EP6 - Trägerfluide


Ziele

Zum Verständnis der Fluidzirkulation werden Grund- und Quellwässer in Einspeisungs- und Entlastungsgebieten des Thüringer Beckens mit Hilfe von hydrochemischen Signaturen (Fraktionierungsmuster der Seltenen Erden Elemente bzw. stabile Isotope) und der mikrobiellen Diversität charakterisiert und den jeweils beheimateten formationsbezogenen Reservoiren zugeordnet. Es werden oberflächennahe Muschelkalk- und Buntsandsteingrundwässer, als auch Tiefenwässer des Zechsteins untersucht, um der Frage "Kann man hydrogeochemische und mikrobiologische Unterschiede feststellen und sie einer jeweiligen Lithostratigraphie zuordnen?" nachzugehen. Hierbei werden auch Interaktionen zwischen verschiedenen Aquiferen in Betracht gezogen.

Arbeitsgebiete

Die untersuchten Buntsandstein- und Muschelkalkgebiete liegen an den entgegengesetzten Rändern der "Thüringer Senke". Sie gelten als Einspeisungsgebiete für den Tiefenfluss des Beckens. Die Zechsteingebiete bei Artern, Bad Kösen und Bad Langensalza gelten als Aufstiegsgebiete für salinare Tiefenwässer. Hier liegen die Zechsteingesteine in moderater Tiefe bzw. sie beißen an der Oberfläche aus. Ein Teil der Zechsteinwässer im Eichsfeld entstammen der Kalihalde bei Bleicherode und bewegen sich subhorizontal entlang grundwasserleitenden Schichten des Röt. Im Werra-Kaligebiet liegen neben den natürlich austretenden Wässern im westlich anschließenden Gebiet auch künstliche Wässer vor, die durch Versenkung von Produktionswässer aus dem Plattendolomit zur Erdoberfläche steigen. Neben Quellwässern wurden insbesondere Bohrbrunnenwässer untersucht, im Einzelfall bis zu einer Tiefe von 1200 m (Bad Colberg). 

Methodik

Für Messungen der Physikochemie werden ein tragbares Messsystem (Multi 340i, WTW) und spezielle Sonden verwendet:

  • Elektrische Leitfähigkeit: EC; TetraCon 325, WTW
  • Redoxpotential: Eh; BlueLine 31 Rx, 3 M KCl, Schott
  • Sauerstoff: DO, OxiCal, WTW
  • pH-Wert und Temperatur: BlueLine 11, 3 M KCl, Schott

Grundwasserproben werden entnommen, in entsprechende Gefäße abgefüllt und bis zur Messung bei 6°C gekühlt. Ein Teil der Proben wird direkt am Probenahmeort vorbereitet (gefiltert und angesäuert). Die anorganischen Inhaltsstoffe werden im Labor der Angewandten Geologie mit folgenden Geräten gemessen:

  • ICP-MS (X Series II; Fa. Thermo Fisher Scientific): Al, As, B, Ba, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ho, La, Li, Lu, Mn,Nd, Ni, Pb,Pr, Sc, Sm, Tb, Th, Ti, Tm, U, V, Y, Yb, Zn
  • ICP-OES (Varian 725 ES): Ca, K, Mg, Na, P, S, Si, Sr
  • Ionenchromatographie (DX 600system Fa. Dionex): Bromid, Chlorid, Fluorid, Nitrat, Sulfat
  • UV-VIS-Fotometer (Spektrophotometer HachDR/4000U): Nitrit, Phosphat, Ammonium
  • Titration (Titriergerät MetrohmTitrino 716 DM): HCO3-
  • TOC Analyser (multi N/C 2100, Analytik,Jena): DOC
  • Stabile Isotope: 2H, 18O, 34SSO4, 18OSO4

Während der Probenahme für mikrobielle Untersuchungen werden spezielle sterile Gefäße verwendet und sehr genau darauf geachtet, dass Luftkontaminationen möglichst ausgeschlossen werden. Im Labor der Mikrobiologie werden kultivierungs- und kultivierungsunabhängige Methoden angewendet, um die im Grundwasser vorkommenden Bakterien zu bestimmen. Die isolierten Stämme werden mit Hilfe von physiologischen Tests charakterisiert. Die in Solewässern vorkommenden Bakterien werden in Salztoleranztests auf ihre bevorzugte Lebensweise hin überprüft. Die Fluoreszenz-Mikroskopie dient der Zellzahlbestimmung im Grundwasser. Des Weiteren werden Untersuchungen an den umgebenden Gesteinsschichten eines Zechsteingrundwasseraquifers durchgeführt, sodass ein Vergleich der im Grundwasser und der im Gestein vorkommenden Bakterien vorgenommen werden kann.

