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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-84737
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8473/


Ludwig, Florian

Regional variation of chemical groundwater composition in Hessen, Germany, and its relation to the aquifer geology

Regionale Unterschiede der chemischen Grundwasserzusammensetzung in Hessen, Deutschland, in Bezug zum geologischen Aufbau der Grundwasserleiter

Dokument1.pdf (7.897 KB) (md5sum: 258b6df91e9b7e4abc993b1a850452fb)

Kurzfassung in Englisch

Water-rock interactions of both low and high pH groundwaters in silicate fissured rock aquifers were studied in order to delineate the principal patterns of hydrochemical groundwater evolution. The investigations included both field studies and laboratory experiments. The fields of interest comprise the Triassic Bunter sandstone sequence of the Odenwald low mountain range and the Tertiary basaltic rock sequence of Mt. Wasserkuppe, Rhön mountain range, central Germany. Among the Bunter sandstone aquifer, groundwater composition comprises low pH, SO4-rich near-surface groundwaters issued by springs (Ca-Mg-SO4-type) grading to SO4-poor groundwaters at greater depth with near-neutral pH (Ca-HCO3-type). In the basaltic rock aquifer, the hydrochemical composition of near-surface groundwaters indicates a Ca/Mg-HCO3 type with near-neutral pH and evolves to a Na-HCO3 type with high pH at greater depth.
In order to determine initial mineral alteration reactions and the origin of dissolved ions, short-term batch experiments of the original aquifer rocks were performed. The reactions were deduced from the leachate hydrochemical data calculating mass transfer as inverse modelling approach, balancing primary mineral dissolution and precipitation of secondary minerals. The definition of mineral reactions was also constrained to the saturation stages of the individual minerals and to reaction kinetics as mineral dissolution rates. Experimental mineral alteration reactions of the sandstone aquifer involve the decomposition of anorthite, K-feldspar, biotite, and jarosite as well as the mobilisation of Na-Cl-fluid inclusions in quartz grains. The basaltic rocks indicate the alteration of olivine, Ca-pyroxene, plagioclase, pyrrhotite, and feldspathoids. The transformation budgets were balanced by the formation of secondary clay minerals of the smectite group and iron hydroxides as low-T mineral phase.
Natural groundwater evolution involves the mineral alteration reactions deduced from the batch experiments and also includes long-term reaction processes. Among the sandstone groundwaters, the dissolution of K-feldspar converts Ca-montmorillonite to illite (illitisation). The formation of Na-beidellite correlates with decreasing concentration of Na+ in solution during groundwater maturation. In the basaltic sequence, the conversion of secondary Na-beidellite to illite occurs at a later stage of groundwater evolution, reducing the concentrations of K+ and Mg2+. Among the mature high-pH basaltic groundwater at greater depth, water-rock interactions are basically limited to the dissolution of anorthite and albite. Sorption and exchange processes as a function of pH and the availability of sorptive matter (iron hydroxides, clay minerals) could be associated to both lithologies. As indicated for the sandstone sequence by modelled adsorption curves, the decrease of SO42- concentrations during groundwater evolution relates to the adsorption of SO42- at low-pH. Whereas near-surface groundwaters in the basaltic sequence do not indicate significant cation exchange, Na-alkalisation of the high-pH groundwaters at greater depth suggests the exchange of Na+ for Mg2+ and Ca2+ on secondary mineral phase.
The concentrations of dissolved heavy metals and arsenic were referred to their mobility in the aquifer systems. Mobility of an ion is referred to its non-conservative transport in the aquifer system with possible effect by chemical (e.g. precipitation) or physical (e.g. sorption) processes. Prior to estimating the feasibility of demobilisation of dissolved species by sorption, speciation calculations were run to determine the individual element species. The mobility of iron could be basically related to the formation of solid ferrihydrite (Fe(OH)3) as a function of Eh and pH. Consequently, sorption curves were modelled for sorption of the metal ions and anionic As and Cr species on hydrous ferric oxide as a function of pH. With exception of Cu, the sorption mechanisms postulated were found to be consistent with the concentrations of the particular dissolved element species in the natural groundwaters. In addition, the concentrations of dissolved iron indicate positive linear correlation to dissolved arsenic and to several heavy metals such as Pb, Co, Ni, and Zn; suggesting co-precipitation and synchronous remobilisation of previously sorbed elements as a function of Eh. With regard to Cu, the formation of oxides has to be considered as an important mobility control.


