeme" plausibel abzuleiten ist, findet die Methode mit Helium- und Argonisotopen vor allem bei Porenfluiden als Datierungsmethode Anwendung (siehe unten). Bei bewirtschafteten Brunnen werden Heliumisotope als zusätzlicher, relativ gut analysierbarer, indirekter Tracer einbezogen. Weitere indirekte Altersparameter sind verschiedene radioaktive Isotope von Xenon und Uran, die jedoch ebenfalls bislang nur vereinzelt Anwendung in Europa erfahren haben.
Für fundierte, gute Altersdatierungen sehr alter Grundwässer ist auch bei Krypton-81 die zusätzliche Anwendung weiterer Methoden wie Kohlenstoff-14 (14C) sowie Klimaparameter (Edelgastemperatur, stabile Wasserisotope) notwendig. Selbstverständlich ist eine Grundwasseraltersbestimmung in den hydrogeologischen/hydrogeochemischen, sowie regional-geologischen Kontext einzuarbeiten. Dies beinhaltet die Erkundung aller vorhandenen Daten aus Bohrungen und Brunnen des regionalen bzw. überregionalen Grundwasservorkommens, um konsistente Ergebnisse darstellen zu können.

Kurzpumpversuche bei Forschungsbohrungen

Bei Kurzpumpversuchen im Rahmen von Forschungsbohrungen sind meistens nur stark durch die Bohrtätigkeiten (Bohrspülung, Spülungswässer, Luft, Gesteinstrübe) kontaminierte Proben gewinnbar und die Probengewinnung (Pumpzeit) zeitlich begrenzt. Dies limitiert bereits die Anwendung von Parametern wie Kohlenstoff-14 oder Tritium, da die letztendliche Kontaminationskorrektur und Extrapolation einen nur interpretativen Charakter hat. Sofern die Probengewinnung und die Wasserzusammensetzung (hohe Salinität bedeutet geringe Gaslöslichkeit) eine Gewinnung von ausreichend Krypton (>ca. 2 µL) erlaubt, ist auch bei diesen Proben die Anwendung von Krypton-81 möglich, da mit dem allein anthropogen bedingten Parameter Krypton-85 (85Kr) die Möglichkeit der Korrektur von Kontaminationen durch Probennahme und -präparation vorhanden ist. Noch mehr als bei bewirtschafteten Vorkommen ist die Einbindung in den hydrogeologischen/ hydrogeochemischen, sowie regional-geologischen Kontext und die kombinierte Anwendung anderer Datierungs- und Klimaparameter unerlässlich.

Porenwässer und Porenfluide (und sehr gering ergiebige, nicht pumpbare Grundwasservorkommen)

Porenfluide können in der Regel nur in sehr geringen Volumina und meist nur über indirekte Verfahren gewonnen werden. Dies kann je nach Gestein als stark verzögerter Ausfluss aus abgepackerten Bohrungen erfolgen, z.B. Gewinnung von 1 L Wasser über ein Jahr, oder Informationen können über Austausch- und Extraktionsexperimente, meist in Zeitreihen, oder durch den Auszug von Porenwässern aus Kernmaterial gewonnen werden. Die Anwendung von Datierungsmethoden mit radioaktiven Krypton-Isotopen ist nicht möglich, da die notwendige Menge Kryptongas für die Analytik aktuell nicht gewinnbar ist. Die in 2020 verfügbare Analysemethodik erlaubt jedoch die Bestimmung von Helium- und Argonisotopen (40Ar/36Ar) sowohl am Gestein als auch an Fluiden, die aus dem Gestein extrahiert werden. Wie oben angegeben, können Datierungen über die Helium- und Argonisotope vorgenommen werden, sofern von „geschlossenen“ Systemen ausgegangen werden kann. Sind ausreichend, kontaminationsfreie Wasservolumina gewinnbar, so kann analytisch die Methodik von Kohlenstoff-14, Chlor-36, Iod-129, Argon-, Xenon- und Uranisotopen angewendet werden. Jedoch bleiben die Probleme der Interpretation bestehen, die für diese Parameter generell bestehen. Anhand von Porenwassertiefenprofilen kann der Zeitraum des Austausches zwischen advektiv fließendem Grundwasser und damit diffusiv austauschendem Porenwasser modelliert werden, wozu die Bestimmung von petrophysikalischen Transportparametern des Wirtsgesteines notwendig sind.
Auch bei Porenfluiden ist nach Möglichkeit die größtmögliche Einbindung in den Kontext sowie die größtmögliche Kombination mit hydrochemischen, isotopenphysikalischen und Edelgasparametern zu erreichen. In der Regel bedeutet dies eine engmaschige Untersuchung von Bohrprofilen.

Charakterisierung von Grundwassersystemen unterschiedlichen Alters im Hinblick auf eine höherwertige Nutzung (z.B. Mineralwasser, Heilwasser etc.)

Grundwässer unterschiedlichen Alters erfordern einen differenzierten Umgang bezüglich ihrer Nutzung. Die Hauptcharakteristika von "alten" Grundwässern, Mischwassersystemen und "jungen" Grundwässern auch im Hinblick auf Kosten, Aufwand, Geschützheit, Stabilität und Entnahmerate sind in Tab.1 zusammengefasst.

kostenTab. 1: Charakterisierung von Grundwassersystemen

Untersuchung zur Genese, Neubildung und Fließdynamik von Tiefengrundwässern von Tiefenwässern, Mineral- und Heilwässern

Neben der Grundwasseraltersabschätzung stehen für die Untersuchung der Genese, Neubildung und Fließdynamik von Grundwässern verschiedene Isotopenmethoden zur Verfügung, die die Isotopensignatur von gelösten Inhaltsstoffen nutzen:

Profil

Isotopensignaturen von Schwefelspezies (Sulfat, Sulfid) geben sowohl Auskunft über die Herkunft wie Evaporitlösung, Pyritoxidation, Fallout-Schwefel etc. als auch über sekundäre Prozesse wie Sulfatreduktion.

