Isotopische Charakterisierung v. Strömungs- & Redoxprozessen in Uferfiltrat & landseitigen Grundwässern der Torgauer Elbtalwanne

Isotopenanalytische Charakterisierung hydrodynamischer und biogeochemischer Prozesse in Uferfiltrat und landseitigen Grundwssern der Torgauer Elbtalwanne unter besonderer Bercksichtigung der Herkunft und Umwandlungen von Kohlenstoff- und Schwefelspezies

Von der Fakultt fr Physik und Geowissenschaften der Universitt Leipzig genehmigte

Dissertationzur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium Dr. rer. nat.

vorgelegt von Dipl. Geol. German Malln geboren am 29.12.1966 in Buenos Aires

Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Peter Fritz, UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH Prof. Dr. habil. Walter Gler, UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH Prof. Dr. -Ing. habil. Wolfgang Nestler, Hochschule fr Technik und Wirtschaft Dresden (FH)

Tag der Verleihung: 13.12.1999

Danksagung

Diese Arbeit entstand im Rahmen des vom Bundesministerium fr Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie gefrderten Teilprojektes "Weiterentwicklung und Anwendung isotopenanalytischer Methoden zur Beurteilung der Herkunft und Bewegung der Grundwsser und Inhaltsstoffe" (Frderkennz. 02WT9456/5) und ist in das Verbundforschungsvorhaben "Wassergewinnung in Talgrundwasserleitern im Einzugsgebiet der Elbe" (Frderkennz. 02WT9454) eingebunden. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. R. Trettin, Sektion Hydrogeologie des Umweltforschungszentrums Leipzig-Halle GmbH, der als Leiter des Teilprojektes durch permanente fachliche Betreuung und Durchsicht der Arbeit wesentlich zu deren Entstehung beitrug und Herrn Prof. W. Gler, Leiter der Sektion Hydrogeologie des UFZ, fr die Untersttzung, Betreuung und Begutachtung dieser Arbeit. Weiterhin danke ich Dr. G. Strauch fr seine stete Diskussionsbereitschaft und die Durchsicht der Arbeit. Bedeutenden Anteil an dieser Arbeit hatten Herr Dipl.-Phys. M. Gehre, Dipl.-Ing. R. Hfling und Frau I. Flgel durch zahlreiche massenspektrometrische Messungen sowie Frau M. Neuber und Frau Dipl.-Ing. G. Stams durch Prparation zahlreicher 13CDIC- und 34SSO4-Proben. Ihnen sowie Frau G. Schfer, die 15NNO3 prparierte, Frau C. Zorn, die Tritium analysierte, Frau R. Kautz und vielen anderen Laborantinnen des UFZ sei gedankt fr stete Hilfe bei auftretenden Schwierigkeiten im Labor. Dank auch an viele ungenannte Mitarbeiter des UFZ fr die stete Diskussionsbereitschaft und praktische Untersttzung. Fr die organisatorische und fachliche Untersttzung sowie zahlreiche Anregungen danke ich dem Initiator und Leiter des obengenannten Verbundprojektes Herrn Prof. W. Nestler vom Lehrbereich Geotechnik & Wasserwesen der Hochschule fr Technik und Wirtschaft Dresden (FH). Herrn Dipl.-Ing. T. Grischek, Institut fr Grundwasserwirtschaft der TU Dresden, danke ich fr die Bereitstellung umfangreicher, zur Interpretation der Isotopenvariationen notwendiger Daten aus chemischen Analysen sowie von Sedimentproben zur Gesamtschwefelextraktion. Ihm und Herrn Dr. J. Dehnert, Schsisches Landesamt fr Umwelt und Geologie in Radebeul, verdanke ich viele Anregungen und Zuarbeiten zu Abschluberichten. Sie leisteten bedeutende Beitrge zum Verstndnis der Hydrodynamik und der Umsetzungsprozesse. Herrn U. Naake danke ich fr die Untersttzung bei zahlreichen Beprobungen. Die enge fachliche und logistische Kooperation mit den Dresdener Verbundpartnern sowie die in den vorangegangenen Jahren von ihnen konzipierten Meprofile und geleisteten Vorarbeiten schufen wichtige Voraussetzungen zur Erstellung dieser Arbeit.

Weiterer Dank gebhrt den Verbundprojektpartnern Herrn Prof. W. Walther und Herrn Dr. P. Neitzel vom Institut fr Grundwasserwirtschaft der TU Dresden, Herrn Dr. K.Freyer und Herrn Dr. H.-C. Treutler, Sektion Analytik des UFZ, Herrn Prof. F. Jacobs und Frau Dipl.Phys. C. Reimann, Institut fr Geophysik und Geologie der Universitt Leipzig, fr hilfreiche Erluterungen und kritische Hinterfragungen meiner Interpretationen.

Fr die gute Zusammenarbeit und Untersttzung danke ich Herrn Dipl.-Ing. I. Nietzsche, Leiter des technischen Bros, und Herrn U. Heilmann, Leiter des Wasserwerkes Torgau-Ost sowie Frau Dipl.-Geol. R. Jessullat, Dipl.-Chem. Frau K. Ende und Herrn Dipl.-Ing. M. Krger. Die Fernwasserversorgung Elbaue-Ostharz GmbH untersttzte die Forschungsarbeiten bei gemeinsamen Beprobungen und durch Analyse zahlreicher Wasserproben wesentlich. Den Herren Prof. H. Brause, Bergakademie Freiberg, Dr. A. Mller, Schsische Akademie der Wissenschaften in Leipzig, Dr. H. Hiller, Wismut GmbH Chemnitz, Dr. D. Brinschwitz und Dipl. Geol. R. Gehmlich, HGN Torgau, danke ich herzlich fr hilfreiche Erluterungen zur Geologie des Torgauer Raumes und fr die Bereitstellung umfangreicher, hufig unverffentlichter Berichte und Bohrlochdokumentationen aus Archiven.

Zusammenfassung In der Elbtalwanne bei Torgau wird ein Gemisch aus Uferfiltrat der Elbe und regionalem Grundwasser (GW) als Trinkwasser gewonnen. Engmaschige Messprofile aus Beobachtungsbrunnen entlang der Fliebahnen zu den Trinkwasserfrderbrunnen bieten gnstige Voraussetzungen, um anhand von SO42--, NO3-- und Fe(II)-Gehalten sowie 34S/32SSO4-Verhltnissen die Abfolge von Redoxreaktionen im Uferfiltrat zu ermitteln. Daraus lassen sich anschlieend auch die im landseitigen GW stattfindenden Prozesse ableiten, wo die Redoxzonen weit mehr durch landwirtschaftliche Dngung als durch Trinkwasserfrderung nach unten verschoben wurden. Im karbonatfreien Aquifer der Elbtalwanne heben sich die niedrigen 13CDIC-Werte des Grundwassers generell von den hheren Werten des Uferfiltrats ab. 13CDIC-nderungen im Uferfiltrat zeigen Umsetzungsprozesse des Kohlenstoffs und Zumischungen von auen an. Dadurch kann unterschieden werden, ob Zumischungen oder interne Redoxprozesse fr beobachtete Vernderungen der chemischen und isotopischen Zusammensetzungen entlang der Fliewege des Uferfiltrats verantwortlich sind. Bei Steigerung der Frderleistung und damit der Fliegeschwindigkeit des Uferfiltrats eignet sich 34SSO4 ebenso gut wie 13CDIC zur Abgrenzung des Uferfiltrats vom umgebenden GW, weil dadurch eine autotrophe Denitrifikation durch Sulfidoxidation ausgelst wird und zur SO42-Zunahme bei gleichzeitiger 34S-Abreicherung fhrt. Anschlieende Fe(III)-Reduktion durch Sulfid in mittlerer und unterer Aquifertiefe der gesamten Aue fhrt zum Anstieg der Fe(II)Konzentrationen auf ca. 5-10 eq.%, in Fassungsnhe sogar bis zu 15 eq% der Kationen. Davon noch kaum beeinflusst und daher eisenrmer sind einige 3H-arme, weit ber 50 Jahre alte Grundwsser an der Quartrbasis, in denen die ursprnglich durch organischen Kohlenstoff bestimmte Abfolge der Redoxreaktionen noch nicht von Prozessen berdeckt wird, die seit nderung der Milieubedingungen die wesentlich reaktiveren, berwiegend an Eisen gebundenen sedimentren Sulfide als ElektronenDonator bevorzugen.

Abstract In the Elbe basin at Torgau, a mixture of Elbe river bank filtrate and regional groundwater (GW) is pumped for drinking-water supply. Close-meshed cross-sections of observation wells located along the flow paths to the production wells, provide highly favourable conditions to elucidate the sequence of redox reactions occurring in river bank filtrate by means of SO 42, NO3 and Fe(II) concentrations and 34S/32SSO4 ratios. This allows also to derive the processes taking place in landside GW, where the redox zones have been moved downwards by agricultural fertilization rather than by drinking water production. In the carbonate-free aquifer of the Elbe basin, the low 13CDIC values of GW generally contrast clearly with the higher values of the bank filtrate. 13CDIC modifications in the bank filtrate show carbon transformation processes and/or admixtures from external sources. This allows to differentiate whether admixtures or internal redox processes are responsible for changes of the chemical and isotopic compositions along the bank-filtrate flow paths. On increasing production rate and flow velocity of the bank filtrate, 34SSO4 becomes just as suitable as 13CDIC to differentiate bank filtrate from surrounding GW, because this triggers autotrophic denitrification by sulfide oxidation and a consequent increase in SO42- along with simultaneous 34S depletion. Subsequent Fe(III) reduction by sulfide in the mid and deep aquifer zones of the whole floodplain causes a rise in Fe(II) concentrations, which is around 5-10 eq %, at sites next to the extraction wells sometimes even up to 15 eq% of the cations. Some 3H-poor groundwaters at the Quaternary base, much older than 50 years, are not yet influenced by this process, and are therefore poorer in iron, because the original sequence of redox reactions, controlled by organic carbon, is not yet replaced by processes, which favour the substantially more reactive sedimentary sulphides, predominantly bound to iron, as electron donor after modification of the environmental conditions.

Inhaltsverzeichnis1 1.1 1.2 1.3 Einleitung Seite Problemstellung ..................................................................................................... 2 Aufgaben und Ziele der Isotopenanalytik ............................................................... 3 Mestellen im Untersuchungsgebiet Torgau-Ost .................................................... 4

2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.2

Geologische und hydrogeologische Verhltnisse Regionalgeologische Gliederung ............................................................................ Grundgebirge ........................................................................................................ Permokarbone Rhyolithe und vulkanitische Sedimente (bergangsstockwerk) ...... Permotriasisches Deckgebirge .............................................................................. Tertire Lockergesteinsberdeckung .................................................................... Quartre Sedimentationen und berformungen ..................................................... Hydrodynamische Verhltnisse .............................................................................

10 10 12 13 16 18 24

3 3.1 3.1.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3

Megren und Analysenverfahren Probenahme und hydrochemische Analytik ........................................................... 25 Berechnungen zum Kalk-Kohlensure-Gleichgewicht ........................................... 26 Isotopenanalytische Verfahren und Zielsetzungen ................................................. 29 Prparation sulfathaltiger Mineraldnger zur 34S-Bestimmung .............................32 Prparation des sedimentren Gesamtschwefels zur Konzentrations- und 34S-Bestimmung .................................................................................................. 33 Kontaminationsfreie Gewinnung der Fulvinsurefraktion des DOC zur 14 C-Bestimmung ................................................................................................... 35 Theoretische Grundlagen zu den Isotopenverhltnissen ......................................... 37 Isotopenfraktionierungen ...................................................................................... 37 Interpretation der stabilen Isotope ........................................................................ 40 Interpretation der radioaktiven Isotope ................................................................. 42

4. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3

Isotopenanalytische Charakterisierung der Strmungs- und Mischungsprozesse im Aquifer zwischen Elbe und Uferfiltratfassungen Isotopenverhltnisse des Wassers ......................................................................... 45 18 O- und 3H-Variationen in der Elbe ..................................................................... 45 Tritium im Grundwasser und Uferfiltrat ................................................................ 47 18O/ D im Grundwasser und Uferfiltrat ...............................................................49 Variationen des 13CDIC, 15NNO3 und 34SSO4 in der Elbe ............................................ 53 Identifizierung und Abgrenzung des Uferfiltrats in den Meprofilen Torgau-Ost I und II .............................................................................................. 57 Temperaturabhngiger Abbau organischen Kohlenstoffs in der Kolmationszone ... 57 Differenzierung zwischen Uferfiltrat und landseitigen Grundwssern durch 13CDIC ..61 Differenzierung zwischen Uferfiltrat und landseitigen Grundwssern durch 34SSO4 ..63

4.3.4 Nachweis der Elbeunterstrmung unter dem Zwischenstauer des Meprofiles Torgau-Ost I ........................................................................................................ 4.4 Eintrge von Inhaltsstoffen aus der ungesttigten Zone ins oberflchennahe Uferfiltrat ............................................................................................................. 4.4.1 Beeinflussung des DIC im Uferfiltrat durch Sickerwasser und Boden-CO2 ........... 4.4.2 Beeinflussung des SO42 im Uferfiltrat durch Sickerwasser .................................... 4.5 Denitrifikation und Sickerwassereintrag im ufer- und oberflchennahen Uferfiltrat des Meprofiles Torgau-Ost I .............................................................................. 4.6 Zusammenfassende Betrachtung ...........................................................................

