Ruprecht-Karls-Universitšt Heidelberg
Grundwasser und Paläoklima - Methoden

Methoden zur Datierung junger (Grund-) Wässer


Einführung

Zur Bestimmung von (Grund-) Wasseraufenthaltszeiten wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene isotopenhydrologische Methoden entwickelt und erfolgreich angewandt. Insbesondere ermöglichen auf konservativen Gastracern beruhende Methoden die Bestimmung der Aufenthaltszeit des Wassers im Untergrund im Bereich von Monaten bis ca. 40 Jahren. Dazu gehören:

  • die 3H-Methode, beruhend auf dem zeitabhängigen Eintrag ("Bombenpeak") des radioaktiven Wasserstoffisotopes Tritium (3H);

  • die 3H-3He-Methode, beruhend auf dem radioaktiven Zerfall von Tritium (3H) zum stabilen Heliumisotop 3He (z. B. Schlosser et al., 1988);

  • die SF6-Methode, beruhend auf dem anhaltenden Anstieg des Spurengases Schwefelhexafluorid (SF6) in der Atmosphäre (z. B. Busenberg und Plummer, 2000);

  • die FCKW-Methode, beruhend auf dem Anstieg des atmosphärischen Gehaltes an Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) von ca. 1950 bis in die 1990er Jahre (z. B. Busenberg und Plummer, 1992).

Es empfiehlt sich, mindestens zwei der genannten Methoden gleichzeitig zum Einsatz zu bringen, um die Zuverlässigkeit der Resultate zu erhöhen und möglicherweise Aussagen über Mischungsprozesse ableiten zu können. Die 3H-3He- und FCKW-Methoden haben sich seit über 10 Jahren zur Bestimmung von mittleren Grundwasseraufenthaltszeiten und Neubildungsraten bewährt (z. B. Cook und Solomon, 1997). Die SF6-Methode ist erst in den letzten Jahren vermehrt eingesetzt worden. Sie schliesst die mit dem Ende des atmosphärischen FCKW-Anstieges entstandene Lücke für die Datierung junger Wässer und dürfte allmählich die FCKW-Methode ablösen.


Tritium (3H)

Das radioaktive Wasserstoffisotop 3H (Halbwertszeit 12.32 Jahre), wurde in den 50er- und frühen 60er-Jahren durch atmosphärische Tests thermonuklearer Bomben freigesetzt. Der resultierende "Bombenpeak" im Niederschlag machte Tritium zu einem wichtigen Tracer in der Hydrologie. Da jedoch in den letzten Jahrzehnten die zeitliche Dynamik von Tritium im Niederschlag stark abgenommen hat, sind Tritiumdaten heute oft wenig aussagekräftig.

Anleitung zur Probenahme


3H-3He

Die 3H-3He-Methode, basierend auf kombinierter Messung von 3H und seines Zerfallsproduktes 3He ermöglicht eine präzise Datierung von Wasser im Bereich von Monaten bis zu 40 Jahren unabhängig von der Tritiumeintragskurve. Diese Methode wurde ursprünglich für die Ozeanographie entwickelt, fand jedoch bald Anwendungen in der Untersuchung vertikaler Mischung in Seen (z.B. Torgersen et al., 1977; Hohmann et al., 1998) sowie zur Datierung oberflächennaher Grundwässer (z.B. Schlosser et al., 1988; Solomon et al., 1995). Die 3H-3He-Methode kann heute wohl als die präziseste und zuverlässigste Methode zur Datierung junger Wässer bezeichnet werden. Dennoch empfiehlt es sich, sie in Kombination mit mindestens einer weiteren Datierungsmethode zum Einsatz zu bringen, wobei die Kombination mit der SF6-Methode (s. unten) besonders attraktiv ist. Diese Kombination bietet im Grundwasser unter anderem den Vorteil, dass aus den für die 3H-3He-Datierung routinemäßig durchgeführten Messungen von Ne (und ev. schwereren Edelgasen) der so genannte Luftüberschuss ("excess air", eine im Grundwasser typische Erhöhung der Gasgehalte gegenüber dem Lösungsgleichgewicht) bestimmt werden kann. Diese Information ist notwendig, um eine entsprechende Korrektur der SF6-Resultate vorzunehmen. In jungem Grundwasser, das im Laufe der letzten Jahre bis Jahrzehnte infiltriert ist, sind Umwelttracer wie 3H-3He und SF6 zuverlässige Werkzeuge zur Altersdatierung und damit zur Bestimmung von Neubildungsraten (z. B. Solomon et al., 1993) und Fliessgeschwindigkeiten (z. B. Stute et al., 1997). Damit lassen sich letztlich Grundwasserströmungsmuster und vor allem -flüsse genauer definieren als alleine aufgrund von Piezometerhöhenverteilungen. Im Falle der Interaktion von Grund- und Oberflächenwasser ist oft ein klarer Unterschied im Alter und damit in den Konzentrationen zwischen den beiden Komponenten festzustellen, was auch Mischungsrechnungen ermöglicht.

