Datierungstracer - Isodetect

Tracer zur Grundwasserdatierung

Tritiumgehalt in Niederschlägen in Mitteleuropa seit 1950 (Quelle: IAEA, International Atom Energy Agency).

Tritium (³H) ist ein instabiles Isotop des Wasserstoffs und hat eine Halbwertszeit von 12,4 Jahren. Auf 10¹⁸ normale Wasserstoffatome entfällt 1 Tritium-Atom, die Gesamtmenge von Tritium auf der Erde beträgt ca. 1,8 kg. Es entsteht in den obersten Schichten der Atmosphäre durch die Höhenstrahlung aus Stickstoffatomen. Die Atombombenversuche der 1960er Jahre brachten einen anthropogenen Tritiumeintrag in die Niederschläge, der etwa 1000fach höher als der natürliche Hintergrund war. Auch heute ist dieser Impuls oft noch messbar, deshalb eignet sich ³H zur Altersbestimmung von relativ jungen Grundwässern. Der natürliche atmosphärische Tritium-Hintergrund im Niederschlag in Mitteleuropa lag bei etwa 6 TU (1 Tritium Unit = 0,12 Bq ³H pro Liter Wasser bzw. 1 x ³H pro 10¹⁸ H-Atome).

Faustregel für die qualitative Gundwasserdatierung anhand des Tritiumgehalts (modifiziert nach Clark & Fritz 1997)

<0,5 TU Wasser älter als 1952 (vormodern)
0,5 – ~3 TU zumeist Mischung aus vormodernem und jungem (<10 a) Wasser
1 – 8 TU zumeist jünger als 10-15 Jahre bzw. dominierender Anteil vormodern
8 – 16 TU markanter Anteil von Wasser aus den 60er/70er Jahren
>16 TU Wasser aus den 60er/70er Jahren dominierend oder Kontamination
>40 TU meist zusätzliche Kontamination mit Tritium

Durch Mischungsmodelle (z.B. Piston Flow, Binary Mixing oder Dispersionsmodell), bei denen bestimmte Neubildungszeiträume, Fließwege und Mischungskonstanten angenommen werden, kann die mittlere Verweilzeit der verschiedenen Alterskomponenten eines Grundwasserkörpers genauer berechnet werden.

Niederschlagsgerade von ²H & ¹⁸O im südbayrischen Raum mit einer Verdunstungsgeraden von Grundwasserproben aus einer Seeinfiltration.

²H/¹H und ¹⁸O/¹⁶O sind schwere stabile Wasserisotope, die Informationen über die Herkunft und die Bildungsbedingungen verschiedener Grundwasserschichten liefern. Im frischen Niederschlag unterscheiden sich die Werte aufgrund von Temperatur- und Höheneffekten, es gibt dabei aber eine hochsignifikante Korrelation der beiden Isotopenwerte (sog. Niederschlagsgerade). Durch anschließende Verdunstungsprozesse (z.B. in Seen oder Flüssen) werden die Isotopenverhältnisse beider Elemente schwerer, wobei der Effekt bei ²H/¹H stärker ausgeprägt ist (sog. Deuterium-Excess). Im Zwei-Isotopen-Plot sind deshalb Grundwässer aus der Infiltration von Seen oder Flüssen gut erkennbar. Die Uferfiltrationsprozesse können noch genauer untersucht werden, da die beiden Stabilisotopenwerte oft eine erhebliche jahreszeitliche Periodizität aufweisen (Schmelzwasserzufuhr oder stärkere Verdunstung im Sommer), die sich bei einer Infiltration im Grundwasser in abgeschwächter Form und zeitverzögert fortsetzt.

Jahreszeitliche Periodizität der ²H&¹⁸O-Isotopenwerte in der Donau (Passau).

Mit einem Plot von ³He/⁴He gegen Ne/He lassen sich verschiedene potentielle Heliumeinträge im Grundwasser unterscheiden. Die Probe (rot) enthält vorwiedend Mantelhelium aus der Erdkruste.

Helium-3 wird als Zerfallsprodukt von Tritium im Grundwasser angereichert. Aus der ³He-Anreicherung kann somit eine Zumischung von jungem Grundwasser berechnet werden. Die „Uhr“ der zusätzlichen Heliumbildung durch Tritiumzerfall beginnt erst im Grundwasser zu laufen. Dabei müssen durch Berücksichtigung von Neon (Verhältnis Ne/He) potenzielle Artefakte geprüft werden. Potenzielle weitere ³He-Anteile (Ausgasung von Mantelhelium, Übersättigungs-Effekte) müssen jedoch geprüft werden. Aufgrund der jeweils bekannten Verhältnisse von leichten und schweren Heliumisotopen bzw. zur Neonkonzentration lassen sich die Prozesse in einem speziellen Plot gut unterscheiden.

