English Title: Seasonal Variations of the Sulphur, Iron and Manganese Cycle at the Interface Groundwater-Water-Sediment at Lake Willersinn

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Abstract

Der Willersinnweiher bei Ludwigshafen ist ein saisonal geschichteter Baggersee, der ausschließlich mit Grundwasser gespeist wird. Im Grundwasseranstrom des Sees wurden Sulfatkonzentrationen von bis zu 2400 µmol/l gemessen. Das und die hohe Bioproduktion während des Sommers führen zu hohen Sulfidkonzentrationen im anoxischen Hypolimnion. Diese Umstände machen den Willersinnweiher zu einer hervorragend geeigneten Lokation für Untersuchung von natürlichen Redoxprozessen. Im Beobachtungszeitraum von drei Jahren wurden See-, Grund- und Porenwasser- sowie Sedimentproben genommen. Es wurden saisonale Änderungen der Stoffflüsse der redoxsensitiven Elemente Mangan, Eisen und Schwefel beobachtet. Durch den Vergleich der eng verzahnten Kreisläufe von Schwefel und Kohlenstoff stellt sich heraus, dass es neben dem abgelagerten organischen Kohlenstoff eine zusätzliche Kohlenstoffquelle geben muss. Es handelt sich dabei möglicherweise um Methan. Ebenso ergaben sich Hinweise auf die Reoxidation von Sulfid im Porenwasser. Sie stellt eine zusätzlich Sulfatquelle dar, die die Sulfatreduktionsraten im Sediment beschleunigt. Diese höheren Reduktionsraten wurden durch die Messung der in situ Sulfatreduktionsraten bestätigt und damit auch die Vermutung der Reoxidation von Sulfid gestützt. Die Oxidation von Sulfid in der Wassersäule während der Herbstzirkulation konnte mit Schwefelisotopenmessungen bestätigt werden. Das Grundwasser, das in den See strömt reichert das Seewasser entlang der Redoxfront mit Mangan, Eisen und Phosphat an. Dieser Prozess wird gestützt durch die Konzentrationsverteilung von gelöstem Phosphor und seinem Sorptionsverhalten gegenüber oxidiertem Eisen in der Wassersäule. In der Wassersäule des Willersinnweihers wurde mit Hilfe der Messungen von gelöstem Mangan, Eisen und Sulfid sowie Phosphor eine sich saisonal verlagernde Redoxfront beobachtet. Durch die hohe räumliche und zeitliche Auflösung wurden unerwartete Konzentrationsprofile der genannten Spezies gemessen. Es bildete sich ein Bereich mit niedrigen Konzentrationen aus, wo hohe Mangan-, Eisen- und Sulfidkonzentrationen erwartet wurden. Durch Berechnungen mit einem einfachen Boxmodell, das die Seemorphologie berücksichtigt, stellte sich heraus, dass die Konzentrationsprofile von Mangan und Sulfid eine Funktion der Zeit und der Seegeometrie sind.

Translation of abstract (English)

The seasonally stratified lake Willersinn (Ludwigshafen/Germany) is a former gravel pit in the Rhine Valley. Over a period of three years lake water, ground water and pore water samples were taken. The groundwater from upstream, which enters the lake, is enriched in sulphate with concentrations up to 2400 µmol/l. This and the high bioproduction in the summer season lead to high sulphide concentrations in the anoxic hypolimnion. These conditions make the lake Willersinn an excellent place for studying redox processes in the field. Seasonal variations in the fluxes of the redox sensitive elements manganese, iron and sulphur were observed. Calculating the flux balances of the combined cycles of carbonate and sulphur it turned out that an additional carbon source must be within the sediment,which is likely to be methane. Also the reoxidation of sulphide in pore water could be observed. This produces additional sulphate which increases the sulphate reduction rates. The higher rates were approved by the measured in situ sulphate reduction rates in the sediment. The oxidation of sulphide in the water column during the autumn circulation was proved by measuring the isotopic signature of sulphate and sulphide before and after the circulation. The ground water which enters the lake enriches the water column with manganese, iron and phosphorus in the depth where the redox front is located. These processes were detected because of the behaviour of phosphorus and iron in lake water. In the water column seasonal variations of the redox front were observed by measurements of dissolved iron, manganese, phosphorous, sulphate and sulphide. Due to a high temporal and spatial resolution we observed unexpected concentration profiles for these species. We found a low concentration region, where we expected high concentrations in iron, manganese and sulphide according to the redox conditions. The minima zones were stable over almost the whole summer season. By using a simple box model, that includes the lake morphology, it turned out that the concentrations of sulphide and manganese in the water column could be modelled as a function of time and the lake geometry.