Ruprecht-Karls-Universitšt Heidelberg
Grundwasser und Paläoklima - Methoden

Methoden zur Untersuchung alter Grundwässer


Einführung

Grundwasser in ausgedehnten oder tiefen Aquiferen kann sehr hohe Aufenthaltszeiten im Untergrund aufweisen, womit es ein Archiv von Niederschlagswasser aus der Vergangenheit darstellt. Insbesondere ist es oft möglich, die Isotopie des Wassers sowie den Gehalt an konservativen Spurenstoffen wie den Edelgasen bis zurück in die letzte Eiszeit zu rekonstruieren. Diese Umwelttracer liefern Information zu den Umweltbedingungen (insbes. Temperatur) zum Zeitpunkt der Infiltration, welcher seinerseits meist mit 14C-Datierung bestimmt wird. auf diese Weise lässt sich die Temperaturgeschichte über die letzten 30 bis 40 tausend Jahre rekonstruieren. Die folgenden Methoden werden in diesem Themenbereich eingesetzt:

  • das Edelgasthermometer, beruhend auf der temperaturabhängigen Löslichkeit der atmosphärischen Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe);

  • die stabilen Isotope des Wassers, beruhend auf Isotopenfraktionierungseffekten im Wasserkreislauf (δ2H, δ18O);

  • die 14C-Methode, beruhend auf dem radioaktiven Zerfall des 14C im gelösten inorganischen Kohlenstoff (DIC) im Wasser.

Die Rekonstruktion von Infiltrationstemperaturen aus gelösten Edelgasen und stabilen Isotopen in 14C-datierten Grundwässern stellt heute eine etablierte Methode zur Bestimmung der Temperaturänderung während des Überganges vom letzten eiszeitlichen Maximum zur heutigen Warmzeit dar.


Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe)

Die Löslichkeiten der schweren Edelgase (Ar, Kr, Xe) im Wasser hängen stark von der Temperatur ab. Die Messung von Edelgaskonzentrationen in Grundwässern erlaubt daher die Bestimmung der Temperatur zum Zeitpunkt der Infiltration, was in vielen Studien erfolgreich zur Rekonstruktion der Temperaturgeschichte bis zurück in die letzte Eiszeit verwendet wurde. Der Vorteil des sogenannten Edelgasthermometers gegenüber anderen Paläotemperaturproxys wie den stabilen Isotopen ist, dass aufgrund der exakten Kenntnis der zugrundeliegenden Löslichkeiten zuverlässige absolute Temperaturen bestimmt werden können. Das Edelgaspaläothermometer wird allgemein als zuverlässiger Indikator absoluter Temperaturen anerkannt, worauf seine Bedeutung zur Kalibration von Klimamodellen beruht. Die Mehrheit der Edelgas-Paläoklimastudien stammt aus mittleren Breiten in Europa und Nordamerika. Dort ergeben solche Studien eine eiszeitliche Abkühlung von 5 bis 9 °C, wobei die höchsten Werte auf den Einfluss der eiszeitlichen Eisschilde zurückgeführt werden (s. Reviews in Stute und Schlosser 1993, 2000, Kipfer et al. 2002). In jüngerer Zeit wurden zunehmend Edelgasstudien in (sub)tropischen Breiten durchgeführt, welche ebenfalls Abkühlungen von rund 5 °C ergeben (Stute et al. 1995, Stute und Talma 1998, Edmunds et al. 1999, Weyhenmeyer et al. 2000, Beyerle et al. 2003).
Eine Schwierigkeit der Edelgasmethode (wie auch der Gastracer-Methoden zur Datierung) liegt im Auftreten von Luftüberschüssen, der so genannten "excess air" im Grundwasser, was bei der Berechnung von Edelgastemperaturen mittels inverser numerischer Methoden (Ballentine und Hall 1999; Aeschbach-Hertig et al. 1999) berücksichtigt werden muss. Der Luftüberschuss im Grundwasser ist jedoch nicht nur störend, sondern kann potentiell auch nützliche Hinweise auf die Infiltrationsbedingungen liefern. Es wird vor allem in semi-ariden Gebieten ein Zusammenhang zwischen Luftüberschuss und Infiltrations- bzw. Niederschlagsintensität vermutet Aeschbach-Hertig et al. 2002a, Beyerle et al. 2003, Kulongoski et al. 2004), welcher "excess air" zu einem Proxy für Paläofeuchte machen könnte.

