HydroTraP - Methoden

Datierung

HydroTraP nutzt die folgenden Tracer zur Datierung:

³H, ³He, ⁴He, ¹⁴C, ³⁹Ar, ⁸¹Kr, ⁸⁵Kr, ²²²Rn, SF₆, CFCs
 

Datierung im Altersbereich bis ca. 70 Jahre

Zur Bestimmung von Wasseraufenthaltszeiten bis zurück in die 1950er Jahre existieren verschiedene Isotopen- und Tracermethoden. Dazu gehören:

• die ³H-Methode, beruhend auf dem zeitabhängigen Eintrag ("Bombenpeak") des radioaktiven Wasserstoffisotopes Tritium (³H);
   
• die ³H-³He-Methode, beruhend auf dem radioaktiven Zerfall von Tritium (³H) zum stabilen Heliumisotop ³He (z.B. Schlosser et al., 1988);
   
• die SF₆-Methode, beruhend auf dem anhaltenden Anstieg des Spurengases Schwefelhexafluorid (SF₆) in der Atmosphäre (z.B. Busenberg und Plummer, 2000);
   
• die FCKW-Methode, beruhend auf dem Anstieg des atmosphärischen Gehaltes an Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) von ca. 1950 bis in die 1990er Jahre (z.B. Busenberg und Plummer, 1992).

Es empfiehlt sich, mindestens zwei der genannten Methoden gleichzeitig zum Einsatz zu bringen, um die Zuverlässigkeit der Resultate zu erhöhen und möglicherweise Aussagen über Mischungsprozesse ableiten zu können. Die ³H-³He- und FCKW-Methoden haben sich zur Bestimmung von mittleren Grundwasseraufenthaltszeiten und Neubildungsraten bewährt (z.B. Cook und Solomon, 1997). Die SF₆-Methode schließt die mit dem Ende des atmosphärischen FCKW-Anstieges entstandene Lücke für die Datierung junger Wässer.
 

Tritium (³H)

Das radioaktive Wasserstoffisotop ³H (Halbwertszeit 12.32 Jahre), wurde in den 50er- und frühen 60er-Jahren durch atmosphärische Tests thermonuklearer Bomben freigesetzt. Der resultierende "Bombenpeak" im Niederschlag machte Tritium zu einem wichtigen Tracer in der Hydrologie. Da jedoch in den letzten Jahrzehnten die zeitliche Dynamik von Tritium im Niederschlag stark abgenommen hat, sind Tritiumdaten alleine nicht immer aussagekräftig.

Anleitung zur Probenahme
 

³H-³He

Die ³H-³He-Methode, basierend auf kombinierter Messung von ³H und seinem Zerfallsprodukt ³He ermöglicht eine präzise Datierung von Wasser im Bereich von Monaten bis zu 60 Jahren unabhängig von der Tritiumeintragskurve. Diese Methode wurde ursprünglich für die Ozeanographie entwickelt, fand jedoch bald Anwendungen in der Untersuchung vertikaler Mischung in Seen (z.B. Torgersen et al., 1977; Hohmann et al., 1998) sowie zur Datierung oberflächennaher Grundwässer (z.B. Schlosser et al., 1988; Solomon et al., 1995). Die ³H-³He-Methode kann heute wohl als die präziseste und zuverlässigste Methode zur Datierung junger Wässer bezeichnet werden. Dennoch empfiehlt es sich, sie in Kombination mit mindestens einer weiteren Datierungsmethode zum Einsatz zu bringen, wobei die Kombination mit der SF₆-Methode (s. unten) besonders attraktiv ist. Diese Kombination bietet im Grundwasser unter anderem den Vorteil, dass aus den für die ³H-³He-Datierung routinemäßig durchgeführten Messungen von Ne (und ev. schwereren Edelgasen) der so genannte Luftüberschuss ("excess air", eine im Grundwasser typische Erhöhung der Gasgehalte gegenüber dem Lösungsgleichgewicht) bestimmt werden kann. Diese Information ist notwendig, um eine entsprechende Korrektur der SF₆-Resultate vorzunehmen. In jungem Grundwasser, das im Laufe der letzten Jahre bis Jahrzehnte infiltriert ist, sind Umwelttracer wie ³H-³He und SF₆ zuverlässige Werkzeuge zur Altersdatierung und damit zur Bestimmung von Neubildungsraten (z.B. Solomon et al., 1993) und Fließgeschwindigkeiten (z.B. Stute et al., 1997). Damit lassen sich letztlich Grundwasserströmungsmuster und vor allem -flüsse genauer definieren als alleine aufgrund von Piezometerhöhenverteilungen. Im Falle der Interaktion von Grund- und Oberflächenwasser ist oft ein klarer Unterschied im Alter und damit in den Konzentrationen zwischen den beiden Komponenten festzustellen, was auch Mischungsrechnungen ermöglicht.

