Ergebnisse

Die Isotopenanalyse des Quellwassers der Fonte Grande bei Alte (I3, Tab. 34) zeigt das Auftreten eines Mischwassers und deutet zusätzlich zu der Infiltration von Oberflächengewässern auf einen unterirdischen Zustrom aus präliassischen Formationen (Tab. 34). Das Wasser aus einem Tiefbrunnen südöstlich von Alte, das bereits durch seine hohe Wassertemperatur eine Sonderstellung einnimmt (I7, vgl. Kap. 5.2:

Wasserprobe B6), enthält fast kein Tritium (0,01 TU) und weist einen sehr niedrigen ¹⁴ C-Gehalt auf (35,9 %), so dass das Wasser ein beachtliches Alter haben muss (u.a. pers.

Mitt. Keers).

Tab. 34: Ergebnisse der Isotopenanalysen (¹⁾ korrigiert mit angenommenem initialem δ¹³C von -13 ‰, ²⁾ korrigiert mit angenommenem initialem δ¹³C von -15,94 ‰, in Klammern angegebene theoretisch errechnete Altersangaben sind nur insofern qualitativ zu interpretieren, dass Mischwässer unterschiedlicher Alter vorliegen, der initiale δ¹³C und der Ausgangsgehalt an C-14 nicht genau angegeben werden können und der Tritiumgehalt das Vorhandensein rezenten Wassers anzeigt)

Nr. I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Lokalität Vala

Grande (B46)

Pe de Coelho (Paläoz.)

Fonte Grande (B29)

Paderne-Quelle (B53)

Montes das Osgas

Lavajos Tankstelle bei Alte (B6)

Höhe (mNN) 186 270 200 55 38 49 178

GW-Spiegel (mNN)

ca. 106 200 200 55 8 19 ca. 18

δ²H (‰

V-SMOW)

-24,8 -25,4 -25,4 -27,1 -26,1 -25,8 -24,6 δ¹⁸O (‰

V-SMOW CO2)

-4,57 -4,53 -4,64 -4,63 -4,53 -4,34 -4,56

3H (TU) 4,51 ± 0,18 4,31 ± 0,19 1,6 ± 0,17 3,8 ± 0,18 2,92 ± 0,17 3,17 ± 0,14 0,01 ± 0,1

14C (%) 79,9 ± 0,7 101,3 ± 0,5 27,7 ± 0,3 78,1 ± 0,4 81,2 ± 0,7 84,6 ± 0,4 35,9 ± 0,2 δ¹³C (‰

V-PDB)

-12,99 -15,94 -9,86 -12,38 -12,93 -12,1 -5,31

14C-Alter (Jahre), unkorrigiert, C0 = 100 pmc

(1860) n.b. (jung) 10610 (2040) (1720) (1380) 8470

14C-Alter (Jahre), C0 = 85 pmc

(510) n.b. (jung) 9270 (700) (380) (40) 7130

14C-Alter (Jahre), korrigiert*

(1850¹⁾) 8320¹⁾ 6650²⁾

(1570¹⁾) (1680¹⁾) (790¹⁾) (1060¹⁾)

Bemerkungen Karst- grundwasser

Rezent gebildetes Grundwasser im

Paläozoikum

Mischwasser mit geringen Tritium- und geringen

14 C-Gehalten

Karst-grundwasser

Karst-grundwasser

Karst-grundwasser

Altes, tritiumfreies Wasser mit geringen

14 C-Gehalten

5.2.7.2.1 Deuterium und Sauerstoff-18

Der Anteil der Isotope Deuterium (²H bzw. D) und Sauerstoff-18 (¹⁸O) des Wassermoleküls gibt Hinweise auf stattgefundene Fraktionierungsprozesse. Ist der Anteil leichter Isotope im Wasser höher und somit δ¹⁸O (vgl. Formel 9) negativer, erfolgt die Neubildung des Grundwassers auf Grund von Temperaturunterschieden in größerer Höhe („Höheneffekt”, nach GEYH, MICHEL & WAGNER 1988).

δ = (RProbe-RSMOW)/ RSMOW [‰]

Formel 9: Isotopenabweichung δ mit R = Isotopenverhältnis (z.B. R = ¹⁸O/¹⁶O)

Durch den Kontinentaleffekt kann es landeinwärts ebenfalls zu einer Abreicherung der schweren Isotope und somit zu einem negativeren δ²H kommen. Allerdings sind in diesem Fall Windrichtungen zu beachten, die im Algarve Schwankungen unterworfen sind (TRÖGER 1987).