66 70 70 71 74 77

5 5.1. 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2. 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3. 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.5

Schwefelisotopische Charakterisierung biogeochemischer Redoxreaktionen im Aquifer Schwefel in der Lockergesteinsmatrix ................................................................... 88 Bildung anorganischer Sulfide im Aquifer ............................................................. 88 Horizontspezifische Konzentration und Signatur des sedimentren Gesamtschwefels im Meprofil Torgau-Ost I ........................................................ 89 Vergleiche zu anderen Extraktionsverfahren ......................................................... 95 Oxidation reduzierten anorganischen Schwefels in Fassungsnhe .......................... 96 Sulfidoxidation durch autotrophe Denitrifikation im Uferfiltrat des Meprofil I ..... 96 Sulfidoxidation durch autotrophe Denitrifikation im landseitigen Zustrom des Meprofil I ......................................................................................................... 101 Ursachen der autotrophen Denitrifikation im Meprofil Torgau-Ost I ................. 103 Sulfidoxidation durch Fe(III)-Reduktion im Uferfiltrat und landseitigen Zustrom der Fassungen ..................................................................................................... 104 Schwefelisotopenvariationen im Vorfeld der Fassungen ...................................... 108 Auswirkung der Bevorzugung von Sulfid als Elektronendonator auf Eisen und Sulfat im landseitigen Grundwasser der Elbaue von Torgau-Ost ................... 112 Eisenkonzentrationsanstieg durch Fe(III)-Reduktion im nitratfreien Grundwasser ..112 Redoxprozesse im anthropogen unbeeinfluten Grundwasser .............................. 114 nderung der Abfolge der Redoxreaktionen ....................................................... 116 Ursachen der Verschiebung der Redoxzonen in der Elbaue ................................. 117 Zusammenfassende Betrachtung ........................................................................ 120

6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3

Atmosphrische und landwirtschaftliche Sulfatquellen atmosphrische Schwefeldeposition .................................................................... Entwicklung der Depositionsraten bis in die Gegenwart ...................................... Signatur des atmosphrischen Schwefels ............................................................ Schwefeleintrag durch Glle und Stallmist in Torgau-Ost ................................... Eintrag und schwefelisotopische Signatur sulfathaltiger Mineraldnger ............... Stickstoffdnger ................................................................................................. Phosphatdnger .................................................................................................. Kaliumdnger .....................................................................................................

124 124 126 128 129 133 136 137

6.4

Zusammenfassung der Schwefeleintrge auf den landwirtschaftlichen Nutzflchen ... 139

7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 8 9 8

Kohlen- und schwefelisotopische Fraktionierungen im Grundwasser 13 C-Variationen des DIC im landseitigen Grundwasser ........................................ 142 Isotopenfraktionierungen bei bergngen der DIC-Spezies ................................ 142 Einflu von Methanogenese auf den DIC ............................................................ 147 Identifikation aufsteigender Wsser aus prtertiren Sedimenten anhand von Sulfat und DIC ................................................................................................... 151 Anomalien in den MP I-7/5 und I-8/5 als Hinweis fr aufsteigende Tiefenwsser ..151 Anteilsberechnung von Tiefenwasser anhand von 34S-Sulfat und 13C-DIC ........... 153 Rckschlsse auf den Chemismus des Tiefenwassers .......................................... 157 14 C als Indikator fr die Herkunft und Wandlung von DOC ................................. 158 Charakterisierung des DOC ................................................................................ 158 14 C der Fulvinsurefraktion des DOC im Uferfiltrat ............................................. 159 14 C-Variationen im landseitigen Grundwasser ..................................................... 160 Zusammmenfassung und Schlufolgerungen .................................................... 165 Forschungsbedarf ................................................................................................. 172 Resume and conclusions ...................................................................................... 174 Literatur ............................................................................................................... 180

Abkrzungen a aq ACZ Br. c c(DIC)c c(DIC)m CDT CO2(aq) Corg d DOC e FA fG Fges FWV GOK GW GWS h HA IRMS kf Kt K1 K2 konz. LN Lf. m MD MP MS mS anno (Jahr) Fraktionierungsfaktor aquatisch gelst Agrochemiezentrum Trinkwasserfrderbrunnen der Fernwasserversorgung Elbaue-Ostharz Konzentration berechneter DIC-Gehalt maanalytisch bestimmter DIC-Gehalt Caon Diablo Troilit im Wasser gelstes CO2 (incl. H2CO3) organischer Kohlenstoff Tag -Wert der Isotopenverhltnisse dissolved organic carbon Anreicherungsfaktor Elektron Fulvinsurefraktion des DOC Feinkies Gesamteisen Fernwasserversorgung Elbaue-Ostharz Gelndeoberkante Grundwasser Grundwasserspiegel Aktivittskoeffizient Stunde Huminsurefraktion des DOC isotope ratio mass spectrometer Durchlssigkeitsbeiwert Gesamtkalium erste Dissoziationskonstante der Kohlensure zweite Dissoziationskonstante der Kohlensure konzentriert landwirtschaftliche Nutzflche Leitfhigkeit ( S/cm) Masse Mineraldnger Mepunkt bzw. Filterstrecke (1m-Edelstahlfilter oder Membranpumpe) Mestelle (z.B. MS II-7 entspricht Mestelle II-7 im Meprofil Torgau-Ost II) Mittelsand

MT n N Nt n.b. n.n. N, E, S, W OT p.a. Pt PDB RIS RO s

mittlere Teufe Anzahl Molaritt Gesamtstickstoff nicht bestimmt nicht nachweisbar Himmelsrichtungen (Norden, Osten, Sden, Westen) obere Teufe pro analytica (zur Analyse geeigneter Reinheitsgrad) Gesamtphosphor Pee Dee Belemnit reduced inorganic sulfur Reversosmose solid (fest) Streuung bzw. "Standardabweichung der Einzelwerte xi",

,

=Standardabweichung der Mittelwertex

( xi x ) 2 n 1

, x

x =

n

S Sorg St SOC SI SW t TU UG UT U, t V V-SMOW WW

Schwefel organischer Schwefel sedimentrer Gesamtschwefel sedimentary organic carbon Sttigungsindex (= Ionenaktivittsprodukt IAP / Lslichkeitskonstante K) Sickerwasser der ungesttigten Zone Zeit Tritium Units Untersuchungsgebiet untere Teufe toniger Schluff Volumen Vienna standard mean ocean water Wasserwerk

1 Einleitung

1

Einleitung

Die Elbtalglazialwanne, die die Fortsetzung der groen glazialen Destruktionszonen Brandenburgs und der Lausitz darstellt, ist das wichtigste Trinkwasserfrdergebiet und eines der grten Reservoire Sachsens. Nrdlich und sdlich von Torgau frdert die Fernwasserversorgung (FWV) Elbaue-Ostharz GmbH unterschiedlich beschaffene Grundwsser eines breiten Alterspektrums zur berregionalen Versorgung. Da die Brunnengalerien entlang des westlichen Elbeufers in nur wenigen hundert Metern Entfernung angeordnet sind, tritt die Uferfiltration, deren stoffliche Quellen und hydraulische Randbedingungen im wesentlichen vom Flu bestimmt wird, als weitere Komponente hinzu. Bei einem Uferfiltratsanteil von teilweise 50 % in elbnahen Brunnen beeinflut die Fluwasserqualitt je nach Strmungsverhltnissen, Stoffart und Milieubedingungen die Rohwasserbeschaffenheit erheblich. Das Hauptinteresse der Wasserwerksbetreiber gilt dem Leistungsvermgen der Untergrundpassage verschiedene Wasserinhaltsstoffe zu eliminieren und Stobelastungen zu puffern, da dies entscheidende Kriterien zur Bewertung der Sicherheit des durch Uferfiltration gewonnenen Trinkwassers sind. Wie auch im landseitigen GW bestimmen die Dispersion, die Milieubedingungen sowie die von den Eigenschaften der Inhaltsstoffe und der Bodenmatrix abhngigen Sorptions- und Umsetzungsprozesse die Wirksamkeit des beanspruchten Aquiferraumes hinsichtlich Pufferung und Abbau stoweiser und kontinuierlicher Schadstoffeintrge. Die nach der politischen Wende infolge weitreichender Industriestillegungen verbesserte Qualitt des Elbewassers und erste Effekte der eingeleiteten Sanierungsmanahmen im Stromeinzugsgebiet haben das Uferfiltrat als Rohwasserquelle aufgewertet, whrend die landseitigen Beeintrchtigungen weiterhin zunehmen und sich sogar zum vorrangigen Problem entwickeln. Im Zuge der Erkundungsarbeiten durch HGN Torgau wurden schon vor Beginn der Trinkwasserfrderung (1985-87) Untersuchungen zur Hydrodynamik und Wasserqualitt im Einzugsgebiet des Wasserwerkes Torgau-Ost durchgefhrt, denen regelmige berwachungen der Wasserqualitt in zahlreichen Vorfeldmestellen der Frderbrunnen folgten. Sptere Forschungsarbeiten erweiterten das Verstndnis der Hydrochemie und -dynamik, u.a. durch Darstellung der Beschaffenheitsentwicklung und Abbauprozesse im Flu, Uferfiltrat und landseitigen GW-Zustrom (NESTLER 1993; GRISCHEK 1995 a, b & 1997). Fr die Praxis ergaben sich daraus wichtige Informationen zur Einschtzung von Gefhrdungen des Trinkwassers. Diese Untersuchungen stieen u.a. bei der Herkunftsbestimmung der Grundwsser und Inhaltsstoffe sowie der Darstellung von Mischungsprozessen an Grenzen, die die Anwendung von Isotopentechniken erforderlich machten.

3 Einleitung

1.1

Problemstellung

Bei der Erfassung und Charakterisierung der Schichtungs-, Strmungs- und Mischungsprozesse knnen verschiedene Umweltisotope als natrliche Tracer genutzt und ber deren Variationen teilweise auf Herkunft und Evolution der Wsser und ihrer Inhaltsstoffe geschlossen werden, was durch die alleinige Bestimmung hydrochemischer Kennwerte hufig nicht mit ausreichender Sicherheit gelingt. Auch die hydrodynamische Modellierung anhand der Druckpotentialverteilung und Durchlssigkeiten bleibt ohne ergnzende Zusatzinformationen und Validierungen durch chemische und isotopische Daten unvollstndig. Die milieuabhngigen Abbau- und Umsetzungsprozesse zwischen C-, N- und S-Verbindungen erfordern simultane Betrachtungen mehrerer Isotopenspezies zum Nachweis der Verflechtungen und Reaktionsablufe. Zudem kommt den hydrochemischen Kennwerten Nitrat, Eisen und Sulfat eine besondere Bedeutung zu, da die Eintrge aus verschiedenen Quellen die Rohwasserqualitt beeintrchtigen und damit einen auf Zusammensetzung und Anteile der Wasserkomponenten abgestimmten Betrieb der Fassungsanlagen und aufwendige Aufbereitungsmanahmen erforderlich machen. Hufig kann nur ber die Kenntnis der Herkunft verschiedener Inhaltsstoffe auf sie betreffende Stoffumsetzungen geschlossen werden. Knnen z.B. im Aquifer freigesetzte Inhaltsstoffe nicht von oberflchlichen Eintrgen oder Zumischungen aus anderen Wssern unterschieden werden, lassen sich ber die Redoxprozesse im Aquifer nur Vermutungen anstellen. Dies trifft besonders auf das Verhltnis von Fe(II) und SO42 zu, da die pltzliche Freisetzung von Fe(II) im tieferen Uferfiltrat und landseitigen Zustrom der Fassungen ohne erkennbare SO42-Bildung abluft, was der Stchiometrie der autotrophen Denitrifikation und anderer zunchst als Ursache vermuteter Prozesse widerspricht. Zudem erschweren zeitliche und rumliche Variationen der SO42-Konzentration die Abschtzung des Konzentrationsanstiegs durch Sulfidoxidation, wenn der so entstandene Anteil sekundren Sulfats nicht isotopenanalytisch quantifiziert wird. Bisher beschrnkten sich Untersuchungen zu Isotopenverhltnissen und Konzentrationsverteilungen des sedimentren Schwefels, dessen Beteiligung an Umsetzungsprozessen sowie zu Wechselwirkungen zwischen Wasser und Aquifermatrix, die den Schwefel und seine Redoxpartner einbeziehen, auf marine Sedimente, pyrit- und braunkohlereiches Tertir (LEUCHS & OBERMANN 1992, WISOTZKY 1994 & 96, SCHULTE et al. 1997) und vorwiegend Sorg-reiche Bodenhorizonte (MAYER 1993, KNIEF 1998). Vergleichbare Erkenntnisse ber die 34S-Werte und Konzentrationen des sedimentren Gesamtschwefel in S-armen quartren Lockergesteinsaquiferen liegen bisher nicht vor. Der sedimentre Schwefel wird daher aus den vorwiegend sandigen Quartrablagerungen quantitativ extrahiert und massenspektrometrisch untersucht (Kap. 5.1) sowie dessen erheblicher Einflu auf die Redoxprozesse im Aquifer und die GW-Beschaffenheit nachfolgend erlutert. Wird die Vermischung zweier unterschiedlich beschaffener Wsser hydrochemisch untersucht, ist nur bei genauer Kenntnis der Ausgangskonzentration des jeweils betrachteten Inhaltsstoffes in beiden Mischungspartnern eine Berechnung der Volumenanteile mglich. Dies bereitet besonders in den Randbereichen des Uferfiltrats bei Grund- oder Sickerwasserzumischungen Probleme, da hufig nicht festgestellt werden kann, welcher Mischungspartner dominiert oder ob berhaupt eine Mischung vorliegt. So konnten Zumischungen landseitigen Grundwassers im unteren Bereich des uferfiltratbeeinfluten Raumes teilweise nicht sicher und Uferfiltrat bei hohem Anteil neugebildeten Grundwassers im oberen

