EP5 - Mobile Mischphasen


Ziele

Nanopartikuläre natürliche mineralorganische Mischphasen aufgebaut aus Mineralen, wie z.B. sekundäre Oxihydroxide, Karbonate, Tonminerale, sowie organischen Bestandteilen aufgebaut, die in allen natürlichen Systemen vorkommen, werden auch als natürliche Kolloide bezeichnet. Als Kolloide werden alle im Wasser dispergierten Partikel mit einem Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm in mindestens einer Dimension bezeichnet. Aufgrund der geringen Größe wird infolge der Brown´schen Molekularbewegung die Sedimentation der Partikel weitestgehend verhindert, so dass Kolloide meist mobil sind. Mobile Kolloide könnten somit als Tracer für bestimmte Aquifere dienen, um herauszufinden welchen Ursprung ein Grundwasser hat und welche stratigraphischen Einheiten dabei durchflossen wurden. Die Idee liegt dem zu Grunde, dass durch chemische Verwitterung Mineralphasen gelöst oder umgebildet werden, es zu Sekundärmineralisationen (z.B. Tonminerale, Eisen-, Aluminium und Manganoxide) kommt und resistente Lösungsrückstände übrig bleiben. Besonders die mobile Kolloide aus Sekundärmineralisationen und die resistenten organischen Lösungsrückstände könnten somit als potentielle Tracer für bestimmte stratigraphische Einheiten in Zukunft dienen.

Das Ziel ist es, solche mobilen Einzelpartikel und kleineren Aggregate in Grundwasserproben aufzufinden und mittels geeigneter Methodenkombination deren Anwesenheit als mobile Kolloide zu verifizieren und charakterisieren.

Arbeitsgebiet

Probenahmegebiete für EP5 sind:

  • Forschungsbohrung, Erfurt
  • im Hainich, nahe Kammerforst
  • Tannrodaer Sattel, rund um Bad Berka

Methodik

Zunächst müssen mobile Mischphasen, wie z. B. Kolloide, aus Wasserproben gewonnen werden, um diese strukturell, morphologisch und chemisch charakterisieren zu können. Dies kann z.B. durch die Filtration von Grundwasser mittels Silberfilter geschehen. Anschließend werden die Silberfilter mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX-Analyse) auf mobile Kolloide untersucht. Um den Ursprungsort der auf dem Silberfilter vorgefundenen Partikel, die im Wesentlichen den Begriff eines Kolloides erfüllen, verifizieren zu können, wird das Bohrkernmaterial der Filterstrecken genutzt. Drei verschiedene Fraktionen des Bohrkernmaterials werden dazu mittels XRD, Fourier-transformierter-Infrarotspektroskopie (FTIR-Spektroskopie) und REM-EDX-Analyse charakterisiert. Die erste Fraktion entspricht dem ursprünglichen Ausgangsmaterial, die zweite Fraktion dem des resistenten Lösungsrückstandes und die dritte Fraktion die der sekundären Minerale, welche sich auf den offenen Kluftflächen angereichert haben. Für die erste und zweite Fraktion werden ungestörte Proben aus dem Bohrkerninnerem entnommen, an denen makroskopisch keine offene Klüfte und Verwitterungsmerkmale erkennbar waren.

Ergebnisse

Es wurde festgestellt, dass besonders Aggregate aus verwittertem, silikatischem Material, sehr wahrscheinlich Tonminerale, auf den Silberfiltern vorzufinden waren (Abb. 1a). Die EDX-Analysen zeigten, dass diese Silikate besonders magnesiumhaltig waren, nicht wie sonst üblich ausschließlich Kaliumsignale im EDX-Spektrum enthielten. Neben den magnesiumhaltigen Silikaten wurden nanokristalline Eisen- (Abb. 1b) und Aluminiumoxide (Abb. 1c) in geringerem Umfang auf den Filtern vorgefunden. Röntgenstrukturanalysen mittels Röntgenpulverdiffraktometrie sind aufgrund der insgesamt sehr geringen Probenmengen nicht möglich.

Figure1_EP5

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen mit dazugehörigen EDX-Spektren von a) Silikaten/Tonmineralen, b) Eisenoxiden und c) Aluminiumoxiden, die als Rückstand nach der Filtration von Grundwasser eines Trochitenkalkaquifers auf einem Silberfilter vorlagen.


Die strukturelle Charakterisierung des unverwitterten Trochitenkalks (Fraktion 1) mittels XRD und FTIR-Spektroskopie ergab, dass Calcit der Hauptbestandteil des Trochitenkalks ist. Geringe Mengen an Quarz und Dolomit konnten durch beide Methoden ebenfalls nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse sind deckungsgleich mit den REM-EDX-Analysen dieses Materials, die fast ausschließlich auf die Anwesenheit von Calciumcarbonat hindeuten. Ein Rückschluss auf potentiell mobile Kolloide im unverwitterten Trochitenkalk konnte aufgrund des hohen Calcitanteils nicht gezogen werden. Um den resistenten Lösungsrückstand (Fraktion 2), der bei der Carbonatverwitterung/-lösung übrig bleibt, zu erhalten, wurde das Material mittels Säure behandelt, bis sämtliche Carbonate aufgelöst waren. Die strukturelle Charakterisierung ergab, dass Quarz, Albit und Illit die Hauptmineralphasen des Lösungsrückstandes sind. Die chemisch-morphologische Charakterisierung mittels REM-EDX-Analyse zeigte vor allem Partikel im Kolloidgrößenbereich, die in ihrer Form, Größe und chemischen Zusammensetzung den der silikatischen Partikeln auf den Silberfiltern sehr ähnlich waren. Sehr wahrscheinlich handelte es sich dabei um Tonminerale, die wiederum besonders hohe Magnesiumgehalte aufwiesen. Neben den Tonmineralen wurden vor allem idiomorpher Quarz und Albit, die vermutlich beide authigenen Ursprungs sind, mittels REM-EDX-Analyse nachgewiesen. Auch wenn die idiomorphen Quarzpartikel mit einer konstanten Größe von 3 x 7 µm laut Definition Crystal morphology of natural and synthetic colloids Trochitenkalk angenommen werden. Für die Charakterisierung der sekundären Minerale (Fraktion 3), die sich auf den offenen Kluftflächen angereichert haben, wurde das Material vorsichtig von den Kluftflächen abpräpariert und ohne weitere Behandlung mittels aller genannt Methoden charakterisiert. Alle gewonnenen Ergebnisse belegen, dass nanokristalline Eisenoxide, hauptsächlich Goethit, an den Kluftflächen vorliegen und diese mit dem Grundwasser in kolloidaler Form transportiert werden können, was auch die Anwesenheit der morphologisch ähnlichen Eisenoxide auf den Silberfiltern belegt.

Mitarbeiter/innen

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