Neugebildetes Grundwasser weist bekannte Lösungsgleichgewichte von ³He/⁴He sowie Ne/He zwischen Atmosphäre und Niederschlägen auf. Die Verhältnisse ändern sich evtl. durch Gasüberschusseffekte in ungesättigten Poren (excess air), Einträge von Mantelhelium oder den Zerfall von Tritium zu tritiogenem ³He. Bei einem signifikanten Zerfall von Tritium zu ³He würden die Messwerte in der nebenstehenden Abbildung oberhalb der gestrichelten Linie liegen.

Konzentration von FCKWs und SF6 in der Luft von Mitteleuropa seit 1950.

FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) und SF6 (Schwefelhexafluorid) sind weitgehend inerte Chemikalien, die seit den 1960er Jahren industriell als Kühl- und Treibmittel bzw. Schutz- und Füllgas verwendet wurden. Ihr atmosphärischer Gehalt und der daraus folgende Eintrag ins Grundwasser stieg bis in die 1990er Jahre (FCKW) bzw. bis heute (SF6) exponentiell an. Bei der Grundwasserdatierung werden die verschiedenen Eintragsfunktionen berücksichtigt und mit verschiedenen Fließmodellen abgeglichen.

¹⁴C-Gehalt der Atmosphäre in den vergangenen 30.000 Jahren.

¹⁴C und ¹³C gelangen durch Niederschlag und Lösungsprozesse ins Grundwasser. Der Kohlenstoff-14-Gehalt der Atmosphäre von 1950 (100% modern) wurde als aktueller Standard festgesetzt. Vor 20.000 bis 30.000 Jahren lag dieser Wert jedoch bei ca. 140% (Clark & Fritz 1997). Bei der Interpretation der ¹⁴C-Werte müssen für eine Berechnung des Wasseralters Carbonat-Austauschprozesse berücksichtigt werden. Für diese Austauschprozesse gibt es verschiedene Ansätze zur Korrektur der ¹⁴C-Konzentration im Grundwasser bei der Neubildung (Startwert). Das einfachste Modell ist ein statistischer Korrekturwert (q = 0,7). Mit einem chemischen Mischungsmodell (Vogel 1970) berechnet sich der Startwert von ¹⁴C mit 70% modern.

Zunahme von Krypton-85 in der Atmosphäre seit Ende der 1950er Jahre.

Krypton-85 ist ein instabiles Edelgasisotop und hat eine Halbwertszeit von 10,76 Jahren. Es eignet sich zur Altersbestimmung von relativ jungen Grundwässern. Im Gegensatz zu Tritium hat Krypton-85 seit 1955 durch anthropogenen Eintrag aus kerntechnischen Anlagen eine zunehmend steigende Aktivität in der Atmosphäre. Das Edelgas 85Kr ist besonders gut zur Altersdatierung von Grundwasser geeignet, da es keine chemischen Reaktionen eingeht und nur minimal an Austausch- und Sorptionsprozessen beteiligt ist.

Bestimmt man Tritium und Krypton-85 des Grundwassers, lässt sich das Mischungsverhältnis und Alter unterschiedlicher Grundwasserkomponenten ableiten.

Die Messstelle GW hat einen Tritiumgehalt von 3TU und einen Krypton-85 Gehalt von 15 dpm/ml. Im Zwei-Isotopen-Plot ergibt sich ein Anteil von 35% bis 40% jungem Wasser mit einer Mittleren Verweilzeit von 14 bis 18 Jahren.

Weitere Tracer, die für die Identifizierung von jungem Grundwasser verwendet werden können sind Gadolinium (Röntgenkontrastmittel), Glyphosat (Pestizide), Triazole oder Acesulfam (Süssstoff). Letztere sind in vergleichsweise hoher Konzentration im kommunalen Abwasser nachweisbar und werden bei dessen Reinigung kaum entfernt (Storck et al. 2012). Durch Uferfiltration des Vorfluters können sie ins Grundwasser gelangen. Abwasser, das direkt in den Untergrund versickert, reichert die Süßstoffe im Grundwasser gleichfalls an. Enthält Grundwasser Saccharin oder Cyclamat, ist das ein Hinweis auf unbehandeltes Abwasser, das über eine undichte Kanalisation in den Untergrund gelangt sein kann.

Gerne beraten wir Sie über die Anwendungsmöglichkeiten dieser Tracer.

Tracer zur Grundwasserdatierung

Isodetect München

Isodetect Leipzig