Hydrogeochemische Vorgänge in organischen Ablagerungen unterschiedlicher Genese aus der wassergesättigten Zone, die von Wasser durchströmt werden

Organische Sedimente, die von Grundwasser durchströmt werden, sind z.B organische Einschaltungen in Lockergesteinen oder Ablagerungen in Gewässern unter influenten hydraulischen Verhältnissen. Wasser, das solche organischen Sedimente durchströmt, wird charakteristisch verändert: In der Regel ist es reduziert, sulfatarm und geringer mineralisiert als das ursprüngliche Infiltrationswasser . Darüberhinaus beinhaltet es Humin- und Fulvosäuren, die im Falle der Verwendung als Trinkwasser unerwünscht sind. Ziel dieser Arbeit ist es, die dafür verantwortlichen hydrogeochemischen Zusammenhänge, insbesondere die Funktionsweise der organischen Wasserinhaltsstoffe, zu erkennen und damit einen Beitrag zu leisten, die Beschaffenheit “brauner Wässer“ zu beurteilen und ihre Entwicklung bei fortgesetzter Bewirtschaftung zu prognostizieren. Die Vorgehensweise bestand darin, die Änderungen der Wasserbeschaffenheit von Infiltrationswasser nach der Passage organischer Sedimente zu analysieren und zu interpretieren. Der Schwerpunkt lag hierbei auf dem hydrochemischen Verhalten der Hauptinhaltsstoffe des Wassers sowie der Betrachtung der organischen Wasser inhaltsstoffe. Untersuchungen von Infiltrationsvorgängen wurden 1. im Labor in Form von Säulendurchflußversuchen und 2. in der Natur als längerfristige Grundwasserbeobachtung in einem Niedermoortorfgebiet mit influenten hydraulischen Verhältnissen durchgeführt. Zu 1.: Zwei genetisch unterschiedliche Sedimente, ein Niedermoortorf und ein rezentes Seesediment, wurden mit einem relativ stark mineralisierten, sauerstoffhaltigen Ca-Na-HCO3-SO4-Wasser und einem schwach mineralisierten, reduzierten Ca-HCO3- Wasser solange unter hydraulisch stationären Bedingungen beaufschlagt, bis sich die lonenkonzentrationen des Austauschwassers nicht mehr wesentlich änderten und die Einstellung eines dynamischen Gleichgewichtszustandes angenommen werden konnte. Dieser Gleichgewichtszustand ist durch einen Verlust an anorganischen Wasserinhaltsstoffen gegenüber dem Infiltrationswasser gekennzeichnet. Hieran ist lonenadsorption am organischen Austauscher trotz seiner hohen Kationenaustauschkapazität nur gering beteiligt, da die vorhandenen chemosorptiven Bindungen sehr stabil sind. Wirkungsvoller wird die Wasserbeschaffenheit durch die mikrobielle Stoff wechseltätigkeit verändert, wobei bevorzugt die sauerstoffhaltigen Anionen zu Wasserst off Verbindungen reduziert werden. Dabei entstehen niedrige Redoxpotentiale und wegen des Protonenmangels hohe pH-Werte, welche durch die Dissoziation von HCO3- und Kalziumkarbonatausfall gepuffert werden. Die Menge an Huminstoffen, die von durchströmendem, normal zusammengesetztem Süßwasser aus dem Sediment gelöst wird, ist unter infiltrativen Verhältnissen vermutlich auf lange Sicht gleichbleibend und wird durch die Bildungsrate von Huminstoffen für den speziellen Wassertyp unter den gegebenen Redoxmilieubedingungen festgelegt. Hierbei verringern hohe Erdalkaligehalte sowie ein reduzierendes Milieu die Menge der gelösten Huminstoffe, ein niedriges Erdalkali-Alkali Verhältnis und oxidierende Milieubedingungen dagegen unterstützen die Löslichkeit sowie die Synthese löslicher Huninstoffe. Zu 2.: Das Moorgebiet, in dem die Untersuchungen zu Infiltrationsvorgängen in der Natur durchgeführt wurden, zählt zu den Verlandungsmooren, die sich in glazialen Rinnen bildeten, nachdem die Strömung nachgelassen hatte. Zur Untersuchung wurden zunächst lithologische und geochemische Profile der Sedimente und des Porenwassers auf genommen; weiter ist über einen Zeitraum von 15 Monaten die Beschaffenheit des Grundwassers horizontweise analysiert worden. Anhand der Profile ließ sich eine Reduktionszone in 0,80 bis 1,60 m Tiefe feststellen; bei deren Passage verliert das Infiltrationswasser bis zu 50 % seiner ursprünglichen Mineralisation. Anders als in den Säulendurchflußversuchen war das Redoxpotential für die beobachteten Reduktionsreaktionen zu hoch, weshalb Zentren mikrobieller Aktivität (Mikromilieus), angenommen werden. Obwohl die Sedimente mit dem Infiltrationswasser weitgehend im hydrochemischen Gleichgewicht stehen, traten im Beobachtungszeitraum Veränderungen der Porenwasserzusammensetzung auf, die sich alle auf den jahreszeitlichen Temperaturgang und seinen Einfluß auf die mikrobielle Aktivität, auf die Löslichkeit von Mineralen, Gasen und Huminstoffen, zurückführen lassen.

