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Hydrogeochemische Charakterisierung von Grundwässern des Oberrheingrabens zur Identifizierung störungsbedingter Tiefenwasser‐Einflüsse

Al Najem, Sami

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Abstract

Im Rahmen der Entwicklung kostengünstiger Methoden für die Geothermie-Prospektion wurde oberflächennahes Grundwasser des südlichen und nördlichen Oberrheingrabens (ORG) auf den Eintrag eines Tiefenwassers untersucht. Dieser Eintrag basiert auf dem Aufstieg und der Zirkulation von Tiefenwässern an hydraulisch aktiven Abschnitten von Störungszonen. Zur Rekonstruktion der Entstehung und Entwicklung dieser Tiefenwässer wurden, ergänzend zu den oberflächennahen Grundwässern, mesozoische und känozoische Thermalwässer des ORG untersucht. Die Wässer wurden durch einen Multimethodenansatz charakterisiert. Dabei wurden relevante Haupt- und Spurenelemente (einschließlich der Seltenerdelemente) sowie 3He/4He- und 87Sr/86Sr-Verhältnisse bestimmt. Das oberflächennahe Grundwasser ist gering mineralisiert und durch die Calcit- und Dolomit-Lösung sowie die Pyrit-Verwitterung im quartären Aquifer geprägt. Durch den Multimethodenansatz wurden lokal vorkommende geogene und anthropogene Stoffeinträge detektiert und in ihrer Herkunft abgegrenzt: Sedimentär- und kristallin-geprägte Grundwässer wurden anhand der Seltenerdelemente unterschieden. Gneis- und Granit-Wässer sind durch positive bzw. negative Eu-Anomalien in Kombination mit niedrigen ErSN/NdSN-Verhältnissen charakterisiert. Sedimentäre Wässer zeigen keine markante Eu-Anomalie auf. Ebenso eignen sich die SEE zur Erkundung anthropogener Kontaminationen und als Redoxmilieu-Indikator. Oxische Wässer weisen negative, anoxische Wässer keine markanten Cer-Anomalien auf. Eine Beeinflussung durch Rotliegend-Gesteine wurde durch hohe Sr- und Li-Konzentrationen gemeinsam mit hohen 87Sr/86Sr-Verhältnissen belegt. Im nördlichen und südlichen ORG ist das oberflächennahe Grundwasser mit Salzgehalten im Bereich von mehreren Gramm pro Liter lokal versalzen. Hohe Na-, Cl--, Sr- und Br-Konzentrationen in Kombination mit erhöhten 87Sr/86Sr- und 3He/4He-Verhältnissen belegen einen störungsbedingten Tiefenwasser-Aufstieg im nördlichen ORG. Der Anteil des Tiefenwassers im oberflächennahen Grundwasser wird auf maximal 5 % abgeschätzt. Anhand von Na/Cl-- und Cl-/Br--Verhältnissen wird die Tiefenwasser-Herkunft weitgehend auf fossiles Meerwasser zurückgeführt. Durch die Detektion des Tiefenwasser-Aufstiegs wurde die Eignung des Multimethodenansatzes belegt und auf weitere Gebiete übertragen. Das oberflächennahe Grundwasser des südlichen ORG weist atmosphärische Helium- und quartäre Strontium-Isotopen-Signaturen auf. Ein Tiefenwasser-Einfluss ist dementsprechend nicht nachweisbar. Hohe Na-, K- und Cl-Konzentrationen sind vorwiegend auf die anthropogene Kontamination aus undichten Absetzbecken des französischen Kalibergbaus zurückzuführen. Die anthropogene Versalzung durch Abraumhalden des Kalibergbaus auf deutscher Seite und durch die geogene Lösung tertiärer Salzdiapire haben nur lokale Auswirkungen. Die drei Versalzungsursachen wurden durch die eingehende Betrachtung der Haupt- und Spurenelemente eindeutig gegeneinander abgegrenzt. Die Genese des versalzenen Grundwassers des nördlichen ORG wurde durch eine hydrogeochemische Simulation mit PHREEQC Interactive überprüft und verifiziert. Das Tiefenwasser wurde durch Meerwasser und ein känozoisches Thermalwasser repräsentiert. Letzteres stellt ein typisches NaCl-dominiertes Tiefenfluid des Oberrheingrabens dar. Es ist vorwiegend durch fossiles Meerwasser und durch eine geringe Fraktion an Halit-Lösung geprägt. Im Hinblick auf einen möglichen Tiefenwasser-Aufstieg im südlichen ORG wurden Thermalwässer aus dem Oberen Muschelkalk und dem Hauptrogenstein charakterisiert und deren Genese mit PHREEQC Interactive hydrogeochemisch modelliert. Die Wässer aus dem Oberen Muschelkalk und dem Hauptrogenstein sind im Vergleich mit dem känozoischen Thermalwasser gering salinar. Sie sind stark durch die karbonatische Zusammensetzung der Grundwasserleiter und die Calcit-, Dolomit- und Anhydrit-Lösung geprägt. Darüber hinaus sind die Hauptrogenstein-Wässer durch fossiles Meerwasser beeinflusst. Der Tiefenwasser-Aufstieg ist Folge lokal erhöhter Reservoir-Permeabilitäten und wird als Indiz für ein geringes Fündigkeitsrisiko bei der geothermischen Exploration angesehen. Regionen, die durch einen solchen Aufstieg charakterisiert sind, eignen sich daher zur weiterführenden geothermischen Prospektion. Für Regionen, die einen solchen Aufstieg nicht aufweisen, kann anhand der Wasserzusammensetzung allein keine Empfehlung bezüglich weiterer Erkundungsmaßnahmen gegeben werden.