Kurzfassung in Deutsch

Zur Bestimmung der grundlegenden Abläufe der hydrochemischen Genese von Grundwässern in silikatischen Festgesteins-Grundwasserleitern wurden Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen sowohl in Niedrig- als auch in Hoch-pH-Wässer untersucht. Die Untersuchungen fokussierten sich auf den triassischen Buntsandstein des Odenwaldes sowie die tertiäre Basaltabfolge der Wasserkuppe in der Rhön und umfassten Feld- und Laborexperimente. Im Grundwasserleiter des untersuchten Buntsandsteins treten oberflächennah SO4-reiche Wässer mit niedrigen pH-Werten auf (Ca-Mg-SO4-Typ), die sich mit zunehmender Tiefe zu einem SO4-armen Grundwasser mit neutralem pH-Wert entwickeln (Ca-HCO3-Typ). In der Basaltabfolge werden oberflächennahe Grundwässer durch einen Ca/Mg-HCO3-Typ und neutrale pH-Werte angezeigt, der sich in tieferliegenden Grundwässern zu einem Na-HCO3-Typ mit hohen pH-Werten entwickelt.
Zur Ermittlung initialer Mineralalterationsreaktionen und zur Herkunftsbestimmung der gelösten Ionen wurden Kurzzeit-Laugungsversuche an den Gesteinen der betrachteten Grundwasserleiter durchgeführt. Die Reaktionen wurden durch inverses hydrochemisches Modellieren auf Basis der Zusammensetzung der Laugungswässer unter Berücksichtigung der Laugung von Primärmineralen und der Bildung von sekundären Mineralphasen abgeleitet. Die Mineralalterationsreaktionen wurden zudem anhand der Sättigungszustände der Mineralphasen verifiziert und hinsichtlich der Reaktionskinetik (Löslichkeitsraten) der betrachteten Minerale bewertet. Die experimentell ermittelten Alterationsreaktionen des Buntsandstein-Grundwasserleiters umfassen die Laugung von Anorthit, K-Feldspat, Biotit und Jarosit sowie die Mobilisierung von Na-Cl-Flüssigkeitseinschlüssen in Quarzkristallen. Die Basalte weisen die Alteration von Olivin, Ca-Pyroxen, Plagioklas und Feldspatoiden auf. Ausgeglichen wurden die Alterationsumsätze durch die Bildung von sekundären Tonmineralen der Smektit-Gruppe und Eisenhydroxiden als Niedrigtemperatur-Mineralphasen.
Die natürliche Grundwassergenese umfasst neben den durch die Laugungsexperimente ermittelten initialen Reaktionen zusätzlich auch Langzeit-Reaktionsprozesse. In den Buntsandstein-Grundwässern führt die Laugung von K-Feldspat zur Umwandlung von Ca-Montmorillonit zu Illit (Illitisierung). Die Entstehung von Na-Beidellit im Laufe der Grundwassergenese korreliert mit abnehmenden Na-Konzentrationen der Grundwässer. In der Basaltabfolge erfolgt die Umwandlung von Na-Beidellit zu Illlit in einem höheren Reifestadium der Grundwassergenese und führt zu abnehmenden Mg und K-Konzentrationen. Die Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen in Grundwässern in größerer Tiefe mit hohen pH-Werten sind beschränkt auf die Alteration von Anorthit und Albit. Sorptions- und Ionen-Austauschprozesse als eine Funktion des pH-Wertes und der Verfügbarkeit von sorptiven Oberflächen (Eisenhydroxide, Tonminerale) konnten mit beiden Gesteinseinheiten assoziiert werden. Die modellierten Sorptionskurven für die Buntsandstein-Abfolge deuten darauf hin, dass die abnehmenden SO4-Konzentrationen im Verlauf der Grundwasserentwicklung auf die Sorption von SO4 bei niedrigen pH-Werten zurückzuführen ist. Während die oberflächennahen Grundwässer in der Basaltabfolge einen Kationenaustausch nicht erkennen lassen, deutet die Alkalisierung der Hoch-pH-Wässer in größerer Tiefe auf einen Austausch von Na gegen Ca und Mg an Sekundärmineralen hin.
In sieben unterschiedlichen Grundwassersystemen wurde die Mobilität von gelösten Schwermetallen und Arsen untersucht. Die Mobilität eines Ions wurde in Bezug gesetzt zu seinem nicht-konservativen Transport in einem Grundwasser-System unter möglicher Beeinflussung durch chemische (z. B. Ausfällung) und physikalische (z. B. Sorption) Prozesse. Vor der Bewertung einer möglichen Demobilisierung einer gelösten Spezies durch Sorption wurden Berechnungen zur Bestimmung der jeweiligen Spezies durchgeführt. Die Mobilität von Eisen konnte in Bezug gesetzt werden zu der Bildung von Eisenferrihydrit (Fe(OH)3) als Funktion des pH-Wertes und des Redoxpotentials. Es folgte daraufhin die Berechnung von Sorptionskurven verschiedener Schwermetalle und von Arsen hinsichtlich der Sorption an Eisenferrihydrit als eine Funktion des pH-Wertes. Mit Ausnahme von Cu konnten die postulierten Sorptionsmechanismen mit der Verteilung der Elementkonzentrationen in den natürlichen Grundwässern korreliert werden. Zudem weisen die Konzentrationen an gelöstem Eisen positive lineare Korrelation zu Arsen und verschiedenen Schwermetallen wie Pb, Co, Ni und Zn auf, was auf eine zeitgleiche Ausfällung und erneute gemeinsame Remobilisierung als eine Funktion des Redoxpotentials hindeutet. Bezüglich der Mobilität von Cu erscheint die Bildung von Cu-Oxiden als ein wichtiger Kontrollfaktor.


SWD-Schlagwörter: Schwermetall , Sorption , Kationenaustausch , Buntsandstein , Basalt , Hydrogeochemie , Grundwasser
Freie Schlagwörter (deutsch): Grundwassergenese , Mineralalteration
Freie Schlagwörter (englisch): hydrochemical groundwater evolution , mineral alteration reactions , sorption , cation exchange , heavy metals
PACS Klassifikation Ground wat
Institut: Institut für Mineralogie, Petrologie und Geochemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Bucher, Kurt (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.12.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 14.03.2012
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