Bei Evaporation von Oberflächengewässern oder Seen kommt es zur Anreicherung der schweren Isotope, so dass sich δ¹⁸O in positive Richtung verschiebt. Die Isotopenzusammensetzung („Jahreszeiteneffekt”) und die Menge („Mengeneffekt”) der Niederschläge schwankt saisonal und jährlich (HOPPE 1987) und erschwert somit zusätzlich die Interpretation des δ¹⁸O.

Die gemessenen δ¹⁸O- und δ²H-Werte im Grundwasser liegen zwischen -4,64 ‰ bis zu -4,34 ‰ bzw. -27,1 ‰ bis -24,6 ‰ (Abb. 79). Im Verhältnis D zu ¹⁸O zeigen sich räumliche Unterschiede der Verteilung. Während die Proben aus dem Paläozoikum und aus dem Nordteil des Grundwasserleiters Querença-Silves oberhalb der Meteoric Water Line (MWL) liegen, finden sich die des Westteils bzw. des Südrandes auf oder unterhalb der MWL (Abb. 79). Die Quellen (I3: Fonte Grande und I4: Paderne-Quelle) weisen die niedrigsten δ¹⁸O auf (-4,64 ‰ bzw. –4,63 ‰). Eine Abhängigkeit des δ¹⁸O von der Höhe konnte nicht festgestellt werden.

Langjährige Messreihen der stabilen Isotope im Niederschlag der Station Faro (IAEA/WMO 2001) ergeben eine LMWL (Local Meteorological Water Line) mit δ²H = 6,22 δ¹⁸O+3,1 [‰]. Die Messreihe zeigt starke Schwankungen der δ¹⁸O- und δ²H-Werte (vgl. Anhang B3). Die gegenüber der MWL geringere Geradensteigung zeugt vermutlich von der Verdunstung fallender Niederschläge (vgl. VREBKA 1996). Der ebenfalls niedrigere Deuterium-Exzess weist auf die hohe Luftfeuchte in Küstennähe hin. Die Wasserproben I1, I3 und I7 liegen oberhalb der LMWL. Die restlichen Proben zeugen mehr oder weniger von Verdunstungsprozessen. In Anbetracht der starken Schwankungen der δ¹⁸O- und δ²H-Werte im Regenwasser sind die im Projekt ermittelten Messwerte in erster Linie relativ zueinander auszuwerten.

Möglicherweise ist die Ursache für die Verschiebung nach oben auf den Einfluß der Gipse des Hettangs zurückzuführen (pers. Mitt. U. THORWEIHE, TU Berlin). FRITZ und FRAPE (1982, in VRBKA 1996) beschreiben eine Verschiebung nach oben durch H₂S-Austausch. In dem Tiefbrunnen bei Alte (I7), der den höchsten δ¹⁸O aufweist, kommt es zur Bildung von H2S (vgl. Kap. 5.2.3.13: B6). Einen Hinweis auf starke Verdunstung zeigen die im Verhältnis zu D höheren δ¹⁸O-Werte bei Lavajos (I6) im Zentrum des karbonatischen Grundwasserleiters, da bei hohen Temperaturen der Gehalt

an schwerem ¹⁸O zunimmt, der Gehalt an Deuterium hingegen nicht verändert wird (HOPPE 1987).

Deuterium und O-18 Gehalte

MWL: δH-2= 8 x δO-18 + 10

-28 -27,5 -27 -26,5 -26 -25,5 -25 -24,5 -24 -4,75 -4,7 -4,65 -4,6 -4,55 -4,5 -4,45 -4,4 -4,35 -4,3 -4,25

δ O-18 V-SMOW ‰

δ H-2 V-SMOW ‰

3: Fonte Grande

5: Monte das Osgas

6: Lavajos 2: Pe de Coelho

7: Alte (Tiefbrunnen)

1: Vala Grande

4: Paderne-Quelle

Abb. 79: Deuterium- und O-18-Gehalte der Grundwasserproben im Vergleich zur Meteoric Water Line (MWL mit δH-2 = 8 · δO-18 +10)

5.2.7.2.2 Altersbestimmung

Tritium eignet sich mit einer Halbwertszeit von 12,43 Jahren zur Datierung von Wässern mit Verweilzeiten von bis zu ca. 100 Jahren (WAGNER & GEYH 1999). Der atmosphärische Input des radioaktiven Isotops Tritium schwankt stark und lag bis in die 50er Jahre bei ca. 6 TU (HOPPE 1987). WAGNER & GEYH (1999) geben für Regenwasser aus niedrigen Breiten vor den Atombombenversuchen den Tritiumgehalt mit < 5 TU an. Die Atombombenversuche in den 50er Jahren erhöhten den Tritiumgehalt derart stark, dass 1963/64 der Peak mit 3000 TU in der Atmosphäre der Nordhalbkugel erreicht wurde.