Anleitung zur Probenahme
 

Schwefelhexaflourid (SF₆)

Schwefelhexaflourid (SF₆) ist ein anthropogenes Spurengas, das u.a. zur Untersuchung atmosphärischer Austauschprozesse, z.B. dem Luftmassenaustausch zwischen Nord- und Südhemisphäre, verwendet worden ist. Seine hohe Stabilität und die damit verbundene lange Lebensdauer sind dafür sehr vorteilhafte Eigenschaften. Über den Kontakt mit der Atmosphäre gelangt SF₆ entsprechend seiner Löslichkeit auch in die Hydrosphäre. Unter Einsatz von SF6 als aquatischem Markierungstracer ließen sich seit Ende der 80er Jahre in Ausbreitungsexperimenten im Ozean und in Seen quantitative Aussagen über horizontale und vertikale Strömungs- und Mischungsprozesse machen. Auch für Untersuchungen zum Gastransfer durch die Wasseroberfläche wurde SF6 eingesetzt. Durch das stetige Anwachsen des atmosphärischen Mischungsverhältnisses von SF₆ wird Grund- oder Oberflächenwässern beim Abschluss von der Atmosphäre eine Zeitinformation mitgegeben, d.h. die SF₆-Konzentration in abgeschlossenen Wasserkörpern spiegelt den Zeitpunkt des letzten Kontaktes mit der Atmosphäre wider. Für junge Grundwässer (<50 Jahre) bieten SF₆-Messungen - zusammen mit FCKWs, die sich zumindest bis in die 90er Jahre grundsätzlich ähnlich verhielten (s. unten) und Tritium - ein heute viel verwendetes und geeignetes Datierungswerkzeug. Die Genauigkeit der SF₆-Alter wird jedoch eingeschränkt durch Unsicherheiten z.B. über die Infiltrationstemperatur und den Luftüberschuss in neugebildetem Grundwasser. Eine Kombination mit der ³H-³He-Methode ist daher angezeigt, da die dabei erhaltenen Edelgasdaten Korrekturen der SF₆-Daten ermöglichen.

Anleitung zur Probenahme
 

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) oder Freone, insbesondere F-12 (CCl₂F2) und F-11 (CCl₃F), sind anthropogene Spurengase, die sich in der Umwelt nahezu konservativ verhalten. Analog zur SF₆-Methode ermöglicht der Anstieg des atmosphärischen Gehaltes an FCKWs von ca. 1950 bis in die 1990er Jahre die Datierung jüngerer Wässer (z.B. Busenberg und Plummer, 1992). Da jedoch der Anstieg der FCKWs infolge des Produktionsstopps (Montreal-Abkommen) in den letzten Jahrzehnten in eine Abnahme übergegangen ist, ist diese Methode für rezente Wässer, wie sie z.B. in der näheren Umgebung von Oberflächengewässern erwartet werden können, wenig geeignet. Für Wässer mit Altern zwischen ca. 20 und 50 Jahren bieten die FCKWs jedoch nach wie vor ein gute, relativ einfache und günstige Datierungsmethode. Allerdings können lokale Kontaminationen oder der Abbau von FCKWs unter anoxischen Bedingungen die Interpretation erschweren. Dafür sind Luftüberschuss-Korrekturen von untergeordneter Bedeutung.