Grundwasserprobe_EP6-bearb

Abb. 1: Beprobter Grundwasserbrunnen mit entsprechendem Equipment für eine Messung der physikochemischen Parameter, sowie mikrobielle Proben bzw. Isolate, die auf ihre Morphologie und Physiologie hin untersucht wurden


Ergebnisse

Hydrochemie, Isotopie, Geologie mit lithostratigrafischer Spezifika:

Die Hauptelemente und für evaporitische Bildungen relevanten Spurenelemente (B, Li, Sr), sowie die isotopische Komposition der gelösten Sulfate im Wasser geben Rückschlüsse auf Gesteins-Wasser-Wechselwirkungen spezifischer Formationen. So lässt sich die Lösung von Sulfaten aus Gesteinen des Zechsteins, des Unteren/Mittleren Buntsandsteins und des oberen Buntsandsteins deutlich zuordnen. Aus Untersuchungen der 34SSO4 und 18OSO4 Isotope an Feststoffen (Gesteinsproben?) der EP3 und EP4 sind weiterhin typische Signaturen von Sulfaten aus dem Mittleren Muschelkalk und Keuper bekannt, die wichtige Hinweise bei der Charakterisierung einzelner Wasserproben liefern. Innerhalb des Buntsandsteins im Bereich des flächenhaften Ausstreichens dieser Formationen im südöstlichen und nordwestlichen Teil des Thüringer Beckens finden flächenhaft Kommunikationen zwischen Oberem und Mittleren/Unteren Buntsandstein statt. Es handelt sich um deszendenten Wasserfluss, der in erster Linie an Klüfte im Gestein gebunden ist. Untergeordnet findet auch Porenwasserfluss statt. Im südöstlichen Bereich des Thüringer Beckens gibt es keine Hinweise auf Einflüsse von Zechsteinwässern in Buntsandsteinaquiferen. Im Norden und Nordwesten des Beckens treten dagegen störungsgebundene Wechselwirkungen zwischen salinaren Zechsteinwässern und Buntsandsteinaquiferen auf. Dabei dient das System der Finnestörung im Bereich des Saaletals (Bad Kösen, Bad Sulza), sowie westlich davon im Gebiet der Ortschaft Harras den aszendenten Wässern als Wegsamkeit. Weitere Lokalitäten für aufsteigende Wässer aus dem Zechstein wurden im Bereich der südlichen Kyffhäuser-Randstörung (Bad Frankenhausen, Artern, Auleben) festgestellt.

Seltene Erden Elemente:

Für die Charakterisierung der Bildungsbedingungen der Wässer in Bezug auf die Redox-Verhältnisse eignen sich die Fraktionierungsmuster der Seltenen Erden Elemente. Reduzierende Verhältnisse wurden ausschließlich in Wässern mit Assoziation zu Zechsteinaquiferen festgestellt. Diese sind jedoch nicht lokal begrenzt, sondern treten sowohl in Nordthüringen, als auch südlich des Thüringer Waldes im Bereich Bad Salzungen auf.

Mikrobiologie:

Mit einer statistischen Multivarianzanalyse aus mikrobiologischen und hydrogeologischen Datensätzen konnte eine deutliche Signatur für Grundwasserleiter ermittelt werden. Bakterien sind an Poren und Klüfte im Gestein gebunden und gelangen somit in grundwasserführende Schichten. Dabei lassen sich salinare Tiefenwässer, die aus dem Zechstein beeinflusst sind, deutlich von oberflächennahen Wässern differenzieren. Es ist eine sehr enge Überlappung der Muschelkalk- und Buntsandsteindiversitäten erkennbar. Quellen, deren Grundwasseraquifer im Buntsandstein verläuft, die aber vermutlich durch einen Eintrag einer nahgelegenen Halde durch Salz angereichert wurden, zeigen ein ähnliches bakterielles Vorkommen wie Quellen, deren Grundwasseraquifer im Zechstein verläuft und durch Sickerwasser aus oberflächennahen Schichten verdünnt wurde. In nördlichen Grundwasserleitern (Bad Frankenhausen, Kyffhäuser Quelle, 1,63 M Salz) konnte eine sehr ähnliche Diversität wie in südlichen Grundwasserleitern des Thüringer Beckens (Bad Salzungen, Sole 6%, 1,03 M) bestimmt werden, sodass keine regionalen Besonderheiten auf großer Distanz verzeichnet werden konnten. Dennoch sind Variationen in sehr eng benachbarten Brunnen feststellbar, sodass störungsgebundene Wechselwirkungen oder weitere Einflüsse auf kleinem Raum möglich sind. Es hat sich sowohl in geringkonzentrierten als auch in hochkonzentrierten Solewässern gezeigt, dass eine Vielzahl an Bakterienstämmen bei einer sehr breiten Varianz an Salzkonzentrationen lebensfähig ist. Des Weiteren wurden identische Bakterienstämme aus einem Zechsteingrundwasseraquifer und einem Salzgestein (Halit, Sylvinit, Carnallit) isoliert. Dies bestätigt die hydrogeologische Aussage der Gesteins-Wasser-Wechselwirkungen spezifischer Formationen.

Mitarbeiter/innen

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