Für weiter zurückreichende Datierungen (300-50000 Jahre) eignet sich Kohlenstoff-14 mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Der ¹⁴C-Rezentgehalt (auf das Jahr 1950

bezogen) wird als 100 % mod. (HOPPE 1987) bzw. als 100 pmc (procent modern carbon) bezeichnet (FRÖHLICH et al. 1987). Nach CLARK & FRITZ (1997) ist die ¹⁴C-Aktivität auf den internationalen Standard „modern carbon” (mC) bezogen, dessen Aktivität 95 % der ¹⁴C-Aktivität des NBS Oxalsäure-Standards beträgt. Die Probengehalte werden als Prozente (pmc) auf diesen Standard bezogen.

Während für Tritium die Inputfunktion im allgemeinen hinreichend aus den atmosphärischen Niederschlägen bestimmt werden kann, ist der Anfangsgehalt an ¹⁴C auf Grund unterschiedlicher Gehalte an Boden-CO₂ und unterschiedlicher biogener Aktivität schwieriger zu bestimmen. Tritiummessungen an der Station Faro (Algarve) der IAEA (IAEA/WMO 2001) zeigen jedoch starke Schwankungen der Tritiumgehalte im Niederschlag, so dass die gemessenen Werte qualitativ und in Bezug zueinander ausgewertet werden.

Neben Mischungsvorgängen und Isotopenaustausch, welche die Aktivitäten von Tritium und von ¹⁴C verändern, treten in Karbonaten hydrochemische Prozesse hinzu, die den

14C-Gehalt im allgemeinen herabsetzen und somit zu hohe Wasseralter bei unkorrigierten Berechnungen ergeben. Eine Korrektur der gemessenen ¹⁴C-Gehalte mittels dem ¹³ δ-Wert kann möglicherweise bessere Resultate erzielen. Allerdings sind die Ergebnisse früherer Studien wenig überzeugend (FRÖHLICH et al. 1987).

Abgesehen von dem Quellwasser der Fonte Grande bei Alte, das neben einem Anteil alten Wassers (¹⁴C: 27,7 %) einen rezenten Anteil hat (³H: 1,6 TU) sind die Tritiumgehalte im Grundwasser im Hinterland höher als nahe der Küste (2,92-4,51 TU).

Der sehr niedrige Tritiumgehalt des Tiefbrunnens bei Alte (I7: 0,01 TU) zeugt von dem hohen Alter der Wasserprobe. Bis auf die Wässer mit einem fossilen Anteil (I3: Fonte Grande, I7: Tiefbrunnen bei Alte) zeigen die Wasserproben mit Tritiumgehalten von 2,92 TU bis 4,51 TU relativ kurze Verweilzeiten im Grundwasserleiter an. Die gemessenen Wassertemperaturen (vgl. Kap. 5.2) weisen auf Mischwässer im Karstgrundwasserleiter hin.

Eine aus dem Blickwinkel der Isotopenfraktionierung zu erwartende Zunahme des Tritiumgehaltes im Regenwasser zum Landesinneren hin spiegelt sich im Grundwasser wider (Abb. 78). Andererseits nimmt der Tritiumgehalt in Grundwasserfließrichtung ab und könnte somit einen groben Anhaltspunkt über relative gemittelte Verweilzeiten bzw.

Abstandsgeschwindigkeiten geben. So ergeben Überschlagsrechnungen ohne Beachtung von Mischungsprozessen nach dem „piston-flow-Modell” vom Brunnen I1 nach I5 bzw.

I1 nach I6 (vgl. Abb. 78) Abstandsgeschwindigkeiten zwischen 9 und 11 m/Tag (vgl.

Formel 10). Der abnehmende Tritiumgehalt von I6 nach I5 ergibt eine Abstandsgeschwindigkeit für den Westteil des karbonatischen Grundwasserleiters von ca.