4 Einleitung

Aquiferbereich nur mittels EDTA nachgewiesen werden (GRISCHEK et al. 1997). Die Mischungsanteile der Inhaltsstoffe selbst sind nur isotopenanalytisch erfassbar. 1.2 Aufgaben und Ziele der Isotopenanalytik

Die Isotopenanalytik stellt durch Ermittlung der Umsetzungsprozesse in verschiedenen Aquiferzonen sowie der Herkunft und Evolution der Wsser und Inhaltsstoffe ein wichtiges Hilfsmittel zur Verifizierung der Hydrodynamik und Aufklrung der Ursachen der Beschaffenheitsschwankungen dar. Sie kann damit grundlegende Sachverhalte fr die Beurteilung von Beschaffenheitsentwicklungen und Gefhrdungen und fr die Erarbeitung nachhaltiger Bewirtschaftungsstrategien in Trinkwassereinzugsgebieten aufzeigen. Die Erfassung der komplexen Zusammenhnge im Torgauer Talgrundwasserleiter erfordert Untersuchungen an einem breiten Spektrum stabiler und radioaktiver Umweltisotope. Die Radioisotope 3H und 14C des DIC und DOC sollen Einblick in die Altersschichtung und Herkunft der landseitigen Grundwsser sowie zu Kommunikationsbeziehungen zwischen verschiedenen Aquiferbereichen geben. Bei der Datierung alter Grundwsser durch Radiokohlenstoff ist zu prfen, ob Redox- und Lsungsprozesse zu Verflschungen fhren knnen und wie weit diese korrigierbar sind. Zeitliche Variationen des 18OH2O in der Elbe sollen das tiefenabhngige Fliezeitspektrum des Uferfiltrats zwischen Flu und Brunnengalerie anzeigen und mit den Resultaten physikalischer und hydrochemischer Analysen der Verbundpartner, z.B. mit Cl als fast ebenso konservativem Tracer wie das Wasser selbst, verglichen werden.34

SSO4 und 13CDIC sind auf ihre Eignung zur Tracerung und Differenzierung von Uferfiltrat und verschiedener landseitiger Grundwsser sowie zur Aufklrung von Strmungs- und Mischungsprozessen in der Torgauer Elbtalwanne, insbesondere entlang der Meprofile Torgau-Ost I und II, zu prfen. Diese Isotope knnen unter bestimmten Voraussetzungen przisere und z.T. verallgemeinerungsfhige Aussagen zur Elbunterstrmung bei Fassungsbetrieb im Meprofil I liefern. Die dort herrschenden Verhltnisse sind in Teufe 4 der elbnahen Mestellen durch ungenaue hydrochemische Differenzierbarkeit der Wsser nicht so sicher nachvollziehbar wie an der Quartrbasis in Teufe 5. Um die Herkunft der im Uferfiltrat und GW gelsten Inhaltsstoffe aufklren zu knnen, mssen zahlreiche Quellen nherungsweise quantifiziert und ihr jeweiliges, teilweise zeitlich variierendes Isotopenverhltnis ermittelt werden. Oberflchliche Eintrge sind in Abhngigkeit von der Zeit zu betrachten, da teufenspezifische nderungen der Zusammensetzungen nicht immer auf Prozesse im Aquifer zurckzufhren sind. Kann anhand mglichst vollstndig erfater Quellen oder aus Mepunkten (MP) im Anstrom auf eine ursprngliche Wasserbeschaffenheit und Isotopensignatur in einem MP zurckgeschlossen werden, lt sich die Konzentration und Signatur eines dazwischen erfolgenden Eintrags berechnen oder ein stattfindender Umsetzungsproze im Aquifer analysieren. Insbesondere zur Ermittlung der Ursachen der ungewhnlich hohen SO42-Konzentrationen in jungen und einige Jahrzehnte alten (3H-reichen) Grundwssern der Elbtalwanne sind atmosphrische und landwirtschaftliche Eintrge (organische und zahlreiche mineralische Dngemittel), die die wichtigsten SO42- und NO3-Quellen darstellen, so weit wie mglich zu quantifizieren und schwefelisotopisch zu charakterisieren. Dabei sind die seit Beginn der Industrialisierung erheblichen Schwankungen unterworfenen, regionalspezifischen Konzentrationen und Isotopenverhltnisse der oberflchlichen SDepositionen so weit wie mglich einzugrenzen. ber die Depositionsraten und Isotopenverhltnisse des atmosphrischen Schwefels, der in der sdlichen DDR bis zur Wende vor allem aus Kraftwerksemissionen stammt, liegen bis in die 70er Jahre zurckreichende Informationen vor (IHLE & LIPPOLD 1995, MLLER & LUX 1992, NIELSEN et al. 1991,

5 Einleitung

NEWMAN & FORREST 1991, CLARK & FRITZ 1997), auf die in Kap. 6.1 eingegangen wird. Die davor herrschenden Verhltnisse sind nur in Gletschergebieten bekannt (PICHLMAYER & BLOCHBERGER 1994). Die Statistischen Jahrbcher der DDR und RUNGE (1991) geben Durchschnittswerte zum Einsatz Shaltiger Mineraldnger an, wobei vor allem DDR-spezifisches Ammonsulfat und Superphosphat, ber deren Signatur bisher nichts bekannt war, quantitativ hervortreten. Die Abgrenzung geogener und anthropogener Inhaltsstoffe erfordert nicht nur Betrachtungen zum Stoffbestand des Quartrs, sondern auch zu eventuellen Beeinflussungen aus dem in frheren hydrochemischen Untersuchungen vernachlssigten Prquartr. Daraus ergeben sich nhere Hinweise zur Durchlssigkeit der tertiren Aquitarde (oder gar Aquiclude) und zur Spezifizierung der Strmungs- und Mischungsprozesse im Aquifer. Im Gegensatz zu dem von MLLER (1988) detailliert beschriebenen Quartr existieren zur regionalen Geologie des Prquartrs lediglich fragmentarische, meist als interne und bis zur Wende geheim gehaltene Arbeitsberichte und Bohrlochdokumentationen vorliegende Einzelinformationen, deren Auswertung und Zusammenfassung daher ebenfalls Teil dieser Arbeit ist (Kap. 2). Schlielich mssen Redoxprozesse beschrieben werden, durch die sich die mglichst entlang der Fliepfade der Wsser beobachteten Isotopenfraktionierungen und Konzentrationsnderungen der Redoxpartner miteinander in Einklang bringen lassen. Natrliche und durch anthropogen verursachte Milieunderungen hervorgerufene Umsetzungsprozesse im Fern- und Nahbereich der Trinkwasserfrderbrunnen sind voneinander zu unterscheiden. Eintrge von Elektronenakzeptoren in grere Tiefen knnen mittel- oder langfristig das Reinigungspotential des Aquifers vermindern. Im Fassungsnahbereich sind Abhngigkeiten der Stoffumsetzungen von Betrieb und Frderleistung der Brunnen zu untersuchen.

1.3

Mestellen im Untersuchungsgebiet Torgau-Ost

Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die Elbtalwanne im Einzugsgebiet des Wasserwerkes TorgauOst unter Nutzung der 1994 errichteten Gtemenetze der FWV. Das dichte Mestellennetz ermglicht die Aussagefhigkeit verschiedener Techniken zu testen und die erhaltenen objektspezifischen und methodischen Erkenntnisse mit denen der Verbundprojektbeteiligten zu vergleichen.

6 Einleitung

5714

Torgau5712Teiche

511/94

5710

501/94 502/94 503/94 513/94 504/94 Torgau-Ost I 512/94 505/94 514/94 506/94 VI 515/94 516/94 VII Torgau-Ost II 508/92 507/94 517/94 VII IX

NUntersuchungsgebiet Torgau-OstAltarm

5708

Mehderitzsch

508/94 518/94

Dbeltitz510/94

509/94

507/93

5706

Mahitzschen520/94 106/94

519/94

Elbe Belgern

Puschwitz Liebersee

5704

104/94

103/94

5702

3/75

Dahlener HeideBr. Kaisa

1/75

5700 4568

4570

4572

4574

4576

4578

4580

4582

4584

Abb. 1.3-1: Lage und Bezeichnung der Mestellen im Einzugsgebiet des Wasserwerkes Torgau-Ost.

1 Einleitung

Gtemenetz Torgau-Ost Jedes der 20 Mestellenbndel im Einzugsgebiet des Wasserwerkes Torgau-Ost besteht aus meist drei 5GW-Beobachtungsrohren, die als separate Bohrungen nebeneinander liegen und ber dem Ende der jeweiligen Bohrung auf 2 m verfiltert sind, um so teufenspezifische Beprobungen zu ermglichen: ein oberer Mepunkt (MP) an der Untergrenze des holoznen Schotterkrpers, ein mittlerer im glazifluviatilen Mittelsandbereich und ein unterer in der fluviatilen Grobsandschicht unmittelbar ber der Quartrbasis. Ausgehend von halbjhrlichen Kontrollbeprobungen sind die entlang eines inneren und ueren Riegels angelegten Mestellen so positioniert, da die Aufenthaltszeit zwischen den Brunnen und den zugeordneten Mestellen des inneren Riegels etwa 200-300 Tage betrgt. Die am Rand der Elbaue verlaufenden Mestellen des ueren Riegels dienen der Erfassung des Zustroms von der Hochterrasse sdwestlich der Aue. Meprofile Torgau-Ost I und II 1991/92 wurden zur GW-Beobachtung im Einzugsbereich des Wasserwerkes Torgau-Ost die ca. 2 km langen reprsentativen Meprofile Torgau-Ost I und II errichtet, die die Elbe queren und jeweils ber den zentralen Brunnen einer Brunnengalerie bis ins Hinterland verlaufen (Abb. 1.3-1). Die gruppenweise nebeneinander angeordneten GW-Beobachtungsrohre (Durchmesser 4,5 oder 2) sind im oberen, mittleren und basisnahen Aquiferbereich mit 1 m langen Johnson-Edelstahlfiltern sowie in Torgau-Ost I in beiden zwischenliegenden Teufen teilweise mit verloren eingebauten, mittels Druckluft beprobbaren Membranpumpen verfiltert (Abb. 1.3-2). Die Profile ermglichen damit eine teufenabhngige Beprobung in 3 oder 5 Horizonten (NESTLER et al. 1993). Zur Beprobung unterhalb des Elbeflubettes verfgen beide Meprofile ber sog. Kolmationsmestellen, die aus jeweils 3 Membranpumpen bestehen. Die Profile ermglichen eine prozebezogene und fliewegverfolgende Beprobung, die Untersuchung einzelner Strmungskomponenten und eine gesonderte Erfassung der Wirkung der Kolmationszone.