Organic sediments percolated by groundwater are i.e. organic intercalations in soft rocks or deposits in waters under influent hydraulic conditions. Water passing those organic sediments changes characteristically: The water usually is reduced, low on sulfate and less mineralized than the original infiltration water. In addition it contains humic and fulvic acids, which are unwanted if the water is used as drinking water. The subject of this research is to recognize the therefore responsible hydrochemical relations, in particular the functions of the organic water components. This contributes to judge the quality of "brown waters" and to predict their developement by constant processing. The procedure was to analyse and interpret the quality changes of infiltration water after the passage of organic sediments. The main emphasis was put on the hydrochemical behaviour of the major components of the water as well as the organic water components. Infiltration processes were investigated 1. in the laboratory as flow through colum experiments and 2. in nature as long term groundwater study in a peat bog area with influent hydraulic conditions. To 1. : Two genetically different sediments, a peat and a recent lake deposit were flown through under hydraulic stationary conditions with a relatively strong mineralized oxygen containing Ca-Na-HCO3-SO4-water and a weak mineralized reduced Ca-HCO3-water until the ion concentrations of the exchanged water remained nearly constant and the adjustment of a dynamic equilibriun could be assumed. The Loss of anorganic water components was typical for this equilibrium. lonadsorption is here not responsible in spite of a high cation exchange capacity of the organic sediments because the existing chemosorptive bonds are very stable. The water quality is more effectively changed by microbial metabolism, at which preverential the oxygen containing anions are reduced to hydrogen compounds. This leads to low redox potentials and high pH- values because of the lack of protons, which get buffered by dissociation of HCO3 and the precipitation of carbonates. The amount of humic substances dissolved by normal composed sweet water under infiltrative conditions presumably remains unchanged in the long term. It is committed to the formation rate of humic substances for the specific type of water under the present environmental conditions. High earth alkaline contents and reducing conditions diminish the amount of dissolved humic substances, a low earth alkaline - alkaline ratio and oxidizing conditions, however, increase the solubility and formation of soluble humic substances. To 2.: The peat bog area in which the investigations of infiltration processes in the nature were carried out counts as part of the drying up peat bogs which developed in glacial channels after the current eased off. First of all, lithological and geochemical profiles of the sediments were taken up, further the quality of the ground water was horizontally analysed within a period of 15 month. The profiles showed a reduction zone in the depth of 0,80 to 1,60 m. By passing, the infiltration water looses up to 50 % of its original mineralisation- Unlike as observed in the column experiments the redox potential for the reduction reactions was too high; because of this, centers of microbial activity (micro milieus) are assumed. Despite the sediments and the infiltration water are hydrochemically balanced to a large extent, changes of the composition of the pore solution appeared which all can be put down to the fact of seasonal changes and its influence on the microbial activity, the solubility of minerals, gas and humic substances.

thesis

DFG, SUB Göttingen