Translation of abstract (English)

In order to develop cost-efficient methods for the geothermal exploration, shallow groundwater from the northern and southern Upper Rhine Graben (URG) was analysed regarding the input of a deep fluid. This input is based on the ascent and circulation of saline fluids at hydraulically active fault segments. For the purpose of reconstructing the deep fluids’ origin and evolution appropriately, mesozoic and cenozoic thermal waters were analysed, in addition to shallow groundwater. Relevant main and trace elements (including the rare earth elements) as well as 3He/4He and 87Sr/86Sr ratios of these waters were determined by means of a multi-method combination. The groundwater possesses a low salinity and is characterised by the dissolution of calcite and dolomite and the weathering of pyrite in the quaternary aquifer. Locally occurring geogenic and anthropogenic inputs were detected and described using the multi-method approach. Sedimentary and crystalline waters were distinguished based on the rare earth elements. Gneissic and granitic waters exhibit positive respectively negative europium anomalies in combination with low ErSN/NdSN ratios. Sedimentary waters do not possess a marked europium anomaly. Furthermore, the rare earth elements are used to investigate anthropogenic contaminations and to indicate redox conditions. Oxic waters possess negative and anoxic waters no marked cerium anomalies. High strontium and lithium concentrations in combination with high 87Sr/86Sr ratios reveal the influence of permian “Rotliegend” rocks. Locally increased salt contents of several grams per litre in the shallow groundwater are caused by several salinization processes. High sodium, chloride, strontium and bromide concentrations in combination with elevated 3He/4He and 87Sr/86Sr ratios reveal the ascent of a deep fluid in the northern URG. Its fraction within the shallow groundwater is an estimated 1.5 to 5 %. Based on Na/Cl- and Cl-/Br- ratios, the origin of the deep fluid is attributed to fossil seawater. The verified detection of the fluid and the assessment of its origin prove the multi-method approach to be applicable to other research areas. Atmospheric helium and quaternary strontium signatures show no influence of an ascending deep fluid in the shallow groundwater of the southern URG. The salinization, causing high sodium, potassium, and chloride concentrations, is mainly attributed to the anthropogenic contamination from leaky settling basins of French potash mines. The anthropogenic contamination by German mine dumps and the geogenic dissolution of tertiary salt domes have only minor impacts. The three origins of salinization their effects were distinguished and demarcated by the observation of relevant main and trace elements within the shallow groundwater. The formation of the salinized groundwater of the northern URG was examined and verified by a hydrogeochemical model with PHREEQC Interactive. The deep fluid is represented by seawater and a cenozoic thermal water which is characterized as a typical NaCl-dominated deep fluid. The thermal water mainly originates from fossil seawater. A minor fraction is derived from the dissolution of Halite. Regarding a potential ascent of a deep fluid in the southern URG, the formation of thermal waters from triassic and jurassic aquifers (Upper “Muschelkalk” and “Hauptrogenstein”) was described and modelled with PHREEQC Interactive. These waters are indicated by the dissolution of calcite, dolomite and anhydrite and reveal the carbonatic composition of the aquifer. Waters taken from the Hauptrogenstein aquifer are furthermore influenced by fossil seawater. In comparison with the cenozoic thermal water, the triassic and jurassic waters possess low salinities. A deep fluid ascent is caused by locally increased reservoir permeabilities and indicates a high geothermal potential. Thus, regions characterized by such an ascent are qualified for further geothermal prospection. However, for regions without a detectable ascent, no advice can be given regarding further research by means of the water composition alone.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Isenbeck-Schröter, Prof. Dr. Margot
Date of thesis defense: 15 June 2016
Date Deposited: 25 Aug 2016 08:14
Date: 2016
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
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