1 Einleitung-500 SW 1 90 8 gf QS1 80 7/1 70 m NN 8/1 7/2 -400 MS I-7 -300 -200 -100 21 0 6 100 m Elbeaue 5 5/1 21/1 6/1 6/2 Mittelsand (Elsterglazial; f-gf QE2n) kf = 0,6 * 10 m/s-3

200

300

400 NE 1

Auelehm (lf QHo) Grobsand - Mittelkies (Holozn; f QHo) kf = 2 * 10 m/s-3

4 4/1

3

Elbe 2/1 2/3

11 11/1 1/1 1/2

5/2 4/2 5/3

3/2

60

8/3 7/3

21/3

6/3

4/3 4/4 5/4 4/5

50 7/4 7/5 30 Tiefenwasseraufstieg aus Unterem Buntsandstein und Zechstein Grobsand - Mittelkies (Elster; f(-gf) QE1n-2v) kf = 2 * 10 m/s Spremberger Schichten (B4; untermiozner Seeton)-3

40

6/4 21/5

8/5

5/5 6/5 Mittelsand (f(-gf) QE2n)

1/3 11/3 3/3 Zwischenstauer aus tonigem Schluf 1/4 und 3/4 Geschiebelehm 1/5 11/5 3/5

Frderbrunnen 22

20

5"-Brunnen, Johnsonfilter 1m, Packer System Membranpumpe

-1600 m -100 90 7 80 7/1 70 7/3

S 6

0 5

100

200 4 3 2

300 1 Elbe 2/1 2/2 2/3 3/2 Teufe 1

400

500 m

600

N

lf QHo

12

Altarm

MS II-10 11

6/1

f QHo 1/1 10/1

5/1

4/1

3/1

60 m NN

6/3 B4 6/5 Br.33

5/3

4/3

3/3 Teufe 3 3/4 1/3

f-gf QE2n 10/3

50

40

5/5

4/5

3/5

Teufe 5 1/5

f(-gf) QE1n-2v

10/5

30

B4 (untermiozner Seeton)

Abb. 1.3-2: Anordnung der Mepunkte, Hydrodynamik und Quartrgeologie in den Meprofilen TorgauOst I (oben) und II (unten).

3 Einleitung

Ab Mrz 1995 wurde die Frderleistung der 5 Brunnen der Fassung VI am Meprofil I von je 150 m3/h auf ca. 230 m3/h (angestrebt wurden 250 m3/h) angehoben. In Fassung VIII am Meprofil II wurden wegen sinkender Trinkwasser-Nachfrage die beiden ueren Brunnen abgeschaltet und die 3 inneren weiterhin mit 150 m3/h betrieben. Die in der Wasserwerkspraxis blichen Unterbrechungen des Brunnenbetriebs konnten trotz aller Bemhungen nicht immer vermieden werden. Die Ausflle der Bezugsbrunnen 22 (Fassung VI) und 33 (Fassung VIII) sind in Abb. 1.3-3 dokumentiert und betrafen, mit Ausnahme des alleinigen Ausfalls des Br. 22 vom 1.10. bis 12.10.95, smtliche Brunnen der jeweiligen Fassung. Temporre Brunnenabschaltungen lassen die im Aquifer ablaufenden Prozesse durch erhhte Fliezeiten weiter fortschreiten, erhhen den Anteil neugebildeten Grundwassers im oberflchennahen Uferfiltrat und fhren zur Vermischung des in die Elbe exfiltrierenden landseitigen Grundwassers mit tieferem Uferfiltrat.Br.33

Br.22

11.4.95

20.7.95

28.10.95

5.2.96

15.5.96

23.8.96

1.12.96

11.3.97

19.6.97

Abb. 1.3-3: Ausfallzeiten der Brunnen 22 und 33 im Versuchszeitraum (TRETTIN et al. 1998).

5 Einleitung

Kolmationsmestellen unter der Flusohle Die oberste Schicht der Flusohle wird wegen des bei Fluwasserinfiltration stattfindenden Eintrags von kolloidalen Feinteilchen und organischer Substanz sowie deren Ablagerung auf der Oberflche als Kolmationsschicht bezeichnet. Deren Durchlssigkeit hat sich mit dem Rckgang der zementierenden Suspensionsfracht nach der Wende erhht, liegt jedoch noch immer deutlich unter der des Aquifers darunter. Die in verschiedenen Tiefen unterhalb der Flusohle eingebauten Membranpumpen der Kolmationsmestellen sind von einem Bedienpult am Ufer ber Schlauchleitungen beprobbar und sollen: * den raschen Abbau von Wasserinhaltsstoffen und der damit verbundenen Isotopenfraktionierungen in den mikrobiell hochaktiven ersten Dezimetern der Untergrundpassage erfassen. Damit knnen die Abbaubarkeit bzw. Adsorbierbarkeit von Schadstoffen und die Umsetzungsprozesse auf dem weiteren Flieweg sicherer beurteilt werden. * nderungen der chemischen und isotopischen Zusammensetzungen im Flu innerhalb weniger Tage anzeigen, kurzzeitige Schwankungen jedoch ausreichend dmpfen. Dies ermglicht in der Praxis der Trinkwasserberwachung Gefhrdungsbewertungen bei Stobelastungen, die unmittelbar unter dem Flubett aufgrund noch geringer Vermischung und Dispersion mit relativ hoher Sensitivitt wahrgenommen werden knnen (NESTLER et al. 1995).

2 Geologische und hydrogeologische Verhltnisse

22.1

Geologische und hydrogeologische VerhltnisseRegionalgeologische Gliederung

2.1.1 Grundgebirge Das altpalozoische und proterozoische Grundgebirge der Region gehrt zur saxothuringischen Zone des variszischen Tektogens. Der nrdliche Auenrand der zwischen Torgau und Wittenberg verlaufenden Mitteldeutschen Kristallinzone bildet die Grenze zum jngeren Rhenoherzynikum (KATZUNG & EHMKE 1993). Tektonischer Bau Die Untersuchungsgebiete bei Torgau liegen zwischen den durch die Elbtalzone voneinander getrennten Teilblcken des Nordschsisch-Lausitzer Massivs. Sdwestlich der Elbe befindet sich der zur Sdthringisch-Nordschsischen Antiklinalzone gehrende Oschatzer Teilblock und im NE das zur Sdthringisch-Niederlausitzer Synklinalzone gehrende Torgau-Doberluger Synklinorium, welches wiederum Hillmersdorfer Teilblock im N und Bernsdorfer Teilblock im S voneinander trennt (BRAUSE & HOFFMANN 1974). Infolge germanotyper Bruchtektonik im Fernfeld der alpidischen Tektogenese brach in die Elbtalzone sdstlich von Torgau sptestens in der Oberkreide auf ca. 25 km Lnge der sog. "Mhlberger Graben" ein, an dessen nordwestlichem Ende das Untersuchungsgebiet (UG) Torgau-Ost liegt. Der Grabeneinbruch bewahrte permische, im besonders tief abgesenkten zentralen und westlichen Bereich des Grabens sogar untertriasische Sedimente vor weiterer Abtragung. Der Mhlberger Graben findet seine Fortsetzung nordwestlich von Torgau in der Dben-Torgauer Senke und dem Bitterfelder Graben. Diesen Komplex gemeinsamer Genese fat KNOTH (1978) unter dem Begriff "Bitterfeld-Dben-Torgauer Grabenzug" zusammen. stlich davon bzw. nrdlich von Torgau setzt sich die ungefhr dem Elbelauf folgende Strungszone des Elbelineaments fort. Anders als im Grabenzug sind dort keine Reste des permotriasischen Deckgebirges erhalten, so da im Gebiet Mockritz (unmittelbar nrdlich von Torgau) unter dem Tertir Rotliegendes folgt.


Abb. 2.1-1: Ausschnitt der Geologischen bersichtskarte von Sachsen ohne knozoische berdeckung (1995) im Raum Torgau. Das Kartenbild sttzt sich im Bereich des Mhlberger Grabens im wesentlichen auf Untersuchungen von BRAUSE & HOFFMANN (1974), jedoch noch nicht auf jene von TONNDORF (1989). Mastab 1:200 000.


Petropraphie des kristallinen Grundgebirges (Oberproterozoikum - Kambrium) Beiderseits des Mhlberger Grabens bilden nicht mehr oberpermisches und untertriasisches Deckgebirge, sondern zum Nordschsisch-Lausitzer Massiv gehrende, monotone Grauwacken des Vendium das prtertire Fundament. Diese steilgestellte, vermutlich mehrere tausend Meter mchtige, turbiditische Fazies baut die Kernzone des Nordschsischen Sattels auf. Unter den pelititisch-psammitischen Klastika der weit verbreiteten Grauwacken berwiegt Quarz, gefolgt von Feldspat, Effusivgesteinsbruchstcken, granitischen Quarz-Feldspat-Verwachsungen, Quarziten, Lyditen, Tonschiefern und Phylliten in serizitreicher Grundmasse. Die Grauwacken gehen an der Grenze zum Kambrium teilweise in Kieselschiefer und Schluffstein der bei Bad Liebenwerda aufgeschlossenen Rothsteiner Folge ber (TONNDORF 1989, EISSMANN 1994). Die Sedimente werden von im obersten Proterozoikum und Kambrium intrudierten Plutonen granitisch bis granodioritischer Zusammensetzung unterlagert und durchschlagen und sind in deren Nhe entsprechend kontaktmetamorph verndert. Am SW-Rand des Mhlberger Grabens liegt das Tertir auf dem sog. Beckwitzer Granodiorit und einem von Riesa nach NW reichenden Komplex, bestehend aus prkambrischem Groenhainer Gneis und kambrischem Laaser Granodiorit (BRAUSE & HOFFMANN 1974, MLLER 1988). In die Grundgebirgsgesteine des Nordschsisch-Lausitzer Massivs dringen im Oberkarbon zunchst quarzarme bis -freie Monzodiorite sowie nachfolgend Amphibol-Quarz-Monzonite und Granodiorite, die auch im NE der Dahlener Heide, am Rande des GW-Einzugsgebietes des Wasserwerkes Torgau-Ost, stellenweise die prtertire Oberflche erreichen. Monzonitoide im Liegenden des Tertirs sind aus Taura und groflchiger, zwischen Lausa und Riesa bekannt (BRAUSE & HOFFMANN 1974). Die aus Meien bekannten Leukogranite scheinen dort nicht ausgebildet zu sein (BEEGER & QUELLMALZ 1994). Diese variszischen Intrusionen sind Teil des an das Lineament der Elbtalzone gebundenen Meiener Massivs (frher Meiener Syenodiorit-Komplex) und bilden mehrere 100 m bis einige km ins Nebengestein hineinreichende Kontakthfe, in denen das Grundgebirge zu Paragneis (Biotitgneis), Glimmerschiefer, Phyllit, Quarzit und Orthogneis umgewandelt wurde und bereits seit der assyntischen Phase (oberstes Proterozoikum-Kambrium) vorliegende Metamorphite eine nochmalige berprgung erfuhren. Das aus Dolomit, Kalkstein und turbiditischen Ablagerungen (pelitisch-psammitische Wechselfolgen) aufgebaute Unter- und Mittelkambrium (jeweils mindestens 500 m mchtig) im sog. Torgau-Doberluger Synklinorium, stlich von Torgau, entging der Abtragung whrend des Palozoikums durch Krusteneinbruch zwischen Hillmersdorfer und Bernsdorfer Teilblock (FREYER & SUHR 1987). Es folgt dort im Liegenden des Tertirs in einigen Rinnen auch unmittelbar unter dem Quartr und setzt sich nach W unter den permokarbonen und triasischen Folgen der Dben-Torgauer Senke bis nach Delitzsch fort. Neben dem, u.a. bei Zwethau erbohrten Kambrium, das nach FREYER & SUHR (1987) eines der ltesten organogenen Carbonate der Erdgeschichte darstellt, existieren im Torgauer Umland nur noch im Zechstein mchtige Carbonatserien.