Anleitung zur Probenahme
 

Datierung im Altersbereich Jahrhunderte bis Jahrzehntausende

Helium-Datierung (⁴He)

Die Akkumulation von radiogenem Helium kann, vor allem für sehr alte Grundwässer, zumindest als halb-quantitatives Datierungswerkzeug eingesetzt werden, welches bei der Edelgasmethode sozusagen mit eingebaut ist. Einer quantitativen Datierung mit Helium steht im Allgemeinen allerdings die Unsicherheit über Stärke und Herkunft des Helium-Flusses in Grundwasserleitern entgegen (z.B. Torgersen und Clarke 1985, Solomon et al. 1996, Castro et al. 2000). Es gibt jedoch auch erfolgreiche Beispiele der Nutzung des radiogenen Heliums zur Datierung (Aeschbach-Hertig et al. 2002c, Beyerle et al. 2003).
 

Radiokohlenstoff-Datierung (¹⁴C)

Die Datierung von Grundwässern für die Erstellung von Paläoklimazeitreihen wird gewöhnlich mit der ¹⁴C-Methode am gelösten anorganischen Kohlenstoff (DIC) vorgenommen, obwohl diese Methode wegen der Kohlenstoffaustauschprozesse im Untergrund recht problematisch ist. Die Grundidee der ¹⁴C-Datierung von Grundwasser ist, dass bei der Infiltration junger (¹⁴C-aktiver) Kohlenstoff in Form von Bodenluft-CO₂ im Grundwasser gelöst wird und danach nur durch den radioaktiven Zerfall mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren abnimmt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass schon bei der Infiltration auch alter (¹⁴C-toter) Kohlenstoff durch Karbonatauflösung ins Grundwasser gelangt. Der Anteil der verschiedenen Kohlenstoffquellen muss abgeschätzt werden, was meist anhand der stabilen Kohlenstoff-Isotope (δ¹³C) geschieht. Hierzu existieren eine Reihe von Modellen, am verbreitetsten ist wohl dasjenige von Fontes und Garnier (1979). Während diese Korrekturen in karbonatarmen Aquiferen gut durchführbar sind, können in manchen Aquiferen große Schwierigkeiten durch Auflösung und Fällung von Karbonaten entlang des Fließweges auftreten. Die ¹⁴C-Methode ist dennoch nach wie vor die wichtigste und oft einzige quantitative Methode zur Datierung von Grundwässern im Altersbereich von wenigen tausend bis ca. 40000 Jahren.
 

Radioargon-Datierung (39Ar)

Das Edelgasradioisotop ³⁹Ar erschließt in einmaliger Weise den Altersbereich von Jahrhunderten. Durch neue Entwicklungen ist seine Messung erheblich vereinfacht worden. Mehr Informationen zur atomphysikalischen Messung von ³⁹Ar gibt es hier.

 

Umwelt- und Klimabedingungen

HydroTraP nutzt die folgenden Proxies für Umweltbedingungen:

²H, ¹⁸O, Hauptisotope von Ne, Ar, Kr, Xe

Diese Methoden können zur Untersuchung von Prozessen im Ozean sowie in verschiedenen Umwelt- und Klimaarchiven eingesetzt werden, z.B. in Speläothemen und in Gletschereis. Im Folgenden wird nur die von HydroTraP bisher am meisten umgesetzte Anwendung im Grundwasser besprochen.
 

Untersuchung alter Grundwässer

Grundwasser in ausgedehnten oder tiefen Aquiferen kann sehr hohe Aufenthaltszeiten im Untergrund aufweisen, womit es ein Archiv von Niederschlagswasser aus der Vergangenheit darstellt. Insbesondere ist es oft möglich, die Isotopie des Wassers sowie den Gehalt an konservativen Spurenstoffen wie den Edelgasen bis zurück in die letzte Eiszeit zu rekonstruieren. Diese Umwelttracer liefern Information zu den Umweltbedingungen (insbes. Temperatur) zum Zeitpunkt der Infiltration, welcher seinerseits meist mit ¹⁴C-Datierung bestimmt wird. Auf diese Weise lässt sich die Temperaturgeschichte über die letzten 30 bis 40 tausend Jahre rekonstruieren. Die folgenden Methoden werden in diesem Themenbereich eingesetzt:
 

