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

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.