2.1.2 Permokarbone Rhyolithe und vulkanitische Sedimente (bergangsstockwerk) Der subsequente Vulkanismus der variszischen geothermischen Ereignisse bildet die bis zu 500 m mchtigen, ganz berwiegend dem Unterrotliegenden zuzuordnenden, hufig ignimbritischen Rhyolithoide des Nordwestschsischen Vulkanitkomplexes, die im stlichen Randbereich des Mhlberger Grabens das Liegende des Tertirs bilden sowie als Schildauer Berg und Torgauer Schlofelsen zutage treten. Im Liegenden wurden in zwei Bohrungen zwischen Schildau und Torgau graue und braunrote Sandsteine mit Einschaltungen von Tuffen, Schluffsteinen und Konglomeraten erbohrt, die die im


Oberkarbon bis mglicherweise Unterrotliegenden abgelagerte Basis der permokarbonen Schichtenfolge bildet (BRENDEL 1963). Als weite Teile der Umgebung im Oberrotliegenden der Abtragung unterlagen, lagerten sich ber 400 m mchtige Porphyrkonglomerate mit Einschaltungen roter, rundkrniger Sandsteine ab. Zwischen diesen Vulkanitsedimenten sind u.a. Quarze, Grauwacken und serizitische Quarzite aus dem bhmischen und erzgebirgischen Kristallin enthalten. Westlich des Elbelaufs zwischen Torgau und Bad Schmiedeberg, darunter auch im Gebiet des Wasserwerkes Mockritz, bildet diese Serie, neben den oben genannten Rhyolithoiden, das Liegende des Tertirs. Deckgebirge blieb in diesem Teil der Elbtalzone nicht erhalten, weil die Absenkungen geringer waren als im westlich anschlieenden Kernbereich der Dben-Torgauer Senke. Die permokarbonen Magmatite, daraus hervorgegangenen Sedimente und ins Vorland des variszischen Orogens geschtteten Abtragungsprodukte werden als eigenstndiges "bergangsstockwerk" von Grundund Deckgebirge abgetrennt. Zwischen dem Permokarbon und den kambrischen Sedimenten im TorgauDoberluger Synklinorium als jngster Grundgebirgseinheit klafft eine weite Sedimentationslcke. 2.1.3 Permotriasisches Deckgebirge Zechstein (z1-z4; Oberperm) Zwischen Merseburger Platte und Niederlausitz erreicht das reliktisch erhaltene Zechstein die grte Mchtigkeit innerhalb des Beckenrandbereiches. Teilweise ist in der Grabenzone die vollstndige Abfolge mit allen 4 Hauptserien des Zechsteins erhalten geblieben. Daher konnten Bohrungen und refraktionsseismische Messungen bis zu 400 m Gesamtmchtigkeit fr das berwiegend marine Zechstein der Elbtalzone im Bereich des Mhlberger Grabens belegen (BRAUSE & HOFFMANN 1974). Einige Kilometer sdlich liegt Zechstein bereits in kontinentaler und kstennherer Beckenrandfazies vor (Bornaer Senke, Mgelner Mulde) und wird daher berwiegend aus von S herantransportierten, terrigenen Schttungen oder Carbonaten aufgebaut. Absenkungen innerhalb der Elbtalzone knnen dazu beigetragen haben, da das Zechsteinvorkommen des Mhlberger Grabens strker marin geprgt ist als benachbarte Vorkommen. ber dem sehr mchtigen Werra-Anhydrit des Mhlberger Grabens sind die nachfolgenden drei Hauptserien des Zechsteins hnlich wie Raum Merseburg-Halle ausgebildet. ber steil einfallendem, nur wenig Feinsandstein enthaltenden, carbonatfreien Tonsteinen in den untersten 32 m der Bohrung Triestewitz, die als fragliches Unterkambrium eingestuft werden, sowie nur 12 m Oberrotliegendem, stellt feinglimmriger, grauschwarzer Dolomitmergelstein bis -schiefer in 529 m Tiefe die Zechsteinbasis dar. Die 0,4 m mchtige Schicht ist das quivalent des Kupferschiefers Thringens und des Mansfelder Landes. Die nachfolgende Werra-Serie (z1) lt die beiden Transgressionsphasen des Werra-Zyklus erkennen (ERZBERGER & LOTSCH 1960). Die ltere bildet 20 m mchtigen, massigen, dicht bis feinstkrnigen Dolomit mit geringem Bitumengehalt. Aus der jngeren gehen 244 m mchtige, ebenfalls schwach bituminse Anhydritfolgen mit dnnen Carbonat- und Tonzwischenlagen hervor. Der Anhydrit ist nur an der Basis und in den obersten Metern zu Gips hydratisiert. Dieser berrest des ursprnglich zusammenhngenden Merseburg-Niederlausitzer-Werra-Anhydritwalls verdankt seine ungewhnliche Mchtigkeit mglicherweise synsedimentrer Absenkung in der schon variszisch aktiven Elbtalzone, vor allem aber der spteren, tiefen Absenkung im Graben, wodurch die Subrosion durch zirkulierendes GW minimiert wurde. Die teilweise auch am Beckenrand auskristallisierten leichtlslichen Salze (NaCl, evt. auch KCl) sind dennoch nahezu vollstndig ausgelaugt.

6 Geologische und hydrogeologische Verhltnisse100 Quartr Tertir 0 su z4 z3Anhydrit

-100 m NN

z2Dolomit

-200

Anhydrit

-300

z1 -400Dolomit

P1

-500

? C1

In der berlagernden, strker carbonatisch geprgten Stafurt-Serie (z2) lt sich wieder der gleiche Zyklus erkennen: 49 m graubrauner, ungeschichteter, schwach bituminser Dolomit und darber 35 m verschiedenfarbige, teilweise dolomitisch bis tonig gemaserte Gips- und Anhydritlagen. Die darauffolgende 28 m mchtige Leine-Serie (z3) besteht zu mehr als der Hlfte aus Anhydrit, daneben aus Gips mit Tonschlieren, einzelnen Fasergipslagen und in den obersten 8 m aus tonigfeinsandigem Schluffstein mit Gipsbrocken oder feinkristallinen Gipszonen. Der rotbraune, feinstglimmrige Schluffstein leitet in die berwiegend terrestrisch geprgte Aller-Serie (z4) ber. Dort folgen auf 2 m Gips, hnlich wie zuvor in der Leine-Serie, z.T. fein- bis mittelbrekzise Schluffsteine mit Kalk-, Dolomit- und Schluffsteinbruchstcken sowie Gipsbrocken. Ob es sich bei den in allen Serien hufig angetroffenen Brekzien um primre Ablagerungen oder um Kataklasierungen entlang subrosionsbedingter oder tektonischer Strungen handelt, geht aus der Bohrung nicht hervor.

Abb. 2.1-2: Bohrung Triestewitz (ERZBERGER & LOTSCH 1960). Unterer Buntsandstein (su; Untere Trias) Der Untere Buntsandstein geht unter Zunahme des terrigenen Einflusses ohne Sedimentationsunterbrechung aus dem Zechstein hervor und wird durch eine carbonatische bis tonige Matrix geprgt. Die als "Aller-Serie des Zechsteins" und "Bckelschieferzone des Unteren Buntsandstein oder Obere Bunte Letten des Zechstein" (z 5-8) gedeuteten fein- bis mittelbrekzisen, kalk- und gipsfhrenden, rotbraunen Schluffsteine in 65 bis 43 m NN bilden einen bergang, ber dem eine 57 m mchtige Wechselfolge aus Kalkfeinsandsteinen und Tonsteinen mit Kalk-, Kalksandstein- und Rogensteinbnken (Kalkoolith mit sandigem Bindemittel) lagert. Die vorwiegend rotbraune Frbung der feinglimmrigen Klastika deutet auf kstennahe, die nach oben zunehmende grnlichgraue Farbe auf erneut beckenwrts verlagerte Sedimentation. Das Fehlen der in anderen Teilen NW-Sachsens entwickelten Basiskonglomerate deutet auch hier wieder auf kstenfernere Sedimentation als auerhalb des Senkungsfeldes der Elbtalzone hin. Spter abgelagerte triasische Sedimente wurden durch nachfolgende Hebungen sptestens in der jungkimmerischen Phase abgetragen, so da der Untere Buntsandstein das jngste prtertire Fundament im Mhlberger Graben darstellt. Deckgebirgstruktur in Torgau-Ost Fast 3 km stlich von Triestewitz, in der ebenfalls noch im Blatt Torgau-Ost (4444) gelegenen Bohrung Nichtewitz bei Arzberg, stt das Tertir unmittelbar auf nur noch 119 m mchtigen Werra-Anhydrit. Dies zeigt, wie stark die Absenkungsbetrge zwischen den einzelnen Bruchschollen des Mhlberger Grabens auf engstem Raum wechseln. Da in dieser tektonischen Hochscholle Werra-Anhydrit an die Prtertiroberflche stt und daher vor und whrend des Tertirs strker ausgelaugt wurde als der tieferliegende Zechstein zwischen Triestewitz und Bennewitz, kam es zur Bildung einer markanten morphologischen Depression, die sich spter bei weiter fortschreitender Subsidenz mit tertiren Sedimenten fllte und damit eine typische Reliefumkehr darstellt.

7 Geologische und hydrogeologische VerhltnisseNE -4 Nichtewitz -5 km ==>

SW 4 100

3

2 WW Torgau-Ost

1

0 km Elbe

-1

-2 Triestewitz

-3

50

Quartr berwiegend Sand Tertir Ton - Feinsand; z.T. Braunkohle Unterer Buntsandstein (su) z4 z3

m NN

0

Tertir

-50

-100 Grundgebirge Grauwacke, Glimmerschiefer, Biotitgneis, Granodiorit Anhydrit z2 Dolomit z1 Anhydrit z1

-150

-200

Abb. 2.1-3: Geologischer Querschnitt durch Westrand und Zentrum des "Mhlberger Grabens" entlang der in Abb. 2.1-4 dargestellten Profillinie am nordwestlichen Ende der etwa 25 km langen Bruchstruktur.

Vermutlich bricht der Graben auch westlich der Elbe, entlang von tief ins Deck- und Grundgebirge hinabreichenden Strungen, in zahlreichen Staffelbrchen ab, so da die in Abb. 2.1-3 von der Bohrung Triestewitz nach SW interpolierten Schichtgrenzen innerhalb des Zechsteins als stark simplifiziert anzusehen sind. An der Mchtigkeit der konkordant aufeinanderfolgenden Zechsteinserien, die bei Triestewitz fast horizontal lagern, ndert dies jedoch wenig. Die Grenze des Buntsandsteins zum diskordant aufliegenden Tertir wurde von TONNDORF (1989) an 5 Punkten zwischen Bennewitz und dem Alten Elbearm bei Kamitz durchbohrt, so da diese relativ genau dargestellt werden kann. Da die Bohrungen bis zu 30 m tief in den Unteren Buntsandstein hineinreichen, ist davon auszugehen, da dessen in Triestewitz ermittelte Mchtigkeit von 57 m bis Bennewitz nicht wesentlich unterschritten wird. Unmittelbar bei Bennewitz verluft der sdwestliche Hauptabbruch des Grabens, an dem die permotriasischen Sedimente auf die Grauwacken, Glimmerschiefer, Biotitgneise und Granodiorite des Oschatzer Teilblocks sowie evt. auf Monzonitoide des Meiener Komplexes im Sden stoen. Die Begrenzung des Mhlberger Grabens setzt sich ber den Ortskern von Belgern weiter nach SE fort. Die in der Geologischen bersichtskarte Sachsens (Abb. 2.1-1) zumindest im UG Torgau-Ost nicht bercksichtigten Bohrungen von TONNDORF (1989) zeigen, wie ungenau das aus geophysikalischen Messungen interpretierte geologische Kartenbild von BRAUSE & HOFFMANN (1974) dort noch ist.


2.1.4 Tertire Lockergesteinsberdeckung Prtertires Relief und Tertirbasis Die Gesteine des prtertiren Fundaments sind unterhalb der Auflagerungsflche tiefgrndig verwittert und je nach Charakter der Ausgangsgesteine vertont, vergrust oder versandet z.T. auch pyritisiert und darin enthaltene Feldspte kaolinisiert. Die Kaolinisierung greift weithin 10 bis 40 m, in verwitterungsbegnstigten Strungszonen bis zu 90 m hinab (TONNDORF 1989, EISSMANN 1994). Die Ausfllung der meisten Senken durch ltere, oligozne, teilweise sogar eozne Sedimente sowie mchtigkeits- und hhenkonstante Fortsetzung auflagernder, jngerer Serien ber die Rnder der Senken und Bruchstrukturen hinweg, lassen erkennen, da dort die prtertire Oberflche das Relief der vorsedimentren Oberflche widerspiegelt und die tektonischen Absenkungen im Mhlberger Graben schon vor Ablagerung der tertiren Basisschichten nahezu abgeschlossen waren. Hingegen weist das Tertir in den kleinrumigen Subrosionssenken (z.B. bei Nichtewitz) hufig auf noch nicht abgeschlossene Auslaugungsprozesse zum Zeitpunkt der Ablagerungen hin. Dort knnen die Schichtmchtigkeiten an der Tertirbasis konstant bleiben oder nur geringfgig zunehmen und so den Strukturen der Prtertiroberflche folgen, d.h. hier wurden nahezu horizontal abgelagerte Schichten erst spter deformiert. Die whrend und nach den schubweisen Absenkungen darber abgelagerten Serien weisen infolgedessen grere Mchtigkeiten als auerhalb dieser jngeren Senkungsfelder auf.G r a d i t z

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6

7

7

7

8

Abb. 2.1-4: Tertirbasis bzw. Prtertir-Oberflche (m NN) in Torgau-Ost; %: Prtertir erreichende Bohrungen der SDAG Wismut (TONNDORF 1989) und des VEB Geologische Forschung und Erkundung; : Brunnengalerien der Fernwasserversorgung Elbaue-Ostharz.