• das Edelgasthermometer, beruhend auf der temperaturabhängigen Löslichkeit der atmosphärischen Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe);
   
• die stabilen Isotope des Wassers, beruhend auf Isotopenfraktionierungseffekten im Wasserkreislauf (δ²H, δ¹⁸O);
   

Die Rekonstruktion von Infiltrationstemperaturen aus gelösten Edelgasen und stabilen Isotopen stellt heute eine etablierte Methode zur Bestimmung der Temperaturänderung während des Überganges vom letzten eiszeitlichen Maximum zur heutigen Warmzeit dar.
 

Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe)

Die Löslichkeiten der schweren Edelgase (Ar, Kr, Xe) im Wasser hängen stark von der Temperatur ab. Die Messung von Edelgaskonzentrationen in Grundwässern erlaubt daher die Bestimmung der Temperatur zum Zeitpunkt der Infiltration, was in vielen Studien erfolgreich zur Rekonstruktion der Temperaturgeschichte bis zurück in die letzte Eiszeit verwendet wurde. Der Vorteil des sogenannten Edelgasthermometers gegenüber anderen Paläotemperaturproxys wie den stabilen Isotopen ist, dass aufgrund der exakten Kenntnis der zugrundeliegenden Löslichkeiten zuverlässige absolute Temperaturen bestimmt werden können. Das Edelgaspaläothermometer wird allgemein als zuverlässiger Indikator absoluter Temperaturen anerkannt, worauf seine Bedeutung zur Kalibration von Klimamodellen beruht. Die Mehrheit der Edelgas-Paläoklimastudien stammt aus mittleren Breiten in Europa und Nordamerika. Dort ergeben solche Studien eine eiszeitliche Abkühlung von 5 bis 9°C, wobei die höchsten Werte auf den Einfluss der eiszeitlichen Eisschilde zurückgeführt werden (s. Reviews in Stute und Schlosser 1993, 2000, Kipfer et al. 2002). In jüngerer Zeit wurden zunehmend Edelgasstudien in (sub)tropischen Breiten durchgeführt, welche ebenfalls Abkühlungen von rund 5°C ergeben (Stute et al. 1995, Stute und Talma 1998, Edmunds et al. 1999, Weyhenmeyer et al. 2000, Beyerle et al. 2003).

Eine Schwierigkeit der Edelgasmethode (wie auch der Gastracer-Methoden zur Datierung) liegt im Auftreten von Luftüberschüssen, der so genannten "excess air" im Grundwasser, was bei der Berechnung von Edelgastemperaturen mittels inverser numerischer Methoden (Ballentine und Hall 1999; Aeschbach-Hertig et al. 1999) berücksichtigt werden muss. Der Luftüberschuss im Grundwasser ist jedoch nicht nur störend, sondern kann potentiell auch nützliche Hinweise auf die Infiltrationsbedingungen liefern. Es wird vor allem in semi-ariden Gebieten ein Zusammenhang zwischen Luftüberschuss und Infiltrations- bzw. Niederschlagsintensität vermutet Aeschbach-Hertig et al. 2002a, Beyerle et al. 2003, Kulongoski et al. 2004), welcher "excess air" zu einem Proxy für Paläofeuchte machen könnte.

Anleitung zur Probenahme
 

Stabile Isotope (δ¹⁸O, δ²H)