  • Schwefel-34 und Sauerstoff-18 am Sulfat (δ34S-SO4 und δ18O-SO4)
  • Schwefel-34 am Sulfid (δ34S-H2S)

Sulfat

Isotopensignaturen von Stickstoffspezies (Nitrat, Nitrit, Ammonium, gasförmiges Stickstoff) geben Auskunft über die Herkunft wie organischer und mineralischer Dünger, geogene Herkunft etc. als auch über sekundäre Prozesse wie Nitratreduktion.


Stickstoff-15 und Sauerstoff-18 (δ15N-NO3 und δ18O-NO3)
Stickstoff-15 am Ammonium (δ15N-NH4)
Stickstoff-15 am gasförmigen Stickstoff (δ15N-N2)

Nitrat

Isotopensignaturen des gelösten Strontium geben Auskunft über Migrationswege von Grundwässer bei verschiedenen Lithologien bzw. über Fallout von Nuklearunfällen (z.B. Tschernobyl).

  • Strontiumisotopenverhältnis (87Sr/86Sr)
  • Strontium-90 (90Sr)

strontium

Isotopensignaturen von anorganischen und organischen Kohlenstoffkomponenten geben Auskunft über Herkunft wie vulkanische Gase, gelöste Karbonate, organisches Material etc. und Umwandlungsprozesse wie thermokatalytisch, mikrobiell etc.

Kohlenstoff-13 am DIC (δ13C-DIC)
Kohlenstoff-13 und Sauerstoff-18 am Kohlendioxid (δ13C-CO2 und δ18O-CO2)
Kohlenstoff-13 am DOC (δ13C-DOC)
Kohlenstoff-13 und Deuterium an gasförmigen Kohlenwasserstoffen (δ13C-CH4 und δ2H-CH4 sowie δ13C-C2-C4 und δ2H-C2-C4)
Kohlenstoff-13 und Deuterium an organischen Schadstoffen wie LHKWs, BTEX, MKW

Kohlenstoff

 

Isotopensignaturen von radioaktiven Töchtern der Zerfallsreihen von Uran-238, Uran-235 und Thorium-232 geben außer Auskunft über die radioaktive Belastung von Grundwässern auch Auskunft über Herkunft, Lithologien und Änderungen von Fließdynamik.

  • Aktivitätskonzentration von Isotopen des Radium (223Ra, 224Ra, 226Ra und 228Ra)
  • Aktivitätskonzentration von Radon (222Rn)
  • Aktivitätskonzentration von Isotopen des Uran (234U, 235U, 238U)
  • Aktivitätskonzentration von Radon-Töchtern (210Pb, 210Po)

Weitere Isotopensignaturen von gelösten Inhaltsstoffen wie Chlorid, Bor, Blei, Lithium, etc. finden bei bestimmten Fragestellungen von geogener Herkunft oder anthropogener Belastung (Munition, Bergbau, Deponien, Abwasserkanäle etc.) Anwendung.

  • Chlor-35 (δ35Cl)
  • Bor-11 (δ11B)
  • Lithium-6 (δ6Li)
  • Bleiisotope (206Pb, 207Pb, 208Pb)
  • Eisen
  • Calcium
  • Chrom

Radioaktive Parameter aus Einträgen von Nuklearunfällen und medizinischen Abwässern geben nicht nur Auskunft über radioaktive Belastung, sondern können auch bei Fragen des Alters von Bodenproben Auskunft geben.

  • Cäsiumisotope (137Cs und 134Cs)
  • Iodisotope (129I und 131I)
  • Americium

Stabile Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium

Die Untersuchung der Isotopensignatur von δ18O und δ2H eines Grundwassers kann bei verschiedenen Fragestellungen weiterhelfen:

  • Ermittlung der Herkunft von Wässern
  • Datierung junger Grundwässer
  • Aufspüren eiszeitlich gebildeter Grundwässer
  • Infiltration von Flusswasser
  • Infiltration von Seewasser
  • Deuterium als künstlicher Markierungsstoff bei Grund- und Porenwassermarkierungsversuchen sowie biologischer Anwendungen

Die hydrologische Anwendung von Messungen des Gehaltes an den stabilen Isotopen δ2H und δ18O am Wassermolekül beruht im Wesentlichen auf den in natürlichen Wässern auftretenden unterschiedlichen Konzentrationen. Diese sind Folge verschiedener physikalischer Prozesse. In erster Linie gehen sie auf die temperaturabhängige Verdunstung zurück. Die verschiedenen Isotopeneffekte führen zu einer örtlich und zeitlich charakteristischen Markierung der Niederschläge und damit auch zu einer örtlich und zeitlich charakteristischen Markierung der verschiedenen Wasserkörper des Wasserkreislaufes.

2 Wasserkreislauf 

Die Untersuchung der stabilen Isotope sollte in jede weiterführende Studie zu Grundwasseralter und Herkunft einbezogen werden. Die Parameter sind sehr gut für alle Monitoringprogramme geeignet, die Änderungen des Zuflusses überwachen.

Im Folgenden werden verschiedene Grundwässer in einer fiktiven Region im Diagramm dargestellt:

BspStabIsoDia en