Das Untersuchungsgebiet Torgau-Ost liegt ber den Auslufern einer stlich von Riesa ausgehenden Schwelle der Prtertiroberflche, die sdwestlich von Mehderitzsch von einer tiefen Erosionsrinne sowie an der Stirn (Lowig, Graditz) und NE-Flanke (Nichtewitz, Arzberg) von ber 100 m tiefen Subrosionssenken umgeben ist (Abb. 2.1-4). Letztere enthalten mchtige Ton- und Braunkohleablagerungen und weisen bevorzugt an den Flanken halotektonische Strungen auf (TONNDORF 1989). Da Grund- und Deckgebirge nrdlich des Profils Torgau-Ost I sukzessiv bis zum Torgauer Schlofelsen ansteigen, liegt die Vermutung nahe, da die Subrosionssenke zwischen Lowig und Graditz ihre Entstehung der damit verbundenen rascheren Auslaugung des hhergelegenen Zechsteins verdankt. Wie in der Subrosionssenke bei Arzberg bildet mglicherweise auch dort die Werra-Serie das prtertire Fundament. Im sdlichen Vorfeld dieser Senke verschwindet das Tertir teilweise oder vollstndig. Unter einer undeutlich ausgebildeten Quartrrinne im westlichen Randbereich der Elbtalwanne, zwischen Bennewitz und Wasserwerk Torgau-Ost, trennen nur wenige Meter stauenden Seetons der Spremberger Schichten Buntsandstein und Quartr voneinander (Abb. 2.1-3). Wahrscheinlich existieren dort geologische Fenster, an denen der tertire GW-Stauer abgetragen ist und daher carbonathaltige Wsser aus dem Unteren Buntsandstein ungehindert aufsteigen knnen. Lithologie und Genese des Tertirs Die von Sden herangeschtteten Abtragungsprodukte aus der oberkretazisch-alttertiren Verwitterung des Lausitzer Granodiorit-Massivs sowie der bhmischen und erzgebirgischen Kristalline bauen die "lteren und Jngeren Nordwestschsischen Schwemmfcher" (Mitteleozn-Unteroligozn und Oberoligozn-Untermiozn) auf und sind vollkommen frei von carbonatischen und sulfatischen Klastika, da entsprechende Gesteine im Herkunftsgebiet sehr selten auftreten und darber hinaus verwitterungsanflliger sind als die silikatischen Gesteine der Grundgebirge. Gegenber den meisten Vorkommen Sachsens hebt sich das Tertir im Raum Torgau-Schildau-Mhlberg durch ein Vorherrschen wasserstauender Tonkomplexe gegenber durchlssigen Sandhorizonten hervor. "Ein ber- und Nebeneinander linsenfrmiger, schlecht sortierter und klassierter Tone, Schluffe und Feinsande prgt den Aufbau der tertiren Schichtenfolgen" (TONNDORF 1989). Aufeinanderfolgende tonige, schluffige und feinsandige Klastika in zyklisch wechselnder mariner und terrestrischer Sedimentation bauen die tieferen Lagen der tertiren Schichten in den Senken rund um das UG Torgau-Ost auf. Dort liegen terrestrische Tone und Schluffe der "Beckwitzer Folge" (Unteroligozn), die nrdlich von Beckwitz und Torgau mit marin-brackischem Rupelton und -schluff verzahnen, sowie glaukonitreiche flachmarine Feinsande der "Cottbuser Schichten" (Oberoligozn) vor. Beide oligoznen Folgen haben ihre sdliche Verbreitungsgrenze in Torgau-Ost. Innnerhalb tiefer kleinrumiger Subrosionssenken, insbesondere im Gebiet der Bohrung Nichtewitz sowie zwischen Arzberg und Elbe, bildet vereinzelt braunkohlereiches, bis 25 m mchtiges, kontinentales Eozn aus einer ebenfalls tonigschluffig-feinsandigen Wechselfolge die Tertirbasis. Der Wechsel flachmariner und kontinentaler Ablagerungen setzt sich bis in die untermiozne Bitterfelder Decktonfolge (Spremberger Schichten, B4) fort, die ber Torgau-Ost hinaus regional flchendeckend bis an die Sdgrenze der Tertirverbreitung bei Dahlen, Riesa und Mhlberg ausgebildet ist (TONNDORF 1989, EISSMANN 1994). Dort bewirkte die Heraushebung des Erzgebirges und seines nrdlichen Vorlandes im Miozn eine von S nach N fortschreitende Erosion der tertiren Sedimente und eine entsprechende Verlagerung ihrer sdlichen Verbreitungsgrenze bis ins Pleistozn Unmittelbar stlich und westlich der beiden Meprofile stoen Bohrungen des VEB Geologische Forschung und Erkundung und der SDAG Wismut im untersten Bereich der Spremberger Schichten auf Braunkohle des vierten Mioznen Flzhorizontes (auch bekannt als "Bitterfelder" oder "4. Lausitzer


Flzhorizont"), die in teilweise subrosiv gebildeten, fr die Moorbildung geeigneten, flachen Senken entstand und zu kontinentalen Bildungen berleitet. Feinsandige Zwischenlagen in den unteren Spremberger Schichten werden nach oben immer seltener, bis extrem geringdurchlssige, plastische, dunkle limnische Tone und Schluffe fast vollstndig die Folge aufbauen. Die in Torgau-Ost im Liegenden des quartren Aquifers erbohrten, blaugrauen bis schwarzen limnischen Tone der Spremberger Schichten gehen aus der Absetzung der Flutrbe mandrierender Lausitzer Flsse und der "Urelbe" in berschwemmungsgebieten, Altwasserarmen (pflanzenfhrende Schluffe und Feinsande) und seeartig offenen Wasserflchen einer langsam sinkenden berschwemmungslandschaft hervor und bestehen vorwiegend aus Kaolinit, Quarz und Feinglimmer. Vereinzelt auftretende Sande bilden nach EISSMANN (1994) die Flubettfazies. Bei dem in Mestelle I-8 erbohrten braunkohlefhrenden, extrem sulfidreichen (5,6 Gew.-% S; Abb. 5.11 & -2) tonigen Schluff der Spremberger Schichten handelt es sich vielleicht schon um die im anaeroben Bereich einer Flachkste abgelagerte Alauntonfazies des hheren Bitterfelder Decktonkomplexes, die nach MLLER (1988) reich an feindispers verteilter Braunkohle ist. Zwischen Dbener und Dahlener Heide sind die Spremberger Schichten und die in der tieferen Exarationsstruktur der Elbtalwanne fehlenden, brackischen Briesker Schichten glazigen stark gestrt.

2.1.5 Quartre Sedimentationen und berformungen Besonders mchtig entwickelte Quartrablagerungen, die diskordant die Tertirformation berdecken und noch weit nach S ber sie hinweggreifen, prgen die Elbtal-Glazialwanne und das Torgauer Umland. Der Charakter der Schichtenfolgen in der Exarationswanne und in den weniger deutlich geschichteten Ablagerungen in den Endmornenzgen der Dahlener und Dbener Heide wird durch wiederholte Vorste und Rckzge des Inlandeises geprgt. Die von N erfolgten Eisschbe im Pleistozn bewirkten sowohl flchenhafte Wiederabtragung der jeweils zu oberst liegenden Schichten als auch lokal begrenzte, tief in die Schichtenfolge und z.T. bis in das prtertire Fundament hineingreifende Ausrumungen entlang von Rinnen und Wannen. Infolge der Wiederabtragungen sind im UG nur kurze Zeitabschnitte reprsentierende Ablagerungen des Quartrs, insbesondere sptelstereiszeitliche Akkumulationen und Nachschttbildungen, erhalten. Typisch fr alle quartren Ablagerungen der Region sind aufeinanderliegende Schichten von fluviatilen Sanden, Kiesen, Schottern, limnischen Tonen, glazigenen Geschiebelehmen und olischen Lablagerungen mit einer entsprechend wechselhaften Durchlssigkeit fr zirkulierende Grund- und Schichtwsser. Die quartren Sedimente sind in der ungesttigten Zone und im von Wasserstandsschwankungen beeeinfluten, oxidierenden Milieu der ersten Meter unter dem GW-Spiegel rostig bzw. limonitisch braun, im permanent reduzierenden Milieu darunter dagegen unverndert grau gefrbt. In der Elbaue bei Torgau vollzieht sich dieser Farbwechsel nahe der Grenze holozner zu elstereiszeitlichen Sedimenten, so da zur Unterscheidung der Sedimente Korngrenanalysen notwendig sind, um den Bereich des Farbwechsels nicht mit der Schichtgrenze zu verwechseln. Druck und Schubkraft der dem Tertir auflastenden Eiskappe bewirkten eine mechanische Abtragung der unmittelbar anstehenden teriren Schichten inklusive zugehriger Braunkohleflze und deren teilweise Resedimentation inmitten pleistozner Sande und Kiese. Durch Ablagerung zuvor exarierter oder erodierter braunkohlefhrender Tertirsedimente gelangte ebenso feindispers verteilte Braunkohle ins Quartr. Der gesamte sedimentre organische Kohlenstoff (SOC) setzt sich neben resedimentierten Braunkohleresten aus Holzbruchstcken und teilweise inkohlten Pflanzenhcksel zusammen, deren 14CAktivitten in sptpleistoznen bis holoznen Ablagerungen schwach, in elster- und saaleeiszeitlichen Sedimenten lngst nicht mehr nachweisbar sind (Nachweisgrenze 40 ka).


Gerllzhlungen, die zwangslufig auf grbere Kornfraktionen beschrnkt bleiben, geben ein gutes Bild ber die durchschnittliche Zusammensetzung des Quartrs und ermglichen abzuschtzen, inwieweit einige gelste Inhaltsstoffe des Grundwassers aus Lsungsprozessen im quartren Aquifer stammen knnen. Die Analysen von EISSMANN (1994) und MLLER et al. (1973, 1988, 1994) zeigen, da alle quartren Ablagerungen der Region und damit der fr die Trinkwassergewinnung und -beobachtung perforierte Aquifer nahezu vollkommen silikatisch sind. Hauptbestandteil ist stets Quarz, welcher zwischen 50 und 90 % der Gerlle ausmacht. Den Rest bilden Quarzite, Grauwacken, Kieselschiefer, Rhyolithe und weitere, meist vllig kaolinisierte Kristalline. In den oberflchenwirksameren und damit fr die Wechselwirkung zwischen Matrix und GW wichtigeren feinkrnigeren Sedimenten sind die instabilen Gesteinskomponenten noch weniger vertreten als es durch die Gerllanalysen den Anschein hat, so da sich die Verhltnisse in den berwiegend sandig-kiesigen Folgen des Pleistozns und Holozns zugunsten der verwitterungsresistenteren Bestandteile, insbesondere des Quarzes, verschieben. Daher sind carbonat- und gipsfhrende Klastika, die man schon in den groben Gerllen der Elbtalwanne bei Torgau vergebens sucht, in den quartren Sanden noch viel weniger zu erwarten. Ein nennenswerter geogener Eintrag von Carbonat oder gar Sulfat aus dem Quartr ins GW kann somit ausgeschlossen werden. Der Mangel an primren Gesteinscarbonaten ist auf Kalkarmut der nordischen Geschiebe und wie schon im Tertir auf die seltenen Vorkommen carbonatischer Gesteine im gesamten Einzugsgebiet der Elbe bzw. "Urelbe" zurckzufhren. Wo Carbonat an der Gelndeoberflche ansteht, ist die Reliefenergie hufig so gering, da dort nur Lsungsverwitterung stattfindet und daher keine mechanischen Abtragungsprodukte von dort bis in die Elbtalwanne gelangen knnen. Obwohl innerhalb extrem geringdurchlssiger bindiger Tone und Schluffe wieder vermehrt leichter lsliche Komponenten auftreten, kann die Auslaugung der seltenen carbonatischen Ablagerungen ob nun in nordischen Geschieben oder einigen fluviatilen Gesteinsfragmenten aus dem Sden durch die mit der Kalkarmut bzw. -freiheit des Aquifers verbundene relativ hohe Konzentration an berschssigem, kalkagressiven CO2 im GW, als berwiegend abgeschlossen betrachtet werden. Dahlener und Dbener Heide Links der Elbe, zwischen Belgern, Schildau und Dahlen, sind die Quartrablagerungen durch bis vor wenigen Jahren noch als saaleeiszeitlich eingestufte "Stauchendmornen" bis 120 m mchtig. Dort sind die Ablagerungen "extrem kompliziert und regellos aufgebaut, einem aufgetrmten Schutthaufen gleichend" (TONNDORF 1989). Zahlreiche hydrogeologische Bohrungen der 70er und 80er Jahre lieen im wesentlichen 4 Einheiten erkennen, die den inneren Bau der Dahlener Heide kennzeichnen (EISSMANN 1994): saaleeiszeitlich modifizierte Strukturen und weichseleiszeitlicher Sandl in Oberflchennhe; ein im Gelnde bei etwa 110 m NN ansetzendes, wirres Schollen- und Schmelzwassersediment-Stockwerk, fr das EISSMANN die Bezeichnung "Schollenstapel-morne" dem Begriff "Stauchendmorne" vorzieht; eine zweigeteilte (Elster-)Grundmorne unter dem Schollenstapel, und schlielich periglaziale, vor- und frhelstereiszeitliche Fluschotter der Freiberger Mulde in normaler, im wesentlichen unverstellter Lagerung. Dies sind die einzigen nicht direkt von der Elbe abgelagerten fluviatilen Quartrsedimente im Umfeld des Untersuchungsgebietes. Darunter folgt diskordant das Tertir oder im Bereich tief eingeschnittener Rinnen unmittelbar das Grundgebirge. Die tertiren, berwiegend tiefmioznen Massenanteile der Schollen entstammen offensichtlich einem greren Ausrumungsgebiet, wofr vorzugsweise die Elbtal-Glazialwanne nrdlich der Linie Belgern-