Anleitung zur Probenahme


Stabile Isotope18O, δ2H)

Die stabilen Isotope des Wassermoleküles (δ18O, δ2H) werden seit Jahrzehnten erfolgreich in der Hydrologie und Klimatologie eingesetzt (z.B. Clark und Fritz, 1997). Damit lassen sich Bildungsbedingungen, Herkunft und Mischung verschiedener Wässer identifizieren. In Gegenden mit ausgeprägter Topographie, können die stabilen Isotope zur Bestimmung der Infiltrationshöhe (über den sog. Höheneffekt, Gonfinatini et al., 2001) verwendet werden, was eine Eingrenzung der Infiltrationsgebiete ermöglicht und für die Interpretation der Gastracerdaten von großer Bedeutung ist. Besonders wichtig ist bei Paläoklimastudien an Grundwasser die bereits angesprochene Möglichkeit, stabile Isotope als Temperaturproxy einzusetzen. Im Vergleich zu den Edelgasen haben die stabilen Isotope ein viel weiteres Anwendungsgebiet als Paläoklimaproxy, ihre Kalibration als Thermometer ist aber ein schwieriges und vieldiskutiertes Problem (z.B. Fricke und O'Neil 1999). Die Verbindung von Edelgastemperaturen und stabilen Isotopen in Grundwasserstudien ergibt eine einzigartige Gelegenheit zur lokalen Kalibration der Beziehung zwischen Temperatur und Isotopenverhältnissen, welche als Basis zur Interpretation anderer kontinentaler Klimaarchive (z.B. Eisbohrkerne, Seesedimente, Speläotheme) gebraucht wird.

Anleitung zur Probenahme


Radiokohlenstoff-Datierung (14C)

Die Datierung von Grundwässern für die Erstellung von Paläoklimazeitreihen wird gewöhnlich mit der 14C-Methode am gelösten inorganischen Kohlenstoff (DIC) vorgenommen, obwohl diese Methode wegen der Kohlenstoffaustauschprozesse im Untergrund recht problematisch ist. Die Grundidee der 14C-Datierung von Grundwasser ist, dass bei der Infiltration junger (14C-aktiver) Kohlenstoff in Form von Bodenluft-CO2 im Grundwasser gelöst wird und danach nur durch den radioaktiven Zerfall mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren abnimmt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass schon bei der Infiltration auch alter (14C-toter) Kohlenstoff durch Karbonatauflösung ins Grundwasser gelangt. Der Anteil der verschiedenen Kohlenstoffquellen muss abgeschätzt werden, was meist anhand der stabilen Kohlenstoff-Isotope (δ13C) geschieht. Hierzu existieren eine Reihe von Modellen, am verbreitetsten ist wohl dasjenige von Fontes und Garnier (1979). Während diese Korrekturen in karbonatarmen Aquiferen gut durchführbar sind,  können in manchen Aquiferen große Schwierigkeiten durch Auflösung und Fällung von Karbonaten entlang des Fliessweges auftreten. Die 14C-Methode ist dennoch nach wie vor die wichtigste und oft einzige quantitative Methode zur Datierung von Grundwässern im Altersbereich von wenigen tausend bis ca. 40'000 Jahren.
Die Akkumulation von radiogenem He kann zumindest als halb-quantitatives Datierungswerkzeug eingesetzt werden, welches bei der Edelgasmethode sozusagen mit eingebaut ist. Einer quantitativen Datierung mit He steht im Allgemeinen allerdings die Unsicherheit über Stärke und Herkunft des He-Flusses in Grundwasserleitern entgegen (z. B. Torgersen und Clarke 1985, Solomon et al. 1996, Castro et al. 2000). Es gibt jedoch auch erfolgreiche Beispiele der Nutzung des radiogenen Heliums zur Datierung (Aeschbach-Hertig et al. 2002c, Beyerle et al. 2003).

 

Referenzen


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