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Grundwassercharakterisierung mit Umwelttracern: Erkundung des Grundwassers der Odenwald-Region sowie Implementierung eines neuen Edelgas-Massenspektrometersystems

Friedrich, Ronny

English Title: Environmental tracers for groundwater studies: Investigation of groundwater in the Odenwald region and implementation of a new noble gas mass-spectrometric system

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Abstract

Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des Grundwassers der Odenwaldregion unter Verwendung stabiler und radioaktiver Isotope (2H, 18O, 3H) sowie verschiedener Datierungsmethoden (SF6, 3H-3He) und verschiedener Edelgase (He, Ne, Ar, Kr und Xe). Insbesondere wurden Fragestellungen in Hinblick auf Grundwasserneubildung, -zuflüsse, -mischung und Aufenthaltszeiten der Grundwässer untersucht. Anhand der stabilen Isotope 2H und 18O zeigt sich, dass die Grundwasserneubildung über das Jahr gleichverteilt stattfindet mit einer leichten Erhöhung im Winterhalbjahr. Weiterhin ermöglichen die stabilen Isotope eine Identifizierung des Grundwassers der verschiedenen Regionen, so dass gezeigt werden kann, dass Grundwasser des Hessischen Rieds teilweise (0-100%) im Kristallinen Odenwald neugebildet wird. Die Datierung des Grundwassers zeigt robuste 3H-3He-Alter von wenigen Jahren in Regionen potentieller Grundwasserneubildung bis hin zu nicht mehr datierbaren Grundwässern (>45 Jahre) im Bereich des Hessischen Rieds. Teilweise findet man hohe Mischunsgverhältnisse von altem (tritiumfreiem) und jungem (tritiumtragendem) Wasser. Die Datierung des Grundwassers mit Hilfe von SF6 ist dahingegen nicht möglich, da eine terrigene (natürliche) SF6-Quelle in Regionen kristalliner Lithologie identifiziert werden kann. Die Korrelation von hohen SF6-Konzentrationen mit hohen Radonkonzentrationen und radiogenen Heliumkonzentrationen weist darauf hin, dass die Produktion von SF6 durch den Zerfall radioaktiver Elemente im Boden begünstigt wird. In Anbetracht der Ergebnisse der stabilen Isotope und der Verteilung der Grundwasser-Verweilzeiten konnte eine obere Grenze der Zufluss- bzw. Neubildungsrate von Wasser aus dem Kristallin in das Hessische Ried von <(90+-23)l/(s km2) abgeschätzt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Edelgasmesssystem des Institutes für Umweltphysik Heidelberg im Detail beschrieben. Das System erlaubt die präzise Analyse von Edelgasen sowie deren Isotopenverhältnisse aus Wasser- oder Gasproben verschiedenster Herkunft. Typische Messgenauigkeiten der 3He, 4He, Ne, Ar, Kr und Xe Konzentrationen sind +-2,4%, +-0,38%, +-0,41%, +-0,43%, +-1,02% und +-1,01%.

Translation of abstract (English)

The first part of this work presents a multi tracer study to investigate the groundwater of the Odenwald region using stable and radioactive isotopes (2H, 18O, 3H) as well as different dating methods (SF6, 3H-3He) and noble gases (He, Ne, Ar, Kr and Xe). In particular questions concerning groundwater recharge areas, recharge rates, groundwater mixing and residence times of the groundwater were examined. The isotopic signature of stable isotopes 2H and 18O indicates that groundwater formation takes place evenly distributed over the year, slightly enhanced in cold seasons. Furthermore, stable isotopes are able to distinguish groundwater of different regions, thus groundwater of the Hessian Reed is partly (0-100%) formed in the crystalline Odenwald. Groundwater dating shows robust 3H-3He ages of few years in areas of potential groundwater recharge up to no longer datable groundwater (>45 years) of the Hessian Reed. High mixing ratios of old (tritium free) and young (tritium bearing) water is detectable. Groundwater dating by SF6 is not possible due to a terrigenic (natural) SF6-source in regions of crystalline lithology. High SF6 concentrations correlate with high radon and radiogenic helium concentrations and support the idea that the production of SF6 is favoured by the decay of radioactive elements in the soil. Results of stable isotopes and age distribution allow to estimate an upper limit of the mean recharge rate of groundwater from the crystalline Odenwald to the Hessian Reed of <(90+-23)l/(skm2). In the second part of this work a new analytical system for noble gas measurements of the Institute of Environmental Physics of Heidelberg is described in detail. The system permits precise analysis of noble gases as well as their isotope ratios from water and gas samples. Typical precisions of the measurements of 3He, 4He, Ne, Ar, Kr and Xe concentrations are +-2,4%, +-0,38%, +-0,41%, +-0,43%, +-1,02% und +-1,01%, respectively.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Aeschbach-Hertig, Prof. Dr. Werner
Date of thesis defense: 18 July 2007
Date Deposited: 25 Jul 2007 14:16
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Grundwasser, Edelgas, Massenspektrometer, Schwefelhexafluorid, Tritium
Uncontrolled Keywords: Odenwaldgroundwater , noble gas , mass spectrometer
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