Torgau in Frage kommt. Dort wurden die tertiren bis elster-1-glazialen Schichtpakete durch das Inlandeis ausgequetscht, abgeschert und bis zu 20 km weit nach Sden transportiert. Seit dem Sptelsterglazial ist die Dahlener Heide der erosiven Abtragung bzw. whrend der Saalevereisung auch glazigener berformung ausgesetzt gewesen. Einige Meter mchtige, frhsaaleeiszeitliche Schttungen und Schwemmfcher (gfQS1) aus der Dahlener Heide sind als mittelsandiger Aquifer auf der Hauptterrasse westlich der Elbaue weit verbreitet. Im Dahlener Sander dem fast zeitgleichen quivalent dieser Schttung sdlich der Heide konnten FUHRMANN UND HNDEL (1991) durch pollenanalytischen Nachweis holsteinwarmzeitlicher Sedimente in Toteissenken die elstereiszeitliche Bildung der Dahlener und wahrscheinlich auch der Dbener Schollenstapelmornen belegen. Unter den gfQS1-Sanden liegt die im Raum Lowig-Torgau-Welsau sogar flchenhaft ausgebildete 1. Saalegrundmorne, in die sich elbewrts Beckenschluffe einschieben. Letztere lagern am Beobachtungsbrunnen I-8 als ca. 1 m mchtige, tonige Schluffschicht auf den E2-Fllsedimenten der Wanne (Abb. 4.3-6). Geschiebemergel treten in den Schollenstapeln und Grundmornen der Dahlener und Dbener Heide deutlich hufiger auf als in den glazilimnischen Sedimenten der Elbtalwanne. Daher sind 13CDICAnreicherungen in einigen Mepunkten der Dahlener Heide und sogar pH-Anstieg und Calcitbersttigung in MP 3/75 vermutlich auf Carbonatlsung zurckzufhren. Die damit verbundene 14 CDIC-Abnahme fhrt zur berschtzung des GW-Alters. Elstereiszeitliche Nachschubschotter der Elbtalwanne Die Elbtal-Glazialwanne erstreckt sich bei Torgau vom Randabfall der Dbener und Dahlener Heide, unmittelbar westlich des heutigen Elbelaufs, weit nach E bis ber die Schwarze Elster bei Herzberg und Bad Liebenwerda hinaus. Da der wenige Kilometer breite Streifen des stlichen Elbeeinzugsgebietes innerhalb der Wannenstruktur an das Einzugsgebiet der Schwarzen Elster grenzt, ist diese Begrenzung nicht durch morphologische Erhebungen gekennzeichnet. Die ca. 10 m mchtige, als tiefstes Fllsediment der Wanne direkt auf Tertir liegende "untere, grobe Folge des Torgauer Fluviatils" (f(-gf) QE1n-2v) stellt nach MLLER (1988) zwischen E1- und E2Vereisung (Miltitzer Intervall) ber Toteis akkumulierten und beim Auftauen abgesenkten Fluschotter dar (Abb. 1.3-2). Wie die anderen quartren Verfllungen der Exarationswanne fallen die Schotter mit sehr geringer Inklination nach N bis NW ein. Ihre Korngre nimmt nach N etwas rascher ab als in den berlagernden elstereiszeitlichen und holoznen Serien, so da anstelle der in Torgau-Ost berwiegenden grobsandig-kiesigen Fluschotter in Mockritz Sande treten. Petrographische Unterschiede treten zwischen beiden Standorten kaum auf. Nur der Randbereich der Schuttfcher unterscheidet sich bei Mockritz deutlich. Dort werden die elsterglazialen Folgen im W und E von hher aufragenden glazilimnischen, teilweise mergeligen Sedimenten flankiert. Nach Ende des erneut nordisches Material heranfhrenden E2-Eisvorstosses wurde die gnzlich auftauende Exarationswanne von Riesa her mit sich nach NW vorbauenden fluviatil-glazifluviatil gemischten Sedimenten und von den Rndern her mit glazifluviatilen Sedimenten gefllt, die die "mittlere, feinkrnige Folge" (f-gf QE2n) bilden. An dessen Basis setzten sich bevorzugt Geschiebe und glazilimnische Sedimente wie im Meprofil Torgau-Ost I ab, wo dnne, als Zwischenstauer wirkende Schichten aus tonigem Schluff und Geschiebelehm einen wesentlichen Einflu auf das Strmungsregime von GW und Uferfiltrat zwischen Elbe und Fassungsanlagen haben. Die in Torgau-Ost ber 30 m mchtigen E2-Nachschubschotter bilden den Hauptteil des fr die Trinkwassergewinnung genutzten Aquifers westlich der Elbe. Die in den Bohrungen I-4 und I-5 einige Dezimeter, in Bohrung I-11 dagegen nur 5 cm mchtige Schluffschicht kann eine kleinrumige, beispielsweise in einer Toteissenke gebildete, glazilimnische


Sedimentation oder die feinkrnige Ablagerung eines Altarmes sein. Bei der darunterliegenden, nur in den Bohrungen I-3 und -4 angetroffenen, kalkfreien Geschiebelehmschicht, handelt es sich entweder um einen Rest der auf der unteren, groben Folge ausgewalzten E2-Grundmorne oder um eine beim nachfolgenden Abschmelzen des Eises abgelagerte und durch Schmelzwasserbche zerstreute Ablationsmorne, die als dnne Mornendecke zurckblieb und von EISSMANN (1994) als fr die Elbtalwanne "typische Drop- und Driftmorne" bezeichnet wird. Carbonatische oder gar sulfatische Gesteine konnte MLLER (1988) bei detaillierten schichtbezogenen Gerllanalysen mehrerer Bohrungen in Torgau-Ost nicht nachweisen. Selbst fluaufwrts, z.B. in Meien und Dresden, sind die quivalente des in Torgau sedimentierten Quartrs, trotz eines hheren Anteils instabiler Gesteinskomponenten, carbonat- und sulfatfrei. Holozne Aufschttungen der Elbaue Das vollkommen carbonatfreie Holozn (f QHo) der "Rezenten Aue" folgt unmittelbar ber den E2Schottern, da saaleeiszeitliche Ablagerungen ebenso wie die weichseleiszeitlichen der Erosion zum Opfer fielen. In Torgau-Ost und Mockritz sind sowohl die frhsaaleglaziale Elbehauptterrasse (f QS1) als auch die 15-19 m mchtigen Schotter der weichselglazialen Niederterrasse (f QW) in der Elbaue durch holozne Seitenerosion (Manderbildung) beseitigt. Westlich der Aue blieben lediglich die saaleglazialen Sedimente erhalten. Dort grenzt das Holozn der Elbaue mit jungen Manderbildungen und deutlicher Stufe an elstereiszeitliche und noch strker durch Schttungen aus der Dahlener Heide geprgte frhsaaleeiszeitliche Sedimente (Abb. 1.3-2). stlich der Elbe greift das Holozn unregelmig in und ber die kaum abgetragene Niederterasse und liegt daher auf weichselglazialen Schottern. Der Einschnitt in die reliktisch erhaltene, morphologisch dort nicht mehr in in Erscheinung tretende Niederterrasse erfolgte in der kurzen Zeitspanne des Sptglazials, die Aufschotterung bis zur berstauung vieler Niederterrassenflchen im Bereich Torgau-Ost erst im Jungholozn. Nrdlich und sdlich von Torgau-Ost ragt die Niederterrasse dagegen 1-4 m ber die heutige Auenoberflche (MLLER 1973). Die Gerllanalysen in den holoznen Elbeschottern hneln denen der E2-Sedimente und unterscheiden sich wie diese nur unwesentlich zwischen den Standorten Torgau-Ost und Mockritz. ber den grobkrnigen, holoznen Schttungen aus dem Sden begann im jngeren Atlantikum die flchenhafte Bildung der "Auelehmdecke" (lf QHo), die im Mittelalter ihren Hhepunkt erreichte. Trotz stndiger Aufarbeitung nahm sie in Abhngigkeit von menschlichen Besiedlungsaktivitten, insbesondere groflchigen Rodungen, an Mchtigkeit zu und setzt sich berwiegend aus Sand mit geringem Schluffgehalt zusammen. Der Begriff "Auelehm" bleibt also nicht nur auf Auelehmbildungen der ElbeAltarme beschrnkt, sondern wird auf die gesamte bodennahe berdeckung der Fluniederung ausgedehnt. Whrend die groben holoznen Ablagerungen in der Elbaue ca. 10 m mchtig sind, erreichen die auflagernden "Auelehme" hchstens 2 m.

Durchlssigkeit des quartren Aquifers Zwar ist die Porositt, d.h. das Gesamtporenvolumen, naturgem in den feinstkrnigen Sedimenten am grten, das effektive Porenvolumen und damit die Permeabilitt wegen der groen Kornoberflche jedoch minimal, weil das Haftwasservolumen dem Gesamtporenvolumen nahe kommt und das effektive Porenvolumen als Differenz beider Volumina am geringsten ist. Die Permeabilitt bzw. Durchlssigkeit erreicht nach HLTING (1995) in den Grobsanden ein Optimum, um dann mit zunehmender Korngre, hin zu den Kiesen wieder abzunehmen. Daher weist die untere, grobsandig-kiesige Folge (f(-gf) Q1n-2v), ebenso wie der mittlere Teil des Holozns (f QHo), die hchste nach BEYER (1964) berechnete Durchlssigkeit auf (Abb. 1.3-2). Die Zusammensetzung des Gemisches klastischer Sedimente wurde


durch Korngrenanalysen ermittelt, wobei die zu untersuchenden Sedimentproben durch Siebstze unterschiedlicher Maschenweite (0,063-10 mm) geschttelt und fraktionsweise gewogen wurden (GRISCHEK 1998). Der Schnittpunkt der Summenkurve mit jener Linie, die 50 Gew.-% der SedimentGesamtmenge darstellt kennzeichnet die jeweilige mittlere Korngre. Die Korngreneinteilung erfolgt nach DIN 4022 als Ton (T, < 0,002 mm), Schluff (U, 0,002-0,063 mm), Sand (S, 0,063-2 mm) oder Kies (G, 2-64 mm). Steine (> 64 mm) treten im Lockergestein selten auf und haben keinen Einflu auf Hydrodynamik oder hydrochemische Wechselwirkungen zwischen GW und Gestein. Obwohl die Siebanalysen keine Unterscheidung zwischen Ton und Schluff zulassen, kann die Aquiclude (Spremberger Schichten) aufgrund ihrer Eigenschaften beim Zerreiben in feuchtem Zustand ("seifiges" Verschmieren zwischen den Fingern) als berwiegend tonig klassifiziert werden. Aus den Korngrenanalysen ergeben sich kf-Werte von durchschnittlich 0,6*10-3 m/s in der dominierenden Mittelsandschicht und 2*10-3 m/s in den geringmchtigeren Grobsand- und Feinkiesschichten im oberen und unteren Aquiferbereich. Die in Torgau-Ost I durchgefhrten Pumpversuche deuten sogar auf noch hhere Durchlssigkeiten, wobei die Differenz zu den Durchlssigkeiten nach BEYER bis zu eine Zehnerpotenz betragen kann (DEHNERT 1998).