Die stabilen Isotope des Wassermoleküles (δ¹⁸O, δ²H) werden seit Jahrzehnten erfolgreich in der Hydrologie und Klimatologie eingesetzt (z.B. Clark und Fritz, 1997). Damit lassen sich Bildungsbedingungen, Herkunft und Mischung verschiedener Wässer identifizieren. In Gegenden mit ausgeprägter Topographie, können die stabilen Isotope zur Bestimmung der Infiltrationshöhe (über den sog. Höheneffekt, Gonfinatini et al., 2001) verwendet werden, was eine Eingrenzung der Infiltrationsgebiete ermöglicht und für die Interpretation der Gastracerdaten von großer Bedeutung ist. Besonders wichtig ist bei Paläoklimastudien an Grundwasser die bereits angesprochene Möglichkeit, stabile Isotope als Temperaturproxy einzusetzen. Im Vergleich zu den Edelgasen haben die stabilen Isotope ein viel weiteres Anwendungsgebiet als Paläoklimaproxy, ihre Kalibration als Thermometer ist aber ein schwieriges und vieldiskutiertes Problem (z.B. Fricke und O'Neil 1999). Die Verbindung von Edelgastemperaturen und stabilen Isotopen in Grundwasserstudien ergibt eine einzigartige Gelegenheit zur lokalen Kalibration der Beziehung zwischen Temperatur und Isotopenverhältnissen, welche als Basis zur Interpretation anderer kontinentaler Klimaarchive (z.B. Eisbohrkerne, Seesedimente, Speläotheme) gebraucht wird.

Anleitung zur Probenahme
 

Luftüberschuss ("excess air") im Grundwasser

Die Erfahrung aus vielen Messungen gelöster konservativer Gase (meist Edelgase) im Grundwasser hat gezeigt, dass deren Konzentrationen fast immer über dem erwarteten Lösungsgleichgewicht mit der Atmosphäre liegen. Die Zusammensetzung des Gasüberschusses relativ zum Lösungsgleichgewicht belegt dessen atmosphärischen Ursprung, weshalb sich die Bezeichnung Luftüberschuss (engl. excess air) eingebürgert hat (Heaton und Vogel, 1981). Ursache des Luftüberschusses sind zweifellos kleine Luftblasen, die bei einem Anstieg des Grundwasserspiegels in der so genannten quasi-gesättigten Zone eingeschlossen werden (Faybishenko, 1995).

Ursprünglich wurde angenommen, "excess air" im Grundwasser komme durch vollständige Auflösung dieser eingeschlossenen Luftblasen zustande (Heaton und Vogel, 1981; Andrews et al., 1979) und habe daher exakt dieselbe Zusammensetzung wie Luft. Die genauere Untersuchung von Edelgasdatensätzen, u.a. mittels inverser numerischer Methoden (Ballentine und Hall 1999; Aeschbach-Hertig et al. 1999), hat jedoch gezeigt, dass diese Annahme in vielen Fällen nicht zutrifft. Als Abhilfe sind deshalb komplexere Modelle zur Bildung des Luftüberschusses entwickelt worden (Stute et al. 1995, Aeschbach-Hertig et al. 2000), welche eine Fraktionierung der Zusammensetzung des Luftüberschusses relativ zu Luft beinhalten.

Nach unserer Erfahrung hat sich das Modell der Bildung und Zusammensetzung des Luftüberschusses durch Äquilibrierung zwischen Wasser und eingeschlossenen Blasen im abgeschlossen System sehr gut bewährt (Aeschbach-Hertig et al. 2000). Dieses Modell liefert auch eine theoretische Grundlage für die Interpretation des Luftüberschusses als Indikator für die Umweltbedingungen bei der Infiltration (Aeschbach-Hertig et al. 2002a). Es zeigt, dass der hydrostatische Druck einen dominierenden Einfluss auf die Größe des Luftüberschusses hat. Da der hydrostatische Druck mit Wasserspiegelschwankungen verknüpft ist, kann letztlich ein Zusammenhang zwischen Luftüberschuss und Infiltrations- bzw. Niederschlagsintensität vermutet werden (Aeschbach-Hertig et al. 2002a, Beyerle et al. 2003, Kulongoski et al. 2004). Diese Zusammenhänge wurden im wesentlichen auch durch detaillierte Untersuchungen zum Luftüberschuss unter kontrollierten Bedingungen bestätigt (Holocher et al., 2002, 2003).

Aufgrund der Bedeutung der Luftüberschuss-Korrektur für die ³H-³He und SF₆-Methode kombinieren wir heute wenn immer möglich vollständige Edelgasmessungen mit diesen Datierungsmethoden. Sowohl die Infiltrationstemperatur als auch die Luftüberschuss-Komponente können dann mittels der inversen Modellierung zuverlässig bestimmt werden und fließen korrekt (inkl. allfälliger Fraktionierung) in die Altersberechnung ein.