19 m/ Tag und liegt damit im Bereich der Abstandsgeschwindigkeiten der Mehrzahl von früheren Markierungsversuchen in dieser Region mit maximalen Abstandsgeschwindigkeiten von 14-17 m/Tag. (vgl. Kap. 5.1.3.3). Nach ERIKSON (1958, in FRÖHLICH et al. 1987) treten in Karstgrundwasserleitern typischerweise altersmäßige Mischungen von Wässern auf, die mit einer Exponentialkurve beschrieben werden können (Exponentialmodell). Da vermutlich in allen Bohrbrunnen altersmäßige Mischungen vorkommen wurde auf die Berechnung verzichtet.

Für den Grundwasserleiter Querença-Silves repräsentative ¹⁴C-Gehalte liegen zwischen 78,1 % und 84,6 %). Diese Wässer sind relativ jung, der ¹⁴C-Gehalt ist hierbei von mehreren Faktoren beeinflusst: Zum einen gibt es den weltweit abnehmenden Gehalt an

14C in der Atmosphäre durch die Verbrennung fossiler Energieträger, die frei von ¹⁴C sind, zum anderen deuten die Tritiumkonzentrationen (2,92-4,51 TU) auf den rezenten Eintrag hin. Relativ ähnliche ¹³C-Gehalte mit ¹³δ von –12.99 ‰ bis –12,1 ‰ zeugen von Isotopenaustausch mit den jurassischen ¹⁴C-freien Karbonaten. Für die „normalen” ¹⁴ C-Gehalte von ca. 80 % sprechen auch die für semiaride Gebiete üblichen δ¹³C-Werte von ca. -13 ‰ (Tab. 34). Der höchste ¹⁴C-Gehalt von 101,3 %, der deutlich über den anderen Messwerten liegt, wurde in den paläozoischen Schiefern und Grauwacken ermittelt. Die gemessenen δ¹³C-Werte sind typisch für C₃-Vegetation über dem Neubildungsgebiet (vgl. CLARK & FRITZ 1997). Werte des ¹⁴C von über 100 % können zum einen auf die unsichere Ausgangskonzentration, und zum anderen auf die bei der Berechnung entstehenden Fehler zurückzuführen sein. MOSER & RAUERT (1980) geben eine Spannweite von 70-120 % für den ¹⁴C-Anfangsgehalt junger Wässer an, die unbekannte Anteile an Bomben-¹⁴C haben. Insofern könnte das Grundwasser im Paläozoikum (I2) einen höheren Anteil aus den 60iger Jahren aufweisen. Dafür spricht auch der Tritiumgehalt von 4,31 TU, der in gleicher Weise wie der etwas erhöhte ³H-Wert im Vala Grande südlich von Benafim Grande (I1: 4,51 TU) und der Paderne-Quelle (I4: 3,8 TU) einen Hinweis auf Anteile von nuklearwaffenbürtigem ³H liefert.

Niedrigere ¹⁴C-Werte und somit höheres Alter weisen die Fonte Grande (I3: 27,7 %) und ein tiefer Bohrbrunnen südöstlich von Alte (I7: 35,9 %) auf (Tab. 34). Die höheren ¹³ C-Werte der Fonte Grande (I3: -9,86 ‰) und des tiefen Brunnens bei der Tankstelle südöstlich von Alte (I7: -5,31 ‰) legen eine lange Kontaktzeit zu den Karbonaten nahe, so dass hier verstärkt Austausch stattgefunden hat. Der höhere ¹³C-Wert im Paläozoikum (I2: -15,94 ‰) ist vermutlich auf die spezifische Vegetation auf den Schiefern und Grauwacken zurückzuführen (pers. Mitt. THORWEIHE).

Die gemessenen δ¹³C-Werte liegen zwischen -15,95 ‰ bis -5,31 ‰. Nach GEYH (1972, in GEYH, MICHEL & WAGNER 1988) hängen initiale ¹⁴C-und ¹³C-Gehalte des Karstwassers von der Bodenbedeckung ab. In einer Studie bei Höxter (GEYH 1988) ergeben sich in verschiedenen Formationen unterschiedliche plots im Verhältnis Tritium bzw. ¹⁴C gegenüber δ¹³C (vgl. Abb. 80).