2.2

Hydrodynamische Verhltnisse

Die Hydrodynamik ist durch GW-Zustrom zur Elbe als Vorfluter gekennzeichnet, wird in der Aue jedoch stark durch das Betriebsregime der Wassergewinnung wie auch die wechselnden Wasserstnde der Elbe modifiziert und ist daher nicht zeitkonstant. Eine Unterquerung der Elbe durch ostelbisches GW im Sog der flunahen westelbischen Fassungen ist lokal belegt (NESTLER et al. 1996). Umfangreiche hydrodynamische Untersuchungen im Gebiet Mockritz zur "Rstungsaltlast WASAG Elsnig" (TGU 1997) ergeben aus den kf-Werten der pleistoznen Sedimente und den Druckgradienten entlang der Strombahnen GW-Fliezeiten bis zu wenigen Jahrhunderten von den Randgebieten des ca. 90 km2 groen Einzugsgebietes zu den Mockritzer Fassungen. In Torgau-Ost ist mit hnlichen Verweilzeiten zu rechnen. Wegen der uerst komplizierten Stratigraphie in den Schollenstapelmornen sind westlich der Aue stark differierende vertikale Kommunikationseffekte zu erwarten. Die GWNeubildung betrgt im Torgauer Raum durchschnittlich ca. 123 30 mm (mndl. Mitt. Dr. HERZOG). Im Einzugsgebiet des Wasserwerkes Mockritz ist neben dem Hauptvorfluter die am westlichen Auenrand parallel zur Elbe verlaufende Weinske, von der temporre Einspeisungen in den Aquifer ausgehen knnen, zu bercksichtigen. Im westlichen Randgebiet von Torgau-Ost beeinfluen als einzige Oberflchenwsser eine Kette von z.T. ausgedehnten Fischzuchtgewssern zwischen Torgau und Bennewitz das GW. Der anhand von 18OH2O und 13CDIC erkennbare gelegentliche Kontakt zwischen MP II-11/1 (Meprofil Torgau-Ost II) und dem Altarm zeigt, da unter infiltrierenden Bedingungen von Altarmen der Elbe selbst wenn diese nur episodisch mit der Elbe verbunden sind nicht zu vernachlssigende Beeinflussungen des Grundwassers ausgehen. Trotz seiner Bedeutung als Hauptvorfluter erstreckt sich das Einzugsgebiet der Elbe nicht weit vom Flu. Whrend im Westen die Heidehochflchen die Grenze zum Einzugsgebiet der Mulde und ihrer Zuflsse darstellt, verluft die Wasserscheide zur Schwarzen Elster im Gebiet von Torgau-Ost und Mockritz etwa parallel zur Elbe in nur 4-7 km Entfernung. Nach SE wird das Fassungsgebiet von Torgau-Ost durch die Decktonaufragung von Belgern begrenzt, whrend im NW der im Stadtgebiet von Torgau anstehende Hartenstein-Porphyr die quartren Aquifere von Torgau-Ost und Mockritz voneinander trennt. Abb. 2.2-1 gibt beispielhaft einen Isohypsenplan fr das nhere Untersuchungsgebiet von Torgau-Ost wider. Im Vorfeld der Fassungen VIII-IX (am Meprofil Torgau-Ost II) lassen Stichtagsmessungen


stellenweise deutliche vertikale, sowohl nach oben als auch nach unten gerichtete Druckgradienten erkennen.

Abb. 2.2-1a: Isohypsen im Einzugsgebiet des Wasserwerkes Torgau-Ost bei Fassungsbetrieb an beiden Meprofilen (HGN Torgau 1994) und aus Hydroisohypsen-Karte der DDR (Bltter 1108-1/2 und 11083/4 von 1984; Abb. 2.2-1b unten).



18 Megren und Analysenverfahren

33.1

Megren und AnalysenverfahrenProbenahme und hydrochemische Analytik

Die Beprobungen der Elbe und der GW-Mepunkte erfolgte in Annherung an das nunmehr aktuelle Regelwerk des DVWK (1997). Das Abpumpvolumen bei Beprobung der GW-Beobachtungsrohre lag ber dem von DEHNERT (1998) mittels Radon-222-Messungen bestimmten notwendigen Abpumpvolumen. An einigen in situ mit Membranpumpen ausgersteten Mestellen war aufgrund der geringen Frdermenge keine sichere Messung des gelsten Sauerstoffgehaltes im Wasser mglich. Die Bestimmung der Sofortparameter Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfhigkeit, gelster Sauerstoff und Redoxpotential erfolgte mittels Feldmetechnik der Fa. WTW GmbH, Weilheim. Die Bestimmung der Surekapazitt KS4,3 (m-Wert) erfolgte ebenfalls sofort nach der Probenahme im Feld durch Titration mit HCl. Die anderen Wasserinhaltsstoffe wurden in Reihenfolge zunehmender Stabilitt im Labor analysiert. Die berprfung der routinemig eingesetzten kolorimetrischen Methoden mit anderen Nachweismethoden zeigte sehr gute bereinstimmungen der Ergebnisse. Die Analysen erfolgten berwiegend im Labor des Wasserwerkes Torgau-Ost sowie im Labor des Institutes fr Grundwasserwirtschaft der TU Dresden. Die hydrochemischen Parameter wurden nach den in Tab. 3.1-1 aufgefhrten Methoden bestimmt.

Tab. 3.1-1: Hydrochemische Bestimmungsmethoden (TRETTIN et al. 1998, 19). Parameter el. Leitf. pH-Wert Eh-Wert O2 HCO3 Cl SO42 NO3 NO2 NH4+ Ca2+ K+ Mg2+ Na+ Fe2+ Feges Mn DOC Bestimmungsmethode elektrochemisch (DIN 38404 C8) elektrochemisch elektrochemisch elektrochemisch maanalytisch (m-Wert) ionenchromatographisch (DIN EN ISO 10304-1) ionenchromatographisch (DIN EN ISO 10304-1) ionenchromatographisch (DIN EN ISO 10304-1) kolorimetrisch, photometrisch photometrisch (Indophenolblau) ionenchromatographisch, AAS (DIN 38406 E3) ionenchromatographisch, AAS (DIN 38406 E13) ionenchromatographisch, AAS (DIN 38406 E3) ionenchromatographisch, AAS (DIN 38406 E14) kolorimetrisch (AMW* 5.8.4), photometrisch (DIN 38406 E1) kolorimetrisch (AMW* 5.8.1), photometrisch (DIN 38406 E1) kolorimetrisch (AMW* 5.13.2) NPOC-Messung (DIN 38409 H3), Gerte: liqui TOC, Fa Foss Heraus; Dohrmann TOC Analyser DC-190, Rosemount GmbH, Hanau

*AMW: Ausgewhlte Methoden der Wasseruntersuchung. Band 1, VEB Gustav Fischer Verlag Jena, 1986, 2. Aufl., 517 S.


3.1.1 Berechnungen zum Kalk-Kohlensure-Gleichgewicht Die pH-Werte smtlicher Wsser des Untersuchungsgebietes liegen in einem Bereich, in dem die Konzentration an Carbonationen vernachlssigbar gering ist und somit im Kalk-KohlensureGleichgewicht nicht als Spezies des gelsten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) bercksichtigt zu werden braucht. Das Kalk-Kohlensure-Gleichgewicht vereinfacht sich zu CO2(g) + H2O CO2(aq) + H2O H2CO3 H+ + HCO 3

Somit stammt das im Gelnde als Bariumcarbonat fr 13CDIC-Bestimmungen gefllte DIC lediglich aus Hydrogencarbonat und im Wasser gelstem CO2, das durch die Erhhung des pH-Wertes auf 10-11 bei der Ba(OH)2-Zugabe ebenfalls zu Bariumcarbonat berfhrt wird. Der CO2-Partialdruck (pCO2) fr das 1. Gleichgewicht und die Konzentration des gelsten CO2 fr das Bicarbonat-Gleichgewicht berechnen sich aus m-Wert (Surekapazitt) und pH-Wert: pCO2 (atm) = (3.1-1)

[ H ][ HCO ]+ 3

K H K1

c(CO2(aq)) (mol/l) = [CO2(aq)] =

[ H ] [ HCO ]+ 3

(3.1-2)

K1 Die Abhngigkeit der Dissoziationskonstanten von der Temperatur (K) beschreiben APPELO & POSTMA (1996) wie folgt: log KH = 108,3865+0,01985076*T6919,63/T40,45154*logT+669365/T2 und log K1 = 356,30940,06091964*T+21834,37/T+126,8339*logT1684915/T2 Bei 10C (283,15K) sind KH = 10-1,27 und K1 = 10-6,46 Das im Wasser gelste bzw. freie CO2(aq) setzt sich aus im Gleichgewicht zum Hydrogencarbonat stehenden und berschssigem, kalkagressiven CO2 zusammen und schliet den geringen Anteil tatschlicher Kohlensure (H2CO3) mit ein (HLTING 1995, 198). Die Fehlerempfindlichkeit ist wegen der pH-Abhngigkeit erheblich. In den untersuchten Wssern kann ein Fehler des pH-Wertes um 0,2 in beiden Fllen zu relativen Fehlern von bis zu 65 % des Gasdruckes bzw. der Konzentration fhren. Im Gegensatz dazu ist der durch den blichen Analysefehler des HCO3-Gehaltes verursachte Fehler von pCO2 und c(CO2(aq)) mit deutlich weniger als 20 % vergleichsweise gering. Die Gesamtionenkonzentration der untersuchten Wsser ist meist so hoch, da der Unterschied zwischen Aktivitt und analytisch bestimmter (molarer) Konzentration (c) nicht mehr vernachlssigbar ist. So gilt fr das Hydrogencarbonat: [HCO3] = HCO3 *

c(HCO3)

(3.1-3)

Fr einwertige Ionen wie HCO3 resultieren aus der DEBEY-HCKEL-Gleichung -Werte zwischen 0,86 in dem von salinaren Tiefenwssern beeinfluten MP I-7/5 und 0,92-0,93 in relativ gering mineralisierten alten Grundwssern (z.B. MP I-1/5, II-7/1 und -7/3). Die als DAVIS-Gleichung bekannte Erweiterung der DEBEY-HCKEL-Gl. im Programm "PHREEQC" liefert unwesentlich hhere -Werte zwischen 0,88 und


0,93 ( HCO3

in Tab. 7.1-3). Fr das ladungsneutrale CO2(aq) in Gl. 3.1-2 sind selbstverstndlich keine

Unterschiede zwischen Konzentration und Aktivitt zu bercksichtigen. Das gesamte CO2 (bliche Bezeichnungen: CO2, TIC; hier DIC) berechnet sich im wesentlichen aus der Summe von gelstem CO2 und Hydrogencarbonat: c(DIC) (mol/l) = c(CO2(aq)) + c(HCO3) = c(HCO3)*

H+ 1 + HCO3 K1 Hier liegt der durch die m-Wertbestimmung vorgegebene Fehler deutlich unter 20 %, erreicht aber bei einem Fehler des pH-Wertes um 0,2 bis zu 40 % des DIC-Gehaltes. Die so kalkulierten Werte zeigen in der Regel gute bereinstimmungen zu maanalytisch ermittelten DIC-Gehalten an Calcit-gepufferten Proben (Tab. 3.1-2). Zu diesem Zweck wurde den Wssern bei der Probenahme Calcit im berschu zugesetzt, um CO2(aq) zu puffern, und die Titration zur Surekapazitt bis pH 4,3 analog zur HCO3Bestimmung im Labor vorgenommen. Mit dem "Deutschen Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung (1997)" kann der nach Gl. 3.1-2 ermittelte Gehalt an gelstem CO2 berprft werden. Anhand des aus der calcitbersttigten Lsung gemessenen DIC-Gehaltes c(DIC)m und der Feldparameter pH und Leitfhigkeit ( S/cm) kann die Konzentration des in den Wssern gelsten CO2 (incl. H2CO3) gem DIN 38405 des Einheitsverfahrens nherungsweise berechnet werden: [CO2(aq)]DIN =c( DIC) m 1+ K10,09

[ ]

(3.1-4)

(mol/l) 10 800Lf + 0,0375

(3.1-5)

[ H+]

Auch in diesem Fall ist das Ergebnis wesentlich strker vom pH-Wert als von den anderen Parametern abhngig, insbesondere bei hohem pH-Wert bzw. geringer CO2-Konzentration. Daraus lt sich der im Gleichgewicht zugehrige pHDIN berechnen und mit dem pH-Mewert vergleichen. pHDIN = log (3.1-6)

[CO 2 ( aq ) ] DIN K 1 HCO 3

[

]

In Tab. 3.1-2 sind gemessene und berechnete DIC- und CO2-Gehalte sowie pH-Werte einander gegenbergestellt, wobei es sich um Mittelwerte und Standardabweichungen (1 ) der Einzelwerte aus 2 Beprobungskampagnen (September 1995, April 1996) im Profil Torgau-Ost I handelt. Da die DICKonzentrationen ausreichend hoch sind und Strungen durch andere Puffersubstanzen kaum ins Gewicht fallen, knnen die Konzentrationen an gelstem CO2 und Hydrogencarbonat aller im Raum Torgau untersuchten Wsser aus p- und m-Werten bestimmt werden. Daher weichen die aus calcitbersttigter Lsung gemessenen DIC-Gehalte, bis auf wenige Ausnahmen, um weniger als 15 % von den nach Gl. 3.1-4 berechneten Konzentrationen ab und belegen damit eine relativ gute bereinstimmung.


Tab. 3.1-2: Mittelwerte und Streuungen (1 ) der Einzelwerte von gegenbergestellten Me- und Berechnungswerten der DIC- und CO2-Gehalte sowie pH-Werte in Torgau-Ost I whrend der Beprobungskampagnen 9/95 und 4/96, bei denen zustzlich die DIC-Gehalte aus calcitberstt

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Isotopische Charakterisierung v. Strömungs- & Redoxprozessen in Uferfiltrat & landseitigen Grundwässern der Torgauer Elbtalwanne