Anleitung zur Probenahme


Schwefelhexaflourid (SF6)

Schwefelhexaflourid (SF6) ist ein anthropogenes Spurengas, das u.a. zur Untersuchung atmosphärischer Austauschprozesse, z.B. dem Luftmassenaustausch zwischen Nord- und Südhemisphäre, verwendet worden ist. Seine hohe Stabilität und die damit verbundene lange Lebensdauer sind dafür sehr vorteilhafte Eigenschaften. Über den Kontakt mit der Atmosphäre gelangt SF6 entsprechend seiner Löslichkeit auch in die Hydrosphäre. Unter Einsatz von SF6 als aquatischem Markierungstracer ließen sich seit Ende der 80er Jahre in Ausbreitungsexperimenten im Ozean und in Seen quantitative Aussagen über horizontale und vertikale Strömungs- und Mischungsprozesse machen. Auch für Untersuchungen zum Gastransfer durch die Wasseroberfläche wurde SF6 eingesetzt. Durch das stetige Anwachsen des atmosphärischen Mischungsverhältnisses von SF6 wird Grund- oder Oberflächenwässern beim Abschluss von der Atmosphäre eine Zeitinformation mitgegeben, d.h. die SF6-Konzentration in abgeschlossenen Wasserkörpern spiegelt den Zeitpunkt des letzten Kontaktes mit der Atmosphäre wider. Für junge Grundwässer (<30 Jahre) bieten SF6-Messungen - zusammen mit FCKWs, die sich zumindest bis in die 90er Jahre grundsätzlich ähnlich verhielten (s. unten) und Tritium - ein heute viel verwendetes und geeignetes Datierungwerkzeug. Die Genauigkeit der SF6-Alter wird jedoch eingeschränkt durch Unsicherheiten z.B. über die Infiltrationstemperatur und den Luftüberschuss in neugebildetem Grundwasser. Eine Kombination mit der 3H-3He-Methode ist daher angezeigt, da die dabei erhaltenen Edelgasdaten Korrekturen der SF6-Daten ermöglichen.

Anleitung zur Probenahme


Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) oder Freone, insbesondere F-12 (CCl2F2) und F-11 (CCl3F), sind anthropogene Spurengase, die sich in der Umwelt nahezu konservativ verhalten. Analog zur SF6-Methode ermöglicht der Anstieg des atmosphärischen Gehaltes an FCKWs von ca. 1950 bis in die 1990er Jahre die Datierung jüngerer Wässer (z. B. Busenberg und Plummer, 1992). Da jedoch der Anstieg der FCKWs infolge des Produktionsstopps (Montreal-Abkommen) in den letzten ca. 10 Jahren nur noch sehr gering oder gar negativ war, ist diese Methode für rezente Wässer, wie sie z. B. in der näheren Umgebung von Oberflächengewässern erwartet werden können, wenig geeignet. Für Wässer mit Altern zwischen ca. 10 und 40 Jahren bieten die FCKWs jedoch nach wie vor ein gute, relativ einfache und günstige Datierungsmethode. Allerdings können lokale Kontaminationen oder der Abbau von FCKWs unter anoxischen Bedingungen die Interpretation erschweren. Dafür sind Luftüberschuss-Korrekturen von untergeordneter Bedeutung.

Anleitung zur Probenahme

 

Referenzen


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