Ein niedriger δ¹³C-Wert, verbunden mit hohem ¹⁴C und hohem ³H ist für das Paläozoikum nördlich des karbonatischen Grundwasserleiters typisch, die Punktwolke mit δ¹³C-Werten zwischen -12,99 ‰ bis -12,1 ‰ zeichnet den Grundwasserleiter Querença-Silves aus. Das Mischwasser der Fonte Grande weist niedrigeren ¹⁴C und etwas höheren δ¹³C auf (27,7 % bzw. -9,86 ‰). Der höhere δ¹³C ist an dieser Stelle möglicherweise auf versickerndes Flußwasser oder auf längere Kontaktzeit mit den Karbonaten des Untergrundes zurückzuführen. Rechts im Diagramm liegt mit hohem δ¹³C und niedrigem ¹⁴C das fossile Wasser des Tiefbrunnens der Tankstelle südöstlich von Alte (35,9 % bzw. -5,31 ‰).

Der niedrige δ¹³C-Wert der Probe aus dem Tiefbrunnen (I7) könnte durch die im Brunnen stattgefundene Sulfatreduktion bzw. durch die lange Kontaktzeit mit den liassischen Karbonaten bedingt sein (vgl. Kap. 5.2.3.13: B6 = I7). Aus diesen Gründen sind die unkorrigierten ¹⁴C-Alter zu hoch und können im allgemeinen nicht genauer angegeben werden (vgl. WAGNER & GEYH 1999).

Eine Altersbestimmung der Wässer aus den ¹⁴C-Gehalten ist nur mit großen Unsicherheiten durchzuführen (MOSER & RAUERT 1980). Zur Bestimmung der Grundwasseralter wurde daher mit bis zu 4 Varianten gerechnet (Tab. 34).

0 20 40 60 80 100 120

-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

δC-13 (‰ )

C-14 bzw. H-3

C-14 (%) H-3 (TU)

7: Alte (Tiefbrunnen) 3: Fonte Grande

2: Pe de Coelho

6: Lavajos 4: Paderne- Quelle 1: Vala Grande

5: Monte das Osgas

Abb. 80: Plots von Tritium bzw. ¹⁴C gegenüber δ¹³C

Die im Karstgrundwasserleiter auftretenden Tritiumgehalte zwischen 2,92 und 4,51 zeigen, dass das Grundwasser rezent gebildet wurde. Insofern dürfte der initiale ¹⁴ C-Eintrag in das Karstsystem nur wenig über den ¹⁴C-Gehalten des Grundwassers von 78,1 bis 84,6 % liegen. Der einfache Korrekturansatz nach VOGEL & EHHALT (1963, in VREBKA 1996) geht von einer ¹⁴C-Anfangskonzentration von 85 pmc aus und liegt somit im Bereich der rezenten Karstwässer. Eine weitere Korrektur erfolgte über den δ¹³C-Wert. Auf Grund ungesicherter Annahmen über die ablaufenden Prozesse, die zur Veränderung des ¹⁴C-Anfangsgehaltes führen und Mischungsprozesse im Karstgrundwasserleiter wurde auf kompliziertere Modellrechnungen verzichtet. Unter Kenntnisnahme der oben beschriebenen Unsicherheiten können somit mit dem einfachen Korrekturansatz nach VOGEL & EHHALT (1963, in VREBKA 1996) maximale Alter von 9270 Jahren für das Wasser der Fonte Grande (I3) und von 7130 Jahren für den tiefen Bohrbrunnen südlich von Alte (I7) abgeschätzt werden.

τ = (T1/2 / ln 2) ּln (co / cp) Formel 10: Altersberechnung τ

T1/2 = Halbwertszeit co = Anfangskonzentration

cp = gemessene Konzentration in der Probe

Bei Einbeziehung des δ¹³C, der in diesen beiden Proben gegenüber den anderen Proben deutlich erhöht ist, ergibt sich für das Alter des Wassers der Fonte Grande ein Alter von 8320 bzw. 6650 Jahren und für das Wasser des tiefen Bohrbrunnens ein Alter von 1060 Jahren. Zusätzlich zu der Größe des Einzugsgebietes, der perennierenden Quellen und Abflussmessungen von KELLNER & TRÖGER (1989) deutet dies auf einen vermutlich störungsgebundenen Aufstieg von altem Tiefenwasser zu der Fonte Grande.

5.3 Zusammenhang zwischen Grundwasserdynamik und

Im Dokument Hydrotektonik und Grundwasserdynamik im rezenten Spannungsfeld am Beispiel der verkarsteten Gesteine im Zentralalgarve (Portugal) (Seite 147-153)